張明亮,解旭輝,李圣怡 

   　簡(jiǎn)述開放性數(shù)控系統(tǒng)的概念、主要特點(diǎn)及國(guó)際上主要開放性數(shù)控研究計(jì)劃的成果，提出開發(fā)開放性數(shù)控發(fā)展的指導(dǎo)思想及開發(fā)開放式數(shù)控面臨的課題。
【關(guān)鍵詞】：CNC；開放性；OSACA；OMAC；OSE
【分類號(hào)】：TG659
【正文】：
　　當(dāng)前世界ＣＮＣ市場(chǎng)上的ＣＮＣ控制器制造商生產(chǎn)的ＣＮＣ系統(tǒng)，大多是專用設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上提供給用戶有限的選擇，用戶無(wú)法對(duì)現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能進(jìn)行修改以滿足自己特殊需求；各種廠商提供給用戶的系統(tǒng)的操作方式各不相同，用戶在培訓(xùn)人員、設(shè)備維護(hù)等方面要投入大量的時(shí)間與資源。

 Development of Open Architecture Numeric Control Technology

                                      Zhang Mingliang\ Xie Xuihui\ Li Shengyi 

  　In this paper, Definitions and characteristics of Open Architecture Numeric Control are presented and key achievements obtained are also introduced. The guidelines and key problems for developing Open Architecture Numeric Control are also discussed.
【Keyword】：CNC;open architecture;OSACA OMAC OSE
  
　　摘要：簡(jiǎn)述開放性數(shù)控系統(tǒng)的概念、主要特點(diǎn)及國(guó)際上主要開放性數(shù)控研究計(jì)劃的成果，提出開發(fā)開放性數(shù)控發(fā)展的指導(dǎo)思想及開發(fā)開放式數(shù)控面臨的課題。

　　當(dāng)前世界CNC市場(chǎng)上的CNC控制器制造商生產(chǎn)的CNC系統(tǒng)，大多是專用設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上提供給用戶有限的選擇，用戶無(wú)法對(duì)現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能進(jìn)行修改以滿足自己特殊需求；各種廠商提供給用戶的系統(tǒng)的操作方式各不相同，用戶在培訓(xùn)人員、設(shè)備維護(hù)等方面要投入大量的時(shí)間與資金；當(dāng)今的CNC處于DNC和FMS環(huán)境中，同時(shí)還與CAD/CAM/CAPP等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，過去的封閉式CNC系統(tǒng)，沒有共同的編程語(yǔ)言。缺乏標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)接口。上述這些問題都嚴(yán)重阻礙了 CNC制造商、系統(tǒng)集成者和用戶采用快速而有創(chuàng)造性地解決當(dāng)今制造環(huán)境中數(shù)控加工和系統(tǒng)集成中的問題。CNC制造商、系統(tǒng)集成者、用戶都希望“開放化的控制器”，能夠自由地選擇CNC裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、應(yīng)用軟件等數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成要素，并能夠采用規(guī)范的、簡(jiǎn)便的方法將這些構(gòu)成要素組合起來(lái)。

　　為了適應(yīng)時(shí)代的要求，進(jìn)入90年代以來(lái)，世界上一些研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商，先后開展了開放性數(shù)控的研究。歐洲、美國(guó)、日本各自成立了開放性數(shù)控的研究機(jī)構(gòu)，它們的發(fā)展計(jì)劃的代號(hào)分別為OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、OMAC(Open Modular Architecture Controller)、OSE(Open System Environment)。這3個(gè)計(jì)劃目前都已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，并且公布了部分研究成果。

　　1 開放性數(shù)控的主要特點(diǎn)

圖1 CNC裝置的外部環(huán)境

    CNC 裝置的外部環(huán)境，如圖1示，人們?cè)絹?lái)越希望能夠自由地選擇CNC裝置、伺服放大器、執(zhí)行單元、傳感器、PLC等外部設(shè)備，而且能夠具有與外部信息高度的通訊功能，使CNC裝置能夠靈活運(yùn)用在綜合化的生產(chǎn)環(huán)境中。所謂開放性數(shù)控，就是指機(jī)床制造廠(CNC的中間用戶)和機(jī)床用戶(CNC的最終用戶)能夠更改、添加CNC裝置的功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)裝置的廉價(jià)化。

