作者簡介：

    曹建福（1963-），男，博士，西安交通大學教授,陜西省自動化學會秘書長。

    曹建福教授主要研究領域是先進機器人控制技術、高速高精度數控技術、工業系統故障診斷與非線性系統理論。在高速高精度數控技術領域，取得了大量的研究成果，主持了國家“六五”科技重點攻關項目“經濟型銑床數控系統”，國家“七五”科技重點攻關項目 “高精度磨床數控系統”，西安市重大科技創新工程“嵌入式數控系統研制”，國家技術創新基金“電子制造設備用數控系統”。在非線性系統與工業系統故障診斷方面進行了研究，提出了基于非線性頻譜特征融合的故障診斷方法。主持及參加國家“973”項目、863項目、國家自然科學基金、省市級重大技術創新項目及企業項目共計30多項。

    摘要：開放式數控系統是下一代數控系統的主要發展方向，本文對基于PC結構的開放式數控系統研究情況及存在的問題進行了分析。為解決嵌入式數控系統的開放性問題，論文提出了一種基于構件的柔性式開放式數控系統體系結構，論述了其硬件邏輯、軟件組態方法。利用這種柔性結構，所開發的系列數控系統已在工業上得到了應用。

    關鍵詞：開放式控制器；嵌入式系統；數控系統；現場總線

    當加工裝備的聯動軸數、控制功能發生變化時，若采用傳統的體系結構需要采取定制方式獨立開發數控系統（CNC），各種系統軟硬件無法共用，而且開發周期長、成本高。隨著航空航天、汽車、造船等行業技術的不斷發展, 對數控裝備的柔性和適應性也提出了更高的要求，因此對開放式結構數控系統的研究引起了國際范圍內的高度關注。具有開放式體系結構CNC允許用戶根據需要進行選配和集成、更改或擴展系統的功能，以便迅速適應不同的應用需求，該體系結構應該具有以下屬性:互操作性、可移植性、可伸縮性、可替換性。開放式數控系統的迅猛發展也得益于PC在工業控制領域的廣泛應用。
20世紀90年代初，歐美、日本等工業發達國家相繼提出設計開放式體系結構數控系統的問題，向規范化、標準化發展是普遍的共識[1]。美國最早提出了NGC（Next Generation Controller，下一代控制器）計劃，該計劃首要目標是建立一個與生產商無關的開放式系統體系結構標準規范SOSAS，用來指導機床控制器的設計。美國三大汽車公司在1994年提出了OMAC（開放的模塊化結構控制器）標準。歐洲在90年代提出了OSACA計劃，該計劃由德國、法國、瑞士等歐共體國家的系統制造廠、機床制造廠和科研機構聯合發起。OSACA數控平臺由硬件和軟件組成，包括操作系統、通訊系統、系統設定、圖形服務器和數據庫系統等。系統平臺通過API與具體應用模塊AO（結構對象體）發生關系。日本在90年代提出了OSEC（控制器的開放系統環境）計劃，目的是開發基于PC平臺的新一代開放結構數控系統，OSEC采用了3層功能結構，即應用層、控制層和驅動層。這些計劃與標準協議得到了許多數控技術廠商的支持，很多基于這些技術規范的數控系統已經投入應用，例如DeltaTau公司采用PC機和PMAC控制卡構成了PMAC開放式CNC系統。

