1引言

　　高檔數(shù)控機(jī)床歷來(lái)作為重要戰(zhàn)略物資，被西方國(guó)家禁運(yùn)，影響著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高效發(fā)展。如何解困?十一五期間，國(guó)家提出開(kāi)發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高檔數(shù)控機(jī)床。然而，軟件系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，目前市場(chǎng)上的數(shù)控機(jī)床均是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，主要是基于以往通用計(jì)算與外部信息交換速度慢，實(shí)時(shí)性較差的情況下，另辟蹊徑而產(chǎn)生的;其最大缺點(diǎn)是，系統(tǒng)升級(jí)相對(duì)較困難，用戶的升級(jí)往往就是整機(jī)的更新?lián)Q代，重新投入大量資金，這對(duì)我國(guó)薄落的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)是個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。因此，不宜走國(guó)外的老路，應(yīng)開(kāi)創(chuàng)有自已特色的開(kāi)發(fā)之路。隨著通用計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行速度快速發(fā)展，90年末本世紀(jì)初，數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了另一路徑，即所謂的第六代開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，這是一種基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，并符合我國(guó)國(guó)情。在此提出以USB為通信接口，并從軟件和有關(guān)應(yīng)用的角度，論述以通用計(jì)算機(jī)為控制核心的CAD/CAM/CNC三位一體合成系統(tǒng)。滿足以通用計(jì)算機(jī)為實(shí)時(shí)控制核心的實(shí)時(shí)信息交換的串行通信速度條件已具備，以及以通用計(jì)算機(jī)為實(shí)時(shí)控制核心的優(yōu)勢(shì)很明顯。

　　2新系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

　　(1)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備信息交換速度，是是否能實(shí)時(shí)有效完成實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵，也是以往通用計(jì)算機(jī)一直無(wú)法直接完成高速實(shí)時(shí)控制的唯一限制，盡管它有著無(wú)與論比的CPU運(yùn)行速度，和不斷下降的價(jià)格，但還無(wú)法直接運(yùn)行在CNC狀態(tài)。傳統(tǒng)的RS232串行通信速度一般為9600bit/s，根本無(wú)法與機(jī)床直接聯(lián)接進(jìn)行實(shí)時(shí)加工控制，僅僅做一些文本傳輸，數(shù)控機(jī)床也就到DNC加工模式而已。近年來(lái)，USB2.0,IEEE1394新型串行通信接口技術(shù)的出現(xiàn)，使得通用計(jì)算機(jī)的串行通信速度獲得了突破性發(fā)展，通信速度一下子提高了RS232的幾萬(wàn)倍一幾十萬(wàn)倍，USB2.0可達(dá)480Mbit/s,IEEE1394可達(dá)2Gbit/s，通信速度可想而知，不僅能滿足而且超過(guò)了高速實(shí)時(shí)控制的要求。以USB2.0為例，4軸聯(lián)動(dòng)，則每軸通信速度為120Mbit/s，若加工進(jìn)給速度為40mm/s，系統(tǒng)尺寸字長(zhǎng)為5字節(jié)(尺寸格式為FFFF.FFFF)，即40bit，則雙向通信時(shí)間為6.6x10-7s，由于計(jì)算機(jī)處理和串行通信是同步的，因此造成的理論誤差可近似為40x6.6x10-7=0.0264μm,要比實(shí)際允許的誤差小得多，完全符合實(shí)時(shí)控制要求。如允許誤差為0.2μm，則理論上可達(dá)20-40軸聯(lián)動(dòng)。即IEEE1394是USB2.0的4倍以上。哪為什么選用串行通信呢?因?yàn)橛?jì)算機(jī)的其它通信接口資源非常少，而USB則可以同時(shí)接外設(shè)可達(dá)成127個(gè)，這就是根本原因。因此計(jì)算機(jī)直接運(yùn)行在CNC狀態(tài)所要求的通信速度已具備。

　　(2)在通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，有大量的軟件工程師和技術(shù)人員，比較嵌人式系統(tǒng)領(lǐng)域有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能為我們開(kāi)發(fā)合成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支持。同時(shí)，CAD/CAM技術(shù)發(fā)展至今已相當(dāng)成熟，擁有眾多的開(kāi)發(fā)人員和廣大的用戶，因此，將CAD/CAM與CNC合成一體，即CAD/CAM/CNC三位一體，在技術(shù)層面上已不再是問(wèn)題。

