國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、華中數(shù)控股份有限公司多年來一直致力于開放式數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件體系結(jié)構(gòu)的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，在國(guó)家相關(guān)項(xiàng)目的支持下，于2003年成功開發(fā)、生產(chǎn)出新一代開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)&151;HNC-21/22世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)。

開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

網(wǎng)絡(luò)化包括兩個(gè)方面：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò))和外部網(wǎng)絡(luò)。

• 所謂內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC單元與伺服驅(qū)動(dòng)及I/O邏輯控制等單元，以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接：對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)硬件，開放性主要是指其電腦、網(wǎng)絡(luò)、伺服系統(tǒng)及I/O邏輯控制等單元應(yīng)該具有統(tǒng)一的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)互換性。為使數(shù)控系統(tǒng)硬件具有互換性，目前歐洲CNC制造商在其產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用SERCOS(Serial Real-time Communication System，一種適于高速伺服控制的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議，于1995年成為IEC1491國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))。現(xiàn)場(chǎng)總線作為與數(shù)字驅(qū)動(dòng)單元的接口，則采用Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線作為與I/O邏輯控制單元的接口。


• 所謂外部網(wǎng)絡(luò)，指的是數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其他控制系統(tǒng)或外部上位電腦以網(wǎng)絡(luò)連接：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和IT業(yè)的發(fā)展，世界上一些著名的數(shù)控系統(tǒng)公司都相繼推出了具有網(wǎng)絡(luò)集成能力和一定智能化水平的控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和無人化操作、遠(yuǎn)程加工程序(特別是大容量程序)傳輸、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維修服務(wù)等技術(shù)服務(wù)，并提高機(jī)床生產(chǎn)率。如日本大隈(Okuma)機(jī)床公司的“IT plaza”(信息技術(shù)廣場(chǎng)，簡(jiǎn)稱“IT廣場(chǎng)”)、日本Mazak(山崎)公司的“Cyber Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡(jiǎn)稱CPC)、GE Fanuc公司的“Open Factory CNC”(開放工廠CNC)以及 Siemens公司的“Open Manufacturing Environment”(開放制造環(huán)境)等。

開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的主要特徵，分別表現(xiàn)在功能模塊可用于不同控制系統(tǒng)的可移置性；功能相似模塊之間可互相替換，并可隨技術(shù)進(jìn)步更新軟硬件的可擴(kuò)展性；有即插即用功能，根據(jù)需求變化，能方便有效地重新配置的可縮放性；使用標(biāo)準(zhǔn)I/O和網(wǎng)絡(luò)功能，容易實(shí)現(xiàn)與其他自動(dòng)化設(shè)備互連的互操作性。

如表列出了傳統(tǒng)專用數(shù)控系統(tǒng)與開放式數(shù)控系統(tǒng)之比較。

HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

HNC-21/22世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的技術(shù)路線是：

• 符合ONC技術(shù)規(guī)范，具有開放性。


• 基于PC體系結(jié)構(gòu)，以軟代硬、簡(jiǎn)化硬件、易于生產(chǎn)、使用和維修。


• 充分利用已有的華中I型數(shù)控系統(tǒng)研究成果。


• 硬件通用，軟件跨平臺(tái)。研制的硬件平臺(tái)-PC嵌入式＋FPGA硬件平臺(tái)，可適用于三個(gè)不同的軟件平臺(tái)基于DOS的軟件平臺(tái)1、基于LINUX的軟件平臺(tái)2、基于WINDOWS的軟件平臺(tái)3。

ONC系統(tǒng)簡(jiǎn)介

借鑒IEEE對(duì)開放式系統(tǒng)的定義以及OSACA對(duì)開放式控制系統(tǒng)的定義，ONC系統(tǒng)定義了自己的開放式數(shù)控系統(tǒng)：開放式數(shù)控系統(tǒng)是按照開放式技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)對(duì)象(實(shí)現(xiàn)功能單元的軟件模塊)之間的互操作性，應(yīng)用軟件通過ONC系統(tǒng)應(yīng)用編程接口(ONCAPI)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行平臺(tái)的無關(guān)性，以及人機(jī)界面和與其他系統(tǒng)進(jìn)行互連接口實(shí)現(xiàn)一致性的數(shù)控系統(tǒng)。



