開放式數控系統以其極大的優越性，已經成為未來數控系統的發展趨勢。由于計算機技術，特別是PC機技術的高速發展，更給其帶來了無限生機。網絡技術近幾年也取得了極大的發展，在企業中Intranet網絡的擴張已成必然。在lntranet環境之下集成多個開放性的自動化加工設備，組成直接計算機數控網絡，使企業中的設備如數控機床等具存極大的柔性、可控性和可重組性。這將大大提高企業適應多變市場的能力。

1開放性數控系統

    以前由于計算機技術的落后，通用微處理器的性能很差，不能滿足數控機床對它的要求，為了提高數控系統的性能，就只有設計專用的計算機芯片，比如將插補運算直接做在超大規模集成電路里，這使得各個數控廠商都設計了專用硬件系統，并開發專用軟件系統。自此以后數控系統走上了封閉性的道路。

    目前全世界的數控系統生產集中在少數幾個大的生產商如Fanuc、Siemens、All公司中，它們生產的數控系統一般都是封閉的。這使得第三方生產商無法開發相關的應用；數控系統中無法應用最新的計算機軟硬件技術。

    隨著計算機技術的飛速發展，開放性cN12系統越來越受到矚目。開放性的思想早在I987年就由美國學者首先提出來。開放數控系統使用通用的軟、硬件支撐系統，使系統平臺開放。開放性使得多個生產商能提供可復用的部件，這些部件可以無縫地組合在一起構成高性能低價格的數控系統。開放CNC系統對成為世界工業標準的TCP／IP協議有完美的支持。當前數控系統一般有兩種形式的開放方案。第一種是保持原有的NC內核不變，加入PC前端，提供友好的用戶界面等功能。這其實是一種半開放的系統，它是為了保護原有數控廠商的利益而提出的折衷方案。第二種是由PC完全控制整個數控機床的運作，采用通用的高性能計算機和通用的操作系統。在完全開放的軟硬件平臺上運行具有開放性特征的數控系統。這是一種完全開放的解決方案。它已經成為未來數控系統技術發展的主流。

    采用PC作為CNC系統的核心，形成開放的數控系統有著極大的優越性。第一，可以采用最新的計算機軟硬件技術，由于通用微機的兼容性，性能更好的PC機可以換掉舊的PC機，用作CNC系統的核心。第二，可以極大地城少數控系統的開發費用。由于封閉的數控系統其硬件系統、操作系統等都是專用的，因而其開發費用是極高的，采用開放性策略，計算機硬件系統采用通用PC機，只要設計相應的接口模塊就可以了。PC機中的Windows操作系統平臺提供了極強的性能，還提供了許多強有力的應用程序開發工具，如Visual C + + 、lorland C + + Delphi、Visual Basic、JAVA等。利用這些開發工具可以迅速高效地開發出功能強大的CNC系統軟件，大大降低了軟件開發費用和開發周期。第三，軟硬件價格均可降低。由于通用微機、通用操作系統極高的性能價格比，明顯降低了cN12系統的價格。第四，有利于加強CNC系統的性能。以往由于運算速度的限制，許多數控功能是由硬件來實現的，現在這些功能已經能用軟件來實現，這一方面可以增加系統升級能力，另一方面有些不能實現的功能現在可以用軟件的方法來實現。第五，可以大大提高cNc系統的可擴展性、可維護性和易用性等。由于采用通用PC的軟硬件系統。使得CNC系統的擴展、維護、使用和一個平常的應用程序一樣簡單。

    計算機技術的發展使開放式數控系統具有了強大的生命力?，F在一臺普通的微機其運算速度可達500MIPS（每秒執行5億條指令），這已經達到了以前中型機的性能。而且根據著名的莫爾定律，計算機性能每l8個月提高一倍，而其價格下降一半。越來越強大的通用計算機系統，使得在這之上開發的開放式CNC系統完全有能力在性能上趕上或超過專用的系統。

2 Intranet的興起

    Intranet就是內部網或企業網。可以定義為：在企業內部應用的Internet網絡。Intranet是隨著Internet（因特網）的流行而發展起來的，它具有]nternet的一切特性。同時由于它用于企業內部，其安全性、可靠性等都得到了加強。

    lnternet是基于TCP／IP協議的。由于有了這個協議，全球所有的計算機都可以用網絡互連起來。因此TCP／IP協議可以說是]nternet網的核心。世界各國都在Internet網絡技術上投人了大量的人力、物力、財力，使得Internet技術已經非常成熟，支持TCP／IP的網絡產品極多，其性能價格比也很高。TCP／IP協議也成為全世界公認的工業標準。

