1 数控系统开放的概念及途径

1. 概念

1. 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。
2. 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。
3. 档次皆宜性。CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。
4. 可互补性。指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。

1. 开放途径

1. 开放人机控制接口。
   这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接口(Man-Machine Interface,MMI)中。这一手段为用户提供灵活制定适用于各自特殊要求的操作界面和操作步骤的途径，一般使用于基于PC作为图形化人机控制界面的系统中。
2. 开放系统核心接口。此方式除了提供上述方式的开放性能外，还允许用户添加自己特殊的模块到控制核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可按照一定的规范将自己特有的控制软件模块加到系统预先留出的内核接口上。
3. 开放体系结构

开放体系结构的解决方案是一种更彻底的开放方案。它试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。人们可以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，按需配置成功能可繁简、性能可高低、价格可控制、不依赖于单一卖方的总成系统。

     控制系统的开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业的一大支柱。因此，欧美及日本各国都相继进行了大量研究工作，并出台了各自的开放式体系结构规范。
 
     1989年，美国由政府资助的NGC(Next Generation Controller)研究计划，作为开放性结构控制器的标准提案受到了广泛关注。NGC与传统CNC的显著差别是它基于“开放体系结构”，其首要目标是开发“开放式系统体系结构标准规范”(Specification for an Open System Architecture Standard, SOSAS)，此规范用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。NGC计划于1994年完成了原型研究，并转入了工业开发应用。例如，美国Ford，GM和Chrylser等公司在NGC计划的指导下，联合提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)开发计划。该计划定义了一个应用于汽车工业的开放、模块化体系结构控制器的规范，其硬件继承了VME系列的VMS。尽管目前还不够完善，但由于“API的接口层”的标准化，使用户能够充分发挥自己的主动性，从而可装入自己所需的独特功能；甚至可以装入Windows OS，将CAM等现有的PC机资源移植到控制器中；同时，利用实时数据库，可以实现数据的高效、便携化，具有极高的实用价值。实现OMAC的好处在于能减少投资和生产周期的费用，容易将市场化的通用技术与用户自身的专有技术融为一体，从而能高效地重构用于新程序的控制器，使得不断涌现的新技术能及时植入。
 
      与NGC同步，日本一项面向21世纪制造产业的长期研究计划——智能制造系统(Intelligent Manufacturing System,IMS)也在讨论中，该项计划由日本工业界领导，同时，也与其他国家合作。1990年，日本IMS中心成立。1994年，历时10年的IMS计划日程表发表并开始启动，大部分计划都与先进制造系统与自动化相关，如多功能机床系统、敏捷制造系统、基于知识的人工智能表达式系统和智能监控系统等。这些计划对将来控制系统技术的发展将产生深远影响。同时，日本还启动了另一项开放系统计划——OSEC(Open System Environment for Controller)计划。其主要内容是基于PC平台的开放式系统，宗旨就在于确定“不依赖于特定卖主的开放性控制器”的结构。这一计划由3家机床企业(东芝机械、丰田工机、山崎)与3家信息系统开发企业(日本IBM、三菱电机、SML)发起，提出了控制器的分层模型，明确了各层次模块的功能、服务内容及接口规范。此外，还定义了一种新的NC语言——FADL语言。目前，该组织已经发展到由18家公司和一家社团共同参与的致力于推进CNC系统开放化的协会。
 
     面对国际市场的形势和制造业的发展趋势，欧洲采取的对策是：联合起来发挥各家的长处，积极吸收世界上各种新技术，开发满足世界市场尤其是亚洲市场的产品。要达到这一目的，首先要具有能容纳或联合各家技术的新型控制器。早在1987年11月，在德国机床厂联合会(VDW)的支持下，就曾由斯图加特大学的制造控制技术研究所(ISW)对“未来控制技术”进行了研究，提出的新型控制器方案的原则为：可组配、模块化和开放式。1991年10月，一项涉及欧洲各国的控制系统计划OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)开始启动，它是欧洲各国的合作计划，立足于提高机床和控制系统制造商在世界市场中的竞争力。项目工期从1992年5月到1996年5月，历时48个月。其主要任务是制定一个与制造商无关的开放控制系统结构。OSACA计划的成功将减少新产品的上市时间，提供更强的客户定制功能和柔性程度，减少了开发、维护、培训和文档建立的费用。

3 结束语

    采用开放式控制系统结构对数控系统的生产厂家和用户都有好处。对于控制系统生产厂家，他们可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现协作式开发，大大缩短了系统的开发周期，降低了成本，增强了产品竞争力；对于机床生产厂，不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，还可将自己独特的软件集成到系统控制器，形成自己的产品特色；最终用户可以说是开放式控制系统的最大受益者，他们可以最大限度地按照自己的需要选择产品，配备合适的功能部件，实现系统的集成和扩展，同时，开放也使系统的操作、维护更为方便。此外，控制器的结构开放性也为数控技术能持续不断地吸收日新月异的计算机硬软件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能，增强竞争力。这也正是开放式NC控制器之所以被各发达国家视为重要的战略技术、纷纷投入研究的重要原因。
 
     我国是一个机床生产和应用大国，但数控技术的应用水平还不高，严重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。首先，开放系统计划的实施，把世界上所有系统开发商推到了同一起跑线上。在这个起跑线上，我们可以建立以国际采购为思路的系统集成开发之路，为我国制造高性能、高可靠性CNC系统创造条件；其次，通过一致的编程应用界面，容易形成自己的集成方案，进一步减小对卖方市场的依赖性。此外，随着开放系统计划的实施，统一开发平台的建立，将来CNC系统的高技术附加值将主要体现在软件上，为我国发展民族软件产业创造了一个良好的契机。我们应充分把握机会，扬长避短，迎头赶上，研制出适合我国国情的新一代国产高性能CNC控制器。
作者姓名： 游有鹏 董伟杰 张晓峰 王珉
作者单位： 南京航空航天大学机电工程学院