隨著技術的進步，市場競爭的加劇，這種專用體系結構的數(shù)控系統(tǒng)越來越暴露出其固有的缺陷。一方面，各控制系統(tǒng)間互連能力差，影響了系統(tǒng)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(shù)控設備用戶(NC系統(tǒng)的最終用戶)帶來很多不便；另一方面，系統(tǒng)的封閉性使它的擴充和修改極為有限，造成數(shù)控設備制造商(NC系統(tǒng)中間用戶)對系統(tǒng)供應商的依賴，并難以將自己的專門技術、工藝經(jīng)驗集成入控制系統(tǒng)并形成自己的產(chǎn)品特點，這將不利于提高主機產(chǎn)品的競爭力。此外，專用的硬、軟件結構也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā)，使系統(tǒng)的開發(fā)投資大、周期長、風險高、更新?lián)Q代慢，不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術進步。總之，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應當今制造業(yè)市場變化與競爭，也不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需要。

　　計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)作為制造形狀復雜、高質(zhì)量、高精度產(chǎn)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(xiàn)今市場上組成CNC系統(tǒng)(以FANUC，SIEMENS等為代表)的硬件模塊和軟件結構絕大多數(shù)是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)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(tǒng)的相對獨立、彼此封閉。

　　1數(shù)控系統(tǒng)開放的概念及途徑

　　研究開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾，從而建立一個統(tǒng)一的可重構的系統(tǒng)平臺，增強數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)需要進行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應不同的應用需求，而且，組成系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)也符合IEEE關于開放式系統(tǒng)的定義：能夠在多種平臺上運行，可以和其他系統(tǒng)互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風格的交互方式。根據(jù)這一定義，開放式數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)平臺之上，并獲得平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。

　　可移植性。系統(tǒng)的功能軟件與設備無關，即應用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機理，使構成系統(tǒng)的各功能模塊可來源于不同的開發(fā)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(tǒng)的功能、規(guī)?？梢造`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(tǒng)，也可以裁減其功能以適應低端應用。

　　可互補性。指構成系統(tǒng)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(jù)其功能、可靠性及性能要求相互替換，而不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)運行。

　　開放途徑

　　如何使傳統(tǒng)的專用型封閉式系統(tǒng)走向開放，不同的系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)劃分為人機控制(Man-Machine Control,MMC)層和控制內(nèi)核層兩個層面。其中，控制內(nèi)核是CNC系統(tǒng)完成實時加工過程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實時性相聯(lián)系。3種方式就是基于對這兩個層面開放的不同處理來區(qū)分的。

　　a,開放人機控制接口。

　　這種方式允許開發(fā)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(tǒng)中。

　　b,開放系統(tǒng)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(tǒng)的核心接口，用戶可按照一定的規(guī)范將自己特有的控制軟件模塊加到系統(tǒng)預先留出的內(nèi)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(nèi)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(guī)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(tǒng)。

　從實現(xiàn)方法上，PC-NC(個人計算機數(shù)控)是目前比較現(xiàn)實的NC開放化的途徑。也就是在PC機硬件平臺和操作系統(tǒng)的基礎上，使用市售的軟件和硬件插卡，構造出數(shù)控系統(tǒng)功能。但是，現(xiàn)有PC的操作系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用CNC技術。因此，才出現(xiàn)了這種折中方案，其做法就是在傳統(tǒng)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(tǒng)的NC內(nèi)核保持了原有的封閉性，故只能實現(xiàn)上述第1層次的開放。所謂軟件NC，是指NC系統(tǒng)的各項功能，如編譯、解釋、插補和PLC等，均由軟件模塊來實現(xiàn)。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)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(guī)范和開發(fā)，可望實現(xiàn)上述各個層次的開放。

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

　　2研究動態(tài)

　　控制系統(tǒng)的開放式結構的出現(xiàn)將導致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為未來制造業(yè)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(guī)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(tǒng)CNC的顯著差別是它基于“開放體系結構”，其首要目標是開發(fā)“開放式系統(tǒng)體系結構標準規(guī)范”(Specification for an Open System Architecture Standard, SOSAS)，此規(guī)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(yè)開發(fā)應用。例如，美國Ford，GM和Chrylser等公司在NGC計劃的指導下，聯(lián)合提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)開發(fā)計劃。該計劃定義了一個應用于汽車工業(yè)的開放、模塊化體系結構控制器的規(guī)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(fā)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(xiàn)有的PC機資源移植到控制器中；同時，利用實時數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、便攜化，具有極高的實用價值。實現(xiàn)OMAC的好處在于能減少投資和生產(chǎn)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(xiàn)的新技術能及時植入。

　　與NGC同步，日本一項面向21世紀制造產(chǎn)業(yè)的長期研究計劃——智能制造系統(tǒng)(Intelligent Manufacturing System,IMS)也在討論中，該項計劃由日本工業(yè)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(fā)表并開始啟動，大部分計劃都與先進制造系統(tǒng)與自動化相關，如多功能機床系統(tǒng)、敏捷制造系統(tǒng)、基于知識的人工智能表達式系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等。這些計劃對將來控制系統(tǒng)技術的發(fā)展將產(chǎn)生深遠影響。同時，日本還啟動了另一項開放系統(tǒng)計劃——OSEC(Open System Environment for Controller)計劃。其主要內(nèi)容是基于PC平臺的開放式系統(tǒng)，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(yè)(東芝機械、豐田工機、山崎)與3家信息系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)(日本IBM、三菱電機、SML)發(fā)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(nèi)容及接口規(guī)范。此外，還定義了一種新的NC語言——FADL語言。目前，該組織已經(jīng)發(fā)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(tǒng)開放化的協(xié)會。

　　面對國際市場的形勢和制造業(yè)的發(fā)展趨勢，歐洲采取的對策是：聯(lián)合起來發(fā)揮各家的長處，積極吸收世界上各種新技術，開發(fā)滿足世界市場尤其是亞洲市場的產(chǎn)品。要達到這一目的，首先要具有能容納或聯(lián)合各家技術的新型控制器。早在1987年11月，在德國機床廠聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)結構。OSACA計劃的成功將減少新產(chǎn)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(fā)、維護、培訓和文檔建立的費用。

　　3結束語

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