開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計思想誕生于20世紀(jì)80年代，近30年的研究取得了巨大的進(jìn)展，已建立了基于互操作和分級式軟件模塊的開放體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。開放式系統(tǒng)應(yīng)該具有可移植性、可互操作性和一致性。不言而喻，“開放性”是該技術(shù)的最主要的特征。從技術(shù)角度上，“開放性”可以為3類：數(shù)控系統(tǒng)軟件的開放性、加工數(shù)據(jù)模型的開放性和硬件實施平臺的開放性。圖1所示的樹形圖可描述開放式數(shù)控系統(tǒng)開放性的技術(shù)分支，從中可以清楚地看出開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文將分別從“軟件的開放性”、“加工數(shù)據(jù)模型的開放性”和“硬件實施平臺的開放性”等方面，介紹各領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)、國內(nèi)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，并提出解決方法和建議，與同行交流和共享。

　　系統(tǒng)軟件的開放性

　　從本質(zhì)上說，開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放性得益于軟件，而軟件開放性中最重要的是數(shù)控系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)。它包括系統(tǒng)的硬軟件組成部件的劃分和各部件間的連接與約束(如拓?fù)潢P(guān)系、同步關(guān)系和通訊協(xié)議等)。CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)不僅為系統(tǒng)的分析、設(shè)計和制造提供參考框架，也是指導(dǎo)系統(tǒng)在整個生存期內(nèi)進(jìn)行擴展、更新、維護(hù)和二次開發(fā)的基礎(chǔ)，是整個系統(tǒng)的靈魂，是開放性實現(xiàn)的根源。

　　圖1 開放式數(shù)控系統(tǒng)開放性的技術(shù)分支

　　1 體系結(jié)構(gòu)的研究

　　到目前為止，世界上已有幾個組織開展了開放結(jié)構(gòu)控制器體系結(jié)構(gòu)的研究工作，比較有影響的是歐洲的OSACA(Open System Architecture for Controls Within Automation System)、美國的OMAC(Open Modular Architecture Controller)和日本的OSEC(Open System Environment for Controller)。國內(nèi)已有多家研究單位對這幾種體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分比較，并在以美國的OMAC為基礎(chǔ)、采用COM組件技術(shù)實現(xiàn)方式來搭建開放式結(jié)構(gòu)控制器方面做了一些嘗試。從近幾年的發(fā)展看，該種研究方向是正確的、適合中國國情的。也正因為選用了OMAC體系結(jié)構(gòu)，引出了實現(xiàn)該體系結(jié)構(gòu)所需要的一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括實時操作系統(tǒng)、組件開發(fā)技術(shù)、有限狀態(tài)機和實時系統(tǒng)下的任務(wù)調(diào)度等。

　　2 軟件平臺

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺主要是個人計算機(Personal Computer，PC)。而軟件平臺就有了多種選擇的可能。但事實上，選用何種平臺直接影響到開發(fā)難度、成本等一系列核心問題。目前常見的方案一種是采用Windows+RTX方案，RTX可以認(rèn)為是內(nèi)置于Windows的一個子系統(tǒng)，它不影響Windows的原有功能，而增加了其實時性。這種方式適合熟悉Windows操作系統(tǒng)的中國用戶進(jìn)行開發(fā)，能夠在一定程度上降低開發(fā)難度，但是無論Windows還是RTX都不是中國自主知識產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，該開發(fā)平臺價格昂貴(尤其是RTX)，底層技術(shù)保密，造成國內(nèi)開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)嚴(yán)重依賴國外，這對軟數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化、降低生產(chǎn)成本都十分不利。另一種方案是采用RTLinux，雖然由于其開源的特性，沒有知識產(chǎn)權(quán)的問題和底層開發(fā)的限制，但對中國用戶來說，加大了開發(fā)難度，增加了工作量，也阻礙了國內(nèi)開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展。事實上，國內(nèi)在開發(fā)平臺的選擇上，一直面臨著兩難的抉擇。

