关于我国数控技术发展战略初探

　　1 数控技术的作用和地位

　　数控的广泛含义是指对流程工业的过程控制和对离散工业运动控制而言的,机床数控仅仅是运动控制中的一种类型。

　　数控技术的问世已有40多年的历史,它是由机械学、控制论、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性的新型学科。数控技术是数控机床的关键技术,数控机床是工厂实现自动化的基础。

　　大力发展、推广应用数控技术,用数控技术改造传统产业,特别是对军工企业的武器制造、航空航天事业的发展,恶劣及危险环境的作业等,都会起着关键性的作用［1］。

　　数控技术不仅应用于机床、工业机器人、轻工、纺织、化工、冶金等多个机械领域并推动其向前发展,而且还用于火炮操纵、雷达驱动、导弹发射、导航平台控制等多个领域。

　　数控技术的特点如下［2］:①作用和地位上的战略性；②技术上的综合性；③控制上的实时性；④软件上的领域性；⑤推广应用上的适应性；⑥跟踪上的滞后性；⑦发展上的开放性。

　　依据数控技术的作用、地位及特点,我国在研究、发展现代制造技术,制定数控机床创新战略及目标时,明确提出集中力量突破数控技术,并以当前的急需为突破口,同时考虑到未来的发展,从我国的实际情况出发,确定了跟踪高级型,提高经济型,重点发展普及型的发展战略。在发展普及型中,又明确提出开发基型(就是平台),并以基型为基础发展派生产品的方针,积极稳妥地发展数控技术,促进我国数控产业的形成。本文将依据国家发展数控技术的发展战略,国外发展新一代数控系统的进展,提出高起点统筹规划,抓重点集中支持的建议:国家重点支持我国新一代数控技术的开发研究,其重中之重是制定我国开放型数控系统的技术规范,依据开放型数控系统的技术规范设计新一代数控系统。

　　2 数控技术发展的新趋势

　　为了满足市场和科学技术发展的需要,现代制造技术对数控技术提出了更高的要求,主要表现在如下几个方面:

　　2.1 性能上的发展趋势

　　2.1.1 高速、高精度、高效、高可靠性

　　要提高加工效率,首先必须提高切削速度和进给速度,同时,还要缩短加工时间；要确保加工质量,必须提高机床部件运动轨迹的精度,而可靠性则是上述目标的基本保证。为此,必须要有高性能的数控装置作保证。

　　2.1.2 柔性化、集成化

　　为适应制造自动化的发展,向FMC、FMS和CIMS提供基础设备,要求数控系统不仅能完成通常的加工功能,而且还能够具备自动测量,自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿,自动诊断、进线和联网功能,特别是依据用户的不同要求,可方便地灵活配置及集成。

　　2.1.3 智能化

　　智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如自适应控制,工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化,如前馈控制,电机参数的自适应运算,自动识别负载自动选定模型,自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容,方便系统的诊断及维修等。

　　2.2 市场适应性上的发展趋势:普及型、个性化

　　为了适应数控机床多品种、小批量的特点,数控系统又要尽可能扩大批量,为此,数控系统生产厂家不仅应能生产通用的普及型数控系统,而且更应能生产带有个性化的数控系统,特别是设计、生产能够由用户自己增加专有功能的普及型数控系统:这是市场份额最大的数控系统,也是最有竞争力的数控系统,这也是适应性的体现。

　　2.3 体系结构上的发展趋势:开放性［3］

　　为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求,最要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开放式的数控系统。例如,美国的NGC和OMAC计划；欧共体的OSACA计划；日本的OSEC计划等。NGC的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的,通过虚拟机械把子系统和模块链接到计算机平台上。

　　NGC计划的目的在于对工业的应用,像机床,包括切削、非切削机床、机器人和坐标测量机等,提供了功能性和服务性的定义,最终以SOSAS——开放式体系结构标准规范和“设计人员指南”一起,提供为开发符合NGC规范的产品所需要的信息,并引发出NGC标准化的成果。代表NGC技术的重要功能概念i是策略(Plan)。

　　NGC计划于1994年完成了原型研究,转入工业开发应用。

　　美国Ford、GM和Chryler等公司,在NGC计划的指导下,联合提出OMAC(Open Modular Architeeture Controller)全新的开发计划,在政府的支持下开始实施。

