一、引　言

　　數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎設備，是柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的重要組成部分。其中，數(shù)控系統(tǒng)又是數(shù)控機床的核心和關鍵。目前從使用的計算機類型來看，數(shù)控系統(tǒng)有專用計算機數(shù)控和通用計算機數(shù)控2種結構。前者所用計算機是數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠為其系統(tǒng)專門設計和制造的，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、多種實時操作系統(tǒng)等，不僅給用戶帶來了使用和維修上的復雜性，也給車間物流層的集成帶來了困難。近幾年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展和通用微機的廣泛普及，美、日等發(fā)達國家正研究新一代具有開放性體系結構的通用微機（PC）數(shù)控系統(tǒng)，以加強工業(yè)基礎的規(guī)范化和標準化，增強市場競爭能力，適應FMS、CIMS的需要。目前，以通用PC機為主體控制機的MNC數(shù)控系統(tǒng)已逐漸成為數(shù)控領域中的一個重要發(fā)展方向，研究通用PC機在數(shù)控領域的應用技術有著重要的意義。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)的設計方法及其在機床數(shù)字化改造中的應用。

二、微機數(shù)控系統(tǒng)設計

　　1．硬件結構

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

　　2．軟件設計

　　通用PC數(shù)控系統(tǒng)的功能大部分都采用軟件來實現(xiàn)，因此，數(shù)控軟件的設計及其功能是數(shù)控系統(tǒng)的核心。數(shù)控軟件可分為3個部分：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，配以全圖形彩色漢字人機界面、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標準NC代碼編寫?？刂栖浖ǜ鞣N加工插補控制程序、實時顯示程序、換刀程序、刀具補償與絲桿間隙補償程序等?？刂栖浖目傮w結構如圖2所示。

圖2控制軟件結構

　　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計方法，以C＋＋為開發(fā)語言，可以方便地將多個功能模塊集成在一起，且易于調(diào)試和維護，可靠性高。設計時首先分析確定各功能模塊，然后進行抽象概括，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個基本功能類，它們是編輯類、編譯類、設置類、加工類、手動類、幫助類，分別完成系統(tǒng)的相關任務。其中編輯類定義了NC程序編輯的實現(xiàn)操作，在各系統(tǒng)中其任務是相同的，因此定義了一個全局對象實例，供各系統(tǒng)調(diào)用。其余的5個均為基類，派生出對應于車、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，例如插補類、延時類、顯示類等。例如下面的程序段完成插補任務：

　　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，并進行程序數(shù)據(jù)和語法的自動查錯；

　　系統(tǒng)設置：設置零件仿真或加工時的系統(tǒng)參數(shù)：

　　如刀補、絲補、系統(tǒng)坐標、顯示比例、刀具設置等；

　　模擬顯示：進行仿真加工，觀察仿真結果，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）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：進行零件正式加工，有動態(tài)圖形同步顯示；

　　手動控制：用光標鍵控制步進電機進行刀具位置調(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)動元件采用步進電機，驅(qū)動電源采用恒流斬波和脈寬調(diào)制（PWM）技術，有利于電機輸出轉(zhuǎn)矩的提高；進給傳動系統(tǒng)經(jīng)一級齒輪變速后帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向與橫向二軸聯(lián)動；刀架采用四工位自動換刀裝置；主軸傳動系統(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，可實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)通信。

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

四、結　語

　　隨著國家經(jīng)濟建設的發(fā)展，數(shù)控技術和數(shù)控機床的應用將愈來愈廣泛。目前，數(shù)控化率（機床擁有量中數(shù)控機床占有的比例）已成為衡量企業(yè)的制造水平和技術經(jīng)濟實力的一個重要指標。但數(shù)控機床一般較貴，普通數(shù)控車床的售價多在10萬元以上，而用通用PC數(shù)控系統(tǒng)對普通車床進行數(shù)控化改造，其總費用約在3～5萬元之間（包括新車床的價格），且功能和精度能夠滿足一般加工的要求，因此非常經(jīng)濟實惠，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?？紤]到一般工廠生產(chǎn)環(huán)境的電磁干擾較嚴重，為提高數(shù)控機床的抗干擾能力，建議選用工控機作主控制機。