第51卷第21期 2015年11月
机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.51 No.21 Nov. 2015
DOI ：10.3901/JME.2015.21.113
数控技术发展状况及策略综述
叶佩青1, 2, 3 张 勇1, 3 张 辉1, 3
(1. 清华大学机械工程系 北京 100084；
2. 清华大学摩擦学国家重点实验室 北京 100084；
3. 清华大学精密超精密制造装备与控制北京市重点实验室 北京 100084)
*
摘要：对于数控系统而言，一方面由于传统数控系统的各个模块相互耦合，使得结构变更和功能扩展异常困难；另一方面由于数控系统结构的开放程度低，其研发过程无法充分利用先进的电子信息技术，极大降低了数控系统的研发效率，同时基于小团队的数控系统研发不能充分调动社会的有效资源和积极性，包括工艺过程实现在内的各模块难以全面细致，使得开发的高端数控并不高端。我国数控行业的发展很大程度上受限于数控系统自身的封闭性，数控系统的不开放以及制造工艺流程未体现等问题成为目前制约我国数控行业发展的主要瓶颈。随着先进计算机和电子信息技术的发展，充分利用组件式软件技术、通过互联网手段把全社会乃至全球的资源集中起来，有效发挥掌握工艺经验的一线人员等社会资源参与开发和甄别成为可能。为此分析我国数控行业和技术的发展状况，提出基于大数据的组件式数控平台体系结构，提出创建数控APP ，营造中国数控发展大舞台，突破我国数控发展瓶颈的策略。
关键词：数控系统；数控大数据；数控组件；数控APP 中图分类号：TG156
Review on the Development and Strategies of CNC Technology
YE Peiqing1, 2, 3 ZHANG Yong 1, 3 ZHANG Hui 1, 3
(1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;
2. The State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084;
3. Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control, Tsinghua University,
Beijing 100084)
Abstract ：Recently, the government pays much attention to the development of CNC system. However the CNC system still develops very slowly and the high-end system doesn’t have corresponding high performance, which is caused by three facts. The complex interaction between CNC system modules makes it difficult to improve its structure and function. Due to the low degree of open source, the available resources can’t be reached in the design and development process, making the whole project inefficient. Furthermore, it’s hard for a small team to make full use of all resources in the society to develop CNC systems, and this prevents making many function blocks such as processing block better. Briefly, CNC system develops very slowly because 1) it is always developed as an entirety in the past; 2) it is not open source enough; 3) manufacture technology don’t fully benefit the system. Now the development of computer and information science makes it possible to take advantage of component technology to establish soft CNC system. What’s more, the experience of massive skilled workers can be quantified and collected using the internet. The development of CNC industry and technology is analyzed and CNC application (CNC APP) is proposed to break the bottleneck of CNC development and facilitate its development.
Key words：CNC system；big data；component ；CNC application
0 前言
由于数控技术的特殊地位，从“六五”到“十* 北京市科技计划(Z[**************])和清华大学摩擦学重点实验室(SKLT12A03)资助项目。20150829收到初稿，20151009收到修改稿
二五”三十多年间，数控技术的发展持续受到国家
[1-3]
重视和支持，如图1所示，“十五”目标是打破国外对“高、精、尖”重大数控装备的垄断，开发一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术，并且形成中档数控机床的规模化生产能力；“十一五”目标是以发展普及型数控系统为重点，全面推进普
