數(shù)控技術經過四十多年的發(fā)展日益成熟，于90年代初出現(xiàn)了開放性數(shù)控系統(tǒng)的概念，并逐漸出現(xiàn)了開放性數(shù)控系統(tǒng)取代以往專用數(shù)控系統(tǒng)的趨勢。目前，各發(fā)達國家都在競相發(fā)展自己的開放式體系結構的數(shù)控系統(tǒng)，如美國的“下一代工作站/機床控制器體系結構” NGC(The Next GenerationWork-station/Machine Control);歐洲的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結構OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation Systems);日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)等。我國國家計委和科技部在99年7月14日發(fā)布的《當前國家優(yōu)先發(fā)展的高技術產業(yè)化重點領域指南》中制造技術中的第一項即為“適用先進的數(shù)控機床及開放式數(shù)控系統(tǒng)”。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)也已經應用于超精密加工領域。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點

目前的專用數(shù)控系統(tǒng)(包括軟件和硬件)，基本不具備可移植性，都是為特定的機床或設備專門開發(fā)的，從而使得其成本十分昂貴。隨著制造技術的發(fā)展，要求整個制造系統(tǒng)具有更多的開放性，集成為一個具有更大柔性的系統(tǒng)。在九十年代初就出現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念，目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)多以 PC機為基礎，配上各種控制卡。與以往的專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)一般具有如下特點：

1. 格較低，性能價格比極高

由于開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強的可移植性，使其開發(fā)費用大大下降，維修更簡易，質量更可靠，性能更加完善，增強了開放式數(shù)控系統(tǒng)的市場競爭能力。以往一套專用超精密數(shù)控加工系統(tǒng)動輒就上百萬，更存在禁運的問題，而一套開放式超精密加工數(shù)控系統(tǒng)成本則低得多。

2. 模塊化的設計

開放式數(shù)控系統(tǒng)中的各模塊相互獨立，可讓用戶在較大范圍內根據(jù)需求配置系統(tǒng)，如機床軸數(shù)、 I/O點數(shù)等，而當系統(tǒng)硬件改變時，只需簡單修改數(shù)控系統(tǒng)軟件，即可滿足需求。具有更大的靈活性，更能適應市場的動態(tài)變化。

3. 豐富友好的人機界面

機床制造商或用戶可在開放式環(huán)境下用不同的編程語言隨心所欲地開發(fā)最適合自己用途的人機界面，完善自己的數(shù)控系統(tǒng)，如某些特殊機床的專用控制功能，而不必過多地考慮數(shù)控系統(tǒng)控制器的核心部分。

4. 優(yōu)良的開放性能

開放式數(shù)控系統(tǒng)能方便地掛上第三方的應用軟件，如各種 CAD/CAM軟件、測試軟件或管理軟件滿足自己的需求。開放式數(shù)控系統(tǒng)可集眾家之長，其優(yōu)勢是不言而喻的。

5. 支持多種操作平臺

開放式結構的數(shù)控系統(tǒng)比以往的專用數(shù)控系統(tǒng)能更好地支持各種不同的操作平臺，如： windows windowsNT， Unix， OS2等。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中的應用

開放式數(shù)控系統(tǒng)由于其自身的優(yōu)越性，目前在超精密加工中也得到了較廣泛的應用。

1. 國外開放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中的應用

英國 Rank Pneumo公司在八十年代末開發(fā)了 Nanoform300機床。該機床不僅能夠進行切削加工，還可以用金剛石砂輪進行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡。機床的控制系統(tǒng)采用的是美國 DELTA TAU公司的可編程多軸運動控制器(PMAC)。該控制器采用了先進的數(shù)字信號處理技術。最初選用的是摩托羅拉的56001數(shù)字信號處理器(DSP)。每個卡可控制多達8個伺服軸，可用 PC、XT/AT、VME、STD32或 PCI總線形式(都可完全脫機運行)。16/18位的DAC輸出分辨率。10/15MHZ的編碼計數(shù)率，高達320MHZ的有效輸入帶寬。開放式的結構可控制任何型號的電機，具有極強的處理能力和高度的靈活性，適于現(xiàn)今實際應用中的各種總線結構、電機類型、反饋元件和指令數(shù)據(jù)結構，是開放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中一個鉸早的成功應用。

