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开放式数控系统的现状与发展作者：王晓东刘宇来源：《城市建设理论研究》2013年第04期摘要：数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。
而数控系统是数控制造技术的核心是一种基于计算机控制的实时控制系统。
本文介绍了开放式数控系统的技术内容，分析了开放式数控技术发展现状，探讨了开放式数控系统的发展趋势。
关键词：开放式数控系统技术内容现状发展趋势中图分类号：S776.05 文献标识码：A 文章编号：随着现代制造业逐渐面向多品种、小批量生产方式的转变, 同时, 还有高精、高效、高速加工的需要以及企业为实现异地制造和远程诊断所需的联网功能及智能控制, 开放式数控系统已成为数控系统发展的重要方向.一、开放式数控概念的提出随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，机械产品的机构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，对数控机床柔性、通用性提出了更高的要求，以保证制造业向着高精度、高速度、高效率、快速的市场响应、易操作性等方向发展。
传统的数控系统在结构上提供给用户有限的选择，用户无法对现有数控设备的功能进行修改以满足自己特殊的需求。
传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。
传统的数控系统的缺点如下：（1）与通用计算机不兼容，不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家的不同系列的数控系统也不兼容；（2）各种数控系统的内部结构复杂，一旦数控系统发生故障，往往需要找生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用；（3）难进行升级和进一步开发；（4）专用封闭式数控系统的发展一般滞后5年左右，在计算机技术迅猛发展的今天，这是一个相当长的时间。
传统数控系统的上述特点严重制约着数控技术的发展，不能满足市场对数控技术新的要求。
针对这种情况，人们80年代就提出了开放式控制系统的概念。
早在1987年，美国开始了名为“下一代控制系统”的NGC计划，并成立了“美国国家制造科学中心”，其主要目的是在拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析规范。
1、数控机床的驱动执行部分是（）。
1.数控机床本体2.数控装置3.伺服系统4.控制介质与阅读装置2、刀位点是（）上的点。
1.刀具2.工件3.夹具3、闭环控制系统的位置反馈元件应（）。
1.装在电机轴/传动丝杆上2.装在执行部件上3.装在传动丝杆上4、改变步进电机定子绕组的通电顺序，则（）。
1.步进电机的脉冲当量发生变化2.转子的旋转方向发生变化3.步进电机的步距角发生变化4.步进电机转子转速发生变化5、逐点比较法是用（）来逼近曲线的。
1.折线2.直线3.圆弧和直线6、所谓插补就是根据输入线型和速度的要求（）。
1.实时分配各轴在每个插补周期内的位移量2.计算各轴下一插补周期的位移量3.实时计算刀具相对与工件的合成进给速度7、建立刀具长度正补偿的指令是（）。
1. G432. G443. G498、为确定工件在机床中的位置，要确定（）。
1.机床坐标系2.工件坐标系3.笛卡尔坐标系9、数控机床上交流伺服电机的变频调速常采用（）方式。
1.交-直-交变频调速2.交-交变频调速3.直-交-直变频调速4.直-直变频调速10、步进电动机的转速主要取决于（）。
1.电脉冲的总数2.电流的大小3.电脉冲的频率4.电压的高低多项选择题11、伺服系统是一种以（）为控制对象的自动控制系统。
1.功率2.机械位置或角度3.加速度4.速度12、数控机床适合加工（）。
1.大批量生产的标准件2.结构比较复杂精度要求高的零件3.加工批量小、改型频繁的零件4.多品种小批量生产的零件。
13、对于步进电机的特性，以下说法正确的是（）。
<br< span="" style="box-sizing: border-box;"></br<>1.启动频率(突跳频率)fq是反映步进电机快速性能的重要指标，若启动时的频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动，而造成失步；2.步进电机连续运行的工作频率fmax通常低于步进电机的启动频率fq；3.最大静态转矩Mjmax反应了步进电机的自锁能力；4.步进电机采用单相轮流通电方式与单双相轮流通电方式的步距角相同，采用双相轮流通电方式时步距角可减半。
开放式数控系统
1）开放的含义
开放式数控系统是一种模块化的、可重构的、可扩充的通用数控系统，它以工业PC 机作为CNC 装置的支撑平台，再由各专业数控厂商依据需要装入自己的掌握卡和数控软件构成相应的CNC 装置。
2）开放的特征
（1）可移植性：系统的应用模块无需经过任何转变就可以用于另一平台，仍旧保持原有特性。
（2）可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。
（3）可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。
（4）规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可根据需要调整。
