讨论：数字总线到底解决了运动控制级这一特定层面中的什么关键技术？ 点击：21854 | 回复：415
这位前辈的原帖关键内容如下：
“数控重在体系”，完全正确!
中科院计箅所李国杰院士说过，“计算机产品越搞越复杂。” “全世界好像只有计算机产业是把事情越做越复杂。”李先生又说“简单易用，千万不可越搞越复杂。产品太复杂，再好的技术也普及不了。”“计算机科学可能更需要建立‘简单性’理论，即如何发现最简单的方法去解决实际问题。” “尽可能用简单方法处理复杂问题是信息技术的生存之道。”
窃以为，李先生之所见切中计算机产品（包括数控系统）之要害。我返回数控之后，发现数控系统越搞越复杂，重蹈计算机的覆辙，这是与开放性背道而驰的。
先生提出“后步进时代”，推崇运动控制级的全数字总线，我想请教的是，从开放性与简单性来看，从数字控制的本质来看，对于运动控制级，全数字总线 的本质是什么？解决了传统运动控制中无法解决的什么技术关键（不是指现场总线的共有优点）？
请先生指教，谢谢。
个人谨将有关回帖整理张贴如下，欢迎业内朋友讨论。
作为“WEDM的英文名之命名者”前辈绝对是晚辈的崇拜对象！前辈开始从事数控的时候，晚辈尚未来到这个世界上。前辈重返数控的时候，晚辈才刚刚进入业内，虽然师从国内第一代数控专家已经将近十年。眼下晚辈无非是在数控的边缘混口饭吃，并非什么数控高手。
至于李院士的高论，晚辈不敢苟同，窃以为李院士混淆了两个概念，就是作为技术类产品的计算机中所必须包含的两个概念：一个是产品，一个是技术，产品自然要主张易用性，而技术则只能追求先进性。作为一名业内工程师，晚辈肯定没有学者的远见卓识。不过本人非常认同一位国外工程师的观点：所谓工程师就是以自己的复杂劳动为别人（主要指用户）提供便利的人群。工程师尚且需要如此，学者们难道就可以偷闲？作为国家最高学术机构的中科院不做越来越复杂的（先进）技术做什么？纳税人的钱不应该被用来养活饭桶。
再回到数控系统上来，从58年我导师那代人搞出国内第一台数控机床（包括系统），到前辈入行的68年，出行的78年，再到所谓改革开放十年后的88年，国内数控技术因为政策起伏已然经历了三起三落，每每不是一哄而上，继而一哄而散，计划经济导致的学院科研和吃饭技改未能造就民族数控产业，苟延残喘下来的机床所在合资后彻底沦为日本人的买办。无独有偶，从90年代初期，靠着吃政府市场饭的华中数控（背靠教育部），航天数控（背靠航空航天口军工企业），蓝天数控（背靠中科院）慢慢起来了，然而时至今日，除了能在政府市场混饭吃，对国内数控产业和市场又有什么实质贡献呢？！
就如PC绝不是计算机科学的代名词一样，数控的内涵也绝不是眼下遍地开花的经济型数控系统，就如计算机要分为大型机、小型机和服务器、PC一样，数控也要分为高端、中端和普及型、经济型，不同的分类，要害自然不同。经济型讲求低价格高可靠，因为经济型拼的就是价格，没有可靠性，根本应付不了高额售后支持和维护的成本消耗。中端和普及型的要害是性价比，在必须提供足够的功能和性能的同时，成本还必须降得下来，因为目前普及型的竞争对手主要是外国人，国产系统除了能为用户节省成本，还没有能力为用户创造价值。高端拼什么？看看“十一五”重大课题就不难发现，拼的是具备高性能的高端功能，目前国人还远不是外国人的竞争对手，高端数控对国人而言首先要解决的是（功能）有没有和（性能）好不好的产品问题，也就是先进技术的集成和产品化问题。
至此，就不难回答前辈的关于数字总线的质疑了，如果仅仅是面向经济型数控系统，后步进时代的脉冲串足以，又简单，又开放，又廉价。如果是面向中端和普及型数控，脉冲串和模拟接口会越来越显得捉衿见肘，毕竟今天的高端不久之后就会成为明后天的中端乃至普及型。面对高端应用，难道还有真的会有谁认为脉冲串足以？！模拟口虽然简单，而且开放，但国际数控业乃至运控业之所以弃之不用，而纷纷走向数字总线的理由早借模拟调节和数字控制之争就已然定论了，而且就每根轴的接入成本而言，抛开复杂线束及其布线成本不谈，高精度高分辨率的模拟接入成本也未必会低于数字总线的节点接入成本。
