開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

開放式限制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢與對策市場全球化的后果是競爭空前猛烈，從而要求制造商具有較強的市場適應(yīng)實力，因而市場對適合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系統(tǒng)的需求已逐步超過對大型單一功能的制造系統(tǒng)的需求。

這一趨勢促成了一個新概念的產(chǎn)生，即模塊化、可重構(gòu)、可擴充的軟硬件系統(tǒng)，這就是開放式限制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能夠快速、經(jīng)濟地適應(yīng)新的加工需求，而且為制造廠供應(yīng)了將其技術(shù)與任何第三方的技術(shù)或產(chǎn)品進行集成的可能性。1、國外探討動態(tài)

開放式限制系統(tǒng)的概念在80年頭就已出現(xiàn)。早在1981年，美國國防部為了削減軍備制造對日本限制系統(tǒng)的依靠性，起先了名為“下一代限制器（NGC）”的安排，并成立了“美國國家制造科學中心（NCMS）”，其主要目的是擬訂并推動關(guān)于新一代開放式限制系統(tǒng)的具體分析與規(guī)范。作為NGC的后續(xù)工作，美國國防部啟動了OASYS項目，其目的是建立并安裝8套限制器，并在6種不同場所對其進行測試。其后有很多相關(guān)的探討安排在世界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC等安排。

1.1OMAC安排

美國的汽車工業(yè)為解決自身發(fā)展過程中遇到的一系列問題，由克萊斯勒、福特和通用三大汽車公司于1994年起先了一項名為“開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)限制器（OMAC）”的安排。該安排的目標是降低限制系統(tǒng)的投資成本和維護費用，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高機床利用率，供應(yīng)軟硬件模塊的“即插即用”和高效的限制器重構(gòu)機制，簡化新技術(shù)到原有系統(tǒng)的集成，從而使系統(tǒng)易于更新?lián)Q代，盡快跟上新技術(shù)的發(fā)展，并適應(yīng)需求的改變。其主要動機是向供應(yīng)商和技術(shù)開發(fā)團體公布限制器用戶，尤其是汽車制造業(yè)的需求，以期他們明白并更好地理解用戶的需求，從而能在市場上購買到滿意其要求的產(chǎn)品。

由于OMAC的成員是限制器的用戶而不是開發(fā)商，這就確定了其性質(zhì)和目的，從而也就確定了它產(chǎn)品化、好用化步伐不行能很快。事實上美國工業(yè)界認為OMAC是一種概念，而不是一種限制器或標準。OMAC自身也意識到這一問題，它目前正逐步與OSACA等進行聯(lián)合。1.2OSACA安排

OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem）是1990年由歐共體國家的22家限制器開發(fā)商、機床生產(chǎn)商、限制系統(tǒng)集成商和科研機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的，并于1992年5月正式得到歐盟的認可，納入歐盟ESPRIT-Ⅲ項目安排。這事實上是第一階段OSACA-Ⅰ，它于1994年結(jié)束，完成了OSACA規(guī)范和應(yīng)用指南的制定。其其次期工程OSACA-Ⅱ（ESPRIT9115）于1996年4月結(jié)束，主要完成依照OSACA規(guī)范為其系統(tǒng)平臺開發(fā)標準、通用的軟件模塊和通用的OSACA系統(tǒng)平臺，建立一個五軸制造系統(tǒng)環(huán)境，用以調(diào)試、驗證、擴展前一階段的各種規(guī)范。OSACA第三階段為IDASOSACA（InformationDisseminationandAwarenessAction）于1997年1月起先，安排歷時18個月，推廣OSACA思想及前期工作的技術(shù)成果。同時為了建立一個國際性的標準，而與日、美的相關(guān)機構(gòu)進行接觸。OSACA的目標之一，是使自己成為自動化領(lǐng)域的通用國際標準，故起先它就將探討范圍涵蓋了整個自動化領(lǐng)域，并投入了巨大的人力、物力。

