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外文資料翻譯
原文題目:Analysis of open CNC architecture for machine tools
原 文 來(lái) 源： 巴西機(jī)械科學(xué)學(xué)報(bào) 2002年7月
巴西機(jī)械科學(xué)學(xué)報(bào)
打印版本ISSN 0100-7386
J.Braz. Soc. 機(jī)械學(xué)科 第24卷，第3期，里約熱內(nèi)盧，2002年7月
http://dx.doi.org/10.1590/S0100-73862002000300009
機(jī)床開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)分析
O. L. Asato1; E. R. R. Kato; R. Y. Inamasu; A. J. V. PortoI
IUSP EESC - 圣保羅大學(xué) CarlosDepartamento 機(jī)械工程 ?13560-254 圣保羅卡洛斯SP的圣保羅學(xué)校.巴西l
概要
數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了能以更高的速度和更高的可靠性，允許開發(fā)適應(yīng)于新的生產(chǎn)系統(tǒng)（例如，柔性制造系統(tǒng)-FMS）的機(jī)器控制器。大多數(shù)控制器是與相應(yīng)機(jī)床制造商的數(shù)控技術(shù)一致開發(fā)的，任何對(duì)其組件的更改或改編都不容易實(shí)現(xiàn)。機(jī)器設(shè)計(jì)人員面臨硬件和軟件限制，如系統(tǒng)元素之間缺乏交互，不可以添加新功能。這是由于硬件不兼容，軟件不允許在源程序中進(jìn)行更改。開放式架構(gòu)理念的引入推動(dòng)了新一代數(shù)字控制器的發(fā)展。這將傳統(tǒng)的CNC技術(shù)帶入了標(biāo)準(zhǔn)的IBM-PC微機(jī)。因此，組合CNC（定位）和微型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（易于編程，系統(tǒng)配置，網(wǎng)絡(luò)通信等），一些研究人員已經(jīng)解決了軟件和硬件的靈活結(jié)構(gòu)，允許更改硬件基本配置和所有控制軟件級(jí)別。在這項(xiàng)工作中，描述了OSACA，OMAC，HOAM-CNC和OSEC架構(gòu)中開放式架構(gòu)控制器的開發(fā)。
關(guān)鍵詞：開放式架構(gòu),數(shù)控，機(jī)床
簡(jiǎn)介
當(dāng)前制造系統(tǒng)中的工業(yè)自動(dòng)化演變需要在設(shè)備制造商（例如數(shù)控機(jī)器）和使用基于自動(dòng)設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)集成制造-CIM）的操作和集成的生產(chǎn)技術(shù)的客戶之間建立規(guī)則。這些規(guī)則是必需的，因?yàn)樵谥踩牒途S護(hù)復(fù)雜的工廠控制器的網(wǎng)絡(luò)期間存在著的問(wèn)題。
當(dāng)需要擴(kuò)展、維護(hù)和集成“生產(chǎn)島”時(shí)，工程師和技術(shù)人員在硬件和軟件方面會(huì)受到限制。而硬件和軟件問(wèn)題通常不允許使用相同的控制硬件，于是提出了尋求“開放式”的解決方案來(lái)提高生產(chǎn)中增加的成本。 Wada（1996）的“開放方式”的意義在于獨(dú)立于制造商的技術(shù)，允許用戶從幾個(gè)不同的制造商購(gòu)買硬件和軟件，并自由地組裝所獲得的設(shè)備。
因此，開放式架構(gòu)控制器具有集成來(lái)自幾個(gè)不同制造商的多個(gè)設(shè)備的能力，并且具有多個(gè)可編程應(yīng)用接口的控制解決方案，以更低的成本保持相同的性能。