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及型数控系统产业化，占领国内数控机床主流市场，开发具有自主产权的数控核心高技术，全行业实现有自主版权的国产数控系统占国产数控机床总产量75%的目标；“十二五”目标是重点攻克数控系统、功能部件的核心关键技术，增强我国高档数控机床和基础制造装备的自主创新能力，实现国产高档数控系统国内市场占有率达到8%～10%的目标。培育了一批数控企业和产品，如北京凯恩帝、广州数控、华中数控和大连光洋等，促进了数控技术的进步，具备了中低端数控系统的生产能力和部分核心技术，满足了部分装备的市场需求。现在“十二五”就要结束了，数控行业实际情况如何？国内高端数控市场基本垄断在国外数控企业中，其中，国产中档数控系统市场占有率仅为35%，而高档数控系统
[4]
则95%以上依靠进口，在国家政策支持下的数控技术仍然被少数几个企业的“系统”统死了，从实际配套应用情况看，国内数控企业并没有一家能与SIEMENS 、FANUC 等国外数控企业比肩，中国数控技术的发展仍然没有逃出“三打祝家庄，屡战屡败”状况。
出都昭示着第四次工业革命的到来，第四次工业革命强调信息化与工业化的融合，前提是制造装备及其控制的智能化。而数控机床和数控系统是实现智能生产的共性使能部件，因此在新的条件下，反省数控技术的发展历史，研究数控发展战略路线迫在眉睫。广义上讲数控系统技术包括控制系统、伺服驱动系统、反馈元件系统等，本文的数控系统主要指控制系统，但其方法同样适合伺服驱动系统等。
1 国内外数控技术发展历史
数控技术经历了几十年的发展，但是，目前绝大部分数控技术仍封闭在系统框架内部，无法具备移植性、兼容性和二次开发的可能，导致系统维护、技术升级极为困难，而且各厂商之间的数控系统软件、硬件模块和体系结构遵循各自独特的标准，系统之间不能相互替代和共享。一方面封闭性有利于企业技术保护，有利于实现市场垄断；另一方面，封闭性极大地限制了数控技术的可持续发展和性能不断提高；同时，封闭性也使得数控企业内部掌握核心技术的专业人才具有更多的选择，实现更大的个人价值，从而导致数控企业人员流动大，限制了企业的持续健康发展，企业竞争能力下降，使得数控行业的龙头企业随计算机、信息技术的发展而不断被淘汰，使得本来并不特别复杂的数控技术被“系统”给系死、统死。
目前，封闭型数控系统存在种种弊端，而社会需求向着多样化、个性化发展，产品生产周期缩短，更新速度加快，品种增加，批量减少，这都要求数控系统能够敏捷地响应市场需求变化，同时，用户也迫切需要把自己特有的知识、经验和诀窍等方便地融入到数控系统中以满足特殊工艺需求，这就迫切的需要打破数控系统的封闭性和系统性，实现开放式数控
[6-7]
[5]
图1 七个五年计划数控技术的发展
回顾历史我国曾经引进过FANUC 和SIEMENS 的数控系统技术，但由于系统包裹得太紧，未能打开国外系统实现本地产业化，最后主要是为FANUC 和SIEMENS 培养了一批销售服务人员。同样是技术保密或利益最大化的原因，国内开发的数控系统也高度系统化，不兼容不支持第三方开发应用软件；企业内部由于谁掌握了系统软件，身价地位倍增，所以开发人员之间防范意识极强，把本来并不太复杂的数控软件，通过“系统”系住了单位或个人的短期利益，统到了少数人手里，极大地阻碍了技术的开发和进步；同时由于国内在数控技术领域积淀SIEMENS ，和投入远不如FANUC 、最终是FANUC 、SIEMENS 通过“系统”系住了利益、统住了市场，实现了数控行业垄断，而我们通过“系统”系住了技术的进步、统死了高端数控市场。
而当前“工业4.0”和“中国制造2025”的提
，进而实现不同厂商的软、硬件模块能
够集成应用，针对特殊的需求和环境，根据实际需要对系统和各模块进行修改、扩展、更新等二次开发，形成个性化的控制器。
开放式数控的概念最早在美国提出，即1984年提出的NGC(Next Generation Controller)计划。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的OMAC 计划、欧洲的OSACA 计划、日本的OSEC 计划以及之后欧共体提出的STEP-NC 等
[9-14]
[8]
，表1所示为其主要特点。
2015年11月 叶佩青等：数控技术发展状况及策略综述 115
表1 主要的开放式数控体系结构
特点
构造了比较完整的体系结构，通过定义各种API 接口模
OMAC 块建立不同类型的控制器，各模块之间的接口由微软的
IDL 接口定义语言规定
系统平台软件部分由操作系统、通信系统和配置系统组
OSACA 成，开放式数控系统由一系列逻辑上相互独立的控制模块
构成，各模块之间、与系统平台之间具有友好的接口协议 按照数控系统中各模块控制目标、处理内容和实时性等
OSEC
要求将控制系统划分为不同的机能块，处于同一水平的机能块组成一个机能群
充分利用信息技术，实现CAD 、CAM 与CNC 之间的无
STEP-NC 缝连接，为CNC 系统提供完整的产品数据，实现从“如何
制造”到“制造什么”的转变
对象、先进制造装备的不断发展，需要更新的制造工艺和流程，在这方面广大的企业一线工艺技术人员及其车间工人才有发言权。数控系统企业只是通过控制装置实现制造工艺参数和流程的自动化，不管参考国外系统也好、自身有些基础也好，可以肯定的是研发数控系统的小团队在制造工艺和流程方面不全面、不细致和不先进，所以其实现的制造工艺和流程更不会高端或高档。
综上，对于数控系统，由于各个模块相互耦合，使得结构变更和功能扩展困难，未能充分应用先进的电子信息技术和方法；同时，由于数控系统结构的开放程度低，其研发过程无法利用现有资源，开发过程几乎从零开始，极大地降低了数控系统的研
[20-22]
发效率；基于小团队的数控系统研发并没有充分发挥社会资源，包括工艺实现过程在内的各模块难以全面细致。所以本人认为我国数控行业被“系统”给统死、数控封闭不开放、制造工艺和流程未充分体现等问题，成为制约我国数控行业发展的主要问题。
而国内近年来，对开放式结构数控的研究主要集中在从体系结构的建立修改、模块化设计以及开放式数控系统集成建模系统
[17]
[15-16]
等方面。如近年来提出
的基于软件芯片的数控系统、基于软件组件的数控
，以及基于JA V A 平台和COM 技术的开放
[18-19]
结构的构思等。但是，从开放式数控系统提出