    從90年代開始，國內一些研究單位和企業投入大量的人力進行開放式數控系統的研究工作(CONUC) ，在2002年發布了開放式數控系統的國家標準GB/T 18759。華中數控技術公司開發了華中ⅰ型、世紀星等系列數控系統，采用通用PC平臺+運動控制器的硬件結構，軟件基于DOS、Windows操作系統，聯動軸數可達2~9軸，具有多種形式的插補功能，最小分辨率可達1微米，速度可達24m/min，具有聯網、高速遠程通信功能[2]。沈陽計算所藍天數控公司基于工業PC系統，開發了藍天ⅰ型、NC-110、NC-200等系列數控系統，聯動軸數可達8軸聯動。目前國內開發的各種基于PC結構開發的數控系統雖然己具有一定開放性，但嚴格來說還不具備開放式數控系統的本質特性，軟件還僅僅處于結構化開發水平。近年來，開展了基于現場總線的開放式數控系統的研究工作，北京航空航天大學最早利用SERCOS協議，研制出光纖數字通訊的開放式數控系統，大連光洋、上海開通公司也開發出高檔光纖總線式數控系統。目前已開發的現場總線數控系統核心處理模塊還是基于PC，在開放性方面與基于工業PC的數控系統一樣仍存在開放性差的問題。在國內市場上大量使用的中低檔數控系統，如廣州數控、北京凱恩帝的數控系統產品，都是在嵌入式系統環境下進行開發并實現的，而對這種嵌入式數控系統的開放性研究，國內還只是停留在研究階段[3]。

    在開放式數控系統結構和關鍵技術研究方面, 國內外研究者也進行了大量的研究工作。文[4]將STEP-NC數據模型和IEC61499功能塊標準引入到數控系統設計中，提出了一種基于分層功能塊結構的開放式數控系統，這種結構除了具有面向對象的特點外還支持設計框架，并在實際銑床中得到應用。文[5]提出了一種內核軟件結構用于方便連接開放式CN的軟件和硬件，通過使用資源模型和進程模型來實現。文[6]開發了一種五層樹形結構的CNC系統軟件包，樹的結點單元是具體函數，處理實時任務的模塊單元采用動態鏈接庫，處理非實時任務的模塊單元采用由COM組件實現，CNC的外部接口采用國際標準的實時串行協議通信SERCOS內部接口遵循OMAC協議。文[7]提出了一個開放式CNC內核的設計方案—功能分離設計法(FSD)，這種內核結構包括三部件：機器引擎接口、事件處理器EP、系統描述數據SDD，機器引擎接口通過對HMI的設定實現，SDD存儲控制規則和模塊化NC功能，EP負責處理事件。獻[8]提出了一種基于現場總線和組件技術的開放式數控系統結構。文[9]提出了一種基于CORBA的開放式數控系統結構，使用TAO作為系統構件的軟總線，系統接口通過OMG IDL定義。文[10]提出了一個基于功能組件的數控系統結構框架，通過綁定表方式支持組件功能的軟硬件協同實現，引入異步通訊機制(ACM)提供通訊模型。文[11]提出了一種由主控流水線線程、驅動程序和微代碼實時執行單元構成的數控流水線體系，定義了指令和微代碼接口,流水線線程封裝了從指令譯碼到生成數控微代碼的主要控制功能,采用標準編程接口和軟件開發技術。微代碼實時執行單元由開放式硬件進行實時控制,通過緩沖區隔離了流水線的實時和非實時部分。文[12]提出了一種數控系統的組件模型,該模型結合了通用PC、Linux和實時組件的優點，數控系統軟件由組件庫、虛擬模塊系統和配置系統構成。文[13]用層級式有限狀態機描述數控系統的控制邏輯，建立了有限狀態機基礎類庫,可根據有限狀態機完成對數控系統的重構。文[14]提出了基于組件的開放式控制系統結構框架，系統由硬件層、實時操作系統層、CML層(提供程序接口、通訊功能、配置功能)、應用程序層等組成。

    嵌入式數控系統的研究是目前國際自動化與制造技術領域的重要研究方向。作者所在的課題組針對智能測控儀器裝置的快速組態開發難題，經過十多年研究開發出了嵌入式柔性開發平臺，快速開發了20余種智能測控儀器裝置，該項目成果“嵌入式柔性開發平臺及智能測控裝置開發”獲得了2009年國家科學技術進步二等獎。作者利用該嵌入式柔性開發平臺，開發出了系列的嵌入式開放式數控系統，這些數控系統已在5軸聯動加工中心、6軸管相貫切割機、高速雕刻機等裝備上得到大量應用。