　　目前對(duì)于開放性數(shù)控的具體定義還存在爭(zhēng)論，OSACA、OMAC、OSE對(duì)于開放性數(shù)控都作出了自己的定義，一般而言，開放性數(shù)控應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

　　由一系列邏輯上獨(dú)立的構(gòu)成要素組成；

　　提供系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成要素與系統(tǒng)之間接口的完善的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)自不同廠商的符合規(guī)范的構(gòu)成要素能夠構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)控系統(tǒng)；

　　能夠動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)；

　　能夠?qū)崿F(xiàn)與其它自動(dòng)化系統(tǒng)或軟件模塊的互操作；

　　能夠提供一致性好的人機(jī)界面(MMI)
 
 
    2　開放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)際上與開放性數(shù)控的項(xiàng)目相關(guān)的項(xiàng)目比較多，但是目前最具影響力的仍是OSACA、OMAC、OSE，因而這3個(gè)計(jì)劃的發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了開放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀。

　　OSACA自1992年5月正式啟動(dòng)，目前已進(jìn)入第三階段，主要取得下述成果：

　　定義了中性的(即不依附于任何廠家的)開放性數(shù)控系統(tǒng)的基本規(guī)范。

　　擬訂了中性的可適用于數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人、可編程邏輯控制器和單元控制器的統(tǒng)一的參考結(jié)構(gòu)。

　　開發(fā)了第一批示范性的應(yīng)用軟件模塊(OSACA API)。

　　OMAC 自1994年12月由 Chrysler、Ford 和General Motors 公布了“開放的模塊化結(jié)構(gòu)控制器(OMAC)在汽車工業(yè)中的需求” 的文件，1997年2月14日, General Motors Powertrain Group (GMPTG)建議成立了OMAC。目前已經(jīng)具有80多家研究機(jī)構(gòu)、9家OEM，16家用戶參與該組織，主要取得以下成就：

　　定義了標(biāo)準(zhǔn)化的OMAC API，使得用戶可以充分發(fā)揮自己的主動(dòng)性，裝入自己的所需的特殊功能。

　　利用Window OS，可以充分利用現(xiàn)有的個(gè)人計(jì)算機(jī)資源如CAM、SPC。

　　以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，提供高性能的控制功能。

　　利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、便攜化。

　　OSE自1994年12月由6家企業(yè)發(fā)起，如今已發(fā)展成為具有18家企業(yè)和1個(gè)團(tuán)體的具有較大影響力的組織。1995年OSE公布了“OSEC-I”，1996年公布了“OSEC-II”，同時(shí)還展示了3臺(tái)驗(yàn)證系統(tǒng)。主要取得以下成就：

　　提出了開放性數(shù)控系統(tǒng)的參照模型，并將其具體化為實(shí)裝模型。

　　開發(fā)了基于PC的人機(jī)接口系統(tǒng)。

　　提出并開發(fā)了新的NC語(yǔ)言O(shè)SEL。

　　開發(fā)了用于機(jī)床控制的接口(OSEC API)及語(yǔ)言處理器。

　　目前這些組織在本國(guó)或本地區(qū)都鼓勵(lì)企業(yè)參與研究與決策工作，并且推出了一系列的示范性的產(chǎn)品。

   3 開發(fā)開放性數(shù)控系統(tǒng)的基本指導(dǎo)思想

 　　最大限度地利用日新月異的PC軟硬件技術(shù)

