開放式數控系統的設計思想誕生于20世紀80年代，近30年的研究取得了巨大的進展，已建立了基于互操作和分級式軟件模塊的開放體系結構標準規范。開放式系統應該具有可移植性、可互操作性和一致性。不言而喻，“開放性”是該技術的最主要的特征。從技術角度上，“開放性”可以為3類：數控系統軟件的開放性、加工數據模型的開放性和硬件實施平臺的開放性。圖1所示的樹形圖可描述開放式數控系統開放性的技術分支，從中可以清楚地看出開放式數控系統的關鍵技術。本文將分別從“軟件的開放性”、“加工數據模型的開放性”和“硬件實施平臺的開放性”等方面，介紹各領域內的關鍵技術、國內的研究現狀和存在的問題，并提出解決方法和建議，與同行交流和共享。

　　系統軟件的開放性

　　從本質上說，開放式數控系統的開放性得益于軟件，而軟件開放性中最重要的是數控系統的開放式體系結構。它包括系統的硬軟件組成部件的劃分和各部件間的連接與約束(如拓撲關系、同步關系和通訊協議等)。CNC系統的體系結構不僅為系統的分析、設計和制造提供參考框架，也是指導系統在整個生存期內進行擴展、更新、維護和二次開發的基礎，是整個系統的靈魂，是開放性實現的根源。

　　圖1 開放式數控系統開放性的技術分支

　　1 體系結構的研究

　　到目前為止，世界上已有幾個組織開展了開放結構控制器體系結構的研究工作，比較有影響的是歐洲的OSACA(Open System Architecture for Controls Within Automation System)、美國的OMAC(Open Modular Architecture Controller)和日本的OSEC(Open System Environment for Controller)。國內已有多家研究單位對這幾種體系結構進行了充分比較，并在以美國的OMAC為基礎、采用COM組件技術實現方式來搭建開放式結構控制器方面做了一些嘗試。從近幾年的發展看，該種研究方向是正確的、適合中國國情的。也正因為選用了OMAC體系結構，引出了實現該體系結構所需要的一系列關鍵技術，包括實時操作系統、組件開發技術、有限狀態機和實時系統下的任務調度等。

　　2 軟件平臺

　　開放式數控系統的硬件平臺主要是個人計算機(Personal Computer，PC)。而軟件平臺就有了多種選擇的可能。但事實上，選用何種平臺直接影響到開發難度、成本等一系列核心問題。目前常見的方案一種是采用Windows+RTX方案，RTX可以認為是內置于Windows的一個子系統，它不影響Windows的原有功能，而增加了其實時性。這種方式適合熟悉Windows操作系統的中國用戶進行開發，能夠在一定程度上降低開發難度，但是無論Windows還是RTX都不是中國自主知識產權的操作系統產品，該開發平臺價格昂貴(尤其是RTX)，底層技術保密，造成國內開放式數控系統的開發嚴重依賴國外，這對軟數控系統的產業化、降低生產成本都十分不利。另一種方案是采用RTLinux，雖然由于其開源的特性，沒有知識產權的問題和底層開發的限制，但對中國用戶來說，加大了開發難度，增加了工作量，也阻礙了國內開放式軟數控系統的研究進展。事實上，國內在開發平臺的選擇上，一直面臨著兩難的抉擇。

　　3 組件技術

　　OMAC是目前國內應用比較廣泛的開放式數控系統體系結構，而OMAC所定義的開放式數控系統的開放性、模塊化、可擴展性、可伸縮性和標準獨立的接口的實現都離不開組件技術。關于組件技術的實現，目前國內采用的主要方式是在Windows操作系統下采用微軟的組件對象模型(Component Object Module，COM)技術來進行開發。所謂COM是由微軟提出的一種適合于分布式軟件模型的標準。這種系統將數控功能分成若干模塊，按COM標準開發各模塊的具體功能，通過相互間的標準接口完成實際的任務。然后通過標準的接口卡把數控系統的軟件和機床連接起來，形成一套簡潔、通用、具有很高開放性的數控系統。

