现代数控技术集传统的机械制造、计算机、成组技术与现代控制、传感检测、信息处理、网络通讯、液压气动、光机电等技术于一体，是现代制造技术的基础，它的运用和发展，开创了新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。

在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用、封闭、开环控制模式向通用、开放、实时动态、全闭环控制模式发展。

一、数控系统的开放性

（一）开放式数控系统的概念

传统的 CNC 系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，即：系统硬件是专用的，各厂家的主板, 伺服电路板专门设计，厂家之间产品无互换性；系统软件结构是专用的，无可移植性，也无伸缩性。数控系统尽管也可以由用户作人机界面，但数控系统的开发始终属于数控系统生产厂商独立的商业行为，在很大程度上严格保密。这种独立的设计模式导致不同厂商的数控系统在内部结构、实现方法和表现风格上迥然，形成了各自独立的标准和规范体系；数控加工系统功能非常单一、结构固定，不能满足产品快速转型和短期、小批量加工的要求；系统升级和维护困难，市场上难以找到可替换的配件，致使部件损坏不能及时修复而导致整个设备不能正常运行。而且这种封闭的体系结构使数控系统无法应用最新的计算机软硬件技术，从而严重影响数控技术的发展、进步和普及。

研究开放式数控系统的主要目的之一就是要解决变换频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低再次开发的难度。或者说，开放的目的就是使NC控制器与当今的PC机类似，系统构筑于一个统一的、开放的平台上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配合继承、更改或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求。因此 IEEE 标准定义开放式数控系统：能够在多种平台上运行，可以和其他系统相互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。

开放式数控系统具有以下基本特征：

1．可互换性

构成系统的各硬件、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行；

2．可伸缩性

CNC 系统的功能，控制系统的大小（硬件或元件模块）可根据具体应用增减；

3．可移植性

系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行在不同的控制系统内，即能运行于不同供应商提供的不同硬件平台上；

4．可扩展性

CNC用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到收据控制系统中，形成自己的专用系统。

5．可互换性

通过标准化接口、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上，并获得平等的相互操作功能，协调工作。

（二）几种典型的开放式数控系统的体系结构

开放式数控系统是当前数控技术发展的主要趋势。近年来，由于个人计算机机发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因此充分利用个人计算机资源并将其功能集成到CNC中去，发展基于个人计算机的数控系统，已经成为世界各国发展研究的重点。

    现在世界上许多国家和地区众多战略发展计划纷纷出台，如欧共体的OSACA（公开系统 Architecturefor 控制, 日本的OSEC（公开系统 Enviroment对于控制器建筑学），美国的NGC（下代控制器）和OMAC（打开模组的建筑学控制器）等计划，他们基本代表了开放式数控系统的发展现状。

    1．欧共体的OSACA计划

OSACA控制系统在结构上分为两部分，即应用软件和系统平台，如图1。

    控制软件包括所有对系统专用的功能，独立的应用模块使用OSACA界面，并且可以运行在和OSACA兼容的系统平台之上；系统平台包括系统硬件和系统软件。系统硬件包括各种电子部件，如主板和I/O模块；系统软件包括操作系统、通讯系统和驱动程序等。系统平台对应用程序提供一个标准的应用编程接口（API），并且系统平台具有开放式系统结构的4个特性：互操作性、移植性、可扩展性和互换性。OSACA提出了“分层的系统平台+结构功能单元”，在这种结构中，开放式控制系统以一个系统平台为基础，由一组逻辑的、离散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息；在组件与平台之间定义标准接口，不同供应商的组件可以据此协调工作；正确工作的控制器可运行于不同的系统平台之上；系统平台由系统硬件和系统软件组成，系统软件包括操作系统、通讯系统和可选的应用程序，如数据库、图形系统等；充分保证了开放系统的各个特征，即可移植、可互操作等。

    2．日本的OSEC计划OSEC计划是在日本国际机器人和工厂自动化研究中心（International Robotics And Factory Automation Center）建立的开放式数控委员会（Open NC Scope and Directions Committee）的倡导下，由3个机床厂（Tovota、Toshiba、Mazak）、1个系统厂（Misubishi）和2个信息公司（SML、日本IBM）发起的，其目的是开发基于PC平台的、具有高性能价格比的开放式体系的新一代数控系统。

    OSEC的目标是提出一个国际性的FA（工厂自动化）控制设备标准，其重点集中在NC本身和分布式控制系统上。OSEC认为，从制造的观点来看，NC是分布式制造系统中的一个服务器。它将各功能单元分组并结构化在一些功能层中，其开放式系统包括了3个功能层共7个处理层。每一个处理层被划分为两部分：NC基本功能部分和可变功能部分，OSEC开放系统正是通过这一特点来表现其开放性。

3．美国的NGC和OMAC计划NGC的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟机械把子系统和模块链接到计算机平台上。NGC是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适用于各类机床的CNC控制和周边装置的过程控制，包括切削加工（钻、铣、磨）、非切削加工（电加工、等离子弧、激光等）、测量及装配、复合加工等。NGC与传统CNC的显著差别是基于“开放体系结构”。在SOSAS中定义了NGC系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的9个功能设计概念。

OMAC结构没有制定一个固定的体系结构，也不提供系统硬件平台和软件平台的信息，不指定操作系统，而是由基类和模块来描述抽象的体系结构。基类通过对通用控制器分解获得，模块是由基类分组组成，模块是组成控制系统的即插即用的单元。系统设计分为体系结构设计和框架细节设计。OMAC是一种采用“搭积木”的思想构造控制系统，在完成上述系统设计之后，预制接口模块，形成模块库或积木盒。

