數控技術正以前所未有的深度和廣度深刻影響著廣泛的制造業領域的發展方向，正在給制造業帶來革命性的變化。而數控技術的核心是數控系統，數控系統的發展方向在很大程度上決定著數控技術的發展方向。隨著數控技術的不斷發展，傳統數控系統由于其采用專用的、封閉式的體系結構，已不能適應當今制造業市場變化與競爭，也不能滿足現代制造業向信息化、敏捷制造模式發展的需要。這就迫切需要開發具有開放性、性能穩定、價格低廉的新型數控系統。

當今，隨著計算機技術的高速發展，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性。為適應數控進線、聯網、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數控迅速發展的要求，最重要的就是體系結構的開放化，設計生產開放式的數控系統。

開放式數控系統的概念

數控系統的開放性體系結構數控系統的開放性概念出現在80年代末90年代初，是歐美各國為了適應機床制造業在技術、市場和生產組織結構等多方面的新的變化而提出的，其目的是建立一種嶄新的控制系統設計框架，使系統朝模塊化、平臺化、標準化和系列化方向發展，在聯合的前提下提高產品的競爭能力。

在關于開放式體系結構的定義，按IEEE 定義，一個開放式控制系統應提供這樣的能力:來自不同賣主的種種平臺上運行的應用都能夠在系統上完全實現，并能和其他系統應用互操作，且具有一致性的用戶界面。

開放式的數控系統是指PC-NC，是在加工機械專用的CNC中也將引入PC所具有的開放化。

系統組成內部的開放化

系統組成各部分之間的開放化

關于以上開放性的概念可從兩個方面進行理解:一是時間的開放性，二是空間的開放性。時間的開放性是針對軟硬件平臺及其規范而言的，以保證平臺具有適應新技術的發展，并能夠接受新的設備的能力。時間的開放性又有可擴展和可移植性兩個方面。空間的開放性是針對系統接口及其規范化而言的，它又可分為互操作性和互換性。

開放式數控系統的特征

開放式數控系統的特點

由上述定義可知，開放式數控系統是一個模塊化的體系結構，由系統平臺和面向應用的功能模塊所構成，既有接口的開放性，又有自身功能的開放性，其具有以下基本特征[3]:

可互操作性

擁有標準化接口，通信和交互模型。通過提供標準化接口通訊和交互機制，使不同功能模塊能以標準的應用程序接口運行于系統平臺上，并獲得平等的相互操作能力，協調工作;

可移植性

不同應用程序模塊可運行于不同生產商提供的系統平臺，同時系統軟件也可運行于不同特性的硬件平臺之上。不同的系統功能模塊能運行在不同的系統平臺之上，因此，系統的功能軟件應與設備無關，即應用統一的數據格式、控制機制，并且通過一致的設備接口，使各功能模塊能運行于不同的硬件平臺上;

可擴展性

提供標準化環境的基礎平臺，允許不同功能的模塊介入，CNC用戶或二次開發者能有效地將自己的軟件集成到NC系統中，形成自己的專用系統，其特征是通過特定功能模塊的裝載和卸載為用戶系統增添和減少功能;

可互換性

不同性能、不同執行能力的功能模塊互相代替。構成系統的各硬件、功能軟件的選用不受單一供應商的控制，可根據功能、可靠性、性能要求相互替換，不影響系統整體的協調運行;

可伸縮性

CNC系統的功能、規模可以靈活設置，方便修改。控制系統的大小(硬件或元件模塊)可根據具體應用增減。

開放式數控系統的優勢

由此可以看出開放式數控系統構建于一個開放的平臺上，具有模塊化結構，允許用戶根據需要進行選配與集成，迅速適應不同的應用需求，與傳統的封閉式專用數控系統相比經，具有以下優點: #p#分頁標題#e#

具有強大的適應性和靈活配置能力，能適應多種設備，靈活配置與集成;

控制軟件具有及時擴展和聯接功能，可順應新技術的發展，加入各種新功能。可通過預留插入用戶專用軟件的接口的方式或提供用戶API和編程規范，供用戶編制自己的專用模塊的方式，簡便地實現系統的擴展;

能適應計算機技術和信息技術的快速發展和更新換代，能有效保護用戶原有投資;

操作簡單，維護方便。在PC機上經簡單編程即可實現運動控制，而不需要專門的數控軟件;

遵循統一的標準體系結構規范，模塊之間具有兼容性、互換性和互操作性;

技術更新，功能更加強大，可以實現多種運動軌跡的控制，是傳統數控裝置的換代產品;

結構形式模塊化，可以方便地相互組合，建立適用不同場合、不同功能需求的控制系統，可明顯縮短新產品的研制開發周期，用戶可以根據自己需要開發自己的功能模塊;

將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結合在一起，信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好。

基于PC的開放式數控系統

基于PC的開放式數控系統的類型

基于PC的開放式數控系統能充分地利用計算機的軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編制程序，用戶可將標準化的外設、應用軟件進行靈活地組合和使用。使用計算機同時也便于實現網絡化。基于PC的開放式數控系統大致可分為以下幾種類型[1，2]。

