技術

  張明亮,解旭輝,李圣怡 

   　簡述開放性數(shù)控系統(tǒng)的概念、主要特點及國際上主要開放性數(shù)控研究計劃的成果，提出開發(fā)開放性數(shù)控發(fā)展的指導思想及開發(fā)開放式數(shù)控面臨的課題。
【關鍵詞】：CNC；開放性；OSACA；OMAC；OSE
【分類號】：TG659
【正文】：
　　當前世界ＣＮＣ市場上的ＣＮＣ控制器制造商生產(chǎn)的ＣＮＣ系統(tǒng)，大多是專用設備，在結(jié)構(gòu)上提供給用戶有限的選擇，用戶無法對現(xiàn)有數(shù)控設備的功能進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，用戶在培訓人員、設備維護等方面要投入大量的時間與資源。

 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：簡述開放性數(shù)控系統(tǒng)的概念、主要特點及國際上主要開放性數(shù)控研究計劃的成果，提出開發(fā)開放性數(shù)控發(fā)展的指導思想及開發(fā)開放式數(shù)控面臨的課題。

　　當前世界CNC市場上的CNC控制器制造商生產(chǎn)的CNC系統(tǒng)，大多是專用設備，在結(jié)構(gòu)上提供給用戶有限的選擇，用戶無法對現(xiàn)有數(shù)控設備的功能進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，用戶在培訓人員、設備維護等方面要投入大量的時間與資金；當今的CNC處于DNC和FMS環(huán)境中，同時還與CAD/CAM/CAPP等系統(tǒng)實現(xiàn)通信，過去的封閉式CNC系統(tǒng)，沒有共同的編程語言。缺乏標準的人機接口。上述這些問題都嚴重阻礙了 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)動裝置、伺服電機、應用軟件等數(shù)控系統(tǒng)的各個構(gòu)成要素，并能夠采用規(guī)范的、簡便的方法將這些構(gòu)成要素組合起來。

　　為了適應時代的要求，進入90年代以來，世界上一些研究機構(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、日本各自成立了開放性數(shù)控的研究機構(gòu)，它們的發(fā)展計劃的代號分別為OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、OMAC(Open Modular Architecture Controller)、OSE(Open System Environment)。這3個計劃目前都已經(jīng)取得了重大進展，并且公布了部分研究成果。

　　1 開放性數(shù)控的主要特點

圖1 CNC裝置的外部環(huán)境

    CNC 裝置的外部環(huán)境，如圖1示，人們越來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，就是指機床制造廠(CNC的中間用戶)和機床用戶(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)整個裝置的廉價化。

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

　　由一系列邏輯上獨立的構(gòu)成要素組成；

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

　　能夠動態(tài)改變系統(tǒng)的拓補結(jié)構(gòu)；

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

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

　　目前，國際上與開放性數(shù)控的項目相關的項目比較多，但是目前最具影響力的仍是OSACA、OMAC、OSE，因而這3個計劃的發(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，目前已進入第三階段，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：

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

　　利用Window OS，可以充分利用現(xiàn)有的個人計算機資源如CAM、SPC。

　　以實時操作系統(tǒng)為核心，提供高性能的控制功能。

　　利用實時數(shù)據(jù)庫，可實現(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個團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”，同時還展示了3臺驗證系統(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，并將其具體化為實裝模型。

　　開發(fā)了基于PC的人機接口系統(tǒng)。

　　提出并開發(fā)了新的NC語言OSEL。

　　開發(fā)了用于機床控制的接口(OSEC API)及語言處理器。

　　目前這些組織在本國或本地區(qū)都鼓勵企業(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)的基本指導思想

 　　最大限度地利用日新月異的PC軟硬件技術

　　PC 化是實現(xiàn)開放式數(shù)控的比較現(xiàn)實的途徑。PC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，PC的可靠性和它計算能力飛速增長，硬件已完全實現(xiàn)標準化，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改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡通訊等功能。利用 PC豐富的程序開發(fā)工具，機床制造商和用戶可以采用通用的編程語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特的技術訣竅的模塊。

