南京四开数控机床有限公司
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开放式数控系统的现状与趋势
关键词开放式控制器数控系统机床
KeywordsOpenarchitecturecontrollerCNCMachineTool
1．开放式数控系统
数控系统是数控技术的核心，数控机床的“大脑”。开放式数控系统从20世纪90年代初就引起人们的注意。初期的开放式系统结构仍然是面向特定装置、硬件和软件的。对于现代数控机床的控制来说，需要一种完全以微机为基础的、和谐的、标准化的软件环境，从而能够根据用户需要实现复杂的控制功能，在缩短加工时间的同时，提高加工质量和柔性，如图1所示。
从图中可见，开放式数控系统的结构是面向软件配置的，可以由用户自行定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中，构成网络化的制造环境。将控制系统硬件和软件完全分开，可以根据需要和技术的发展对相应硬件或软件分别升级。这一点对于机床制造商和用户都是非常有利的。
用户进入数控系统的内部接口，就可进一步按照加工过程的要求，修改、删除和添加控制系统的功能，提高机床（包括控制系统）的性能。通过外部接口，就可根据自己的特殊需要和经验，增加新的控制功能。毫无疑问，开放式控制系统是机床控制技术的发展方向，将给数控系统供应商、机床制造商和较终用户都带来效益，如图2示
2．开放的标志和内涵
数控系统的开放程度可从以下四个方面来加以评价：
1)可移植性。系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持其原有性能。
2)可扩展性。不同应用模块可在同一平台上运行，相互不发生冲突。
3)可协同性。不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。
4)规模可变。应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。
实践证明，控制系统的开放程度将涉及人机界面、控制核心和整个系统：
1)开放的人机界面。“开放”仅限于控制系统的非实时部分，可对面向用户的程序作修改。
2)开放的控制核心（数控和可编程控制等）有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。
3)开放的控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。
当前，尽管众多的数控系统供应商宣称他们的产品是开放式数控系统，但系统的开放程度仍然有很大差异。全开放数控系统应该能够与上层和下层进行通信，如图3示
3、开放式数控系统结构及其接口
控制系统硬件和软件结构有三种不同方案：
1)方案1。基于传统的数控系统结构，系统的功能分别由专用的处理器承担，控制系统核心的位置控制器采用模拟驱动接口。
2)方案2。将控制模块综合，减少处理器的数目，采用集成化控制功能的数字驱动方案。
3)方案3。以微机为基础，采用实时操作系统和单处理器，所有的控制功能作为软件任务在实时环境下运行，即SoftCNC，具有更大的灵活性。
3种不同方案的结构及其比较如图4示。
图4不同开放式系统的特征
机床的新一代数控系统对实时性和可靠性要求很高，硬件和软件的接口性能具有重要意义。接口可分为外部接口和内部接口两种，如图5所示。
图5控制系统的外部和内部接口
外部接口的作用是将控制系统与上层和下层装置以及用户连接，可以分为编程接口和通信接口。NC和PLC编程接口是标准化的，例如RS274、DIN66025。通常采用现场总线SERCOS，Profibus或DeviceNet，作为各种装置和I/O的接口，采用以太网和TCP/IP作为与上层系统的接口。系统环境内部接口用于构成控制系统核心的元器件之间的交互和数据交换。
10多年来，各国都对开放式控制系统进行了卓有成效的研究和开发。例如，美国的“下一代控制器（NGC）”研究计划提出了开放式结构标准规范（SOSAS）以及三大汽车公司提出了“开放的模块结构控制器（OMAC）”计划；日本由18家机床制造商和系统提供商共同参与的“控制器开放环境（OSEC）”协会，致力于推动控制器开放化；德国发起、欧洲各国参与的“自动化开放控制系统结构（OSACA）”计划等。
美国国家标准与技术研究所主持了加强型机器控制器（EnhancedMachineController）的研究，采用Linux实时操作系统，源代码是公开的，可从www.linuxcnc.org网站下载，对我国研究和推广开放式数控系统有很大参考价值。
控制系统的开放特征可以从系统平台、通信方式和编程方法三个方面来进行评价和比较，见表1。
表1开放式控制系统的特征
