李奉順 陸榮鑑 張建紅

摘要：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的軟件層對用戶封閉，硬件層則難以根據(jù)用戶的需求進行替換，且硬件的性能遠遠落后于目前的微電子技術(shù)。面對柔性生產(chǎn)概念的興起，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性，越來越難滿足不同用戶的需求，并且用戶不能對已購買的數(shù)控系統(tǒng)進行個性化的升級與改造。而開放式的數(shù)控系統(tǒng)具有可移植性強，可針對不同應用場景進行定制，具有較高的通用性以及可靠性等優(yōu)點，并且可以將人工智能、網(wǎng)絡通信技術(shù)等新興技術(shù)不斷添加到數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的個性化、模塊化、智能化，是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng);數(shù)控系統(tǒng);寶元控制器;運動控制器

中圖分類號：TG659?文獻標識碼：A?文章編號：1004-9436（2020）19-00-04

0 引言

1952年麻省理工學院研發(fā)了第一臺真正意義上的三軸NC（Numerical Control，即數(shù)字控制）機床，自此數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展并運用到了幾乎所有的工業(yè)制造行業(yè)中。隨著裝備業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床的應用也越來越多[1]。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)主要分為軟件層與硬件層，其核心部分在于軟件層，包括人機交互控制、數(shù)控功能控制、實時控制等方面[2]。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的軟件層對用戶封閉，用戶只能操作數(shù)控系統(tǒng)，硬件層則難以根據(jù)用戶需求進行替換，當發(fā)生故障時只能找專人維修，且硬件的性能遠遠落后于目前的微電子技術(shù)，用戶與制造商無法將自己所在行業(yè)的特殊加工經(jīng)驗融入數(shù)控系統(tǒng)中。面對柔性制造概念的興起與制造業(yè)環(huán)境的日益復雜[3]，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性，越來越難滿足不同用戶的需求，而且難以對原有的數(shù)控系統(tǒng)進行升級改造[4]。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開放式數(shù)控系統(tǒng)提出于20世紀80年代末，影響較為深遠的開放式數(shù)控系統(tǒng)項目有日本的OSEC（Open System Environment for Controller，即控制器開放系統(tǒng)環(huán)境）項目，歐洲的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation，即自動化控制中開放式體系結(jié)構(gòu)）項目、美國的OMAC（Open Modular Architecture Controllers，即開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器）項目[5]。日本的OSEC計劃的目的在于建立一個全球范圍內(nèi)通用的工廠自動化控制設備標準，由日本東芝、Mazak公司與豐田三家公司組建，其基本構(gòu)成為PC（個人計算機）+運動控制卡型開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。歐洲的OSACA項目由歐盟內(nèi)的相關(guān)控制器廠商共同開發(fā)，其提出了“分層系統(tǒng)平臺+結(jié)構(gòu)化功能單元”體系，提高了數(shù)控系統(tǒng)的開放性與可移植性。美國的OMAC項目則是由美國通用汽車公司（GM）、克萊斯勒汽車公司（Chrysler）以及福特汽車公司（Ford）共同提出，其目標在于針對不同用戶對運動控制器的需求開發(fā)出相應的API（Application Programming Interface，即應用程序接口）。

相比于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉、不能適應各種場景、升級改造困難等缺陷，開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可移植性強，可針對不同應用場景進行定制，具有較高的通用性等優(yōu)點，并且可以將新的技術(shù)如人工智能、網(wǎng)絡技術(shù)、視覺技術(shù)[6]等不斷添加到數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的個性化、模塊化、智能化[7]。目前常見的開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架有三種，分別是PC+運動控制卡型、PC嵌入NC型以及全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)[8]。

1.1 PC+運動控制卡型開放式數(shù)控系統(tǒng)

PC+運動控制卡型構(gòu)架的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，PC端主要處理一些實時性不高的任務，如人機交互界面與數(shù)控代碼的讀入與編譯、誤差分析、粗插補與機床或機器人的運動補償?shù)裙ぷ?。而運動控制卡端則主要負責實時性較高的任務，如精插補、各運動軸的控制、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。其?yōu)點在于開放性良好，用戶擁有較高的權(quán)限，可以根據(jù)自己的需求定制不同的數(shù)控產(chǎn)品。如文獻[3]是基于PC+運動控制卡的結(jié)構(gòu)設計的一種五軸數(shù)控磨床，其結(jié)構(gòu)包括上位機模塊、下位機模塊與運動軸的伺服控制模塊，采用PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大縮短了專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約了時間與經(jīng)濟成本。

