开放式网络化数控技术及其发展趋势

1 .引言

    20世纪90年代，国外的数控系统完成了从16位机向32位机和伺服驱动从直流式向交流全数字式的转变，数控系统体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快，开发周期缩短。

　　从 2000年美国芝加哥国际机床展和2001年北京国际机床展等展览会中，可以看出数控技术及数控机床发展的一些最新趋势为：

    (1) 开放式智能化的数控系统成为数控技术的发展方向。 
    (2) 5轴联动加工兴起，所谓“高速即意味着5轴”。 
    (3) 数控加工网络化，提高了机床的生产使用效率。 
    (4) 以高速主轴和直线电机的应用为特征，高速加工进一步向纵深发展。 
    (5) 车铣复合加工中心更具前途。 
    (6) “软”数控技术发展，基于工业PC机、PCI/ISA总线、通用操作系统+实时内核的数控系统大量涌现。

    本文将对开放式网络化数控系统展开讨论，论述其基本概念、体系结构和发展趋势。

    2.开放式网络化数控的基本概念

　　开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。 IEEE关于开放式系统的定义是：开放式系统能有效地运行于不同的平台之上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性。随着计算机软硬件技术的发展，目前对开放式系统最新的具体的看法包括：

    (1) 开放式控制系统的硬件和软件都应是柔性的，它允许改变硬件的基本配置，而软件更在所有控制级别上可以改变。 
    (2) 开放式结构系统的软硬件必须是真正“即插即用”的，如果产品必须被“召回”以安装新的硬件和软件，那就不是真正的开放。 
    (3) 控制器必须是标准化的，以使第三方能在此基础上参与新硬件和新软件的开发。 
    (4) 开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来，也就是说它是一个标准系统，在这个标准上系统能在部件级别上与其他部件集成，并能共享数据。 
    (5) 一个开放式控制系统能在系统的级别上同其他系统协同工作。

　　网络数控就是通过网络、 Internet/Intranet将制造单元和控制部件相连，或将制造过程所需资源(如加工程序、机床、工具、检测监控仪器等)共享。网络化包括两个方面：内部网络(现场总线网络)和外部网络。

    (1) 内部网络 内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接。对于数控系统硬件，开放性主要是指其计算机、网络、伺服系统及I/O逻辑控制等单元，应该具有统一的互联标准，以实现互换性。为使数控系统硬件具有互换性，目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS(Serial Real－time Communication System，一种适于高速伺服控制的网络接口协议，于1995年成为IEC 1491国际标准)现场总线作为与数字驱动单元的接口，采用Profibus现场总线等作为与I/O逻辑控制单元的接口。 
    (2) 外部网络 外部网络指的是数控系统与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务，并提高机床生产率。网络生产管理系统通过企业内部网(Intranet)随时监视生产现场情况进行最优计划和调度；操作工人技艺数据库将通过丰富经验和直觉形成的技艺数字化，不断积累并与全公司共享，实现高效、高质量加工，并依此创造新工艺、新知识和新诀窍；新的CAD/CAM系统可将CAD数据立即转变为加工程序、工具清单、工艺卡和加工工艺图样，实现并行工程来缩短生产周期。此外通过因特网与外界联接，可为每一个客户设立一个窗口，快速反应客户的要求。在多品种小批量的条件下，将机床联网，能将切削时间由25%提升至65%。远程诊断产品可以在个人电脑前轻松地操纵远在车间里的机床设备，诸如编辑修改零件程序和PLC程序、监控各轴当前状态、进行文件传输等。不仅用于故障发生后对数控系统进行诊断，而且还可用作用户的定期预防性诊断。

    3.开放式网络化数控平台的基本结构

　　开放式网络化数控系统平台由系统硬件和系统软件组成。系统软件包括实时操作系统、通讯系统、设备驱动程序以及其他可供选择的系统程序，如数据库系统和图形系统。系统软件通过标准的应用程序接口 (即API)向应用软件提供服务。系统硬件包括组成系统的各种物理实体。系统硬件对外部的表象和接口可以是一致的，也可以通过设备驱动程序使之与操作系统分隔。

　　系统硬件各部分通过信息管理网络和开放设备级网络互连，传递命令和数据信息，并行完成数控任务。

　　对于数控系统硬件来讲，开放性主要是指其计算机、网络、伺服系统及 I/O逻辑控制等单元应该具有统一的标准，以实现互换性。要使其硬件具有互换性，全球所有数控系统制造商都认为应该采用现场总线技术。

    4.开放式网络化数控系统的应用

　　近年来，我国相继开发出了如华中 Ⅰ型、航天Ⅰ 型、中华Ⅰ型、蓝天Ⅰ型等数控系统。华中Ⅰ型以通用工业微机为硬件平台，模块化的开放式体系结构，达到了国际先进水平，获得了国家科技进步二等奖、国家教委科技进步一等奖，是目前获得国家奖级别最高的国产数控系统。开放式数控系统软、硬件平台，已在DOS、Linux操作系统平台开发成功。已经开发出了车床、铣床、加工中心、仿形、轧辊磨、滚刀磨、拉刀磨、工具磨、凸轮轴磨床、非圆齿扇插齿机、齿条插齿机、弧齿锥齿轮铣齿机、镗床、激光加工、玻璃机械、纺织机械、医疗机械等30多个数控系统应用品种。这也证明华中数控系统具有优良的开放性和二次开发性。

