隨著產(chǎn)業(yè)革命的進一步推進，機械制造業(yè)向技術界提出了許多切實的要求，以保證制造業(yè)向著高精度、高速度、高效率、快速的市場響應、易操作性等方向發(fā)展。數(shù)控技術在機械制造業(yè)中的推廣應用，為機械制造業(yè)由剛性自動化向柔性自動化的過渡和發(fā)展作出了重要貢獻，揭開了世界機械制造業(yè)的第三次歷史性技術革命的序幕。從70 年代中期開始，機床數(shù)控系統(tǒng)由硬件數(shù)控（NC）走上了軟件數(shù)控（Computer NumericaI Control，CNC）的新階段。

　　硬件式數(shù)控的所有功能均利用電路實現(xiàn)，即采用硬件來實現(xiàn)插補、紙帶格式的識別、絕對或增量定位、字符編碼識別等功能；軟件式數(shù)控是取代NC 的新型數(shù)控系統(tǒng)，采用大規(guī)模集成電路，超大規(guī)模集成電路及微處理機組成，由一系列程序來實現(xiàn)控制功能，具有很強的程序存儲能力。

　　隨著計算機技術的發(fā)展和普及，以縮短產(chǎn)品設計周期、提高加工過程的生產(chǎn)率、增強工廠的市場競爭力為主題的“設計制造一體化系統(tǒng)”正逐漸風行。以柔性自動化生產(chǎn)過程為代表，尤其在聯(lián)機設計生產(chǎn)情況下，對FMS、CIMS 過程中的最小制造單元———數(shù)控單元提出了更加靈活、更加開放的要求，基于個人計算機的數(shù)控單元，由于其獨特優(yōu)勢，在數(shù)控單元中開始了廣泛、深入的應用。

1 人機集成系統(tǒng)的基本概念

　　20 世紀是科學發(fā)展最劇烈的一個世紀，其間機械科學發(fā)展的最大特征是自動化，特別是20 世紀后半葉計算機與機械科學的碰撞，使機械領域發(fā)生了一場革命，自動化+ 智能化成為機械領域新的重要特征。但是，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，從一開始就過于強調(diào)自動化和智能化，忽略了人在系統(tǒng)中的作用。隨著制造技術的深入發(fā)展，逐漸暴露出自身發(fā)展的局限性。

　　改善人在自動化、智能化系統(tǒng)中的作用，現(xiàn)在已被越來越多的人重視和關注，建立一種新型的人機關系已成為當今制造技術發(fā)展的新方向。充分肯定人的因素，使人與機器的關系更加密切，形成一種以人為中心的人機集成系統(tǒng)，發(fā)揮系統(tǒng)的最佳效益。

　　人機集成理論作為制造技術工業(yè)中一種新型的技術理論，它是指采取以人為主，人- 機械一體的技術路線，人與機械共同組成一個系統(tǒng)，各自執(zhí)行自己最擅長的工作，形成達到甚至超過人的能力乃至智力的“超智能（Superhuman InteIIigence）”系統(tǒng)。其核心內(nèi)容是強調(diào)人在系統(tǒng)中的重要性，以人為中心構成新型的機械系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)是人機集成系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，它溝通人與常規(guī)機械，從而實現(xiàn)人機通信。

2 系統(tǒng)控制軟件結構

　　現(xiàn)代CNC數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件，主要有前后臺型和中斷型兩種結構。由于該系統(tǒng)是基于工業(yè)PC機硬件平臺和DOS單任務操作系統(tǒng)的軟件平臺上開發(fā)的，工業(yè)PC機雖有較快的處理速度，但屬于單CPU處理機，而且中斷也不豐實（被系統(tǒng)大量占用）。因此，根據(jù)這兩種結構的特點，采用了前后臺型的軟件結構，前臺程序主要做插補工作，后臺程序則做編輯、預處理等功能，其軟件結構的基本組成如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件結構

