国产数控系统的发展方向

1国产数控系统的发展方向找准适合国情的发展方向，确立可行的发展道路，是通过科技创新发展国产数控的关键。1.1数控系统体系结构的主要形式与发展前途从宏观上看数控系统可分为专用计算机数控系统和通用计算机数控系统两大类。目前国内外众多厂商普遍看好的数控系统发展方向是通用计算机数控系统。在通用机数控中最成功的当属PC数控系统。 由于PC机(包括工业PC)产量大、价格便宜，技术进步和性能提高很快，且可靠性高(工业PC主机的MIBF已达30年1)。因此，以其作为数控系统的软硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性能价格比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等。 目前，PC数控系统的体系结构主要有以下几种形式： (1)专用数控加PC前端的复合式结构这类系统的设计思想是将通用PC和专用NC通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式数控系统。这类系统的优点是可以保持原有数控基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保密，因此多为一些老的数控厂商或实力较强的厂家所采用。这类系统的最大缺点是开放性有限、开发和生产成本较高，技术升级换代较慢。可以预计，在我国现有条件下，此类系统不会有大的发展。 (2)通用PC加实时控制单元的递阶式结构其设计思想是利用PC机作为数控系统软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制单元(将实时控制板卡插入总线插槽中)而组成完整的数控系统。其中，PC机主要完成数控系统中上层一些实时性不是很强的任务并对全系统的运行进行协调和管理，而实时控制单元则完成数控下层的高实时性控制任务。实时控制单元可以是带轨迹插补计算、位置控制、开关量控制(PLC)等的完整的CNC单元，也可以是仅具有位置控制功能的简单位控卡或与数字式伺服接口的数字脉冲转换卡。由于这类系统结构简单、易于实现开放性、成本相对较低，因此得到了国内外许多厂商，特别是中小厂家的广泛采用。但这类系统也存在一些缺点。最突出的就是实时控制单元与伺服驱动单元间的信息交换问题。目前，将实时控制信息送往伺服驱动单元的方法主要有两种：一种是通过模拟量形式进行，主要问题是难以消除零飘、温飘对精度的影响，容易受外部干扰。另一种是通过脉冲量形式进行，主要缺点是实时控制单元与伺服驱动单元间需通过非编码方式直接传递指令脉冲信号，一旦丢失脉冲或引入了干扰脉冲，难以进行查错纠错，不易保证信息的高可靠性。 （3)数字化分布式结构其方案是将由DSP等组成的数字式伺服通过以光缆等为介质的网络与PC数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。由于这种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通讯和协调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，使整个数控系统具有很好的性能。但是，这种系统的开发和生产成本很高，没有较大的投资很难上马。综上所述，本文认为以上三种结构均不是符合中国国情的最好方案。1.2符合中国国情的PC数控的发展道路 几十年的经验教训表明，可靠性好坏是国产数控系统生死存亡的关键。我们在开发新型数控系统时，优先选用新型高性能CPU(如高主频的Pentium、Pentium等)作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能。这样，可大幅度减小系统硬件的规模。此外，还应在软件设计、电源设计、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计和施工等采用强抗扰高可靠性设计与制造技术，从而全面提高系统的可靠性。在基于高性能CPU的PC平台上不仅可以完成数控系统的基本功能(如信息处理、刀补计算、插补计算、加减速控制等)和开关量控制功能(内装PLC)，而且还可以完成伺服控制功能。这样，以前由DSP完成的数字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量变换控制等)均可由PC中的CPU完成，从而实现内装式伺服控制，这不仅有效缩小了数控部分的硬件规模，而且还大幅度缩小了伺服控制部分硬件规模。这种具有内装PLC和内装伺服控制的全软件化集成式数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个PC平台外，剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈接口。