　　4 有限狀態機

　　CNC系統是一個復雜且具有不同層次實時性要求的多任務控制器。系統中每個對象的功能、行為、起始過程、以及它們之間相互操作的關系，在系統建模中都必須得到清晰的描述。目前最有效的手段就是有限狀態機(Finite State Machine，FSM)理論。有限狀態機由有限的狀態和相互之間的轉移構成，在任何時候只能處于給定數目的狀態中的一個。FSM經常被應用于反應式系統的建模。數控系統根據輸入的信息控制機床移動，實現加工操作，其行為是可預見的，屬于典型的反應式系統，將外部輸入的信息表示為FSM的輸人事件，將機床的加工操作表示為FSM的動作，因此，有限狀態機在開放式軟數控系統的開發中占有重要的地位。

　　5 數控系統中的任務調度

　　組件技術和有限狀態機是OMAC體系結構所引入的技術，而任務調度是任何體系結構數控系統都要面臨的問題。通常數控系統的操作任務包括管理和控制兩大部分。前者對系統實時性要求不高，后者就具有強實時性的要求。早期的計算機數控系統中，缺少全面的任務調度機制，對任務執行的控制通常采用前后臺結構或多重中斷結構，而前后臺結構的缺點是程序運行時資源不能合理協調;多重中斷帶來的問題是對硬件要求高，模塊的動態調度性較差。為了解決上述問題，目前的研究方向是采用實時系統調度模式對數控任務的運行進行統一管理。這樣可以使系統運行過程中任務相互協調，提高資源利用率，且易于功能擴展，是一種理想的數控系統實現方式

　　加工模型的開放性

　　在開放式數控系統開放性三大發展趨勢中，加工模型的開放性占有十分重要的地位。目前，絕大多數商用數控系統加工所采用的數控程序都是基于國際標準IS06983的，它的特點是針對刀具和機床坐標軸進行編程，將以特征表示的零件高層信息處理成以點、線表示的底層幾何信息。但采用這種方式，一方面會造成復雜曲線曲面加工精度和制造效率的降低，不利于先進數控系統對高速高精加工的技術追求;另一方面，G代碼無法保存許多與零件設計、加工制造相關的原始信息，不利于現代工業現自動化、柔性化和集成化生成的目標。由此，產生了復雜樣條曲線曲面直接插補技術，直至STEP-NC技術的誕生。

　　1 復雜樣條曲線曲面直接插補

　　早期對數控系統樣條曲線直接插補的研究是基于對傳統CNC插補算法的不足而開展的。傳統CNC插補能力的不足主要體現為在加工復雜曲面零件時，從CAM軟件中將刀具路徑轉化到CNC系統中，會造成復雜曲線曲面加工精度和制造效率的降低，這是因為傳統數控系統只支持直線和圓弧直接插補，在加工復雜曲線曲面時，CAM軟件不得不將復雜曲線離散成小直線段，正是這些小直線段造成了加工精度(離散后必然造成精度降低)和加工效率(每個小直線段都要加減速控制)的降低。而如果采用復雜曲線(如NURBS)直接插補算法，由于NURBS的特性，上述問題都可以得到圓滿的解決。目前樣條曲線插補的難點主要集中在五坐標樣條曲線插補上，主要技術難點是用什么樣的樣條曲線來表示刀具姿態。

　　2 STEP-NC

　　1991年，國際標準化組織(ISO)頒布的工業產品數據交換標準(Standard for Exchange of Product model data，STEP)，利用STEP體系結構的可擴展性，將其擴展到制造領域，提出了STEP-NC(STEP-Compliant Data Interface for Numeric Controls)的概念和相關數據模型。STEP-NC數控程序與傳統數控程序之間的主要區別是前者一般只提供了產生刀具路徑所需的信息，而不直接提供刀具路徑。因此，基于STEP-NC的數控系統的難點在于除了要求數控系統能夠解釋STEP-NC程序之外，更重要的是要求數控系統要具有生成刀具路徑的能力。

