0 前言

　　受計算機和微電子科學與技術(shù)發(fā)展歷史過程的影響，逐步形成了數(shù)控機床由金屬切削機床、伺服驅(qū)動電動機和數(shù)控系統(tǒng)三大模塊構(gòu)成的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。近年來，為了提高數(shù)控機床的系統(tǒng)集成性與智能化程度，國外繼NC和CNC之后，提出了新一代數(shù)控NGC和全開放結(jié)構(gòu)OSA，數(shù)控系統(tǒng)趨向于與PC結(jié)構(gòu)體系兼容的多機互連開放型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是PC+NC，另一種為PC-based這些數(shù)控系統(tǒng)的共同特點是采用上下級多CPU結(jié)構(gòu)，上級使用Pc，具有一定的開放性，而下級往往有多個CPU，其類型五花八門，總線各異，數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)千差萬別，上下級計算機的通信方式多種多樣，都沒有實現(xiàn)開放化和通用化 例如，目前國產(chǎn)的高中檔數(shù)控系統(tǒng)中，有的下級使用了多片MCS-51／96系列8／16位單片機和專用板卡；有的下級是SS-Bus上的多主8086／87系統(tǒng)，ss．Bus與上級Pc的ISA總線由專用的數(shù)據(jù)通信板橋接；還有的系統(tǒng)采用了TOKO公司的3700系列專用芯片

　　在傳統(tǒng)的數(shù)控機床概念下，數(shù)控系統(tǒng)既要實現(xiàn)數(shù)控機床的：亡藝功能又要完成數(shù)控機床的運動控制，因而其上下級CPU軟硬件聯(lián)系緊密，下級CPU系統(tǒng)的不開放性會影響到整個數(shù)控系統(tǒng)的開放性、可擴展性和升級能力，數(shù)控機床的工藝性能與數(shù)控系統(tǒng)的硬件交織在一起。在這種局面下，機床數(shù)控化對于機床生產(chǎn)廠家仍是一個較為艱難和復雜的過程，數(shù)控機床開發(fā)與升級受到來自數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的多方面限制，數(shù)控機床的柔性和可集成性難以提高，給制造自動化的實現(xiàn)造成了困難。

　　注意到上述問題，并結(jié)合近年來PC理論、技術(shù)與應(yīng)用的飛速發(fā)展，本文提出了一種機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系．即 +基于PC的完備數(shù)字機床的結(jié)構(gòu)體系 在這一概念下，工藝軟件在一白Host-PC運行，所生成的設(shè)備動作信息由串口或Modem卡)傳送給完備數(shù)字機床。完備數(shù)字機床接受符合ISO標準的文字地址程序段格式、函數(shù)、樣條、表格或逐點給出的伺服系統(tǒng)位置參考信號．它相當于允許用戶自由的定義插補算法，從而大大增加r兩軸以上的多軸聯(lián)動設(shè)備加工程序編制的靈活性，使數(shù)控機床復雜曲線(面)加亡的能力、速度和情度都有所提高

1 機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系與分析

　　機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系可由圖1表示 在機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系中，一臺完備數(shù)字機床就是一臺PC標準外設(shè)設(shè)備，類似于一臺X-Y繪圖儀．而完備則意味著可在Pc的控制下實現(xiàn)機床所有町能的動作，這樣就可由PC上運行的工豈軟件實現(xiàn)所有可能的加工工藝，從而使得數(shù)控機床成為 上運行的各種工藝軟件及其控制下的完備數(shù)字機床：通過構(gòu)造數(shù)字機床的設(shè)備驅(qū)動程序，工藝軟件完全獨立于具體的數(shù)字機床，機床生產(chǎn)廠生產(chǎn) 同類型和型號的數(shù)控機床時，硬件都是工業(yè)pc及其系列擴展模塊，不同的主要是軟件工作，機床數(shù)控化將徹底擺脫來自數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的限制。另一方面，不同廠家和型號的同類數(shù)字機床可以使用同一個工藝 數(shù)控系統(tǒng)支持下很難做到或者根率無法做到軟件。

圖1 機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系

　由于PC在組網(wǎng)技術(shù)上十分靈活，而且技術(shù)也很成熟，可以支持包括乙太網(wǎng)、Petri網(wǎng)，甚至Interwet網(wǎng)在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及拓撲結(jié)構(gòu)，加之pc版本CAD／CAM／CAPP已十分豐富，在CAD／CAM／CAPP集成方面有突出優(yōu)勢，其面向智能制造系統(tǒng)IMS和遠程制造的性能有很大提高。