　　2.1 HAND # CNC 車床數(shù)控系統(tǒng)功能

　　現(xiàn)有車床數(shù)控系統(tǒng)，在自動加工過程中，一般不允許對加工過程進行人工中斷處理。當然在一些高檔數(shù)控系統(tǒng)中，它可以通過配置的自適應控制系統(tǒng)自動檢測加工狀態(tài)，進行自動調(diào)整，并完成加工，但這種自適應控制系統(tǒng)開發(fā)代價太大。現(xiàn)有的車床數(shù)控系統(tǒng)，在加工中若出現(xiàn)緊急情況（打刀、毛坯余量不均、進給量過大等），只有通過急停按鈕停車，這樣便造成系統(tǒng)中止和重新調(diào)整車床，嚴重時造成整個零件的破壞。于是便大大降低了生產(chǎn)率。因此，本系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：

　　2.1.1 人工干預性功能

　　數(shù)控自動加工過程中，可以隨時插入手動操作功能，以應付可能發(fā)生的某些緊急情況，這是現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)所不具有的功能。例如數(shù)控加工中由于毛坯余量不均，發(fā)現(xiàn)切削負荷愈來愈大，為了防止事故，操作者可輕搖手輪使刀尖退出一些。出現(xiàn)打刀等情況的處理類似。此操作并不破壞數(shù)控加工過程，待到第二個循環(huán)時，再搖動X 方向手輪使刀尖進到規(guī)定的深度，從而完成零件的加工。

　　2.1.2 非編程加工功能（包括手動和機動兩種功能）

　　2.1.2.1 手動加工、調(diào)整功能

　　如同普通車床一樣，可操作X、Z方向電子手輪，輕松自如地移動刀架拖板沿X、Z 方向移動，實現(xiàn)對刀、調(diào)整及對零件加工。

　　2.1.2.2 手搖聯(lián)動進給功能

　　這是本系統(tǒng)區(qū)別現(xiàn)有車床數(shù)控的突出特點之一。輸入零件錐面、圓弧等程序以后，可通過搖動聯(lián)動電子手輪，實現(xiàn)X、Z軸聯(lián)動，控制刀架拖板，走出曲面輪廓的軌跡。此一功能首先可用于數(shù)控加工的程序檢驗和試切削，亦可用于普通車床手動操作狀態(tài)下工件過渡曲面的加工。

　　2.1.2.3 進給機動功能

　　對刀調(diào)整好后，如同普通車床一樣，可通過十字手柄操作，實現(xiàn)刀架拖板沿x或z方向的快速機動進給，進給量可以在工作中實現(xiàn)無級調(diào)整。同時，也可進行錐度或圓弧的加工。

　　2.2 基于圖形參數(shù)的輸入

　　開發(fā)一種效率高、質(zhì)量好的數(shù)控語言編程系統(tǒng)，是數(shù)控機床誕生以來人們一直追求的目標。然而現(xiàn)在采用的數(shù)控語言編程系統(tǒng)，雖然越來越接近自然語言，易于掌握，同時也能避免人為錯誤，提高編程質(zhì)量，但是數(shù)控語言系統(tǒng)也具有缺點：1）首先要求編程人員要學習和掌握數(shù)控語言，需要將被加工零件的信息轉(zhuǎn)換為文字信息，而文字信息遠不如圖形直觀，且在這種轉(zhuǎn)換中容易產(chǎn)生一些人為的錯誤；2）數(shù)控語言編程目前還是采用批處理形式，即用數(shù)控語言編寫的零件程序，輸入給計算機后一次處理，在處理過程中編程人員不能對運行狀態(tài)進行干預，也不能對其運行結果進行調(diào)整。因此，零件源程序的編寫、編輯、修改等還不夠直觀和方便。為了使HAND - CNC 數(shù)控系統(tǒng)易學易懂，操作方便，特別是便于那些使用慣了的普通車床但卻又不熟悉數(shù)控編程的人員操作，設計了圖形參數(shù)化編程系統(tǒng)。眾所周知，車床上加工的零件，基本上均為回轉(zhuǎn)體類零件，即它的外形相對于某一根軸中心對稱，這就為用圖形參數(shù)化編程創(chuàng)造了條件。