開放架構(gòu)控制器的第一個(gè)起點(diǎn)開始于NIST（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）提出使用RCS（實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)），這是15年前的架構(gòu)模型（Proctor和Albus，1997）。 RCS模型是由NCMS（國(guó)家制造科學(xué)中心）和美國(guó)空軍共同主辦的NGC（下一代控制器）計(jì)劃的基礎(chǔ)，驗(yàn)證了下一代控制器的工業(yè)需求。研究開始于標(biāo)準(zhǔn)SOSAS（開放系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）的開發(fā)（Yamazaki，1996）。
盡管經(jīng)過(guò)這樣的努力，CNC開放式架構(gòu)仍然沒(méi)有定義通用模式。然而，研究中心中的架構(gòu)的若干發(fā)展允許改變軟件和硬件，這樣能夠提供大量可能的設(shè)計(jì)配置。
開放式架構(gòu)系統(tǒng)的規(guī)范
開放架構(gòu)控制器在硬件上應(yīng)該是靈活的，因?yàn)樗怯糜谒锌刂萍?jí)別的軟件（Wright等人，1996）。開放架構(gòu)控制器必須是標(biāo)準(zhǔn)的，允許任何工程師或技術(shù)人員進(jìn)行硬件和軟件開發(fā)，以及與其他控制器，單元控制系統(tǒng)和高級(jí)計(jì)劃系統(tǒng)的集成（Schofield，1996）。
機(jī)床開放控制器應(yīng)允許集成由不同制造商開發(fā)的獨(dú)立應(yīng)用程序模塊，控制算法，傳感器和計(jì)算機(jī)硬件（Pritschow等，1993）。
開放系統(tǒng)允許在與其他應(yīng)用系統(tǒng)交互的多個(gè)平臺(tái)中編程。
開放式架構(gòu)系統(tǒng)的一些規(guī)范是（Miles，1998）（Oshiro，1998）：
?交互：由于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)語(yǔ)義的交流;
?互操作性：不同制造商具有相同的組件功能;
?可移植性：易于使用的應(yīng)用軟件可以從一個(gè)環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一個(gè)環(huán)境。
?可擴(kuò)展性：系統(tǒng)根據(jù)需求增加或減少的能力。
架構(gòu)類型
下面將闡述開放式架構(gòu)系統(tǒng)的一些發(fā)展過(guò)程：
OSACA架構(gòu)（用于自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)控制的開放系統(tǒng)架構(gòu)）
OSACA（1998）架構(gòu)是用于自動(dòng)系統(tǒng)的控制開放系統(tǒng)架構(gòu)。它出現(xiàn)在歐洲的6379計(jì)劃中的ESPRIT III項(xiàng)目，是涉及OAC（開放式架構(gòu)控制）的最大的項(xiàng)目之一，包括網(wǎng)絡(luò)連接和應(yīng)用程序（Koren等人，1996a）。
OSACA項(xiàng)目始于1992年，由法國(guó)，德國(guó)，意大利，西班牙和瑞士的研究機(jī)構(gòu)共同執(zhí)行。
OSACA項(xiàng)目的主要目標(biāo)是定義獨(dú)立的硬件和模塊化，即在模塊中工作中，允許添加或刪除數(shù)字控制，機(jī)器人控制，可編程邏輯控制器（PLC），單元控制等。這些模塊也創(chuàng)建了OSACA第二階段項(xiàng)目9115，以建立軟件模塊化系統(tǒng)、通信接口、操作和開放的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的新功能和用于新的數(shù)字設(shè)備（Pritschow等，1993）。
遵循同樣的研究路線，它在德國(guó)創(chuàng)建HüMNOS（面向?qū)ο蟮拈_放架構(gòu)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用的調(diào)制開發(fā)）項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)是基于OSACA的結(jié)果。隨著這個(gè)項(xiàng)目的幾個(gè)研究，使它擁有終極用戶（寶馬，梅賽德斯奔馳），機(jī)床制造商（Alfing，F(xiàn)ritz Wener，Grunewald，Heller，Homag，HüllerHille，Index，Mikromat，Pfauter，Trumpf和Unipo）和控制器制造商（Bosch，DASA ，Grundig電子，ISG，SIEMENS）。