　　PC 化是實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控的比較現(xiàn)實(shí)的途徑。PC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，PC的可靠性和它計(jì)算能力飛速增長(zhǎng)，硬件已完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這些使得它更加適合于在工業(yè)環(huán)境下使用。PC具有充足的的支持軟件來(lái)改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。利用 PC豐富的程序開發(fā)工具，機(jī)床制造商和用戶可以采用通用的編程語(yǔ)言編制軟件模塊代替系統(tǒng)的原有模塊，便于廠商和用戶添加具有自己獨(dú)特的技術(shù)訣竅的模塊。

　　模塊化

　　用戶希望能夠在選用硬件上具有更大的自由度。而作為機(jī)床生產(chǎn)廠商，面對(duì)市場(chǎng)的快速變化的需求，設(shè)計(jì)和集成系統(tǒng)的時(shí)間要求越來(lái)越緊迫，因此機(jī)床生產(chǎn)廠商也希望數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成要素具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，具有即插即用的特性。CNC系統(tǒng)的模塊化建立在對(duì)機(jī)床的各個(gè)構(gòu)成要素的功能的邏輯性分析的基礎(chǔ)上，將其分解為邏輯上相互獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)模塊與功能的之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，為這些模塊之間的連接制定的標(biāo)準(zhǔn)接口。模塊化的構(gòu)成要素能夠滿足用戶和廠商的多樣化、多層次的要求，能夠采用少量模塊組合出多種產(chǎn)品，高效、優(yōu)質(zhì)地滿足不同用戶的需求。

　　動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)

　　常用的系統(tǒng)配置方法是直接修改系統(tǒng)參數(shù)，周期長(zhǎng)，并且易出錯(cuò)。為了實(shí)現(xiàn)更靈活的配置和更友好的操作方式，開放性數(shù)控需要新型的配置過程，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置。動(dòng)態(tài)配置的實(shí)現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)生成，包括選擇構(gòu)成要素、參數(shù)化構(gòu)成要素的功能、構(gòu)成要素之間的信息流的組織等幾個(gè)步驟。

　　可移植

　　系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺(tái)上的相同功能構(gòu)成要素的可移植性。但是由于軟硬件平臺(tái)的多樣性，需要實(shí)現(xiàn)在多種軟硬件平臺(tái)上的可移植性。這就要求開放性數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范應(yīng)該不依賴于特定的軟硬件平臺(tái)。開放性數(shù)控所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命名習(xí)慣、用戶接口外觀等都應(yīng)有利于在不同的系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟件而言，為了滿足可移植性的要求，采用分層設(shè)計(jì)或客戶/服務(wù)器模式設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，將與軟硬件平臺(tái)相關(guān)的部分置于底層，進(jìn)行移植時(shí)，只需替換底層軟件(實(shí)際上，模塊的生產(chǎn)廠商應(yīng)該負(fù)責(zé)提供最底層的軟件)。

　　可擴(kuò)展性

　　可擴(kuò)展性是指用戶或二次開發(fā)者能否采用安全而有效的方法將屬于他們自己的加工經(jīng)驗(yàn)和專用軟件集成到CNC系統(tǒng)中，形成自己的專有CNC。可擴(kuò)展性的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：

　　可以采用固定模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但預(yù)留插入用戶專用軟件的接口的方式；

　　提供用戶API和編程規(guī)范，供用戶編制自己的專用模塊；

 　　鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)界參與開放性系統(tǒng)的開發(fā)過程

 　　世界各國(guó)出現(xiàn)開發(fā)開放性數(shù)控的熱潮的主要?jiǎng)恿υ谟谔岣弑緡?guó)或本地區(qū)的CNC在世界上的競(jìng)爭(zhēng)力，各國(guó)積極鼓勵(lì)企業(yè)參與研究，而許多企業(yè)自發(fā)地參與或主持研究工作。開放性的數(shù)控需要開放性的氛圍來(lái)實(shí)現(xiàn)：日本OSE的研究活動(dòng)均志愿地進(jìn)行，采用“郵式會(huì)議”的方式進(jìn)行討論；OMAC的會(huì)員采用表決機(jī)制，每個(gè)成員均有平等的機(jī)會(huì)表述自己的觀點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)界參與決策的機(jī)會(huì)；美國(guó)能源部提供了一個(gè)叫做CAADA的制度，實(shí)施與個(gè)別民間企業(yè)合作的具體的控制器的共同開發(fā)計(jì)劃。

