計算機數控（CNC）系統作為制造形狀復雜、高質量、高精度產品所必備的基礎設備，已成為當今先進制造技術的一個重要組成部分。然而，現今市場上組成CNC系統（以FANUC，SIEMENS等為代表）的硬件模塊和軟件結構絕大多數是專用的、互不兼容的，系統各模塊間的交互方式、通信機制也各不相同，這就造成了不同廠家控制系統的相對獨立、彼此封閉。

隨著技術的進步，市場競爭的加劇，這種專用體系結構的數控系統越來越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系統間互連能力差，影響了系統的相互集成，風格不一的操作方式以及專用件的大量使用，不但使用戶培訓費用增加，還給數控設備用戶（NC系統的最終用戶）帶來很多不便；另一方面，系統的封閉性使它的擴充和修改極為有限，造成數控設備制造商（NC系統中間用戶）對系統供應商的依賴，并難以將自己的專門技術、工藝經驗集成入控制系統并形成自己的產品特點，這將不利于提高主機產品的競爭力。此外，專用的硬、軟件結構也限制了系統本身的持續開發，使系統的開發投資大、周期長、風險高、更新換代慢，不利于數控產品的技術進步。總之，數控系統的這一現狀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。

1 數控系統開放的概念及途徑

概念

研究開放式數控系統的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統之間的矛盾，從而建立一個統一的可重構的系統平臺，增強數控系統的柔性。通俗地講，開放的目的就是使NC控制器與當今的PC機類似，系統構筑于一個開放的平臺之上，具有模塊化組織結構，允許用戶根據需要進行選配和集成，更改或擴展系統的功能迅速適應不同的應用需求，而且，組成系統的各功能模塊可以來源于不同的部件供應商并相互兼容。

事實上，基于上述指導思想的開放式數控系統也符合IEEE關于開放式系統的定義：能夠在多種平臺上運行，可以和其他系統互操作，并能給用戶提供一種統一風格的交互方式。根據這一定義，開放式數控系統應具有以下基本特征：

可互操作性。通過提供標準化接口、通信和交互機制，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之上，并獲得平等的相互操作能力，協調工作。

可移植性。系統的功能軟件與設備無關，即應用統一的數據格式、交互模型、控制機理，使構成系統的各功能模塊可來源于不同的開發商，并且通過一致的設備接口，使各功能模塊能運行于不同供應商提供的硬件平臺之上。

檔次皆宜性。CNC系統的功能、規模可以靈活設置，方便修改，既可以增加硬件或軟件構成功能更強的系統，也可以裁減其功能以適應低端應用。

可互補性。指構成系統的各硬件模塊、功能軟件的選用不受單一供應商的控制，可根據其功能、可靠性及性能要求相互替換，而不影響系統整體的協調運行。

開放途徑

如何使傳統的專用型封閉式系統走向開放，不同的系統開發商及研究機構對此提出了一些解決方案。按開放的層次不同可分3種途徑，它們的開放層次不同，難度不等，獲得的開放效果也相差很大。如圖1所示，虛線將控制系統劃分為人機控制（Man-Machine Control,MMC）層和控制內核層兩個層面。其中，控制內核是CNC系統完成實時加工過程調度和控制的核心部分，一般和系統實時性相聯系。3種方式就是基于對這兩個層面開放的不同處理來區分的。

圖1 控制系統的開放途徑

a, 開放人機控制接口。

這種方式允許開發商或用戶構造或集成自己的模塊到人機控制接口（Man-Machine Interface,MMI）中。這一手段為用戶提供靈活制定適用于各自特殊要求的操作界面和操作步驟的途徑，一般使用于基于PC作為圖形化人機控制界面的系統中。#p#分頁標題#e#

b, 開放系統核心接口。

此方式除了提供上述方式的開放性能外，還允許用戶添加自己特殊的模塊到控制核心模塊中。通過開放系統的核心接口，用戶可按照一定的規范將自己特有的控制軟件模塊加到系統預先留出的內核接口上。

c, 開放體系結構

開放體系結構的解決方案是一種更徹底的開放方案。它試圖提供從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內核的全方位開放。人們可以在開放體系結構的標準及一系列規范的指導下，按需配置成功能可繁簡、性能可高低、價格可控制、不依賴于單一賣方的總成系統。