    1 基于PC開放式數控系統的主流結構及存在的問題

    個人計算機（PC）從產生到現在，其計算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實現標準化，這些使得它越來越適合于工業環境下使用。PC具有豐富的支持軟件來改善CNC系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真、數控編程、故障診斷、網絡通訊等功能。利用PC上功能強大的開發工具，機床制造商和用戶可以采用通用的編程語言編制軟件模塊代替系統的原有模塊，便于機床廠和用戶添加具有自己獨特技術的功能模塊。基于PC的數控系統是實現CNC開放化比較方便的途徑。從實現方法上，目前基于PC的開放式數控系統有3種模式：NC板插入到PC機的擴展槽中、PC板插入到NC系統中、軟件NC。

    （1）NC板嵌入PC機

    這種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機完成非實時處理任務，實時控制由運動控制板來承擔。這種方法能夠方便地實現人機界面的開放化，借助于所插入NC板的可編程能力，能部分實現系統核心結構的開放。

    （2）PC嵌入CNC

    就是在傳統的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人機界面，能夠集成應用程序、網絡接口等。這種系統的NC內核保持了原有的封閉性，開放性受到限制。這一形式主要為一些大的CNC控制器制造商所采用。其原因有兩個方面:一是許多用戶對它們的產品很熟悉，也習慣使用；二是這些大控制器制造商不可能也不愿意在短時間內放棄他們傳統的專用CNC技術。 

    （3）Soft型數控系統模式

    這種模式的CNC部分全部裝在PC機中，硬件部分為插在PC機擴展槽中的I/O板，提供給用戶最大的靈活性。這類系統借助現有的操作系統平臺，在應用軟件的支持下，通過對CNC軟件的適當組織、劃分、規范定義和開發，實現CNC的開放性。這種控制模式的硬件成本是最經濟的，但實時性不能保證。

    幾種有代表性的基于PC數控系統：

    （1）德國Andronic 2060數控系統

    Andron公司開發的Andronic 2060數控系統是基于微機和Windows平臺，它采用由兩個Intel處理器，通過PCI-PCI橋進行相互通信。一個處理器承擔數控運算（NC計算機），另一個作為人機界面計算機。NC計算機中插有NCCPU卡、NC機床卡。NC機床卡與數控驅動裝置連接，并且通過2塊帶PCI橋的總線卡與人機界面計算機通信。人機界面計算機的內部總線卡與數控系統操作面板和外部接口連接。

    （2）國內SKY2006型數控系統　　

    南京四開電子企業公司開發的SKY2006型數控系統基于WINDOWS平臺，采用通用X86工業PC進行數控運算（軟件實時模塊），通過l00M/lG以太網與基于FPGA精密插補核心（硬件實時模塊）相連。系統多軸運動的實時性有FPGA的精細插補軟核并行完成，保證數控軌跡高精密性。FPGA核心模塊支持PROFIBUS?DP(10M）與驅動連接，同時也有30M的SKYLINK內部協議與模擬驅動擴展模塊相連，便于已有的機床進行系統升級。操作面板和一般性I/O由RS485I/O卡通過RS485與工業PC相連。

    雖然在很長一段時間內，基于PC平臺的設計數控系統是國內外采取的主流模式，但在未來高性能數控系統體系結構中采用嵌入式技術是系統設計者的必然選擇。當前,數控系統正向著高速、高精、智能化方向發展, 高速高精度控制涉及進給速度達到60m /min, 加速度2g 以上,插補周期達到0.125ms,計算精度達到納米級,需支持樣條插補、刀具中心點補償(RTCP) 、機床綜合誤差與溫度補償、切削力自適應控制、在線三維實體仿真顯示等智能化功能，對數控系統的計算能力要求越來越高, 基于PC 的數控系統很難滿足以上的高性能要求。 同時，基于PC平臺的數控系統所存在的體積大、可靠性差等固定的問題，也越來越無法適應未來高檔數控裝備的需要。　
　　
    2 嵌入式柔性開放式數控系統的體系結構

