一、引　言

　　數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，是柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的重要組成部分。其中，數(shù)控系統(tǒng)又是數(shù)控機(jī)床的核心和關(guān)鍵。目前從使用的計(jì)算機(jī)類型來看，數(shù)控系統(tǒng)有專用計(jì)算機(jī)數(shù)控和通用計(jì)算機(jī)數(shù)控2種結(jié)構(gòu)。前者所用計(jì)算機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠為其系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)和制造的，因此不同的系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等，不僅給用戶帶來了使用和維修上的復(fù)雜性，也給車間物流層的集成帶來了困難。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和通用微機(jī)的廣泛普及，美、日等發(fā)達(dá)國家正研究新一代具有開放性體系結(jié)構(gòu)的通用微機(jī)（PC）數(shù)控系統(tǒng)，以加強(qiáng)工業(yè)基礎(chǔ)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)市場競爭能力，適應(yīng)FMS、CIMS的需要。目前，以通用PC機(jī)為主體控制機(jī)的MNC數(shù)控系統(tǒng)已逐漸成為數(shù)控領(lǐng)域中的一個(gè)重要發(fā)展方向，研究通用PC機(jī)在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)有著重要的意義。本文以CA6140車床的數(shù)控化改造為例，探討了通用PC數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其在機(jī)床數(shù)字化改造中的應(yīng)用。

二、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1．硬件結(jié)構(gòu)

　　圖1所示為采用通用PC機(jī)（486以上）及其外設(shè)組成的數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)。

　　2．軟件設(shè)計(jì)

　　通用PC數(shù)控系統(tǒng)的功能大部分都采用軟件來實(shí)現(xiàn)，因此，數(shù)控軟件的設(shè)計(jì)及其功能是數(shù)控系統(tǒng)的核心。數(shù)控軟件可分為3個(gè)部分：操作系統(tǒng)、系統(tǒng)控制軟件、零件加工程序。操作系統(tǒng)以Windows98為基礎(chǔ)，配以全圖形彩色漢字人機(jī)界面、程序編輯窗口和幫助系統(tǒng)。零件加工程序由用戶根據(jù)加工要求用ISO標(biāo)準(zhǔn)NC代碼編寫。控制軟件包括各種加工插補(bǔ)控制程序、實(shí)時(shí)顯示程序、換刀程序、刀具補(bǔ)償與絲桿間隙補(bǔ)償程序等。控制軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2控制軟件結(jié)構(gòu)

　　由于軟件開發(fā)方法決定著軟件的開發(fā)周期、效率和軟件使用的可靠性，因此，確定軟件的編程語言和開發(fā)平臺是軟件開發(fā)的重要步驟。我們選擇了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，以C＋＋為開發(fā)語言，可以方便地將多個(gè)功能模塊集成在一起，且易于調(diào)試和維護(hù)，可靠性高。設(shè)計(jì)時(shí)首先分析確定各功能模塊，然后進(jìn)行抽象概括，建立各類屬層次（即基類、子類）模塊，接著編寫這些類的定義和實(shí)現(xiàn)方法，最后將它們組裝在一起。圖3是主控部分的類屬層次模塊圖。

　其最外層是車削類、銑削類等對象類，它們是從系統(tǒng)類中派生出來的，系統(tǒng)類抽象概括了加工系統(tǒng)的共同特性，定義了該系統(tǒng)最基本的數(shù)據(jù)和操作。主控部分的第二層是6個(gè)基本功能類，它們是編輯類、編譯類、設(shè)置類、加工類、手動(dòng)類、幫助類，分別完成系統(tǒng)的相關(guān)任務(wù)。其中編輯類定義了NC程序編輯的實(shí)現(xiàn)操作，在各系統(tǒng)中其任務(wù)是相同的，因此定義了一個(gè)全局對象實(shí)例，供各系統(tǒng)調(diào)用。其余的5個(gè)均為基類，派生出對應(yīng)于車、銑功能的子類，完成各系統(tǒng)特有的功能，它們在各系統(tǒng)中是作為內(nèi)部私有變量定義的。主控部分最內(nèi)一層是基本功能類，它們完成最基本的控制任務(wù)，例如插補(bǔ)類、延時(shí)類、顯示類等。例如下面的程序段完成插補(bǔ)任務(wù)：

　　系統(tǒng)的輔助部分分類屬有窗口類、文本類、菜單類等。

　　該系統(tǒng)界面形式如圖4所示，其中：

　　編輯程序：編輯修改NC零件加工程序，可讀取硬盤上已有的NC程序，建立保存新的NC程序，是數(shù)控系統(tǒng)的輸入接口；

　　編譯程序：將NC程序轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼和控制指令，并進(jìn)行程序數(shù)據(jù)和語法的自動(dòng)查錯(cuò)；

　　系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置零件仿真或加工時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)：

　　如刀補(bǔ)、絲補(bǔ)、系統(tǒng)坐標(biāo)、顯示比例、刀具設(shè)置等；

　　模擬顯示：進(jìn)行仿真加工，觀察仿真結(jié)果，確定程序是否正確。模擬顯示部分采用了數(shù)據(jù)、圖形分　　割法，能夠保證在加工速度（包括2 500 mm／min快速移動(dòng)）的前提下完成數(shù)據(jù)、圖形與加工過程的同步顯示；

　　零件加工：進(jìn)行零件正式加工，有動(dòng)態(tài)圖形同步顯示；

　　手動(dòng)控制：用光標(biāo)鍵控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行刀具位置調(diào)整或簡單的切削加工；

　　幫助系統(tǒng)：提供系統(tǒng)操作說明和系統(tǒng)聯(lián)機(jī)幫助。

三、車床數(shù)控化改造總體方案

　　圖5所示為我們?yōu)槟硰SCA6140車床進(jìn)行數(shù)控化改造的總體方案。

 
圖5 車床數(shù)控改造總體方案

　　數(shù)控系統(tǒng)為前述通用PC數(shù)控系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電源采用恒流斬波和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，有利于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的提高；進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)一級齒輪變速后帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向與橫向二軸聯(lián)動(dòng)；刀架采用四工位自動(dòng)換刀裝置；主軸傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速器調(diào)速，可用S代碼直接指令轉(zhuǎn)速，主軸上裝有脈沖發(fā)生器，可以加工螺紋；備有通用的RS232接口，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

　　該車床經(jīng)改造后，拓展了加工范圍，提高了機(jī)床精度和加工效率，經(jīng)螺距誤差補(bǔ)償后機(jī)床定位精度為0．04 mm，重復(fù)定位精度為±0．01 mm，能夠滿足一般的數(shù)控加工要求。

四、結(jié)　語

　　隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用將愈來愈廣泛。目前，數(shù)控化率（機(jī)床擁有量中數(shù)控機(jī)床占有的比例）已成為衡量企業(yè)的制造水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的一個(gè)重要指標(biāo)。但數(shù)控機(jī)床一般較貴，普通數(shù)控車床的售價(jià)多在10萬元以上，而用通用PC數(shù)控系統(tǒng)對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，其總費(fèi)用約在3～5萬元之間（包括新車床的價(jià)格），且功能和精度能夠滿足一般加工的要求，因此非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，特別適合我國國情。本文介紹的通用PC數(shù)控系統(tǒng)不但可用于數(shù)控車床改造，也可用于數(shù)控銑床、鏜床等的改造。考慮到一般工廠生產(chǎn)環(huán)境的電磁干擾較嚴(yán)重，為提高數(shù)控機(jī)床的抗干擾能力，建議選用工控機(jī)作主控制機(jī)。