南京四開數控機床有限公司
電 話：18963617857
傳 真：025-87137240
E-mail： sales@skycnc.com
開放式數控系統的現狀與趨勢
關鍵詞開放式控制器數控系統機床
KeywordsOpenarchitecturecontrollerCNCMachineTool
1．開放式數控系統
數控系統是數控技術的核心，數控機床的“大腦”。開放式數控系統從20世紀90年代初就引起人們的注意。初期的開放式系統結構仍然是面向特定裝置、硬件和軟件的。對于現代數控機床的控制來說，需要一種完全以微機為基礎的、和諧的、標準化的軟件環境，從而能夠根據用戶需要實現復雜的控制功能，在縮短加工時間的同時，提高加工質量和柔性，如圖1所示。
從圖中可見，開放式數控系統的結構是面向軟件配置的，可以由用戶自行定義接口和軟件平臺，不斷將功能集成到控制系統中，構成網絡化的制造環境。將控制系統硬件和軟件完全分開，可以根據需要和技術的發展對相應硬件或軟件分別升級。這一點對于機床制造商和用戶都是非常有利的。
用戶進入數控系統的內部接口，就可進一步按照加工過程的要求，修改、刪除和添加控制系統的功能，提高機床（包括控制系統）的性能。通過外部接口，就可根據自己的特殊需要和經驗，增加新的控制功能。毫無疑問，開放式控制系統是機床控制技術的發展方向，將給數控系統供應商、機床制造商和較終用戶都帶來效益，如圖2示
2．開放的標志和內涵
數控系統的開放程度可從以下四個方面來加以評價：
1)可移植性。系統的應用模塊無需經過任何改變就可以用于另一平臺，仍然保持其原有性能。
2)可擴展性。不同應用模塊可在同一平臺上運行，相互不發生沖突。
3)可協同性。不同應用模塊能夠協同工作，并以確定方式交換數據。
4)規?？勺?。應用模塊的功能和性能以及硬件的規?？砂凑招枰{整。
實踐證明，控制系統的開放程度將涉及人機界面、控制核心和整個系統：
1)開放的人機界面?！伴_放”僅限于控制系統的非實時部分，可對面向用戶的程序作修改。
2)開放的控制核心（數控和可編程控制等）有限度開放。雖然控制核心的拓撲結構是固定的，但可以嵌入包括實時功能的用戶專用過濾器。
3)開放的控制系統?？刂坪诵牡耐負浣Y構取決于過程，內部可相互交換、規?？勺?、可移植和可協同工作。
當前，盡管眾多的數控系統供應商宣稱他們的產品是開放式數控系統，但系統的開放程度仍然有很大差異。全開放數控系統應該能夠與上層和下層進行通信，如圖3示
3、開放式數控系統結構及其接口
控制系統硬件和軟件結構有三種不同方案：
1)方案1?；趥鹘y的數控系統結構，系統的功能分別由專用的處理器承擔，控制系統核心的位置控制器采用模擬驅動接口。
2)方案2。將控制模塊綜合，減少處理器的數目，采用集成化控制功能的數字驅動方案。
3)方案3。以微機為基礎，采用實時操作系統和單處理器，所有的控制功能作為軟件任務在實時環境下運行，即SoftCNC，具有更大的靈活性。
3種不同方案的結構及其比較如圖4示。
圖4不同開放式系統的特征
機床的新一代數控系統對實時性和可靠性要求很高，硬件和軟件的接口性能具有重要意義。接口可分為外部接口和內部接口兩種，如圖5所示。
圖5控制系統的外部和內部接口
外部接口的作用是將控制系統與上層和下層裝置以及用戶連接，可以分為編程接口和通信接口。NC和PLC編程接口是標準化的，例如RS274、DIN66025。通常采用現場總線SERCOS，Profibus或DeviceNet，作為各種裝置和I/O的接口，采用以太網和TCP/IP作為與上層系統的接口。系統環境內部接口用于構成控制系統核心的元器件之間的交互和數據交換。
10多年來，各國都對開放式控制系統進行了卓有成效的研究和開發。例如，美國的“下一代控制器（NGC）”研究計劃提出了開放式結構標準規范（SOSAS）以及三大汽車公司提出了“開放的模塊結構控制器（OMAC）”計劃；日本由18家機床制造商和系統提供商共同參與的“控制器開放環境（OSEC）”協會，致力于推動控制器開放化；德國發起、歐洲各國參與的“自動化開放控制系統結構（OSACA）”計劃等。