    為解決嵌入式高性能數控系統的開放性問題，作者及合作者提出了一種基于構件的柔性開放式控制系統框架。保證嵌入式數控系統核心硬件的廣泛兼容性，以及組態的柔性與靈活性，CNC硬件部分被抽取成十多種基本的功能構件，包括：CPU模板、位置控制板、顯示與數據操作終端、內裝式PLC、遠程操作面板等，功能構件之間通過現場總線或標準的總線連接，其集成邏輯結構如圖1（a）所示。數控系統與驅動器的連接提供了兩種形式，圖1（a）為

               

                                                            （a）

               

                                                                (b)

                          圖1 嵌入式柔性數控系統硬件集成邏輯結構

    數字脈沖量或模擬量接口，圖1（b）為數字以太網接口。CPU模板使用了帶PC104總線的3.5英寸嵌入式計算機，位置控制模板采用DSP+FPGA形式實現，DSP使用的是TI公司的TMS320F2812實現。內裝式PLC模板負責高速的邏輯控制功能，實現機床輔助設備、加工中心中刀庫、機械臂等控制任務。

    從柔性開放性的要求出發, 嵌入式數控系統軟件都應當具備可剪裁性或多重性,整個體系結構應當能夠被重新配置,以滿足多種應用領域的需求，所提出軟件結構如圖2所示。系統采用基于構件的組態結構，軟件由三部分組成：嵌入式柔性開發平臺、功能程序構件庫和模

                  

                      圖2 嵌入式柔性數控系統軟件結構

    型算法構件庫。構件庫由被分成用戶層構件庫和核心層構件庫，用戶層構件庫包括人機界面、加工數據預處理、代碼編程、圖形模擬、梯形圖編輯等非實時任務構件，通過COM組件實現，其組成見圖3。核心層構件庫涉及數控加工的實時性任務，包括：插補計算、MST代碼處理、報警處理、速度控制和位置控制等，其組成如圖4所示。各個功能構件按準接口進行封裝，功能構件的標準接口如圖5、圖6所示，是兩個典型的功能構件接口圖。針對多軸聯動數控系統具有多任務和實時性的特點，控制軟件的進程管理設計成前臺、后臺程序模式，后臺程序又稱為“背景”程序，主要用來完成加工數據的準備工作和管理工作，后臺程序是一個循環運行的程序，它是主程序，在運行過程中被0.2~4ms實時中斷服務程序打斷，前后臺程序相互配合完成數控系統的各項控制和管理任務。

               

                                      圖3 用戶層構件庫組成

                   

                                  圖4 核心層構件庫組成

                  

                                 圖5 功能構件標準接口

               

                                                     （a）                                                  (b)
                                                圖6 具體功能構件接口

    所開發的數控模型算法構件庫包括：多軸聯動插補、前瞻速度控制、五軸旋轉刀具中心點補償（RTCP）、閉環位置控制等。前瞻速度控制的作用是在預讀段銜接進給速度和加工過程平滑減速的約束條件下，對轉接點最優銜接速度進行預計算，以實現前瞻自適應速度控制功能。

    3 面向數控系統的現場總線通信協議

    高檔數控系統要實現高速高精控制，這既要在內部完成大量的數據傳輸，同時還要保證通信的實時性和可靠性。本文定義了一種面向數控系統的高速現場總線通信協議，這種協議在使用的CAN總線上保證各節點之間的循環通信周期達到16ms。協議采用帶29位報文標識符的擴展幀，其通信報文形式如表1所示。

    表1 CAN總線報文結構

   

    CAN報文由擴展的29位標識符、1位數據類型、1位遠程發送請求、4位該幀內數據段數據長度、0~8字節數據段、16位循環冗余碼CRC、2位應答位和1位幀結尾組成。

    CAN標識符的分配在設計通信系統應用層協議時非常重要，它決定了信息和相關的優先權及信息的等待時間，同時也影響了信息濾波適用性、合理的通信結構適用性和標識符使用的效率。報文標識符中包含有優先標記、目標地址、源地址、幀類型、幀號、保留位、結束標記，其格式如表2所示。