這樣做的目的是在用戶和制造商之間交換信息，為兩者帶來(lái)好處。 OSACA架構(gòu)允許使用用戶界面組裝機(jī)床控制，而不需要檢查整個(gè)軟件（Altintas，et al。，1996）。而為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們有必要先了解平臺(tái)的概念。
平臺(tái)由為功能單元（FU）控制提供統(tǒng)一服務(wù)的硬件和程序組（操作系統(tǒng)，通信系統(tǒng)）組成。與FU的應(yīng)用程序編程接口（API）基于明確定義的任務(wù)。
三個(gè)主要平臺(tái)領(lǐng)域是：
?通信系統(tǒng)：硬件和軟件獨(dú)立于控制器應(yīng)用程序的不同模塊之間的信息交換接口進(jìn)行定義。 OSACA通信系統(tǒng)允許在客戶端和服務(wù)器應(yīng)用之間以透明的方式交換信息。
?參考架構(gòu)：確定控制FU并指定外部接口。這樣做是為了通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)以良好定義的方式使用和集成外部單元。 FU示例包含人機(jī)界面，聯(lián)鎖邏輯控制和軸運(yùn)動(dòng)控制。對(duì)于每個(gè)識(shí)別的FU，用于定義使用面向?qū)ο蟮耐ㄐ排c應(yīng)用模塊接口的數(shù)據(jù)的外部模塊。寫入和讀取數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接口位于面向架構(gòu)的對(duì)象中，并且這種訪問(wèn)可以面向通信的對(duì)象進(jìn)行使用。
?系統(tǒng)配置：允許通過(guò)組合不同的應(yīng)用程序模塊進(jìn)行控制器動(dòng)態(tài)配置。這不僅允許確定給定功能的特定拓?fù)?，而且允許確定分布式進(jìn)程之間的同步。
圖1描述了OSACA系統(tǒng)的平臺(tái)，其中由微計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的配置請(qǐng)求被發(fā)送到系統(tǒng)。重新配置使用FU（功能集成），它基于面向?qū)ο蟮某绦?，類?kù)，變量和內(nèi)部數(shù)據(jù)工作。 OSACA應(yīng)用協(xié)議使用基于面向?qū)ο笤淼目蛻舳?服務(wù)器基礎(chǔ)。所有FU功能都將具有外部訪問(wèn)，并且它可以由通信平臺(tái)進(jìn)行配置。從客戶的角度來(lái)看，可以通過(guò)系統(tǒng)通信消息的發(fā)送和接收來(lái)訪問(wèn)服務(wù)器。
OMAC架構(gòu)（開放調(diào)制架構(gòu)控制器）
OMAC架構(gòu)于1994年12月開始，出版了克萊斯勒，福特和通用汽車公司的“開放，調(diào)制架構(gòu)控制器應(yīng)用于汽車工業(yè)的要求”。本文檔作為北美汽車行業(yè)控制器API的指南。
OMAC組由開放架構(gòu)系統(tǒng)用戶組成，其目標(biāo)是能夠一起工作，帶來(lái)幾個(gè)好處（Yen，1998），例如：
?根據(jù)軟件用戶和機(jī)器制造商的經(jīng)驗(yàn)確定開放式架構(gòu)控制器的位置;
?通過(guò)使用API??加速行業(yè)內(nèi)的開放控制使用;
?促進(jìn)控制器制造商之間的開放控制的發(fā)展;
?為開發(fā)架構(gòu)控制器技術(shù)的開發(fā)，商業(yè)化和使用開發(fā)集體解決方案。
HOAM-CNC架構(gòu)（分層開放式架構(gòu)多處理器 - 數(shù)控）
HOAM-CNC架構(gòu) - 用于CNC機(jī)床的開放式系統(tǒng)架構(gòu)分層多處理器 - 主要用于機(jī)床硬件，具有兩條總線，一條CNC控制總線和另一條總線，優(yōu)點(diǎn)是允許引入新的組件。參與這一研究項(xiàng)目的一些研究中心是：