　　此外，機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系有利于提高加工精度和速度。在這一方面，國外目前在定點DSP的基礎(chǔ)上，又在考慮采用浮點DSP，并為其設(shè)計高性能宴時操作系統(tǒng)；國內(nèi)則仍以MCS-51／96系列單片機(scc)為主，對每一個控制軸單獨使用一片CPU，以滿足高采樣頻率的要求。由于SCC的速度，精度以及硬件資源都十分有限，而DSP的優(yōu)勢也主要集中在快速完成加法和乘法運算，如進行快速傅里葉變換(FFT)或構(gòu)成數(shù)字濾波器，因此使用SCC或DSP構(gòu)成數(shù)字控制器在很大程度上限制了系統(tǒng)性能的進一步提高，并且開放性和通用性差，開發(fā)工具有限．開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。鑒于目前Pentium CPU的綜合性能已經(jīng)超過了DSP，本項目提出構(gòu)成與PC完全兼容的、基于Pentium CPU的32位高性能控制器．．該技術(shù)還可用于具有強烈軸問動力學耦臺的機床．如虛擬軸機床以及機器人的運動控制，這時若采用獨立的單軸控制是不可能獲得好的性能的?？梢姡瑱C床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系所提供的某些功能在現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)支持下很難做到或者根率無法做到。

2 完備數(shù)字機床及其控制器

　　在圖1所示系統(tǒng)中．完備數(shù)字機床控制器硬件是PC及其擴展板．在相應(yīng)的軟件支持下，完成手動面板控制，指令解釋與機床狀態(tài)報告，以及運動控制。完備數(shù)字機床控制器與機床的機械部分一起構(gòu)成完備數(shù)字機床，可用如圖2所示的方框圖表示。

圖2 完備數(shù)字機床力框圖

　　2.1 完備數(shù)字機床手動面板

　　完備數(shù)字機床手動面板實現(xiàn)機床基奉I(lǐng)/O開關(guān)量的手動控制，如機床基本狀態(tài)的顯示，工作臺面位置手動調(diào)整和急?！，F(xiàn)有數(shù)控機床的手動面板．往往直接由數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)量控制模塊控制，面板與數(shù)控系統(tǒng)之間的信息傳遞是并行的．接口復雜，而且無法規(guī)定標準與協(xié)議 為了解決這一問題，完備數(shù)字機床手動面板由MCS51系列單片機管理，采用標準串行通信與數(shù)字機床控制器交換信息 完備數(shù)字機床上電后，數(shù)字機床控制器和單片機開始系統(tǒng)自檢，之后便進入等待狀態(tài)，單片機定時檢查輸入狀態(tài)有無變化，并將變化了的輸入狀態(tài)由串行中斷送人數(shù)字機床控制器，由其作出相應(yīng)的反應(yīng)。數(shù)字機床控制器輸出到手動面板的顯示信息由單片機的中斷服務(wù)程序進行相應(yīng)的處理。手動面板的輸入輸出信息有：

　　(1)完備數(shù)字機床的工作方式選擇：手動／聯(lián)機?！　?2)手動單步進給?！　?3)手動連續(xù)進給?！　?4)回原點?！　?5)進給速度倍率．　　(6)進給坐標選擇　　(7)主軸電動機、泵、電磁離臺制動器等的狀態(tài)　　(8)急停?！　?9)暫停及顯示。　　(10)進給坐標超行程顯示。　　(11)故障顯示。

　　2.2 完備數(shù)字機床控制器軟件

　　完備數(shù)字機床控制器軟件是在DOS下用c++語言開發(fā)的，其框圖如圖3所示。數(shù)字機床控制器軟件基于DOS，主要是由于在這一操作系統(tǒng)下可以直接訪問數(shù)字機床控制器擴展板卡，而且DOS的實時性也得到認同。在圖3中，實時控制模塊由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，它是整個系統(tǒng)中唯一具有實時性要求的模塊。為了實時運行其他的模塊，只使用了為數(shù)不多的幾個數(shù)據(jù)隊列，每一個隊列由一個類來維護，通過成員函數(shù)可以對其數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行訪問。

　　主控計算機和手動面板的運動指令經(jīng)過監(jiān)控和指令解釋模塊預處理后生成運動代碼隊列，該隊列由運動代碼解釋模塊解釋，生成參考信號數(shù)據(jù)隊列在完備數(shù)字機床處于自動狀態(tài)時，運動和輔助功能指令由主控計算機的工藝控制軟件生成。完備數(shù)字機床的狀態(tài)，包括當前位置、故障信息以及繼電器／接觸器觸點通／斷等，可以根據(jù)工藝控制軟件顯示的要求由標準串口送至主控計算機。