　　OSACA参照开放式系统及其互连模型提出了一个“分层的系统平台+结构化的功能单元”的体系结构,保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性。开放性是十分明确的,并明确规定了不同的开放层次:应用层开放、核心层开放(与OSACA部分兼容)和全部开放(与OSACA全部兼容)。

　　OSACA的软件结构中有3个主要组成部分:通信系统(Cummunication System)、参考体系结构模型(Reference Architecture Modular)和配置系统(Cofiguration System)。是基于信息通信平台建立的。

　　日本的OSEC(Open System Environment for Controller)计划,其目的是开发基于PC机平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统,以适应迅速变化的市场需求。在硬件方面,OSEC计划采用PC+控制卡(将NC专用卡插到PC机中)的结构,有利于层次化、模块化、灵活配置的实现。在系统方面,OSEC认为在MBCP(Message Based Communication Platform)和FL(Functional Layers)两种开放式平台中,前者定义虽理想,但后者已在过去的工作中经过了长期的完善,所以,OSEC选择了以FL为基础的开放式平台。

　　2.4 我国开放式数控的发展概况

　　2.4.1 4个基本系统

　　在我国数控技术的发展进程中,“八五”数控科技联合攻关,开发具有我国自主版权的数控系统,特别是提出开发中华I型和航天I型两个基本系统(就是平台)及系列化产品,并利用基本系统发挥我国的软体优势,实施平台战略,发展我国的数控软件,其意义是十分重要的,是我国数控发展史上的一个转折点。

　　在“八五”数控科技攻关中,世界上发生了2件直接影响到我国数控科技攻关的事件:一是美国NGC计划(制定开放式数控技术规范的计划)；二是通用PC机的飞速发展。德国IBH、美国AI、日本朋立等相继开发了以PC机为基础的数控系统,美国Ampro Computer公司的策略发展部行政副总裁Rick Lehrbaum提出“利用PC机体系结构设计新一代嵌入式应用”,向我们提出了新一代数控的开发问题。新一代数控的核心是开放性。

　　随着微电子技术和硬件设计技术的发展,特别是市场的激烈竞争,通用PC机的硬件技术(特别是其中的微处理器)遥遥领先,为软件的开发和运行创造了较好的支撑环境。珠峰公司和华中理工大学,利用IPC+数控卡构成硬件平台,开发了中华I型和华中I型数控系统；与此同时,航天数控集团公司(以下简称“航天数控”)利用通用PC机的体系结构设计了与通用PC兼容的微机加上数控通用/专用模板构成了单机数控系统,作为普及型推向市场,并以此为基础与通用PC机互连构成了典型前/后台结构的多机系统,完成了“八五”数控科攻关任务,并为今后的发展奠定了基础；兰天是在原7500系列的基础上,通过二次集成缩小化设计后与通用PC互连构成了8500系列多机系统。

　　以上4个基本系统,虽然由于出发点不同,采用了不同的技术途径利用通用PC机,但就开放性而言,特别是应用系统的开放性还相差甚远却是共同的。

　　2.4.2 航天数控系统平台

　　航天数控系统平台是我国“八五”数控科技攻关,实施平台战略,开发出的具有我国自主版权的开放式数控系统,是促进我国数控产业形成和发展的重要组成部分,是在“跟上计算机前进的步伐,加速数控发展”的思想指导下,在“八五”期间利用PC机的体系结构设计嵌入式应用实践的基础上,经过“九五”产业化工程近1年的奋战,从体系结构到软／硬件平台,反复多次论证、修改,完善,同时也参考了国外开放式数控系统的标准和规范,在航天I型下裁后的普及型数控系统CASNUC901的基础上,依据航天数控的系列型谱,经过2次集成缩小化设计后设计制造出来的,它是以PC机的体系结构为基础构成的开放式数控系统平台,是航天数控的基础平台。既可以依据此系统平台直接构成单机数控系统,如CASNUC900系列,也可以利用此系统平台为基础,与通用PC互联构成多机(或分布式)数控系统,如CASNUC910系列。

　　航天数控系统平台的研制成功,为我国发挥软件优势,实施平台战略发展数控技术奠定了基础。

　　航天数控开放式系统平台,首先是为发展我国软件优势,实施平台战略,向高等院校及研究机构所有从事软件开发人员开放；当然,为了形成我国数控产业的适度经济规模,向国内同行开放以及为那些利用数控技术、改造传统产业的单位和个人开放。

