0 前言

　　受計(jì)算機(jī)和微電子科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷史過(guò)程的影響，逐步形成了數(shù)控機(jī)床由金屬切削機(jī)床、伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(lái)，為了提高數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)集成性與智能化程度，國(guó)外繼NC和CNC之后，提出了新一代數(shù)控NGC和全開(kāi)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(jī)互連開(kāi)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(diǎn)是采用上下級(jí)多CPU結(jié)構(gòu)，上級(jí)使用Pc，具有一定的開(kāi)放性，而下級(jí)往往有多個(gè)CPU，其類(lèi)型五花八門(mén)，總線各異，數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，上下級(jí)計(jì)算機(jī)的通信方式多種多樣，都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)開(kāi)放化和通用化 例如，目前國(guó)產(chǎn)的高中檔數(shù)控系統(tǒng)中，有的下級(jí)使用了多片MCS-51／96系列8／16位單片機(jī)和專(zhuān)用板卡；有的下級(jí)是SS-Bus上的多主8086／87系統(tǒng)，ss．Bus與上級(jí)Pc的ISA總線由專(zhuān)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(zhuān)用芯片

　　在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床概念下，數(shù)控系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的：亡藝功能又要完成數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，因而其上下級(jí)CPU軟硬件聯(lián)系緊密，下級(jí)CPU系統(tǒng)的不開(kāi)放性會(huì)影響到整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性和升級(jí)能力，數(shù)控機(jī)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(jī)床數(shù)控化對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠家仍是一個(gè)較為艱難和復(fù)雜的過(guò)程，數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)與升級(jí)受到來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的多方面限制，數(shù)控機(jī)床的柔性和可集成性難以提高，給制造自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)造成了困難。

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

1 機(jī)床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系與分析

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

圖1 機(jī)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?fù)浣Y(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(shì)，其面向智能制造系統(tǒng)IMS和遠(yuǎn)程制造的性能有很大提高。

　　此外，機(jī)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(guó)外目前在定點(diǎn)DSP的基礎(chǔ)上，又在考慮采用浮點(diǎn)DSP，并為其設(shè)計(jì)高性能宴時(shí)操作系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)則仍以MCS-51／96系列單片機(jī)(scc)為主，對(duì)每一個(gè)控制軸單獨(dú)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(shì)也主要集中在快速完成加法和乘法運(yùn)算，如進(jìn)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(jìn)一步提高，并且開(kāi)放性和通用性差，開(kāi)發(fā)工具有限．開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本高。鑒于目前Pentium CPU的綜合性能已經(jīng)超過(guò)了DSP，本項(xiàng)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(qiáng)烈軸問(wèn)動(dòng)力學(xué)耦臺(tái)的機(jī)床．如虛擬軸機(jī)床以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，這時(shí)若采用獨(dú)立的單軸控制是不可能獲得好的性能的。可見(jiàn)，機(jī)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(wú)法做到。

2 完備數(shù)字機(jī)床及其控制器

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

圖2 完備數(shù)字機(jī)床力框圖

　　2.1 完備數(shù)字機(jī)床手動(dòng)面板

　　完備數(shù)字機(jī)床手動(dòng)面板實(shí)現(xiàn)機(jī)床基奉I(lǐng)/O開(kāi)關(guān)量的手動(dòng)控制，如機(jī)床基本狀態(tài)的顯示，工作臺(tái)面位置手動(dòng)調(diào)整和急?！，F(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的手動(dòng)面板．往往直接由數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)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(fù)雜，而且無(wú)法規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議 為了解決這一問(wèn)題，完備數(shù)字機(jī)床手動(dòng)面板由MCS51系列單片機(jī)管理，采用標(biāo)準(zhǔn)串行通信與數(shù)字機(jī)床控制器交換信息 完備數(shù)字機(jī)床上電后，數(shù)字機(jī)床控制器和單片機(jī)開(kāi)始系統(tǒng)自檢，之后便進(jìn)入等待狀態(tài)，單片機(jī)定時(shí)檢查輸入狀態(tài)有無(wú)變化，并將變化了的輸入狀態(tài)由串行中斷送人數(shù)字機(jī)床控制器，由其作出相應(yīng)的反應(yīng)。數(shù)字機(jī)床控制器輸出到手動(dòng)面板的顯示信息由單片機(jī)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。手動(dòng)面板的輸入輸出信息有：

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

　　2.2 完備數(shù)字機(jī)床控制器軟件

　　完備數(shù)字機(jī)床控制器軟件是在DOS下用c++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，其框圖如圖3所示。數(shù)字機(jī)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(wèn)數(shù)字機(jī)床控制器擴(kuò)展板卡，而且DOS的實(shí)時(shí)性也得到認(rèn)同。在圖3中，實(shí)時(shí)控制模塊由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，它是整個(gè)系統(tǒng)中唯一具有實(shí)時(shí)性要求的模塊。為了實(shí)時(shí)運(yùn)行其他的模塊，只使用了為數(shù)不多的幾個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，每一個(gè)隊(duì)列由一個(gè)類(lèi)來(lái)維護(hù)，通過(guò)成員函數(shù)可以對(duì)其數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行訪問(wèn)。