至今，真正满足开放式主要特征的数控系统并没有出现，更多的是初步具有开放化某个特征的封闭型数控系统。目前声称的开放式数控系统仍然是自成系统，相互之间软硬件不开放、不兼容，其升级、更新、维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，第三方生产的模块无法在系统中扩展应用，数控系统最终用户也无法根据需求对数控系统进行个性化定制，软件重用、组态等先进软件技术和方法没有得到充分应用。
数控机床是采用数控技术，对位移、速度、加速度、轨迹、力、力矩等物理量进行控制，实现制造工艺参数和流程自动化控制的高效加工机床。可见“制造工艺参数和流程”是目标，自动化、数控化是实现目标的手段。本人认为近年来我国对自动化、数控化强调较多，而对作为目标的“制造工艺参数和流程”研究却不充分，先进的制造工艺参数和流程在数控系统中体现得更不充分。所谓高档或高端数控系统，是实现先进制造工艺和流程的控制装置，控制装置只是载体，先进制造工艺和流程才是本质，所以没有先进的制造工艺和流程，绝不可能研究开发出高端数控系统。在专业研究院所改制之前，这部分工作通常在专业的研究院所进行试验，再与行业分享研究或试验成果。但现在大部分专业的研究院所已经企业化，他们需要为自身的生存而拼搏，不可能义务向社会发布新的制造工艺参数和流程。更何况数控化面很宽，也不可能有哪一家单位全面研究；随着先进材料、先进刀具、复杂加工
2 新一代数控技术发展策略
近年来计算机和电子信息技术和方法得到快速发展，为实现先进数控技术提供了实现手段。一方面，CPU 处理速度、数据读写、传输速度都不断提高，处理速度达到每秒千万亿次，同时，互联网、海量存储、大数据技术的迅猛发展也实现了海量数据实时处理与传输，这都为新一代数控技术的发展提供了硬件基础。另一方面在软件工程领域，提出软件工厂和软件组装生产线的思想，实现软件复用，基于标准的零部件/组件，像“搭积木”一样组装生
[23-24]
产软件产品。所以充分利用计算机、电子信息技术和方法的发展成果，推动我国数控技术的发展，应该是数控行业需要重点研究的课题。 2.1 应用软件工程技术和方法，实现数控软件标准 化生产，降低数控行业风险
目前我国数控软件“系统”性非常强，采取自顶向下的研发步骤，在设计阶段假定系统的结构、规模和功能都是确定不变的，按照顶层设计—搭建整体构架—编写模块步骤来实现，从而，带来的主要问题就是模块之间相互耦合，结构变更和功能的扩展必将引起整个系统的变化，牵一发而动全身，增加了数控行业人员风险和技术风险。
在软件工程领域，将软件的生产过程划分为三类不同的生产车间，即应用构架生产车间、组件生产车间和基于组件、构架复用的应用组装车间，从
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而形成软件产业内部的合理分工，实现软件的工业化生产。软件开发人员被划分成三类：组件生产者、构架生产者和产品组装者。这三种角色所需完成的任务是不同的，组件生产者负责组件的描述和生产；构架生产者负责构架的描述和生产；而产品组装者主要是组件和构架的复用者，负责进行组件和构架的软件开发，包括组件查询、构建理解、适应性修
[24-25]
改、组件组装以及系统演化等。软件生产线的产品主要是组件、构架和最终的软件产品，如图2所示。
图2 组件化的软件生产过程
才是掌握有效工艺数据的基本节点。
为此，本文提出了建立“制造工艺大数据”收集激励机制和甄别平台，支撑高端数控发展的思想。首先开发工艺数据收集工具如手机APP 等工具，通过激励机制将一线工人掌握的加工数据通过工艺APP 上传到云端服务器；然后经过专业甄别和优化，建立工艺参数数据库；最后，通过数据成果效益分享等机制，实现工艺数据分享，突破智能制造的围墙，让工艺数据充分流动，补足我国数控行业制造工艺不全面细致的短板，这是“互联网+”思想实现“制造工艺”分享的具体体现，为广大一线制造工人、工艺师、技术人员通过贡献制造工艺数据实现个人或企业价值、通过“制造工艺数据”分享自己需要的制造工艺提供通途。
图3所示为一种具有制造工艺数据收集、管理和发布功能的数控系统，包括数据收集、数据管理和数据存储三层体系结构，打通数控系统开发与数控数据之间的通道。其中，数据收集层主要依靠互联网技术，在移动端应用高度普及的前提下，通过移动端开发数据收集软件，如手机数据收集APP 等软件，通过激励策略推广数据收集软件在相应人群中的普及，将数控数据收集并回传至后台，在后台进行数据存储。数据管理层则需要实现数据分析、数据甄别、数据查询和数据优化等功能。将数据收集APP 收集的工艺数据，通过数据管理层优化进行存储，保存在数控数据云平台，数控系统使用者和数控系统各组件开发者可以通过数据查询功能对海量数据进行查询，在开发过程中充分利用数控大数据。同时，制造工艺和技术人员通过数控系统提供 的“制造工艺数据”平台分享自己需要的制造工艺。
软件开发商针对具体需求搭建一个构架，各功
能组件“安装”在构架上，部分核心组件的开发由自己完成，而其他的功能组件则是在对其需求明确之后，交给擅长对应组件开发的软件公司来完成，实现组件定制，所有的组件可以放置在组件库中，最后软件产品的开发实质上是在构架上组装各功能组件。本人认为这种先进的软件技术和方法用于数控软件的开发，使得数控软件体系结构的修改仅仅针对某个组件，而不会对整个数控软件产品产生影响，将有效提升数控软件的研发效率，实现数控软件的规范化、标准化生产，保证数控软件的可靠性和可维护性，降低数控行业人员风险和技术风险。 2.2 建立制造工艺数据收集激励机制和甄别平台， 支撑高端数控发展
全面细致的制造工艺数据是实现智能制造的重要基础，是高档数控的重要支撑。一方面，对于不同的机械设备、不同的加工零件、加工材料，数控加工工艺数据各不相同。对同一类数控机床，需要根据加工的零件，选取不同的刀具、主轴转速和
[26]
加工速度等加工参数实现高速、高效、高精度加
[27]
工，例如箱体类、薄壁类零件等；对于不同的数控机床，需要控制的工艺参数各不相同，例如数控车床、数控铣床、龙门加工中心等；对于不同的数控机械，更有不同的工艺控制需求，例如数控激光加工、数控折弯机、数控编织机等。另一方面，我国现有数控系统开发过程中不可能有也不可能实现不同设备、不同零件、不同材料等的海量制造工艺数据，所以工艺数据无法在控制系统中得到全面细致的体现与应用，当然也就不可能开发出高档智能的数控系统。而全面细致的制造工艺数据掌握在广大一线的制造工人、工艺师、技术人员手中，他们
图3 具有大数据支持的数据收集系统