　　模塊化

　　用戶希望能夠在選用硬件上具有更大的自由度。而作為機床生產(chǎn)廠商，面對市場的快速變化的需求，設計和集成系統(tǒng)的時間要求越來越緊迫，因此機床生產(chǎn)廠商也希望數(shù)控系統(tǒng)的各個構(gòu)成要素具有標準的接口，具有即插即用的特性。CNC系統(tǒng)的模塊化建立在對機床的各個構(gòu)成要素的功能的邏輯性分析的基礎上，將其分解為邏輯上相互獨立的模塊，實現(xiàn)模塊與功能的之間的一一對應關系，為這些模塊之間的連接制定的標準接口。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，并且易出錯。為了實現(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、運行狀態(tài)下系統(tǒng)的動態(tài)配置。動態(tài)配置的實現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓補結(jié)構(gòu)的動態(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步驟。

　　可移植

　　系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺上的相同功能構(gòu)成要素的可移植性。但是由于軟硬件平臺的多樣性，需要實現(xiàn)在多種軟硬件平臺上的可移植性。這就要求開放性數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范應該不依賴于特定的軟硬件平臺。開放性數(shù)控所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命名習慣、用戶接口外觀等都應有利于在不同的系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)。對于軟件而言，為了滿足可移植性的要求，采用分層設計或客戶/服務器模式設計應用程序，將與軟硬件平臺相關的部分置于底層，進行移植時，只需替換底層軟件(實際上，模塊的生產(chǎn)廠商應該負責提供最底層的軟件)。

　　可擴展性

　　可擴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)驗和專用軟件集成到CNC系統(tǒng)中，形成自己的專有CNC?？蓴U展性的實現(xiàn)方法有兩種：

　　可以采用固定模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但預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；

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

 　　世界各國出現(xiàn)開發(fā)開放性數(shù)控的熱潮的主要動力在于提高本國或本地區(qū)的CNC在世界上的競爭力，各國積極鼓勵企業(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實現(xiàn)：日本OSE的研究活動均志愿地進行，采用“郵式會議”的方式進行討論；OMAC的會員采用表決機制，每個成員均有平等的機會表述自己的觀點，產(chǎn)業(yè)界參與決策的機會；美國能源部提供了一個叫做CAADA的制度，實施與個別民間企業(yè)合作的具體的控制器的共同開發(fā)計劃。

　　4 開放性數(shù)控發(fā)展面臨的課題

　　一致性的人機界面(MMI)

　　對用戶友好，具有一致性的數(shù)控系統(tǒng)的操作界面，對于降低人員培訓費用，降低系統(tǒng)維護費用都具有比較重要的意義。

　　以軟件為基礎的控制器

　　在開放性數(shù)控的研究過程中，軟件越來越受到重視。 OSACA認為當今數(shù)控技術的發(fā)展，已經(jīng)由面向硬件(Hardware Oriented)轉(zhuǎn)向面向軟件(Software Oriented)。OSACA雖然對于硬件提出了一些中性的規(guī)范，但是它對硬件的規(guī)范并不苛求。OMAC的最早倡議者者GM公司認為，機床的控制器可以實現(xiàn)各種程度的開放，最高程度的開放是以軟件技術為基礎的控制器。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)與應用

　　開放性數(shù)控要求不依賴于特定的軟硬件平臺，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。一些測試表明，流行的操作系統(tǒng)大多無法滿足實時性的要求。目前，微軟正著手將Windows CE操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r操作系統(tǒng)。美國能源部的ICON制造操作系統(tǒng)項目正在研制MOS(Manufacturing Operating System)。

　　數(shù)控系統(tǒng)開放程度

　　OSACA規(guī)定了3個層次的開放程度：人機界面開放、內(nèi)核有限開放、全開放。人機界面開放的開放度只限于非實時控制部分(面向用戶應用)；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、可升級性、可移植性、互操作性等決定的，最終要求實現(xiàn)在標準平臺能夠任意組合所有模塊的功能，目前還較為困難。
　具備網(wǎng)絡通信功能

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

　　5 結(jié)束語

 　　開放性數(shù)控是數(shù)控技術發(fā)展的必然趨勢，開放性的體系結(jié)構(gòu)給CNC生產(chǎn)廠家、機床制造廠和用戶都帶來了許多益處。當前發(fā)達國家正在緊鑼密鼓地進行著開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究—— OSE稱之為機械制造業(yè)的第三次革命，正為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的契機，要想在競爭中立于不敗之地，不但要具有雄厚的開發(fā)力量，還必須有敏銳的超前意識。因此，國家應該重點扶植和支持開放性數(shù)控技術的研究，才有可能在未來幾年或幾十年的市場競爭中立于不敗之地。

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