1.3OSEC

日本的“限制器開放系統(tǒng)環(huán)境（OSEC）”，由東芝機器公司、豐田機器廠和Mazak公司三家機床制造商和日本IBM、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建。其目的是建立一個國際性的工廠自動化（FA）限制設(shè)備標準。OSEC以日本國際機器人和工廠自動化探討中心（IROFA）所提出的CNC系統(tǒng)參考模型為基礎(chǔ)，提出了一個開放體系結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了IROFA的參考體系結(jié)構(gòu)，并增加了定制和分化產(chǎn)品的功能。2、開放式限制系統(tǒng)的初步探討

在國家自然科學基金委員會等單位的支持下，我們進行了開放性數(shù)控系統(tǒng)的理論與實踐探討。2.1開放式限制系統(tǒng)的建模

由于面對對象的軟件開發(fā)技術(shù)綜合了功能抽象與數(shù)據(jù)抽象，它較好地實現(xiàn)了軟件的可擴充性、多態(tài)性，并使軟件易于修改，我們采納面對對象方法對數(shù)控系統(tǒng)軟件進行建模，分三個層次對其進行描述與實現(xiàn)：系統(tǒng)、限制單元和基本類。使CNC軟件可組裝、易擴展。

基本類是數(shù)控系統(tǒng)功能細粒度分解的結(jié)果，是組成開放系統(tǒng)的最小單位?；绢悩?gòu)成面對對象數(shù)控軟件的類體系。具有標準化接口的基本類稱之為軟件芯片。

限制單元是由一系列功能相關(guān)的基本類組成的、完成肯定功能的軟件實體。限制單元可以嵌套。

系統(tǒng)是由一系列限制單元組成的某種類型的數(shù)控系統(tǒng)軟件。它可包含某個限制單元或基本類的一個或多個對象。圖1是數(shù)控軟件功能的面對對象劃分模型。由于面對對象方法干脆將現(xiàn)實世界的物理對象映射到軟件對象，而將對象本身的數(shù)據(jù)（屬性）和操作封裝，因而它直觀、易于理解。

圖1面對對象CNC軟件功能劃分

數(shù)控系統(tǒng)軟件各部分之間以及與操作系統(tǒng)平臺之間通過通訊子系統(tǒng)進行通訊與協(xié)作。2.2軟硬件平臺

考慮到Windows系列平臺應(yīng)用軟件的豐富性，及其豐富的數(shù)據(jù)類型和管理4GB地址空間的實力，我們采納WIN32平臺作為操作系統(tǒng)平臺，硬件平臺采納“PC+適配器卡”的結(jié)構(gòu)，并在WIN32中添加實時處理的實力，敏捷、經(jīng)濟地實現(xiàn)了實時限制功能。平臺結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2基于PC的開放數(shù)控平臺結(jié)構(gòu)通信子系統(tǒng)保證CNC應(yīng)用軟件與PC平臺的無關(guān)性。其結(jié)構(gòu)見圖3。通信子系統(tǒng)通過建立獨立的通訊緩沖區(qū)來實現(xiàn)CNC軟件各子系統(tǒng)之間及其與平臺之間的數(shù)據(jù)交換。

圖3通訊子系統(tǒng)示意圖2.3工具支持

目前供應(yīng)了對軟件芯片進行有效管理的芯片庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)軟件芯片的閱讀及維護工作。并可以功能、算法和名稱等關(guān)鍵詞對軟件芯片進行檢索。其組成見圖4。

圖4庫管理器體系結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)了由軟件芯片生成應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的配置、集成系統(tǒng)，可以支持用戶利用庫中的軟件芯片或任何第三方供應(yīng)的軟件單元生成應(yīng)用系統(tǒng)。它由軟件芯片組合生成限制單元的單元功能配置工具、由限制單元組合生成CNC應(yīng)用軟件的應(yīng)用框架配置工具、應(yīng)用程序生成以及編譯連接工具等組成，見圖5。

單元配置和框架配置工具依據(jù)用戶的選擇，分別生成單元配置文件和應(yīng)用配置文件，由應(yīng)用生成工具依據(jù)配置文件生成CNC軟件代碼。生成的代碼對用戶開放，用戶可以依據(jù)狀況對生成的代碼進行修改。利用集成工具，可以敏捷、高效地生成開放性限制系統(tǒng)。