　　從以上分析可以看出，數控系統NURBS直接插補算法與STEP-NC有著天然的聯系。筆者認為，在加工模型的開放性方面，國內開放式數控系統的研究應分以下步驟進行：第一步，全面穩定地支持國際標準IS06983(這步已經實現);第二步，使數控系統全面地支持以NURBS為代表的樣條曲線、曲面插補(這部分的研究在五坐標、曲面插補上還不夠成熟);第三步，研究并擴充STEP-NC標準，最終研制出全面支持STEP-NC標準的開放式數控系統。

　　總體上說，未來數控系統的運行模式應該是在對STEP-NC數控程序分析后，直接用NURBS曲線、曲面插補的方式完成加工。

　　硬件實施平臺的開放性

　　1 開放式數控系統的硬件架構

　　國內對開放式數控系統硬件實施平臺研究的發展軌跡，大致經歷了基于運動控制卡、基于嵌入式開發平臺和基于通用PC(純軟件數控系統)這3階段發展歷程。

　　國內早期就開始應用，并且現在比較成熟的、針對特殊需求的開放式數控系統即是所謂的“NC嵌入PC型”。其開放性是通過調用嵌入到PC中的NC的控制器功能函數實現的。這種系統的開放性受到嵌入NC開放性限制。但是由于目前如PMAC卡等相關的嵌入式NC產品已經比較成熟，國內在搭建具有特殊需求(通常是專用機)的數控系統時，通常選用這種方式。

　　從公開的報道看，國內比較成熟的數控系統企業，如廣州數控和大連光洋的數控系統產品，都是在嵌入式系統環境下進行開發并實現的。而對這種基于嵌入式環境的數控系統的開放性研究，國內還只是停留在高校和研究機構進行研究的階段。

　　2 現場總線

　　開放式數控系統的硬件實施平臺構建中，現場總線的選擇是不可忽視的。因為開放式數控系統通常要求以現場總線作為數控系統與伺服驅動之間的接口。而國內在現場總線標準的制定、成熟的數字伺服驅動產品方面，都落后于國外數控系統廠家。國產數控裝置與伺服驅動之間的接口仍然采用“脈沖量或模擬量接口”標準，不能滿足高速高精數控系統的通信要求。因而，現場總線技術的落后，嚴重制約了我國開放式軟數控系統的發展。

　　從目前國內對現場總線的研究上看，現場總線協議和標準的制定比較適合中國國情的方向是將以太網引入數控系統現場總線。這是因為以太網的傳輸速率要優于國外成熟現場總線CAN和PROFIBUS等，同時，能夠使我國在缺少硬件方面核心技術的情況下，在盡可能短的時間內，采用通用電子器件，打破國外對我國在現場總線方面的技術封鎖。另外一種比較先進的技術是SERCOS接口技術，SERCOS是用于數字控制器與數字驅動器之間的高速串行總線接口和數字交換協議。開發者在掌握了SoftSERCANS提供的DLL函數以及相關的參數設置后，就可以很方便地實現控制器和驅動器的實時數據交換。