新一代数控通过互联网实现具有制造工艺数据收集、管理和发布功能，在数控系统的开发和应用过程中充分利用这些不断丰富完善的制造工艺数据，开发出基于数控大数据的数控组件，为智能数控、智能制造的发展提供数据和单元支撑。
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2.3 创建数控APP 应用平台，实现全面细致制造 工艺的开放化数控
基于大数据的新一代组件式数控平台体系结构，如图4所示，搭建一个标准化的人机交互数控平台，其主要功能是实现人机交互、任务调度、进程协调、命令传输、数据反馈等，打破数控中“系统”的概念，不再把核心模块放在数控系统框架内部，而是以组件形式通过接口与数控系统进行扩展
[28-31]集成。根据组件的集成程度，分为复合组件和一般组件，其中，复合组件内部再次细分为若干相
互独立的组件，以方便研发分工，图4中运动控制组件是复合组件，其内部还包含加工路径规划组件、刀具补偿组件、速度规划组件和插补组件等，这种多层次细化的体系框架进一步降低了研发难度，降低了更新维护的成本。
新一代数控系统实质上是系统开发和集成的平台，其结构框架如图4所示，诸多功能组件在数控平台上进行集成应用，同时各组件之间以及组件
[32-34]
与数控平台能够进行交互。
图4 基于大数据的组件式数控平台体系结构
但是一个数控开发团队的资源毕竟是有限的，
而社会的资源却是无限的，网络社会为我们充分利用社会资源提供了可能。例如2014年GE 公司将飞机的某个零部件让创客、极客设计，最终700多个方案中排名第一的团队只用了原始结构的1/6的重量就实现全部设计并通过测试，设计者是19岁的年轻人，方案超过GE 公司的资深专家。同样，实现海量制造工艺的众多数控功能软件研发工作，也可以不再局限于特定的研发人员，可以有效利用社会力量共同开发，开发者通过互联网将标准化的数控APP 上传到功能组件平台，该平台搭建有一个数控功能APP 竞赛平台，用以评价各APP 的功能和性能。这样有限的企业资源，通过互联网把全国的、全社会乃至全球的资源集中并优化整合，以此实现数控软件零件化。
而数控APP 的生产主要通过自行编写、直接购买和定制三种方式实现，对于文件操作、界面显示等通用性APP ，可以通过直接购买获得，对于核心
APP 可以自行编写以掌握其核心技术，而针对特殊零件的加工或专用装备的控制，数控平台用户可以根据自己的需求向功能组件平台进行APP 定制。将数控软件整体细分之后，打破了系统的限制，不再将数控核心包裹在“系统”内部，而是以组件搭载数控平台的形式实现数控功能，降低了整体开发的难度，实现数控透明化、开放化。通过数控APP 开发实现数控系统的完全开放化，打破了原有数控系统的技术垄断，打开原有数控系统的封闭性外壳。 新一代数控平台打破了系统的概念，实现了数控透明化、开放化，这与现在手机类似，系统都是构筑在一个统一、开放的平台上，各个功能数控APP 在平台上扩展集成，用户可以根据需求进行功能APP 的选配与集成。这与手机上面安装各种APP 应用程序相同，因此将数控功能组件称为数控APP ，用户可以在数控平台上对标准化接口的各数控APP 进行选择安装，快速组装成希望的数控系统，并且实现快速重构。在新一代数控系统平台下，数控APP
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是已被编译联接、独立存在的可执行应用程序的组件，可以视为一个黑箱，内部的代码不再是数控平台所关心的。为确保不同软件开发商提供的数控APP 组件可以相互操作，数控APP 组件之间的连接和调用需要遵循统一的标准协议，通过接口与数控平台以及其他APP 组件进行数据交互。
图5所示为组件式数控软件开发流程，主要包括四部分：数控APP 组件的功能实现、封装、组装和数控系统的部署。数控APP 组件的功能实现是指各个数控模块具有的功能，比如编译模块、轨迹规划模块分别实现NC 代码编译和轨迹规划功能，具体方式是通过规定好的组件接口说明，由社会资源完成各个模块，同一功能组件可能有很多个，需要设置一个比赛平台来进行评价，选择出性能最优秀或者特殊加工的组件APP 。
装成为运动控制APP ；在组件实现描述文件中采用约定格式指明子组件的封装信息、子组件安装和配置信息、以及子组件的互联方式、组件与子组件的接口映射、属性映射信息。数控系统的部署是为了创建数控系统APP 组件环境，建立APP 组件之间的连接，最终生成数控平台的应用程序。
3 结论
本文对我国数控行业和数控技术的发展历程进行阐述，分析了影响我国数控技术发展的瓶颈，并提出了发展我国新一代数控的方向。
(1) 数控的发展应利用软件工程技术和方法开发和管理数控软件，提升数控软件的研发效率，实现数控软件的规范化、标准化、可持续生产，保证数控软件的可靠性和可维护性，降低数控行业人员风险和技术风险。
(2) 基于先进的互联网技术，建立工艺数据收集激励机制和甄别平台，发挥一线广大工艺技术人员的制造智慧，收集提炼全面细致的制造工艺数据和控制方法，积淀支撑高端数控的数控大数据，建立工艺数据和控制方法不断完善的开放式数控，补足我国数控行业制造工艺不全面细致的短板。
(3) 提出的基于组件技术数控APP 概念，展现了全民数控创新的通途。这为突破传统数控中的系统束缚，实现我国数控行业的跨越式发展，奠定了基础。
参 考 文 献
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图5 组件式数控软件的开发流程
如图5所示，数控APP 的封装阶段是以约定好
的格式存入属性描述文件，对数控APP 的内容以及依赖性进行描述；由封装工具将描述文件和数控APP 合并成组件封装。封装好的数控APP 可以看作一个独立的黑箱，与其它组件APP 之间并无耦合关系。数控APP 组装实质上是将实现一系列功能、耦合较为紧密的数控APP ，合成更高层次的APP 组件，比如将轨迹规划、插补、速度规划APP 组件组
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作者简介：叶佩青，男，1963年出生，博士，研究员，博士研究生导师。主要研究方向为数控技术与设备。 E-mail ：[email protected]
张勇，男，1991年出生，博士研究生。主要研究方向为数控技术。 E-mail ：[email protected]
