打造自主品牌的高端数控系统软件平台

装备制造业是一个国家的基础性、前沿性、支柱性产业，更是国家工业化程度的重要标志。而身为制造装备“工作母机”的数控机床更被视为国防军工产业发展的关键――当今世界，数控机床的水平和拥有量是衡量国家制造业水平、工业现代化程度和综合竞争力的重要标志。发达国家不仅将其视为国家竞争力的战略制高点，而且将之列为超越经济价值的战略物资，对我国采取技术封锁、限制等政策。

“数控一代”创新应用示范

数控系统和伺服驱动系统是数控机床的的大脑和手脚，是数控机床的核心部件，数控技术是装备制造业实现自动化、柔性化、集成化、网络化和智能化的关键技术。加快发展数控技术对装备制造业振兴具有前瞻性、先导性和基础性的战略意义。国家“十一五”、“十二五”规划均将发展高档数控系统和全数字交流伺服驱动系统列为重要项目。

2011年初，我国18位院士共同提出“数控一代”的创新概念，建议实施《“数控一代”机械产品创新工程》。《“数控一代”机械产品创新工程》既是数控技术应用工程，更是机械产品创新工程；既有机械工业发展强大需求的推动，又有成熟数控技术的支撑。其战略目标是：在机械行业全面推广应用数控技术，在5～8年内实现各行各业各类各种机械产品的全面创新，使中国的机械产品整体升级为“数控一代”，为我国机械工业从“大”到“强”的跨越式发展做出贡献。中央高度重视该项建议，并正式启动《“数控一代”机械产品创新应用示范工程》。

与此同时，工信部“软件与信息技术服务业十二五规划”明确提出嵌入式软件要“面向工业装备、通信网络、汽车电子、消费电子、医疗电子、数控机床、电力电子、交通运输、环保监测等重点领域，积极开展符合开放标准的嵌入式软件开发平台、嵌入式操作系统和应用软件的开发，加快研发面向下一代互联网、物联网应用的嵌入式系统软件，推动软件研发模式创新发展，进一步提高产业化水平和产品出口能力”。

高速发展的计算机技术、嵌入式技术、网络技术和丰富的计算机软件资源，给我国数控技术的发展提供了很好的机遇；工业以太网的快速发展和关键技术的突破、使得工业自动化领城控制系统的通信网络逐步统一到工业以太网，并正在加快推广应用，发展为一大技术潮流。这些都为我国构建高端数控系统软件平台提供了良好的条件。

现代数控技术发展趋势

智能化、开放式、网络化已成为当代数控系统发展的主要趋势。现代计算机数控技术发展呈现二大趋势：一是将数控技术引入通用PC的自动化解决方案来提高其系统性能，增强市场竞争力；二是在数控技术中引入嵌入式计算机，使数控系统在专用性、稳定性和经济性上具备较好的市场前景。

当前，以FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI为代表的国际主流数控系统制造商，在高档数控系统产品方面具有几大共同特点。

首先是多轴、多通道、高速和高精度切削、复合加工。如FANUC的30i-A数控系统可控制40个轴10个通道、具有5轴联动加工，纳米插补和AⅠ、AⅡ轮廓控制等功能，可实现各种复杂形状模具的高速高品质、复合加工。MITSUBISHI的700系列数控系统可控制16个轴4个通道,具有8轴联动，纳米插补和SSS(Super Smooth Surface )和OMR(Optimum Machine Response)高速高精度控制技术。

其次是开放式、智能化和网络化。许多数控系统采用了通用的计算机操作系统，充分利用计算机软件资源，把CNC与计算机技术紧密的结合起来，使CNC友好的图形人机界面；各种智能化自动编程、加工过程自适应控制技术、加工参数的智能优化与选择、智能故障自诊断与自修复等智能化功能；具有标准的USB接口、PCMCIA接口和网络接口。如Siemens公司的810D和840D数控系统选用Windows操作系统，MITSUBISHI公司的700系列数控系统选用了Windows XPe嵌入式操作系统。这些系统都具有较好的开放性，能提供相应的软件包给用户开发各种个性化的应用功能。

另外，系统普遍采用嵌入式结构+实时现场总线。国外CNC制造商在其产品中广泛采用现场总线技术。如Siemens公司采用ProfiNet，Indramat、Fagor等公司采用SERCOS总线。FANUC 0i-C和30i中高档数控系统采用了先进的嵌入式结构。整个CNC系统包括液晶显示器、键盘和CNC主机集成在一个控制箱内,通过FSSB高速总线和伺服驱动器连接，接线简单方便。系统显得紧凑、简洁、美观，可靠性高。