这既有效提高了系统可靠性，又提高了系统性能，同时还可显著降低系统本，使系统(包括电动机)售价可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力，有望为开创中国数控的新局面作出贡献。 221.14.249.*为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 1.4重视新技术标准、规范的建立 1.4.1关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。1.4.2关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。 2对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。*兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。3、对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。3.2发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。国产数控系统的开发及其在中档加工中心上的应用 普及型中档数控系统是我国机床市场需求的主体，也是数控机床产业结构优化的基础。当前，国产数控系统产业面临着十分严峻的形势，国内80%以上中高档数控系统和数控机床依赖进口，数控系统产业发展的严重滞后，已经成为制约我国制造业发展的瓶颈。 由武汉华中数控股份有限公司、北京机电院高技术股份有限公司承担的科技部863课题国产数控系统的开发及其在中档加工中心上的应用，通过对三轴及三轴以上加工中心关键技术的研究、中试和与国产中档加工中心的批量配套，使国产数控系统的功能、性能和可靠性达到了国际同类产品先进水平，为国产中档数控加工中心的规模化生产奠定了基础。 一、创新的技术路线与研究成果 国产数控系统的开发及其在中档加工中心上的应用课题，瞄准国外数控系统和加工中心的先进水平，采用创新的技术路线：第一， 以软代硬、简化硬件，保障产品的品质；第二， 建立开放式平台、适应用户个性化要求；第三， 技术成套，降低成本，提高竞争力；第四，坚持将阶段研究成果迅速工程化，开发出适应于市场发展的数控系统新产品。在数控系统关键部件与加工中心主机一体化设计、开发和生产工艺体系方面，取得了六个方面的重大突破。 高品质、高性能、高集成的世纪星HNC-21/22数控系统 华中世纪星HNC-21/22系列数控系统采用先进的开放式体系结构，内置高性能32位嵌入式工业PC，数控单元集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、PLC接口、网络通讯接口于一体，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、可靠性高的特点。可控制6个进给轴，最大联动轴数为6轴，可与数控车、车削中心、数控铣、加工中心、数控专机、车铣复合机床等机床配套。 HSV-16D全数字交流伺服驱动单元 HSV-16D全数字交流伺服驱动单元将电源模块和驱动模块集成为一体，采用最新运动控制专用数字信号处理器（DSP）、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，具有结构小巧、造型美观、使用方便、可靠性高等特点。 HSV-20S全数字交流伺服主轴驱动单元 HSV-20S全数字交流伺服主轴驱动单元采用AC380V电源直接输入，省去了常用的伺服变压器，具有结构紧凑、控制灵活、使用方便、可靠性高的特点。HSV-20S全数字交流伺服主轴驱动单元还具有较高的加减速响应性能和较宽的功率选择范围，可根据需求形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。 GK6交流永磁同步伺服电机 GK6交流永磁同步伺服电机采用高性能稀土永磁材料形成气隙磁场，由脉宽调制变频器控制运行，具有良好的力矩特性和宽广的调速范围。GK6系列电机采用自冷式，防护等级为IP64-IP67，GK6系列电机具有较宽的电网波动适应性，可广泛应用于数控机床的运动控制领域。 GK7系列交流伺服主轴电机 GK7系列交流伺服主轴电机采用F级特殊绝缘结构及整机加工和高精度动平衡工艺，可与国内外各类高、中、低档交流伺服主轴驱动模块配套，进行闭环控制运行，可获得较高的运行特性。 加工中心与数控系统的优化配套技术 在加工中心与数控系统配套技术方面，采用了先进的圆弧插补的过象限反向尖峰补偿技术，可进行数控系统的动态特性测试、伺服驱动系统的动态特性测试，具有蓝图编程功能、故障诊断功能、后台编辑功能和加工中心的PLC程序的模块化。 二、先进的生产质量保障体系 利用先进的技术提高产品的性能质量，是推广应用国产数控系统的关键。课题承担单位武汉华中数控股份有限公司是国内数控系统生产的龙头企业，拥有现代化的生产基地，先进的数控系统、伺服驱动装置生产线和数控电柜装配车间，具备建立了年产各类数控系统5000台套的生产能力。