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开放式CNC及现代络制造

CNC的应用

CNC 技术的应用为制造业带来异常深刻的变化，但是随着计算机技术的迅猛发展，传统的CNC系统也逐渐显示出其主要弱点，即系统的软件为制造商所有，因而使传统的CNC系统专用性强，通用性差，不使于功能扩展和各种软件的支样、更新，软件移植性差、组通讯能力差以及对机床制造商和用户的水平要求较高等。

现代制造业的发展，对CNC系统提出了更高的要求。从完成功能上看，一方面CNC系统必须适应DNC,CAD/CAM及CIMS的发展，有一个可以集成不同开发商提供的软件并适合联需要的平台;另一方面，随着中小批量的趋势日益增强，以及数控系统在信息、汽车、冶金、纺织、印刷、军工等行业应用的日益增多，必须根据不同的用户需求、迅速、高效、低成本地构筑面向用户的控制系统。这就要求CNC系统具有模块化和重新配里的特点。从使用角度看，新型CNC系统应能运用于各种计算机软件平台上，并提供统一风格的用户交互环境，以便于用户的今年8月初操作、维护和更新换代。这就要求CNC系统必须设法摆脱其传统的封闭模式，向开放式的方向发展。基于PC的开放式CNC系统正是适应这个发展方向的体现。

NC开放式或PC-NC是指基于PC的开放式数控系统。具体地说，就是能够在普及型个人计算机的操作系统上，轻松的使用系统所配里的软件模块和硬件运动控制插件卡，机床制造商和用户能够方便地进行软件开发，能追加功能和实现功能的个性化。在这里传统的CNC系统结合了PC的高速分析运算能力，大容量存储功能，各种商用软件的支撑，图文显示的优势以及组的灵活性，使得传统的CNC系统具备了开放的模式。

开放式CNC

在80年代初，便开始了推广基于PC的开放式数控系统，但是直到90年代初才得以实现。开放式数控系统的研究始于1987年、美国空军在美国政府资助下发表了著名的 “NGC (Next Generation Controller)下一代控制器”研究计划，首先提出了开放体系结构控制器的概念，这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格 (OSACA)”。自1996年开始，美国几个大的科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究内容，如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了"EMC(增强型机床控制器)”;由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司中提出和研制了“OMAC(开放式模式体系结构控制器)”;它和欧盟的 “OSACA(对于自动化系统的开放体系结构)”极为相似。欧盟的OSACA项目是在德国斯图加特大学机床与设备研究所主持下，联合德、意、法、瑞、英、西等11个国家的有关研究所、大学和制造厂商，制定了开放式数控系统的标准规范，该系统是以PC为标准平台，加上能自由组合的软件模块，构筑成“不依赖于特定卖主的开放型控制器”的结构。这里所说的“控光敏管制器”不仅仅是指NC装置， 而是包括机器人控制器、PLC、单元控制器等，实现软件模块的自由组合。

基于DSP的运动控制技术与开放式CNC

在当今自动化技术中，运动控制代表着用途最广而又最复杂的任务。其原因就在于生产过程的速度在不断的提宁波高，而且制造业对加工精度和实现敏捷制造提出了越来越高的要求。开放式CNC曾受制于PC计算能力的限制，使得较复杂的控制算法难以实现，阻碍了这类系统向高速、高精方向发展，但80年代末基于 DSP(Digital Signal Processor)的运动控制技术的突先由电磁激振器产生1个激振力破，为开放式CNC提供了极好的机遇，现在的开放式CNC是以基于DSP运动控制器为核心，融合PLC的功能，与通用式工控PC集成而成。也可以说，没有基于DSP的运动控制，就没有真正意义的开放式CNC。目前，运动控制器的产品供应商主要为国外公司，如美国的 Delta Tau、Galil公司，德国的Dspace、Movtec公司等。

采用基于DSP的运动控制器加PC构成开放式 CNC的优点是多方面的。开放式CNC可以将WINDOWS强大的图形用户接口，多任务能力以及强大的硬件软件兼容能力与基于DSP的运动控制器无与伦比的伺服、插补和实时计算能力结合在一起，为用户提供高速、高精和低成本的现代控制；除此之外，以基于DSP为核心的开放式CNC不仅融合了传统的CNC的功能，而且能提供传统CNC不能提供的功能。新的开放式CNC与传统CNC比较见附表。