美國國家標準與技術研究所主持了加強型機器控制器（EnhancedMachineController）的研究，采用Linux實時操作系統，源代碼是公開的，可從www.linuxcnc.org網站下載，對我國研究和推廣開放式數控系統有很大參考價值。
控制系統的開放特征可以從系統平臺、通信方式和編程方法三個方面來進行評價和比較，見表1。
表1開放式控制系統的特征
4、開放式數控系統的應用案例
1．德國Andron公司
Andronic2060數控系統是該公司的較新產品（www.andron.com），它是新一代基于微機的、在Windows平臺上的開放式系統，其內部硬件結構如圖6所示。
圖6Andronic2060數控系統的硬件結構
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。人機界面計算機地內部總線卡與數控系統操作面板和外部接口連接。人機界面計算機的CPU卡控制觸摸式LCD顯示屏以及計算機外設和網絡通信。采用，作為所有外設的I/O接口。上海機床集團公司生產的曲軸磨床就采用該系統。
2．南京四開電子企業公司
SKY2006型數控系統是南京四開電子企業公司（www.gf2002.com）基于WIDOWS平臺的新一代開放式數控系統，FPGA的可編程SoC的硬實時設計大幅度提高了數控系統插補與驅動控制響應確定性，可達納秒級。其內部硬件結構如圖7所示。
SKY2006數控系統采用通用X86工業PC進行數控運算(軟件實時模塊），通過100M/IG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PROFIBUSDP（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IO由RS485IO卡通過RS485與工業PC相連。工廠內部以太網與工業PC的第二塊網卡相連，人機界面和軟實時模塊基于WINDOWSXPEMBEDDED平臺，可通過相應API進行二次開發和功能擴展。
圖7南京四開公司的SKY2006系統結構
5、SERCOS接口技術
SERCOS是串聯實時通信系統（SerialReal-timeCommunicationSystem）的縮寫。數控系統從原理上來說，提供的是不連續運動的控制，通過插補技術，借助微小的直線線段去逼近一條曲線，形成刀具的運動軌跡，如圖7所示。
圖7數控軌跡的形成
從圖中可見，為了提高加工精度，必須縮小這個微小直線線段Δs，與此同時系統的響應時間就要縮短。例如當Δs=0.05mm時，響應時間小于0.1ms。
傳統的數控系統是將編程系統的數字信號轉換成為電壓模擬信號，再以電壓的大小控制伺服電動機的轉速，仍是模擬量控制。
SERCOS技術可以將位置控制、速度控制、精密插補以及伺服電動機的控制集成在一個集成電路中。數字伺服驅動技術是借助“串聯實時通信系統”接口將數控系統與伺服控制器用光纖連接起來，大幅度提高系統的傳輸率和響應速度，可達到納秒級，其配置如圖8所示。
圖8具有SERCOS接口的系統配置
德國的STMicroelectronic公司采用0.5μm/5V的HCMOS技術，生產SERCOS專用芯片SERCON816，其外觀和內部邏輯結構如圖9所示。
SERCON816芯片與以前生產的SERCON410B芯片兼容，傳輸率可選為2/4/8/16Mbit，具有與工業微機連接的8/16bit總線接口，通過光纖環進行全雙向通信。
6、皮米級插補技術
數控系統性能以及數控機床的加工精度和效率的提高與插補精度是分不開的。德國Andron公司采用SERCOS接口技術和光纖連接后，開發了皮米級插補技術，將插補精度從1′10-7m提高到0.6′10-12m。顯而易見，插補精度越高，機床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，機床運動越平穩，刀具磨損也越小，進一步降低加工成本。當刀具運動軌跡改變方向時，采用0.1μm插補精度與0.6pm插補精度的對比，如圖10所示。
圖10微米插補與皮米插補的比較
參考文獻