圖1　ONC系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)的層次模型圖                 圖2　HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化CNC裝置的硬件平臺(tái)           圖3　HNC-21/22 CNC裝置的軟件平臺(tái)

                          

圖4　某廠的網(wǎng)絡(luò)化車間                                                  圖5　數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)          圖6　數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)工作過程示意圖

       按照上述定義，依據(jù)當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，ONC在采用構(gòu)件技術(shù)和面向?qū)ο蟮姆治�、設(shè)計(jì)及編程技術(shù)的同時(shí)，采用了層次化的結(jié)構(gòu)技術(shù)，形成ONC系統(tǒng)基于PC 機(jī)的基本體系結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

ONC開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放層面體現(xiàn)在：

第一層：具有可配置功能、開放的人機(jī)界面和通訊接口及協(xié)議。

第二層：控制裝置在明確固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下允許替換、增加NC核心中的特定模塊以滿足用戶的特殊要求。

第三層：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全可變的“全開放”的控制裝置。(目前標(biāo)準(zhǔn)未定義)

HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路是：

支援ONC第一層和第二層要求

保留對(duì)今后第三層的支持

系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)型到高檔型可伸縮及裁減

通過應(yīng)用程序接口可開發(fā)各種應(yīng)用程序形成不同產(chǎn)品

通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序連接各種數(shù)控部件

PC體系結(jié)構(gòu)可運(yùn)行PC應(yīng)用軟件

        HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)基于PC體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)內(nèi)部采用數(shù)字量、脈沖量、模擬量標(biāo)準(zhǔn)接口或現(xiàn)場(chǎng)總線連接各功能部件，系統(tǒng)與外部采用網(wǎng)絡(luò)化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業(yè)Intranet集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。

HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)充分利用工業(yè)PC機(jī)的接口功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，采用10.4/9.4英寸真彩TFT液晶顯示幕，8MB Flash ROM(可擴(kuò)至72MB)程序斷電存儲(chǔ)，16MB RAM (可擴(kuò)至64MB)加工緩沖區(qū)，配備硬盤和軟盤，可裝載和存儲(chǔ)大量加工程序，具有巨量程序加工能力，不需DNC，可直接加工高達(dá)100MB的G代碼程序，利用以太網(wǎng)、RS232等接口，輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)。

        HNC-21/22的開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，進(jìn)給軸接口電路，主軸接口電路都集成在一塊“世紀(jì)星”主板上。其核心器件是ACTEL公司的FPGA晶片，為滿足CNC裝置對(duì)開放性的要求，“世紀(jì)星”主板采用雙FPGA設(shè)計(jì)。一個(gè)FPGA晶片負(fù)責(zé)控制開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口電路；另一個(gè)FPGA晶片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動(dòng)裝置或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口電路。兩個(gè)FPGA晶片通過PC104總線由研華工業(yè)PC機(jī)控制。利用FPGA晶片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下，通過改變FPGA晶片的固件，以及兩個(gè)FPGA晶片靈活搭配，構(gòu)造出如下HNC-21/22“世紀(jì)星”系列CNC裝置，從而最大限度地降低成本，提高性能。

HNC-21/22A：可配4個(gè)模擬量伺服驅(qū)動(dòng)裝置；

HNC-21/22C：可配4個(gè)串行口伺服驅(qū)動(dòng)裝置；

HNC-21/22D：可配4個(gè)脈沖量伺服驅(qū)動(dòng)裝置或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置；

HNC-21/22F：可配4個(gè)脈沖量伺服驅(qū)動(dòng)裝置或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置或4個(gè)模擬量伺服驅(qū)動(dòng)裝置或4個(gè)串行口伺服驅(qū)動(dòng)裝置。

   HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)