1.2 PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)

PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)則是在CNC（計算機數(shù)字化控制）中嵌入PC模塊，由于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性強，難以為不同的用戶提供個性化的解決方案，面對呼聲漸高的數(shù)控系統(tǒng)開放化，部分傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)制造商開發(fā)了這種在CNC系統(tǒng)中嵌入PC模塊的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是數(shù)控系統(tǒng)的核心控制部分仍然不對用戶開放，其原因在于數(shù)控系統(tǒng)的制造商認為數(shù)控系統(tǒng)最重要的部分是其可靠性，PC或無法滿足其可靠性要求。但是相較于傳統(tǒng)的全封閉型數(shù)控系統(tǒng)，該種類型的開放式數(shù)控系統(tǒng)可以針對不同的用戶需求改進人機交互界面等不涉及實時控制的部分，如FANUC公司、德國西門子股份公司（SIEMENS）等都采用該種方法提高其數(shù)控系統(tǒng)的開放度。

1.3 全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)

全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)則是利用了如Windows NT/Linux等實時操作系統(tǒng)，在PC環(huán)境下運行開放式數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)相對簡單且能夠充分利用PC的性能，處于低層的I/O接口或伺服接口不需要額外的控制器。全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)控制系統(tǒng)的PC化，貼近普通用戶的使用習慣且可靠性較高，目前越來越多的開放式數(shù)控系統(tǒng)朝著這個方向發(fā)展。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)特點

開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點包括其可移植性、可互換性、可擴展性等方面[9]，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不同的是，開放式數(shù)控系統(tǒng)通常采用目前流行的通信接口，可以在不同的平臺上運行，不同平臺間開放式數(shù)控系統(tǒng)的差別僅與平臺性能相關(guān)，體現(xiàn)了其可移植性的優(yōu)勢。并且在開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架中，不同的功能模塊可以相互替換，不會影響到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，用戶能夠根據(jù)自己的應用或生產(chǎn)要求采用性能、可靠性、功能有所差異的模塊完成開放式數(shù)控系統(tǒng)的搭建。而隨著柔性生產(chǎn)概念的興起，企業(yè)為縮減生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)周期，常常需要定制個性化的生產(chǎn)解決方案，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部功能模塊無法更改，不能滿足用戶的不同需求，采用開放式數(shù)控系統(tǒng)則可以針對不同的應用場景選擇不同的功能模塊搭建個性化的產(chǎn)品。

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

針對越來越復雜的加工要求，開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢向著多坐標與多通道控制、高速高精度加工、復雜形狀加工與五軸加工、智能化、安全化、環(huán)保化的方向發(fā)展[10-11]。

3.1 多坐標多通道化

以PMAC運動控制器為例，PMAC運動控制器是美國Delta Tau Data System公司以OMAC項目為基礎所開發(fā)的多軸運動控制器，為實現(xiàn)高速實時性的計算，采用了MOTOROLA 56系列的DSP處理器，但是其處理速度仍與現(xiàn)代計算機芯片有所差距，主頻的變化范圍為20～240MHz，PMAC運動控制器最高可以在16個坐標系下控制32個運動軸[12]。

3.2 高速高精度加工

為提高零部件的加工質(zhì)量，需要不斷地提高數(shù)控控制器的加工精度，目前越來越多的開放式數(shù)控系統(tǒng)都提供了提高加工質(zhì)量的措施，如加工的前饋控制、加工速度前瞻、軌跡規(guī)劃[13]、加減速曲線控制、NURBS曲線插補功能等，下面以NURBS曲線插補為例說明數(shù)控系統(tǒng)的高精度加工發(fā)展方向。

