开放式数控系统概述

1开放式数控系统概述1.传统的数控系统存在的问题标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题：（1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期内的使用成本高。同时专用控制器的软硬件的主流技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级。（2）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。作为机床生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。（3）传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。（4）传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。许多厂家花巨资购买高档数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。一旦出现故障，面对“黑匣子”无从下手，维修费用十分昂贵。有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态，花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。目前其主要形式是基于PC的NC，即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完成实时性要求高的NC内核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。这种形式的开放式数控系统在开放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便。国内外现阶段开发的开放式数控系统大都是这种结构形式的。这种PC化的NC还有专有化硬件，还不是严格意义上的开放式数控系统。2要实现控制系统的开放，首先得有一个大家遵循的标准。国际上一些工业化国家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规范，使得控制系统软硬件与供应商无关，并且实现可移植性、可扩展性、互操作性、统一的人机界面风格和可维护性以取得产品的柔性、降低产品成本和使用的隐形成本、缩短产品供应时间。这些计划包括（a）欧共体的ESPRIT6379OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithAutomationSystems）计划，开始于1992年，历时6年，有由控制供应商、机床制造企业和研究机构等组成的35个成员。（b）美国空军开展了NGC（下一代控制器）项目的研究，美国国家标准技术协会NIST在NGC的基础上进行了进一步研究工作，提出了增强型机床控制器EMC（EnhancedMachineController），并建立了LinuxCNC实验床验证其基本方案；美国三大汽车公司联合研究了OMAC，他们联合欧洲OSACA组织和日本的JOP（JapanFAOpenSystemsPromotionGroup）建立了一套国际标准的API，是一个比较实用且影响较广的标准。(c）日本联合六大公司成立了OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）组织，该组织讨论的重点是NC（数字控制）本身和分布式控制系统。该组织定义了开放结构和生产系统的界面规范，推进工厂自动化控制设备的国际标准。2000年，国家经贸委和机械工业局组织进行“新一代开放式数控系统平台”的研究开发。2001年6月完成了在OSACA的基础上编制“开放式数控系统技术规范”和建立了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。此外还有一些学校、企业也在进行开放式数控系统的研究开发。开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且针对用户的二次开发也带来方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短。2.开放式数控系统所具有的主要特点2.1)．软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本。随着计算机性能的提高和实时操作系统的应用，软件化NC内核将被广泛接受。它使得数控系统具有更大的柔性和开放性，方便系统的重构和扩展，降低系统的成本。数控系统的运动控制内核要求有很高的实时性（伺服更新和插补周期为几十微秒～几百微秒），其实时性实现有两种方法：硬件实时和软件实时。在硬件实时实现上，早期DOS系统3可直接对硬中断进行编程来实现实时性，通常采用在PC上插NCI/O卡或运动控制卡。由于DOS是单任务操作系统，非图形界面，因此在DOS下开发的数控系统功能有限，界面一般，网络功能弱，有专有硬件，只能算是基于PC化的NC，不能算是真正的开放式数控系统，如华中I型，航天CASNUC901系列，四开SKY系列等；Windows系统推出后，由于其不是实时系统，要达到NC的实时性，只有采用多处理器，常见的方式是在PC上插一块基于DSP处理器的运动控制卡，NC内核实时功能由运动控制卡实现，称为PC与NC的融合。这种方式给NC功能带来了较大的开放性，通过Windows的GUI可实现很好的人机界面，但是运动控制卡仍属于专有硬件，各厂家产品不兼容，增加成本（1-2万元），且Windows系统工作不稳定，不适合于工业应用（WindowsNT工作较稳定）。目前大多宣称为开放式的数控系统属于这一类，如功能非常强大的MAZAK的MazatrolFusion640，美国A2100，Advantage600，华中HNC-2000数控系统等。