HNC-21/22 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖中虛線以下的部分稱為底層軟件，它是HNC-21/22 CNC裝置的軟件平臺(tái)，其中RTM模塊為自行開發(fā)的實(shí)時(shí)多任務(wù)管理模塊，負(fù)責(zé)CNC裝置的任務(wù)管理和調(diào)度。NCBIOS模塊為CNC裝置的基本輸入/輸出系統(tǒng)，管理CNC裝置所有的外部控制對(duì)象，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的管理、位置控制、PLC控制、插補(bǔ)計(jì)算和內(nèi)部監(jiān)控等。NCBIOS將NC共性部分構(gòu)成NC內(nèi)核，提供標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，向用戶開放，適應(yīng)用戶個(gè)性化要求，利于品種派生和二次開發(fā)。

        虛線以上的部分稱為應(yīng)用層軟件(過程層軟件)，它包括編輯程序、參數(shù)設(shè)置、解碼程序、PLC管理、MDI、故障顯示等與用戶操作有關(guān)的功能模塊。對(duì)于不同的數(shù)控裝置，其功能的區(qū)別都在這一層，或者說功能的增減均在這一層進(jìn)行，各功能模塊均可通過NCBIOS與底層進(jìn)行信息交換，從而使該層的功能模塊與系統(tǒng)的硬件無關(guān)。

對(duì)于不同的控制對(duì)象(如加工中心、銑床、車床、磨床等)，或?qū)τ谕�一控制�?duì)象而采用不同的伺服驅(qū)動(dòng)時(shí)，CNC裝置的硬件配置可能不同，此時(shí)，只需選用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng)這些硬件模塊即可，而無需更改底層軟件和應(yīng)用層軟件，體現(xiàn)出良好的開放性。

        在配置系統(tǒng)時(shí)，所有用到的板卡都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG(類似于DOS的Config文件)中說明，說明格式為DEVICE=板卡驅(qū)動(dòng)程序名(副檔名一般為 .DRV，例如HC4103的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镠C4103.DRV)。NCBIOS根據(jù)NCBIOS.CFG的預(yù)先設(shè)置，調(diào)入對(duì)應(yīng)板卡的驅(qū)動(dòng)程序，建立相應(yīng)的接口管道。

采用統(tǒng)一硬件平臺(tái)技術(shù)，除了基于DOS開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化了上述可靠性高、技術(shù)成熟的開放數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)外，還基于LINUX開發(fā)了開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)，其主要技術(shù)特點(diǎn)為：

基于LINUX自由軟件平臺(tái)

軟件數(shù)控

可使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC硬件或RISC處理器，增加了開放性

32位元體系結(jié)構(gòu)

突破640k內(nèi)存的限制

強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能

優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境

豐富的軟件資源

       此外，北京航空航天大學(xué)采用上述硬件平臺(tái)技術(shù)，基于Windows 開發(fā)了開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

正是由于HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)良好的的開放性，國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、華中數(shù)控基于此平臺(tái)除開發(fā)出車、銑等通用數(shù)控系統(tǒng)外，在短短幾年時(shí)間內(nèi)還派生出齒輪加工機(jī)床、仿形機(jī)床、磨床、鍛壓和沖壓機(jī)床、絎縫機(jī)、組合機(jī)床、刨床、彎管機(jī)、玻璃加工機(jī)床等多種數(shù)控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

HNC-21/22開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用

         HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)提供了與局域網(wǎng)或Internet連接的網(wǎng)絡(luò)接口，通過與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源分享、遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)、診斷，已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，獲得了滿意的效果。

         華中數(shù)控在某廠進(jìn)行仿型銑數(shù)控改造時(shí)，對(duì)模具車間的2臺(tái)加工中心、2臺(tái)仿形銑和龍門銑實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化互接，如圖4所示。通過網(wǎng)絡(luò)共用仿型數(shù)據(jù)，使普通數(shù)控銑床也能加工仿型測(cè)量的零件，提高仿型加工效率，節(jié)約了昂貴的仿形銑設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用。同時(shí)，將工廠數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)與辦公用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)在一起，使用辦公室的CAD/CAM系統(tǒng)能方便快捷地與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行信息交換與控制，可在遠(yuǎn)程異地設(shè)計(jì)、編程，然后通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)傳送和共享零件加工程序，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CNC的網(wǎng)絡(luò)集成，大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率。目前，這些設(shè)備運(yùn)行狀況良好，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟(jì)效益。

