一 研究背景

   現在國內外關於開放式控製係統的研究和示範應用都著眼於PC機的軟硬件開發
，其實質就是PC機在I/0接口和人機交互界麵上的一個專門應用（參見圖1），在結構和性能上都存在很大局限性：首先，沒有定義獨立的適合於數控加工控製的開放結構,所suo具ju備bei的de開kai放fang性xing都dou是shi計ji算suan機ji本ben身shen固gu有you的de開kai放fang特te征zheng
，不bu是shi針zhen對dui於yu數shu控kong加jia工gong特te點dian來lai定ding義yi的de，這zhe種zhong借jie鑒jian方fang式shi的de代dai價jia就jiu是shi要yao完wan全quan依yi賴lai於yu計ji算suan機ji的de結jie構gou體ti係xi框kuang架jia
，PC計ji算suan機ji作zuo為wei一yi個ge通tong用yong平ping台tai無wu論lun從cong底di層ceng硬ying件jian設she計ji和he操cao作zuo係xi統tong環huan境jing上shang都dou沒mei有you對dui數shu控kong加jia工gong特te殊shu性xing的de考kao慮lv

，因yin此ci不bu能neng很hen好hao的de從cong根gen本ben上shang搭da建jian數shu控kong平ping台tai。其qi次ci
，工gong控kong機ji模mo式shi的de開kai放fang式shi數控係統不能很好的保證實時性和可靠性。PC計算機在運行時由於采用通用的操作係統，占用了很大的係統資源，與數控加工無關的任務可能占去了
   gengduoxitongdegongzuofene
，tamenganraozhexitongduixianchangjiagongdejishixiangying，jiangdilexitongduizhongyaokongzhishijiandechulisudu，zengjialexitongyunxingdekaixiao
，zhexiedouhuidaozhixitongdebuwending。disandian，gongkongjimoshi數控係統的成本太高。一台能滿足數控加工速度要求的計算機至少需要投資數千元再配上運動控製卡(ka)
，使(shi)得(de)成(cheng)本(ben)很(hen)難(nan)降(jiang)低(di)。而(er)一(yi)塊(kuai)嵌(qian)入(ru)式(shi)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)才(cai)不(bu)過(guo)一(yi)百(bai)多(duo)元(yuan)，所(suo)采(cai)用(yong)可(ke)編(bian)程(cheng)器(qi)件(jian)的(de)芯(xin)片(pian)也(ye)不(bu)過(guo)在(zai)百(bai)元(yuan)左(zuo)右(you)，再(zai)加(jia)上(shang)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)實(shi)時(shi)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)是(shi)免(mian)費(fei)開(kai)放(fang)源(yuan)代(dai)碼(ma)的(de)，不(bu)會(hui)有(you)軟(ruan)件(jian)版(ban)權(quan)使(shi)用(yong)上(shang)的(de)額(e)外(wai)開(kai)銷(xiao)，這(zhe)些(xie)都(dou)使(shi)得(de)成(cheng)本(ben)有(you)了(le)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)的(de)降(jiang)低(di)。確(que)保(bao)了(le)申(shen)請(qing)專(zhuan)利(li)具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)價(jia)格(ge)比(bi)。第(di)四(si)點(dian)，當(dang)前(qian)工(gong)控(kong)機(ji)模(mo)式(shi)的(de)開(kai)放(fang)式(shi)數控係統dewangluogongnengshijiyujisuanjiwangluode，zhezhongwangluoyouyumeiyoukaolvdaoshukongjiagonghezhuangtaijianceduidaliuliangxinhaoshujuliudechuanshuyaoqiu，yincicongsudushangjiuxianzhilexitongdeyuanchengwangluoyingyongnengli
，jibenshangzhishiyongyuxitongjiandechengxuchuanshu。

