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1、开放结构数控系统网络化应用开发平台的构建 中文摘要：论述了开放结构数控系统网络化开发平台的背景、设计思想和必须解决的问题,以及用数控系统网络化开发平台的方法、设计过程和开发平台构建的进一步设想根据现代数控系统的特点对其进行了分类阐述了开放概念的产生和开放式体系结构数控系统出现的背景；总结了以机为基础的开放式数控系统的特点。归纳了目前研究开放式体系结构数控系统的主要形式。英文摘要：The modern numerical control system was classified according to its characteristics. and the generation of op
2、en architecture and the background of appearance for the Open Architecture Control Systems, were expatiated conclud ing the main forms of open architecture control system. 关键词：数控，发展趋势，功能，性能，开放性，PC机系统 目 录1绪论-32.对我国数控技术和产业化发展的战略思考- 42.1战略考虑-42.2发展策略-42.3数控技术的发展趋势-53.系统组建策略-63.1开放结构、开放的数控系统结构-63.2数控系统的
3、组成-93.3应用开发系统组成和功能规划-103.4应用开发系统构建策略-183.4.1应用与开发相结合的策略-183.4.2结构和流程的层次化策略-213.4.3软件和硬件紧密结合策略-213.4.4与实际产品相结合的策略-244关键技术及其实现-274.1引导型应用和开发模式-274.2网络化分布式应用体系-28参考文献-32致谢- -331绪论 数控技术作为未来先进制造技术的核心内容之一，正在朝着开放化，网络化，柔性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基于开放接口标准的模块形态。基于模块和组件的系统构建策略更能体现产品设计制造过程中的人性化思想，每一个模块都是
4、一个有针对性应用领域的技术产品形式，是该领域技术原理，应用方案和实现形式的综合体现，是其在数控加工环境下的具体应用，其设计理念和性能指标都体现数控加工技术的要求和市场应用的需求，这些充分体现设计者个性化的产品组件通过开放的标准接口形式有机的结合，组成了功能丰富性能完善的数控装备产品。数控技术是一个综合性很强的技术学科，涉及系统控制，工业设计，机械结构，变频调速，网络通讯，信号分析等范围很广和适用性很强的技术领域，这些技术原理在工科学校的机电一体化教学中都有涉及，但在应用实践上相对分散，目前只注重在数控操作技能上的能力培养，一系列的计算机辅助设计制造软件也都是针对于这一目标，缺少一个贯穿于整个数
5、控技术领域中的开发应用环境，来从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标。正是针对于这一数控技术培养模式的局限性，本文建立了一个针对于整个数控技术应用开发领域一体化实验平台，采用组件和模块的思想建立了一个集成的设计开发环境，实现从数控装备产品规划，方案选择，运动算法和人机交互等各个环节的教学实践活动，下面将从总体策略，结构特征，关键技术等几个方面给予阐述。2.对我国数控技术和产业化发展的战略思考2.1战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境
6、、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。2.2发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和
7、产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、
8、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。 在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。2.3数控技术的发展趋势装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。因此
9、，专家们预言: 机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术；是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国防现代化的重要战略物质；是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技
10、术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求，设计制造“高、精、尖”重大数控装备，打破国外封锁，掌握数控装备关键技术，创出中国数控机床品牌，提高市场占有率是全面提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键所在3.系统组建策略3.1开放结构、开放的数控系统结构IEEE“开放系统技术委员会”定义“开放结构”为：“开放系统所执行的应用可以运行在多家制造者不同的平台；并可以与其他系统的应用具有互操作性，且呈现与用户交互协同(1EEElo030)。”也可以用下列的性能指标评估控制器的开放性。比如应用模块为AM：移植性：在保持应用模块(
11、AM)的功能下，不需任何变化就可以应用到不同的平台。扩展性：不同的AM能运行在一个平台而不出现冲突。互操作性：AM在一起工作时表现为相互协同，可以根据定义相互交换数据。缩放性：按照用户的需要，AM的功能、性能和硬件的规模可以伸缩。 开放结构的控制器(oAC)使控制器销售商、机床制造商和最终用户可以从柔性和敏捷生产中获得较大利益。其主要目标是在标准化环境下采用开放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。这样的系统能力被广泛接受。软件可以重复使用，用户可以按照给定的配置设计他们的控制器。 控制系统的开放体系结构由于考虑到对实时和可靠性要求很严格，因此是高度复杂的系统。其特点是基于PC，相互链接的关键
12、结构为系统组件和接口，系统组件由软件模块和硬件模块所组成。在开放系统中，各个组件和接口还可以在制造过程中实现增加智能的优点。对于控制的复杂性，这些系统的硬件和软件是基本的工具。控制的接口可以分成两组：内部和外部的接口。外部接口：这些接口连接系统和监控单元以及子单元、用户。它们可以分为编程接口和通信接口。NC与PIC编程接口采用国家或国际标准，如RS一274、DIN66025、或IEC6l1313。通讯接口也强烈地受标准的影响。现场总线系统，如SERCOS，P凹肋us或Device Net用作驱动和IO的接口。I，AN(局网LocalArea Network)网络主要基于以太网和TCPIP与监控
13、系统连系的接口。内部接口：用于组件间的互相作用和数据交换，以形成控制系统的核心。在这方面，一个重要的性能是支持实时机构。为了得到可重构和白适应的控制，控制系统的内部结构基于平台的概念。由于软件组件中无法知道专用硬件的详情，因而主要的目标是建立一个可定义的但是在软件组件间进行柔性的通讯方法。应用编程接口(APl)保证了这些需要。控制系统的全部功能被分为几个包，模块化的软件组件通过被定义的API互相作用。 根据1999年美国机器人工业论坛的资料，当年美国机器人全部装机的系统是机器人本身价值的35倍，也就是如果有lo亿美元机器人的市场，等于增加20到40亿美元的附加值，如果其中25归因于软件集成的原因引起的，再认为如果通过标准化的开发和应用，采用开放体系结构的控制器使其中降低50；那么在采用开放控制器后，每年潜在的价值就可以节省2亿5千万到5亿美元。 目前，开放的数控系统结构主要有3种形式：基于PC的CNC系统，这种系统以PC机为平台，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电机的运动。这类系统有时也称为Soft NC，这样的系统容易做到全方位开放。PC嵌入式：这种系统的基本结构为：CNC十PC主板，即把一块CNC板插入传统的