　　主控計(jì)算機(jī)和手動(dòng)面板的運(yùn)動(dòng)指令經(jīng)過(guò)監(jiān)控和指令解釋模塊預(yù)處理后生成運(yùn)動(dòng)代碼隊(duì)列，該隊(duì)列由運(yùn)動(dòng)代碼解釋模塊解釋?zhuān)蓞⒖夹盘?hào)數(shù)據(jù)隊(duì)列在完備數(shù)字機(jī)床處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)和輔助功能指令由主控計(jì)算機(jī)的工藝控制軟件生成。完備數(shù)字機(jī)床的狀態(tài)，包括當(dāng)前位置、故障信息以及繼電器／接觸器觸點(diǎn)通／斷等，可以根據(jù)工藝控制軟件顯示的要求由標(biāo)準(zhǔn)串口送至主控計(jì)算機(jī)。

　　圖3所示的完備數(shù)字機(jī)床控制器軟件，與具體機(jī)床及其工藝性能的控制無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)該數(shù)字機(jī)床控制器軟件支持具有機(jī)床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系的不同種類(lèi)和型號(hào)的機(jī)床，如各種銑床、車(chē)床或磨床等 不同工藝所要求的機(jī)床進(jìn)給軸數(shù)和輔助功能等方面的差異不影響數(shù)字機(jī)床控制器軟件，同時(shí)也不是數(shù)字機(jī)床控制器要控制的對(duì)象，完備數(shù)字機(jī)床控制器使機(jī)床傳感器輸出、運(yùn)動(dòng)控制(進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)輸入)以及其他的一些低級(jí)操作對(duì)于主控計(jì)算機(jī)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(jī)床的概念和數(shù)字機(jī)床控制器，數(shù)控機(jī)床工藝的控制與硬件的接口是標(biāo)準(zhǔn)串行通信，數(shù)控機(jī)床工藝的控制是獨(dú)立于硬件的軟件，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)床數(shù)控軟件化。

圖3 數(shù)字機(jī)床控制器軟件框圖

3 應(yīng)用實(shí)例

　　上述機(jī)床數(shù)控軟件化結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)被應(yīng)用于一臺(tái)三坐標(biāo)兩聯(lián)動(dòng)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)．三軸伺服控制采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，碼盤(pán)進(jìn)行半闊環(huán)位置檢測(cè)，最終由日本TOKO公司的專(zhuān)用伺服板卡進(jìn)行位置伺服控制，可控制機(jī)床完成兩軸圓弧運(yùn)動(dòng)，三軸直線及螺旋線運(yùn)動(dòng) 為了提高該數(shù)控銑床的性能和檢驗(yàn)本文提出的機(jī)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(kāi)發(fā)了D3M．2A三坐標(biāo)完備數(shù)字銑床，其控制器主板選用工業(yè)控制級(jí)的80486DX4．100，光柵計(jì)數(shù)卡、D／A卡及開(kāi)關(guān)量I／O卡均為AT總線擴(kuò)展卡，性能指標(biāo)如下：

　　(1)所有精度指標(biāo)不劣于原機(jī)床，　　(2)三坐標(biāo)三聯(lián)動(dòng)?！　?3)智能手動(dòng)面板簡(jiǎn)潔友好，最大可讀人81個(gè)鍵值，輸出16個(gè)顯示。　　(4)人機(jī)界面友好，可以接受標(biāo)準(zhǔn)G代碼、參數(shù)方程和逐點(diǎn)數(shù)據(jù)?！　?5)速度快、功能全、可靠性高　　(6)將機(jī)床性能升級(jí)的軟硬件工作分離開(kāi)，可以獨(dú)立進(jìn)行軟硬件升級(jí)?！　?7)D3M．2A三坐標(biāo)完備數(shù)字銑床控制軟件可用于其他機(jī)床(尤其是三軸以上多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制。

　　圖4是D3M．2A三坐標(biāo)完備數(shù)字銑床在主控計(jì)算機(jī)控制下銑削玫瑰線的刀具中心軌跡及其極坐標(biāo)方程，若加工平面選w 平面，則主控計(jì)算機(jī)生成該軌跡的州坐標(biāo)并發(fā)送到D3M．2A的程序段如下由此可見(jiàn)，在本文提出的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)體系下，加工這一類(lèi)可用方程描述的復(fù)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(jiǎn)化，而且直截了當(dāng)，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(lái)的計(jì)算速度和精度方面的問(wèn)題。

圖4 立銑刀中心軌跡及其極坐標(biāo)方程

4 結(jié)論

　　本文提出的機(jī)床數(shù)控軟件化的結(jié)構(gòu)體系，是一項(xiàng)全新概念的數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全開(kāi)放，簡(jiǎn)化了機(jī)床數(shù)控化的過(guò)程和復(fù)雜性，它將有力地促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和普及，特別有利于提高我國(guó)機(jī)床的數(shù)控化率。同時(shí)，本技術(shù)能進(jìn)一步提高單機(jī)加工速度、精度和可靠性等指標(biāo)，使數(shù)控機(jī)床在面向制造自動(dòng)化的柔性和可集成性上產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的飛躍，為實(shí)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(jī)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(tái)上的軟硬件優(yōu)勢(shì)，豐富和改善了開(kāi)發(fā)環(huán)境，擺脫了來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的限制，降低了用戶(hù)的硬件開(kāi)銷(xiāo)。

　　(3)新的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)體系能夠很好地支持?jǐn)?shù)控機(jī)床進(jìn)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(jī)床(特別是兩軸以上多軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化、通用化和軟件化。

　　(5)減少了CPU的個(gè)數(shù)，有利于提高系統(tǒng)可靠性。