   另外，NC+PC模式的數控係統基本上不提供什麼二次開發環境
，隻提供一些接口和參數的重新配置和定義功能
，還有一些提供了PLC的編程功能和相應的編程工具，但這也隻是對開關量的簡單配置。PCjimoshidekaifangshukongchanpin
，yifangmiantongguobankashangzengjianjiekoushulaishixiankongzhizhoushuhetongdaoshudegaibian
，lingyifangmiantongguojiangzijigoujianxitongruanjiandehanshukuyifengzhuangdexingshitigonggeiyonghulaishixianyonghuzijidongshoupeizhixitongkongzhidemude。danshi，zhezhongxingshidekaifangwuyitigaoleduiyonghuercikaifadenengliyaoqiu，kaifangmeiyouzhenduixing，kaifangxingshibuyouhao，kecaozuoxingcha。
   benwenzhengshijiyushangshuwenti，zheyanyukaifangjiegoutixidecengcihuagoujian，zhuangtaijiancedewangluojihuojizhiheercikaifapingtaidezhinenghuasangefangmiankaizhanduiquanxinjiegoukaifang數控係統的研究。

二 開放結構的層次化

   層(ceng)次(ci)化(hua)思(si)想(xiang)的(de)設(she)計(ji)目(mu)標(biao)是(shi)方(fang)便(bian)的(de)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)和(he)可(ke)配(pei)置(zhi)性(xing)
，這(zhe)是(shi)判(pan)斷(duan)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)開(kai)放(fang)性(xing)特(te)征(zheng)的(de)兩(liang)個(ge)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)。可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)是(shi)指(zhi)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)靈(ling)活(huo)地(di)增(zeng)加(jia)硬(ying)件(jian)控(kong)製(zhi)接(jie)口(kou)來(lai)實(shi)現(xian)功(gong)能(neng)的(de)拓(tuo)展(zhan)和(he)性(xing)能(neng)的(de)提(ti)高(gao)；可ke配pei置zhi性xing是shi指zhi在zai不bu增zeng加jia硬ying件jian結jie構gou的de前qian提ti下xia，利li用yong現xian有you的de底di層ceng結jie構gou模mo塊kuai
，通tong過guo配pei置zhi和he編bian譯yi控kong製zhi軟ruan件jian來lai實shi現xian係xi統tong的de自zi定ding義yi。層ceng次ci化hua體ti係xi結jie構gou以yi模mo塊kuai化hua思si想xiang為wei核he心xin，但dan又you區qu別bie於yu一yi般ban的de模mo塊kuai化hua結jie構gou方fang法fa。層ceng次ci化hua不bu僅jin考kao慮lv係xi統tong各ge組zu件jian之zhi間jian的de功gong能neng性xing特te征zheng
，更geng要yao考kao慮lv組zu件jian之zhi間jian的de在zai整zheng個ge結jie構gou體ti係xi中zhong的de所suo處chu控kong製zhi環huan節jie的de作zuo用yong和he地di位wei
，明ming確que組zu件jian之zhi間jian的de繼ji承cheng衍yan生sheng關guan係xi，並bing且qie實shi際ji上shang通tong過guo定ding義yi這zhe種zhong繼ji承cheng性xing和he衍yan生sheng性xing來lai作zuo為wei劃hua分fen係xi統tong組zu件jian要yao素su的de一yi個ge標biao準zhun，而er不bu是shi單dan純chun靠kao功gong能neng標biao準zhun來lai規gui劃hua係xi統tong的de各ge個ge要yao素su及ji其qi之zhi間jian的de關guan係xi。層ceng次ci化hua不bu僅jin作zuo為wei一yi種zhong係xi統tong框kuang架jia設she計ji的de思si想xiang，它ta可ke用yong於yu係xi統tong內nei部bu結jie構gou和he外wai部bu結jie構gou的de所suo有you層ceng麵mian，當dang組zu件jian按an照zhao所suo需xu功gong能neng和he性xing能neng要yao求qiu被bei逐zhu層ceng細xi分fen時shi
，同tong樣yang的de衍yan生sheng繼ji承cheng關guan係xi和he層ceng次ci標biao準zhun應ying用yong於yu組zu件jian中zhong的de每mei一yi個ge亞ya結jie構gou。

   如圖2所示，層次化的數控係統具備一個基本的0層，它包括係統基本控製功能所需的所有組件以及滿足一般功能擴展必需的軟硬件接口
，0層(ceng)作(zuo)為(wei)係(xi)統(tong)的(de)核(he)心(xin)結(jie)構(gou)必(bi)須(xu)具(ju)備(bei)良(liang)好(hao)的(de)對(dui)內(nei)和(he)對(dui)外(wai)接(jie)口(kou)
，對(dui)內(nei)部(bu)既(ji)要(yao)保(bao)證(zheng)組(zu)件(jian)之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)通(tong)訊(xun)和(he)訪(fang)問(wen)的(de)暢(chang)通(tong)

