开放式数控系统概述dzoh.docx

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1、开放式数数控系统统概述1.传统统的数控控系统存存在的问问题标准的软软件化、开开放式控控制器是是真正的的下一代代控制器器。传统统的数控控系统采采用专用用计算机机系统，软软硬件对对用户都都是封闭闭的，主主要存在在以下问问题：（1）由由于传统统数控系系统的封封闭性，各各数控系系统生产产厂家的的产品软软硬件不不兼容，使使得用户户投资安安全性受受到威胁胁，购买买成本和和产品生生命周期期内的使使用成本本高。同同时专用用控制器器的软硬硬件的主主流技术术远远地地落后于于PC的的技术，系系统无法法“借用”日新月月异的PPC技术术而升级级。（2）系系统功能能固定，不不能充分分反映机机床制造造厂的生生产经验验，不具

2、具备某些些机床或或工艺特特征需要要的性能能，用户户无法对对系统进进行重新新定义和和扩展，也也很难满满足最终终用户的的特殊要要求。作作为机床床生产厂厂希望生生产的数数控机床床有自己己的特色色以区别别于竞争争对手的的产品，以以利于在在激烈的的市场竞竞争中占占有一席席之地，而而传统的的数控系系统是做做不到的的。（3）传传统数控控系统缺缺乏统一一有效和和高速的的通道与与其他控控制设备备和网络络设备进进行互连连，信息息被锁在在“黑匣子子”中，每每一台设设备都成成为自动动化的“孤岛”，对企企业的网网络化和和信息化化发展是是一个障障碍。（4）传传统数控控系统人人机界面面不灵活活，系统统的培训训和维护护费用昂

3、昂贵。许许多厂家家花巨资资购买高高档数控控设备，面面对几本本甚至十十几本沉沉甸甸的的技术资资料不知知从何下下手。由由于缺乏乏使用和和维护知知识，购购买的设设备不能能充分发发挥其作作用。一一旦出现现故障，面面对“黑匣子子” 无从从下手，维维修费用用十分昂昂贵。有有的设备备由于不不能正确确使用以以致于长长期处于于瘫痪状状态，花花巨资购购买的设设备非但但不能发发挥作用用反而成成了企业业的沉重重包袱。在计算机机技术飞飞速发展展的今天天，商业业和办公公自动化化的软硬硬件系统统开放性性已经非非常好，如如果计算算机的任任何软硬硬件出了了故障，都都可以很很快从市市场买到到它并加加以解决决，而这这在传统统封闭式

4、式数控系系统中是是作不到到的。为为克服传传统数控控系统的的缺点，数数控系统统正朝着着开放式式数控系系统的方方向发展展。目前前其主要要形式是是基于PPC的NNC，即即在PCC的总线线上插上上具有NNC功能能的运动动控制卡卡完成实实时性要要求高的的NC内内核功能能，或者者利用NNC与PPC通讯讯改善PPC的界界面和其其他功能能。这种种形式的的开放式式数控系系统在开开放性、功功能、购购买和使使用总成成本以及及人机界界面等方方面较传传统数控控有很大大的改善善，但它它还包含含有专用用硬件、扩扩展不方方便。国国内外现现阶段开开发的开开放式数数控系统统大都是是这种结结构形式式的。这这种PCC化的NNC还有有

5、专有化化硬件，还还不是严严格意义义上的开开放式数数控系统统。要实现控控制系统统的开放放，首先先得有一一个大家家遵循的的标准。国国际上一一些工业业化国家家都开展展了这一一方面的的研究，旨旨在建立立一种标标准规范范，使得得控制系系统软硬硬件与供供应商无无关，并并且实现现可移植植性、可可扩展性性、互操操作性、统统一的人人机界面面风格和和可维护护性以取取得产品品的柔性性、降低低产品成成本和使使用的隐隐形成本本、缩短短产品供供应时间间。这些些计划包包括（a）欧欧共体的的ESPPRITT 63379 OSAACA（OOpenn Syysteem AArchhiteectuure forr Coontrro

6、l witth AAutoomattionn Syysteems）计计划，开开始于119922年，历历时6年年，有由由控制供供应商、机机床制造造企业和和研究机机构等组组成的335个成成员。（b）美美国空军军开展了了NGCC（下一一代控制制器）项项目的研研究，美美国国家家标准技技术协会会NISST在NNGC的的基础上上进行了了进一步步研究工工作，提提出了增增强型机机床控制制器EMMC（EEnhaanceed MMachhinee Coontrrolller），并并建立了了Linnux CNCC实验床床验证其其基本方方案；美美国三大大汽车公公司联合合研究了了OMAAC，他他们联合合欧洲OOSACC

