開放式數(shù)控系統(tǒng)
1.3開放式精工系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱精工系統(tǒng)，是利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對生產(chǎn) 過程進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，是控制精工機(jī)床的“大腦” [11]。世界上第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性 精工系統(tǒng)于1952年被研制出，它是由電子管和繼電器組成，標(biāo)志著第一代精工系 統(tǒng)的產(chǎn)生。隨著電子技術(shù)的不斷的發(fā)展，精工系統(tǒng)的組成從第一代的電子管和繼 電器，經(jīng)歷過晶體管、集成電路，到小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。1974年第五代精工系統(tǒng) 出現(xiàn)，它是以微處理器為核心，價(jià)格便宜且處理速度快，使得精工系統(tǒng)的可靠性 提高[12]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，在20世紀(jì)80年代產(chǎn)生了第六代精工系 統(tǒng)，與第五代精工系統(tǒng)不同的是該系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)是通用的，而第五代所用的 計(jì)算機(jī)是專用的，其軟件部分需要在專用計(jì)算機(jī)上開發(fā)。第六代精工系統(tǒng)的出現(xiàn)， 推動(dòng)了精工系統(tǒng)走上開放式的發(fā)展道路。1.3.1開放式精工系統(tǒng)的特證隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精工技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)不斷地完善，但是也面對 著新的問題。傳統(tǒng)的精工系統(tǒng)是一種“封閉式”精工系統(tǒng)，不能解決未來生產(chǎn)“面 向訂單和任務(wù)”的生產(chǎn)模式的需求，還有在生產(chǎn)過程中不斷出現(xiàn)新的加工需求， 這都需要精工系統(tǒng)具有可重構(gòu)、開放性、可擴(kuò)展的特性，對制造商的依賴性降低。 開放性精工系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這些問題，當(dāng)前精工系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是由封閉式結(jié) 構(gòu)的系統(tǒng)向開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。有關(guān)開放式精工系統(tǒng)的定義，存在很大的爭議，IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定精工系統(tǒng)為：開放性精工系統(tǒng)能夠在不同廠商提供 的不同平臺(tái)上運(yùn)行，能夠和其他系統(tǒng)相互兼容，且用戶交互界面的風(fēng)格相同[13]。 開放式精工系統(tǒng)具有以下特征[14_16]:1.可互換性：精工系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，其組成模塊具有開放的標(biāo)準(zhǔn)化 接口，這些功能模塊不受單一生產(chǎn)商的控制，可根據(jù)模塊的可靠性、價(jià)格等因素 選擇不同廠家，這些模塊組成的系統(tǒng)的運(yùn)行協(xié)調(diào)性不受影響。2.可伸縮性：根據(jù)用戶的需求可以靈活地配置系統(tǒng)的功能模塊形成新的控制 系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的大小（硬件或功能模塊）可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用增減。3.可移植性：精工系統(tǒng)可以在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行，該硬件平臺(tái)可由不同 廠家生產(chǎn)。4.可擴(kuò)展性：根據(jù)用戶的需要，用戶或系統(tǒng)開發(fā)商能通過標(biāo)準(zhǔn)化接口和程序 對其功能模塊進(jìn)行二次開發(fā)，或者將需要的軟件集成到精工系統(tǒng)中，使系統(tǒng)滿足 工件的工藝需求。5.可互操作性：應(yīng)用程序模塊通過使用標(biāo)準(zhǔn)化的接口、通訊方式等運(yùn)行在不 同的操作系統(tǒng)上，不同模塊之問保持平等地相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。1.3.2開放式精工系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，開放式精工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有三種形式[17_18]:“PC嵌入NC”型精工系統(tǒng)，即在傳統(tǒng)的精工系統(tǒng)中嵌入PC，該精工系統(tǒng)在 PC部分對于用戶是開放的，而NC內(nèi)核部分對于用戶是封閉的。“PC+NC”機(jī)構(gòu) 的精工系統(tǒng)不利于機(jī)床的可重構(gòu)、可擴(kuò)展性。“NC嵌入PC”型精工系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PC機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，以運(yùn)動(dòng)控制器為控 制核心，其精工系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。這種結(jié)構(gòu)的精工系統(tǒng)在PC和NC部 分對用戶都具有開放性，且開發(fā)周期短、通用性好。目前在眾多的運(yùn)動(dòng)控制器中 以美國泰道公司的PMAC多軸可編程運(yùn)動(dòng)控制器為代表，該控制器可同時(shí)控制8 根軸的運(yùn)動(dòng)，并可對其進(jìn)行邏輯控制，具有獨(dú)立的CPU,處理速度快，許多開放 式精工系統(tǒng)研宄人員采用該運(yùn)動(dòng)控制器。“PC+SOFTCNC”型精工系統(tǒng)，該精工系統(tǒng)是一種新型的開放式精工系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，它的CNC軟件是在PC機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，直接控制伺服驅(qū)動(dòng)，這種系統(tǒng)開 放性好，但由于操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題，該類 系統(tǒng)處于研宄階段。開放式精工系統(tǒng)自出現(xiàn)以來就備受業(yè)界的關(guān)注，經(jīng)歷了二十多年的不斷發(fā)展， 在國內(nèi)外都取得了一定的的成果。在開放性精工系統(tǒng)研宄領(lǐng)域中，國外最具影響力的有歐洲的OSACA計(jì)劃， 1992年該計(jì)劃啟動(dòng)，該計(jì)劃主要是為了建立一個(gè)開放的且與廠商無關(guān)的控制器體 系結(jié)構(gòu)。OSACA的想法是開發(fā)一組控制程序API和一個(gè)底層結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程 序的可重構(gòu)性，可替換性等特點(diǎn)[19]。美國的OMAC計(jì)劃，它是在沒有定義固定的 控制器結(jié)構(gòu)，也沒有指定操作系統(tǒng)的情況下，只規(guī)定了用于建造不同類型控制器 的模塊集。機(jī)床供應(yīng)商根據(jù)用戶需要向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)組件，將組件采用“即插即 用”的方法組成精工系統(tǒng)，這種方法大大降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，同時(shí)縮短了生 產(chǎn)周期。日本的OSEC計(jì)劃，該計(jì)劃是OSACA計(jì)劃的延伸，其目的是建立支持 控制組件的動(dòng)態(tài)集成的實(shí)時(shí)平臺(tái)。通過該平臺(tái)可方便地實(shí)現(xiàn)柔性的、面向特定應(yīng) 用的控制系統(tǒng)。除了以上研宄還有一些學(xué)校加入了研宄開放性精工系統(tǒng)的行列，如美國密歇 根大學(xué)研宄出了基于PC的五軸精工銑床的開放性精工系統(tǒng)UMOAC[2()]。加拿大 的不列顛哥倫比亞大學(xué)開發(fā)了一個(gè)基于DSP智能加工模塊的多軸可編程精工系統(tǒng)。與國外相比我國對開放性精工系統(tǒng)的研宄有一定的差距，但通過國家政策的 改進(jìn)和研宄人員的努力，取得了一些成就。其中代表性產(chǎn)品有：北京的中華系列、 武漢的華中系列和沈陽的藍(lán)天系列。華中世紀(jì)之星是基于PC的銑床精工系統(tǒng)，可 實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，在國內(nèi)是比較先進(jìn)的開放式精工系統(tǒng)[21]。