二、基于PC机的开放式数控系统

利用PC的高速数据处理能力，可将原由硬件完成的功能由软件来实现，而且借助于PC技术可方便地实现图形界面、网络通讯，紧跟计算机技术发展而升级换代，并具有良好的开放性。因此，数控系统作为工业控制器中的一种典型产品，采用PC机作为主控制器已成为当前的一种发展趋势。

PC化的数控系统可以分为3类，即，NC板插入PC中、PC板嵌入CNC中及软件CNC。

（一）NC板插入PC

板插入PC中，这种数控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插入PC中。PC将实现用户接口、文件管理以及通讯功能等，NC插卡将全面负责机床的运动控制和开关量控制。这种数控系统通常由厂家选用通用PC的功能部件，将其集成到CNC中， PC与CNC之间采用专用的总线进行快速数据传输。这种数控系统的制造商不愿意放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源，由此而开发了这种数控产品。

这种数控系统尽管具有一定的开放性，但由于它的 NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法接入数控系统的核心。

（二）PC板嵌入CNC中（PC+运动控制器）

这是目前采用较多的一种结构形式，这种结构形式采用“PC+运动控制器”形式建造数控系统的硬件平台，其中以工业PC为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用PC总线形式，同时以多轴运动轴控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。运动控制器通常以PC硬件插件的形式构成系统，完成机床运动控制、逻辑控制等功能。PC作为系统的主处理器，主要完成系统管理、运动学计算等任务。

这种CNC是一种折中方案，是在数控技术上已取得一定优势的公司出于利益的考虑，不愿放弃其成熟技术的表现。但随着计算机技术的发展，硬件的标准化和成本的降低，这种方式很可能只是一种过渡形式。

（三）软件CNC

软件CNC可以理解为用PC的概念和手段实现CNC的功能。这种CNC装置的主体是PC机，充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。软件化数控系统把运动控制器以应用软件的形式实现，除了支持数控上层软件的用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略的用户定制。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢，并力图使数控技术成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。

这种结构形式的数控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，这是实现形式上的一种技术变革。可以预见，随着计算机技术的发展，这种形态的机床控制器将具有不可匹敌的价格优势和可扩展性，有广阔的前途。

三、并联机床的开放式数控系统

并联机床是在现代数控技术、机床技术和机器人技术发展的基础上出现的一种高效、高精度、高柔性制造设备。并联机床数控技术是并联机床技术的核心组成。

并联机床的数控系统兼有传统数控机床与并联机器人的特点。目前并联机床的数控系统无一例外地继承了传统数控的标准和协议。而且，目前所有的并联机床的数控系统均采用开放式的数控系统体系结构。这是因为并联运动机床具有如下特点：

1．传统机床加工对象的图样或模型、数控加工程序的编制以及传统机床的加工轨迹控制概念都是建立在笛卡尔坐标系中的，是以直线运动和某一坐标上的微小增量（Δx、Δy、Δz）来逼近曲线和曲面以实现实体模型。但是并联运动机床的轨迹控制是由若干杆件空间运动综合的，若使动平台上主轴部件的刀头点实现所需要的运动必须通过两者之间的坐标转换来实现，如图2所示，即并联运动机床动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射。因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。

2．由于并联运动机床结构和配置形式的多样性，导致不同并联机床虚实映射的结构和参数不尽相同，使其很难有一种控制系统能够适合所有并联运动机床的要求，只能有一种控制平台，由机床开发者自行配置硬件和软件。因此，并联机床的控制系统必须是开放式结构。

3．由于并联运动机床的数控系统结构及诸多算法尚处于试验和探索阶段，采用开放式数控系统结构可以增添系统的模块化和可重构性，降低再次开发的难度。

因此采用开放式体系结构建造并联机床的数控系统是提高系统适用性的理想途径。

四、网络化的数控系统

网络数控就是把数控系统网络化，通过Internet/Intrannet技术将制造单元和控制部件相连，以实现网络制造和资源共享为目标，支持各种先进制造环境。网络数控系统（Network Numerical Control）是随着网络技术的发展新出现的概念，它是一种以通讯和资源共享为手段，以车间乃至企业内的制造设备的有机集成为目标，支持ISO-OSI网络互联规范的自主数控系统。网络数控作为全球制造的基础，已从通信向生产管理转移，注重和ERP、MRP等管理系统的集成，一个完善的网络数控系统是集加工制造、生产管理、工艺设计、设备调度和网络控制为一体的，具有开放式体系结构的集成化制造控制和生产管理系统。在数控网络系统中，可以有效利用企业局域网乃至广域网进行信息共享，实现企业的经营管理和生产操作的无缝结合。数控系统的网络功能是传统数控功能的延伸，网络化是数控系统开放性内在的要求，它促进了数控系统的发展。

并不是所有设备都可以进入网络化数控系统的，只有具有开放性特征的设备才能高效地联到网络化数控系统中，因为开放性系统可以提供大量及时的、有价值的信息供网络中任何一台设备访问，例如机床的工作状态、各种切削参数、刀具状况、当前工作进度等，而网上的管理、控制计算机可以随时查询上述信息，利用专家系统、管理系统进行判断运算，做出决定，发出相应的指令，开放系统根据接收到的指令来调整机床的工作。图3是网络数控系统的一种连接方式。

五、结论

开放式数控系统是数控技术发展的主要方向，而基于PC的网络化数控系统也将是先进制造技术发展的方向之一。因此，随着PC技术、机械制造技术、网络通讯技术以及智能化的发展，开放式的PC-NC将会得到更快的发展。

（来源：机械制造  作者：石宏 蔡光起 史家顺）

（责任编辑：张译）