　　航天数控系统平台的基本性能:

　　系统平台所使用的微机:286以上All In One的通用PC AT机或与其兼容的微机；

　　以下性能要依据所选微机的性能而定。

　　系统平台所使用的总线:ISA I/O总线,或ISA和PCI总线；

　　系统平台最大的存储器容量:1MB～32MB;

　　系统平台可配置的通用外设:可配置不同规格的软/硬磁盘;

　　系统平台可支持通用串/并行接口;

　　系统平台可用flash电子盘(DOC)代替硬磁盘;

　　系统平台以高速通信支持系统进线、联网功能。

　　系统平台能支持的数控专用I/O模板数最大为7块:可依据具体系统要求灵活配置。最大的控制轴数为16根轴(共4块位置控制模板,每块模板可控制4根轴)；最大的I/O点数为240入/136出,共376个点(包括1块多功能板,80入/16出,5块通用I/O板,每块I/O板32入/24出)。当用于加工中心,需要定位控制器模板时(内含1根主轴),最多的I/O点数为208入/112出,共320个点,此时可以控制17根轴(外加了1根主轴)。

　　系统平台的可靠性指标:系统平台中的数控通用模板是在CASNUC901的基础上,经过27次集成缩小化设计后,严格按照ISO9001的设计程序设计生产制造出来的,有极高的可靠性,完全可以与国外进口的同类模板媲美,依据不同的配置和所选通用PC主板的不同(指MTBF指标),系统平台的MTBF值在10 000～30 000之间。

　　系统平台电磁兼容性(EMC)指标:

　　抗快速瞬变脉冲群串扰能力:大于4000 V；

　　抗静电放电扰度能力:大于15 000 V；

　　抗电源电压暂降能力:大于1个周期。

　　3 在通用PC机体系结构的基础上,制定新一代数控的技术规范［4］

　　同计算机设计一样,数控的设计有全新的设计和在系列机基础上的扩展型的设计之分。全新的设计。要从系统的体系结构设计开始,再在体系结构的基础上设计系统的技术规范,最终依据技术规范进行全部硬/软件的设计,例如美国的NGC、OMAC计划,欧共体的OSACA计划,这种全新的设计,不仅技术难度大,还必须有雄厚的资金和较长的开发时间作支持；扩展型的设计,是在原有系统体系结构的基础上,利用其软件的兼容性,并依据器件及技术的发展,设计新的硬/软件以适应更新换代的要求,例如,日本的OSEC计划,美国Cincinnati Milacron的A2100,DELTA TAU的PMAC等。这些都是在通用PC机体系结构(或原有的CNC)基础上的扩展型设计,充分地利用了通用PC机的软/硬件资源,特别是软件资源进行的。这种设计的技术难度低,见效快,而且照样能达到开放性的目的。

　　为什么要在通用PC体系结构的基础上,设计新一代数控的技术规范,再依据技术规范设计新一代数控呢？

　　3.1 通用PC机体系结构的标准化、普及化

　　在过去的十几年中,IBM PC机体系结构的普及,已成为越来越多的微型机的标准,又由于IBM PC机的成本低,技术人员对它的熟悉性,可靠性的不断增长,性能的不断提高与完善,特别是通用PC体系结构被越来越多的人所接受,应用所涉及的面也越来越宽,已被称为“工业标准体系结构”,即IEEEP996,它已包括了较为广阔的内容,特别是一些包罗万象的“非条文”标准,其实就是普遍采用的“坊间”标准,包括各种档次的CPU(从8088、80286、80386,到80486和奔腾)及DMA的标准应用,以及有关中断、时钟、串行端口、图形及LAN接口等标准。还有软件方面的BIOS、器件驱动程序,通信协议及存贮器分配等标准。

　　选择通用PC机体系结构的重要原因在于软件开发比硬件更能带动产品的设计周期,通用PC机有庞大的软件工具为后援,包括各种操作系统、器件驱动程序、程序库、设计语言及调试,除错工具等。