3）系统结构
（1）CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC 主板主要运行非实时掌握，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时掌握。
（2）PC+专业运动掌握卡：把运动掌握卡插入计算机标准插槽中作实时掌握用，PC机主要用作处理非实时掌握。
4）开放层次
（1）系统层CNC系统的开放（系统层）
CNC系统可以直接运行各种应用软件，大大改善CNC的图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。
（2）用户操作界面的开放（界面层）
用户操作界面的开放使CNC系统具有更加友好的用户接口，有的甚至还具备远程诊断的功能。
（3）CNC内核的深层次开放（内核层）
通过编译循环，用户可以把自己用C或C++语言开发的应用软件加到标准CNC的内核中。
形成独具特色的共性化数控机床。
开放式数控系统的应用实例介绍我们对开放式数控系统有了一个全面的了解，下面将介绍一些开放式数控系统的应用实例。
1 PMAC为核心的开放式控制系统应用概述PMAC的开放性使其建立的系统具有高可靠性、灵活性、多功能和高性能价格比，重要的是你可以随心所欲地开发各种控制系统而不必依赖于封闭式体系结构的CNC控制器。
因此，PMAC在世界各个行业得到了应用。
在机床方面，已成功地应用于立式和卧式加工中心、铣床、车床、TURNING CENTERS、磨床、激光切割、电加工机床、冲床、水刀切割和木工机械等，如Viking CE无心外圆磨床、SZ-1000微孔钻床、CMT-830八工位车床、Eagle NC光学镜面加工磨床、机床改造等。
在机器人方面，已应用于自动擦窗机器人、AP机器人、HECTOSPEC光线定位机器人、遥控系统的仿形手臂和近海石油钻塔机器人等。
其它方面应用如电子束平板印刷、高速膜缠绕机、台式注塑机、孕检产品装配线、TITANIC号、注塑机、精密飞行运动仿真器和无纺纺织机等。
在中国，PMAC目前主要应用在机床、机器人、测量、印刷、半导体、食品及通用自动化等方面，如喷涂和弧焊机器人(机械部自动化研究所)、重载机器人6轴虚拟机床(沈阳自动化所)、激光成型/切割、水刀切割机、4/8轴管道焊接机、飞剪设备、等离子/火焰切割机、半导体加工设备等。
随着应用的深入，以PMAC为核心控制器的开放式数控系统将得到更加广泛的应用。
限于篇幅，本讲只介绍开放式数控系统在机床和机器人方面的应用。
2 Eagle NC光学镜面加工磨床Eagle是制造加工大工件的CNC移动式龙门加工中心的厂商。
他们的目标市场是石油化工行业。
为了充分发挥PMAC的功能，Eagle不断尝试新的应用并把它应用到自己的新产品中。
Eagle计划用PMAC开发一种带转动刀具的立式磨削中心，用于光学反射镜表面的硅基层的微米级的精密加工。
这些加工表面的亚微米级加工进给速度将达到12.7mm/h，有些加工面的公称直径是1524mm。
关于开放式数控系统的标准化探究开放式数控系统是指数控系统的软硬件架构是开放的，并且可以与其他硬件、软件进行兼容和通信。
开放式数控系统的标准化是指通过制定统一的标准，使不同厂家生产的数控设备能够互联互通，实现数据的共享和交流。
本文将探究开放式数控系统标准化的必要性、现状及发展趋势。
开放式数控系统的标准化具有极大的必要性。
由于不同厂家生产的数控设备往往存在着不同的控制指令集、通信协议以及数据格式，导致这些设备之间无法互联互通，数据无法共享，使用效率低下。
而通过制定统一的标准，可以解决这一问题，实现不同厂家生产的数控设备之间的互通，提高设备的利用率和生产效率。
目前，国内外对开放式数控系统的标准化已经有所探索。
在硬件方面，已经有一些标准被广泛采用，如ISO6983（G代码）和ISO14649（刀具数据）等。
这些标准对数控设备的控制指令集和刀具数据进行了详细规定，为不同厂家生产的数控设备提供了通用的编程语言和数据交换格式，实现了设备之间的互通和数据共享。
在软件方面，开放式数控系统的标准化还存在一定的挑战。
目前，数控系统的软件往往是由不同厂家自主开发的，彼此之间缺乏统一的编程接口和数据交换格式。
这导致了不同数控系统之间的软件无法互相兼容，给使用和维护带来了很大的困难。
制定统一的标准对软件的编程接口和数据交换格式至关重要，可以实现不同数控系统之间的软件互通和数据共享。
未来，开放式数控系统的标准化将继续向更深层次发展。
随着工业互联网的发展，数控设备之间的互联互通将成为智能制造的关键技术。
在这一背景下，制定统一的标准，将不仅仅局限于硬件和软件，还会涉及到数据格式、通信协议等方面。
只有通过一体化的标准化，才能实现不同数控系统之间的无缝对接，实现数控机床的智能化和自动化。
开放式数控系统概述1. 传统的数控系统存在的问题标准的软件化、开放式控制器是真正的下一代控制器。
传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题：（1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期的使用成本高。
同时专用控制器的软硬件的主流技术远远地落后于PC的技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级。
（2）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。