为解决数控系统功能、性能稳定性的关键技术，本课题组重点做了如下工作： 第一、建立先进的生产质量保障体系 建立了达到国家标准规定检测能力的质量检测中心，配置了先进的电磁兼容性和可靠性检测仪器设备150多台，如快速瞬变脉冲群发生器、雷击浪涌脉冲发生器、静电放电检测仪、振动试验台、冲击试验台、高温运行实验室和高低温环境实验室等。通过这些有效的检测仪器和检测手段，对产品的结构、工艺等方面进行了改进，并在产品生产过程中强化质量控制，建立了ISO9001质量保证体系，大大提高了产品的质量。 第二、开展了数控系统的可靠性设计。 数控装置的设计采用标准化、模块化、规范化的设计方案，设计尽量采用标准的和互换性好的元器件和零部件，充分考虑工艺性、操作性、测试、包装、贮存、运输和维修等各种环境对数控装置的影响；严格元、器件的筛选工艺和装配工艺，元、器件全部使用工业级接插件，把好电路板焊接等环节的质量关。 数控系统软开发采用专用的工具进行项目管理，做到设计、修改可重现、可记录、可追溯; 制定软件版本管理方法、安装工艺和检查工艺，杜绝软件使用的随意性和不可控制性；对软件产品把好设计、调试、集成多道测试程序关，保证软件产品的正确性和可检查性。 三、国产数控系统配套加工中心的推广应用 目前，华中数控系统已与国内多家加工中心主机厂实现了批量配套应用，例如北京机电院高技术股份有限公司、安徽鸿庆精机有限公司、大连机床集团、成都托普数控有限责任公司、南通纵横国际股份有限公司、南京第二机床厂、江苏多棱数控机床股份有限公司、杭州友嘉机床集团、武汉高科机械设备制造有限公司等。 这是华中数控系统在典型加工中心上的应用实例：华中数控系统配套北京机电院VMC750E/BV75加工中心、华中数控系统配套安徽鸿庆DM4600加工中心、华中数控系统配套成都托普EVC750加工中心、华中数控系统配套大连机床集团VDL600加工中心。 加工中心配备华中数控系统的主要用户还有武汉协力精密制造有限公司，以及上海市工业技术学校、无锡职业技术学院、常州轻工职业技术学院、长春职业技术学院等二十多所国家数控教学示范性实训基地。 通过本课题的研究、开发、工程化、产业化，110多台套配备华中数控系统的BV75、BV85、VMC750E等国产中档加工中心，已经在中华大地成功应用，为社会主义经济建设发挥出重要的作用。本课题的研究成果也有力地证明了，国产中高档数控系统取得了长足发展，初步实现了技术创新，具有很强的后发优势。国产中高档数控系统完全有可能实现历史性突破，像当年的国产程控交换机一样，从跨国企业手中夺回绝大部分国内市场。 PC数控系统的体系结构(1) 专用数控加PC前端的复合式结构(2) 通用PC加实时控制单元的递阶式结构(3) 数字化分布式结构开放式控制系统的现状、趋势与对策2008年1月29日 中国机械工程实现了由软件芯片生成应用数控系统的配置、集成系统，可以支持用户利用库中的软件芯片或任何第三方提供的软件单元生成应用系统。它由软件芯片组合生成控制单元的单元功能配置工具、由控制单元组合生成CNC应用软件的应用框架配置工具、应用程序生成以及编译连接工具等组成，见图5。单元配置和框架配置工具根据用户的选择，分别生成单元配置文件和应用配置文件，由应用生成工具根据配置文件生成CNC软件代码。生成的代码对用户开放，用户可以根据情况对生成的代码进行修改。利用集成工具，可以灵活、高效地生成开放性控制系统。图5软件芯片集成环境体系数结构目前利用已开发的软件芯片及集成工具，可自动生成二坐标车床控制系统。我们正在开发图形化的应用系统分析、集成工具。3迅速开展我国开放式控制系统研究的建议数控技术是制造技术的基础，是提高产品质量和性能，降低产品成本，缩短生产周期的关键。3.1现状与问题目前国内已有的开放性控制系统有四种：华中型、中华型、航天型和蓝天型。国内的开放控制系统各有优点，但从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放性控制系统的本质特征，仍有许多需要改进之处。首先，开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。其次，没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系统。软件开发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。从总体上讲，我国制造业面临的形势如下：(1)我国制造业对开放式制造控制系统有着巨大的需求与动力我国制造业和制造业组织面临着调整、改造和优化的艰巨任务，因此存在着研究和发展包括开放性控制系统在内的新一代制造技术的巨大动力；产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，已成为制约我国制造业发展的瓶颈，因此存在着发展开放性制造控制系统的需求；此外由于我国各科研生产单位各自采用不同的标准，形成了各种不同的封闭系统：不同的通讯协议和数据结构，使不同设备之间无法实现信息交换，不同的软件之间无法实现信息的传输，不同的数据库之间无法实现数据的共享，因而有实现开放式制造控制系统的迫切需要。