，又(you)要(yao)保(bao)證(zheng)內(nei)部(bu)結(jie)構(gou)的(de)細(xi)節(jie)屏(ping)蔽(bi)
，實(shi)現(xian)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)安(an)全(quan)性(xing)。0層以上的附加層建立在0層的擴展接口上
，通過補充硬件和開放軟件接口來擴展係統的功能和提升控製的性能。

   附加層分為兩種：補充擴展和平行擴展。補充擴展是在原有組件的基礎上通過開放新的接口配置不同的控製軟件形式來實現係統的功能擴展；平(ping)行(xing)擴(kuo)展(zhan)是(shi)完(wan)全(quan)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)同(tong)等(deng)結(jie)構(gou)的(de)功(gong)能(neng)組(zu)件(jian)，來(lai)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)一(yi)種(zhong)特(te)殊(shu)的(de)控(kong)製(zhi)要(yao)求(qiu)或(huo)開(kai)辟(pi)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)控(kong)製(zhi)通(tong)道(dao)。區(qu)分(fen)這(zhe)兩(liang)種(zhong)擴(kuo)展(zhan)方(fang)式(shi)意(yi)義(yi)在(zai)於(yu)：充chong分fen利li用yong兩liang種zhong不bu同tong繼ji承cheng形xing式shi，即ji結jie構gou性xing繼ji承cheng和he接jie口kou性xing繼ji承cheng。附fu加jia擴kuo展zhan遵zun循xun接jie口kou性xing繼ji承cheng，以yi功gong能neng點dian的de形xing式shi嵌qian入ru到dao係xi統tong組zu件jian的de接jie口kou層ceng麵mian，這zhe一yi特te征zheng可ke以yi方fang便bian地di將jiang對dui個ge別bie功gong能neng的de擴kuo展zhan要yao求qiu的de實shi現xian形xing式shi標biao準zhun化hua，滿man足zu用yong戶hu隨sui時shi出chu現xian的de自zi定ding義yi需xu求qiu。平ping行xing擴kuo展zhan遵zun循xun結jie構gou性xing繼ji承cheng，以yi功gong能neng組zu整zheng體ti的de形xing式shi複fu製zhi一yi個ge全quan新xin的de功gong能neng通tong道dao，與yu原yuan有you層ceng次ci形xing成cheng平ping行xing的de控kong製zhi方fang案an，這zhe一yi特te征zheng可ke以yi將jiang開kai放fang結jie構gou的de整zheng體ti性xing擴kuo展zhan運動控製模塊是數控係統的核心組件，基於開放結構的運動控製組件必須具備平行擴展和附加擴展兩種接口形式（見圖3）。平行擴展用於控製軸數的擴充，在基本三軸控製的基礎上，衍生出具備同種功能特性的四軸和五軸組件
；附(fu)加(jia)擴(kuo)展(zhan)用(yong)於(yu)特(te)殊(shu)功(gong)能(neng)的(de)附(fu)加(jia)，是(shi)對(dui)用(yong)戶(hu)開(kai)放(fang)的(de)自(zi)定(ding)義(yi)功(gong)能(neng)實(shi)現(xian)接(jie)口(kou)
，基(ji)本(ben)組(zu)件(jian)和(he)由(you)平(ping)行(xing)擴(kuo)展(zhan)衍(yan)生(sheng)出(chu)的(de)組(zu)件(jian)都(dou)具(ju)備(bei)同(tong)等(deng)的(de)附(fu)加(jia)擴(kuo)展(zhan)接(jie)口(kou)。圖(tu)三(san)展(zhan)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)三(san)軸(zhou)運動控製組件平行擴展為四軸和五軸運動控製組件，每個運動組件附加擴展了複雜曲線插補，位置誤差補償和振動狀態監測三個特殊功能。
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三  二次開發平台的智能化引導機製

