開放式數(shù)控系統(tǒng)的分析研究

李奉順 陸榮鑑 張建紅

摘要：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的軟件層對用戶封閉，硬件層則難以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行替換，且硬件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前的微電子技術(shù)。面對柔性生產(chǎn)概念的興起，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性，越來越難滿足不同用戶的需求，并且用戶不能對已購買的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化的升級(jí)與改造。而開放式的數(shù)控系統(tǒng)具有可移植性強(qiáng)，可針對不同應(yīng)用場景進(jìn)行定制，具有較高的通用性以及可靠性等優(yōu)點(diǎn)，并且可以將人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等新興技術(shù)不斷添加到數(shù)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的個(gè)性化、模塊化、智能化，是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng);數(shù)控系統(tǒng);寶元控制器;運(yùn)動(dòng)控制器

中圖分類號(hào)：TG659?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1004-9436（2020）19-00-04

0 引言

1952年麻省理工學(xué)院研發(fā)了第一臺(tái)真正意義上的三軸NC（Numerical Control，即數(shù)字控制）機(jī)床，自此數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展并運(yùn)用到了幾乎所有的工業(yè)制造行業(yè)中。隨著裝備業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也越來越多[1]。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)主要分為軟件層與硬件層，其核心部分在于軟件層，包括人機(jī)交互控制、數(shù)控功能控制、實(shí)時(shí)控制等方面[2]。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的軟件層對用戶封閉，用戶只能操作數(shù)控系統(tǒng)，硬件層則難以根據(jù)用戶需求進(jìn)行替換，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)只能找專人維修，且硬件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前的微電子技術(shù)，用戶與制造商無法將自己所在行業(yè)的特殊加工經(jīng)驗(yàn)融入數(shù)控系統(tǒng)中。面對柔性制造概念的興起與制造業(yè)環(huán)境的日益復(fù)雜[3]，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性，越來越難滿足不同用戶的需求，而且難以對原有的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造[4]。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開放式數(shù)控系統(tǒng)提出于20世紀(jì)80年代末，影響較為深遠(yuǎn)的開放式數(shù)控系統(tǒng)項(xiàng)目有日本的OSEC（Open System Environment for Controller，即控制器開放系統(tǒng)環(huán)境）項(xiàng)目，歐洲的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation，即自動(dòng)化控制中開放式體系結(jié)構(gòu)）項(xiàng)目、美國的OMAC（Open Modular Architecture Controllers，即開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器）項(xiàng)目[5]。日本的OSEC計(jì)劃的目的在于建立一個(gè)全球范圍內(nèi)通用的工廠自動(dòng)化控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，由日本東芝、Mazak公司與豐田三家公司組建，其基本構(gòu)成為PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）+運(yùn)動(dòng)控制卡型開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。歐洲的OSACA項(xiàng)目由歐盟內(nèi)的相關(guān)控制器廠商共同開發(fā)，其提出了“分層系統(tǒng)平臺(tái)+結(jié)構(gòu)化功能單元”體系，提高了數(shù)控系統(tǒng)的開放性與可移植性。美國的OMAC項(xiàng)目則是由美國通用汽車公司（GM）、克萊斯勒汽車公司（Chrysler）以及福特汽車公司（Ford）共同提出，其目標(biāo)在于針對不同用戶對運(yùn)動(dòng)控制器的需求開發(fā)出相應(yīng)的API（Application Programming Interface，即應(yīng)用程序接口）。

相比于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉、不能適應(yīng)各種場景、升級(jí)改造困難等缺陷，開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可移植性強(qiáng)，可針對不同應(yīng)用場景進(jìn)行定制，具有較高的通用性等優(yōu)點(diǎn)，并且可以將新的技術(shù)如人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視覺技術(shù)[6]等不斷添加到數(shù)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的個(gè)性化、模塊化、智能化[7]。目前常見的開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架有三種，分別是PC+運(yùn)動(dòng)控制卡型、PC嵌入NC型以及全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)[8]。