　　在国家 863计划和科技攻关计划多年连续的支持下，我国基本掌握网络化数字化制造系统的基础技术。如1999年在中国北京举行的国际机床博览会上，武汉华中数控股份有限公司率先推出了网络数控系统原型机，实现了通过Intranet远程操作控制异地数控机床。博览会上，北京航空航天大学与北京市机电研究院合作，展出了基于PC计算机和光纤数字通讯伺服技术(SERCOS)的开放式数控系统，通过光纤同时控制1～8台机床上的50个伺服轴和主轴，组成的柔性生产线示范系统，获得国内机床行业高度评价。在 2001年的北京国际机床博览会上，华中数控与北京第一机床厂合作，展示了基于Internet的远程故障诊断技术；与桂林机床股份有限公司合作，展出了由四台机床联网组成的远程控制技术。这些都为网络环境下数控系统的研究开发奠定了良好的基础。又如华中数控在江苏常柴股份有限公司，将其模具车间的5台加工中心和一台仿形数控机床联网，可在远程异地设计、编程，然后通过Internet网络传送和共享零件加工程序，实现了CAD/CAM/CNC的网络集成，大大提高了生产效率和设备的利用率。

　　常柴股份有限公司的北厂模具车间有四台数控机床采用了华中网络式数控系统，所有机床通过内部局域网(NT网)连接。模具车间的NT 网络上的服务器，通过Internet与5km外的常柴总厂计算中心连接。总厂计算中心由UGⅡ或其他 CAD/CAM软件生成的数控程序可通过Internet和服务器传送到任何一台数控机床的控制系统中。由于华中网络CNC具有较大的内存和外存空间，其资源可共享到计算机网络上。因此，每台配华中数控系统存储器上的数控程序，可通过网络共享到其他任何一台华中数控系统上。这使得数字化仿形测量所生成的数控加工程序可共享到其他非仿型功能的数控机床上加工模具。由于计算机局域网络的数据传送速度极快(约为10～100MB/s以上，而DNC接口的速度约为9.6kB/s)，对于复杂模具的大容量程序的传送速度非常快捷、可靠。

    开放式网络化数控在我国有以下几个方面的切实应用需求：

    (1)网络制造、全球制造：在新的制造模式下，通过数控系统的上网，可满足未来制造企业在企业动态联盟过程中和制造系统重组过程中，通过网络对外发布或允许外部了解自己的制造能力，甚至组成网上虚拟车间(工厂)和电子商务，实现异地CAD/CAM/CNC 的网络制造。

    (2)大容量存储资源共享：我国现有的大部分数控系统内存较小，没有网络功能(仅有速度较低的DNC接口)，没有大容量存储设备(如硬盘)。而大型复杂模具加工程序量非常大，一般以1MB为计量单位。应用网络数控系统即可在高速局域网上满足CAD/ CAM系统与数控系统进行大容量信息的通信与交换的要求。

    (3)远程监控与诊断：当数控系统产生故障时，数控系统生产厂家可以通过Internet对用户的数控系统进行快速诊断与维护，可以大大减少维护的盲目性，提高设备完好率。满足用户对数控机床的远程故障监控、故障诊断、故障修复的要求。

    (4)远程操作和远程培训：通过把数控加工机床像办公网络中的共享打印机一样共享到网络上，满足某些制造行业对加工设备远程操作的要求(如火箭发动机装药后的整形加工)以及远程培训的要求。

    5.结论

    开放式网络化数控系统能高起点提高我国数控技术和产业化水平：

    (1)采用统一硬件平台和软件平台的技术，其技术发展具有连续性和持续性。

    (2)国内数控系统开发生产厂家不必为基本硬件组件和软件组件的开发生产重复投入过多的设备与资金，可以集中力量开发其专长的项目，以国内总体的开发力量与国外大公司竞争，可以大幅度地提高国产数控系统的竞争力。

    (3)国内主要数控厂家使用相同的基本硬件，可以提高硬件生产数量。适度规模生产可以大幅度降低数控系统的成本，提高产品的质量，增强产品的一致性。

    (4)在开放式网络化数控系统上，可以方便地增加智能化控制功能，提高我国数控系统的档次。

    (5)开放式网络化数控系统便于生产管理，可提高数控机床的生产率。

    (6)基于规范的开放式网络化数控系统的售后服务更易于进行。

　　充分认识到发展开放式网络化数控技术的紧迫性，开发具有我国自主版本的数控系统并进行示范应用，对于推动我国新一代数控系统发展，提高国产数控系统参与市场竞争的综合能力、为实现数控系统规模化生产奠定基础等方面均具有十分重要的意义。