作为机床生产厂希望生产的数控机床有自己的特色以区别于竞争对手的产品，以利于在激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是做不到的。
（3 ）传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。
（4 ）传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。
许多厂家花巨资购买高档数控设备，面对几本甚至十几本沉甸甸的技术资料不知从何下手。
由于缺乏使用和维护知识，购买的设备不能充分发挥其作用。
一旦出现故障，面对“黑匣子”无从下手，维修费用十分昂贵。
有的设备由于不能正确使用以致于长期处于瘫痪状态，花巨资购买的设备非但不能发挥作用反而成了企业的沉重包袱。
在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是作不到的。
为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。
目前其主要形式是基于PC的NC即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完成实时性要求高的NC核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。
这种形式的开放式数控系统在开放性、功能、购买和使用总成本以及人机界面等方面较传统数控有很大的改善，但它还包含有专用硬件、扩展不方便。
国外现阶段开发的开放式数控系统大都是这种结构形式的。
这种PC化的NC还有专有化硬件，还不是严格意义上的开放式数控系统。
要实现控制系统的开放，首先得有一个大家遵循的标准。
国际上一些工业化国家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规，使得控制系统软硬件与供应商无关，并且实现可移植性、可扩展性、互操作性、统一的人机界面风格和可维护性以取得产品的柔性、降低产品成本和使用的隐形成本、缩短产品供应时间。
这些计划包括(a )欧共体的ESPRIT 6379 OSACA( Open System Architecture for Control with Automation Systems)计划，开始于1992年，历时6年，有由控制供应商、机床制造企业和研究机构等组成的35个成员。
(b )美国空军开展了NGC(下一代控制器)项目的研究，美国国家标准技术协会NIST在NGC的基础上进行了进一步研究工作，提出了增强型机床控制器EMC (Enhanced Machi ne Controller )，并建立了Linux CNC实验床验证其基本方案；美国三大汽车公司联合研究了OMAC 他们联合欧洲OSACA!织和日本的JOP( Japan FA Open Systems Promotion Group ) 建立了一套国际标准的API，是一个比较实用且影响较广的标准。
(c)日本联合六大公司成立了OSEC( Ope n System En viro nment for Co ntroller )组织，该组织讨论的重点是NC(数字控制)本身和分布式控制系统。
该组织定义了开放结构和生产系统的界面规，推进工厂自动化控制设备的国际标准。
2000年，国家经贸委和机械工业局组织进行“新一代开放式数控系统平台”的研究开发。
2001年6月完成了在OSACA勺基础上编制“开放式数控系统技术规”和建立了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。
此外还有一些学校、企业也在进行开放式数控系统的研究开发。
开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。
其硬件、软件和总线规都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且针对用户的二次开发也带来方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短。
2. 开放式数控系统所具有的主要特点2.1).软件化数控系统核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本。
随着计算机性能的提高和实时操作系统的应用，软件化NC核将被广泛接受。
它使得数控系统具有更大的柔性和开放性，方便系统的重构和扩展，降低系统的成本。
数控系统的运动控制核要求有很高的实时性(伺服更新和插补周期为几十微秒〜几百微秒) ，其实时性实现有两种方法：硬件实时和软件实时。
在硬件实时实现上，早期DOS系统可直接对硬中断进行编程来实现实时性，通常采用在PC上插NC I/O卡或运动控制卡。
由于DOS是单任务操作系统，非图形界面，因此在DOS下开发的数控系统功能有限，界面一般，网络功能弱，有专有硬件，只能算是基于PC化的NC,不能算是真正的开放式数控系统，如华中I型，航天CASNUC90系列，四开SKY系列等；Windows系统推出后，由于其不是实时系统，要达到NC的实时性，只有采用多处理器，常见的方式是在PC 上插一块基于DSP处理器的运动控制卡，NC核实时功能由运动控制卡实现，称为PC与NC的融合。