张辉(通信作者) ，女，1969年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为数控领域。 E-mail ：[email protected]
第51卷第21期 2015年11月
机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.51 No.21 Nov. 2015
DOI ：10.3901/JME.2015.21.113
数控技术发展状况及策略综述
叶佩青1, 2, 3 张 勇1, 3 张 辉1, 3
(1. 清华大学机械工程系 北京 100084；
2. 清华大学摩擦学国家重点实验室 北京 100084；
3. 清华大学精密超精密制造装备与控制北京市重点实验室 北京 100084)
*
摘要：对于数控系统而言，一方面由于传统数控系统的各个模块相互耦合，使得结构变更和功能扩展异常困难；另一方面由于数控系统结构的开放程度低，其研发过程无法充分利用先进的电子信息技术，极大降低了数控系统的研发效率，同时基于小团队的数控系统研发不能充分调动社会的有效资源和积极性，包括工艺过程实现在内的各模块难以全面细致，使得开发的高端数控并不高端。我国数控行业的发展很大程度上受限于数控系统自身的封闭性，数控系统的不开放以及制造工艺流程未体现等问题成为目前制约我国数控行业发展的主要瓶颈。随着先进计算机和电子信息技术的发展，充分利用组件式软件技术、通过互联网手段把全社会乃至全球的资源集中起来，有效发挥掌握工艺经验的一线人员等社会资源参与开发和甄别成为可能。为此分析我国数控行业和技术的发展状况，提出基于大数据的组件式数控平台体系结构，提出创建数控APP ，营造中国数控发展大舞台，突破我国数控发展瓶颈的策略。
关键词：数控系统；数控大数据；数控组件；数控APP 中图分类号：TG156
Review on the Development and Strategies of CNC Technology
YE Peiqing1, 2, 3 ZHANG Yong 1, 3 ZHANG Hui 1, 3
(1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;
2. The State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084;
3. Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control, Tsinghua University,
Beijing 100084)
Abstract ：Recently, the government pays much attention to the development of CNC system. However the CNC system still develops very slowly and the high-end system doesn’t have corresponding high performance, which is caused by three facts. The complex interaction between CNC system modules makes it difficult to improve its structure and function. Due to the low degree of open source, the available resources can’t be reached in the design and development process, making the whole project inefficient. Furthermore, it’s hard for a small team to make full use of all resources in the society to develop CNC systems, and this prevents making many function blocks such as processing block better. Briefly, CNC system develops very slowly because 1) it is always developed as an entirety in the past; 2) it is not open source enough; 3) manufacture technology don’t fully benefit the system. Now the development of computer and information science makes it possible to take advantage of component technology to establish soft CNC system. What’s more, the experience of massive skilled workers can be quantified and collected using the internet. The development of CNC industry and technology is analyzed and CNC application (CNC APP) is proposed to break the bottleneck of CNC development and facilitate its development.
Key words：CNC system；big data；component ；CNC application
0 前言
由于数控技术的特殊地位，从“六五”到“十* 北京市科技计划(Z[**************])和清华大学摩擦学重点实验室(SKLT12A03)资助项目。20150829收到初稿，20151009收到修改稿
二五”三十多年间，数控技术的发展持续受到国家
[1-3]
重视和支持，如图1所示，“十五”目标是打破国外对“高、精、尖”重大数控装备的垄断，开发一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术，并且形成中档数控机床的规模化生产能力；“十一五”目标是以发展普及型数控系统为重点，全面推进普