7、A组织织和日本本的JOOP（JJapaan FFA OOpenn Syysteems Proomottionn Grroupp）建立立了一套套国际标标准的AAPI，是是一个比比较实用用且影响响较广的的标准。(c）日日本联合合六大公公司成立立了OSSEC（OOpenn Syysteem EEnviironnmennt ffor Conntroolleer）组组织，该该组织讨讨论的重重点是NNC（数数字控制制）本身身和分布布式控制制系统。该该组织定定义了开开放结构构和生产产系统的的界面规规范，推推进工厂厂自动化化控制设设备的国国际标准准。20000年年，国家家经贸委委和机械械工业局局组织进进行 “

8、新一代代开放式式数控系系统平台台”的研究究开发。220011年6月月完成了了在OSSACAA的基础础上编制制“开放式式数控系系统技术术规范”和建立立了开放放式数控控系统软软、硬件件平台，并并通过了了国家级级验收。此此外还有有一些学学校、企企业也在在进行开开放式数数控系统统的研究究开发。开放式数数控系统统是制造造技术领领域的革革命性飞飞跃。其其硬件、软软件和总总线规范范都是对对外开放放的，由由于有充充足的软软、硬件件资源可可被利用用，系统统软硬件件可随着着PC技技术的发发展而升升级，不不仅使数数控系统统制造商商和用户户进行的的系统集集成得到到有力的的支持，而而且针对对用户的的二次开开发也带带来方

9、便便，促进进了数控控系统多多档次、多多品种的的开发和和广泛应应用，既既可通过过升档或或裁剪构构成各种种档次的的数控系系统，又又可通过过扩展构构成不同同类型数数控机床床的数控控系统，开开发周期期大大缩缩短。2.开放放式数控控系统所所具有的的主要特特点2.1)软件件化数控控系统内内核扩展展了数控控系统的的柔性和和开放性性，降低低了系统统成本。随随着计算算机性能能的提高高和实时时操作系系统的应应用，软软件化NNC内核核将被广广泛接受受。它使使得数控控系统具具有更大大的柔性性和开放放性，方方便系统统的重构构和扩展展，降低低系统的的成本。数控系统统的运动动控制内内核要求求有很高高的实时时性（伺伺服更新新

10、和插补补周期为为几十微微秒几几百微秒秒），其其实时性性实现有有两种方方法：硬硬件实时时和软件件实时。在在硬件实实时实现现上，早早期DOOS系统统可直接接对硬中中断进行行编程来来实现实实时性，通通常采用用在PCC上插NNC II/O卡卡或运动动控制卡卡。由于于DOSS是单任任务操作作系统，非非图形界界面，因因此在DDOS下下开发的的数控系系统功能能有限，界界面一般般，网络络功能弱弱，有专专有硬件件，只能能算是基基于PCC化的NNC，不不能算是是真正的的开放式式数控系系统，如如华中II型，航航天CAASNUUC9001系列列，四开开SKYY系列等等；Wiindoows系系统推出出后，由由于其不不是

11、实时时系统，要要达到NNC的实实时性，只只有采用用多处理理器，常常见的方方式是在在PC 上插一一块基于于DSPP处理器器的运动动控制卡卡，NCC内核实实时功能能由运动动控制卡卡实现，称称为PCC与NCC的融合合。这种种方式给给NC功功能带来来了较大大的开放放性，通通过Wiindoows的的GUII可实现现很好的的人机界界面，但但是运动动控制卡卡仍属于于专有硬硬件，各各厂家产产品不兼兼容，增增加成本本（1-2万元元），且且Winndowws系统统工作不不稳定，不不适合于于工业应应用（WWinddowssNT工工作较稳稳定）。目目前大多多宣称为为开放式式的数控控系统属属于这一一类，如如功能非非常强

12、大大的MAAZAKK的Maazattroll Fuusioon 6640，美美国A221000，Addvanntagge 6600，华华中HNNC-220000数控系系统等。WinddowssNT+RTXX组合的的应用较较成功的的有美国国的OppenCCNC和和德国的的PA公公司（自自己开发发的实时时内核），这这两家公公司均有有产品推推出，另另外SIIMENNS公司司的SIINUMMERIIK 8440Dii也是一一种采用用NT操操作系统统的单CCPU的的软件化化数控系系统。LLinuux和RRTLiinuxx是源代代码开放放的免费费操作系系统，发发展迅猛猛，是我我国力主主发展的的方向。2.2