这种方式给NC功能带来了较大的开放性，通过Windows的GUI可实现很好的人机界面，但是运动控制卡仍属于专有硬件，各厂家产品不兼容，增加成本（1-2万元），且Windows系统工作不稳定，不适合于工业应用（WindowsNT工作较稳定）。
目前大多宣称为开放式的数控系统属于这一类，如功能非常强大的MAZAK勺Mazatrol Fusion 640 ，美国A2100, Advantage 600，华中HNC-2000数控系统等。
Win dowsNT+RTX组合的应用较成功的有美国的Ope nCNC和德国的PA公司（自己开发的实时核），这两家公司均有产品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK 840Di也是一种采用NT操作系统的单CPU的软件化数控系统。
Linux和RTLinux是源代码开放的免费操作系统，发展迅猛，是我国力主发展的方向。
2.2）.数控系统与驱动和数字I/O （PLC的I/O ）连接的发展方向是现场总线。
传统数控系统驱动和PLCI/O与控制器是直接相连的，一个伺服电动机至少有11根线，当轴数和I/O点多时，布线相当多，出于可靠性考虑，线长有限（一般3-5米）,扩展不易，可靠性低，维护困难，特别是采用软件化数控核后，通常只有一个CPU控制器一般在操作面板端，离控制箱（放置驱动器等）不能太远，给工程实现带来困难，所以一般PC数控系统多采用一体化机箱，但这又不为机床厂家和用户接受。
而现场总线用一根通讯线或光纤将所有的驱动和I/O级连起来，传送各种信号，以实现对伺服驱动的智能化控制。
这种方式连线少，可靠性高，扩展方便，易维护，易于实现重配置，是数控系统的发展方向。
现在，在数控系统中采用的现场总线标准有PROFIBUS（传输速率12Mbps）,女口Siemens 802D等；光纤现场总线SERCO（最高为16Mbps但目前大多系统为4Mbps）,女口Indramat System2000和机电院的CH-2010/S，和利时公司也研究了SERCO接口的演示系统；CAN现场总线，如华中数控和四开的系统等，但目前基于SERCOS口PROFIBUS勺数控系统都比较贵。
而CAN总线传输速率慢，最大传输速率为1Mbps时，传输距离为40米。
3.网络化是基于网络技术的E-Manufacturing 对数控系统的必然要求。
传统数控系统缺乏统一、有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。
CNC机床作为制造自动化的底层基础设备，应该能够双向高速地传送信息，实现加工信息的共享、远程监控、远程诊断和网络制造，基于标准PC的开放式数控系统可利用以太网技术实现强大的网络功能，实现控制网络与数据网络的融合，实现网络化生产信息和管理信息的集成以及加工过程监控，远程制造、系统的远程诊断和升级；在网络协议方面，制造自动化协议MAP （Manufacturing Automation Protocol ）由于其标准包含容太广泛，应用层未定义，难以开发硬件和软件，每个站需有专门的MAP硬件，价格昂贵，缺乏广泛的支持而逐渐淡出市场。
现在广为大家接受的是采用TCP/IP INTERNE■协议，美国HAAS公司的Creative Control Group将这一以太网的数控网络称为DCN（ Direct CNC Networki ng ）。
数控系统网络功能方面，日本的MAZAK公司的Mazatrol Fusion 640 系统有很强的网络功能，可实现远程数据传输、管理和设备故障诊断等。
3.国开放式数控系统的研究现状我国经过“六五”、“七五”引进消化，“八五”自主开发，“九五”产业化、工程化，基本掌握了数控技术，基本形成了一支研究、开发、生产的队伍，基本具备了数控系统产品的配套能力。
并根据国外相关技术的发展情况，调整到基于PC的数控系统发展方向上来，形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中，华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统，而航天I型和兰天I型是将PC嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成PC+NC勺前后台型结构。
目前国比较有代表性的新型开放式数控系统研究主要有以下几种：1）基于软件芯片的开放式数控系统华中科技大学（原华中理工大学）提出了一种基于软件芯片（Software理工大学硕士学位论文Integrated Chip ，简称sic）的开放式数控系统的实现模式。
在该模式中，通过对数控软件的标准化与规化研究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有稳定通用的接口、可以重用的SIC,每个sic完成数控系统的一个独立模块的功能，如插补功能由插补芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。
并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开发环境对SIC进行管理，用户可以对SIC进行检索、浏览和维护，还可以添加新的SICOS用户在组装数控系统或进行二次开发时，可以将芯片库中检索出的sic按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用户新开发的SIC 一起组装，这样开发出的数控系统比以前节省较多时间，总体质量也有大幅提高。