4、开放式数控系统的应用案例
1．德国Andron公司
Andronic2060数控系统是该公司的较新产品（www.andron.com），它是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式系统，其内部硬件结构如图6所示。
图6Andronic2060数控系统的硬件结构
它采用由两个Intel处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器承担数控运算（NC计算机），另一个作为人机界面计算机。NC计算机中插有NCCPU卡、NC机床卡。NC机床卡与数控驱动装置连接，并且通过2块带PCI桥的总线卡与人机界面计算机通信。人机界面计算机地内部总线卡与数控系统操作面板和外部接口连接。人机界面计算机的CPU卡控制触摸式LCD显示屏以及计算机外设和网络通信。采用，作为所有外设的I/O接口。上海机床集团公司生产的曲轴磨床就采用该系统。
2．南京四开电子企业公司
SKY2006型数控系统是南京四开电子企业公司（www.skycnc.com）基于WIDOWS平台的新一代开放式数控系统，FPGA的可编程SoC的硬实时设计大幅度提高了数控系统插补与驱动控制响应确定性，可达纳秒级。其内部硬件结构如图7所示。
SKY2006数控系统采用通用X86工业PC进行数控运算(软件实时模块），通过100M/IG以太网与基于FPGA精密插补核心（硬件实时模块）相连。系统多轴运动的实时性有FPGA的精细插补软核并行完成，保证数控轨迹高精密性。FPGA核心模块支持PROFIBUSDP（10M）与驱动连接，同时也有30M的SKYLINK内部协议与模拟驱动扩展模块相连，便于已有的机床进行系统升级。
操作面板和一般性IO由RS485IO卡通过RS485与工业PC相连。工厂内部以太网与工业PC的第二块网卡相连，人机界面和软实时模块基于WINDOWSXPEMBEDDED平台，可通过相应API进行二次开发和功能扩展。
图7南京四开公司的SKY2006系统结构
5、SERCOS接口技术
SERCOS是串联实时通信系统（SerialReal-timeCommunicationSystem）的缩写。数控系统从原理上来说，提供的是不连续运动的控制，通过插补技术，借助微小的直线线段去逼近一条曲线，形成刀具的运动轨迹，如图7所示。
图7数控轨迹的形成
从图中可见，为了提高加工精度，必须缩小这个微小直线线段Δs，与此同时系统的响应时间就要缩短。例如当Δs=0.05mm时，响应时间小于0.1ms。
传统的数控系统是将编程系统的数字信号转换成为电压模拟信号，再以电压的大小控制伺服电动机的转速，仍是模拟量控制。
SERCOS技术可以将位置控制、速度控制、精密插补以及伺服电动机的控制集成在一个集成电路中。数字伺服驱动技术是借助“串联实时通信系统”接口将数控系统与伺服控制器用光纤连接起来，大幅度提高系统的传输率和响应速度，可达到纳秒级，其配置如图8所示。
图8具有SERCOS接口的系统配置
德国的STMicroelectronic公司采用0.5µm/5V的HCMOS技术，生产SERCOS专用芯片SERCON816，其外观和内部逻辑结构如图9所示。
SERCON816芯片与以前生产的SERCON410B芯片兼容，传输率可选为2/4/8/16Mbit，具有与工业微机连接的8/16bit总线接口，通过光纤环进行全双向通信。
6、皮米级插补技术
数控系统性能以及数控机床的加工精度和效率的提高与插补精度是分不开的。德国Andron公司采用SERCOS接口技术和光纤连接后，开发了皮米级插补技术，将插补精度从1´10-7m提高到0.6´10-12m。显而易见，插补精度越高，机床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，机床运动越平稳，刀具磨损也越小，进一步降低加工成本。当刀具运动轨迹改变方向时，采用0.1µm插补精度与0.6pm插补精度的对比，如图10所示。
图10微米插补与皮米插补的比较
参考文献
[1]PrischowGetal.OpenControllerArchitecture--Past,PresentandFurure.AnnalsoftheCIRPv.50/1,2001
[2]KynastR.DigitalDriveInterface.SERCOSInterface,pp.10-13VogelVerlag,Berlin.2004
[3]LutzP.Sercon816--ControllerforSerconInterface.SERCOSInterface,pp.10-13VogelVerlag,Berlin.2004
[4]www.andron.de
[5]www’isg-stuttgart.de