　　圖3所示的完備數(shù)字機床控制器軟件，與具體機床及其工藝性能的控制無關(guān)，也就是說該數(shù)字機床控制器軟件支持具有機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系的不同種類和型號的機床，如各種銑床、車床或磨床等 不同工藝所要求的機床進給軸數(shù)和輔助功能等方面的差異不影響數(shù)字機床控制器軟件，同時也不是數(shù)字機床控制器要控制的對象，完備數(shù)字機床控制器使機床傳感器輸出、運動控制(進給伺服電動機輸入)以及其他的一些低級操作對于主控計算機是能控的，并且是完備的 另一方面，由于引入了完備數(shù)字機床的概念和數(shù)字機床控制器，數(shù)控機床工藝的控制與硬件的接口是標準串行通信，數(shù)控機床工藝的控制是獨立于硬件的軟件，從而實現(xiàn)了機床數(shù)控軟件化。

圖3 數(shù)字機床控制器軟件框圖

3 應(yīng)用實例

　　上述機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)被應(yīng)用于一臺三坐標兩聯(lián)動數(shù)控銑床的改造。改造前，該數(shù)控銑床采用基于PC-XT的開放式數(shù)控系統(tǒng)．三軸伺服控制采用直流伺服電動機驅(qū)動，碼盤進行半闊環(huán)位置檢測，最終由日本TOKO公司的專用伺服板卡進行位置伺服控制，可控制機床完成兩軸圓弧運動，三軸直線及螺旋線運動 為了提高該數(shù)控銑床的性能和檢驗本文提出的機床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系，將原有數(shù)控系統(tǒng)拆除，新開發(fā)了D3M．2A三坐標完備數(shù)字銑床，其控制器主板選用工業(yè)控制級的80486DX4．100，光柵計數(shù)卡、D／A卡及開關(guān)量I／O卡均為AT總線擴展卡，性能指標如下：

　　(1)所有精度指標不劣于原機床，　　(2)三坐標三聯(lián)動?！　?3)智能手動面板簡潔友好，最大可讀人81個鍵值，輸出16個顯示?！　?4)人機界面友好，可以接受標準G代碼、參數(shù)方程和逐點數(shù)據(jù)?！　?5)速度快、功能全、可靠性高　　(6)將機床性能升級的軟硬件工作分離開，可以獨立進行軟硬件升級?！　?7)D3M．2A三坐標完備數(shù)字銑床控制軟件可用于其他機床(尤其是三軸以上多軸聯(lián)動機床)機電設(shè)備的運動控制。

　　圖4是D3M．2A三坐標完備數(shù)字銑床在主控計算機控制下銑削玫瑰線的刀具中心軌跡及其極坐標方程，若加工平面選w 平面，則主控計算機生成該軌跡的州坐標并發(fā)送到D3M．2A的程序段如下由此可見，在本文提出的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)體系下，加工這一類可用方程描述的復雜曲線／面(如采用樣條函數(shù)描述的自由曲面)的編程太大簡化，而且直截了當，不再以傳統(tǒng)的直線／圓弧插樸為中介，因而避免了由此帶來的計算速度和精度方面的問題。

圖4 立銑刀中心軌跡及其極坐標方程

4 結(jié)論

　　本文提出的機床數(shù)控軟件化的結(jié)構(gòu)體系，是一項全新概念的數(shù)控技術(shù)，實現(xiàn)了真正意義上的全開放，簡化了機床數(shù)控化的過程和復雜性，它將有力地促進數(shù)控機床的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和普及，特別有利于提高我國機床的數(shù)控化率。同時，本技術(shù)能進一步提高單機加工速度、精度和可靠性等指標，使數(shù)控機床在面向制造自動化的柔性和可集成性上產(chǎn)生實質(zhì)性的飛躍，為實現(xiàn)快速可重組技術(shù)和智能制造提供條件。結(jié)論如下：

　　(1)首次提出了一種將數(shù)控機床工藝性能的控制與具體設(shè)備和控制系統(tǒng)硬件分離的結(jié)構(gòu)體系。

　　(2)充分發(fā)揮了PC平臺上的軟硬件優(yōu)勢，豐富和改善了開發(fā)環(huán)境，擺脫了來自數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的限制，降低了用戶的硬件開銷。

　　(3)新的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)體系能夠很好地支持數(shù)控機床進一步智能化、集成化和系統(tǒng)化(包括網(wǎng)絡(luò)化)。

　　(4)本技術(shù)使數(shù)控機床(特別是兩軸以上多軸聯(lián)動設(shè)備)的設(shè)計與開發(fā)簡單化、標準化、開放化、通用化和軟件化。

　　(5)減少了CPU的個數(shù)，有利于提高系統(tǒng)可靠性。