诚然，数字总线技术只是数控和运控系统中的数据传输载体，解决的关键问题在于高数据传输率、高数据刷新率和高指令同步性，数字总线本身并不直接解决数控和运控最本质的关键问题，但是这并不妨碍数字总线成为高端数控系统的关键特征（之一）。而且开放性也并非片面地意味着简单，没有经过良好封装的开放性，只能增加用户的使用难度和复杂性，使产品成为所谓的专家型系统（专家型用户才具备使用能力的系统），而封装的太好，开放可能也就无从谈起了。开放式系统是一个过于复杂的问题，晚辈无力揣度。关于数字总线的开放性，毋庸置疑的是，任何一种开放性数字总线的技术实现复杂度肯定都远高于脉冲串和模拟接口，而在这个问题上，恰恰是国人的软肋，不要说创立和起草全新的数字总线协议，就连拿现成的舶来品集成进自己的产品，国内数控和运控业内又有几家企业能够驾轻就熟，信手拈来呢？
以上就是晚辈对于国内数控技术发展和数字总线一点浅薄看法，恭请前辈不吝赐教。
波恩与征认为，“数控仅仅是把最适用的计算机领域的新技术拿来用，数控的关键还在于数控本身的问题”，“数控重在体系”，“缺的是整个数控系统的系统架构”，对此，本人完全同意。至于“本土（64位超高速）CPU和（64位）实时操作系统”的问题，本人的意思是，此路不通，至少很难走通，而且陷入“看着别人远去的背影，长吁短叹，望洋兴叹”之处境的可能性极大。
本人在21楼说过“在细微处下功夫，则一言难尽。” 对于“细微处”，征与有些朋友对此有所误解。那些前辈，至少是诸位高手的父辈，甚至是祖辈，其作风是极为严谨的，智商也是很高的，至少不会低于诸位高手。所谓“细微处不行”并不是指只会“整天说的头头是理”，“东西做不出来或者是做出来的东西有问题”也不只取决于“头头是理”。在那个年代，你花几个月才把逻辑图的草图画出来，人家用计算机辅助设计用几天甚至几小时连版图都画好了。你瞄准中规模集成电路，人家正在悄悄开发芯片。管脚和线路板的材料与焊剂不行导致虚焊引起的故障，诸位恐怕也是一言难尽。至于在集成电路的生产中“细微处不行”，则简直令人痛心疾首，欲哭无泪。还有，对于高档数控机床，国产铸件的材料、工艺在许多“细微处不行”也是一个重要因素。记得有朋友讲过一件事，某特种重大科技攻关中某特种玻璃，只有某个老师付亲自动手凭肉眼才能从百里挑一中生产出合格品。没有这种合格的特种玻璃，下一步只能望洋兴叹。本人请诸位高手对前辈们以更多的理解，再加上一点小小的尊重。
“至于‘本土（64位超高速）CPU和（64位）实时操作系统’的问题，本人的意思是，此路不通，至少很难走通”———现状确实如此！这一点算是与“野夫”有了共识，但这不是民族数控产业和技术方向的问题，而是也民族计算机技术和产业的悲哀。
但是即便如此，也未必一定要“陷入‘看着别人远去的背影，长吁短叹，望洋兴叹’之处境”。在这个问题上，试问日本、德国、法国、意大利、西班牙等国在主流通用计算机领域又有多大的建树呢？但这并不妨碍日本的Fanuc和三菱，德国的Siemens和Heidenhain，法国的NUM、意大利的Fidia，西班牙的Fagor等数控系统供应商去构建自主的基于通用计算机硬件平台和操作系统平台的中高端数控体系。
如果仅仅是因为工具不行，或者武器不行，就要“看着别人远去的背影，长吁短叹，望洋兴叹”的话，那么中华民族早在160年前就已自绝于世界民族之林了，现在还搞什么数控？！
或许“野夫”有全新的思路和视角，能够帮助民族数控产业避开这些障碍，短期之内取得长足的进展和飞跃也未可知……
现有数控系统的发展方向有问题，其第三点是所谓开放式体系结构的问题。
所谓开放式（open）大概源自“开放社会之父”卡尔•波普尔，其巨著《开放社会及其敌人》（1945年初版）响誉于西方的科学家(包括一些获诺贝尔奖的科学泰斗)、政界要员与金融大鳄。波普尔本人并未给出“开放社会”的定义，邓大人的改革开放却使“开放”一词家喻户晓。
在物理学中，有别于封闭系统（又称保守系统），开放式系统指的是与外部环境存在物质与能量交换的系统。在自然科学中，在开放式系统中还应包括信息交换。开放式数控系统涉及人机界面，不得不卷入人文领域，然而，开放式毕竟是一个人文领域的概念，只可意会难以言传。因此，在工程技术领域，近三十年来，开放式的内涵不仅无法规范统一，而且误导了数控系统的发展。