附表:传统的CNC与开放式CNC比较

软件开发的难易性

必须使用CNC制造商开发的专用软件，开发工时量庞大。作为核心的处理部分变成了“暗箱”。

用高级语言和高级集成环境如Visual C++编程

软件的封闭性

软件为CNC制造商所占有，机床制造商和用户难以体现其独立性

机械制造商及用户可容易地开发具有个性的应用软件

组难易性

由于包含制造商专用硬件和通讯方法，联成本高，联时还需专用设备与专用技术

现场总线如CAN，PROFIBUS等并且它易于生产以及INTERNET等络易于实理组

面向未来性

需要开发专用的硬件来追随技术的进步，一般相对播后

开放性模块化，标准化，便于二次开发

应用与性价比

适用于机床行业，性价比好

适用于包括机床行业在内的所有机械行业，且性价比好

运动执行部分

采用专用伺服接口，只能使用特定制造商的产品

用标准化、通用化的伺服接口，可以灵活选用驱动装置和电机

CNC功能

三轴或多轴插补，速度快

多轴驱动，多轴插补，速度更快

目前 ，国外CNC开发商都在积极研制上述的开放式CNC，被称为第六代数控系统。我国近来也开始引入该项技术，目前仍处于引进消化阶段，正在开发拥有自已知识产权的系统。

二、 现代络制造技术

络技术与制造业

由上所述开放式CNC是基于个人计算机PC的数控系统，络技术又被称为计算机发展史的第三个里程碑，人们称络就是计算机，深刻地反映了络在计算机发展史中极为重要的作用和影响。20世纪80年代随着徽机的发展而产生的局域LAN以及全世界最大的国际互联INTERNET的迅速发展，计算机已不再是一台台孤立的设备，它已成为连接整个社会的基础设备，并且以巨大的推动力在改变人们的生活和生产方式。

由此络进入制造业当属必然，它给制造业这一传统行业带来一个全新的发展，并且越来越显不出它的优越性。国外有称络进入车间是“工厂进程的大革命” 因而现代制造技术典范的络制造这一模式已越来越为制造业所看重并加以利用。

络制造在广义上表现为使用络的企业和企业间可以跨地域的协同设计、协同制造、信息共享、远程监控及远程服务；企业与社会间的供应、销售、服务等内容。在狭义上表现为企业内部的络化，将企业内部的管理部门(产、供、销、人、财、物等)、设计部门(CAD/CAM/CAPP/CAE等)、生产部门(生产管理、生产监测、刀、夹、量、材料管理、设备管理等)在络数据库支持下进行集成。这些技术的应用使得制造业的生产效率大为提高。如在2000年芝加哥国际机床展览会上所展示的采用了络化技术的数控机床可将机床的利用率从25%提高到65%；如始建于2000年5月的宁夏小巨人机床有限公司(我国与日本山崎马扎克公司合资建立)采用了MAZAK智能络制造模式，公司职员135人，年生产立式加工中心和数控机床420台，人均产值达160万人民币以上，这样高的生产效率主要得益于采用了智能络制造系统。

开放式CNC与络制造

在现代络制造环境中，机床(这里指数控机床、加工中心、柔性制造单元等)已不再是孤立的加工设备，而是络环境下与CAD/CAM/CAPP/CAE工程设计系统MRP管理信息系统直接连接的一个有加工能力的结点，它要通过络与管理信息系统、工程设计系统等相关外部环境连接通讯，必须实现相互之间的双向通讯。管理信息计算机可以给任意一台数控机床发送加工指令，又可实时查看各台机床的加工程序、加工状态、加工时间、故障信号等，同时各台机床也可向管理信息计算机汇报情况，例如加工的情况与结果，合格品及废品的个数，以便管理信息计算机分析问题、解决问题，实现动态重构加工路线。工程设计计算机用CAD/CAPP/CAM技术生成CNC加工程序，通过络传送到机床进行数控加工。实现无纸化制造。

目前传统的 CNC系统一般都不具备直接联功能，因此要先将数控系统通过点到点串行通讯线路与通用计算机连接(通常采用RS232或RS485等串行接口)，然后再将具有联功能的PC联接到局域上去，在这种方案中，虽然利用PC作为桥梁实现了CNC的联，但CNC与PC之间的串行通信速度低，可靠性差，成为系统中信息传递的瓶颈。另一方面增加了PC，扩大了系统硬件规模，不仅提高了系统成本，而且增大了故障率，给系统的可靠性带来不利影响。

基于PC的开放式数控系统，由于采用了标准PC的硬件及标准的操作系统，其本身就具有了直接组的拉力机试验数据的测量信号能力，它给络制造系统提供了一个最好的平台，有了它才有真正意义的络制造系统，正是珠联璧合。