目前利用已開發(fā)的軟件芯片及集成工具，可自動生成二坐標車床限制系統(tǒng)。我們正在開發(fā)圖形化的應(yīng)用系統(tǒng)分析、集成工具。3、快速開展我國開放式限制系統(tǒng)探討的建議

數(shù)控技術(shù)是制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低產(chǎn)品成本，縮短生產(chǎn)周期的關(guān)鍵。3.1現(xiàn)狀與問題

目前國內(nèi)已有的開放性限制系統(tǒng)有四種：華中Ⅰ型、中華Ⅰ型、航天Ⅰ型和藍天Ⅰ型。國內(nèi)的開放限制系統(tǒng)各有優(yōu)點，但從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢來看，它們還不具備開放性限制系統(tǒng)的本質(zhì)特征，仍有很多須要改進之處。

首先，開放式限制系統(tǒng)的概念不清楚，沒有解決開放限制系統(tǒng)的平臺問題。各系統(tǒng)所采納的體系結(jié)構(gòu)并不一樣，仍是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，而且對體系結(jié)構(gòu)的闡述都只限于具體實現(xiàn)層，沒有提高到理論的、抽象的層次上來，因而各系統(tǒng)軟硬件不具備可移植性和互操作性。

其次，沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)思想與技術(shù)落后，始終處于甚至低于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的水平。沒有充分利用面對對象、軟件重用等軟件工程中的新理論、新技術(shù)，而這些正是實現(xiàn)開放性限制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。此外，產(chǎn)品的升級、更新、修改和修理仍舊依靠于生產(chǎn)廠家，沒有供應(yīng)相應(yīng)的開發(fā)工具和環(huán)境，用戶無法把自己的或任何第三方的思想或產(chǎn)品融入到系統(tǒng)中去。從總體上講，我國制造業(yè)面臨的形勢如下：

(1)我國制造業(yè)對開放式制造限制系統(tǒng)有著巨大的需求與動力我國制造業(yè)和制造業(yè)組織面臨著調(diào)整、改造和優(yōu)化的艱難任務(wù)，因此存在著探討和發(fā)展包括開放性限制系統(tǒng)在內(nèi)的新一代制造技術(shù)的巨大動力；產(chǎn)品落后，技術(shù)水平低，信息含量少，更新?lián)Q代慢，已成為制約我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此存在著發(fā)綻開放性制造限制系統(tǒng)的需求；此外由于我國各科研生產(chǎn)單位各自采納不同的標準，形成了各種不同的封閉系統(tǒng)：不同的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使不同設(shè)備之間無法實現(xiàn)信息交換，不同的軟件之間無法實現(xiàn)信息的傳輸，不同的數(shù)據(jù)庫之間無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，因而有實現(xiàn)開放式制造限制系統(tǒng)的迫切須要。

(2)我國的生產(chǎn)與市場將進一步融合到廣袤的國際市場中去面對激烈的市場競爭，要使我們的產(chǎn)品在國際上占有一席之地，必需盡快提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和性能指標，并與國際接軌。數(shù)控系統(tǒng)，無論是其作為商品本身，還是作為商品的加工手段，都要求其是一個開放式限制系統(tǒng)。3.2開展我國開放式限制系統(tǒng)探討的建議

國外的各探討安排，其根本目的是擴大自身產(chǎn)品在國際市場所占份額，或至少鞏固已有的市場陣地。如歐洲的OSACA，就將目標干脆對準競爭對手日本，其目的是使歐洲的制造系統(tǒng)供應(yīng)商在市場上壓倒競爭對手。就我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品目前的水平來講，假如不實行堅決、有效的措施，將來不僅在國際市場，就是在國內(nèi)市場，也將會無立足之地。