IEEE关于开放式数控系统的定义为：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”
国标“GB/T 18759.1-2002•机械电气设备•开放式数控系统•第1部分：总则•3.1”遵循IEEE定义的基本原则，将开放式数控系统定义为：指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的数控系统，使应用软件具备可移植性、互操作性和人机界面的一致性。
IEEE定义表明，IEEE将数控系统定义为专用计算机系统。因此，现有开放式数控系统的体系结构分为系统平台和应用软件两大部分，进而划分为人机控制层和运动控制层，是面向软件模块化的体系结构。其中，运动控制层是数控系统完成实时控制过程的内核，与特定的插补迭代控制算法密不可分。IEEE定义主导着开放式数控系统的发展，对人机控制层与运动控制层的开放性的不同处理，产生了现有开放式数控系统的三种模式：PC嵌入NC模式、NC嵌入PC模式、软开放式模式。
现代计算机数字控制系统都是由许多嵌入式子系统构成的复杂嵌入式系统，嵌入式子系统也往往又是一个复杂嵌入式系统，在空间上表现为分形。现代计算机数字控制系统涉及一系列实时性不同的过程，在时间上表现为控制信息流。
无论在空间上还是在时间上，IEEE定义都没有抓住计算机数字控制系统的本质，其存在的基本问题是：
1)、IEEE所定义的开放性是针对计算机系统本身应具有的开放特征，所谓开放式数控系统的体系结构是IEEE从计算机系统移植过来的概念，不能反映数控系统在整个控制过程中的技术特征，从而将开放式数字控制系统定义为制造控制信息的集成制造系统。
2)、IEEE定义没有从制造系统的宏观视野来审视开放式数控系统的体系结构，导致开放式的概念含糊不清，至今也未能统一。互操作性、可移植性、可伸缩性、可互换性等描述性词汇便成为开放式数控系统的所谓技术规范。
3)、IEEE定义完全忽视了工作机（机械系统）与数控系统之间的主从关系。数控系统是为工作机服务的还是控制指挥工作机的，IEEE定义没有解决这个问题，从而产生了插补周期、轮廓步长等大量冗余信息。
4)、IEEE定义局限于数控软件的功能划分及其相互之间的操作界面，对于数字控制的过程特征缺乏系统学范畴的界定，把数控系统简单地定义为专用计算机系统，从而将开放式数控系统的发展引向数控软件的功能划分与控制模块的软硬件实现。
5)、在IEEE定义中，运动控制模块中的实时运动控制不对用户开放，只要求运动控制模块具有互换性与可伸缩性，没有可重构性的概念。
还有，…，等等。
因此，在IEEE定义中，数控系统所制造的控制信息、制造控制信息的方法、以及制造控制信息的过程与过程界面，都是封闭的。IEEE定义不是一个关于数控系统的开放性定义，只是试图规范应用软件的“即插即用”问题，并未从根本上解决数控系统的开放性。
据此，对开放式计算机数字控制系统，本人的意思是，必须寻求新定义。
现有数控系统的发展方向有问题，其第四点是所谓“运动控制级的全数字总线”。
波恩认为，数控技术是以插补为中心，数控的软件化是上世纪90年代以来的发展趋势。窃以为，波恩所说的“数控的软件化”、“实现轴控与I/O在逻辑级的统一”，指的是软开放式数控系统（将NC嵌入PC模式中的NC即运动控制器视为已封装在PC中从而作为软开放式的一个特例）。
软开放式数控系统被认为是开放式数控系统的重要发展方向。狭义的软开放式数控系统仅由PC、现场总线和进给伺服系统构成，PC通过现场总线与进给伺服系统连接。所有的控制功能，包括多过程控制与管理、零件程序的解释和执行、插补与轮廓控制、加减速控制、进给伺服系统的反馈与驱动、PLC控制等，都在实时操作系统的控制下在实时环境中由软件全部完成。
形象地说，上述狭义软开放式数控系统就是将数控系统完全PC化（严格地讲，应是完全工业PC化）。完全PC化的数控系统既拥有PC的丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台，又具有PC的标准化、低廉的价格与广泛的社会普及性。这是现有数控系统所能达到的理想状态，也是开放式数控系统梦寐以求的核心价值。
人工智能的权威学者布鲁克斯（Brooks）说过：“复杂性是致命的敌人。”
