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開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)高水平數(shù)字化裝備的保證。其核心是開放式，即系統(tǒng)各模塊與運行平臺的無關(guān)性、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作性和人機界面及通信接口的統(tǒng)一性。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
國家數(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，在國家相關(guān)項目的支持下，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
“開放式結(jié)構(gòu)控制器(Open?Architecture?Controller)”的概念第一次出現(xiàn)在1988年前后。1989年，美國國防部開始了“下一代工作站/機床控制器NGC”計劃。1990年又啟動了OASYS項目作為NGC計劃的后續(xù)項目。其后許多關(guān)于開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究計劃在世界各地相繼啟動。其中影響較大的有美國的Ford、GM和Chryler等公司在NGC計劃的指導(dǎo)下聯(lián)合提出的OMAC開發(fā)計劃、歐洲的德、法、意等國于1995年聯(lián)合啟動的OSACA計劃和日本的豐田、三菱等14家企業(yè)聯(lián)合提出的OSEC計劃等，這些工作已進入了工業(yè)試用階段并逐步走上聯(lián)合壟斷道路。2000年，國內(nèi)的華中數(shù)控、航空數(shù)控等單位在國家經(jīng)貿(mào)委的支持下，提出了開放式數(shù)控系統(tǒng)(ONC)技術(shù)規(guī)范，制定了ONC系統(tǒng)技術(shù)標準，并在Linux系統(tǒng)平臺上，開發(fā)了基本符合該技術(shù)規(guī)范的開放式數(shù)控系統(tǒng)驗證樣機，具有一定的互操作性、可移置性、可伸縮性和相容性等開放性特征。
自上述研究計劃啟動以來，數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從封閉轉(zhuǎn)向開放，加快了數(shù)控技術(shù)發(fā)展步伐，提高了數(shù)控裝置的性能，并涌現(xiàn)了一批高精度、高效率的開放式數(shù)控系統(tǒng)。
數(shù)控系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)，為其網(wǎng)絡(luò)化提供了條件，同時數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化正是其開放性的有力體現(xiàn)。
網(wǎng)絡(luò)化包括兩個方面：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場總線網(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)動及I/O邏輯控制等單元，以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接：對于數(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)標準，以實現(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國際標準)。現(xiàn)場總線作為與數(shù)字驅(qū)動單元的接口，則采用Profibus等現(xiàn)場總線作為與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)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制和無人化操作、遠程加工程序(特別是大容量程序)傳輸、遠程診斷和遠程維修服務(wù)等技術(shù)服務(wù)，并提高機床生產(chǎn)率。如日本大隈(Okuma)機床公司的“IT?plaza”(信息技術(shù)廣場，簡稱“IT廣場”)、日本Mazak(山崎)公司的“Cyber?Production?Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱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
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)進步更新軟硬件的可擴展性；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；使用標準I/O和網(wǎng)絡(luò)功能，容易實現(xiàn)與其他自動化設(shè)備互連的互操作性。
HNC-21/22世紀星數(shù)控系統(tǒng)平臺的技術(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。研制的硬件平臺-PC嵌入式＋FPGA硬件平臺，可適用于三個不同的軟件平臺基于DOS的軟件平臺1、基于LINUX的軟件平臺2、基于WINDOWS的軟件平臺3。
ONC系統(tǒng)簡介
借鑒IEEE對開放式系統(tǒng)的定義以及OSACA對開放式控制系統(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)計的，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)對象(實現(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)實現(xiàn)與運行平臺的無關(guān)性，以及人機界面和與其他系統(tǒng)進行互連接口實現(xiàn)一致性的數(shù)控系統(tǒng)。
圖1ONC系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)的層次模型圖
按照上述定義，依據(jù)當前數(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蟮姆治觥⒃O(shè)計及編程技術(shù)的同時，采用了層次化的結(jié)構(gòu)技術(shù)，形成ONC系統(tǒng)基于PC機的基本體系結(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撲結(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：拓撲結(jié)構(gòu)完全可變的“全開放”的控制裝置。(目前標準未定義)
HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺
HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)平臺的設(shè)計思路是：
支援ONC第一層和第二層要求
保留對今后第三層的支持
系統(tǒng)從經(jīng)濟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)動程序連接各種數(shù)控部件
PC體系結(jié)構(gòu)可運行PC應(yīng)用軟件
圖2HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化CNC裝置的硬件平臺
HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺基于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、模擬量標準接口或現(xiàn)場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機的接口功能強大的特點，采用10.4/9.4英寸真彩TFT液晶顯示幕，8MB?Flash?ROM(可擴至72MB)程序斷電存儲，16MB?RAM?(可擴至64MB)加工緩沖區(qū)，配備硬盤和軟盤，可裝載和存儲大量加工程序，具有巨量程序加工能力，不需DNC，可直接加工高達100MB的G代碼程序，利用以太網(wǎng)、RS232等接口，輕松實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。
HNC-21/22的開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，進給軸接口電路，主軸接口電路都集成在一塊“世紀星”主板上。其核心器件是ACTEL公司的FPGA晶片，為滿足CNC裝置對開放性的要求，“世紀星”主板采用雙FPGA設(shè)計。一個FPGA晶片負責控制開關(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)動裝置接口電路；另一個FPGA晶片負責控制脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動裝置接口電路。兩個FPGA晶片通過PC104總線由研華工業(yè)PC機控制。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FPGA晶片靈活搭配，構(gòu)造出如下HNC-21/22“世紀星”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個模擬量伺服驅(qū)動裝置；
HNC-21/22C：可配4個串行口伺服驅(qū)動裝置；
HNC-21/22D：可配4個脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置；
HNC-21/22F：可配4個脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置或4個模擬量伺服驅(qū)動裝置或4個串行口伺服驅(qū)動裝置。
圖3HNC-21/22?CNC裝置的軟件平臺
HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺HNC-21/22?CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。