开放式数控系统介绍

NGC系统体系结构
开放式数控系统
（2）欧洲的OSACA计划 OSACA计划是1990 年有欧共体国家的 22家控制器开发商、机床生产商、控制系统 集成商和科研机构联合开发的。OSACA 计 划提出的“分层的系统平台+结构化的功能单 元”的体系结构。该体系结构保证了各种应 用系统与操作平台的无关性及相互间的互操 作业，保证了开放性。
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开放式数控系统的研究状况 1.国外的研究情况 （1）美国的NGC计划 美国是开放式数控系统的发起人，于1987 年提出了NGC（Next Generation Workstation/Machine Controller）计划。

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NGC计划的目的是为基于开放式系统体系结构的下 一代机械制造控制器提供一个标准，这种体系结构 允许不同的设计人员开发可相互交换和相互操作的 控制器部件。例如多个装置间的协调，装置的全独 立编程，基于模型的处理，自适应路径策略和大范 围的工作站及实时特性等。NGC 的体系结构是在虚 拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟机械把系统 和模块链接到计算机平台上，如图所示：
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（3）全软件型NC 该类型系统是指CNC的全部功能均由PC 实现，并通过装在PC机上扩展槽的伺服接口 卡对伺服驱动等进行控制。其软件的通用性 好，编程处理灵活。这种CNC装置的主体是 PC机，充分利用PC机不断提高的计算速度、 不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系 统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关 量的逻辑控制。
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（2）NC嵌入PC型 该类型系统就是将运动控制板或整个 CNC单元(包括集成的PLC)插入到个人计算 机的扩展槽中。PC机作非实时处理，实时控 制由CNC单元或运动控制板来承担，这种方 法能够方便地实现人机界面的开放化和个性 化。
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美国的DELTA公司的PMAC-NC开放式数 控系统将PMAC卡(可编程多轴运动控制器)插 入PC机扩展槽中，总线接口为CANBUS。德 国INDRAMAT公司的MTC - 200系列开放式 数控系统将MTC-PCNC和MTC-PPLC卡插入 PC机扩展槽中，总线接口为SERCOS。 POWER AUTOMATION公司的PA8000系列 数控系统同样将PA-CNC ENGINE运动控制 卡插入PC机扩展槽中，构成开放式数控系统。
体系结构参照模型
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开放式数控系统的研究状况 2.我国的研究情况 与国际先进水平相比，国内的开放式数控系统的 研究还处于初级阶段。目前，在国内市场中，中、 高档产品主要被进口产品占据，而在较抵挡的经济 型数控机床市场我国的产品占据主要地位。我国主 要的产品有武汉的华中系列、广州的广数、深圳的 固高、北京的中华系列、沈阳的蓝天系列，其中华 中世纪之星可实现五轴联动，是国内比较先进的数 控系统。深圳固高的P
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（3）可移植性 不同应用程序模块可运行于不同生产商 提供的系统平台，同时系统软件也可运行于 不同特性的硬件平台之上。因此，系统的功 能软件应与设备无关，即应用统一的数据格 式、控制机制，并且通过一致的设备接口， 使各功能模块能运行于不同的硬件平台上。
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（4）二次开发性 开放式数控系统应允许用户根据自身的需 要进行二次开发。比较简单的二次开发包括 用户界面的重新设计、参数设置等。深层的 二次开发允许用户将自己设计的标准功能模 块集成到开放式数控系统中。所以系统应当 提供接口标准，包括访问和修改系统参数的 方法以及开放式系统提供的API(应用程序接 口)和其他工具。
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（1）PC嵌入NC型 该类型系统是将PC装入到NC内部，PC 与NC之间用专用的总线连接。系统数据传输 快，响应迅速，同时，原型NC系统也可不加 修改就得以利用。这种数控系统尽管具有一 定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统 的数控系统，其体系结构还是不开放的。
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此类系统如日本的FANUC 160/180/210 是典型的PC嵌入NC模式的CNC系统。在 FANUC CNC专用32位总线插槽中插入一块 名为MMC - IV的PC模块，通过专用接口使 CNC与MMC-IV紧密结合。德国的SIEMENS 840D系统包括集成有PLC的MMC模块，通过 多点接口 (MPI)与NCU(含CNC和PLC部分)模 块相连。
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开放式数控系统的基本特点： （1）模块化 包括数控功能模块化和系统体系结构模 块化。前者是指用户可以根据自己的要求选 装所需的数控功能；后者是指数控系统内实 现各个功能的算法是可分离的、可替换的。 模块化是数控系统开放的基础
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（2）标准化 数控装置的开放是在一定的标准约束下 进行的，各个公司开发的各种部件和功能模 块必须符合这个标准。按这个标准生产的不 同公司的产品可以拼装成一台集多家公司智 慧的、功能完整的控制器。 标准化的基础是模块化，因为标准的制定要 建立在模块合理划分的基础上。
传统数控系统与开放式数控系统比较图：
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开放式数控系统的体系结构 开放体系结构是从软件到硬件，从人机 操作界面到底层控制内核的全方位开放。基 于PC的开放式数控系统能充分地利用计算机 的软硬件资源，可使用通用的高级语言方便 地编制程序，用户可将标准化的外设、应用 软件进行灵活地组合和使用。使用计算机同 时也便于实现网络化。基于PC的开放式数控 系统大致可分为以下三种类型：
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生影响，因此，用户可按需要编制新的功能 模块，添加到系统中，亦可取代系统中现有 的功能模块，使得系统具有良好的功能扩展 性。 （4）开发出一个优化系统软件，把各种优化技 术集成在软件包中 利用该软件来优化配置系统加工参数， 使加工过程最优化。通过分析比较多种智能 模块技术，选择出一种重构产品最优控制模 块，完成系统的第二次开发。
（2）实现系统硬件的模块化、标准化和系列化， 并提高其可靠性和实时性 通过对系统 CPU 结构模式、通讯方式、 运动控制和辅助控制等方面进行模块化处理， 按功能制作成功能模块并实现标准化和系列 化，且各模块单元之间可利用已定义的标准 化接口进行通讯。
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（3）构造一种独立于硬件系统的软件平台 针对数控系统的实时性和多任务性特点， 应构筑一种实时多任务软件平台，并使其 基本功能模块化、典型化，使各个功能模 块实现统一调度和相互独立，这样在为不 同硬件结构的数控系统提供软件时，只需 按其功能配置相应的软件模块，即可实现 软件的独立性和开放性。由于每个功能模 块不会对其他功能模块和结构框图：
第六讲 开放式数控系统
开放式数控系统