Rank Pneumo公司新推出的 Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，是一臺兩軸超精密 CNC機床，能進行超精密車削和磨削。該機床可以直接磨削出能達到光學系統(tǒng)要求的具有光學表面質量和面型精度的硬脆材料光學零件。機床最大加工工件直徑達到250mm。機床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為1.25nm，其數(shù)控系統(tǒng) Nanoform300相似，仍是采用美國 DELTA TAU公司的可編程多軸運動控制器。

與該公司有密切關系的美國 Precitech公司，在其后來推出的眾多機床上，都采用了開放式的數(shù)控系統(tǒng)結構，但其控制器不再是采用美國 DELTATAU公司的可編程多軸運動控制器。改為采用 Precitech自己開發(fā)的UltrapathTM DSP 在 Naonoform200、 Nan0form350、 Nanoform600、PLANOFORM550、 Freeform4000、 Freeform5000等 Precitech公司最新的機床上皆采用基于 Precitech's UltrapathTM DSP的開放式數(shù)控系統(tǒng)。目前該數(shù)控系統(tǒng)的資料較少，但這么多機床使用同一套數(shù)控系統(tǒng)，可見該系統(tǒng)的可移植性及其它性能都應是很好的。

美國摩爾公司目前最新的三臺機床 Nanotech500FG、 Nanotech350UPL、Nanotechl50AG當中，除了 Nanotech500FG用的是帶高速串行總線的專用Fanucl5i數(shù)控系統(tǒng)。NanoteCh350UPL和 Nanotechl50AG采用的是開放式數(shù)控系統(tǒng)。與 Nanoform300、Nanoform250相同， NanoteCh350UPL采用的是美國 DELTA TAU公司的 PMAC控制器，而 Nanotechl50AG采用的是Aerotech公司 UNIDEX600控制器。該控制器可控制多達16個伺服軸，可執(zhí)行高速位置鎖存?？刂破魃纤玫氖歉哌_33/66MHZ的 RISC處理器，其上的 i960芯片能在一個時鐘周期內執(zhí)行數(shù)條指令，控制器上集成了高達32MB的 DRAM，提供了強大的處理能力，同其它開放式數(shù)系統(tǒng)一樣，也具有很強的靈活性，提供了豐富的支持軟件。

2. 國內開放式數(shù)控系統(tǒng)的狀況及在超精密加工中的應用

近年來，國內對開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究也在不斷深入，為數(shù)眾多的高?？蒲性核_發(fā)了自己的開放式數(shù)控系統(tǒng)。較典型的有華中理工大學的華中I型數(shù)控系統(tǒng)，北京航空航天大學的中華I型數(shù)控系統(tǒng)，中國科學院沈陽計算技術研究所的藍天系列高檔數(shù)控系統(tǒng)、西安交通大學剛在首屆中國國際高新技術成果交易會推出的五軸五聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)等。

但由于超精密加工的獨特性，這些數(shù)控系統(tǒng)都還不能直接用于超精密加工。我實驗室正在研制的 Nanosys300非球面超精密復合加工系統(tǒng)中，經論證選用的是 DELTA TAU公司的 PMAC控制器，右圖即為該復合加工系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)采用的是 PC總線結構，上位機為工控機，通過系統(tǒng)總線與 PMAC通訊，也可通過雙口 RAM與 PMAC進行高速數(shù)據(jù)交換;控制器上有高速的 DSP處理加工數(shù)據(jù)：用高精度的LVDT測頭對刀;通過16位的 DAC驅動主軸電機和伺服電機：用高分辨率、高精度的編碼器和光柵實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)雙位置反饋控制。

3 結束語

可以預見，開放式數(shù)控系統(tǒng)以其自身的優(yōu)越性將會成為未來先進數(shù)控系統(tǒng)的主流，在超精密加工中的應用也會更加廣泛，我們應該抓緊時間采取措施，投入大量人力、財力進行研究開發(fā)，推動我國數(shù)控技術的發(fā)展。