[6]www.skycnc.com
KeywordsOpenarchitecturecontrollerCNCMachineTool
1．开放式数控系统
数控系统是数控技术的核心，数控机床的“大脑”。开放式数控系统从20世纪90年代初就引起人们的注意。初期的开放式系统结构仍然是面向特定装置、硬件和软件的。对于现代数控机床的控制来说，需要一种完全以微机为基础的、和谐的、标准化的软件环境，从而能够根据用户需要实现复杂的控制功能，在缩短加工时间的同时，提高加工质量和柔性，如图1所示。
从图中可见，开放式数控系统的结构是面向软件配置的，可以由用户自行定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中，构成网络化的制造环境。将控制系统硬件和软件完全分开，可以根据需要和技术的发展对相应硬件或软件分别升级。这一点对于机床制造商和用户都是非常有利的。
用户进入数控系统的内部接口，就可进一步按照加工过程的要求，修改、删除和添加控制系统的功能，提高机床（包括控制系统）的性能。通过外部接口，就可根据自己的特殊需要和经验，增加新的控制功能。毫无疑问，开放式控制系统是机床控制技术的发展方向，将给数控系统供应商、机床制造商和较终用户都带来效益，如图2示
2．开放的标志和内涵
数控系统的开放程度可从以下四个方面来加以评价：
1)可移植性。系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持其原有性能。
2)可扩展性。不同应用模块可在同一平台上运行，相互不发生冲突。
3)可协同性。不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。
4)规模可变。应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。
实践证明，控制系统的开放程度将涉及人机界面、控制核心和整个系统：
1)开放的人机界面。“开放”仅限于控制系统的非实时部分，可对面向用户的程序作修改。
2)开放的控制核心（数控和可编程控制等）有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。
3)开放的控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。
当前，尽管众多的数控系统供应商宣称他们的产品是开放式数控系统，但系统的开放程度仍然有很大差异。全开放数控系统应该能够与上层和下层进行通信，如图3示
3、开放式数控系统结构及其接口
控制系统硬件和软件结构有三种不同方案：
1)方案1。基于传统的数控系统结构，系统的功能分别由专用的处理器承担，控制系统核心的位置控制器采用模拟驱动接口。
2)方案2。将控制模块综合，减少处理器的数目，采用集成化控制功能的数字驱动方案。
3)方案3。以微机为基础，采用实时操作系统和单处理器，所有的控制功能作为软件任务在实时环境下运行，即SoftCNC，具有更大的灵活性。
3种不同方案的结构及其比较如图4示。
图4不同开放式系统的特征
机床的新一代数控系统对实时性和可靠性要求很高，硬件和软件的接口性能具有重要意义。接口可分为外部接口和内部接口两种，如图5所示。
图5控制系统的外部和内部接口
外部接口的作用是将控制系统与上层和下层装置以及用户连接，可以分为编程接口和通信接口。NC和PLC编程接口是标准化的，例如RS274、DIN66025。通常采用现场总线SERCOS，Profibus或DeviceNet，作为各种装置和I/O的接口，采用以太网和TCP/IP作为与上层系统的接口。系统环境内部接口用于构成控制系统核心的元器件之间的交互和数据交换。
10多年来，各国都对开放式控制系统进行了卓有成效的研究和开发。例如，美国的“下一代控制器（NGC）”研究计划提出了开放式结构标准规范（SOSAS）以及三大汽车公司提出了“开放的模块结构控制器（OMAC）”计划；日本由18家机床制造商和系统提供商共同参与的“控制器开放环境（OSEC）”协会，致力于推动控制器开放化；德国发起、欧洲各国参与的“自动化开放控制系统结构（OSACA）”计划等。
美国国家标准与技术研究所主持了加强型机器控制器（EnhancedMachineController）的研究，采用Linux实时操作系统，源代码是公开的，可从www.linuxcnc.org网站下载，对我国研究和推广开放式数控系统有很大参考价值。
控制系统的开放特征可以从系统平台、通信方式和编程方法三个方面来进行评价和比较，见表1。
表1开放式控制系统的特征
4、开放式数控系统的应用案例
1．德国Andron公司