　　3 組件技術(shù)

　　OMAC是目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，而OMAC所定義的開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放性、模塊化、可擴展性、可伸縮性和標(biāo)準(zhǔn)獨立的接口的實現(xiàn)都離不開組件技術(shù)。關(guān)于組件技術(shù)的實現(xiàn)，目前國內(nèi)采用的主要方式是在Windows操作系統(tǒng)下采用微軟的組件對象模型(Component Object Module，COM)技術(shù)來進(jìn)行開發(fā)。所謂COM是由微軟提出的一種適合于分布式軟件模型的標(biāo)準(zhǔn)。這種系統(tǒng)將數(shù)控功能分成若干模塊，按COM標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)各模塊的具體功能，通過相互間的標(biāo)準(zhǔn)接口完成實際的任務(wù)。然后通過標(biāo)準(zhǔn)的接口卡把數(shù)控系統(tǒng)的軟件和機床連接起來，形成一套簡潔、通用、具有很高開放性的數(shù)控系統(tǒng)。

　　4 有限狀態(tài)機

　　CNC系統(tǒng)是一個復(fù)雜且具有不同層次實時性要求的多任務(wù)控制器。系統(tǒng)中每個對象的功能、行為、起始過程、以及它們之間相互操作的關(guān)系，在系統(tǒng)建模中都必須得到清晰的描述。目前最有效的手段就是有限狀態(tài)機(Finite State Machine，F(xiàn)SM)理論。有限狀態(tài)機由有限的狀態(tài)和相互之間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成，在任何時候只能處于給定數(shù)目的狀態(tài)中的一個。FSM經(jīng)常被應(yīng)用于反應(yīng)式系統(tǒng)的建模。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的信息控制機床移動，實現(xiàn)加工操作，其行為是可預(yù)見的，屬于典型的反應(yīng)式系統(tǒng)，將外部輸入的信息表示為FSM的輸人事件，將機床的加工操作表示為FSM的動作，因此，有限狀態(tài)機在開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)中占有重要的地位。

　　5 數(shù)控系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度

　　組件技術(shù)和有限狀態(tài)機是OMAC體系結(jié)構(gòu)所引入的技術(shù)，而任務(wù)調(diào)度是任何體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)都要面臨的問題。通常數(shù)控系統(tǒng)的操作任務(wù)包括管理和控制兩大部分。前者對系統(tǒng)實時性要求不高，后者就具有強實時性的要求。早期的計算機數(shù)控系統(tǒng)中，缺少全面的任務(wù)調(diào)度機制，對任務(wù)執(zhí)行的控制通常采用前后臺結(jié)構(gòu)或多重中斷結(jié)構(gòu)，而前后臺結(jié)構(gòu)的缺點是程序運行時資源不能合理協(xié)調(diào);多重中斷帶來的問題是對硬件要求高，模塊的動態(tài)調(diào)度性較差。為了解決上述問題，目前的研究方向是采用實時系統(tǒng)調(diào)度模式對數(shù)控任務(wù)的運行進(jìn)行統(tǒng)一管理。這樣可以使系統(tǒng)運行過程中任務(wù)相互協(xié)調(diào)，提高資源利用率，且易于功能擴展，是一種理想的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方式

　　加工模型的開放性

　　在開放式數(shù)控系統(tǒng)開放性三大發(fā)展趨勢中，加工模型的開放性占有十分重要的地位。目前，絕大多數(shù)商用數(shù)控系統(tǒng)加工所采用的數(shù)控程序都是基于國際標(biāo)準(zhǔn)IS06983的，它的特點是針對刀具和機床坐標(biāo)軸進(jìn)行編程，將以特征表示的零件高層信息處理成以點、線表示的底層幾何信息。但采用這種方式，一方面會造成復(fù)雜曲線曲面加工精度和制造效率的降低，不利于先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)對高速高精加工的技術(shù)追求;另一方面，G代碼無法保存許多與零件設(shè)計、加工制造相關(guān)的原始信息，不利于現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)自動化、柔性化和集成化生成的目標(biāo)。由此，產(chǎn)生了復(fù)雜樣條曲線曲面直接插補技術(shù)，直至STEP-NC技術(shù)的誕生。