此外，针对数控技术新标准STEP-NC展开研究。采用G，M代码来描述如何加工已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

目前，欧美、日本、韩国等国家投入了大量资金研究STEP-NC，研究数据表明：STEP-NC应用将使加工工艺规划时间减少35%，生产数据的准备时间减少75%，加工时间减少50%（五轴和高速加工）。STEP-NC为真正实现基于网络的E-Manufacturing、CNC的自治智能制造提供了可能。目前STEP-NC的研究已取得了很大的进展。

先进计算机数控技术是是现代制造装备技术中各种新兴或尖端技术得以存在和发展的“使能技术”，是发展我国装备制造业必不可少的核心技术，其技术水平高低、规模化生产能力的大小，对于国民经济的发展、国力增强有着极其重要意义。

目前，我国在中高档数控系统领域还严重依赖进口，汽车生产线设备中很少见到国产系统。由于没有国产系统参与竞争，进口产品价格昂贵。因此，国家把高档数控系统和伺服驱动系统作为关键功能部件，与数控机床并列放在同等重要的地位发展。

国内的数控技术经过这些年的发展，基本掌握了现代数控技术和伺服驱动技术，初步形成了如华中数控、广州数控、上海开通数控等数控产业化基地。建立了一支数控研究开发、管理人才的基本队伍，在数控机床市场中占有一席之地。

国家 “十一五”数控重大专项的实施使基于现场总线技术的中高档数控系统和伺服驱动系统的研发有了重大突破，华中数控的HNC-8型数控系统已开始进入示范应用，这对我国高端数控软件研发有很大的促进作用。

发展自主产权的高端数控软件平台

数控技术发展的关键是数控软件的开发，有一个好的数控系统软件平台，又是数控技术能持续发展的基础。上海开通数控有限公司总结了多年来对国外先进的开放式数控系统研究开发的经验，研究了开放式数控系统的标准规范，完全自主创新建立了基于Windows和Linux双操作系统的开放式数控系统软件平台，在这个平台上开发了基于总线技术的中高档数控系统。其具有很好的开放性和灵活性，能较快适应用户设备的各种个性化需求。系统的下位机运动控制器（KT500/KT510）可以配置各种上位机-嵌入式数控系统显示单元（KT630）、台式电脑/笔记本电脑、工业计算机。上下位机通过标准以太网接口进行通信，该系列产品已应用于车、铣、磨、加工中心和滚齿机等装备。为实施“数控一代”机械产品创新工程、开通数控将在现有基础上完善并提升数控系统软件平台，继续开发基于实时以太网现场总线、多轴多通道的数控软件系统及其应用。

十余年来，开通数控与上海交大、上海理工大学、上海大学、上海机床厂有限公司等单位建立了产学研用联盟，在数控系统和伺服驱动系统的开发中紧密合作，取得了丰硕的成果。公司将充分发挥上海市软件工程中心（数控和伺服驱动）的作用，对数控产品进行示范应用和推广，扩大用户服务培训的范围。

数控技术发展的关键是数控软件的开发，由于我国的数控软件开发的基础薄弱，积累少，因此数控系统的开发周期长，稳定性可靠性较差。在计算机技术高速发展的今天，如何能快速可靠的开发出高质量、可持续发展的数控软件，缩短我们与国外数控技术水平的差距，具有重要意义。根据多年来积累的开放式数控系统研究开发及应用的经验，学习研究了国外开放式数控系统及相关标准规范，并根据公司自身发展数控技术的需求，研究开发了一种适用于开放式数控系统软件平台ONCASP(Open Numerical Controller Application Software Platform)。

ONCASP的开放性主要体现在四个层次：

第一层为内核层：由于运动控制与逻辑控制任务工作在实时内核中。ONCASP采用编译执行的PMC与PLC编程语言，允许用户定制实时控制任务，编写复杂的轨迹插补算法。编译执行的方式确保了系统级任务的运行效率。

第二层为插件层：由于ONCASP采用了模块化的设计。用户可以使用高级语言编写插件模块运行在系统程序的后台或前台。通过高级语言，可以将操作系统硬件以及第三方软件的资源与控制系统无缝整合在一起，使系统功能得到充分地延伸。