被OSEC稱之為制造業(yè)第三次革命的開放式限制系統(tǒng)的探討，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的契機。我們應(yīng)當抓住這一大好時機，快速開展并深化我國的開放性限制系統(tǒng)的探討，結(jié)合我國的實際狀況，制定近期和中長期目標與安排，在制定開放性限制系統(tǒng)標準的基礎(chǔ)上，盡快推出我國的新一代開放性限制系統(tǒng)產(chǎn)品。

任何技術(shù)都不是孤立的，技術(shù)受到經(jīng)濟、文化、技術(shù)基礎(chǔ)、社會結(jié)構(gòu)、管理體制和人員素養(yǎng)的制約。開綻開放性限制系統(tǒng)探討，要借鑒但不能照搬國外的閱歷，必需腳踏實地，認清形勢，從我國的國情和企業(yè)的狀況動身，尋求經(jīng)濟、有效的發(fā)展途徑。我們認為，依據(jù)我國制造自動化“十五”和中長期發(fā)展規(guī)劃，面對制造業(yè)，基于數(shù)字制造的開放式限制系統(tǒng)的探討開發(fā)燃眉之急，千萬不行等閑視之，必需從思想深處相識到，馬上開展我國開放式限制系統(tǒng)探討的必要性與緊迫性。為此提出如下建議：

(1)必需樹立系統(tǒng)的思想，以系統(tǒng)的目標為最終目標由國家有關(guān)部門牽頭，由科研、生產(chǎn)單位參與，制定明確的近中長期發(fā)展目標、發(fā)展戰(zhàn)略、實施安排、技術(shù)路途及指導思想。國家應(yīng)集中支持開放性限制系統(tǒng)探討，在各企業(yè)、科研單位之間，相互協(xié)調(diào)，相互補充，協(xié)同作戰(zhàn)，避開重復投資和重復開發(fā)。

在資金投放上，采納借、貸、撥相結(jié)合的方法，建立有效的競爭激勵機制。

(2)面對國外強勁的競爭對手，走聯(lián)合發(fā)展的道路，加強競爭的實力從目前國外的狀況看，從美國的OMAC、歐洲的OSACA，到日本的OSEC，無一不是跨行業(yè)、跨部門的聯(lián)合。聯(lián)合起來，才能充分利用現(xiàn)有的技術(shù)、經(jīng)濟、人力、物力資源，發(fā)揮整體優(yōu)勢，加快發(fā)展步伐。

(3)在隊伍組織上，保證參與成員的多元化不但應(yīng)包括機床、限制系統(tǒng)等生產(chǎn)企業(yè)及其用戶，還應(yīng)包括高校、科研機構(gòu)；不光要有機械制造行業(yè)，還應(yīng)有計算機、信息技術(shù)等行業(yè)參與，以便充分利用相關(guān)領(lǐng)域的最新技術(shù)與成果，并能適應(yīng)其將來發(fā)展，從而保證開放性限制系統(tǒng)有效可行。并建立特地機構(gòu)，仔細探討國外OMAC、OSACA、OSEC等相關(guān)安排的現(xiàn)狀、成果與問題，及將來發(fā)展動向，以便充分利用別人的成果，降低我們的探討時間和代價。如日本的機器人協(xié)會中就有一個機構(gòu)特地對OSACA進行探討。

(4)加強軟件牢靠性理論、軟件測試方法與標準及系統(tǒng)牢靠性設(shè)計方法的探討同時還要切實加強開放性限制系統(tǒng)開發(fā)工具的探討，只有在供應(yīng)便利友好的工具支持的狀況下，最終用戶才能真正受益于開放性限制系統(tǒng)。

(5)以市場為導向，充分預料國內(nèi)外市場前景，建立技術(shù)推廣體系，加快科研成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化可以在制定出開放式限制系統(tǒng)標準的基礎(chǔ)上，先推出經(jīng)濟型開放性數(shù)控系統(tǒng)，一方面可以在市場中檢驗其技術(shù)、理論方案的正確性、有效性，另一方面可以積累資金，支持下一步的開發(fā)、探討工作。4、結(jié)束語

系統(tǒng)越開放，意味著它所需考慮和處理的技術(shù)與非技術(shù)問題越多