1.1 PC+運(yùn)動(dòng)控制卡型開放式數(shù)控系統(tǒng)

PC+運(yùn)動(dòng)控制卡型構(gòu)架的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，PC端主要處理一些實(shí)時(shí)性不高的任務(wù)，如人機(jī)交互界面與數(shù)控代碼的讀入與編譯、誤差分析、粗插補(bǔ)與機(jī)床或機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙ぷ?。而運(yùn)動(dòng)控制卡端則主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性較高的任務(wù)，如精插補(bǔ)、各運(yùn)動(dòng)軸的控制、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。其?yōu)點(diǎn)在于開放性良好，用戶擁有較高的權(quán)限，可以根據(jù)自己的需求定制不同的數(shù)控產(chǎn)品。如文獻(xiàn)[3]是基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種五軸數(shù)控磨床，其結(jié)構(gòu)包括上位機(jī)模塊、下位機(jī)模塊與運(yùn)動(dòng)軸的伺服控制模塊，采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大縮短了專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約了時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。

1.2 PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)

PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)則是在CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制）中嵌入PC模塊，由于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性強(qiáng)，難以為不同的用戶提供個(gè)性化的解決方案，面對呼聲漸高的數(shù)控系統(tǒng)開放化，部分傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)制造商開發(fā)了這種在CNC系統(tǒng)中嵌入PC模塊的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是數(shù)控系統(tǒng)的核心控制部分仍然不對用戶開放，其原因在于數(shù)控系統(tǒng)的制造商認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)最重要的部分是其可靠性，PC或無法滿足其可靠性要求。但是相較于傳統(tǒng)的全封閉型數(shù)控系統(tǒng)，該種類型的開放式數(shù)控系統(tǒng)可以針對不同的用戶需求改進(jìn)人機(jī)交互界面等不涉及實(shí)時(shí)控制的部分，如FANUC公司、德國西門子股份公司（SIEMENS）等都采用該種方法提高其數(shù)控系統(tǒng)的開放度。

1.3 全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)

全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)則是利用了如Windows NT/Linux等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在PC環(huán)境下運(yùn)行開放式數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)相對簡單且能夠充分利用PC的性能，處于低層的I/O接口或伺服接口不需要額外的控制器。全基于軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)控制系統(tǒng)的PC化，貼近普通用戶的使用習(xí)慣且可靠性較高，目前越來越多的開放式數(shù)控系統(tǒng)朝著這個(gè)方向發(fā)展。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)

開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)包括其可移植性、可互換性、可擴(kuò)展性等方面[9]，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不同的是，開放式數(shù)控系統(tǒng)通常采用目前流行的通信接口，可以在不同的平臺(tái)上運(yùn)行，不同平臺(tái)間開放式數(shù)控系統(tǒng)的差別僅與平臺(tái)性能相關(guān)，體現(xiàn)了其可移植性的優(yōu)勢。并且在開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架中，不同的功能模塊可以相互替換，不會(huì)影響到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，用戶能夠根據(jù)自己的應(yīng)用或生產(chǎn)要求采用性能、可靠性、功能有所差異的模塊完成開放式數(shù)控系統(tǒng)的搭建。而隨著柔性生產(chǎn)概念的興起，企業(yè)為縮減生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)周期，常常需要定制個(gè)性化的生產(chǎn)解決方案，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部功能模塊無法更改，不能滿足用戶的不同需求，采用開放式數(shù)控系統(tǒng)則可以針對不同的應(yīng)用場景選擇不同的功能模塊搭建個(gè)性化的產(chǎn)品。

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

針對越來越復(fù)雜的加工要求，開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢向著多坐標(biāo)與多通道控制、高速高精度加工、復(fù)雜形狀加工與五軸加工、智能化、安全化、環(huán)保化的方向發(fā)展[10-11]。

3.1 多坐標(biāo)多通道化

以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器為例，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器是美國Delta Tau Data System公司以O(shè)MAC項(xiàng)目為基礎(chǔ)所開發(fā)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，為實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)性的計(jì)算，采用了MOTOROLA 56系列的DSP處理器，但是其處理速度仍與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片有所差距，主頻的變化范圍為20～240MHz，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器最高可以在16個(gè)坐標(biāo)系下控制32個(gè)運(yùn)動(dòng)軸[12]。

3.2 高速高精度加工

為提高零部件的加工質(zhì)量，需要不斷地提高數(shù)控控制器的加工精度，目前越來越多的開放式數(shù)控系統(tǒng)都提供了提高加工質(zhì)量的措施，如加工的前饋控制、加工速度前瞻、軌跡規(guī)劃[13]、加減速曲線控制、NURBS曲線插補(bǔ)功能等，下面以NURBS曲線插補(bǔ)為例說明數(shù)控系統(tǒng)的高精度加工發(fā)展方向。