13、)数控控系统与与驱动和和数字II/O（PPLC的的I/OO）连接接的发展展方向是是现场总总线。传传统数控控系统驱驱动和PPLC I/OO与控制制器是直直接相连连的，一一个伺服服电动机机至少有有11根根线，当当轴数和和I/OO点多时时，布线线相当多多，出于于可靠性性考虑，线线长有限限（一般般3-55米），扩扩展不易易，可靠靠性低，维维护困难难，特别别是采用用软件化化数控内内核后，通通常只有有一个CCPU，控控制器一一般在操操作面板板端，离离控制箱箱（放置置驱动器器等）不不能太远远，给工工程实现现带来困困难，所所以一般般PC数数控系统统多采用用一体化化机箱，但但这又不不为机床床厂家和和用户接接受。

14、而而现场总总线用一一根通讯讯线或光光纤将所所有的驱驱动和II/O级级连起来来，传送送各种信信号，以以实现对对伺服驱驱动的智智能化控控制。这这种方式式连线少少，可靠靠性高，扩扩展方便便，易维维护，易易于实现现重配置置，是数数控系统统的发展展方向。现在，在在数控系系统中采采用的现现场总线线标准有有PROOFIBBUS（传传输速率率12MMbpss），如如Sieemenns 8802DD等；光光纤现场场总线SSERCCOS（最最高为116Mbbps，但但目前大大多系统统为4MMbpss），如如Inddrammat Sysstemm20000和北北京机电电院的CCH-220100/S，北北京和利利时公

15、司司也研究究了SEERCOOS接口口的演示示系统；CANN现场总总线，如如华中数数控和南南京四开开的系统统等，但但目前基基于SEERCOOS和PPROFFIBUUS的数数控系统统都比较较贵。而而CANN总线传传输速率率慢，最最大传输输速率为为1Mbbps时时，传输输距离为为40米米。3网络络化是基基于网络络技术的的E-MManuufaccturringg对数控控系统的的必然要要求。传传统数控控系统缺缺乏统一一、有效效和高速速的通道道与其他他控制设设备和网网络设备备进行互互连，信信息被锁锁在“黑匣子子”中，每每一台设设备都成成为自动动化的“孤岛”，对企企业的网网络化和和信息化化发展是是一个障障碍

16、。CCNC机机床作为为制造自自动化的的底层基基础设备备，应该该能够双双向高速速地传送送信息，实实现加工工信息的的共享、远远程监控控、远程程诊断和和网络制制造，基基于标准准PC的的开放式式数控系系统可利利用以太太网技术术实现强强大的网网络功能能，实现现控制网网络与数数据网络络的融合合，实现现网络化化生产信信息和管管理信息息的集成成以及加加工过程程监控，远远程制造造、系统统的远程程诊断和和升级;在网络络协议方方面，制制造自动动化协议议MAPP（Maanuffactturiing Auttomaatioon PProttocool）由由于其标标准包含含内容太太广泛，应应用层未未定义，难难以开发发硬件

17、和和软件，每每个站需需有专门门的MAAP硬件件，价格格昂贵，缺缺乏广泛泛的支持持而逐渐渐淡出市市场。现现在广为为大家接接受的是是采用TTCP/IP INTTERNNET协协议，美美国HAAAS公公司的CCreaativve CConttroll Grroupp将这一一以太网网的数控控网络称称为DCCN（DDireect CNCC Neetwoorkiing）。数数控系统统网络功功能方面面，日本本的MAAZAKKA公司司 的MMazaatrool FFusiion 6400系统有有很强的的网络功功能，可可实现远远程数据据传输、管管理和设设备故障障诊断等等。3.国内内开放式式数控系系统的研研究现状

18、状我国经过过“六五”、“七五”引进消消化，“八五”自主开开发，“九五”产业化化、工程程化，基基本掌握握了数控控技术，基基本形成成了一支支研究、开开发、生生产的队队伍，基基本具备备了数控控系统产产品的配配套能力力。并根根据国内内外相关关技术的的发展情情况，调调整到基基于PCC的数控控系统发发展方向向上来，形形成了两两种平台台，开发发出了四四个基本本系统，其其中，华华中I型型和中华华I型是是将数控控专用模模板嵌入入通用PPC机构构成的单单机数控控系统，而而航天II型和兰兰天I型型是将PPC嵌入入到数控控之中构构成的多多机数控控系统，形形成PCC+NCC的前后后台型结结构。目目前国内内比较有有代表性