    在企業內部人們一直有聯網的迫切要求，以使企業內部的信息能自由流通，從而改善管理水平，提高企業競爭力。這是cIMS、敏捷制造等思想的一個重要基礎，而Internet技術的出現和飛速發展為企業的網絡應用提供了極好的機遇，人們將Internet技術應用到企業中，形成了Intranet。

    目前Intranet的應用主要有：www（環球網）、FTP（文件傳輸）、E—MAIL（電子郵件）、news（新聞組）、BBS（電子公告板系統）等。這些應用適合市場推廣、市場調查、信息發布、信件往來等工作。在Intranet環境中，大量有用信息可以在企業內部自由流通，各個管理部門能夠及時、高效地得到所需信息，經過分析研究作出決策，這對提高企業管理水平有很重要的作用。企業網同樣對FMS、CIMS、敏捷制造思想的實現有著重要的意義。這些思想的一個重要基礎是良好的網絡環境，實現信息的自由流動。但無論FMS還是CIMS其成本很高，技術難度也很大。其中的一個原因是協議不統一和網絡技術的落后。在八十年代初美國通用電機公司（GM）開發了制造自動化協議（MAP），到1988年MAP3．0問世。但由于種種原因，MAP協議并沒有發展成為世界性的標準。在企業中一直有許多網絡協議共存，企業建立統一網絡的成本及難度都很大。直到TCP／IP協議成為事實上的工業標準以后，這個問題才得到解決。另一個原因是數控系統的封閉性，它使不同廠商生產的機床系統很難互連，而且第三方也幾乎不可能開發相關應用。開放性的思想則完全解決了這個問題。通用軟、硬件平臺對TCP／IP有完美的支持：還允許第三方開發，并可以集成到一起。只要是開放系統都可能聯到Intranet網內，還可以集成不同廠商的軟、硬件產品，這樣集大量廠商的力量就可以建成高性能、低價格的自動化加工系統。

3 開放式CNC系統在Intranet中的應用模式

    將開放式數控機床系統看作最小的生產單元，以Intranet網絡環境為基礎，將多臺開放式自動化設備直接聯在一起，就構成了直接計算機數控網絡（Direct CNC Networking簡稱DCN）。它將是未來自動化生產系統的重要方式。

    DCN是建立在統一的網絡環境Intranet之上的，采用TCP／IP協議為核心，統一的網絡環境使任何聯網的兩臺設備之問均可相互交換信息，這使得網上設備的管理具有極大的柔性。TCP／IP協議其實是一組協議，它的底層是物理層和數據鏈路層，可以采用各種不同的網絡產品，如以太網、令牌環網、令牌總線網、光纖網、ATM等，這些網產品其技術已經成熟，產品的性能價格比很高，用這些新產品組成的Intranet，費用相對低得多。對于極普通的以太網lOBaae-T來說，它的帶寬可達10MBPS，即每秒傳送10M 字節，這樣的帶寬可以保證數據傳輸的實時性。例如一個復雜三維曲面，經造型系統生成的NC代碼文件可達200M，考慮到網上有多個設備共存，實際傳輸速率為1MBPS，則傳輸200M文件僅需200秒，而一臺高性能數控機床加工這個曲面可能需要幾個小時，也就是說加工這個曲面可能需要幾個小時，也就是說數據的傳輸時闖遠小于實際加工時間。而且現在100M以太網技術已經成熟，更有帶寬更高的以太網、FDDI、ATM等。TCP（傳輸控制協議）也提供了完善的可靠性保證，它采用了連接管理、確認與超時重傳機制、流量控制等技術。這些技術有效地保證了可靠性。

    并不是所有設備都可以進人DCN網的，只有具有開放性特征的設備才能高效地聯到DCN中。開放系統采用通用操作系統，對TCP／IP有完美的支持，僅用很小代價就可聯網。開放性系統可以提供大量及時的、有價值的信息供網絡中任何一臺設備訪問，例如機床的工作狀態，各種切削參數，刀具狀況，當前工作進度等，而網上的管理、控制計算機可以隨時查詢上述信息，利用專家系統、管理系統進行判斷運算，做出決定，發出相應的指令，而開放系統根據接收到的指夸來調整機床的工作。

    DCN還允許各種CAD／CAPP／CAM 系統的加入．由于大多數這樣的系統都能支持TCP／IP協議，一旦這些系統進入Intranet，它們的運算結果就可以直接傳送到任何聯網的系統中。因而在DCN環境中可以方便地將各種開放系統集成起來。