在基于PC的开放式CNC中，由于用硬盘作为加工代码的存储载体，使CAD/CAM计算的加工程序可以通过标准的络一次传输到CNC的硬盘上，标准的络速度一般在几十Mbps(RS232,RS485等串行接口一般只有几十kbps)，使数据传输速度提高了几千倍，加工前一次传输保证了系统传输的可靠性。又由于硬盘的容量大，读写速度快，即使上百兆0.01mm长度空间直线段的代码，CNC在脉冲当量为1μ时的加工速度也能达到每分钟上百米。这是采用 RS232等串行接口的传统数控系统远不能达到的速度，这样就解决了大程序量的高速高精度的加工问题，同时也不必要用曲面和样条插补，减轻了 CAD/CAM系统的负担。如果将分辨率提高到0.1μ时，CNC的加工速度也能达到每分钟十余米，大大平滑了机床的移动量，提高了加工表面光洁度，减少了加工表面的误差，实现厂高速高精加工。

络制造系统在我国的发展及应用

20世纪90年代以来，在络技术的支持下，首先在美国而后在其他发达国家，络制造系统敏捷制造企业发展迅猛，我国的高校和科研部门及企业也朝着这个方向发展，目前我国信息技术及络在现代制造企业中应用处于以下4种发展模式：

单元技术的应用阶段 其特征为，计算机使用，软件使用，数控设备均为分散的，信息不直接交互的信息孤岛。具体表现为：管理部门按职能分别使用诸如财务、人事、营销、库房等专门软件；设计部门分别使用CAD、CAPP、CAM等软件；在生产部门使用各种数控及自动化设备。处干这一模式的企业覆盖面很广，不少企业应用已有较长历史和一定的水平。

局部集成阶段 其特征为，建立局域，将各个分散应用单位按部门进行集成，但仍然存在信息流通的隔离及信息瓶颈。具体表现为：管理部门与设计部门分别建立统一平台，数据库，分别采用商用集成化软件系统，所包含的功能可顶盖该部门;在生产部门表现为数控设备联乃至车间级管理。这一类运用已逐渐为不少企业所认识和应用，但时间不长，为目前需求最多的一类。

企业内部的全面集成化 建立大型数据库，将各职能部门互联、信息共享。将原有金字塔管理模式进行扁平化，减少中间环节。目前国内能达到这一模式的企光接收机业极少，尚未达到成熟阶段。

附图

达到广义的络制造阶段，即企业与企业，企业与社会之间互联，信息共享 目前国内只有极个别企业开始进入这一模式，如宁复小巨人机床有限公司。现以宁夏小巨人机床有限公司为例(见附图)，该工厂被人们称为智能络化机床制造厂，而它理盖整个公司的所谓智能化络，就是以太。该公司机械加工车间的数控机床及FMS均使用了开放式CNC，都能直接与以太相联接，并首先通过以太与负责数控编程、生产调度、刀具夹具管理和过程监控的计算机相连，实现车间一级制造过程滚珠轴承的集成。在此基础上再进一步借助以太与公司的CAD、MRP 等其他子系统相连，进行整个企业的信息集成。然后再通过INTERNET实现企业间的资源共享，组合和开展电子商务。该厂被称为世界第二座智能络机床厂。

正当现在许多研究机构还在对这棋式进行试验和认证的时候，小巨人机床公司已在整个生产和管理过程中完美地使信息技术(IT)与传统制造业(MT)相结合，率先展示了一个络制造的典范。

三、结束语

随着计算机技术的发展，基于PC的软件支持已日臻完善和成熟.操作系统具有良好的可靠性，兼容性和开放性，传统的CNC最终将被基于PC的开放式CNC所取代，这是不可避免的，我们应抓住这个契机，紧跟世界数控技术发展的潮流，迎头赶上进而缩小在数控领城与先进国家的差距。

制造业是国民经济的基础，现代制造技术的核心是计算机及络技术的成功占领，发达国家络制造技术、虚拟制造、敏捷制造企业发展迅猛。前不久美国政府公布的产业发展方向中，已明确将通用计算机的操作系统和硬件结构兼容作为制造技术的两项重要内容。可以预料:在计算机及络技术支持下的先进制造技术将是制造业快速适应市场的需求，不断推出新产品，瓜得竞争，求得生存和发展的主要方向。络制造尤其符合我国的国情，它不需要大的投人，产出则十分显著。我国科研部门及企业应朝这个方向大力发展。

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