　　1 復(fù)雜樣條曲線曲面直接插補

　　早期對數(shù)控系統(tǒng)樣條曲線直接插補的研究是基于對傳統(tǒng)CNC插補算法的不足而開展的。傳統(tǒng)CNC插補能力的不足主要體現(xiàn)為在加工復(fù)雜曲面零件時，從CAM軟件中將刀具路徑轉(zhuǎn)化到CNC系統(tǒng)中，會造成復(fù)雜曲線曲面加工精度和制造效率的降低，這是因為傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)只支持直線和圓弧直接插補，在加工復(fù)雜曲線曲面時，CAM軟件不得不將復(fù)雜曲線離散成小直線段，正是這些小直線段造成了加工精度(離散后必然造成精度降低)和加工效率(每個小直線段都要加減速控制)的降低。而如果采用復(fù)雜曲線(如NURBS)直接插補算法，由于NURBS的特性，上述問題都可以得到圓滿的解決。目前樣條曲線插補的難點主要集中在五坐標(biāo)樣條曲線插補上，主要技術(shù)難點是用什么樣的樣條曲線來表示刀具姿態(tài)。

　　2 STEP-NC

　　1991年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)頒布的工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for Exchange of Product model data，STEP)，利用STEP體系結(jié)構(gòu)的可擴展性，將其擴展到制造領(lǐng)域，提出了STEP-NC(STEP-Compliant Data Interface for Numeric Controls)的概念和相關(guān)數(shù)據(jù)模型。STEP-NC數(shù)控程序與傳統(tǒng)數(shù)控程序之間的主要區(qū)別是前者一般只提供了產(chǎn)生刀具路徑所需的信息，而不直接提供刀具路徑。因此，基于STEP-NC的數(shù)控系統(tǒng)的難點在于除了要求數(shù)控系統(tǒng)能夠解釋STEP-NC程序之外，更重要的是要求數(shù)控系統(tǒng)要具有生成刀具路徑的能力。

　　從以上分析可以看出，數(shù)控系統(tǒng)NURBS直接插補算法與STEP-NC有著天然的聯(lián)系。筆者認(rèn)為，在加工模型的開放性方面，國內(nèi)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究應(yīng)分以下步驟進(jìn)行：第一步，全面穩(wěn)定地支持國際標(biāo)準(zhǔn)IS06983(這步已經(jīng)實現(xiàn));第二步，使數(shù)控系統(tǒng)全面地支持以NURBS為代表的樣條曲線、曲面插補(這部分的研究在五坐標(biāo)、曲面插補上還不夠成熟);第三步，研究并擴充STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，最終研制出全面支持STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　總體上說，未來數(shù)控系統(tǒng)的運行模式應(yīng)該是在對STEP-NC數(shù)控程序分析后，直接用NURBS曲線、曲面插補的方式完成加工。

　　硬件實施平臺的開放性

　　1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

　　國內(nèi)對開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件實施平臺研究的發(fā)展軌跡，大致經(jīng)歷了基于運動控制卡、基于嵌入式開發(fā)平臺和基于通用PC(純軟件數(shù)控系統(tǒng))這3階段發(fā)展歷程。

　　國內(nèi)早期就開始應(yīng)用，并且現(xiàn)在比較成熟的、針對特殊需求的開放式數(shù)控系統(tǒng)即是所謂的“NC嵌入PC型”。其開放性是通過調(diào)用嵌入到PC中的NC的控制器功能函數(shù)實現(xiàn)的。這種系統(tǒng)的開放性受到嵌入NC開放性限制。但是由于目前如PMAC卡等相關(guān)的嵌入式NC產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)在搭建具有特殊需求(通常是專用機)的數(shù)控系統(tǒng)時，通常選用這種方式。