114 机 械 工 程 学 报 第51卷第21期
及型数控系统产业化，占领国内数控机床主流市场，开发具有自主产权的数控核心高技术，全行业实现有自主版权的国产数控系统占国产数控机床总产量75%的目标；“十二五”目标是重点攻克数控系统、功能部件的核心关键技术，增强我国高档数控机床和基础制造装备的自主创新能力，实现国产高档数控系统国内市场占有率达到8%～10%的目标。培育了一批数控企业和产品，如北京凯恩帝、广州数控、华中数控和大连光洋等，促进了数控技术的进步，具备了中低端数控系统的生产能力和部分核心技术，满足了部分装备的市场需求。现在“十二五”就要结束了，数控行业实际情况如何？国内高端数控市场基本垄断在国外数控企业中，其中，国产中档数控系统市场占有率仅为35%，而高档数控系统
[4]
则95%以上依靠进口，在国家政策支持下的数控技术仍然被少数几个企业的“系统”统死了，从实际配套应用情况看，国内数控企业并没有一家能与SIEMENS 、FANUC 等国外数控企业比肩，中国数控技术的发展仍然没有逃出“三打祝家庄，屡战屡败”状况。
出都昭示着第四次工业革命的到来，第四次工业革命强调信息化与工业化的融合，前提是制造装备及其控制的智能化。而数控机床和数控系统是实现智能生产的共性使能部件，因此在新的条件下，反省数控技术的发展历史，研究数控发展战略路线迫在眉睫。广义上讲数控系统技术包括控制系统、伺服驱动系统、反馈元件系统等，本文的数控系统主要指控制系统，但其方法同样适合伺服驱动系统等。
1 国内外数控技术发展历史
数控技术经历了几十年的发展，但是，目前绝大部分数控技术仍封闭在系统框架内部，无法具备移植性、兼容性和二次开发的可能，导致系统维护、技术升级极为困难，而且各厂商之间的数控系统软件、硬件模块和体系结构遵循各自独特的标准，系统之间不能相互替代和共享。一方面封闭性有利于企业技术保护，有利于实现市场垄断；另一方面，封闭性极大地限制了数控技术的可持续发展和性能不断提高；同时，封闭性也使得数控企业内部掌握核心技术的专业人才具有更多的选择，实现更大的个人价值，从而导致数控企业人员流动大，限制了企业的持续健康发展，企业竞争能力下降，使得数控行业的龙头企业随计算机、信息技术的发展而不断被淘汰，使得本来并不特别复杂的数控技术被“系统”给系死、统死。
目前，封闭型数控系统存在种种弊端，而社会需求向着多样化、个性化发展，产品生产周期缩短，更新速度加快，品种增加，批量减少，这都要求数控系统能够敏捷地响应市场需求变化，同时，用户也迫切需要把自己特有的知识、经验和诀窍等方便地融入到数控系统中以满足特殊工艺需求，这就迫切的需要打破数控系统的封闭性和系统性，实现开放式数控
[6-7]
[5]
图1 七个五年计划数控技术的发展
回顾历史我国曾经引进过FANUC 和SIEMENS 的数控系统技术，但由于系统包裹得太紧，未能打开国外系统实现本地产业化，最后主要是为FANUC 和SIEMENS 培养了一批销售服务人员。同样是技术保密或利益最大化的原因，国内开发的数控系统也高度系统化，不兼容不支持第三方开发应用软件；企业内部由于谁掌握了系统软件，身价地位倍增，所以开发人员之间防范意识极强，把本来并不太复杂的数控软件，通过“系统”系住了单位或个人的短期利益，统到了少数人手里，极大地阻碍了技术的开发和进步；同时由于国内在数控技术领域积淀SIEMENS ，和投入远不如FANUC 、最终是FANUC 、SIEMENS 通过“系统”系住了利益、统住了市场，实现了数控行业垄断，而我们通过“系统”系住了技术的进步、统死了高端数控市场。
而当前“工业4.0”和“中国制造2025”的提
，进而实现不同厂商的软、硬件模块能
够集成应用，针对特殊的需求和环境，根据实际需要对系统和各模块进行修改、扩展、更新等二次开发，形成个性化的控制器。
开放式数控的概念最早在美国提出，即1984年提出的NGC(Next Generation Controller)计划。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的OMAC 计划、欧洲的OSACA 计划、日本的OSEC 计划以及之后欧共体提出的STEP-NC 等
[9-14]
[8]
，表1所示为其主要特点。
2015年11月 叶佩青等：数控技术发展状况及策略综述 115
表1 主要的开放式数控体系结构
特点
构造了比较完整的体系结构，通过定义各种API 接口模
OMAC 块建立不同类型的控制器，各模块之间的接口由微软的
IDL 接口定义语言规定
系统平台软件部分由操作系统、通信系统和配置系统组
OSACA 成，开放式数控系统由一系列逻辑上相互独立的控制模块
构成，各模块之间、与系统平台之间具有友好的接口协议 按照数控系统中各模块控制目标、处理内容和实时性等
OSEC
要求将控制系统划分为不同的机能块，处于同一水平的机能块组成一个机能群
充分利用信息技术，实现CAD 、CAM 与CNC 之间的无
STEP-NC 缝连接，为CNC 系统提供完整的产品数据，实现从“如何
制造”到“制造什么”的转变
对象、先进制造装备的不断发展，需要更新的制造工艺和流程，在这方面广大的企业一线工艺技术人员及其车间工人才有发言权。数控系统企业只是通过控制装置实现制造工艺参数和流程的自动化，不管参考国外系统也好、自身有些基础也好，可以肯定的是研发数控系统的小团队在制造工艺和流程方面不全面、不细致和不先进，所以其实现的制造工艺和流程更不会高端或高档。
综上，对于数控系统，由于各个模块相互耦合，使得结构变更和功能扩展困难，未能充分应用先进的电子信息技术和方法；同时，由于数控系统结构的开放程度低，其研发过程无法利用现有资源，开发过程几乎从零开始，极大地降低了数控系统的研
[20-22]
发效率；基于小团队的数控系统研发并没有充分发挥社会资源，包括工艺实现过程在内的各模块难以全面细致。所以本人认为我国数控行业被“系统”给统死、数控封闭不开放、制造工艺和流程未充分体现等问题，成为制约我国数控行业发展的主要问题。
而国内近年来，对开放式结构数控的研究主要集中在从体系结构的建立修改、模块化设计以及开放式数控系统集成建模系统
[17]
[15-16]
等方面。如近年来提出
的基于软件芯片的数控系统、基于软件组件的数控
，以及基于JA V A 平台和COM 技术的开放
[18-19]
结构的构思等。但是，从开放式数控系统提出
