开放式数控系统
1.3开放式数控系统
数字控制系统简称数控系统，是利用数字化信息并采用数字控制技术对生产 过程进行自动控制的系统，是控制数控机床的“大脑” [11]。一台实验性 数控系统于1952年被研制出，它是由电子管和继电器组成，标志着第一代数控系 统的产生。随着电子技术的不断的发展，数控系统的组成从第一代的电子管和继 电器，经历过晶体管、集成电路，到小型计算机的出现。1974年第五代数控系统 出现，它是以微处理器为核心，价格便宜且处理速度快，使得数控系统的可靠性 提高[12]。随着计算机技术的发展和普及，在20世纪80年代产生了第六代数控系 统，与第五代数控系统不同的是该系统的软硬件平台是通用的，而第五代所用的 计算机是的，其软件部分需要在计算机上开发。第六代数控系统的出现， 推动了数控系统走上开放式的发展道路。
1.3.1开放式数控系统的特证
随着现代科学技术的发展，数控技术及其相关技术不断地完善，但是也面对 着新的问题。传统的数控系统是一种“封闭式”数控系统，不能解决未来生产“面 向订单和任务”的生产模式的需求，还有在生产过程中不断出现新的加工需求， 这都需要数控系统具有可重构、开放性、可扩展的特性，对制造商的依赖性降低。 开放性数控系统的出现解决了这些问题，当前数控系统的发展趋势是由封闭式结 构的系统向开放式模块化体系结构转变。
有关开放式数控系统的定义，存在很大的争议，ieee (institute of electrical and electronics engineers)标准规定数控系统为：开放性数控系统能够在不同厂商提供 的不同平台上运行，能够和其他系统相互兼容，且用户交互界面的风格相同[13]。 开放式数控系统具有以下特征[14_16]:
1.可互换性：数控系统采用模块化设计原则，其组成模块具有开放的标准化 接口，这些功能模块不受单一生产商的控制，可根据模块的可靠性、价格等因素 选择不同厂家，这些模块组成的系统的运行协调性不受影响。
2.可伸缩性：根据用户的需求可以灵活地配置系统的功能模块形成新的控制 系统，控制系统的大小（硬件或功能模块）可根据实际应用增减。
3.可移植性：数控系统可以在不同的硬件平台上运行，该硬件平台可由不同 厂家生产。
4.可扩展性：根据用户的需要，用户或系统开发商能通过标准化接口和程序 对其功能模块进行二次开发，或者将需要的软件集成到数控系统中，使系统满足 工件的工艺需求。
5.可互操作性：应用程序模块通过使用标准化的接口、通讯方式等运行在不 同的操作系统上，不同模块之问保持平等地相互操作能力，协调工作。
1.3.2开放式数控系统的发展现状
目前，开放式数控系统的结构主要有三种形式[17_18]:
“pc嵌入nc”型数控系统，即在传统的数控系统中嵌入pc，该数控系统在 pc部分对于用户是开放的，而nc内核部分对于用户是封闭的。“pc+nc”机构 的数控系统不利于机床的可重构、可扩展性。
“nc嵌入pc”型数控系统，该系统以pc机为开发平台，以运动控制器为控 制核心，其数控系统硬件结构如图1.1所示。这种结构的数控系统在pc和nc部 分对用户都具有开放性，且开发周期短、通用性好。目前在众多的运动控制器中 以美国泰道公司的pmac多轴可编程运动控制器为代表，该控制器可同时控制8 根轴的运动，并可对其进行逻辑控制，具有独立的cpu,处理速度快，许多开放 式数控系统研宄人员采用该运动控制器。
“pc+softcnc”型数控系统，该数控系统是一种新型的开放式数控系统结 构，它的cnc软件是在pc机的基础上开发的，直接控制伺服驱动，这种系统开 放性好，但由于操作系统的实时性、标准化的统一及系统的稳定性等问题，该类 系统处于研宄阶段。
开放式数控系统自出现以来就备受业界的关注，经历了二十多年的不断发展， 在国内外都取得了一定的的成果。
