0 引言

　　從20世紀80年代末以來，國內(nèi)開始充分利用計算機的軟件資源來提高數(shù)控系統(tǒng)的性能。先后借助于MS—DOS和Windows操作系統(tǒng)平臺來開發(fā)基于個人計算機(PC)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。

　一般系統(tǒng)采用當前先進的PC+NC開放式體系結(jié)構(gòu)，選用高速DSP作為CPU來完成實時性的NC內(nèi)核任務，實現(xiàn)電機實時控制以及在線檢測，而由PC機來完成非實時性的任務，諸如編程模塊中的圖形信息提取，通過USB串行通信實現(xiàn)上、下位機信息的交互。

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)

　　整個系統(tǒng)采用當前先進的PC+DSP運動控制卡開放式體系結(jié)構(gòu)，上位機系統(tǒng)負責完成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)庫優(yōu)化、數(shù)控代碼自動生成、加工仿真等大運算量，非實時性功能任務，下位機系統(tǒng)負責進行在線測量、電機控制、直線、圓弧插補運算等實時性強的任務，通過USB串行通信實現(xiàn)上、下位機信息的交互。這種結(jié)構(gòu)充分利用了上位機PC豐富的資源和強大的運算能力和下位機DSP實時性強的特點，整套系統(tǒng)功能配置合理，性價比高。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 測量系統(tǒng)

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

　　2.1 測量的實現(xiàn)

　　測量實現(xiàn)的物理基礎(chǔ)：工件為不透明物體，當有光發(fā)射、接收元件組成的測量裝置掃過其輪廓時，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變化，進而由傳感器轉(zhuǎn)化為電壓的高低變化，來探測確定。如圖3所示。

圖3測量的實現(xiàn)

　　2.2 測量方法

　　測量要完成的任務是要確定工件坐標系的原點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，實現(xiàn)刀具補償值的自動修正。測量步驟如下：

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

　　(2)確定工件坐標系原點在機床坐標系中的位置。

　　(3)工件尺寸的測定，可以確定任何位置處工件的輪廓尺寸信息。

　　(4)測量結(jié)束后，刀架返回換刀點，通過換刀命令使刀架轉(zhuǎn)位，使下一工序使用的刀具處在工作位置處，然后進行正常切削加工即可。

3 上位機(PC)功能的設計與實現(xiàn)

　　3.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　自動編程系統(tǒng)一般分為對話式數(shù)控語言編程系統(tǒng)和圖形交互自動編程系統(tǒng)。國際上流傳最廣、影響最深的數(shù)控編程語言是APT語言，但隨著計算機圖形編程和CAM軟件的發(fā)展，APT語言已逐漸被淘汰。

　　隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機圖形處理能力有了很大增強，一種新的編程技術(shù)——“圖形交互自動編程”便應運而生。圖形交互自動編程系統(tǒng)以機械計算機輔助設計(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算機上，形成零件的圖形文件，然后調(diào)用數(shù)控編程模塊，采用人機交互的方式在計算機屏幕上指定被加工的部位，再輸入相應的加工參數(shù)，計算機便可進行必要的數(shù)學處理并編制數(shù)控加工程序，同時在計算機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、使用簡便、便于檢查等優(yōu)點，現(xiàn)已成為目前國內(nèi)外先進的CAD／CAM(計算機輔助制造)軟件所普遍采用的數(shù)控編程方法。

　　國外的圖形自動編程系統(tǒng)起步較早，且發(fā)展迅速，有些產(chǎn)品已經(jīng)獲得了較廣泛的應用。如美國AUTO—CODE MECHANICAL公司的AUTO．CODE圖形自動編程系統(tǒng)，德國OPEN MIND公司的hyperMILL數(shù)控機床(加工中心)圖形自動加工系統(tǒng)，英國Pathtrce公司的EdgeCAM for MDT數(shù)控自動編程系統(tǒng)和美國的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Autodesk公司的AutoCAD或MDT(Mechanical Desk—top)作為開發(fā)平臺和造型工具進行開發(fā)。國內(nèi)的圖形自動編程軟件的開發(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)，如北京市機電研究所的VMC-750主軸箱體自動編程系統(tǒng)，重慶ONLYSOFT的線切割自動編程系統(tǒng)等。

　　圖形自動編程系統(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。國外自動編程軟件價格非常昂貴，國內(nèi)許多中小企業(yè)仍然采用繁瑣、復雜、效率低的手工編程。為此，在PC機上研究并開發(fā)數(shù)控車床自動編程系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAD／CAM的集成。使系統(tǒng)具有讀取DXF文件、自動生成NC代碼、二維仿真等功能。建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，使自動編程系統(tǒng)可以得到合理優(yōu)化的切削用量，實現(xiàn)了整個系統(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、NC代碼生成、動態(tài)校驗和數(shù)控加工程序輸出6個功能模塊。

圖4系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

4 下位機(DSP)功能設計與實現(xiàn)

　　車床數(shù)控系統(tǒng)要求控制兩個伺服電機或步進電機，主軸電機、刀架電機以及機床操作面板和機床上開關(guān)I／O等。此外，還有測量接口電路。考慮到系統(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，同時有接受正交編碼器的QEPI接口。系統(tǒng)通過USB接口與PC機實現(xiàn)通訊，通過PC的豐富功能實現(xiàn)系統(tǒng)的自動工藝規(guī)劃、自動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 軟件實現(xiàn)

　　如圖6所示，系統(tǒng)功能模塊分為串行通訊、預處理、加減速、軌跡插補、伺服輸出、刀具補償?shù)确止δ苣K，并通過加工信息緩沖區(qū)、軌跡緩沖區(qū)、插補緩沖區(qū)交換信息，順序進行最終驅(qū)動電機運行。

圖6軟件總體框圖

5 結(jié)束語

　　通過對數(shù)控車床智能控制系統(tǒng)的研究進行綜述，得到以下結(jié)論：

　　(1)采用PC+DSP運動控制卡開放式體系結(jié)構(gòu)，面向用戶的上位機(PC)界面友好，功能強大。用于電機控制的下位機(NC)采用DSP，實時性強。上下位機采用USB串行通信。系統(tǒng)具有開放性、可擴展性和模塊化的特點。

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

　　(3)該系統(tǒng)的基于在線測量的車削加工路徑智能規(guī)劃及自動編程功能，將極大簡化數(shù)控車床操作，減輕數(shù)控車床操作工人的勞動強度，提高設備生產(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)濟型數(shù)控車床配套使用，符合我國當前國情，能給制造企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，具有十分廣闊的應用前景和市場價值。