0 引言

　　從20世紀(jì)80年代末以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始充分利用計(jì)算機(jī)的軟件資源來(lái)提高數(shù)控系統(tǒng)的性能。先后借助于MS—DOS和Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)基于個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。

　一般系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的PC+NC開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，選用高速DSP作為CPU來(lái)完成實(shí)時(shí)性的NC內(nèi)核任務(wù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)時(shí)控制以及在線檢測(cè)，而由PC機(jī)來(lái)完成非實(shí)時(shí)性的任務(wù)，諸如編程模塊中的圖形信息提取，通過(guò)USB串行通信實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)信息的交互。

1 數(shù)控車床智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1 數(shù)控車床智能控制系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成CAD圖形信息提取、刀具路徑智能規(guī)劃、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化、數(shù)控代碼自動(dòng)生成、加工仿真等大運(yùn)算量，非實(shí)時(shí)性功能任務(wù)，下位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行在線測(cè)量、電機(jī)控制、直線、圓弧插補(bǔ)運(yùn)算等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的任務(wù)，通過(guò)USB串行通信實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)信息的交互。這種結(jié)構(gòu)充分利用了上位機(jī)PC豐富的資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力和下位機(jī)DSP實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，整套系統(tǒng)功能配置合理，性價(jià)比高。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

　　1.2 系統(tǒng)工作流程

　　詳細(xì)的系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

 
圖2系統(tǒng)工作流程示意圖

2 測(cè)量系統(tǒng)

　　通過(guò)引入測(cè)量系統(tǒng)，提高了數(shù)控車床的精度、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，同時(shí)基于測(cè)量的加工路徑規(guī)劃功能使得數(shù)控車床的加工操作更加簡(jiǎn)便，使數(shù)控車床具有了智能性。

　　2.1 測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

　　測(cè)量實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)：工件為不透明物體，當(dāng)有光發(fā)射、接收元件組成的測(cè)量裝置掃過(guò)其輪廓時(shí)，顯然在工件輪廓外光不被遮擋，接收元件可收到光；在工件輪廓內(nèi)光將被擋住，接收元件接收不到光，因此，工件的輪廓位置可以由光的有無(wú)變化，進(jìn)而由傳感器轉(zhuǎn)化為電壓的高低變化，來(lái)探測(cè)確定。如圖3所示。

圖3測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

　　2.2 測(cè)量方法

　　測(cè)量要完成的任務(wù)是要確定工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置以及工件輪廓尺寸信息，并根據(jù)尺寸信息分析出刀具參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償值的自動(dòng)修正。測(cè)量步驟如下：

　　(1)數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)后刀架先回機(jī)床零點(diǎn)，并通過(guò)換刀命令使測(cè)量裝置處于工作位置，即測(cè)量裝置面向待加工件。

　　(2)確定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置。

　　(3)工件尺寸的測(cè)定，可以確定任何位置處工件的輪廓尺寸信息。

　　(4)測(cè)量結(jié)束后，刀架返回?fù)Q刀點(diǎn)，通過(guò)換刀命令使刀架轉(zhuǎn)位，使下一工序使用的刀具處在工作位置處，然后進(jìn)行正常切削加工即可。

3 上位機(jī)(PC)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　自動(dòng)編程系統(tǒng)一般分為對(duì)話式數(shù)控語(yǔ)言編程系統(tǒng)和圖形交互自動(dòng)編程系統(tǒng)。國(guó)際上流傳最廣、影響最深的數(shù)控編程語(yǔ)言是APT語(yǔ)言，但隨著計(jì)算機(jī)圖形編程和CAM軟件的發(fā)展，APT語(yǔ)言已逐漸被淘汰。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形處理能力有了很大增強(qiáng)，一種新的編程技術(shù)——“圖形交互自動(dòng)編程”便應(yīng)運(yùn)而生。圖形交互自動(dòng)編程系統(tǒng)以機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件為基礎(chǔ)，利用CAD軟件的圖形編輯功能將零件的幾何圖形繪制到計(jì)算機(jī)上，形成零件的圖形文件，然后調(diào)用數(shù)控編程模塊，采用人機(jī)交互的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上指定被加工的部位，再輸入相應(yīng)的加工參數(shù)，計(jì)算機(jī)便可進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)處理并編制數(shù)控加工程序，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示刀具的加工軌跡。這種編程方法具有速度快、精度高、直觀性好、使用簡(jiǎn)便、便于檢查等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CAD／CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)軟件所普遍采用的數(shù)控編程方法。