在开放性数控系统研宄领域中，国外影响力的有欧洲的osaca计划， 1992年该计划启动，该计划主要是为了建立一个开放的且与厂商无关的控制器体 系结构。osaca的想法是开发一组控制程序api和一个底层结构，以实现应用程 序的可重构性，可替换性等特点[19]。美国的omac计划，它是在没有定义固定的 控制器结构，也没有操作系统的情况下，只规定了用于建造不同类型控制器 的模块集。机床供应商根据用户需要向用户提供标准组件，将组件采用“即插即 用”的方法组成数控系统，这种方法大大降低了系统的生产成本，同时缩短了生 产周期。日本的osec计划，该计划是osaca计划的延伸，其目的是建立支持 控制组件的动态集成的实时平台。通过该平台可方便地实现柔性的、面向特定应 用的控制系统。
除了以上研宄还有一些学校加入了研宄开放性数控系统的行列，如美国密歇 根大学研宄出了基于pc的五轴数控铣床的开放性数控系统umoac[2()]。加拿大 的不列颠哥伦比亚大学开发了一个基于dsp智能加工模块的多轴可编程数控系统。
与国外相比我国对开放性数控系统的研宄有一定的差距，但通过国家政策的 改进和研宄人员的努力，取得了一些成就。其中代表性产品有：北京的中华系列、 武汉的华中系列和沈阳的蓝天系列。华中世纪之星是基于pc的铣床数控系统，可 实现五轴联动，在国内是比较*的开放式数控系统[21]。
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1.3.1开放式数控系统的特证
随着现代科学技术的发展，数控技术及其相关技术不断地完善，但是也面对 着新的问题。传统的数控系统是一种“封闭式”数控系统，不能解决未来生产“面 向订单和任务”的生产模式的需求，还有在生产过程中不断出现新的加工需求， 这都需要数控系统具有可重构、开放性、可扩展的特性，对制造商的依赖性降低。 开放性数控系统的出现解决了这些问题，当前数控系统的发展趋势是由封闭式结 构的系统向开放式模块化体系结构转变。
有关开放式数控系统的定义，存在很大的争议，ieee (institute of electrical and electronics engineers)标准规定数控系统为：开放性数控系统能够在不同厂商提供 的不同平台上运行，能够和其他系统相互兼容，且用户交互界面的风格相同[13]。 开放式数控系统具有以下特征[14_16]:
1.可互换性：数控系统采用模块化设计原则，其组成模块具有开放的标准化 接口，这些功能模块不受单一生产商的控制，可根据模块的可靠性、价格等因素 选择不同厂家，这些模块组成的系统的运行协调性不受影响。
2.可伸缩性：根据用户的需求可以灵活地配置系统的功能模块形成新的控制 系统，控制系统的大小（硬件或功能模块）可根据实际应用增减。
3.可移植性：数控系统可以在不同的硬件平台上运行，该硬件平台可由不同 厂家生产。
4.可扩展性：根据用户的需要，用户或系统开发商能通过标准化接口和程序 对其功能模块进行二次开发，或者将需要的软件集成到数控系统中，使系统满足 工件的工艺需求。
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1.3.2开放式数控系统的发展现状
目前，开放式数控系统的结构主要有三种形式[17_18]:
“pc嵌入nc”型数控系统，即在传统的数控系统中嵌入pc，该数控系统在 pc部分对于用户是开放的，而nc内核部分对于用户是封闭的。“pc+nc”机构 的数控系统不利于机床的可重构、可扩展性。
“nc嵌入pc”型数控系统，该系统以pc机为开发平台，以运动控制器为控 制核心，其数控系统硬件结构如图1.1所示。这种结构的数控系统在pc和nc部 分对用户都具有开放性，且开发周期短、通用性好。目前在众多的运动控制器中 以美国泰道公司的pmac多轴可编程运动控制器为代表，该控制器可同时控制8 根轴的运动，并可对其进行逻辑控制，具有独立的cpu,处理速度快，许多开放 式数控系统研宄人员采用该运动控制器。
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