(2)我国的生产与市场将进一步融合到广阔的国际市场中去面对激烈的市场竞争，要使我们的产品在国际上占有一席之地，必须尽快提高产品的技术含量和性能指标，并与国际接轨。数控系统，无论是其作为商品本身，还是作为商品的加工手段，都要求其是一个开放式控制系统。3.2开展我国开放式控制系统研究的建议国外的各研究计划，其根本目的是扩大自身产品在国际市场所占份额，或至少巩固已有的市场阵地。如欧洲的OSACA，就将目标直接对准竞争对手日本，其目的是使欧洲的制造系统供应商在市场上压倒竞争对手。就我国数控系统产品目前的水平来讲，如果不采取果断、有效的措施，将来不仅在国际市场，就是在国内市场，也将会无立足之地。被OSEC称之为制造业第三次革命的开放式控制系统的研究，为我国数控产业的发展带来了新的契机。我们应该抓住这一大好时机，迅速开展并深化我国的开放性控制系统的研究，结合我国的实际情况，制定近期和中长期目标与计划，在制定开放性控制系统标准的基础上，尽快推出我国的新一代开放性控制系统产品。任何技术都不是孤立的，技术受到经济、文化、技术基础、社会结构、管理体制和人员素质的制约。开展开放性控制系统研究，要借鉴但不能照搬国外的经验，必须脚踏实地，认清形势，从我国的国情和企业的情况出发，寻求经济、有效的发展途径。我们认为，根据我国制造自动化“十五”和中长期发展规划，面向制造业，基于数字制造的开放式控制系统的研究开发迫在眉睫，千万不可等闲视之，必须从思想深处认识到，立即开展我国开放式控制系统研究的必要性与紧迫性。为此提出如下建议：(1)必须树立系统的思想，以系统的目标为最终目标由国家有关部门牵头，由科研、生产单位参加，制定明确的近中长期发展目标、发展战略、实施计划、技术路线及指导思想。国家应集中支持开放性控制系统研究，在各企业、科研单位之间，相互协调，相互补充，协同作战，避免重复投资和重复开发。在资金投放上，采用借、贷、拨相结合的方法，建立有效的竞争激励机制。(2)面对国外强劲的竞争对手，走联合发展的道路，加强竞争的实力从目前国外的情况看，从美国的OMAC、欧洲的OSACA，到日本的OSEC，无一不是跨行业、跨部门的联合。联合起来，才能充分利用现有的技术、经济、人力、物力资源，发挥整体优势，加快发展步伐。(3)在队伍组织上，保证参加成员的多元化不但应包括机床、控制系统等生产企业及其用户，还应包括高校、科研机构；不光要有机械制造行业，还应有计算机、信息技术等行业参加，以便充分利用相关领域的最新技术与成果，并能适应其未来发展，从而保证开放性控制系统有效可行。并建立专门机构，认真研究国外OMAC、OSACA、OSEC等相关计划的现状、成果与问题，及未来发展动向，以便充分利用别人的成果，降低我们的研究时间和代价。如日本的机器人协会中就有一个机构专门对OSACA进行研究。(4)加强软件可靠性理论、软件测试方法与标准及系统可靠性设计方法的研究同时还要切实加强开放性控制系统开发工具的研究，只有在提供方便友好的工具支持的情况下，最终用户才能真正受益于开放性控制系统。(4) 以市场为导向，充分预测国内外市场前景，建立技术推广体系，加快科研成果向生产力的转化可以在制定出开放式控制系统标准的基(5) 础上，先推出经济型开放性数控系统，一方面可以在市场中检验其技术、理论方案的正确性、有效性，另一方面可以积累资金，支持下(6) 一步的开发、研究工作。4结束语系统越开放，意味着它所需考虑和处理的技术与非技术问题越多。OSACA的平台结构包容性大，具有更强的适应性，但其开发工作量异常大，因此目前只能是总体构思，分步实施，短期内难以实现其对大部分操作平台的支持。OSEC的“PC+适配器卡”的方案，则灵活得多，并且可以充分利用PC机的价格、资源、技术优势，对我国来说，也许是一条捷径。开展开放性控制系统的研究，机不可失，我们必须以清醒的头脑和快速的行动来把握这一机遇与挑战。特别是在目前复杂的国际环境中，国外对我国仍有某些技术封锁与限制的情况下，只有依靠我们自己的力量来解决。我们相信，中国人有能力、也有志气通过自己的努力，达到我们的目标。什么是开放式数控系统？数控技术正以前所未有的深度和广度深刻影响着广泛的制造业领域的发展方向，正在给制造业带来革命性的变化。而数控技术的核心是数控系统，数控系统的发展方向在很大程度上决定着数控技术的发展方向。随着数控技术的不断发展，传统数控系统由于其采用专用的、封闭式的体系结构，已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。这就迫切需要开发具有开放性、性能稳定、价格低廉的新型数控系统。当今，随着计算机技术的高速发展，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的就是体系结构的开放化，设计生产开放式的数控系统。