姑且不谈本人在161楼所列举的插补迭代控制算法与实时操作系统相结合所造成的诸多严重后果，仅就技术开发的复杂性以及由此种复杂性所导致的可靠性与安全性而言，将狭义软开放式数控系统视为数控系统的发展方向就显得过于理论化与过于理想化，将运动控制器+PC模式中的开放式运动控制器视为第三次工业革命则过于草率，或许是刻意为之也未必可知。
随着数字制造、网络制造的发展，制造系统以及制造系统中的数控设备不可避免地要纳入计算机网络之中，而计算机网络的连接必然通过现场总线。
国标“GB/T 18759.3-2009•机械电气设备•开放式数控系统•第3部分：总线接口与通信协议”所定义的开放式数控系统的总线，是“连接开放式数控系统中装置间的数字式、双向、多点的通信系统”，挂在总线上的装置则为“具有控制或检测功能的单元或单元组合，如数控装置、驱动装置、I/O装置、检测装置”。这里的总线显然指的是“运动控制级的全数字总线”。
因而，所谓“运动控制级的全数字总线”，本人的理解是，指的应是广义与狭义的软开放式数控系统的“一个统一的总线标准”，用于实现“数控的软件化”，并“实现轴控与I/O在逻辑级的统一”。如此理解，不知是否符合波恩的本意？不知所谓“一个统一的总线标准” 是否包括车间监控级？也就是，如果“运动控制级的全数字总线” 采用EPA-NC，所谓“一个统一的总线标准” 是否便是从运动控制级一直到上层的控制层与管理层的“E网到底”？
EPA原来还有重邮的知识产权。
中控是本人很赞赏的民族工控企业，只是其走数控的路子时显得过于急功近利了一些，买了个不成器的杭州现代去入门。
EPA-NC则更是急功近利的产物，2年前在机床展上与他们的技术人员交流过，没看出他们对数控应用有多深的理解，EPA-NC作为数控总线联盟最初的范本被华中数控拉去做大头，后来基本上被大连光洋的Glink淹没了，无奈中虽未退出联盟，仍保留着5个发起人之一的身份，但对联盟最终提交的总线方案并不感兴趣，估计最终还是会继续搞EPA版的总线。
作为5个发起人之一的广数，更是心怀鬼胎，最终可能会用裁剪了的SERCOS Ⅲ，但对外可能会声称是广数版的总线；
发起人华中数控意在忽悠事儿，然后忽悠钱，联盟发起了，数控标委会硬着头皮成立了，数控原来归口的标委会和联合会也得罪了，总线本子也提交标准局备案了，目的算是达到了一半，至于能不能拿到钱，就不得而知了，将来会不会死心塌地地用以光洋Glink为蓝本的总线也还辆说。
沈阳高精，也是发起人之一，背靠中科院，总能在政府市场上刨到食儿吃，参与联盟也是份内的事儿，据说对总线初始化阶段的时延测算方法还真提供了不错的想法。
联盟中唯一死心塌地的，也是唯一已经真正受益的就是大连光洋，不仅界总线标准制定的机会把自己的Glink成功地推为事实上的蓝本，而且趁机优化和修改的原有的Glink，是Glink更为完善而实用，而且光洋肯定会沿着新标准的路子走下去，把它做出事实标准。
在谈纳米插补之前，对涉及讨论范围的若干概念先描述一下，以免跑题。
加工精度：零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相符合的程度。
运动精度：以工作速度运动时，机床的运动部件的几何位置精度，一般区分为定位精度与重复定位精度。
数控机床的运动精度不仅与零部件加工精度与装配精度有关，还与机床的刚度（与负载有关）、机床的热变形以及运动副之间的摩擦特性有关。
在加工精度方面，近10年来，在国外，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm。
不考虑机床的刚度与机床的热变形，单就机械系统的运动精度而言：国外据说可达0.2μm，国内在实验室中据说可达2μm。看似相差10多倍，其中的技术差距可能超过100倍还不止。
由此可见，从机床的加工精度与运动精度来说，所谓纳米插补毫无意义。
窃以为，所谓纳米插补一是着眼于提高伺服控制中反馈处理的控制精度，二是涉及动态时滞的处理，不知你意下如何？具体细节还必须请诸位伺服高手分析指点。
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