1 引言

20世紀90年代，國外的數(shù)控系統(tǒng)完成了從16位機向32位機和伺服驅(qū)動從直流式向交流全數(shù)字式的轉變，數(shù)控系統(tǒng)體系結構從封閉轉向開放，從而使數(shù)控系統(tǒng)可充分利用計算機技術的豐富資源，能根據(jù)控制對象的要求迅速、靈活地更換軟硬件，并能及時吸收新技術，使得數(shù)控技術發(fā)展步伐加快，開發(fā)周期縮短。

從 2000年美國芝加哥機床展和2001年北京機床展等展覽會中，可以看出數(shù)控技術及數(shù)控機床發(fā)展的一些趨勢為：

開放式智能化的數(shù)控系統(tǒng)成為數(shù)控技術的發(fā)展方向；
5軸聯(lián)動加工興起，所謂“高速即意味著5軸”；
數(shù)控加工網(wǎng)絡化，提高了機床的生產(chǎn)使用效率；
以高速主軸和直線電機的應用為特征，高速加工進一步向縱深發(fā)展；
車銑復合加工中心更具前途；
“軟”數(shù)控技術發(fā)展，基于工業(yè)PC機、PCI/ISA總線、通用操作系統(tǒng)+實時內(nèi)核的數(shù)控系統(tǒng)大量涌現(xiàn)。

2 開放式網(wǎng)絡化數(shù)控的基本概念

開放式數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和zui終用戶，形成系列化，并可將用戶的特殊應用集成到控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 IEEE關于開放式系統(tǒng)的定義是：開放式系統(tǒng)能有效地運行于不同的平臺之上，可以與其他應用系統(tǒng)相互操作，并提供與用戶交互的統(tǒng)一風格，即所謂互操作性、可移植性、可伸縮性和可互換性。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，目前對開放式系統(tǒng)的具體的看法包括：

（1） 開放式控制系統(tǒng)的硬件和軟件都應是柔性的，它允許改變硬件的基本配置，而軟件更在所有控制級別上可以改變。
（2） 開放式結構系統(tǒng)的軟硬件必須是真正“即插即用”的，如果產(chǎn)品必須被“召回”以安裝新的硬件和軟件，那就不是真正的開放。
（3） 控制器必須是標準化的，以使第三方能在此基礎上參與新硬件和新軟件的開發(fā)。
（4） 開放式系統(tǒng)允許第三方軟件作為系統(tǒng)的部件增加進來，也就是說它是一個標準系統(tǒng)，在這個標準上系統(tǒng)能在部件級別上與其他部件集成，并能共享數(shù)據(jù)。
（5） 一個開放式控制系統(tǒng)能在系統(tǒng)的級別上同其他系統(tǒng)協(xié)同工作。

網(wǎng)絡數(shù)控就是通過網(wǎng)絡、 Internet/Intranet將制造單元和控制部件相連，或?qū)⒅圃爝^程所需資源（如加工程序、機床、工具、檢測監(jiān)控儀器等）共享。網(wǎng)絡化包括兩個方面：內(nèi)部網(wǎng)絡（現(xiàn)場總線網(wǎng)絡）和外部網(wǎng)絡。

（1） 內(nèi)部網(wǎng)絡

內(nèi)部網(wǎng)絡是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC單元與伺服驅(qū)動及I/O邏輯控制等單元以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接。對于數(shù)控系統(tǒng)硬件，開放性主要是指其計算機、網(wǎng)絡、伺服系統(tǒng)及I/O邏輯控制等單元，應該具有統(tǒng)一的互聯(lián)標準，以實現(xiàn)互換性。為使數(shù)控系統(tǒng)硬件具有互換性，目前歐洲CNC制造商在其產(chǎn)品中廣泛應用SERCOS（Serial Real－time Communication System，一種適于高速伺服控制的網(wǎng)絡接口協(xié)議，于1995年成為IEC 1491標準）現(xiàn)場總線作為與數(shù)字驅(qū)動單元的接口，采用Profibus現(xiàn)場總線等作為與I/O邏輯控制單元的接口。