從實現方法上，PC-NC（個人計算機數控）是目前比較現實的NC開放化的途徑。也就是在PC機硬件平臺和操作系統的基礎上，使用市售的軟件和硬件插卡，構造出數控系統功能。但是，現有PC的操作系統缺乏實時性，可靠性尚有待提高。PC-NC主要可歸納為3種：NC板插入到PC中、PC板插入NC裝置中、軟件NC。NC板插入PC中的形式，就是將運動控制板或整個CNC單元（包括集成的PLC）插入到個人計算機的擴展槽中。PC機作非實時處理，實時控制由CNC單元或運動控制板來承擔，這種方法能夠方便地實現人機界面的開放化和個性化，即上述第1層次的開放；在此基礎上，借助于所插入NC板的可編程能力，能部分實現系統核心接口的開放，即上述第2層次的開放。PC板插入NC中這一形式，主要為一些大型CNC控制器制造商所采用。其原因有兩方面：一是許多用戶對他們的產品很熟悉，也習慣使用；另一方面是控制器制造商不可能在短時間內放棄他們傳統的專用CNC技術。因此，才出現了這種折中方案，其做法就是在傳統的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC處理的柔性。顯然，這種系統的NC內核保持了原有的封閉性，故只能實現上述第1層次的開放。所謂軟件NC，是指NC系統的各項功能，如編譯、解釋、插補和PLC等，均由軟件模塊來實現。這類系統借助現有的操作系統平臺（如DOS，Windows等），在應用軟件（如Visual C＋＋，Visual Basic等）的支持下，通過對NC軟件的適當組織、劃分、規范和開發，可望實現上述各個層次的開放。

應該指出，將開放系統的概念引入CNC系統的發展需求中，表明系統走向開放的條件日趨成熟。然而，具有開放系統特征的開放體系結構CNC系統仍處在成長期，有關開放體系結構CNC系統科學、明確的定義及相應的規范標準尚處在進一步的發展完善中。

2 研究動態

控制系統的開放式結構的出現將導致新一代控制器的產生，并成為未來制造業的一大支柱。因此，歐美及日本各國都相繼進行了大量研究工作，并出臺了各自的開放式體系結構規范。

1989年，美國由政府資助的NGC（Next Generation Controller）研究計劃，作為開放性結構控制器的標準提案受到了廣泛關注。NGC與傳統CNC的顯著差別是它基于“開放體系結構”，其首要目標是開發“開放式系統體系結構標準規范”（Specification for an Open System Architecture Standard, SOSAS），此規范用來管理工作站和機床控制器的設計和結構組織。NGC計劃于1994年完成了原型研究，并轉入了工業開發應用。例如，美國Ford，GM和Chrylser等公司在NGC計劃的指導下，聯合提出了OMAC（Open Modular Architecture Controller）開發計劃。該計劃定義了一個應用于汽車工業的開放、模塊化體系結構控制器的規范，其硬件繼承了VME系列的VMS。盡管目前還不夠完善，但由于“API的接口層”的標準化，使用戶能夠充分發揮自己的主動性，從而可裝入自己所需的獨特功能；甚至可以裝入Windows OS，將CAM等現有的PC機資源移植到控制器中；同時，利用實時數據庫，可以實現數據的高效、便攜化，具有極高的實用價值。實現OMAC的好處在于能減少投資和生產周期的費用，容易將市場化的通用技術與用戶自身的專有技術融為一體，從而能高效地重構用于新程序的控制器，使得不斷涌現的新技術能及時植入。#p#分頁標題#e#

