開放式數控系統的分析研究

李奉順 陸榮鑑 張建紅

摘要：傳統數控系統的軟件層對用戶封閉，硬件層則難以根據用戶的需求進行替換，且硬件的性能遠遠落后于目前的微電子技術。面對柔性生產概念的興起，傳統的數控系統由于其封閉性，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控系統進行個性化的升級與改造。而開放式的數控系統具有可移植性強，可針對不同應用場景進行定制，具有較高的通用性以及可靠性等優點，并且可以將人工智能、網絡通信技術等新興技術不斷添加到數控系統中，實現了數控系統的個性化、模塊化、智能化，是未來數控系統的發展方向。

關鍵詞：開放式數控系統;數控系統;寶元控制器;運動控制器

中圖分類號：TG659?文獻標識碼：A?文章編號：1004-9436（2020）19-00-04

0 引言

1952年麻省理工學院研發了第一臺真正意義上的三軸NC（Numerical Control，即數字控制）機床，自此數控系統已經經歷了數十年的發展并運用到了幾乎所有的工業制造行業中。隨著裝備業的發展，數控機床的應用也越來越多[1]。傳統數控系統主要分為軟件層與硬件層，其核心部分在于軟件層，包括人機交互控制、數控功能控制、實時控制等方面[2]。傳統數控系統的軟件層對用戶封閉，用戶只能操作數控系統，硬件層則難以根據用戶需求進行替換，當發生故障時只能找專人維修，且硬件的性能遠遠落后于目前的微電子技術，用戶與制造商無法將自己所在行業的特殊加工經驗融入數控系統中。面對柔性制造概念的興起與制造業環境的日益復雜[3]，傳統的數控系統由于其封閉性，越來越難滿足不同用戶的需求，而且難以對原有的數控系統進行升級改造[4]。

1 開放式數控系統結構

開放式數控系統提出于20世紀80年代末，影響較為深遠的開放式數控系統項目有日本的OSEC（Open System Environment for Controller，即控制器開放系統環境）項目，歐洲的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation，即自動化控制中開放式體系結構）項目、美國的OMAC（Open Modular Architecture Controllers，即開放式、模塊化體系結構控制器）項目[5]。日本的OSEC計劃的目的在于建立一個全球范圍內通用的工廠自動化控制設備標準，由日本東芝、Mazak公司與豐田三家公司組建，其基本構成為PC（個人計算機）+運動控制卡型開放式數控系統結構。歐洲的OSACA項目由歐盟內的相關控制器廠商共同開發，其提出了“分層系統平臺+結構化功能單元”體系，提高了數控系統的開放性與可移植性。美國的OMAC項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，其目標在于針對不同用戶對運動控制器的需求開發出相應的API（Application Programming Interface，即應用程序接口）。

相比于傳統的數控系統封閉、不能適應各種場景、升級改造困難等缺陷，開放式數控系統具有可移植性強，可針對不同應用場景進行定制，具有較高的通用性等優點，并且可以將新的技術如人工智能、網絡技術、視覺技術[6]等不斷添加到數控系統中，實現數控系統的個性化、模塊化、智能化[7]。目前常見的開放式數控系統構架有三種，分別是PC+運動控制卡型、PC嵌入NC型以及全基于軟件的開放式數控系統[8]。

1.1 PC+運動控制卡型開放式數控系統

PC+運動控制卡型構架的開放式數控系統中，PC端主要處理一些實時性不高的任務，如人機交互界面與數控代碼的讀入與編譯、誤差分析、粗插補與機床或機器人的運動補償等工作。而運動控制卡端則主要負責實時性較高的任務，如精插補、各運動軸的控制、數據的傳輸等。其優點在于開放性良好，用戶擁有較高的權限，可以根據自己的需求定制不同的數控產品。如文獻[3]是基于PC+運動控制卡的結構設計的一種五軸數控磨床，其結構包括上位機模塊、下位機模塊與運動軸的伺服控制模塊，采用PC+運動控制卡的開放式數控系統結構大大縮短了專用數控系統的開發周期，節約了時間與經濟成本。