（2） 外部網(wǎng)絡

外部網(wǎng)絡指的是數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其他控制系統(tǒng)或外部上位計算機以網(wǎng)絡連接。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對設備的遠程控制和無人化操作、遠程加工程序傳輸、遠程診斷和遠程維修服務、技術服務，并提高機床生產(chǎn)率。網(wǎng)絡生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）隨時監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場情況進行*計劃和調(diào)度；操作工人技藝數(shù)據(jù)庫將通過豐富經(jīng)驗和直覺形成的技藝數(shù)字化，不斷積累并與全公司共享，實現(xiàn)、高質(zhì)量加工，并依此創(chuàng)造新工藝、新知識和新訣竅；新的CAD/CAM系統(tǒng)可將CAD數(shù)據(jù)立即轉變?yōu)榧庸こ绦颉⒐ぞ咔鍐巍⒐に嚳ê图庸すに噲D樣，實現(xiàn)并行工程來縮短生產(chǎn)周期。此外通過因特網(wǎng)與外界聯(lián)接，可為每一個客戶設立一個窗口，快速反應客戶的要求。在多品種小批量的條件下，將機床聯(lián)網(wǎng)，能將切削時間由25%提升至65%。遠程診斷產(chǎn)品可以在個人電腦前輕松地操縱遠在車間里的機床設備，諸如編輯修改零件程序和PLC程序、監(jiān)控各軸當前狀態(tài)、進行文件傳輸?shù)取２粌H用于故障發(fā)生后對數(shù)控系統(tǒng)進行診斷，而且還可用作用戶的定期預防性診斷。

3 開放式網(wǎng)絡化數(shù)控平臺的基本結構

開放式網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)平臺由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。系統(tǒng)軟件包括實時操作系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、設備驅(qū)動程序以及其他可供選擇的系統(tǒng)程序，如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和圖形系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件通過標準的應用程序接口 （即API）向應用軟件提供服務。系統(tǒng)硬件包括組成系統(tǒng)的各種物理實體。系統(tǒng)硬件對外部的表象和接口可以是一致的，也可以通過設備驅(qū)動程序使之與操作系統(tǒng)分隔。

系統(tǒng)硬件各部分通過信息管理網(wǎng)絡和開放設備級網(wǎng)絡互連，傳遞命令和數(shù)據(jù)信息，并行完成數(shù)控任務。

對于數(shù)控系統(tǒng)硬件來講，開放性主要是指其計算機、網(wǎng)絡、伺服系統(tǒng)及 I/O邏輯控制等單元應該具有統(tǒng)一的標準，以實現(xiàn)互換性。要使其硬件具有互換性，所有數(shù)控系統(tǒng)制造商都認為應該采用現(xiàn)場總線技術。

4 開放式網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的應用

近年來，我國相繼開發(fā)出了如華中Ⅰ型、航天Ⅰ型、中華Ⅰ型、藍天Ⅰ型等數(shù)控系統(tǒng)。華中Ⅰ型以通用工業(yè)微機為硬件平臺，模塊化的開放式體系結構，達到了*水平，獲得了國家科技進步二等獎、國家教委科技進步一等獎，是目前獲得國家獎級別zui高的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件平臺，已在DOS、Linux操作系統(tǒng)平臺開發(fā)成功。已經(jīng)開發(fā)出了車床、銑床、加工中心、仿形、軋輥磨、滾刀磨、拉刀磨、工具磨、凸輪軸磨床、非圓齒扇插齒機、齒條插齒機、弧齒錐齒輪銑齒機、鏜床、激光加工、玻璃機械、紡織機械、醫(yī)療機械等30多個數(shù)控系統(tǒng)應用品種。這也證明華中數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的開放性和二次開發(fā)性。

在國家 863計劃和科技攻關計劃多年連續(xù)的支持下，我國基本掌握網(wǎng)絡化數(shù)字化制造系統(tǒng)的基礎技術。如1999年在中國北京舉行的機床博覽會上，武漢華中數(shù)控股份有限公司推出了網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)原型機，實現(xiàn)了通過Intranet遠程操作控制異地數(shù)控機床。博覽會上，北京航空航天大學與北京市機電研究院合作，展出了基于PC計算機和光纖數(shù)字通訊伺服技術（SERCOS）的開放式數(shù)控系統(tǒng)，通過光纖同時控制1～8臺機床上的50個伺服軸和主軸，組成的柔性生產(chǎn)線示范系統(tǒng)，獲得國內(nèi)機床行業(yè)高度評價。在 2001年的北京機床博覽會上，華中數(shù)控與北京*機床廠合作，展示了基于Internet的遠程故障診斷技術；與桂林機床股份有限公司合作，展出了由四臺機床聯(lián)網(wǎng)組成的遠程控制技術。這些都為網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)控系統(tǒng)的研究開發(fā)奠定了良好的基礎。又如華中數(shù)控在江蘇常柴股份有限公司，將其模具車間的5臺加工中心和一臺仿形數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)，可在遠程異地設計、編程，然后通過Internet網(wǎng)絡傳送和共享零件加工程序，實現(xiàn)了CAD/CAM/CNC的網(wǎng)絡集成，大大提高了生產(chǎn)效率和設備的利用率。