　　從公開的報道看，國內(nèi)比較成熟的數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，如廣州數(shù)控和大連光洋的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，都是在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)并實現(xiàn)的。而對這種基于嵌入式環(huán)境的數(shù)控系統(tǒng)的開放性研究，國內(nèi)還只是停留在高校和研究機構(gòu)進(jìn)行研究的階段。

　　2 現(xiàn)場總線

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件實施平臺構(gòu)建中，現(xiàn)場總線的選擇是不可忽視的。因為開放式數(shù)控系統(tǒng)通常要求以現(xiàn)場總線作為數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動之間的接口。而國內(nèi)在現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定、成熟的數(shù)字伺服驅(qū)動產(chǎn)品方面，都落后于國外數(shù)控系統(tǒng)廠家。國產(chǎn)數(shù)控裝置與伺服驅(qū)動之間的接口仍然采用“脈沖量或模擬量接口”標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足高速高精數(shù)控系統(tǒng)的通信要求。因而，現(xiàn)場總線技術(shù)的落后，嚴(yán)重制約了我國開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。

　　從目前國內(nèi)對現(xiàn)場總線的研究上看，現(xiàn)場總線協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的制定比較適合中國國情的方向是將以太網(wǎng)引入數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線。這是因為以太網(wǎng)的傳輸速率要優(yōu)于國外成熟現(xiàn)場總線CAN和PROFIBUS等，同時，能夠使我國在缺少硬件方面核心技術(shù)的情況下，在盡可能短的時間內(nèi)，采用通用電子器件，打破國外對我國在現(xiàn)場總線方面的技術(shù)封鎖。另外一種比較先進(jìn)的技術(shù)是SERCOS接口技術(shù)，SERCOS是用于數(shù)字控制器與數(shù)字驅(qū)動器之間的高速串行總線接口和數(shù)字交換協(xié)議。開發(fā)者在掌握了SoftSERCANS提供的DLL函數(shù)以及相關(guān)的參數(shù)設(shè)置后，就可以很方便地實現(xiàn)控制器和驅(qū)動器的實時數(shù)據(jù)交換。

　　國內(nèi)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究成果

　　從目前公開報道的資料上看，國內(nèi)幾家大學(xué)和研究單位都進(jìn)行了開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究。山東大學(xué)對開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究涉及的領(lǐng)域比較全面，包括體系結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場總線和STEP-NC等。建立了Agent型的STEP-NC控制器的框架結(jié)構(gòu)，并以美國STEP TOOLS公司的底層軟件ST-Developer為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了一個銑削程序的解釋器，并對現(xiàn)場工藝規(guī)劃模型、數(shù)控加工數(shù)據(jù)庫和簡單特征的仿真系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。華中科技大學(xué)在這方面的研究比較深入，在開放式實時系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口技術(shù)等方面，深入到了數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的底層核心、最前沿領(lǐng)域;在基于軟件芯片的開放式數(shù)控系統(tǒng)方面比較有特色，把數(shù)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行抽象并進(jìn)行封裝，將數(shù)控軟件設(shè)計成具有通用接口可以重用的軟件芯片，每1個軟件芯片完成數(shù)控系統(tǒng)的1個獨立模塊的功能;并通過建立數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片集成開發(fā)環(huán)境對軟件芯片進(jìn)行管理，用戶可以對軟件芯片庫進(jìn)行檢索以及維護(hù)，還可以添加自己制作的軟件芯片。北京航空航天大學(xué)提出了基于RT-Linux的開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念。并在RT-Linux的系統(tǒng)平臺上，實現(xiàn)了基于組件的開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)以任務(wù)模塊作為系統(tǒng)功能單元，以虛擬模塊系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能單元間的信息交換與同步，支持系統(tǒng)在啟動時重構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的良好開放性。

　　圖2 開放式運動控制器的模塊化結(jié)構(gòu)