?密歇根大學(xué)/美國(guó)安娜堡 - 對(duì)開放式架構(gòu)控制器實(shí)時(shí)研究高性能機(jī)床。他們執(zhí)行幾種不同類型的硬件控制與網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)施，研究機(jī)器性能的差異取決于采用的架構(gòu)（Koren等人，1996a;（Koren等人，1996年b）。
?不列顛哥倫比亞大學(xué)/加拿大溫哥華 - 他們使用這種架構(gòu)尋求調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制。使用聲學(xué)傳感器插入檢測(cè)刀具損壞和振動(dòng)的模塊，用于控制執(zhí)行。主總線用于執(zhí)行機(jī)器控制過(guò)程和監(jiān)視任務(wù)，并且具有更高性能的次級(jí)總線用于與CNC通信（Altintas等人，1996）（Yamazaki，1996）。
圖3示出了使用微型計(jì)算機(jī)的HOAM-CNC結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)主總線ISA處理監(jiān)視器活動(dòng)、數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)控制和人機(jī)接口（MMI）。 CNC總線處理每個(gè)軸的位置和速度控制（Altintas等人，1996），用專用處理器實(shí)時(shí)地操作控制。
該系統(tǒng)允許在主總線中添加幾個(gè)處理模塊并且在次總線中控制軸的交互。
OSEC體系結(jié)構(gòu)（控制器的開放系統(tǒng)環(huán)境）
六家日本公司，東芝機(jī)械公司，豐田機(jī)床有限公司，山崎馬扎克公司，IBM日本有限公司，三菱電機(jī)公司SML公司組成了OSEC（控制器開放系統(tǒng)環(huán)境）組，其目的是開發(fā)數(shù)字控制設(shè)備的開放式架構(gòu)平臺(tái)。
該小組的目的是創(chuàng)建一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人微機(jī)IBM-PC的開放式架構(gòu)，以控制制造設(shè)備，提高其性能并便于其維護(hù)。除了控制設(shè)備之外，個(gè)人微計(jì)算機(jī)還可以作為工廠操作的信息庫(kù)系統(tǒng)。換句話說(shuō)，基于這種架構(gòu)的設(shè)備可以是基于計(jì)算機(jī)CALS（計(jì)算機(jī)輔助采集和后勤支持）（Yamazaki，1996）的采集和后勤支持系統(tǒng)的要素。
有許多研究中心致力于這種開放式架構(gòu)概念，例如美國(guó)海軍與增強(qiáng)型機(jī)器控制器項(xiàng)目 - EMC（增強(qiáng)型機(jī)器控制器），貿(mào)易部支持提出了五級(jí)架構(gòu)：
1 - 工作站規(guī)劃;
2 - 工作站管理;
3 - 計(jì)劃解釋;
4 - 軌跡生成/離散輸入和輸出（I / O）;
5 - 伺服控制。
該項(xiàng)目包括熱變形誤差補(bǔ)償和NURBS（非均勻有理B樣條）插值法（Yamazaki，1996）。
美國(guó)能源部與TEAM-ICLP（技術(shù)啟用敏捷制造 - 智能閉環(huán)處理）項(xiàng)目集中研究開發(fā)面向開放式架構(gòu)的API。
啟動(dòng)NGIS（下一代檢測(cè)系統(tǒng)II）項(xiàng)目的國(guó)家制造科學(xué)中心（NCMS）正在尋求開發(fā)傳感器過(guò)程檢查界面。
趨勢(shì)
公司和研究中心提出的幾個(gè)項(xiàng)目尋求開發(fā)控制器，為機(jī)器提供增加的新技術(shù)。主要是通過(guò)建立世界硬件和軟件模式，使制造商和客戶之間的技術(shù)依賴。
由于CNC的開放體系結(jié)構(gòu)的編程和配置靈活性的增加，產(chǎn)生了面向?qū)ο蟮能浖陀梢粋€(gè)或多個(gè)控制處理器控制的電氣 - 機(jī)械系統(tǒng)組成的模塊化服務(wù)。
未來(lái)的趨勢(shì)是使用自主CNC，管理和處理所有內(nèi)部（機(jī)器固有）和外部（與生產(chǎn)計(jì)劃相關(guān)）元素。為此，有必要開發(fā)幾個(gè)部分：
計(jì)劃科：收到產(chǎn)品項(xiàng)目（CAD - 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型）和原材料。規(guī)劃使用可用資源執(zhí)行;