19、性的新型型开放式式数控系系统研究究主要有有以下几几种:1)基于于软件芯芯片的开开放式数数控系统统华中科科技大学学(原华华中理工工大学)提出了了一种基基于软件件芯片(Sofftwaare武武汉理工工大学硕硕士学位位论文IInteegraatedd Chhip，简简称siic)的的开放式式数控系系统的实实现模式式。在该该模式中中，通过过对数控控软件的的标准化化与规范范化研究究，运用用面向对对象的机机制，把把数控系系统的功功能进行行抽象并并进行封封装，将将数控软软件设计计成具有有稳定通通用的接接口、可可以重用用的SIIC,每每个siic完成成数控系系统的一一个独立立模块的的功能，如如插补功功能由插插

20、补芯片片完成、位位置控制制功能就就由位置置芯片完完成。并并且通过过建立一一个数控控系统软软件芯片片集成开开发环境境对SIIC进行行管理，用用户可以以对SIIC进行行检索、浏浏览和维维护，还还可以添添加新的的SICCOS用用户在组组装数控控系统或或进行二二次开发发时，可可以将芯芯片库中中检索出出的siic按照照用户所所要求的的功能进进行集成成，并可可以加入入用户新新开发的的SICC一起组组装，这这样开发发出的数数控系统统比以前前节省较较多时间间，总体体质量也也有大幅幅提高。其其局限性性在于，数数控软件件芯片的的规范化化和标准准化设计计很大程程度上由由芯片的的划分决决定，它它需要严严格定义义，使它

21、它们具有有更强的的逻辑性性和更好好的封装装性。另另外，更更重要的的一点是是，这种种软件芯芯片的使使用只是是简单的的程序源源代码的的重用，这这种移植植只能是是同一种种编程语语言下的的移植，是是一种极极为有限限条件下下的移植植。2)基于于现场总总线技术术的开放放式数控控系统现现场总线线技术可可以将大大量的并并行信号号转化为为串行信信号，利利用双线线电缆或或光缆可可以在上上百台设设备之间间实时传传递上千千路的信信号。当当前现场场总线接接口和数数据交换换大多遵遵循SEERCOOg(sseriial reaal-ttimee coommuuniccatiion speecifficaatioon)协协议

22、，是是目前用用于数字字伺服而而后传动动数据通通信的唯唯一国际际标准。SSERCCOS构构成一个个封闭的的环路，根根据伺服服系统和和PLCC的不同同地址，利利用插在在计算机机中的SSOFTTSERRCANNS卡实实现计算算机与数数字伺服服系统之之间的实实时数据据通信，形形成一种种基于现现场总线线的开放放式结构构数控系系统。但但由于SSERCCOS有有三万多多个参数数，在SSERCCOS参参数设置置方面现现在的系系统大多多都是使使用默认认值，这这对于开开发高速速、高精精度的开开放式数数控系统统还有很很大差距距。并且且SERRCOSS总线技技术较为为昂贵，对对于其普普及应用用也产生生一定的的不利影影

23、响。4)国外外开放式式数控系系统的研研究现状状(1)OOMACC计划美美国900年代提提出NGGC下一一代控制制器计划划，并拨拨款1亿亿美元进进行研究究，其核核心即是是开放体体系结构构的研究究。其首首要目标标是开发发开放式式系统体体系结构构标准规规范SOOSACC (SSpeccifiicattionn foor aan OOpenn Syysteem AArchhiteectuure Staandaard)用来管管理I作作站和机机床控制制器的设设计和结结构组织织。SOOSACC定义了了NGCC系统、子子系统和和模块的的功能以以及相互互间的关关系，它它提出了了分级式式控制结结构，指指出了功功能

24、性的的分解; 定义义了虚拟拟机实现现系统模模块间的的信息相相互交换换和相互互操作;定义了了NMLL(NeeutrralMManuufaccturringg Laanguuagee)语言言进行制制造系统统中的信信息传递递。该计计划己于于19994年完完成了NNGC原原型研究究，并己己转入工工业开发发应用。例例如美国国Forrd, GM和和CReesleer等公公司在NNGC计计划的指指导下，联联合提出出了OMMAC(Opeen MModuularr ArrchiiteccturreCoontrrolller)开发计计划，提提出了系系统基础础框架，信信息库管管理、任任务调度度、人机机接口、运运动控