　　3.2 通用PC机的不足及其定时的不适应性

　　实时控制,特别是强实时控制,与基于桌面的商用PC机有着本质的不同:通用PC机强调的是通用性、标准化,以适应广泛的用户；强调大的吞吐量,以适应各种各样的数据处理；对于实时,特别是强实时控制系统,既便硬件是相同的,操作系统也可能有很大的不同,主要强调的是它的实时性,尽可能小的任务切换时间,以实现较快的响应特性；通用PC机系统软件与应用软件界限分明,应用软件多是在系统软件上由高级语言开发,而实时控制系统中操作系统与应用软件一体化为运行软件,实时控制系统一般不具备开发手段,还有多任务与并行性,环境行为的随机性等,都有与通用PC的不同之处。更为甚者是工业环境对数控提出的可靠性要求,通用PC机中定时的不适应性等,还有通用PC(包括IPC)发展较快,而数控的生命周期较长,又不能大批买下造成积压,一批CPU板用过之后,又要换新的CPU板,再加上不同厂家、不同型号的CPU主板的性能各异,给数控系统厂家的集成带来一定的问题。不是通用PC板拿来就能满足使用要求的,只能是在体系结构的基础上,充分利用通用PC机的软/硬件资源,特别是软件资源,设计新一代数控系统,才能保证数控有相对稳定的货源,稳定的质量,形成适度规模经济。

　　3.3 在通用PC机体系结构的基础上,设计新一代数控必然要涉及到技术规范

　　3.3.1 构成基于PC机体系结构的运行平台要涉及到技术规范

　　利用通用PC机的嵌入式芯片,如386EX,486DX及单片PC(STPC)等,设计适合数控实时性,可靠性要求的,生命周期相对较长的,与通用PC机体系结构兼容的All In One CPU主板,在通用PC的I/O中界定数控的通用/专用I/O地址,再加数控专用卡,构成运行平台的硬件平台,必然要涉及到技术规范。

　　以通用操作系统为基础,加上我们自己的核心操作模块(实时操作系统内核等),经过裁剪后的自主数据管理系统,通信系统及友好的图形界面等形成我国自主的实时操作系统。针对不同的应用系统的不同模块开发相应的API,构成软件平台,也要涉及到技术规范。

　　3.3.2 在运行平台上构成各种不同的应用系统更要涉及到技术规范

　　现代机械制造涉及到切削加工(车、铣、钻、磨)、非切削加工(电加工、等离子弧、激光切割等)、测量机、机器人(手)和复合加工等［5］,针对不同的被控制对象要有不同的应用系统,不同的应用系统要用不同的应用模块构成。

　　从软件复用和开放出发,不同系统的构成、不同的应用模块的构成、不同系统与操作平台的无关性、不同应用模块之间的互操作性、不同系统对外交互的风格,还有不同应用模块向下分解等,都要依据软件构件实现的规范及标准进行。

　　3.4 从数控技术的战略特点出发,也必然涉及到发展数控的技术规范

　　在数控的发展过程中,曾经出现了以PC为基础的2种典型结构的数控系统,都是在PC机的基础上构成的,充分利用了PC机的资源,特别是软件资源,但它们仍然是封闭型的体系结构,无统一的技术规范,这些系统包括德国IBH公司,美国的AI、Anilan公司和日本的朋立公司等研制的基于PC机的数控系统,由于系统的不开放,加上这些公司本身的资金有限,市场份额小,都没有形成气候中途夭折了。

　　在通用PC机体系结构的基础上,设计新一代开放型数控系统,特别是要发展我国自主的数控系统软件,还涉及到选择什么操作系统或者自行开发操作系统的问题, 要涉及到技术规范问题。所谓自主不等于“都是自己的知识产权”,自主技术中可以包含公用技术和其它不收费的技术(如Linux操作系统及其应用软件等)［6］。

　　回顾我国数控的发展历史,自1958年我国研制出第一台电子管式数控系统样机后,经历了三起三落、徘徊不前22年,未能形成稳定的生产能力,固然原因是多方面的,但我国民族信息产业发展缓慢,器件,特别是CPU等大规模及超大规模芯片和软件,以及操作系统及其应用软件成为发展我国数控技术的瓶颈是很重要的原因,从改革开放后“六五”开始,通过技术引进、消化吸收,特别是“八五”期间的自主开发、我国数控技术的发展有了长足的进步。近入90年代之后,随着“八五”攻关的进展,通用PC机的不断成熟和普及,我国也自行开发设计了基于PC机的数控系统,由于当时经费和技术上的原因,没有进行开放式的设计,仍然是封闭型的设计,“八五”期间提出的“平台战略”仍无法实施,不能发挥我国不同单位的优势,集中优势力量发展我国的数控技术,到目前为止谁也没有形成规模经济,仍各自为战,分兵把守。值得提出的是从战略上考虑,为了形成我国自主的数控软件, 为了维护我国数控产业的企业利益,我们不能不面对当前的问题,考虑自主开发的问题。