第三层为组态层：ONCASP提供了脚本语言编程接口以及基于XML的操作界面描述语言。通过这个接口，用户无需掌握专业的编程知识，就可以定制界面并可以实现基于菜单按钮的人机交互。这一层次主要面向控制系统的现场工程师和高级用户。他们往往掌握丰富的工艺经验，但是并不懂得软件编程技术。ONCASP的脚本和组态工具有效地降低了系统的二次开发的门槛。

第四层为网络层：基于以太网的Socket接口，ONCASP平台可以向网络上的远程计算机实时广播控制系统的状态，并可接受经过加密的控制指令。而通过无线Wi-Fi网络，对ONCASP平台的监控更可以扩展到智能移动终端。管理人员可以在工厂的每一个角落均可以实时了解到生产设备的工作状态。

以上几个开放层次，使ONCASP平台满足了不同层次的用户需求，并能适应灵活多变的应用场合。

在工业控制中广泛使用的具有图形用户界面的操作系统主要是Windows和Linux两种。ONCASP能够在这两种不同的操作系统中运行；并且在不同的操作系统中，基于ONCASP所开发的应用软件能够表现出相似的视感和操作方法。

数控系统集成CAD/CAM技术

数控系统的编程技术经过多年的不断发展，已经由传统的手工编程，逐渐转化为更加灵活易用的自动化辅助编程。尽管这一技术与专业的CAD/CAM软件之间仍然存在一定的差距，但是这并不能阻止它与数控系统的深度结合。

目前国外的知名数控系统，如西门子、海德汉、FANUC等，都根据各自数控系统的操作风格，发展起了专有的自动化辅助编程技术。与基于PC的专业的CAD/CAM软件相比，数控系统因为屏幕尺寸和输入设备的限制，在复杂零件建模方面仍然无法替代专业软件。

但是，数控系统上实现CAD/CAM具备两个独特的优势：一方面在于数控系统上能够随时编程、随时加工，有效提高工作效率；另一方面在于CAD/CAM能够获得数控系统的刀具、加工参数等信息，使所设计的零件在加工时都具备更好的工艺性，充分提高加工效率和质量。然而，方便灵活的CAD/CAM功能对数控系统的性能提出了更高的要求。正是由于以上原因，是否集成了CAD/CAM功能成为高档数控系统的重要辨别标准。

开通数控从1998年开始，就已经对集成CAD/CAM技术进行了跟踪研究。经过了十余年的发展。目前已经拥有了一套具有完全自主知识产权的CAD/CAM软件技术――KTCAM，并将其与ONCASP平台进行了深度整合。

KTCAM采用OpenGL三维渲染引擎，并采用高速三维建模算法。能够实现简单快捷的逆向重构。KTCAM能够支持多种主流CAD/CAM的文件格式，并能够基于基本的三维实体，通过拉伸、剪切、合并等实体算法生成复杂的三维零件形状。另外，根据当今艺术品、模具、广告和展会产业的快速发展，KTCAM还提供了浮雕、刻字等简单实用的曲面建模和刀具路径优化算法。而所有这些三维形状编辑和加工参数的设置操作都充分考虑到了数控系统的操作风格，力求操作简单。

随着CAD/CAM的应用日趋广泛，数控系统渐已成为高端软件技术发展的新高地。

软件平台应用

随着ONASCP进入实际应用阶段。开通数控在此“平台”上开发了数控车、铣、加工中心、磨削、齿轮加工、切割等数控软件，提供多种显示语言，如英文、捷克文、德文和法文等，并根据市场的需求在继续不断地完善、提升、发展这个平台。与之配套的数控机床批量出口欧美、日本等发达国家，开发应用实例包括：基于PC、具有三维加工图形显示的车床数控软件；基于PC、铣床数控软件；用于数控机床培训的、具有与日本FANUC 0i数控系统相同性能与功能及界面、操作的铣床、加工中心数控软件；基于WinCE操作系统的嵌入式磨床数控软件等。

ONASCP开放式数控系统软件平台及其应用的研发成功，为开通数控持续发展中高档数控系统奠定了基础。并为进一步在印刷包装机械、纺织机械等自动化装备上的应用创造了有利条件，为“数控一代”机械产品服务。该平台的研发成功，锻炼了研发人员，形成了一支高水平的专业研发团队，掌握了数控的核心技术，尤其是系统的核心软件。

然而，要在工业控制高端软件方面赶上国际先进水平，还需要下大力气，包括技术、人才、管理方面的投入，软件产品要通过各种应用才能逐步完善。任重而道远，开通数控将加大创新力度，造就一支高水平、稳定的队伍，一步一个脚印，为发展我国自主品牌的高端数控软件产业而努力。