WindowsNT+RTX组合的应用较成功的有美国的OpenCNC和德国的PA公司（自己开发的实时内核），这两家公司均有产品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK®840Di也是一种采用NT操作系统的单CPU的软件化数控系统。Linux和RTLinux是源代码开放的免费操作系统，发展迅猛，是我国力主发展的方向。2.2)．数控系统与驱动和数字I/O（PLC的I/O）连接的发展方向是现场总线。传统数控系统驱动和PLCI/O与控制器是直接相连的，一个伺服电动机至少有11根线，当轴数和I/O点多时，布线相当多，出于可靠性考虑，线长有限（一般3-5米），扩展不易，可靠性低，维护困难，特别是采用软件化数控内核后，通常只有一个CPU，控制器一般在操作面板端，离控制箱（放置驱动器等）不能太远，给工程实现带来困难，所以一般PC数控系统多采用一体化机箱，但这又不为机床厂家和用户接受。而现场总线用一根通讯线或光纤将所有的驱动和I/O级连起来，传送各种信号，以实现对伺服驱动的智能化控制。这种方式连线少，可靠性高，扩展方便，易维护，易于实现重配置，是数控系统的发展方向。现在，在数控系统中采用的现场总线标准有PROFIBUS（传输速率12Mbps），如Siemens802D等；光纤现场总线SERCOS（最高为16Mbps，但目前大多系统为4Mbps），如IndramatSystem2000和北京机电院的CH-2010/S，北京和利时公司也研究了SERCOS接口的演示系统；CAN现场总线，如华中数控和南京四开的系统等，但目前基于SERCOS和PROFIBUS的数控系统都比较贵。而CAN总线传输速率慢，最大传输速率为1Mbps时，传输距离为40米。3．网络化是基于网络技术的E-Manufacturing对数控系统的必然要求。传统数控系统缺4乏统一、有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。CNC机床作为制造自动化的底层基础设备，应该能够双向高速地传送信息，实现加工信息的共享、远程监控、远程诊断和网络制造，基于标准PC的开放式数控系统可利用以太网技术实现强大的网络功能，实现控制网络与数据网络的融合，实现网络化生产信息和管理信息的集成以及加工过程监控，远程制造、系统的远程诊断和升级;在网络协议方面，制造自动化协议MAP（ManufacturingAutomationProtocol）由于其标准包含内容太广泛，应用层未定义，难以开发硬件和软件，每个站需有专门的MAP硬件，价格昂贵，缺乏广泛的支持而逐渐淡出市场。现在广为大家接受的是采用TCP/IPINTERNET协议，美国HAAS公司的CreativeControlGroup将这一以太网的数控网络称为DCN（DirectCNCNetworking）。数控系统网络功能方面，日本的MAZAKA公司的MazatrolFusion640系统有很强的网络功能，可实现远程数据传输、管理和设备故障诊断等。3.国内开放式数控系统的研究现状我国经过“六五”、“七五”引进消化，“八五”自主开发，“九五”产业化、工程化，基本掌握了数控技术，基本形成了一支研究、开发、生产的队伍，基本具备了数控系统产品的配套能力。并根据国内外相关技术的发展情况，调整到基于PC的数控系统发展方向上来，形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中，华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统，而航天I型和兰天I型是将PC嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成PC+NC的前后台型结构。目前国内比较有代表性的新型开放式数控系统研究主要有以下几种:1)基于软件芯片的开放式数控系统华中科技大学(原华中理工大学)提出了一种基于软件芯片(Software武汉理工大学硕士学位论文IntegratedChip，简称sic)的开放式数控系统的实现模式。在该模式中，通过对数控软件的标准化与规范化研究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有稳定通用的接口、可以重用的SIC,每个sic完成数控系统的一个独立模块的功能，如插补功能由插补芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开发环境对SIC进行管理，用户可以对SIC进行检索、浏览和维护，还可以添加新的SICOS用户在组装数控系统或进行二次开发时，可以将芯片库中检索出的sic按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用户新开发的SIC一起组装，这样开发出的数5控系统比以前节省较多时间，总体质量也有大幅提高。其局限性在于，数控软件芯片的规范化和标准化设计很大程度上由芯片的划分决定，它需要严格定义，使它们具有更强的逻辑性和更好的封装性。另外，更重要的一点是，这种软件芯片的使用只是简单的程序源代码的重用，这种移植只能是同一种编程语言下的移植，是一种极为有限条件下的移植。2)基于现场总线技术的开放式数控系统现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信号。当前现场总线接口和数据交换大多遵循SERCOg(serialreal-timecommunicationspecification)协议，是目前用于数字伺服而后传动数据通信的唯一国际标准。SERCOS构成一个封闭的环路，根据伺服系统和PLC的不同地址，利用插在计算机中的SOFTSERCANS卡实现计算机与数字伺服系统之间的实时数据通信，形成一种基于现场总线的开放式结构数控系统。但由于SERCOS有三万多个参数，在SERCOS参数设置方面现在的系统大多都是使用默认值，这对于开发高速、高精度的开放式数控系统还有很大差距。并且SERCOS总线技术较为昂贵，对于其普及应用也产生一定的不利影响。4)国外开放式数控系统的研究