    圖1是一個由四臺開放數控機床系統和二臺工作站組成的一個DCN系統模型。它們用Intranet互連、一臺工作站上面運行CAD／CAM／CAPP等大型軟件系統，叫做輔助計算機，它的作用是根據產品的設計生成數控代碼。另一臺工作站上運行管理調度監控軟件。稱為控制計算機，它是整個系統的中心，作用是監控各設備運行情況，脅調系統中其它設備的運行，其它四個是開放式數控系統，運行于PC機上基于Win．dows平臺，執行加工任務，向控制計算機發送機床運行信息，并向阿上其它設備提出某些請求，響應控制計算機發來的命令，接收來自輔助計算機的NC代碼，并執行之。

    在一個典型的DCN系統中，其工作流程是這樣的：

    1）CAD／CAM／CAPP中的CAD系統設計出產品，CAPP作出工藝流程，CAM 系統生成相應的NC代碼。

    2）由控制計算機分析各數控機床系統工作情況，并指示將相應的數控代碼由輔助計算機分別傳送到每臺數控機床系統。并指示數控系統做好準備工作。

    3）數控機床執行接收到的NC代碼，并將加工過程中的機床狀態發送紿控制計算機。在加工過程中碰到異常情況，請求控制計算機處理。

    4）加工結束后，數控系統向控制計算機發出加工結束信號，并請求新的加工任務。

    5）全部加工結束后，控制計算機通知各系統停止工作，進行相應的后處理。

    在這些過程中，2）、3）、4）是可重復的，因為每臺機床系統可能都需接受多個NC代碼文件，執行多個加工任務。它可將NC代碼文件存于硬盤上，在加工時調用，也可以在加工時直接從網上傳送過來在系統中采用客戶端／服務器的計算結構，控制計算機作為客戶端，輔助計算機和四個數控系統作為服務器，服務器接收來自客戶端的請求，作出相應的響應，并把運行結果返回給客戶端。實際上一旦建立連接以后，雙方都可以相互傳送或接受請求，網上任兩臺設備之間的信息傳輸都是雙向的，因而它們實際上互為客戶端／服務器。

    系統中每臺開放式數控系統都是一個自治系統。它可以自動執行一些命令，對加工中的各種情況能夠作出相應的處理。特別是一些緊急情況，如撞刀，它需要系統在幾毫秒內作出反應，數控系統可以自動地作出應急處理，而在網絡上的計算機是不可能在這么快的時間內相互傳送信息并作出相關處理的。數控系統自動地處理緊急情況，控制計算機處理不太緊急的事件。網上傳輸的信息是命令級的，如下載NC代碼，傳輸加工狀態，實現設備監控等。這樣方面保證了可靠性、安全性，還減少了阿上傳輸的數據量。在一個企業中可以有多個DCN系統。這些系統經過Intranet聯在一起，和企業中的MRPⅡ系統、MIs系統等形成一個整體，如圖2所示。這些管理系統可以從DCN系統中的控制計算機中得到相關信息，也可以直接從開放式機床系統中得到更詳細的信息。在這樣的統一網絡中，DCN系統和其它的管理系統可以無縫地聯在一起，并可以提供充分的有用信息供使用，從而有效提高管理水平。

    DCN系統由于建立在統一的網絡之上，因而其硬件的費用低，而且由于使用通用操作系統，它們都支持TCP／IP協議，因而軟件的支持環境也極易建立 這些都無需重新開發，所需開發的軟件只有系統中的網絡應用。這對于網絡硬件水平低、長于開發應用程序的中國人來說是一個極好的選擇，開發費用也會大大降低。開放式數控系統均可以提供大量的機床內部運行信息，供阿上計算機使用，這可以大大提高管理水平。Intranet網在企業中的一個整體，還和Internet聯在一起。只要是聯在Intranet或Intrernet上的設備都可以組在一起，形成DCN系統，它消除了地理上的限制，不同車間、甚至不同工廠的設備可以組成DCN，這給敏捷制造提供了很好的條件。DCN的可重組性也是很好，當一個DCN系統完成一個加工任務后．其中的設備可以馬上重新組成新的系統，去完成新的任務，這不需要物理上的重組，只需在相應的控制計算機上運行對應的網絡程序，信息就可以在新的I）CN系統內有序流動。

    利用開放式數控系統和Intranet組成的DCN系統具有硬件成本低、軟件開發費用步、性能好、柔性高、可重組性好等優點。它對實現敏捷制造的思想有很高的使用價值．在企業響應快速多變的市場方面，將發揮重要作用。