[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.gf2002.com
KeywordsOpenarchitecturecontrollerCNCMachineTool
1．開放式數控系統
數控系統是數控技術的核心，數控機床的“大腦”。開放式數控系統從20世紀90年代初就引起人們的注意。初期的開放式系統結構仍然是面向特定裝置、硬件和軟件的。對于現代數控機床的控制來說，需要一種完全以微機為基礎的、和諧的、標準化的軟件環境，從而能夠根據用戶需要實現復雜的控制功能，在縮短加工時間的同時，提高加工質量和柔性，如圖1所示。
從圖中可見，開放式數控系統的結構是面向軟件配置的，可以由用戶自行定義接口和軟件平臺，不斷將功能集成到控制系統中，構成網絡化的制造環境。將控制系統硬件和軟件完全分開，可以根據需要和技術的發展對相應硬件或軟件分別升級。這一點對于機床制造商和用戶都是非常有利的。
用戶進入數控系統的內部接口，就可進一步按照加工過程的要求，修改、刪除和添加控制系統的功能，提高機床（包括控制系統）的性能。通過外部接口，就可根據自己的特殊需要和經驗，增加新的控制功能。毫無疑問，開放式控制系統是機床控制技術的發展方向，將給數控系統供應商、機床制造商和較終用戶都帶來效益，如圖2示
2．開放的標志和內涵
數控系統的開放程度可從以下四個方面來加以評價：
1)可移植性。系統的應用模塊無需經過任何改變就可以用于另一平臺，仍然保持其原有性能。
2)可擴展性。不同應用模塊可在同一平臺上運行，相互不發生沖突。
3)可協同性。不同應用模塊能夠協同工作，并以確定方式交換數據。
4)規?？勺?。應用模塊的功能和性能以及硬件的規?？砂凑招枰{整。
實踐證明，控制系統的開放程度將涉及人機界面、控制核心和整個系統：
1)開放的人機界面?！伴_放”僅限于控制系統的非實時部分，可對面向用戶的程序作修改。
2)開放的控制核心（數控和可編程控制等）有限度開放。雖然控制核心的拓撲結構是固定的，但可以嵌入包括實時功能的用戶專用過濾器。
3)開放的控制系統?？刂坪诵牡耐負浣Y構取決于過程，內部可相互交換、規?？勺?、可移植和可協同工作。
當前，盡管眾多的數控系統供應商宣稱他們的產品是開放式數控系統，但系統的開放程度仍然有很大差異。全開放數控系統應該能夠與上層和下層進行通信，如圖3示
3、開放式數控系統結構及其接口
控制系統硬件和軟件結構有三種不同方案：
1)方案1?；趥鹘y的數控系統結構，系統的功能分別由專用的處理器承擔，控制系統核心的位置控制器采用模擬驅動接口。
2)方案2。將控制模塊綜合，減少處理器的數目，采用集成化控制功能的數字驅動方案。
3)方案3。以微機為基礎，采用實時操作系統和單處理器，所有的控制功能作為軟件任務在實時環境下運行，即SoftCNC，具有更大的靈活性。
3種不同方案的結構及其比較如圖4示。
圖4不同開放式系統的特征
機床的新一代數控系統對實時性和可靠性要求很高，硬件和軟件的接口性能具有重要意義。接口可分為外部接口和內部接口兩種，如圖5所示。
圖5控制系統的外部和內部接口
外部接口的作用是將控制系統與上層和下層裝置以及用戶連接，可以分為編程接口和通信接口。NC和PLC編程接口是標準化的，例如RS274、DIN66025。通常采用現場總線SERCOS，Profibus或DeviceNet，作為各種裝置和I/O的接口，采用以太網和TCP/IP作為與上層系統的接口。系統環境內部接口用于構成控制系統核心的元器件之間的交互和數據交換。
10多年來，各國都對開放式控制系統進行了卓有成效的研究和開發。例如，美國的“下一代控制器（NGC）”研究計劃提出了開放式結構標準規范（SOSAS）以及三大汽車公司提出了“開放的模塊結構控制器（OMAC）”計劃；日本由18家機床制造商和系統提供商共同參與的“控制器開放環境（OSEC）”協會，致力于推動控制器開放化；德國發起、歐洲各國參與的“自動化開放控制系統結構（OSACA）”計劃等。
美國國家標準與技術研究所主持了加強型機器控制器（EnhancedMachineController）的研究，采用Linux實時操作系統，源代碼是公開的，可從www.linuxcnc.org網站下載，對我國研究和推廣開放式數控系統有很大參考價值。