1.2 PC嵌入NC型開放式數控系統

PC嵌入NC型開放式數控系統則是在CNC（計算機數字化控制）中嵌入PC模塊，由于傳統的數控系統封閉性強，難以為不同的用戶提供個性化的解決方案，面對呼聲漸高的數控系統開放化，部分傳統數控系統制造商開發了這種在CNC系統中嵌入PC模塊的開放式數控系統結構，但是數控系統的核心控制部分仍然不對用戶開放，其原因在于數控系統的制造商認為數控系統最重要的部分是其可靠性，PC或無法滿足其可靠性要求。但是相較于傳統的全封閉型數控系統，該種類型的開放式數控系統可以針對不同的用戶需求改進人機交互界面等不涉及實時控制的部分，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控系統的開放度。

1.3 全基于軟件的開放式數控系統

全基于軟件的開放式數控系統則是利用了如Windows NT/Linux等實時操作系統，在PC環境下運行開放式數控系統，其結構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控系統實現了數控系統控制系統的PC化，貼近普通用戶的使用習慣且可靠性較高，目前越來越多的開放式數控系統朝著這個方向發展。

2 開放式數控系統特點

開放式數控系統的特點包括其可移植性、可互換性、可擴展性等方面[9]，與傳統數控系統不同的是，開放式數控系統通常采用目前流行的通信接口，可以在不同的平臺上運行，不同平臺間開放式數控系統的差別僅與平臺性能相關，體現了其可移植性的優勢。并且在開放式數控系統構架中，不同的功能模塊可以相互替換，不會影響到系統整體的穩定性，用戶能夠根據自己的應用或生產要求采用性能、可靠性、功能有所差異的模塊完成開放式數控系統的搭建。而隨著柔性生產概念的興起，企業為縮減生產成本以及生產周期，常常需要定制個性化的生產解決方案，傳統數控系統的內部功能模塊無法更改，不能滿足用戶的不同需求，采用開放式數控系統則可以針對不同的應用場景選擇不同的功能模塊搭建個性化的產品。

3 開放式數控系統的發展趨勢

針對越來越復雜的加工要求，開放式數控系統的發展趨勢向著多坐標與多通道控制、高速高精度加工、復雜形狀加工與五軸加工、智能化、安全化、環?；姆较虬l展[10-11]。

3.1 多坐標多通道化

以PMAC運動控制器為例，PMAC運動控制器是美國Delta Tau Data System公司以OMAC項目為基礎所開發的多軸運動控制器，為實現高速實時性的計算，采用了MOTOROLA 56系列的DSP處理器，但是其處理速度仍與現代計算機芯片有所差距，主頻的變化范圍為20～240MHz，PMAC運動控制器最高可以在16個坐標系下控制32個運動軸[12]。

3.2 高速高精度加工

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

NURBS曲線全稱為非均勻有理B樣條曲線，其本質為參數曲線，僅需極少的控制參數如控制點、權重等就可以得到平滑的曲線。在數控加工領域中，復雜的曲線曲面通常被離散為一系列的位置點，但是離散后的數據量龐大，給數控系統的存儲讀取、傳輸以及后續的運動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量與精度，而NURBS曲線則可以克服上述問題，與線性插補相比，NURBS曲線插補后的刀位文件只占線性插補的1/10，并且由于NURBS曲線插補光滑，所以能夠提高數控系統的加工速度。NURBS曲線插補技術也因為上述優點成為了數控系統高速高精度加工領域中的研究熱點。

3.3 復雜形狀與五軸聯動加工

在數控加工領域中，當待加工的零部件較為復雜時，傳統的三軸加工方式需要進行多次裝夾才能完成加工，這樣將極大地降低加工精度，因此五軸數控技術是高端制造業的關鍵技術。在傳統三軸聯動數控系統中，各軸均為平動，數控系統在對空間點進行插補運算操作時沒有非線性誤差;而在五軸聯動加工時，由于增加了兩個旋轉軸，系統在進行數控插補操作時因旋轉運動與直線運動的合成而產生非線性誤差[15]，如何補償多軸聯動中產生的非線性誤差也成為了當前數控系統的研究熱點。

3.4 智能化、安全化、環?；?/p>

隨著人工智能技術的不斷發展壯大，其逐漸被應用于開放式數控系統中，我國的數控技術長期受制于國外，人工智能技術給我國的制造業發展帶來了新的機遇、開辟了新的道路。為了將智能化技術融入數控系統中，需要提升數控系統的對外感知能力與對加工參數的動態調整能力來提高數控系統的加工質量。如采用改進MFAC（自適應模型控制）算法實現了對數控機床中伺服電機的自適應控制，獲得了良好的加工性能[16];利用BP（Back Propagation，即反向傳播）神經網絡預測機床的熱誤差，提高了數控系統的加工精度[17]。