开放式数控系统的概念数控系统的开放性体系结构数控系统的开放性概念出现在80年代末90年代初，是欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等多方面的新的变化而提出的，其目的是建立一种崭新的控制系统设计框架，使系统朝模块化、平台化、标准化和系列化方向发展，在联合的前提下提高产品的竞争能力。在关于开放式体系结构的定义，按IEEE 定义，一个开放式控制系统应提供这样的能力:来自不同卖主的种种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现，并能和其他系统应用互操作，且具有一致性的用户界面。开放式的数控系统是指PC-NC，是在加工机械专用的CNC中也将引入PC所具有的开放化。系统组成内部的开放化系统组成各部分之间的开放化关于以上开放性的概念可从两个方面进行理解:一是时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范而言的，以保证平台具有适应新技术的发展，并能够接受新的设备的能力。时间的开放性又有可扩展和可移植性两个方面。空间的开放性是针对系统接口及其规范化而言的，它又可分为互操作性和互换性。开放式数控系统的特征开放式数控系统的特点由上述定义可知，开放式数控系统是一个模块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，既有接口的开放性，又有自身功能的开放性，其具有以下基本特征3:可互操作性拥有标准化接口，通信和交互模型。通过提供标准化接口通讯和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台上，并获得平等的相互操作能力，协调工作;可移植性不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时系统软件也可运行于不同特性的硬件平台之上。不同的系统功能模块能运行在不同的系统平台之上，因此，系统的功能软件应与设备无关，即应用统一的数据格式、控制机制，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的硬件平台上;可扩展性提供标准化环境的基础平台，允许不同功能的模块介入，CNC用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到NC系统中，形成自己的专用系统，其特征是通过特定功能模块的装载和卸载为用户系统增添和减少功能;可互换性不同性能、不同执行能力的功能模块互相代替。构成系统的各硬件、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行;可伸缩性CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小(硬件或元件模块)可根据具体应用增减。开放式数控系统的优势由此可以看出开放式数控系统构建于一个开放的平台上，具有模块化结构，允许用户根据需要进行选配与集成，迅速适应不同的应用需求，与传统的封闭式专用数控系统相比经，具有以下优点:具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应多种设备，灵活配置与集成;控制软件具有及时扩展和联接功能，可顺应新技术的发展，加入各种新功能。可通过预留插入用户专用软件的接口的方式或提供用户API和编程规范，供用户编制自己的专用模块的方式，简便地实现系统的扩展;能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更新换代，能有效保护用户原有投资;操作简单，维护方便。在PC机上经简单编程即可实现运动控制，而不需要专门的数控软件;遵循统一的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性、互换性和互操作性;技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的换代产品;结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统，可明显缩短新产品的研制开发周期，用户可以根据自己需要开发自己的功能模块;将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好。基于PC的开放式数控系统基于PC的开放式数控系统的类型基于PC的开放式数控系统能充分地利用计算机的软硬件资源，可使用通用的高级语言方便地编制程序，用户可将标准化的外设、应用软件进行灵活地组合和使用。使用计算机同时也便于实现网络化。基于PC的开放式数控系统大致可分为以下几种类型1，2。PC嵌入型NC该类型系统是将PC装入到NC内部，PC与NC之间用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型NC系统也可不加修改就得以利用。缺点是不能直接利用通用PC，开放性受到限制，通用PC强大的功能和丰富的软硬件资源不能得到有效的利用。