至今，真正满足开放式主要特征的数控系统并没有出现，更多的是初步具有开放化某个特征的封闭型数控系统。目前声称的开放式数控系统仍然是自成系统，相互之间软硬件不开放、不兼容，其升级、更新、维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，第三方生产的模块无法在系统中扩展应用，数控系统最终用户也无法根据需求对数控系统进行个性化定制，软件重用、组态等先进软件技术和方法没有得到充分应用。
数控机床是采用数控技术，对位移、速度、加速度、轨迹、力、力矩等物理量进行控制，实现制造工艺参数和流程自动化控制的高效加工机床。可见“制造工艺参数和流程”是目标，自动化、数控化是实现目标的手段。本人认为近年来我国对自动化、数控化强调较多，而对作为目标的“制造工艺参数和流程”研究却不充分，先进的制造工艺参数和流程在数控系统中体现得更不充分。所谓高档或高端数控系统，是实现先进制造工艺和流程的控制装置，控制装置只是载体，先进制造工艺和流程才是本质，所以没有先进的制造工艺和流程，绝不可能研究开发出高端数控系统。在专业研究院所改制之前，这部分工作通常在专业的研究院所进行试验，再与行业分享研究或试验成果。但现在大部分专业的研究院所已经企业化，他们需要为自身的生存而拼搏，不可能义务向社会发布新的制造工艺参数和流程。更何况数控化面很宽，也不可能有哪一家单位全面研究；随着先进材料、先进刀具、复杂加工
2 新一代数控技术发展策略
近年来计算机和电子信息技术和方法得到快速发展，为实现先进数控技术提供了实现手段。一方面，CPU 处理速度、数据读写、传输速度都不断提高，处理速度达到每秒千万亿次，同时，互联网、海量存储、大数据技术的迅猛发展也实现了海量数据实时处理与传输，这都为新一代数控技术的发展提供了硬件基础。另一方面在软件工程领域，提出软件工厂和软件组装生产线的思想，实现软件复用，基于标准的零部件/组件，像“搭积木”一样组装生
[23-24]
产软件产品。所以充分利用计算机、电子信息技术和方法的发展成果，推动我国数控技术的发展，应该是数控行业需要重点研究的课题。 2.1 应用软件工程技术和方法，实现数控软件标准 化生产，降低数控行业风险
目前我国数控软件“系统”性非常强，采取自顶向下的研发步骤，在设计阶段假定系统的结构、规模和功能都是确定不变的，按照顶层设计—搭建整体构架—编写模块步骤来实现，从而，带来的主要问题就是模块之间相互耦合，结构变更和功能的扩展必将引起整个系统的变化，牵一发而动全身，增加了数控行业人员风险和技术风险。
在软件工程领域，将软件的生产过程划分为三类不同的生产车间，即应用构架生产车间、组件生产车间和基于组件、构架复用的应用组装车间，从
116 机 械 工 程 学 报 第51卷第21期
而形成软件产业内部的合理分工，实现软件的工业化生产。软件开发人员被划分成三类：组件生产者、构架生产者和产品组装者。这三种角色所需完成的任务是不同的，组件生产者负责组件的描述和生产；构架生产者负责构架的描述和生产；而产品组装者主要是组件和构架的复用者，负责进行组件和构架的软件开发，包括组件查询、构建理解、适应性修
[24-25]
改、组件组装以及系统演化等。软件生产线的产品主要是组件、构架和最终的软件产品，如图2所示。
图2 组件化的软件生产过程
才是掌握有效工艺数据的基本节点。
为此，本文提出了建立“制造工艺大数据”收集激励机制和甄别平台，支撑高端数控发展的思想。首先开发工艺数据收集工具如手机APP 等工具，通过激励机制将一线工人掌握的加工数据通过工艺APP 上传到云端服务器；然后经过专业甄别和优化，建立工艺参数数据库；最后，通过数据成果效益分享等机制，实现工艺数据分享，突破智能制造的围墙，让工艺数据充分流动，补足我国数控行业制造工艺不全面细致的短板，这是“互联网+”思想实现“制造工艺”分享的具体体现，为广大一线制造工人、工艺师、技术人员通过贡献制造工艺数据实现个人或企业价值、通过“制造工艺数据”分享自己需要的制造工艺提供通途。
图3所示为一种具有制造工艺数据收集、管理和发布功能的数控系统，包括数据收集、数据管理和数据存储三层体系结构，打通数控系统开发与数控数据之间的通道。其中，数据收集层主要依靠互联网技术，在移动端应用高度普及的前提下，通过移动端开发数据收集软件，如手机数据收集APP 等软件，通过激励策略推广数据收集软件在相应人群中的普及，将数控数据收集并回传至后台，在后台进行数据存储。数据管理层则需要实现数据分析、数据甄别、数据查询和数据优化等功能。将数据收集APP 收集的工艺数据，通过数据管理层优化进行存储，保存在数控数据云平台，数控系统使用者和数控系统各组件开发者可以通过数据查询功能对海量数据进行查询，在开发过程中充分利用数控大数据。同时，制造工艺和技术人员通过数控系统提供 的“制造工艺数据”平台分享自己需要的制造工艺。
软件开发商针对具体需求搭建一个构架，各功
能组件“安装”在构架上，部分核心组件的开发由自己完成，而其他的功能组件则是在对其需求明确之后，交给擅长对应组件开发的软件公司来完成，实现组件定制，所有的组件可以放置在组件库中，最后软件产品的开发实质上是在构架上组装各功能组件。本人认为这种先进的软件技术和方法用于数控软件的开发，使得数控软件体系结构的修改仅仅针对某个组件，而不会对整个数控软件产品产生影响，将有效提升数控软件的研发效率，实现数控软件的规范化、标准化生产，保证数控软件的可靠性和可维护性，降低数控行业人员风险和技术风险。 2.2 建立制造工艺数据收集激励机制和甄别平台， 支撑高端数控发展
全面细致的制造工艺数据是实现智能制造的重要基础，是高档数控的重要支撑。一方面，对于不同的机械设备、不同的加工零件、加工材料，数控加工工艺数据各不相同。对同一类数控机床，需要根据加工的零件，选取不同的刀具、主轴转速和
[26]
加工速度等加工参数实现高速、高效、高精度加
[27]
工，例如箱体类、薄壁类零件等；对于不同的数控机床，需要控制的工艺参数各不相同，例如数控车床、数控铣床、龙门加工中心等；对于不同的数控机械，更有不同的工艺控制需求，例如数控激光加工、数控折弯机、数控编织机等。另一方面，我国现有数控系统开发过程中不可能有也不可能实现不同设备、不同零件、不同材料等的海量制造工艺数据，所以工艺数据无法在控制系统中得到全面细致的体现与应用，当然也就不可能开发出高档智能的数控系统。而全面细致的制造工艺数据掌握在广大一线的制造工人、工艺师、技术人员手中，他们
图3 具有大数据支持的数据收集系统