常柴股份有限公司的北廠模具車間有四臺數(shù)控機床采用了華中網(wǎng)絡式數(shù)控系統(tǒng)，所有機床通過內(nèi)部局域網(wǎng)（NT網(wǎng)）連接。模具車間的NT 網(wǎng)絡上的服務器，通過Internet與5km外的常柴總廠計算中心連接。總廠計算中心由UGⅡ或其他 CAD/CAM軟件生成的數(shù)控程序可通過Internet和服務器傳送到任何一臺數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中。由于華中網(wǎng)絡CNC具有較大的內(nèi)存和外存空間，其資源可共享到計算機網(wǎng)絡上。因此，每臺配華中數(shù)控系統(tǒng)存儲器上的數(shù)控程序，可通過網(wǎng)絡共享到其他任何一臺華中數(shù)控系統(tǒng)上。這使得數(shù)字化仿形測量所生成的數(shù)控加工程序可共享到其他非仿型功能的數(shù)控機床上加工模具。由于計算機局域網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送速度極快（約為10～100MB/s以上，而DNC接口的速度約為9.6kB/s），對于復雜模具的大容量程序的傳送速度非常快捷、可靠。

開放式網(wǎng)絡化數(shù)控在我國有以下幾個方面的切實應用需求：

（1） 網(wǎng)絡制造、制造：在新的制造模式下，通過數(shù)控系統(tǒng)的上網(wǎng)，可滿足未來制造企業(yè)在企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟過程中和制造系統(tǒng)重組過程中，通過網(wǎng)絡對外發(fā)布或允許外部了解自己的制造能力，甚至組成網(wǎng)上虛擬車間（工廠）和電子商務，實現(xiàn)異地CAD/CAM/CNC 的網(wǎng)絡制造。

（2） 大容量存儲資源共享：我國現(xiàn)有的大部分數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存較小，沒有網(wǎng)絡功能（僅有速度較低的DNC接口），沒有大容量存儲設備（如硬盤）。而大型復雜模具加工程序量非常大，一般以1MB為計量單位。應用網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)即可在高速局域網(wǎng)上滿足CAD/ CAM系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)進行大容量信息的通信與交換的要求。

（3） 遠程監(jiān)控與診斷：當數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家可以通過Internet對用戶的數(shù)控系統(tǒng)進行快速診斷與維護，可以大大減少維護的盲目性，提高設備完好率。滿足用戶對數(shù)控機床的遠程故障監(jiān)控、故障診斷、故障修復的要求。

（4）遠程操作和遠程培訓：通過把數(shù)控加工機床像辦公網(wǎng)絡中的共享打印機一樣共享到網(wǎng)絡上，滿足某些制造行業(yè)對加工設備遠程操作的要求（如火箭發(fā)動機裝藥后的整形加工）以及遠程培訓的要求。

5 結論

開放式網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)能高起點提高我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化水平：

（1） 采用統(tǒng)一硬件平臺和軟件平臺的技術，其技術發(fā)展具有連續(xù)性和持續(xù)性。

（2） 國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)生產(chǎn)廠家不必為基本硬件組件和軟件組件的開發(fā)生產(chǎn)重復投入過多的設備與資金，可以集中力量開發(fā)其專長的項目，以國內(nèi)總體的開發(fā)力量與國外大公司競爭，可以大幅度地提高國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的競爭力。

（3） 國內(nèi)主要數(shù)控廠家使用相同的基本硬件，可以提高硬件生產(chǎn)數(shù)量。適度規(guī)模生產(chǎn)可以大幅度降低數(shù)控系統(tǒng)的成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，增強產(chǎn)品的一致性。

（4） 在開放式網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)上，可以方便地增加智能化控制功能，提高我國數(shù)控系統(tǒng)的檔次。

（5） 開放式網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)便于生產(chǎn)管理，可提高數(shù)控機床的生產(chǎn)率。

（6） 基于規(guī)范的開放式網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的售后服務更易于進行。

充分認識到發(fā)展開放式網(wǎng)絡化數(shù)控技術的緊迫性，開發(fā)具有我國自主版本的數(shù)控系統(tǒng)并進行示范應用，對于推動我國新一代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展，提高國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)參與市場競爭的綜合能力、為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)模化生產(chǎn)奠定基礎等方面均具有十分重要的意義。