　　通過對該零件的分析，可以知道它由一段一段簡單圖形連接而成，基本上是圓柱形、圓弧形、螺紋形和快速進給（空行程）等4 大類，這樣，便可將這4類視為本數(shù)控系統(tǒng)軟件的圖形編輯系統(tǒng)的特征單元。

　　4.1 自動跨象限的圓弧邏輯插補分析法

　　對于圓弧插補程序，一般必須對4個象限的順、逆圓弧插補，各自編制一個插補分支程序，而且其插補計算復雜而煩瑣。特別對于同一段存在跨象限的問題就更為復雜。針對這些問題，本系統(tǒng)采用了自動跨象限的邏輯插補分析法，對4個象限的插補結果進行綜合分析，并用邏輯式和卡諾圖歸納出幾個基本關系式，進而利用這些公式來解決圓弧的自動跨象限的處理，試圖用一個普通的插補流程代替4個象限的流程，使編程優(yōu)化，節(jié)約內(nèi)存占用量。通過對圓弧插補原理的分析和歸納，把插補的影響因素看成自變量，它們是：

　　由于采用了符號運算，故S+ / -因變量可以省略。動點坐標修改運算時，如果是走正向，則坐標采用加運算；走負向，則坐標采用減運算。

　　3.2 進給速度的控制

　　在進給速度控制中，一般都有一個升速、恒速和降速過程，以適應驅(qū)動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證工作的穩(wěn)定性。目前數(shù)控系統(tǒng)中的軟件控制方法常有等加減速控制法和變加減速控制法。通過對這些控制方法的比較，本系統(tǒng)的自動升、降頻控制采用了等加減速控制法。

　　3.2.1 等加減速運動分析

　　圖4 描述了一個步進電機的等加減速的運動過程。在圖中縱坐標是頻率，它是以步/S為單位，因此本質(zhì)上是速度。橫坐標是步數(shù)，其本質(zhì)上是位移距離。

　　設步進電機以啟動頻率f0啟動后，以加速度a進行加速，經(jīng)過H步運行后，得到最高頻率fH，以后執(zhí)行勻速運行，行走一段時間后，則開始從最高頻率fH開始，經(jīng)過S 步之后降至f0而停止。

　　在數(shù)控技術的設計時，參數(shù)f0、fH、H、S 都是已知的，需要計算的參數(shù)是加速度a 以及加速階段某時刻的步進周期及減速階段某時刻的步進周期和勻速階段的步進周期。

　　3.2.2 加速階段的參數(shù)求取

　　對于一個線性加速過程，在圖5 的坐標系下可表示為：f = f0 + at，式中：f 為瞬時頻率（速度），a 為加速度，f0為啟跳頻率（速度），t 為加速時間。

　　當步進電機運行了X 步，所對應的頻率為fx，所用的時間為tx時，根據(jù)運動學方程有：

　　當X=1時，取T1=1/ f0，以后各步X（X=2~H）間的步間隔Tx可用式（6）逆推而得。同理可以求得勻速階段和降速階段的參數(shù)。

4 結論

　　筆者在對國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析的基礎上，以人機集成理論原則為指導，開發(fā)了一種兼有普通車床和數(shù)控車床二者優(yōu)點的新型數(shù)控系統(tǒng)軟件。它具有良好的人機干預性、協(xié)調(diào)性、合作性，使人的才能和設備的性能得以充分的發(fā)揮，不但顯著地提高了系統(tǒng)的性價比，尤其是用于多品種、單件或小批量的零件加工，本系統(tǒng)具有廣闊的應用前景和推廣價值。