李奉顺 陆荣鑑 张建红

摘要：传统数控系统的软件层对用户封闭，硬件层则难以根据用户的需求进行替换，且硬件的性能远远落后于目前的微电子技术。面对柔性生产概念的兴起，传统的数控系统由于其封闭性，越来越难满足不同用户的需求，并且用户不能对已购买的数控系统进行个性化的升级与改造。而开放式的数控系统具有可移植性强，可针对不同应用场景进行定制，具有较高的通用性以及可靠性等优点，并且可以将人工智能、网络通信技术等新兴技术不断添加到数控系统中，实现了数控系统的个性化、模块化、智能化，是未来数控系统的发展方向。

关键词：开放式数控系统;数控系统;宝元控制器;运动控制器

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2020）19-00-04

0 引言

1952年麻省理工学院研发了第一台真正意义上的三轴NC（Numerical Control，即数字控制）机床，自此数控系统已经经历了数十年的发展并运用到了几乎所有的工业制造行业中。随着装备业的发展，数控机床的应用也越来越多[1]。传统数控系统主要分为软件层与硬件层，其核心部分在于软件层，包括人机交互控制、数控功能控制、实时控制等方面[2]。传统数控系统的软件层对用户封闭，用户只能操作数控系统，硬件层则难以根据用户需求进行替换，当发生故障时只能找专人维修，且硬件的性能远远落后于目前的微电子技术，用户与制造商无法将自己所在行业的特殊加工经验融入数控系统中。面对柔性制造概念的兴起与制造业环境的日益复杂[3]，传统的数控系统由于其封闭性，越来越难满足不同用户的需求，而且难以对原有的数控系统进行升级改造[4]。

1 开放式数控系统结构

开放式数控系统提出于20世纪80年代末，影响较为深远的开放式数控系统项目有日本的OSEC（Open System Environment for Controller，即控制器开放系统环境）项目，欧洲的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation，即自动化控制中开放式体系结构）项目、美国的OMAC（Open Modular Architecture Controllers，即开放式、模块化体系结构控制器）项目[5]。日本的OSEC计划的目的在于建立一个全球范围内通用的工厂自动化控制设备标准，由日本东芝、Mazak公司与丰田三家公司组建，其基本构成为PC（个人计算机）+运动控制卡型开放式数控系统结构。欧洲的OSACA项目由欧盟内的相关控制器厂商共同开发，其提出了“分层系统平台+结构化功能单元”体系，提高了数控系统的开放性与可移植性。美国的OMAC项目则是由美国通用汽车公司（GM）、克莱斯勒汽车公司（Chrysler）以及福特汽车公司（Ford）共同提出，其目标在于针对不同用户对运动控制器的需求开发出相应的API（Application Programming Interface，即应用程序接口）。

相比于传统的数控系统封闭、不能适应各种场景、升级改造困难等缺陷，开放式数控系统具有可移植性强，可针对不同应用场景进行定制，具有较高的通用性等优点，并且可以将新的技术如人工智能、网络技术、视觉技术[6]等不断添加到数控系统中，实现数控系统的个性化、模块化、智能化[7]。目前常见的开放式数控系统构架有三种，分别是PC+运动控制卡型、PC嵌入NC型以及全基于软件的开放式数控系统[8]。

1.1 PC+运动控制卡型开放式数控系统

PC+运动控制卡型构架的开放式数控系统中，PC端主要处理一些實时性不高的任务，如人机交互界面与数控代码的读入与编译、误差分析、粗插补与机床或机器人的运动补偿等工作。而运动控制卡端则主要负责实时性较高的任务，如精插补、各运动轴的控制、数据的传输等。其优点在于开放性良好，用户拥有较高的权限，可以根据自己的需求定制不同的数控产品。如文献[3]是基于PC+运动控制卡的结构设计的一种五轴数控磨床，其结构包括上位机模块、下位机模块与运动轴的伺服控制模块，采用PC+运动控制卡的开放式数控系统结构大大缩短了专用数控系统的开发周期，节约了时间与经济成本。

1.2 PC嵌入NC型开放式数控系统

PC嵌入NC型开放式数控系统则是在CNC（计算机数字化控制）中嵌入PC模块，由于传统的数控系统封闭性强，难以为不同的用户提供个性化的解决方案，面对呼声渐高的数控系统开放化，部分传统数控系统制造商开发了这种在CNC系统中嵌入PC模块的开放式数控系统结构，但是数控系统的核心控制部分仍然不对用户开放，其原因在于数控系统的制造商认为数控系统最重要的部分是其可靠性，PC或无法满足其可靠性要求。但是相较于传统的全封闭型数控系统，该种类型的开放式数控系统可以针对不同的用户需求改进人机交互界面等不涉及实时控制的部分，如FANUC公司、德国西门子股份公司（SIEMENS）等都采用该种方法提高其数控系统的开放度。

1.3 全基于软件的开放式数控系统

全基于软件的开放式数控系统则是利用了如Windows NT/Linux等实时操作系统，在PC环境下运行开放式数控系统，其结构相对简单且能够充分利用PC的性能，处于低层的I/O接口或伺服接口不需要额外的控制器。全基于软件的开放式数控系统实现了数控系统控制系统的PC化，贴近普通用户的使用习惯且可靠性较高，目前越来越多的开放式数控系统朝着这个方向发展。