控制系統的開放特征可以從系統平臺、通信方式和編程方法三個方面來進行評價和比較，見表1。
表1開放式控制系統的特征
4、開放式數控系統的應用案例
1．德國Andron公司
Andronic2060數控系統是該公司的較新產品（www.andron.com），它是新一代基于微機的、在Windows平臺上的開放式系統，其內部硬件結構如圖6所示。
圖6Andronic2060數控系統的硬件結構
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。人機界面計算機地內部總線卡與數控系統操作面板和外部接口連接。人機界面計算機的CPU卡控制觸摸式LCD顯示屏以及計算機外設和網絡通信。采用，作為所有外設的I/O接口。上海機床集團公司生產的曲軸磨床就采用該系統。
2．南京四開電子企業公司
SKY2006型數控系統是南京四開電子企業公司（www.gf2002.com）基于WIDOWS平臺的新一代開放式數控系統，FPGA的可編程SoC的硬實時設計大幅度提高了數控系統插補與驅動控制響應確定性，可達納秒級。其內部硬件結構如圖7所示。
SKY2006數控系統采用通用X86工業PC進行數控運算(軟件實時模塊），通過100M/IG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PROFIBUSDP（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IO由RS485IO卡通過RS485與工業PC相連。工廠內部以太網與工業PC的第二塊網卡相連，人機界面和軟實時模塊基于WINDOWSXPEMBEDDED平臺，可通過相應API進行二次開發和功能擴展。
圖7南京四開公司的SKY2006系統結構
5、SERCOS接口技術
SERCOS是串聯實時通信系統（SerialReal-timeCommunicationSystem）的縮寫。數控系統從原理上來說，提供的是不連續運動的控制，通過插補技術，借助微小的直線線段去逼近一條曲線，形成刀具的運動軌跡，如圖7所示。
圖7數控軌跡的形成
從圖中可見，為了提高加工精度，必須縮小這個微小直線線段Δs，與此同時系統的響應時間就要縮短。例如當Δs=0.05mm時，響應時間小于0.1ms。
傳統的數控系統是將編程系統的數字信號轉換成為電壓模擬信號，再以電壓的大小控制伺服電動機的轉速，仍是模擬量控制。
SERCOS技術可以將位置控制、速度控制、精密插補以及伺服電動機的控制集成在一個集成電路中。數字伺服驅動技術是借助“串聯實時通信系統”接口將數控系統與伺服控制器用光纖連接起來，大幅度提高系統的傳輸率和響應速度，可達到納秒級，其配置如圖8所示。
圖8具有SERCOS接口的系統配置
德國的STMicroelectronic公司采用0.5μm/5V的HCMOS技術，生產SERCOS專用芯片SERCON816，其外觀和內部邏輯結構如圖9所示。
SERCON816芯片與以前生產的SERCON410B芯片兼容，傳輸率可選為2/4/8/16Mbit，具有與工業微機連接的8/16bit總線接口，通過光纖環進行全雙向通信。
6、皮米級插補技術
數控系統性能以及數控機床的加工精度和效率的提高與插補精度是分不開的。德國Andron公司采用SERCOS接口技術和光纖連接后，開發了皮米級插補技術，將插補精度從1′10-7m提高到0.6′10-12m。顯而易見，插補精度越高，機床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，機床運動越平穩，刀具磨損也越小，進一步降低加工成本。當刀具運動軌跡改變方向時，采用0.1μm插補精度與0.6pm插補精度的對比，如圖10所示。
圖10微米插補與皮米插補的比較
參考文獻
[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.gf2002.com
關注官方微信