4 研華寶元控制系統器介紹

研華寶元控制器R8800是一個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容來決定IO于軸的動作，用戶通過調用其通信庫函數來對系統進行控制。其控制結構包括上層應用程序層、庫函數層、通信函數層與底層控制層。

R8800基于EtherCat（實時以太網）數字通信技術控制伺服控制模塊與I/O模塊，其內部包含了六關節機器人算法，并且具備了RTCP（刀尖點跟隨）功能，為用戶提供了豐富的接口，用戶可以根據自己的需求對控制器進行改造升級，可以滿足各個行業的應用需求。

5 結語

文章討論了目前傳統數控系統的缺陷以及目前的開放式數控系統的發展歷史以及其常見的組成結構，對PC+運動控制卡型開放式數控系統、PC嵌入NC型開放式數控系統、全基于軟件型開放式數控系統進行了簡略分析，對開放式數控系統的特點與未來的發展趨勢作出了分析，可以看出未來開放式數控系統的發展趨勢是面向復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動控制系統。我國開展數控系統的研究相較于其他發達國家來說較晚，核心控制技術落后于發達國家，開放式數控系統更加貼近我國的發展現狀，并且可以結合新興的技術不斷升級改造，研究開放式數控系統有助于縮短我國與其他國家相關技術的差距。

參考文獻：

[1]?緱斌麗，楊雨圖.基于KND系統的四軸數控系統的開發[J].制造業自動化，2011，33（15）：120-121+135.

[2]?王謙.傳統數控系統的體系結構與開放途徑研究[J].科技經濟導刊，2018，26（14）：31.

[3]?宋殷志，張源鑫，關長岳.論機械自動化技術應用與發展前景[J].藝術科技，2016，29（06）：72.

[4]?楊欣雨.基于UMAC的五軸磨床數控系統開發[D].成都：西南交通大學，2017.

[5]?李輔翼，高宏力，錢桃林，等. TwinCAT數控系統在CAK6136數控車床改造中的運用[J].機床與液壓，2017，45（08）：184-186+200.

[6]?朱銀龍，陳昕，華超，等.視覺引導的工字輪搬運機器人系統設計[J].林業機械與木工設備，2019，47（11）：25-29.

[7]?田海林，宋珂煒，方輝，等. FPGA在精密車床開放式數控系統的應用[J].制造技術與機床，2020（05）：163-169.

[8]?鄧昌義，郭銳鋒，段立明，等.開放式數控系統的低能耗和可靠性調度算法[J].計算機集成制造系統，2018，24（06）：1445-1454.

[9]?李文軍，黃連寶.開放式數控系統的研究與應用[J].現代制造技術與裝備，2016（05）：14-15.

[10]?陳旻鵬，陸榮鑑，張建紅，等.五軸激光切割機床結構設計研究[J].藝術科技，2019，32（06）：221-222.

[11]?錢建強.現代開放式數控系統和我國數控系統的發展方向[J].機械工程師，2016（05）：125-127.

[12]?馬東.基于PMAC的激光切雕系統研究與開發[D].保定：河北大學，2014.

[13]?周海燕，朱銀龍，朱雄偉，等.面向牙刷操作的DELTA機器人設計與仿真分析[J].林業機械與木工設備，2020，48（03）：21-27.

[14]?魏棟，張樹有，劉曉健.非均勻有理B樣條曲線的高精度低速度波動插補算法[J].浙江大學學報（工學版），2016，50（11）：2215-2223.

[15]?陳良驥，睢英照，王中州，等.五軸線性插補中非線性誤差補償方法[J].機械科學與技術，2020，39（03）：385-390.

[16]?趙盛燁，吳文江，佟敏，等.基于改進MFAC的智能數控系統設計與實現[J].吉林大學學報（信息科學版），2020，38（02）：160-171.

[17]?辛宗霈，馮顯英，杜付鑫，等.基于BP神經網絡的機床熱誤差建模與分析[J].組合機床與自動化加工技術，2019（08）：39-43.

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

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