與NGC同步，日本一項面向21世紀制造產業的長期研究計劃——智能制造系統（Intelligent Manufacturing System,IMS）也在討論中，該項計劃由日本工業界領導，同時，也與其他國家合作。1990年，日本IMS中心成立。1994年，歷時10年的IMS計劃日程表發表并開始啟動，大部分計劃都與先進制造系統與自動化相關，如多功能機床系統、敏捷制造系統、基于知識的人工智能表達式系統和智能監控系統等。這些計劃對將來控制系統技術的發展將產生深遠影響。同時，日本還啟動了另一項開放系統計劃——OSEC（Open System Environment for Controller）計劃。其主要內容是基于PC平臺的開放式系統，宗旨就在于確定“不依賴于特定賣主的開放性控制器”的結構。這一計劃由3家機床企業（東芝機械、豐田工機、山崎）與3家信息系統開發企業（日本IBM、三菱電機、SML）發起，提出了控制器的分層模型，明確了各層次模塊的功能、服務內容及接口規范。此外，還定義了一種新的NC語言——FADL語言。目前，該組織已經發展到由18家公司和一家社團共同參與的致力于推進CNC系統開放化的協會。

面對國際市場的形勢和制造業的發展趨勢，歐洲采取的對策是：聯合起來發揮各家的長處，積極吸收世界上各種新技術，開發滿足世界市場尤其是亞洲市場的產品。要達到這一目的，首先要具有能容納或聯合各家技術的新型控制器。早在1987年11月，在德國機床廠聯合會（VDW）的支持下，就曾由斯圖加特大學的制造控制技術研究所（ISW）對“未來控制技術”進行了研究，提出的新型控制器方案的原則為：可組配、模塊化和開放式。1991年10月，一項涉及歐洲各國的控制系統計劃OSACA（Open System Architecture for Control within Automation System）開始啟動，它是歐洲各國的合作計劃，立足于提高機床和控制系統制造商在世界市場中的競爭力。項目工期從1992年5月到1996年5月，歷時48個月。其主要任務是制定一個與制造商無關的開放控制系統結構。OSACA計劃的成功將減少新產品的上市時間，提供更強的客戶定制功能和柔性程度，減少了開發、維護、培訓和文檔建立的費用。

3 結束語

采用開放式控制系統結構對數控系統的生產廠家和用戶都有好處。對于控制系統生產廠家，他們可在共同的標準平臺上建立廣泛的合作，實現協作式開發，大大縮短了系統的開發周期，降低了成本，增強了產品競爭力；對于機床生產廠，不僅可以根據需要配置最合適的控制系統，還可將自己獨特的軟件集成到系統控制器，形成自己的產品特色；最終用戶可以說是開放式控制系統的最大受益者，他們可以最大限度地按照自己的需要選擇產品，配備合適的功能部件，實現系統的集成和擴展，同時，開放也使系統的操作、維護更為方便。此外，控制器的結構開放性也為數控技術能持續不斷地吸收日新月異的計算機硬軟件最新成果創造了條件，有利于數控產品自身的更新換代，提高性能，增強競爭力。這也正是開放式NC控制器之所以被各發達國家視為重要的戰略技術、紛紛投入研究的重要原因。

我國是一個機床生產和應用大國，但數控技術的應用水平還不高，嚴重制約著我國制造業水平的提高。國際上的相關開發計劃對我國的數控技術的發展提出了嚴峻的挑戰，同時也帶來了機遇。首先，開放系統計劃的實施，把世界上所有系統開發商推到了同一起跑線上。在這個起跑線上，我們可以建立以國際采購為思路的系統集成開發之路，為我國制造高性能、高可靠性CNC系統創造條件；其次，通過一致的編程應用界面，容易形成自己的集成方案，進一步減小對賣方市場的依賴性。此外，隨著開放系統計劃的實施，統一開發平臺的建立，將來CNC系統的高技術附加值將主要體現在軟件上，為我國發展民族軟件產業創造了一個良好的契機。我們應充分把握機會，揚長避短，迎頭趕上，研制出適合我國國情的新一代國產高性能CNC控制器。#p#分頁標題#e#