这种数控系统尽管具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。NC嵌入PC型该类型系统是将NC卡(运动控制卡)插入通用PC的扩展槽中组成的。它能够充分地保证系统性能，软件的通用性强，并且编程处理灵活。这是目前采用较多的一种结构形式，这种结构形式采用“PC+运动控制器”形式建造数控系统的硬件平台，其中以工业PC为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用PC总线形式，同时以多轴运动控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。全软件型NC该类型系统是指CNC的全部功能均由PC实现，并通过装在PC机上扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。其软件的通用性好，编程处理灵活。这种CNC装置的主体是PC机，充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。软件化数控系统把运动控制器以应用软件的形式实现，除了支持数控上层软件的用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略的用户定制。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢，并力图使数控技术成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。这种结构形式的数控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，这是实现形式上的一种技术变革。NC嵌入PC型开放式数控系统的体系构成PC-NC开放式数控系统的结构如图1所示。图1 PC-NC模式开放式数控系统的结构其构成如图2所示。图2 PC-NC模式开放式数控系统的构成其硬件系统主要由工业控制计算机、运动控制卡、驱动及放大部件、交流伺服电机、位置检测部件、接口控制电路等组成。其中，工业控制计算机为信息管理部分，运动控制卡为运动驱动与算法控制部分。软件系统可采用在Windows2000操作系统下，以Visual Basic或Visual C+等为开发工具采用面向对象的编程方法，对开放式数控系统软件进行开发，实现数控系统的基本功能。此模式中运动控制卡主要承担实时性任务，如伺服控制、路径规划、可编程逻辑控制;工业控制计算机主要完成系统管理、数控编程、数控仿真、图形插补和人机界面处理、网络功能等非实时任务。工业控制计算机的控制内核是整个数控系统的核心，它通过调用对应于运动控制卡中各种变量和功能的应用程序接口与运动控制卡交换信息，并负责整个系统的协调工作。数控系统开放性技术关键在经历了引进和消化吸收两个发展阶段后，我国在数控技术领域取得了突破性的进展，已经实现了自行开发具有自己软硬件版权的数控系统，同时数控系统的开放性研究工作也正在进行。数控系统要实现开放性结构，主要解决以下几个关键性的问题:制定一个开放式数控系统的制造协议,在系统的应用软件、硬件和网络功能方面形成一整套标准规范，规范系统的软硬件界面和通讯协议，使得控制器制造商和机床生产厂能在制造协议的导航下进行有序的开发和生产，并在此基础上实现广泛的合作。实现系统硬件的模块化、标准化和系列化，并提高其可靠性和实时性。通过对系统 CPU 结构模式、通讯方式、运动控制和辅助控制等方面进行模块化处理，按功能制作成功能模块并实现标准化和系列化，且各模块单元之间可利用已定义的标准化接口进行通讯。构造一种独立于硬件系统的软件平台。目前，为减少数控系统软件对于硬件的依赖性，从根本上无法实现软件的开放性，因此开发出一种独立的软件平台是十分必要的。针对数控系统的实时性和多任务性,应构筑一种实时多任务软件平台,并使其基本功能模块化典型化,使各个功能模块实现统一调度和相互独立,这样为不同硬件结构的数控系统提供软件时,只需按其功能配置相应的软件模块，实现软件的独立性和开放性。由于每个功能模块不会对其它功能模块产生影响，因此，用户可按需要编制新的功能模块，添加到系统中,亦可取代系统中现有的功能模块,使得系统具有良好的功能扩展性。开发出一个优化系统软件，把各种优化技术集成在软件包中。利用该软件来优化配置系统加工参数，使加工过程最优化。分析比较多种智能模块技术，选择出一种重构产品最优控制模块，完成系统的第二次开发。结语开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势，其给数控系统生产商、机床制造商以及用户都带来了很多好处。而基于PC的开放式数控系统具有较强灵活性，可以充分利用PC机丰富的软硬件资源和强大的技术优势，有利于更完美地实现数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真等功能。模块化的程序设计使系统的通用性、扩展性和可移植性大大增强，有利于系统的功能扩展。