新一代数控通过互联网实现具有制造工艺数据收集、管理和发布功能，在数控系统的开发和应用过程中充分利用这些不断丰富完善的制造工艺数据，开发出基于数控大数据的数控组件，为智能数控、智能制造的发展提供数据和单元支撑。
2015年11月 叶佩青等：数控技术发展状况及策略综述 117
2.3 创建数控APP 应用平台，实现全面细致制造 工艺的开放化数控
基于大数据的新一代组件式数控平台体系结构，如图4所示，搭建一个标准化的人机交互数控平台，其主要功能是实现人机交互、任务调度、进程协调、命令传输、数据反馈等，打破数控中“系统”的概念，不再把核心模块放在数控系统框架内部，而是以组件形式通过接口与数控系统进行扩展
[28-31]集成。根据组件的集成程度，分为复合组件和一般组件，其中，复合组件内部再次细分为若干相
互独立的组件，以方便研发分工，图4中运动控制组件是复合组件，其内部还包含加工路径规划组件、刀具补偿组件、速度规划组件和插补组件等，这种多层次细化的体系框架进一步降低了研发难度，降低了更新维护的成本。
新一代数控系统实质上是系统开发和集成的平台，其结构框架如图4所示，诸多功能组件在数控平台上进行集成应用，同时各组件之间以及组件
[32-34]
与数控平台能够进行交互。
图4 基于大数据的组件式数控平台体系结构
但是一个数控开发团队的资源毕竟是有限的，
而社会的资源却是无限的，网络社会为我们充分利用社会资源提供了可能。例如2014年GE 公司将飞机的某个零部件让创客、极客设计，最终700多个方案中排名第一的团队只用了原始结构的1/6的重量就实现全部设计并通过测试，设计者是19岁的年轻人，方案超过GE 公司的资深专家。同样，实现海量制造工艺的众多数控功能软件研发工作，也可以不再局限于特定的研发人员，可以有效利用社会力量共同开发，开发者通过互联网将标准化的数控APP 上传到功能组件平台，该平台搭建有一个数控功能APP 竞赛平台，用以评价各APP 的功能和性能。这样有限的企业资源，通过互联网把全国的、全社会乃至全球的资源集中并优化整合，以此实现数控软件零件化。
而数控APP 的生产主要通过自行编写、直接购买和定制三种方式实现，对于文件操作、界面显示等通用性APP ，可以通过直接购买获得，对于核心
APP 可以自行编写以掌握其核心技术，而针对特殊零件的加工或专用装备的控制，数控平台用户可以根据自己的需求向功能组件平台进行APP 定制。将数控软件整体细分之后，打破了系统的限制，不再将数控核心包裹在“系统”内部，而是以组件搭载数控平台的形式实现数控功能，降低了整体开发的难度，实现数控透明化、开放化。通过数控APP 开发实现数控系统的完全开放化，打破了原有数控系统的技术垄断，打开原有数控系统的封闭性外壳。 新一代数控平台打破了系统的概念，实现了数控透明化、开放化，这与现在手机类似，系统都是构筑在一个统一、开放的平台上，各个功能数控APP 在平台上扩展集成，用户可以根据需求进行功能APP 的选配与集成。这与手机上面安装各种APP 应用程序相同，因此将数控功能组件称为数控APP ，用户可以在数控平台上对标准化接口的各数控APP 进行选择安装，快速组装成希望的数控系统，并且实现快速重构。在新一代数控系统平台下，数控APP
118 机 械 工 程 学 报 第51卷第21期
是已被编译联接、独立存在的可执行应用程序的组件，可以视为一个黑箱，内部的代码不再是数控平台所关心的。为确保不同软件开发商提供的数控APP 组件可以相互操作，数控APP 组件之间的连接和调用需要遵循统一的标准协议，通过接口与数控平台以及其他APP 组件进行数据交互。
图5所示为组件式数控软件开发流程，主要包括四部分：数控APP 组件的功能实现、封装、组装和数控系统的部署。数控APP 组件的功能实现是指各个数控模块具有的功能，比如编译模块、轨迹规划模块分别实现NC 代码编译和轨迹规划功能，具体方式是通过规定好的组件接口说明，由社会资源完成各个模块，同一功能组件可能有很多个，需要设置一个比赛平台来进行评价，选择出性能最优秀或者特殊加工的组件APP 。
装成为运动控制APP ；在组件实现描述文件中采用约定格式指明子组件的封装信息、子组件安装和配置信息、以及子组件的互联方式、组件与子组件的接口映射、属性映射信息。数控系统的部署是为了创建数控系统APP 组件环境，建立APP 组件之间的连接，最终生成数控平台的应用程序。
3 结论
本文对我国数控行业和数控技术的发展历程进行阐述，分析了影响我国数控技术发展的瓶颈，并提出了发展我国新一代数控的方向。
(1) 数控的发展应利用软件工程技术和方法开发和管理数控软件，提升数控软件的研发效率，实现数控软件的规范化、标准化、可持续生产，保证数控软件的可靠性和可维护性，降低数控行业人员风险和技术风险。
(2) 基于先进的互联网技术，建立工艺数据收集激励机制和甄别平台，发挥一线广大工艺技术人员的制造智慧，收集提炼全面细致的制造工艺数据和控制方法，积淀支撑高端数控的数控大数据，建立工艺数据和控制方法不断完善的开放式数控，补足我国数控行业制造工艺不全面细致的短板。
(3) 提出的基于组件技术数控APP 概念，展现了全民数控创新的通途。这为突破传统数控中的系统束缚，实现我国数控行业的跨越式发展，奠定了基础。
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图5 组件式数控软件的开发流程
如图5所示，数控APP 的封装阶段是以约定好
的格式存入属性描述文件，对数控APP 的内容以及依赖性进行描述；由封装工具将描述文件和数控APP 合并成组件封装。封装好的数控APP 可以看作一个独立的黑箱，与其它组件APP 之间并无耦合关系。数控APP 组装实质上是将实现一系列功能、耦合较为紧密的数控APP ，合成更高层次的APP 组件，比如将轨迹规划、插补、速度规划APP 组件组
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作者简介：叶佩青，男，1963年出生，博士，研究员，博士研究生导师。主要研究方向为数控技术与设备。 E-mail ：[email protected]
张勇，男，1991年出生，博士研究生。主要研究方向为数控技术。 E-mail ：[email protected]
张辉(通信作者) ，女，1969年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为数控领域。 E-mail ：[email protected]