0 引言

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

　一般系統采用當前先進的PC+NC開放式體系結構，選用高速DSP作為CPU來完成實時性的NC內核任務，實現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串行通信實現上、下位機信息的交互。

1 數控車床智能控制系統結構

　　1.1 數控車床智能控制系統總體體系結構

　　整個系統采用當前先進的PC+DSP運動控制卡開放式體系結構，上位機系統負責完成CAD圖形信息提取、刀具路徑智能規劃、工藝參數數據庫優化、數控代碼自動生成、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串行通信實現上、下位機信息的交互。這種結構充分利用了上位機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，整套系統功能配置合理，性價比高。系統功能結構如圖1所示。

 
圖1系統功能結構圖

　　1.2 系統工作流程

　　詳細的系統工作流程如圖2所示。

 
圖2系統工作流程示意圖

2 測量系統

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

　　2.1 測量的實現

　　測量實現的物理基礎：工件為不透明物體，當有光發射、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

　　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，并根據尺寸信息分析出刀具參數信息，實現刀具補償值的自動修正。測量步驟如下：

　　(1)數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)測量結束后，刀架返回換刀點，通過換刀命令使刀架轉位，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

　　3.1 國內外研究現狀

　　自動編程系統一般分為對話式數控語言編程系統和圖形交互自動編程系統。國際上流傳最廣、影響最深的數控編程語言是APT語言，但隨著計算機圖形編程和CAM軟件的發展，APT語言已逐漸被淘汰。

　　隨著計算機技術的迅速發展，計算機圖形處理能力有了很大增強，一種新的編程技術——“圖形交互自動編程”便應運而生。圖形交互自動編程系統以機械計算機輔助設計(CAD)軟件為基礎，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，然后調用數控編程模塊，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，計算機便可進行必要的數學處理并編制數控加工程序，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、便于檢查等優點，現已成為目前國內外先進的CAD／CAM(計算機輔助制造)軟件所普遍采用的數控編程方法。

　　國外的圖形自動編程系統起步較早，且發展迅速，有些產品已經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，德國OPEN MIND公司的hyperMILL數控機床(加工中心)圖形自動加工系統，英國Pathtrce公司的EdgeCAM for MDT數控自動編程系統和美國的MERRY MECHANICAL公司的SPM-81TM鈑金CAD／CAPPIcAM系統等。以上系統大都采用美國Autodesk公司的AutoCAD或MDT(Mechanical Desk—top)作為開發平臺和造型工具進行開發。國內的圖形自動編程軟件的開發起步較晚，但近幾年發展較快。通用系統有北京華正公司的CAXA制造工程師系列軟件，北京清華京渝天河公司的PCAutoCAM系統等；另外大多數為專用數控編程系統，如北京市機電研究所的VMC-750主軸箱體自動編程系統，重慶ONLYSOFT的線切割自動編程系統等。

　　圖形自動編程系統是高效的數控編程手段，是數控系統向集成化、智能化發展的必要環節，是當今數控編程技術發展的主要潮流之一，是CAD／CAM研究的重要領域。國外自動編程軟件價格非常昂貴，國內許多中小企業仍然采用繁瑣、復雜、效率低的手工編程。為此，在PC機上研究并開發數控車床自動編程系統，能夠實現CAD／CAM的集成。使系統具有讀取DXF文件、自動生成NC代碼、二維仿真等功能。建立切削參數數據庫，使自動編程系統可以得到合理優化的切削用量，實現了整個系統信息集成。

　　3.2 系統的總體框架結構與工藝流程

　　系統框架結構如圖4所示，它主要包括AutoCAD圖形生成、提取圖形數據信息、工藝干預、NC代碼生成、動態校驗和數控加工程序輸出6個功能模塊。

圖4系統功能結構框圖

4 下位機(DSP)功能設計與實現

　　車床數控系統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I／O等。此外，還有測量接口電路?？紤]到系統可控制伺服的要求，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。系統通過USB接口與PC機實現通訊，通過PC的豐富功能實現系統的自動工藝規劃、自動編程以及友好的操作界面。完成系統從CAD圖形——工藝規劃——刀軌規劃——編程后處理——數控加工的完整過程。

　　4.1 硬件結構框圖(圖5)

圖5硬件結構框圖

　　4.2 軟件實現

　　如圖6所示，系統功能模塊分為串行通訊、預處理、加減速、軌跡插補、伺服輸出、刀具補償等分功能模塊，并通過加工信息緩沖區、軌跡緩沖區、插補緩沖區交換信息，順序進行最終驅動電機運行。

圖6軟件總體框圖

5 結束語

　　通過對數控車床智能控制系統的研究進行綜述，得到以下結論：

　　(1)采用PC+DSP運動控制卡開放式體系結構，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。系統具有開放性、可擴展性和模塊化的特點。

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

　　(3)該系統的基于在線測量的車削加工路徑智能規劃及自動編程功能，將極大簡化數控車床操作，減輕數控車床操作工人的勞動強度，提高設備生產率。

　　(4)該控制系統方案既可用于改造傳統普通車床，也可與新一代的經濟型數控車床配套使用，符合我國當前國情，能給制造企業帶來可觀的經濟效益，具有十分廣闊的應用前景和市場價值。