Andronic2060数控系统是该公司的较新产品（www.andron.com），它是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式系统，其内部硬件结构如图6所示。
图6Andronic2060数控系统的硬件结构
它采用由两个Intel处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器承担数控运算（NC计算机），另一个作为人机界面计算机。NC计算机中插有NCCPU卡、NC机床卡。NC机床卡与数控驱动装置连接，并且通过2块带PCI桥的总线卡与人机界面计算机通信。人机界面计算机地内部总线卡与数控系统操作面板和外部接口连接。人机界面计算机的CPU卡控制触摸式LCD显示屏以及计算机外设和网络通信。采用，作为所有外设的I/O接口。上海机床集团公司生产的曲轴磨床就采用该系统。
2．南京四开电子企业公司
SKY2006型数控系统是南京四开电子企业公司（www.skycnc.com）基于WIDOWS平台的新一代开放式数控系统，FPGA的可编程SoC的硬实时设计大幅度提高了数控系统插补与驱动控制响应确定性，可达纳秒级。其内部硬件结构如图7所示。
SKY2006数控系统采用通用X86工业PC进行数控运算(软件实时模块），通过100M/IG以太网与基于FPGA精密插补核心（硬件实时模块）相连。系统多轴运动的实时性有FPGA的精细插补软核并行完成，保证数控轨迹高精密性。FPGA核心模块支持PROFIBUSDP（10M）与驱动连接，同时也有30M的SKYLINK内部协议与模拟驱动扩展模块相连，便于已有的机床进行系统升级。
操作面板和一般性IO由RS485IO卡通过RS485与工业PC相连。工厂内部以太网与工业PC的第二块网卡相连，人机界面和软实时模块基于WINDOWSXPEMBEDDED平台，可通过相应API进行二次开发和功能扩展。
图7南京四开公司的SKY2006系统结构
5、SERCOS接口技术
SERCOS是串联实时通信系统（SerialReal-timeCommunicationSystem）的缩写。数控系统从原理上来说，提供的是不连续运动的控制，通过插补技术，借助微小的直线线段去逼近一条曲线，形成刀具的运动轨迹，如图7所示。
图7数控轨迹的形成
从图中可见，为了提高加工精度，必须缩小这个微小直线线段Δs，与此同时系统的响应时间就要缩短。例如当Δs=0.05mm时，响应时间小于0.1ms。
传统的数控系统是将编程系统的数字信号转换成为电压模拟信号，再以电压的大小控制伺服电动机的转速，仍是模拟量控制。
SERCOS技术可以将位置控制、速度控制、精密插补以及伺服电动机的控制集成在一个集成电路中。数字伺服驱动技术是借助“串联实时通信系统”接口将数控系统与伺服控制器用光纤连接起来，大幅度提高系统的传输率和响应速度，可达到纳秒级，其配置如图8所示。
图8具有SERCOS接口的系统配置
德国的STMicroelectronic公司采用0.5µm/5V的HCMOS技术，生产SERCOS专用芯片SERCON816，其外观和内部逻辑结构如图9所示。
SERCON816芯片与以前生产的SERCON410B芯片兼容，传输率可选为2/4/8/16Mbit，具有与工业微机连接的8/16bit总线接口，通过光纤环进行全双向通信。
6、皮米级插补技术
数控系统性能以及数控机床的加工精度和效率的提高与插补精度是分不开的。德国Andron公司采用SERCOS接口技术和光纤连接后，开发了皮米级插补技术，将插补精度从1´10-7m提高到0.6´10-12m。显而易见，插补精度越高，机床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，机床运动越平稳，刀具磨损也越小，进一步降低加工成本。当刀具运动轨迹改变方向时，采用0.1µm插补精度与0.6pm插补精度的对比，如图10所示。
图10微米插补与皮米插补的比较
参考文献
[1]PrischowGetal.OpenControllerArchitecture--Past,PresentandFurure.AnnalsoftheCIRPv.50/1,2001
[2]KynastR.DigitalDriveInterface.SERCOSInterface,pp.10-13VogelVerlag,Berlin.2004
[3]LutzP.Sercon816--ControllerforSerconInterface.SERCOSInterface,pp.10-13VogelVerlag,Berlin.2004
[4]www.andron.de
[5]www’isg-stuttgart.de
[6]www.skycnc.com
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