25、制制、传感感器接口口等构造造了控制制系统功功能体系系结构。该该计划的的目的是是使系统统制造厂厂、机床床厂和最最终用户户分别从从缩短开开发周期期、降低低开发费费用、便便于系统统集成和和二次开开发、简简化系统统使用和和维护等等方面受受益。又又如Ciinciinnaati Millacrron从从19995年开开始在其其所生产产的加工工中心、铣铣床、车车床及激激光加工工等设备备中采用用开放式式体系结结构的AA21000系统统(应用用双处理理器组成成，Wiindoows NT操操作系统统的多任任务、多多过武汉汉理工大大学硕士士学位论论文程、多多功能的的开放式式系统)。还有有DELLTA TAUU公司利

26、利用NGGC和OOMACC等协议议，采用用PC机机+PMMAC控控制卡构构成的PPMACC开放式式CNCC系统，获获得了良良好的应应用效果果。(2) OSAACA计计划：欧欧洲德、法法、意、西西等国于于19990年也也联合进进行了“自动化化系统中中开放式式体系结结构OSSACAA(Oppen SysstemmArcchittectturee foor CConttroll wiithiin AAutoomattionn Syysteems)”的研究究。该计计划于119922年5月月正式为为欧盟官官方所接接受。截截止目前前，OSSACAA计划的的三个阶阶段的工工作全部部完成。己己公布的的文件包包

27、括“OSAACA I&III FFinaal RRepoort，和“OSAACA Hanndboook”及其他他一些文文件。OOSACCA提出出了一个个“分层的的系统平平台+结结构功能能单元”的结构构。系统统平台由由系统硬硬件和系系统软件件组成，系系统软件件包含有有系统的的核心部部分，如如操作系系统、通通讯系统统和可选选的应用用程序如如数据库库、图形形系统之之类。系系统平台台通过AAPI (Apppliicattionn Prrogrrammmingg Innterrfacce)对对外提供供服务(Serrvicce) o OOSACCA的三三个主要要组成部部分为通通讯系统统(Coommuuni

28、ccatiionSSysttem)，参考考体系结结构(RRefeerennce Arcchittectturee)，配配置系统统(CoonfiigurratiionSSysttem)。(33) OOSECC计划：OSEEC计划划是日本本的几个个公司共共同提出出的。OOSECC讨论的的重点集集中在NNC(数数字控制制)本身身和分布布式控制制系统上上。OSSEC的的开放CCNC系系统体系系结构包包括了33个功能能层和七七个处理理层。OOSECC提出了了FADDL(工工厂自动动化描述述语言)和OSSEL(Opeen SSysttem Envviroonmeent Lannguaage)加工语语言，实

29、实现加工工信息的的标准化化和制造造控制系系统与CCAD/CAMM 系统统之间的的直接互互连。韩韩国等其其他国家家也都各各自进行行了开放放式数控控系统的的研究。运行于PPC机上上的Wiindoows操操作系统统在办公公自动化化领域的的优异表表现，使使其逐渐渐用于控控制系统统并发挥挥起独特特的作用用。另一一方面,微处理理器技术术的进步步使数控控程序向向32位位方向发发展的趋趋势已不不可逆转转，而由由所有WWinddowss操作系系统(WWinddowss95/98/20000,WWinddowXXP和WWinddowssCE等等)支持持的Wiin322APII在322位程序序方面凸凸显出的的优势，

30、更更增加了了人们对对Winndowws操作作系统应应用于开开放式数数控系统统的兴趣趣。尽管管Winndowws操作作系统在在实时处处理方面面有不足足，但以以其友好好的用户户界面、强强大的功功能、便便捷的操操作和广广泛的应应用前景景受到普普遍的欢欢迎。WWinddowss操作系系统为软软件的开开发提供供了丰富富的应用用程序接接口，而而且第三三方软件件供应商商提供了了众多的的基于WWinddowss平台的的开发工工具，这这就为数数控系统统软件的的编写提提供了强强大的支支撑。这这样，数数控软件件的开发发可以利利用软件件工程的的最新思思想和成成果、最最新的技技术，来来实现数数控软件件的开放放式、模模块化、很很高的可可靠性、很很强的可可维护性性和很好好的可扩扩充性。并并且，在在Winndowws下能能够很轻轻松的设设计出漂漂亮的人人机界面面，不仅仅大大节节省软件件的开发发时间，而而且对于于数控系系统的推推广和商商业价值值的实现现是一个个很好的的促进。因因此，开开发基于于Winndowws环境境下的数数控系统统已成为为一种发发展趋势势，数控控系统是是否基于于Winndowws平台台已成为为产品是是否有竞竞争力的的重要标标准之一一。11