內(nèi)部分析部門：驗(yàn)證零件加工，存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中獲得的最佳結(jié)果。此后，執(zhí)行分析以操作順序，工具的使用以及控制部分需要的切割條件為根據(jù)，對(duì)加工部件進(jìn)行分類;
控制部分：使用補(bǔ)償和模擬預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)執(zhí)行真實(shí)的CNC控制;
質(zhì)量的診斷和控制部分：從分析部分，最終部分被驗(yàn)證，并且自主測(cè)量過(guò)程生成整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。質(zhì)量控制驗(yàn)證過(guò)程行為統(tǒng)計(jì)以診斷失敗的原因。
上面提到的部分必須：
?使用知識(shí)庫(kù)以自動(dòng)方式維持機(jī)器操作的活動(dòng);
?使用數(shù)據(jù)庫(kù)的信息來(lái)驗(yàn)證和改進(jìn)資源（新技術(shù)），以提高運(yùn)營(yíng)績(jī)效;
?使用診斷和質(zhì)量控制自動(dòng)檢查完成部件，無(wú)需人工干預(yù);
?操作完成后，自動(dòng)分析操作性能。
?基于模擬實(shí)時(shí)分析控制模型，并在維持機(jī)床精度和安全性的控制中進(jìn)行校正。
開放式架構(gòu)CNC將具有以下特征（Yamazaki，1996）：
透明：系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)完全了解機(jī)床制造商以及最終用戶;
可移動(dòng)：控制軟件的任何部分可以傳輸?shù)饺魏芜h(yuǎn)程部分或個(gè)人微型計(jì)算機(jī);
可移植：控制軟件可以實(shí)施或現(xiàn)代化;
活力：當(dāng)更換新的系統(tǒng)組件時(shí)，軟件和硬件都應(yīng)允許機(jī)器立即運(yùn)行，無(wú)需額外成本;
可重新配置：控制器功能應(yīng)可由用戶配置;
進(jìn)化：必須開發(fā)完整的系統(tǒng)（這意味著智能功能sho
總結(jié)
使用開放式結(jié)構(gòu)CNC被認(rèn)為是非常重要的，因?yàn)樗且环N有前景的技術(shù)，其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中起著重要的作用，允許設(shè)備的集成，更友好的配置界面，機(jī)床通訊和現(xiàn)代化。
電子元件的低成本激勵(lì)了新控制器的發(fā)展。
在美國(guó)，歐洲和亞洲開發(fā)的開放式架構(gòu)有幾種類型，它們使用標(biāo)準(zhǔn)的IBM-PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 OSACA架構(gòu)在軟件領(lǐng)域最為廣泛，OMAC架構(gòu)主要在工業(yè)應(yīng)用中運(yùn)行，OSEC架構(gòu)在每個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化，物流和支持中都起作用。 HOAM-CNC架構(gòu)在新的傳感器和特殊模塊實(shí)現(xiàn)方面在硬件領(lǐng)域起作用。
所有這些架構(gòu)都集成了幾個(gè)不同制造商的設(shè)備，并以更低的成本獲得控制解決方案，保持相同的性能。
開放式架構(gòu)控制器的一些好處是：
?在控制軟件的設(shè)計(jì)中使用C ++編程。 軟件程序可以配置和實(shí)現(xiàn)新功能，增加機(jī)床性能。
?采用力傳感器，振動(dòng)傳感器，聲傳感器等新應(yīng)用的適應(yīng)性控制算法開發(fā)的應(yīng)用可能性
?特殊伺服控制算法執(zhí)行，提高機(jī)床精度。
?為不同機(jī)器使用相同的操作界面，簡(jiǎn)化用戶培訓(xùn)并降低成本。
致謝
作者要感謝巴西的FAPESP - 圣保羅州研究基金會(huì)安帕羅 ，部分資助了這項(xiàng)工作的開發(fā)。
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