NURBS曲線全稱為非均勻有理B樣條曲線，其本質(zhì)為參數(shù)曲線，僅需極少的控制參數(shù)如控制點、權(quán)重等就可以得到平滑的曲線。在數(shù)控加工領域中，復雜的曲線曲面通常被離散為一系列的位置點，但是離散后的數(shù)據(jù)量龐大，給數(shù)控系統(tǒng)的存儲讀取、傳輸以及后續(xù)的運動速度控制帶來了極大的不便[14]，并且這種加工方式將降低工件的表面質(zhì)量與精度，而NURBS曲線則可以克服上述問題，與線性插補相比，NURBS曲線插補后的刀位文件只占線性插補的1/10，并且由于NURBS曲線插補光滑，所以能夠提高數(shù)控系統(tǒng)的加工速度。NURBS曲線插補技術(shù)也因為上述優(yōu)點成為了數(shù)控系統(tǒng)高速高精度加工領域中的研究熱點。

3.3 復雜形狀與五軸聯(lián)動加工

在數(shù)控加工領域中，當待加工的零部件較為復雜時，傳統(tǒng)的三軸加工方式需要進行多次裝夾才能完成加工，這樣將極大地降低加工精度，因此五軸數(shù)控技術(shù)是高端制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)三軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)中，各軸均為平動，數(shù)控系統(tǒng)在對空間點進行插補運算操作時沒有非線性誤差;而在五軸聯(lián)動加工時，由于增加了兩個旋轉(zhuǎn)軸，系統(tǒng)在進行數(shù)控插補操作時因旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的合成而產(chǎn)生非線性誤差[15]，如何補償多軸聯(lián)動中產(chǎn)生的非線性誤差也成為了當前數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點。

3.4 智能化、安全化、環(huán)?；?/p>

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展壯大，其逐漸被應用于開放式數(shù)控系統(tǒng)中，我國的數(shù)控技術(shù)長期受制于國外，人工智能技術(shù)給我國的制造業(yè)發(fā)展帶來了新的機遇、開辟了新的道路。為了將智能化技術(shù)融入數(shù)控系統(tǒng)中，需要提升數(shù)控系統(tǒng)的對外感知能力與對加工參數(shù)的動態(tài)調(diào)整能力來提高數(shù)控系統(tǒng)的加工質(zhì)量。如采用改進MFAC（自適應模型控制）算法實現(xiàn)了對數(shù)控機床中伺服電機的自適應控制，獲得了良好的加工性能[16];利用BP（Back Propagation，即反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡預測機床的熱誤差，提高了數(shù)控系統(tǒng)的加工精度[17]。

4 研華寶元控制系統(tǒng)器介紹

研華寶元控制器R8800是一個以核心資源為中心的多功能控制器，其核心功能通過檢查核心資源的內(nèi)容來決定IO于軸的動作，用戶通過調(diào)用其通信庫函數(shù)來對系統(tǒng)進行控制。其控制結(jié)構(gòu)包括上層應用程序?qū)印旌瘮?shù)層、通信函數(shù)層與底層控制層。

R8800基于EtherCat（實時以太網(wǎng)）數(shù)字通信技術(shù)控制伺服控制模塊與I/O模塊，其內(nèi)部包含了六關(guān)節(jié)機器人算法，并且具備了RTCP（刀尖點跟隨）功能，為用戶提供了豐富的接口，用戶可以根據(jù)自己的需求對控制器進行改造升級，可以滿足各個行業(yè)的應用需求。

5 結(jié)語

文章討論了目前傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺陷以及目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史以及其常見的組成結(jié)構(gòu)，對PC+運動控制卡型開放式數(shù)控系統(tǒng)、PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)、全基于軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)進行了簡略分析，對開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點與未來的發(fā)展趨勢作出了分析，可以看出未來開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是面向復雜加工且越來越智能化，最后簡單介紹了研華寶元的開放式運動控制系統(tǒng)。我國開展數(shù)控系統(tǒng)的研究相較于其他發(fā)達國家來說較晚，核心控制技術(shù)落后于發(fā)達國家，開放式數(shù)控系統(tǒng)更加貼近我國的發(fā)展現(xiàn)狀，并且可以結(jié)合新興的技術(shù)不斷升級改造，研究開放式數(shù)控系統(tǒng)有助于縮短我國與其他國家相關(guān)技術(shù)的差距。

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作者簡介：李奉順（1996—），男，四川成都人，碩士研究生，主要從事機電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)研究。

陸榮鑑（1964—），男，江蘇泰州人，研究生，碩士，講師，系本文通訊作者，主要從事機電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)研究。