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1.3開放式數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱數(shù)控系統(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) 過程進行自動控制的系統(tǒng)，是控制數(shù)控機床的“大腦” [11]。一臺實驗性 數(shù)控系統(tǒng)于1952年被研制出，它是由電子管和繼電器組成，標志著第一代數(shù)控系 統(tǒng)的產(chǎn)生。隨著電子技術(shù)的不斷的發(fā)展，數(shù)控系統(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，到小型計算機的出現(xiàn)。1974年第五代數(shù)控系統(tǒng) 出現(xiàn)，它是以微處理器為核心，價格便宜且處理速度快，使得數(shù)控系統(tǒng)的可靠性 提高[12]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和普及，在20世紀80年代產(chǎn)生了第六代數(shù)控系 統(tǒng)，與第五代數(shù)控系統(tǒng)不同的是該系統(tǒng)的軟硬件平臺是通用的，而第五代所用的 計算機是的，其軟件部分需要在計算機上開發(fā)。第六代數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)， 推動了數(shù)控系統(tǒng)走上開放式的發(fā)展道路。
1.3.1開放式數(shù)控系統(tǒng)的特證
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)及其相關技術(shù)不斷地完善，但是也面對 著新的問題。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種“封閉式”數(shù)控系統(tǒng)，不能解決未來生產(chǎn)“面 向訂單和任務”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， 這都需要數(shù)控系統(tǒng)具有可重構(gòu)、開放性、可擴展的特性，對制造商的依賴性降低。 開放性數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這些問題，當前數(shù)控系統(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。
有關開放式數(shù)控系統(tǒng)的定義，存在很大的爭議，IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)標準規(guī)定數(shù)控系統(tǒng)為：開放性數(shù)控系統(tǒng)能夠在不同廠商提供 的不同平臺上運行，能夠和其他系統(tǒng)相互兼容，且用戶交互界面的風格相同[13]。 開放式數(shù)控系統(tǒng)具有以下特征[14_16]:
1.可互換性：數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計原則，其組成模塊具有開放的標準化 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、價格等因素 選擇不同廠家，這些模塊組成的系統(tǒng)的運行協(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?。ㄓ布蚬δ苣K）可根據(jù)實際應用增減。
3.可移植性：數(shù)控系統(tǒng)可以在不同的硬件平臺上運行，該硬件平臺可由不同 廠家生產(chǎn)。
4.可擴展性：根據(jù)用戶的需要，用戶或系統(tǒng)開發(fā)商能通過標準化接口和程序 對其功能模塊進行二次開發(fā)，或者將需要的軟件集成到數(shù)控系統(tǒng)中，使系統(tǒng)滿足 工件的工藝需求。
5.可互操作性：應用程序模塊通過使用標準化的接口、通訊方式等運行在不 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開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有三種形式[17_18]:
“PC嵌入NC”型數(shù)控系統(tǒng)，即在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中嵌入PC，該數(shù)控系統(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”機構(gòu) 的數(shù)控系統(tǒng)不利于機床的可重構(gòu)、可擴展性。
“NC嵌入PC”型數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PC機為開發(fā)平臺，以運動控制器為控 制核心，其數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(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。目前在眾多的運動控制器中 以美國泰道公司的PMAC多軸可編程運動控制器為代表，該控制器可同時控制8 根軸的運動，并可對其進行邏輯控制，具有獨立的CPU,處理速度快，許多開放 式數(shù)控系統(tǒng)研宄人員采用該運動控制器。
“PC+SOFTCNC”型數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)是一種新型的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，它的CNC軟件是在PC機的基礎上開發(fā)的，直接控制伺服驅(qū)動，這種系統(tǒng)開 放性好，但由于操作系統(tǒng)的實時性、標準化的統(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。
開放式數(shù)控系統(tǒng)自出現(xiàn)以來就備受業(yè)界的關注，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。
在開放性數(shù)控系統(tǒng)研宄領域中，國外影響力的有歐洲的OSACA計劃， 1992年該計劃啟動，該計劃主要是為了建立一個開放的且與廠商無關的控制器體 系結(jié)構(gòu)。OSACA的想法是開發(fā)一組控制程序API和一個底層結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)應用程 序的可重構(gòu)性，可替換性等特點[19]。美國的OMAC計劃，它是在沒有定義固定的 控制器結(jié)構(gòu)，也沒有操作系統(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。機床供應商根據(jù)用戶需要向用戶提供標準組件，將組件采用“即插即 用”的方法組成數(shù)控系統(tǒng)，這種方法大大降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，同時縮短了生 產(chǎn)周期。日本的OSEC計劃，該計劃是OSACA計劃的延伸，其目的是建立支持 控制組件的動態(tài)集成的實時平臺。通過該平臺可方便地實現(xiàn)柔性的、面向特定應 用的控制系統(tǒng)。
除了以上研宄還有一些學校加入了研宄開放性數(shù)控系統(tǒng)的行列，如美國密歇 根大學研宄出了基于PC的五軸數(shù)控銑床的開放性數(shù)控系統(tǒng)UMOAC[2()]。加拿大 的不列顛哥倫比亞大學開發(fā)了一個基于DSP智能加工模塊的多軸可編程數(shù)控系統(tǒng)。
與國外相比我國對開放性數(shù)控系統(tǒng)的研宄有一定的差距，但通過國家政策的 改進和研宄人員的努力，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天系列。華中世紀之星是基于PC的銑床數(shù)控系統(tǒng)，可 實現(xiàn)五軸聯(lián)動，在國內(nèi)是比較*的開放式數(shù)控系統(tǒng)[21]。