　　國(guó)外的圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)起步較早，且發(fā)展迅速，有些產(chǎn)品已經(jīng)獲得了較廣泛的應(yīng)用。如美國(guó)AUTO—CODE MECHANICAL公司的AUTO．CODE圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)，德國(guó)OPEN MIND公司的hyperMILL數(shù)控機(jī)床(加工中心)圖形自動(dòng)加工系統(tǒng)，英國(guó)Pathtrce公司的EdgeCAM for MDT數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)和美國(guó)的MERRY MECHANICAL公司的SPM-81TM鈑金CAD／CAPPIcAM系統(tǒng)等。以上系統(tǒng)大都采用美國(guó)Autodesk公司的AutoCAD或MDT(Mechanical Desk—top)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)和造型工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)的圖形自動(dòng)編程軟件的開(kāi)發(fā)起步較晚，但近幾年發(fā)展較快。通用系統(tǒng)有北京華正公司的CAXA制造工程師系列軟件，北京清華京渝天河公司的PCAutoCAM系統(tǒng)等；另外大多數(shù)為專用數(shù)控編程系統(tǒng)，如北京市機(jī)電研究所的VMC-750主軸箱體自動(dòng)編程系統(tǒng)，重慶ONLYSOFT的線切割自動(dòng)編程系統(tǒng)等。

　　圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)是高效的數(shù)控編程手段，是數(shù)控系統(tǒng)向集成化、智能化發(fā)展的必要環(huán)節(jié)，是當(dāng)今數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展的主要潮流之一，是CAD／CAM研究的重要領(lǐng)域。國(guó)外自動(dòng)編程軟件價(jià)格非常昂貴，國(guó)內(nèi)許多中小企業(yè)仍然采用繁瑣、復(fù)雜、效率低的手工編程。為此，在PC機(jī)上研究并開(kāi)發(fā)數(shù)控車床自動(dòng)編程系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAD／CAM的集成。使系統(tǒng)具有讀取DXF文件、自動(dòng)生成NC代碼、二維仿真等功能。建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，使自動(dòng)編程系統(tǒng)可以得到合理優(yōu)化的切削用量，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)信息集成。

　　3.2 系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)與工藝流程

　　系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖4所示，它主要包括AutoCAD圖形生成、提取圖形數(shù)據(jù)信息、工藝干預(yù)、NC代碼生成、動(dòng)態(tài)校驗(yàn)和數(shù)控加工程序輸出6個(gè)功能模塊。

圖4系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

4 下位機(jī)(DSP)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　車床數(shù)控系統(tǒng)要求控制兩個(gè)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，主軸電機(jī)、刀架電機(jī)以及機(jī)床操作面板和機(jī)床上開(kāi)關(guān)I／O等。此外，還有測(cè)量接口電路?？紤]到系統(tǒng)可控制伺服的要求，控制接口要求有D／A輸出和脈沖串輸出，同時(shí)有接受正交編碼器的QEPI接口。系統(tǒng)通過(guò)USB接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，通過(guò)PC的豐富功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)工藝規(guī)劃、自動(dòng)編程以及友好的操作界面。完成系統(tǒng)從CAD圖形——工藝規(guī)劃——刀軌規(guī)劃——編程后處理——數(shù)控加工的完整過(guò)程。

　　4.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖(圖5)

圖5硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　如圖6所示，系統(tǒng)功能模塊分為串行通訊、預(yù)處理、加減速、軌跡插補(bǔ)、伺服輸出、刀具補(bǔ)償?shù)确止δ苣K，并通過(guò)加工信息緩沖區(qū)、軌跡緩沖區(qū)、插補(bǔ)緩沖區(qū)交換信息，順序進(jìn)行最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

圖6軟件總體框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)數(shù)控車床智能控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行綜述，得到以下結(jié)論：

　　(1)采用PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，面向用戶的上位機(jī)(PC)界面友好，功能強(qiáng)大。用于電機(jī)控制的下位機(jī)(NC)采用DSP，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。上下位機(jī)采用USB串行通信。系統(tǒng)具有開(kāi)放性、可擴(kuò)展性和模塊化的特點(diǎn)。

　　(2)現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)功能是相互分離的，而且其僅用于工件定位、尺寸測(cè)量等固定功能，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)和數(shù)控系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。本文提出一種新型基于在線測(cè)量的數(shù)控系統(tǒng)，可以將測(cè)量信息直接反饋到控制系統(tǒng)，由其實(shí)現(xiàn)刀具加工路徑的智能規(guī)劃，減少機(jī)床操作人員對(duì)加工過(guò)程的于預(yù)。

　　(3)該系統(tǒng)的基于在線測(cè)量的車削加工路徑智能規(guī)劃及自動(dòng)編程功能，將極大簡(jiǎn)化數(shù)控車床操作，減輕數(shù)控車床操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備生產(chǎn)率。

　　(4)該控制系統(tǒng)方案既可用于改造傳統(tǒng)普通車床，也可與新一代的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床配套使用，符合我國(guó)當(dāng)前國(guó)情，能給制造企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。