　　國內開放式數控系統的研究成果

　　從目前公開報道的資料上看，國內幾家大學和研究單位都進行了開放式數控系統的研究。山東大學對開放式數控系統的研究涉及的領域比較全面，包括體系結構、現場總線和STEP-NC等。建立了Agent型的STEP-NC控制器的框架結構，并以美國STEP TOOLS公司的底層軟件ST-Developer為開發環境，開發了一個銑削程序的解釋器，并對現場工藝規劃模型、數控加工數據庫和簡單特征的仿真系統進行了開發。華中科技大學在這方面的研究比較深入，在開放式實時系統的任務調度、基于以太網的數控系統數字接口技術等方面，深入到了數控系統應用技術的底層核心、最前沿領域;在基于軟件芯片的開放式數控系統方面比較有特色，把數控系統的功能進行抽象并進行封裝，將數控軟件設計成具有通用接口可以重用的軟件芯片，每1個軟件芯片完成數控系統的1個獨立模塊的功能;并通過建立數控系統軟件芯片集成開發環境對軟件芯片進行管理，用戶可以對軟件芯片庫進行檢索以及維護，還可以添加自己制作的軟件芯片。北京航空航天大學提出了基于RT-Linux的開放式數控系統的概念。并在RT-Linux的系統平臺上，實現了基于組件的開放結構的數控系統的原型系統。該系統以任務模塊作為系統功能單元，以虛擬模塊系統實現數控系統功能單元間的信息交換與同步，支持系統在啟動時重構，實現了系統的良好開放性。

　　圖2 開放式運動控制器的模塊化結構

　　哈爾濱工業大學針對我國數控技術發展的特點，利用Windows、RTX、工業PC機和SoftSERCANS通訊卡作為軟件開發平臺，現場總線接口采用SERCOS標準，采用層級式有限狀態機模型作為系統的動態行為模型，開發了一套運動控制器軟件系統，該控制器架構如圖2所示。并利用該軟件系統配置了2臺數控銑床樣機(分別為三坐標和五坐標，其中五坐標機床樣機如圖3所示)，在這2臺工業樣機上進行STEP-NC和多坐標樣條曲線直接插補的研究工作，并完成了一系列加工試驗。

　　國內開放式數控技術經過十余年的發展，取得了長足的進步，但還沒有達到成熟產品化的程度。從軟件的開放性看，國內應該加大對實時操作系統的研究，爭取盡早研制出具有自主知識產權、穩定的實時操作系統，為數控系統的開發提供良好穩定的平臺;在加工數據模型的開放性方面，國內應該進一步完善復雜曲線曲面直接插補技術和STEP-NC標準的研究，爭取最終達到全面兼容STEP-NC，并直接用樣條曲線進行插補的目標;在硬件實施平臺的開放性方面，主要是盡快制定一套現場總線的統一規范和標準，并盡快形成產品，彌補我國在現場總線應用方面的不足。

　　結束語

　　回顧國內這十幾年艱辛的研究歷程，確實取得了一定的研究成果，但也留下一些遺憾和對現實的反思。

　　開放式數控系統的開發基礎平臺——包括操作系統Windows和實時內核軟件RTX，目前國內都沒有相關成熟的替代產品，雖然數控系統軟件本身擁有自主知識產權，可其運行平臺卻不得不依賴國外的產品;下一代數控編程接口標準——STEP-NC，以及驅動器現場總線的接口協議——SERCOS，這2項標準的制定都和中國無關;與數控技術相關的外圍技術和產品，包括高速電主軸、直線電機、與數控系統配套的CAD/CAM軟件等，無論在哪一個領域，國內都沒有可以和國際廠商水平相當的公司或企業。國內開放式數控系統及其相關領域的研究，核心技術基礎薄弱、理論應用研究滯后、產業化成果匱乏，總之，國內開放式數控技術的發展之路任重而道遠。

　　開放式數控系統及開放式數控機床的研究是當前數控技術“帶有變革性”的重大發展方向，因為開放計劃的實施，把世界上所有的系統開發商都推到了同一起跑線。因此我們應該抓住機遇，堅持走數控系統開放化的技術路線，跟蹤掌握數控技術的最新進展，解決其中的關鍵技術，為新一代國產開放式數控系統的研制打下堅實的基礎。歷史多次證明，發展中國家要想趕超發達國家，應該不斷加強基礎研究，只有擁有堅實的基礎，創造性的成果才能應運而生。隨著中國經濟實力的提升，國家應該大力支持基礎領域的研究，國產數控機床必將擁有光輝的明天。