开放式数控系统的概念 IEEE(美国电气电子工程师协会)关于开放式 系统的定义是: 能够在多种平台上运行，可以 和其他系统互操作，并能给用户提供一种统 一风格的交互方式。通俗地说，开放式数控 系统允许用户根据自己的需要进行选配和集 成，更改或扩展系统的功能迅速适应不同的 应用需求，而且，组成系统的各功能模块可 以来源于不同的部件供应商并相互兼容。

简介 PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller)可编程多轴运 动控制器，是美国Delta Tau Data System 公司于推出的PC 机平台上的运动控制器,是一个完全开放的系统。它采用了 Motorola 公司的高性能信号数字处理器DSP56001/2作为 CPU ,是世界上功能最强大的运动控制器之一。从硅谷计算 机硬盘的超高精度的伺服磁道写入，到高级CNC 机械控制， 以及机器人、硅晶片处理、激光切割等广大领域，最著名的 例子是PMAC 被用来控制哈勃望远镜镜面的修磨。PMAC 可以控制步进、交直流伺服、直线电机、液压伺服等各类电 机，可以接受诸如增量绝对码盘、光栅尺、激光干涉仪、电 位计、旋转变压器等检测元件的反馈功能。另外，由于作为 CNC 最深层次的NC 内核的开放，PMAC 允许用户使用诸 如VC++ 、C、C++ 、VB、Delphi 等多种语言开发程序,极 大地方便了用户。
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（5）网络化 现代意义上的网络化数控系统以通讯 和资源共享为手段,以车间乃至企业内的 制造设备的有机集成为目标,支持ISO-OSI 网络互联规范, 能支持Internet/Intranet标 准，具有很强的开放性，它的联网功能通 过标准网络设备来实现,而不需要其他的 接口部件或者上位机。
OSACA系统平台结构
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（3）日本的OSEC计划 日本的OSEC计划，由东芝机器公司、丰田机 器厂和Mazak公司三家机床制造商和日本 IBM、三 菱电子及 SML信息系统公司共同组建。其目的是建 立一个国际性的工厂自动化控制设备标准。在硬件 方面，OSEC计划采用 PC+控制卡的结构，有利于 层次化、模块化、灵活配置的实现。OSEC将功能 单元分组并结构化在一些功能层中，其开放体系结 构包括了 3个功能层共 7 个处理阶层,如图所示：
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开放式数控系统研究的关键问题 （1） 制定一个开放式数控系统的制造协议 在系统的应用软件、硬件和网络功能方 面形成一整套标准规范，规范系统的软硬件 界面和通讯协议，使得控制器制造商和机床 生产厂能在制造协议的导航下进行有序的开 发和生产，并在此基础上实现广泛的合作。

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