    表2 擴展幀報文標識符格式

   

    其中，優先標記(1位)是用來標記當前幀的優先級別。對于正常信息，該位置為1，對于緊急信息(如報警信息、緊急斷電等)，將該標記置0。該標記先于其他幀占用總線，在最短的時間內到達目的地址；

    目標地址(7位)：指定該幀數據或信息所要到達的目的地；

    源地址(7位)：指定該幀數據或信息的來源地址；在數控系統中，對每個CAN模板都設定一個地址號，用來區分不同的設備。CAN總線上的節點個數主要取決于總線驅動電路，目前最多可達110個。本文采用了長度為7位的目標地址和源地址，可以有128個編碼地址，完全滿足系統需要。

    幀類型(1位)：用來標記該幀數據場中的內容是要傳輸的數據內容還是通訊協議的控制信息；

    幀號(8位)：是用來標記數據拆分后的幀塊序號；由于每個郵箱最多可存放8字節即64位的數據，而消息的大小不定，CNC運動控制器側輸入信號有32位，刀庫表信息和梯形圖程序段卻遠遠超過64位，需要分段傳輸。在傳輸超過8字節長度的數據時，按照每塊8字節對數據進行拆分，根據數據的先后順序，指定相應的幀號，從0遞增。幀號采用8位表示，取值范圍為0～255，用這種方式完全滿足本控制系統的通信需求。

    保留(4位)：用作擴展，可以根據功能擴展的需要增加其它功能；

    結束標記(1位)：是用來標記該數據包傳輸過程的結束。

    CAN通信報文數據段要傳送的數據包括MST代碼、I/O信息、當前刀盤位置信息、梯形圖程序、刀庫表信息以及遠程操作面板信號，表3所定義的數據段數據類型。

    表3 數據段中數據類型定義

   

    4 嵌入式柔性數控系統的工業應用

    利用所開發的柔性開放式數控系統平臺，已開發出高速雕刻機、5軸加工中心、管相貫切割機等數控系統，并已在工業上得到應用。

    4.1 加工中心用5軸聯動數控系統

    主要的技術指標如下：具有5個運動軸，可實現五軸聯動，最小分辨率0.001mm/0.001度。切削進給速度達到24m/min，快移速度達到24m/min，進給加速度達到20m/s2。具有微線段的前瞻自適應速度控制功能，其中微線段最小段長為0.01mm，預讀段數為100段。具有直線、圓弧插補、空間螺旋線等插補功能。提供內裝式PMC功能，可使用梯形圖進行編程，具有動態三維仿真顯示功能。

    本系統已在蘇州一企業的五軸數控加工中心上進行了成功的應用，實際應用的數控加工中心如圖7所示，已完成了速度、精度測試和實際切削實驗。圖8為開發的六軸數控系統主界面圖。
按照國家標準對加工精度進行了測試，測試結果如表4所示。實際測試表明，微線段加工時其進給速度可達到10m/min，可實現進給速度的高速平滑銜接。圖9為使用五軸聯動加工葉輪試件的實際切削圖。數控系統經過持續不間斷生產加工，結果表明：控制系統可靠穩定，加工過程中速度控制平穩，精度高，系統各項指標均達到了設計時提出的要求。

               

                圖7 STH-850型數控加工中心             圖8 六軸數控系統主界面圖

    表4 試件測試結果

   

                     