PC嵌入型NC

該類型系統是將PC裝入到NC內部，PC與NC之間用專用的總線連接。系統數據傳輸快，響應迅速，同時，原型NC系統也可不加修改就得以利用。缺點是不能直接利用通用PC，開放性受到限制，通用PC強大的功能和豐富的軟硬件資源不能得到有效的利用。這種數控系統盡管具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統的數控系統，其體系結構還是不開放的。

NC嵌入PC型

該類型系統是將NC卡(運動控制卡)插入通用PC的擴展槽中組成的。它能夠充分地保證系統性能，軟件的通用性強，并且編程處理靈活。這是目前采用較多的一種結構形式，這種結構形式采用“PC+運動控制器”形式建造數控系統的硬件平臺，其中以工業PC為主控計算機，組件采用商用標準化模塊，總線采用PC總線形式，同時以多軸運動控制器作為系統從機，進而構成主從分布式的結構體系。

全軟件型NC

該類型系統是指CNC的全部功能均由PC實現，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅動等進行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。這種CNC裝置的主體是PC機，充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優化的操作系統，實現機床控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。軟件化數控系統把運動控制器以應用軟件的形式實現，除了支持數控上層軟件的用戶定制外，其更深入的開放性還體現在支持運動控制策略的用戶定制。同時，軟件數控系統更加向計算機技術靠攏，并力圖使數控技術成為先進制造上層應用的標準的設備驅動代理。這種結構形式的數控系統，其主要功能部件均表現為應用軟件的形式，這是實現形式上的一種技術變革。

NC嵌入PC型開放式數控系統的體系構成

PC-NC開放式數控系統的結構如圖1所示。

圖1 PC-NC模式開放式數控系統的結構

其構成如圖2所示。

圖2 PC-NC模式開放式數控系統的構成#p#分頁標題#e#

其硬件系統主要由工業控制計算機、運動控制卡、驅動及放大部件、交流伺服電機、位置檢測部件、接口控制電路等組成。其中，工業控制計算機為信息管理部分，運動控制卡為運動驅動與算法控制部分。軟件系統可采用在Windows2000操作系統下，以Visual Basic或Visual C++等為開發工具采用面向對象的編程方法，對開放式數控系統軟件進行開發，實現數控系統的基本功能。

此模式中運動控制卡主要承擔實時性任務，如伺服控制、路徑規劃、可編程邏輯控制;工業控制計算機主要完成系統管理、數控編程、數控仿真、圖形插補和人機界面處理、網絡功能等非實時任務。工業控制計算機的控制內核是整個數控系統的核心，它通過調用對應于運動控制卡中各種變量和功能的應用程序接口與運動控制卡交換信息，并負責整個系統的協調工作。

數控系統開放性技術關鍵

在經歷了引進和消化吸收兩個發展階段后，我國在數控技術領域取得了突破性的進展，已經實現了自行開發具有自己軟硬件版權的數控系統，同時數控系統的開放性研究工作也正在進行。數控系統要實現開放性結構，主要解決以下幾個關鍵性的問題:

制定一個開放式數控系統的制造協議,在系統的應用軟件、硬件和網絡功能方面形成一整套標準規范，規范系統的軟硬件界面和通訊協議，使得控制器制造商和機床生產廠能在制造協議的導航下進行有序的開發和生產，并在此基礎上實現廣泛的合作。

實現系統硬件的模塊化、標準化和系列化，并提高其可靠性和實時性。通過對系統 CPU 結構模式、通訊方式、運動控制和輔助控制等方面進行模塊化處理，按功能制作成功能模塊并實現標準化和系列化，且各模塊單元之間可利用已定義的標準化接口進行通訊。

構造一種獨立于硬件系統的軟件平臺。目前，為減少數控系統軟件對于硬件的依賴性，從根本上無法實現軟件的開放性，因此開發出一種獨立的軟件平臺是十分必要的。針對數控系統的實時性和多任務性,應構筑一種實時多任務軟件平臺,并使其基本功能模塊化典型化,使各個功能模塊實現統一調度和相互獨立,這樣為不同硬件結構的數控系統提供軟件時,只需按其功能配置相應的軟件模塊，實現軟件的獨立性和開放性。由于每個功能模塊不會對其它功能模塊產生影響，因此，用戶可按需要編制新的功能模塊，添加到系統中,亦可取代系統中現有的功能模塊,使得系統具有良好的功能擴展性。

開發出一個優化系統軟件，把各種優化技術集成在軟件包中。利用該軟件來優化配置系統加工參數，使加工過程最優化。分析比較多種智能模塊技術，選擇出一種重構產品最優控制模塊，完成系統的第二次開發。

結語

開放式數控系統是數控技術發展的必然趨勢，其給數控系統生產商、機床制造商以及用戶都帶來了很多好處。而基于PC的開放式數控系統具有較強靈活性，可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源和強大的技術優勢，有利于更完美地實現數控系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真等功能。模塊化的程序設計使系統的通用性、擴展性和可移植性大大增強，有利于系統的功能擴展。