開放性數控技術的發展

  當前世界CNC市場上的CNC控制器制造商生產的CNC系統，大多是專用設備，在結構上提供給用戶有限的選擇，用戶無法對現有數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環境中，同時還與CAD/CAM/CAPP等系統實現通信，過去的封閉式CNC系統，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、系統集成者和用戶采用快速而有創造性地解決當今制造環境中數控加工和系統集成中的問題。CNC制造商、系統集成者、用戶都希望“開放化的控制器”，能夠自由地選擇CNC裝置、驅動裝置、伺服電機、應用軟件等數控系統的各個構成要素，并能夠采用規范的、簡便的方法將這些構成要素組合起來。
      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和生產廠商，先后開展了開放性數控的研究。歐洲、美國、日本各自成立了開放性數控的研究機構，它們的發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個計劃目前都已經取得了重大進展，并且公布了部分研究成果。
      1 開放性數控的主要特點
      CNC裝置的外部環境，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環境中。所謂開放性數控，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，并能夠實現整個裝置的廉價化。
目前對于開放性數控的具體定義還存在爭論，OSACA、OMAC、OSE對于開放性數控都作出了自己的定義，一般而言，開放性數控應該具有以下特點：
      由一系列邏輯上獨立的構成要素組成；
提供系統各個構成要素與系統之間接口的完善的規范和標準，來自不同廠商的符合規范的構成要素能夠構成一個完整的數控系統； 能夠動態改變系統的拓補結構； 能夠實現與其它自動化系統或軟件模塊的互操作； 能夠提供一致性好的人機界面(MMI)
       2　開放性數控的發展現狀
       目前，國際上與開放性數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個計劃的發展現狀基本上代表了開放性數控的發展現狀。
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)開放性數控系統的基本規范。擬訂了中性的可適用于數控系統、機器人、可編程邏輯控制器和單元控制器的統一的參考結構。開發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“開放的模塊化結構控制器(OMAC)在汽車工業中的需求” 的文件，1997年2月14日, General Motors Powertrain Group (GMPTG)建議成立了OMAC。目前已經具有80多家研究機構、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，可以充分利用現有的個人計算機資源如CAM、SPC。 以實時操作系統為核心，提供高性能的控制功能。
利用實時數據庫，可實現數據的高效、便攜化。OSE自1994年12月由6家企業發起，如今已發展成為具有18家企業和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。主要取得以下成就： 提出了開放性數控系統的參照模型，并將其具體化為實裝模型。 開發了基于PC的人機接口系統。 提出并開發了新的NC語言OSEL。 開發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都鼓勵企業參與研究與決策工作，并且推出了一系列的示范性的產品。
      3 開發開放性數控系統的基本指導思想
最大限度地利用日新月異的PC軟硬件技術
PC化是實現開放式數控的比較現實的途徑。PC從產生到現在，PC的可靠性和它計算能力飛速增長，硬件已完全實現標準化，這些使得它更加適合于在工業環境下使用。PC具有充足的的支持軟件來改善CNC系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真、數控編程、故障診斷、網絡通訊等功能。利用 PC豐富的程序開發工具，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。而作為機床生產廠商，面對市場的快速變化的需求，設計和集成系統的時間要求越來越緊迫，因此機床生產廠商也希望數控系統的各個構成要素具有標準的接口，具有即插即用的特性。CNC系統的模塊化建立在對機床的各個構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品，高效、優質地滿足不同用戶的需求。
    動態配置系統 常用的系統配置方法是直接修改系統參數，周期長，并且易出錯。為了實現更靈活的配置和更友好的操作方式，開放性數控需要新型的配置過程，能夠實現在系統啟動、運行狀態下系統的動態配置。動態配置的實現是基于系統拓補結構的動態生成，包括選擇構成要素、參數化構成要素的功能、構成要素之間的信息流的組織等幾個步驟。
可移植
系統的模塊化保證了在同一軟硬件平臺上的相同功能構成要素的可移植性。但是由于軟硬件平臺的多樣性，需要實現在多種軟硬件平臺上的可移植性。這就要求開放性數控系統的規范應該不依賴于特定的軟硬件平臺。開放性數控所定義的數據結構、命名習慣、用戶接口外觀等都應有利于在不同的系統平臺上實現。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者能否采用安全而有效的方法將屬于他們自己的加工經驗和專用軟件集成到CNC系統中，形成自己的專有CNC。可擴展性的實現方法有兩種：
可以采用固定模塊內部結構，但預留插入用戶專用軟件的接口的方式； 提供用戶API和編程規范，供用戶編制自己的專用塊
鼓勵產業界參與開放性系統的開發過程 世界各國出現開發開放性數控的熱潮的主要動力在于提高本國或本地區的CNC在世界上的競爭力，各國積極鼓勵企業參與研究，而許多企業自發地參與或主持研究工作。開放性的數控需要開放性的氛圍來實現：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，產業界參與決策的機會；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合作的具體的控制器的共同開發計劃。
     4 開放性數控發展面臨的課題
     一致性的人機界面(MMI)
對用戶友好，具有一致性的數控系統的操作界面，對于降低人員培訓費用，降低系統維護費用都具有比較重要的意義。
以軟件為基礎的控制器
在開放性數控的研究過程中，軟件越來越受到重視。 OSACA認為當今數控技術的發展，已經由面向硬件(Hardware Oriented)轉向面向軟件(Software Oriented)。OSACA雖然對于硬件提出了一些中性的規范，但是它對硬件的規范并不苛求。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)的開發與應用
開放性數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都能滿足數控系統的需要。數控加工要求RTOS，現在流行多種操作系統，用戶和CNC開發廠商都面臨著許多選擇。一些測試表明，流行的操作系統大多無法滿足實時性的要求。目前，微軟正著手將Windows CE操作系統轉變為實時操作系統。美國能源部的ICON制造操作系統項目正在研制MOS(Manufacturing Operating System)。
數控系統開放程度
OSACA規定了3個層次的開放程度：人機界面開放、內核有限開放、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)；內核有限開放的內核結構固定，但留有插入用戶專用軟件的接口，這兩種程度的開放，在目前實現是完全可能的。而最高程度的開放——內核的完全開放，它的系統結構是由過程可互換性、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。
具備網絡通信功能
當今的CNC處于CIMS和 DNC 的環境中，CNC系統不僅能夠控制獨立運轉的機械，同時還要在綜合化的生產環境中，用做生產的終端設備，網絡通訊功能已經成為CNC系統的必備功能。ISDN和ATM技術的發展已經使得通過Internet的數控系統具有實現的可能性。由此會產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，在網絡化的環境下如何實現數控程序在不同數控機床上的可移植性是一個值得研究的重要問題。
       5 結束語
開放性數控是數控技術發展的必然趨勢，開放性的體系結構給CNC生產廠家、機床制造廠和用戶都帶來了許多益處。當前發達國家正在緊鑼密鼓地進行著開放式數控系統的研究—— OSE稱之為機械制造業的第三次革命，正為我國數控產業的發展提供良好的契機，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。