　　4 開放性數(shù)控發(fā)展面臨的課題

　　一致性的人機(jī)界面(MMI)

　　對(duì)用戶友好，具有一致性的數(shù)控系統(tǒng)的操作界面，對(duì)于降低人員培訓(xùn)費(fèi)用，降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用都具有比較重要的意義。

　　以軟件為基礎(chǔ)的控制器

　　在開放性數(shù)控的研究過程中，軟件越來(lái)越受到重視。 OSACA認(rèn)為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)由面向硬件(Hardware Oriented)轉(zhuǎn)向面向軟件(Software Oriented)。OSACA雖然對(duì)于硬件提出了一些中性的規(guī)范，但是它對(duì)硬件的規(guī)范并不苛求。OMAC的最早倡議者者GM公司認(rèn)為，機(jī)床的控制器可以實(shí)現(xiàn)各種程度的開放，最高程度的開放是以軟件技術(shù)為基礎(chǔ)的控制器。OSACA、OMAC、OSE都提供了API作為研究的重要成果。

　　重視RTOS(Real Time Operation System)的開發(fā)與應(yīng)用

　　開放性數(shù)控要求不依賴于特定的軟硬件平臺(tái)，但是并不是所有的操作系統(tǒng)都能滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。數(shù)控加工要求RTOS，現(xiàn)在流行多種操作系統(tǒng)，用戶和CNC開發(fā)廠商都面臨著許多選擇。一些測(cè)試表明，流行的操作系統(tǒng)大多無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的要求。目前，微軟正著手將Windows CE操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)。美國(guó)能源部的ICON制造操作系統(tǒng)項(xiàng)目正在研制MOS(Manufacturing Operating System)。

　　數(shù)控系統(tǒng)開放程度

　　OSACA規(guī)定了3個(gè)層次的開放程度：人機(jī)界面開放、內(nèi)核有限開放、全開放。人機(jī)界面開放的開放度只限于非實(shí)時(shí)控制部分(面向用戶應(yīng)用)；內(nèi)核有限開放的內(nèi)核結(jié)構(gòu)固定，但留有插入用戶專用軟件的接口，這兩種程度的開放，在目前實(shí)現(xiàn)是完全可能的。而最高程度的開放——內(nèi)核的完全開放，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由過程可互換性、可升級(jí)性、可移植性、互操作性等決定的，最終要求實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)能夠任意組合所有模塊的功能，目前還較為困難。
　具備網(wǎng)絡(luò)通信功能

　　當(dāng)今的CNC處于CIMS和 DNC 的環(huán)境中，CNC系統(tǒng)不僅能夠控制獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，同時(shí)還要在綜合化的生產(chǎn)環(huán)境中，用做生產(chǎn)的終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通訊功能已經(jīng)成為CNC系統(tǒng)的必備功能。 ISDN和ATM技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得通過Internet的數(shù)控系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)的可能性。由此會(huì)產(chǎn)生一系列的如何防止外部非法入侵等有關(guān)安全性的一系列問題。另外，在網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序在不同數(shù)控機(jī)床上的可移植性是一個(gè)值得研究的重要問題。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

 　　開放性數(shù)控是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，開放性的體系結(jié)構(gòu)給CNC生產(chǎn)廠家、機(jī)床制造廠和用戶都帶來(lái)了許多益處。當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家正在緊鑼密鼓地進(jìn)行著開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究—— OSE稱之為機(jī)械制造業(yè)的第三次革命，正為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的契機(jī)，要想在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，不但要具有雄厚的開發(fā)力量，還必須有敏銳的超前意識(shí)。因此，國(guó)家應(yīng)該重點(diǎn)扶植和支持開放性數(shù)控技術(shù)的研究，才有可能在未來(lái)幾年或幾十年的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

【引證文獻(xiàn)】   
   
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