                 圖9 五軸聯動加工試件實際切削圖

    4.2 大口徑管相貫切割機控制系統

    6軸管相貫切割機，包括X軸、Y軸和Z軸三個平動軸，以及A軸、B軸和W軸三個轉動軸，W軸可以周而復始旋轉，A軸轉動范圍為（轉動范圍是割槍繞X軸轉動角度），B軸轉動范圍為（轉動范圍是割槍繞Y軸轉動角度），A軸和B軸的旋轉帶動割槍的擺動。系統通過控制A軸、B軸，結合與被切管件同軸心旋轉的W軸，再加上其它三個平動軸，就可以實現對管材任意角度坡口和相貫曲線的加工。圖10為所配套的6軸管相貫切割機。

                           

                   圖10 6軸管相貫切割機

    5  結束語

    基于PC結構的開放式數控系統存在體積大、可靠性差等問題，嵌入式數控系統是未來數控系統的發展趨勢。為解決嵌入式數控系統的開放性問題，本文提出并實現了基于構件的柔性開放式結構，并開發出系列的高性能數控系統，這些系統已在工業上得到了成功的應用。現場測試表明：系統性能穩定可靠，能滿足開放性要求。

    參考文獻：

    [1] PRISCHOW G, JUNGHANS G. Open system controllers-a challenge for the future of the machine tool industry[J]. Annals of CIRP, 1993,41(1): 449-452.
    [2] 陽道善，林奕鴻，朱志紅，陳吉紅.華中網絡數控系統的開發與應用[M]. 中國機械工程，1999，10(10）：1150-1152.
    [3] 李誠人. 嵌入式開放型數控系統研究[J]. 計算機應用與軟件，2008, 125(1): 227-229.
    [4] Minhat M, Vyatkin V, Xu X, Wong S, Al-Bayaa Z．A novel open CNC architecture based on STEP-NC data model and IEC 61499 function block．Robotics and Computer-Integrated Manufacturing ,2009, 25:560-569el software for efficiently building, re-configuring, and distributing an open CNC controller. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 27: 788–796.
    [6] Liu Y, Wang YZ, Fu HY, Han Zy．Open Architecture CNC Software Package and Key Technology. Proceedings of the 2009 International Conference on Information Technology and Computer Science?,2009:225-228.
    [7] Hu, TL, Zhang, CR, Liu RL, et al．Design and implementation of an open CNC core at the shop floor level．International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009,40:541-552．
    [8] Yu D, Hu Y,Xu XW, Huang Y, Du SH. An Open CNC System Based on Component Technology. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2009,6(2):302-310．
    [9] Wei. H.X, Duan. X. M, Chen Y. D and Zhang X.L．Research of Open CNC System Based on CORBA. Proceedings of the 2008 Fifth IEEE International Symposium on Embedded Computing,?2008,10:364-369．
    [10] 陶耀東，林滸．高性能開放式數控系統框架設計[J]．小型微型計算機系統，2009, 30(9):1911-1916．
    [11] 董靖川，王太勇，徐躍．基于數控流水線技術的開放式數控系統[J]. 計算機集成制造系統，2009，15(6):1130-1139．
    [12] 陳友東，陳五一，王田苗．基于組件的開放結構數控系統[J]. 機械工程學報，2006, 42 (6) :188-192．
    [13] 李霞，王永章，梁宏斌，鐘力．有限狀態機在開放式數控系統中的應用[J]．計算機集成制造系統, 2005,11(3), 428-432．
    [14] 杜少華，胡毅，宋桃桃．組件技術在開放式控制系統中的研究[J]．小型微型計算機系統,2009, 4:623-627．
    [15] Yi Hu, Dong Yu, Shaohua Du, Xiaohui Zhang, Yaodong Tao, Zhicheng Wang, “Design and Implementation of Reconfigurable CNC System based on Fieldbus,” Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Information and Automation, 2008, Zhangjiajie, China.
    [16] Decotignie J.-D, Auslander D, Moreaux M. Fieldbus Based Integrated Communication and Control Systems -Architectural Implications. Digital Object Identifier, 10.1109/AMC.1996.
    [17] Gianluca Cena,Andriano Valenzano. An Improved CAN FieldBus for industrial Applications. IEEE Trans.Indus. Elect., 1997, 44(4).