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數控係統的(de)網(wang)絡(luo)功(gong)能(neng)是(shi)基(ji)於(yu)計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)絡(luo)的(de)，這(zhe)種(zhong)網(wang)絡(luo)由(you)於(yu)沒(mei)有(you)考(kao)慮(lv)到(dao)數(shu)控(kong)加(jia)工(gong)和(he)狀(zhuang)態(tai)監(jian)測(ce)對(dui)大(da)流(liu)量(liang)信(xin)號(hao)數(shu)據(ju)流(liu)的(de)傳(chuan)輸(shu)要(yao)求(qiu)
，因(yin)此(ci)從(cong)速(su)度(du)上(shang)就(jiu)限(xian)製(zhi)了(le)係(xi)統(tong)的(de)遠(yuan)程(cheng)網(wang)絡(luo)應(ying)用(yong)能(neng)力(li)
，基(ji)本(ben)上(shang)隻(zhi)適(shi)用(yong)於(yu)係(xi)統(tong)間(jian)的(de)程(cheng)序(xu)傳(chuan)輸(shu)。

   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。PC機(ji)模(mo)式(shi)的(de)開(kai)放(fang)數(shu)控(kong)產(chan)品(pin)，一(yi)方(fang)麵(mian)通(tong)過(guo)板(ban)卡(ka)上(shang)增(zeng)減(jian)接(jie)口(kou)數(shu)來(lai)實(shi)現(xian)控(kong)製(zhi)軸(zhou)數(shu)和(he)通(tong)道(dao)數(shu)的(de)改(gai)變(bian)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)通(tong)過(guo)將(jiang)自(zi)己(ji)構(gou)建(jian)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)的(de)函(han)數(shu)庫(ku)以(yi)封(feng)裝(zhuang)的(de)形(xing)式(shi)提(ti)供(gong)給(gei)用(yong)戶(hu)來(lai)實(shi)現(xian)用(yong)戶(hu)自(zi)己(ji)動(dong)手(shou)配(pei)置(zhi)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)的(de)目(mu)的(de)。但(dan)是(shi)，這(zhe)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)開(kai)放(fang)無(wu)疑(yi)提(ti)高(gao)了(le)對(dui)用(yong)戶(hu)二(er)次(ci)開(kai)發(fa)的(de)能(neng)力(li)要(yao)求(qiu)，開(kai)放(fang)沒(mei)有(you)針(zhen)對(dui)性(xing)，開(kai)放(fang)形(xing)式(shi)不(bu)友(you)好(hao)
，可(ke)操(cao)作(zuo)性(xing)差(cha)。
   本ben文wen正zheng是shi基ji於yu上shang述shu問wen題ti
，著zhe眼yan於yu開kai放fang結jie構gou體ti係xi的de層ceng次ci化hua構gou建jian
，狀zhuang態tai監jian測ce的de網wang絡luo激ji活huo機ji製zhi和he二er次ci開kai發fa平ping台tai的de智zhi能neng化hua三san個ge方fang麵mian開kai展zhan對dui全quan新xin結jie構gou開kai放fang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

；fujiakuozhanyongyuteshugongnengdefujia，shiduiyonghukaifangdezidingyigongnengshixianjiekou，jibenzujianheyoupingxingkuozhanyanshengchudezujiandoujubeitongdengdefujiakuozhanjiekou。tusanzhanshileyigejibensanzhou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在zai體ti係xi結jie構gou上shang是shi一yi種zhong全quan新xin的de突tu破po，層ceng次ci化hua的de思si想xiang滲shen透tou於yu整zheng個ge係xi統tong的de每mei個ge組zu件jian要yao素su

，以yi及ji引yin導dao型xing的de智zhi能neng化hua二er次ci開kai發fa策ce略lve。層ceng次ci化hua的de構gou成cheng框kuang架jia將jiang對dui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。