   如圖5所(suo)示(shi)的(de)二(er)次(ci)開(kai)發(fa)平(ping)台(tai)模(mo)型(xing)，我(wo)們(men)采(cai)用(yong)一(yi)種(zhong)引(yin)導(dao)開(kai)發(fa)的(de)模(mo)式(shi)

，借(jie)助(zhu)於(yu)預(yu)先(xian)定(ding)義(yi)的(de)各(ge)種(zhong)信(xin)息(xi)庫(ku)，將(jiang)使(shi)用(yong)特(te)殊(shu)語(yu)言(yan)描(miao)述(shu)的(de)用(yong)戶(hu)功(gong)能(neng)要(yao)求(qiu)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)信(xin)息(xi)庫(ku)中(zhong)特(te)定(ding)策(ce)略(lve)的(de)組(zu)合(he)

，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)與(yu)數控係統微控製核心相匹配的代碼編譯器
，將策略描述翻譯並通過計算機的並口經由下載電纜傳送至數控係統的仿真開發接口。數控係統內(nei)部(bu)存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)與(yu)之(zhi)相(xiang)對(dui)應(ying)的(de)仿(fang)真(zhen)開(kai)發(fa)專(zhuan)門(men)存(cun)儲(chu)區(qu)，用(yong)於(yu)用(yong)戶(hu)訂(ding)製(zhi)功(gong)能(neng)代(dai)碼(ma)的(de)在(zai)線(xian)校(xiao)驗(yan)
，該(gai)存(cun)儲(chu)區(qu)與(yu)正(zheng)常(chang)數(shu)控(kong)程(cheng)序(xu)存(cun)儲(chu)區(qu)相(xiang)互(hu)屏(ping)蔽(bi)，保(bao)證(zheng)二(er)次(ci)開(kai)發(fa)的(de)安(an)全(quan)性(xing)，並(bing)通(tong)過(guo)校(xiao)驗(yan)策(ce)略(lve)和(he)評(ping)價(jia)機(ji)製(zhi)返(fan)回(hui)二(er)次(ci)開(kai)發(fa)的(de)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)。

   二次開發環境包括語言描述和引導設置兩種開發方式：yuyanmiaoshufangshicaiyongjiegouhuadegongnengjizhi，yuxiandingyichuxitongkuozhandesuanfajiegou
，yonghuzhixugenjusuanfadetishijiaruzijidegongnengyaoqiudemiaoshu。ercikaifapingtaitigongdulidejiegouhuamiaoshuyuyan（如圖6所示語法結構），采(cai)用(yong)麵(mian)向(xiang)對(dui)象(xiang)的(de)編(bian)程(cheng)思(si)想(xiang)，以(yi)功(gong)能(neng)對(dui)象(xiang)群(qun)組(zu)的(de)構(gou)成(cheng)方(fang)式(shi)來(lai)完(wan)整(zheng)描(miao)述(shu)數(shu)控(kong)組(zu)件(jian)對(dui)象(xiang)的(de)特(te)定(ding)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)。語(yu)言(yan)描(miao)述(shu)方(fang)案(an)
，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)靈(ling)活(huo)定(ding)義(yi)的(de)算(suan)法(fa)規(gui)範(fan)深(shen)入(ru)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)的(de)軟(ruan)件(jian)構(gou)成(cheng)細(xi)節(jie)，適(shi)用(yong)於(yu)係(xi)統(tong)底(di)層(ceng)策(ce)略(lve)方(fang)案(an)的(de)自(zi)定(ding)義(yi)配(pei)置(zhi)。引(yin)導(dao)設(she)置(zhi)采(cai)用(yong)開(kai)發(fa)向(xiang)導(dao)的(de)形(xing)式(shi)（如圖7所示開發界麵）以圖形話詢問界麵來定製用戶的擴展需求
，一般用於較為簡單的擴展開發。這兩種機製結合起來
，也構成了二次開發的層次化結構。

四 結論

   采用層次化結構方案和微控製核心構建的開放式數控係統zaitixijiegoushangshiyizhongquanxindetupo，cengcihuadesixiangshentouyuzhenggexitongdemeigezujianyaosu，yijiyindaoxingdezhinenghuaercikaifacelve。cengcihuadegouchengkuangjiajiangdui數控係統的開發，使用和維護簡單的聯係起來



，真正在數控設備的整個生命周期實現開放。