2 开放式数控系统特点

开放式数控系统的特点包括其可移植性、可互换性、可扩展性等方面[9]，与传统数控系统不同的是，开放式数控系统通常采用目前流行的通信接口，可以在不同的平台上运行，不同平台间开放式数控系统的差别仅与平台性能相关，体现了其可移植性的优势。并且在开放式数控系统构架中，不同的功能模块可以相互替换，不会影响到系统整体的稳定性，用户能够根据自己的应用或生产要求采用性能、可靠性、功能有所差异的模块完成开放式数控系统的搭建。而随着柔性生产概念的兴起，企业为缩减生产成本以及生产周期，常常需要定制个性化的生产解决方案，传统数控系统的内部功能模块无法更改，不能满足用户的不同需求，采用开放式数控系统则可以针对不同的应用场景选择不同的功能模块搭建个性化的产品。

3 开放式数控系统的发展趋势

针对越来越复杂的加工要求，开放式数控系统的发展趋势向着多坐标与多通道控制、高速高精度加工、复杂形状加工与五轴加工、智能化、安全化、环保化的方向发展[10-11]。

3.1 多坐标多通道化

以PMAC运动控制器为例，PMAC运动控制器是美国Delta Tau Data System公司以OMAC项目为基础所开发的多轴运动控制器，为实现高速实时性的计算，采用了MOTOROLA 56系列的DSP处理器，但是其处理速度仍与现代计算机芯片有所差距，主频的变化范围为20～240MHz，PMAC运动控制器最高可以在16个坐标系下控制32个运动轴[12]。

3.2 高速高精度加工

为提高零部件的加工质量，需要不断地提高数控控制器的加工精度，目前越来越多的开放式数控系统都提供了提高加工质量的措施，如加工的前馈控制、加工速度前瞻、轨迹规划[13]、加减速曲线控制、NURBS曲线插补功能等，下面以NURBS曲线插补为例说明数控系统的高精度加工发展方向。

NURBS曲线全称为非均匀有理B样条曲线，其本质为参数曲线，仅需极少的控制参数如控制点、权重等就可以得到平滑的曲线。在数控加工领域中，复杂的曲线曲面通常被离散为一系列的位置点，但是离散后的数据量庞大，给数控系统的存储读取、传输以及后续的运动速度控制带来了极大的不便[14]，并且这种加工方式将降低工件的表面质量与精度，而NURBS曲线则可以克服上述问题，与线性插补相比，NURBS曲线插补后的刀位文件只占线性插补的1/10，并且由于NURBS曲线插补光滑，所以能够提高数控系统的加工速度。NURBS曲线插补技术也因为上述优点成为了数控系统高速高精度加工领域中的研究热点。

3.3 复杂形状与五轴联动加工

在数控加工领域中，当待加工的零部件较为复杂时，传统的三轴加工方式需要进行多次装夹才能完成加工，这样将极大地降低加工精度，因此五轴数控技术是高端制造业的关键技术。在传统三轴联动数控系统中，各轴均为平动，数控系统在对空间点进行插补运算操作时没有非线性误差;而在五轴联动加工时，由于增加了两个旋转轴，系统在进行数控插补操作时因旋转运动与直线运动的合成而产生非线性误差[15]，如何补偿多轴联动中产生的非线性误差也成为了当前数控系统的研究热点。

3.4 智能化、安全化、环保化

随着人工智能技术的不断发展壮大，其逐渐被应用于开放式数控系统中，我国的数控技术长期受制于国外，人工智能技术给我国的制造业发展带来了新的机遇、开辟了新的道路。为了将智能化技术融入数控系统中，需要提升数控系统的对外感知能力与对加工参数的动态调整能力来提高数控系统的加工质量。如采用改进MFAC（自适应模型控制）算法实现了对数控机床中伺服电机的自适应控制，获得了良好的加工性能[16];利用BP（Back Propagation，即反向传播）神经网络预测机床的热误差，提高了数控系统的加工精度[17]。

4 研华宝元控制系统器介绍

研华宝元控制器R8800是一个以核心资源为中心的多功能控制器，其核心功能通过检查核心资源的内容来决定IO于轴的动作，用户通过调用其通信库函数来对系统进行控制。其控制结构包括上层应用程序层、库函数层、通信函数层与底层控制层。

R8800基于EtherCat（实时以太网）数字通信技术控制伺服控制模块与I/O模块，其内部包含了六关节机器人算法，并且具备了RTCP（刀尖点跟随）功能，为用户提供了丰富的接口，用户可以根据自己的需求对控制器进行改造升级，可以满足各个行业的应用需求。

5 结语

文章讨论了目前传统数控系统的缺陷以及目前的开放式数控系统的发展历史以及其常见的组成结构，对PC+运动控制卡型开放式数控系统、PC嵌入NC型开放式数控系统、全基于软件型开放式数控系统进行了简略分析，对开放式数控系统的特点与未来的发展趋势作出了分析，可以看出未来开放式数控系统的发展趋势是面向复杂加工且越来越智能化，最后简单介绍了研华宝元的开放式运动控制系统。我国开展数控系统的研究相较于其他发达国家来说较晚，核心控制技术落后于发达国家，开放式数控系统更加贴近我国的发展现状，并且可以结合新兴的技术不断升级改造，研究开放式数控系统有助于缩短我国与其他国家相关技术的差距。

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作者简介：李奉顺（1996—），男，四川成都人，硕士研究生，主要从事机电一体化、工业控制系统研究。

陆荣鑑（1964—），男，江苏泰州人，研究生，硕士，讲师，系本文通讯作者，主要从事机电一体化、工业控制系统研究。