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的特點，利用Windows、RTX、工業(yè)PC機和SoftSERCANS通訊卡作為軟件開發(fā)平臺，現(xiàn)場總線接口采用SERCOS標(biāo)準(zhǔn)，采用層級式有限狀態(tài)機模型作為系統(tǒng)的動態(tài)行為模型，開發(fā)了一套運動控制器軟件系統(tǒng)，該控制器架構(gòu)如圖2所示。并利用該軟件系統(tǒng)配置了2臺數(shù)控銑床樣機(分別為三坐標(biāo)和五坐標(biāo)，其中五坐標(biāo)機床樣機如圖3所示)，在這2臺工業(yè)樣機上進(jìn)行STEP-NC和多坐標(biāo)樣條曲線直接插補的研究工作，并完成了一系列加工試驗。

　　國內(nèi)開放式數(shù)控技術(shù)經(jīng)過十余年的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，但還沒有達(dá)到成熟產(chǎn)品化的程度。從軟件的開放性看，國內(nèi)應(yīng)該加大對實時操作系統(tǒng)的研究，爭取盡早研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、穩(wěn)定的實時操作系統(tǒng)，為數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)提供良好穩(wěn)定的平臺;在加工數(shù)據(jù)模型的開放性方面，國內(nèi)應(yīng)該進(jìn)一步完善復(fù)雜曲線曲面直接插補技術(shù)和STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的研究，爭取最終達(dá)到全面兼容STEP-NC，并直接用樣條曲線進(jìn)行插補的目標(biāo);在硬件實施平臺的開放性方面，主要是盡快制定一套現(xiàn)場總線的統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并盡快形成產(chǎn)品，彌補我國在現(xiàn)場總線應(yīng)用方面的不足。

　　結(jié)束語

　　回顧國內(nèi)這十幾年艱辛的研究歷程，確實取得了一定的研究成果，但也留下一些遺憾和對現(xiàn)實的反思。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)基礎(chǔ)平臺——包括操作系統(tǒng)Windows和實時內(nèi)核軟件RTX，目前國內(nèi)都沒有相關(guān)成熟的替代產(chǎn)品，雖然數(shù)控系統(tǒng)軟件本身擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，可其運行平臺卻不得不依賴國外的產(chǎn)品;下一代數(shù)控編程接口標(biāo)準(zhǔn)——STEP-NC，以及驅(qū)動器現(xiàn)場總線的接口協(xié)議——SERCOS，這2項標(biāo)準(zhǔn)的制定都和中國無關(guān);與數(shù)控技術(shù)相關(guān)的外圍技術(shù)和產(chǎn)品，包括高速電主軸、直線電機、與數(shù)控系統(tǒng)配套的CAD/CAM軟件等，無論在哪一個領(lǐng)域，國內(nèi)都沒有可以和國際廠商水平相當(dāng)?shù)墓净蚱髽I(yè)。國內(nèi)開放式數(shù)控系統(tǒng)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究，核心技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、理論應(yīng)用研究滯后、產(chǎn)業(yè)化成果匱乏，總之，國內(nèi)開放式數(shù)控技術(shù)的發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)及開放式數(shù)控機床的研究是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)“帶有變革性”的重大發(fā)展方向，因為開放計劃的實施，把世界上所有的系統(tǒng)開發(fā)商都推到了同一起跑線。因此我們應(yīng)該抓住機遇，堅持走數(shù)控系統(tǒng)開放化的技術(shù)路線，跟蹤掌握數(shù)控技術(shù)的最新進(jìn)展，解決其中的關(guān)鍵技術(shù)，為新一代國產(chǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研制打下堅實的基礎(chǔ)。歷史多次證明，發(fā)展中國家要想趕超發(fā)達(dá)國家，應(yīng)該不斷加強基礎(chǔ)研究，只有擁有堅實的基礎(chǔ)，創(chuàng)造性的成果才能應(yīng)運而生。隨著中國經(jīng)濟實力的提升，國家應(yīng)該大力支持基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究，國產(chǎn)數(shù)控機床必將擁有光輝的明天。