NURBS曲線全稱為非均勻有理B樣條曲線，其本質(zhì)為參數(shù)曲線，僅需極少的控制參數(shù)如控制點(diǎn)、權(quán)重等就可以得到平滑的曲線。在數(shù)控加工領(lǐng)域中，復(fù)雜的曲線曲面通常被離散為一系列的位置點(diǎn)，但是離散后的數(shù)據(jù)量龐大，給數(shù)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)讀取、傳輸以及后續(xù)的運(yùn)動(dòng)速度控制帶來了極大的不便[14]，并且這種加工方式將降低工件的表面質(zhì)量與精度，而NURBS曲線則可以克服上述問題，與線性插補(bǔ)相比，NURBS曲線插補(bǔ)后的刀位文件只占線性插補(bǔ)的1/10，并且由于NURBS曲線插補(bǔ)光滑，所以能夠提高數(shù)控系統(tǒng)的加工速度。NURBS曲線插補(bǔ)技術(shù)也因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)成為了數(shù)控系統(tǒng)高速高精度加工領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

3.3 復(fù)雜形狀與五軸聯(lián)動(dòng)加工

在數(shù)控加工領(lǐng)域中，當(dāng)待加工的零部件較為復(fù)雜時(shí)，傳統(tǒng)的三軸加工方式需要進(jìn)行多次裝夾才能完成加工，這樣將極大地降低加工精度，因此五軸數(shù)控技術(shù)是高端制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中，各軸均為平動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)在對空間點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算操作時(shí)沒有非線性誤差;而在五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)，由于增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)操作時(shí)因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的合成而產(chǎn)生非線性誤差[15]，如何補(bǔ)償多軸聯(lián)動(dòng)中產(chǎn)生的非線性誤差也成為了當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

3.4 智能化、安全化、環(huán)保化

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展壯大，其逐漸被應(yīng)用于開放式數(shù)控系統(tǒng)中，我國的數(shù)控技術(shù)長期受制于國外，人工智能技術(shù)給我國的制造業(yè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇、開辟了新的道路。為了將智能化技術(shù)融入數(shù)控系統(tǒng)中，需要提升數(shù)控系統(tǒng)的對外感知能力與對加工參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力來提高數(shù)控系統(tǒng)的加工質(zhì)量。如采用改進(jìn)MFAC（自適應(yīng)模型控制）算法實(shí)現(xiàn)了對數(shù)控機(jī)床中伺服電機(jī)的自適應(yīng)控制，獲得了良好的加工性能[16];利用BP（Back Propagation，即反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測機(jī)床的熱誤差，提高了數(shù)控系統(tǒng)的加工精度[17]。

4 研華寶元控制系統(tǒng)器介紹

研華寶元控制器R8800是一個(gè)以核心資源為中心的多功能控制器，其核心功能通過檢查核心資源的內(nèi)容來決定IO于軸的動(dòng)作，用戶通過調(diào)用其通信庫函數(shù)來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。其控制結(jié)構(gòu)包括上層應(yīng)用程序?qū)?、庫函?shù)層、通信函數(shù)層與底層控制層。

R8800基于EtherCat（實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）數(shù)字通信技術(shù)控制伺服控制模塊與I/O模塊，其內(nèi)部包含了六關(guān)節(jié)機(jī)器人算法，并且具備了RTCP（刀尖點(diǎn)跟隨）功能，為用戶提供了豐富的接口，用戶可以根據(jù)自己的需求對控制器進(jìn)行改造升級(jí)，可以滿足各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用需求。

5 結(jié)語

文章討論了目前傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺陷以及目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史以及其常見的組成結(jié)構(gòu)，對PC+運(yùn)動(dòng)控制卡型開放式數(shù)控系統(tǒng)、PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)、全基于軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了簡略分析，對開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)與未來的發(fā)展趨勢作出了分析，可以看出未來開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是面向復(fù)雜加工且越來越智能化，最后簡單介紹了研華寶元的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。我國開展數(shù)控系統(tǒng)的研究相較于其他發(fā)達(dá)國家來說較晚，核心控制技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家，開放式數(shù)控系統(tǒng)更加貼近我國的發(fā)展現(xiàn)狀，并且可以結(jié)合新興的技術(shù)不斷升級(jí)改造，研究開放式數(shù)控系統(tǒng)有助于縮短我國與其他國家相關(guān)技術(shù)的差距。

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作者簡介：李奉順（1996—），男，四川成都人，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)研究。

陸榮鑑（1964—），男，江蘇泰州人，研究生，碩士，講師，系本文通訊作者，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)研究。