　　开放式系统是不依赖于操作系统的应用系统,但对于具有战略性特点的数控技术而言,除了应用系统与运行平台的无关性之外,还要考虑企业的利润和长期的发展。在考虑应用系统开放性的同时,还要考虑基于PC机体系结构的运行平台, 考虑运行平台中所依赖的操作系统及其相关的技术规范。

　　4 高起点统筹规划,抓重点集中支持

　　针对我国四个系统在开放性中存在的问题,特别是针对数控技术向网络化方向发展面临的问题及解决的技术途径,结合着发展企业控制网络,软件复用技术的研究［7］,就发展我国数控技术,在通用PC机体系结构的基础上,制定开放式数控系统技术规范的问题,提出如下建议:

　　(1)高起点统筹规划 通过“八五”数控科技攻关,航天Ⅰ型数控基本系统及系列化产品的开发研究,“九五”产业化工程的实施,不仅仅涉及到数控系统的开放型设计问题,而且越来越多的涉及到进线、联网的互连协议问题,而进线、联网的互连协议又涉及到设备的上层——链络层,是设备层无法单方面解决的,同时也受到技术的限制,为此提出:以国家科技部负责,由“863”先进制造技术主题组牵头,以Internet和Intranet为基础,制定发展我国企业控制网络(InfraNet)的技术规划及相应的建网和互连技术规范,为我国工厂自动化奠定基础［8］。

　　(2)抓重点集中支持 数控机床是工厂自动化的基础设备、数控技术是关键。因此,应在建立企业控制网络的规划中抓住重点,集中支持、重点突破、带动全线。重点是数控,重中之重是制定开放式数控技术规范,特别是其中的开放式数控系统的运行平台,它能充分发挥我国软件的优势,利用平台战略,开发我国独立自主的数控软件。

　　(3)由行业牵头 以企业为主组成专门技术委员会负责,分阶段实施制定开放式数控系统的技术规范。

　　(4)利用通用PC机的体系结构建立开放式数控系统的硬件平台,选择公用的或无偿使用(或自行开发)的通用操作系统(如Linux)为软件平台,以利于开发我国独立自主的数控软件。

　　(5)在开放式数控系统平台的基础上,制定应用系统的技术规范 第一步先确定应用系统的软件结构及应用系统的基本单元,在此基础上,制定相应的应用系统的技术规范。第二步依据软件结构中的基本单元,制定各基本单元及其单元分解为更小模块的技术规范。

　　(6)以车、铣为主开发典型开放式数控系统

　　作者简介

　　卞立乾 男,1933年生。北京航天数控集团公司(北京市 100854)高级技术顾问、研究员。主要研究方向为数控技术发展战略及数控体系结构的研究。曾先后主持研制了MNC864TC/MC、航天Ⅰ型CASNUC911TC/MC数控系统。MNC864获航天部科技成果二等奖,CASNUC911获“八五”攻关B类奖,并获“八五”数控科技攻关先进个人。

　　参考文献

　　1 卞立乾. 关于新一代数控的思考. 1995年11月. 中国自动化学会电气自动化专业,中国电子技术学会电控系统与装置专业委员会数控与机器人学组论文集.1～10

　　2 卞立乾.中国机械工程,1998,9(5):8～10

　　3 林奕鸿.中国机械工程,1998,9(5):22～24

　　4 Rick Lehrbaum.电子工程,1994(7):88～100

　　5 张晋格.数控技术与制造自动化.中国自动化学会电气自动化专业,中国电子技术学会电控系统与装置专业委员会数控与机器人学组论文集.11～16

　　6 倪光南.计算机世界,1999—07—12 C1、C2

　　7 相芙清.计算机世界报,1999—03—16 C5、C6版

　　8 林强.计算机世界报,1999—03—01 C7、C8版

　　来源:中国机械工程