華中數(shù)控的遠(yuǎn)程操作監(jiān)控與診斷平臺(tái)

基本原理

         通過Internet將分布在不同地域的數(shù)控設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修工程師、設(shè)備制造企業(yè)維修工程師及領(lǐng)域?qū)＜医M織和聯(lián)系起來，在設(shè)備與人之間、人與人之間進(jìn)行快速的信息傳遞，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控設(shè)備診斷與維修諮詢系統(tǒng)和視頻會(huì)議系統(tǒng)，借助網(wǎng)絡(luò)這一快捷的現(xiàn)代通訊手段，對(duì)數(shù)控設(shè)備故障進(jìn)行快速診斷。

系統(tǒng)構(gòu)成與工作流程

        控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺(tái)、數(shù)控機(jī)床網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程用戶終端三大部分組成。

數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺(tái)是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一個(gè)特殊網(wǎng)站，內(nèi)容包括數(shù)控設(shè)備制造企業(yè)的用戶檔案、協(xié)助其進(jìn)行設(shè)備故障診斷的領(lǐng)域?qū)＜覚n案、用戶設(shè)備電子病歷，設(shè)備遠(yuǎn)程操作、診斷、維護(hù)模塊，以及網(wǎng)絡(luò)會(huì)診工具等。平臺(tái)的作用是通過Web這一靈活、方便的形式將與設(shè)備技術(shù)支持與服務(wù)相關(guān)的設(shè)備診斷信息、用戶信息、專家信息組織在一起，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備故障診斷與服務(wù)保障體系，提高產(chǎn)品售后服務(wù)質(zhì)量和效率。

       機(jī)床網(wǎng)關(guān)是由運(yùn)行在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的一臺(tái)PC機(jī)或筆記本電腦構(gòu)成的一個(gè)數(shù)控機(jī)床連接器，它一端通過電話網(wǎng)、移動(dòng)通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺(tái)相連，另一端則通過局域網(wǎng)/RS232等形式與數(shù)控機(jī)床相連。其作用是將數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的PLC信息和外部的音頻、視頻信息、傳感器信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，供設(shè)備遠(yuǎn)程診斷使用。另外它也可以將遠(yuǎn)程終端用戶瀏覽器發(fā)送來的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給與之連接的數(shù)控機(jī)床。

       遠(yuǎn)程終端可以是互聯(lián)網(wǎng)上的任何一臺(tái)電腦，其用戶是設(shè)備使用工程師、設(shè)備制造工程師或領(lǐng)域?qū)＜�。他們通過運(yùn)行在遠(yuǎn)程終端上的瀏覽器從數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺(tái)上獲取和發(fā)布信息，對(duì)數(shù)控設(shè)備故障進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)作診斷，提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持。

         數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)的典型工作過程如圖6所示。企業(yè)用戶遇到技術(shù)問題時(shí)先登錄數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺(tái)，利用平臺(tái)提供的典型案例、設(shè)備常見故障、數(shù)控設(shè)備診斷專家系統(tǒng)等工具嘗試自行解決問題；如果用戶無法在平臺(tái)提供的工具下解決問題則請(qǐng)求作為平臺(tái)管理員的設(shè)備制造企業(yè)工程師協(xié)助解決問題；如果問題還是不能解決則由平臺(tái)管理員請(qǐng)求異地領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行聯(lián)合會(huì)診，直至問題解決。

         在國(guó)家十五攻關(guān)、863、國(guó)家自然科學(xué)基金等相關(guān)項(xiàng)目的支持下，國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心與華中數(shù)控聯(lián)合研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化、開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)符合ONC規(guī)范，具有良好的開放性和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，已派生出了車、銑、加工中心、齒輪加工機(jī)床、仿形機(jī)床、磨床、鍛壓和沖壓機(jī)床、絎縫機(jī)、組合機(jī)床、刨床、彎管機(jī)、玻璃加工機(jī)床等30多種數(shù)控系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了有力的驗(yàn)證。