　　(3)產(chǎn)品的升級(jí)、維修、換代是用戶購(gòu)買時(shí)最先想到的問(wèn)題。大家知道，辦公用的電腦和手提電腦上的軟件，升級(jí)那是多么的方便!CAD/CAM/CNC既作為一個(gè)系統(tǒng)，也是一個(gè)軟件，具有常用軟件的所有特點(diǎn)。同時(shí)，如果把機(jī)床上的每一個(gè)部件，看作計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)立外設(shè)來(lái)設(shè)計(jì)、管理并文檔化(尤如打印機(jī)、攝像頭)，用戶就可以根據(jù)需要升級(jí)所需升級(jí)的部件，而無(wú)需考慮其它的部件了，這將會(huì)給用戶帶來(lái)很大的方便和經(jīng)濟(jì)利益。

　　3設(shè)計(jì)思想

　　3.1產(chǎn)品類型設(shè)計(jì)與機(jī)床結(jié)構(gòu)互動(dòng)

　　(1)高端用戶(如航空業(yè)、造船業(yè))。可由產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)所需空間維數(shù)，來(lái)確定機(jī)床中所需的空間維數(shù)，從另外角度理解，機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)量由產(chǎn)品的復(fù)雜程度確定，根據(jù)產(chǎn)品來(lái)配置機(jī)床，從而保持產(chǎn)品與機(jī)床的同一性，具有專用數(shù)控機(jī)床的特色，這樣可以保證和提高加工精度和加工效率，更適用于異型零件或大型零件的加工，如飛機(jī)機(jī)身等等。這種情況對(duì)用戶的技術(shù)要求較高。

　　(2)普通用戶。則只需根據(jù)已定機(jī)床，在系統(tǒng)中選擇相應(yīng)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)空間，用戶還可根據(jù)自已的需要增加或減少聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)量。這符合大部用戶的情況。

　　3.2系統(tǒng)的總控制模塊與分立模塊

　　前者完成總協(xié)調(diào)和控制，后者在與前者協(xié)作下完成自已的任務(wù)

　　(1)總控制模塊(應(yīng)用程序)。向各分立模塊發(fā)送控制信息，并接受和處理分立模塊反饋的信息，并作一些其它控制或監(jiān)控工作。

　　(2)分模塊。根據(jù)工程控制理論，各獨(dú)立模塊都具有信號(hào)輸人、信號(hào)處理、信號(hào)輸出、信號(hào)反饋(閉環(huán))的共同特征(圖1)。因此，可以將各分立模塊進(jìn)行同類抽象，實(shí)際使用時(shí)，只需在系統(tǒng)中賦值配置即可，這樣非常有利于機(jī)床升級(jí)。如五軸聯(lián)動(dòng)升為七軸聯(lián)動(dòng)，只要在系統(tǒng)中新增兩個(gè)相應(yīng)的配置，而后把新增兩軸部件按配置要求安裝在機(jī)床上即可。另外，各分模塊相對(duì)獨(dú)立，內(nèi)部運(yùn)作互不干涉，各分模塊的數(shù)據(jù)交換由總線協(xié)調(diào)控制，吞吐于總線，這樣系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性易于保證，且系統(tǒng)容易升級(jí)。

　　3.3將系統(tǒng)分為計(jì)算機(jī)側(cè)和機(jī)床側(cè)

　　計(jì)算機(jī)側(cè)應(yīng)能完成系統(tǒng)所有的工作，機(jī)床側(cè)則具有嵌入式系統(tǒng)的所有特點(diǎn)，具有傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的特色，但機(jī)床側(cè)軟件系統(tǒng)是極具柔性(有些資料稱為韌件)，可從計(jì)算機(jī)側(cè)不斷下載和升級(jí)有關(guān)代碼，只要硬件資源允許，這種下載和升級(jí)是無(wú)限的;把代碼下載到機(jī)床有利于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程加工，計(jì)算機(jī)集成制造等，同時(shí)又可適合于傳統(tǒng)使用習(xí)慣的操作者。

　　4初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖

　　4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本原理圖(圖2)

　　4.2有關(guān)設(shè)計(jì)中的一些概念

　　由于整個(gè)系統(tǒng)模塊很多，不能一一講述，這里只講述幾個(gè)模塊。

　　(1)CNC模塊和機(jī)床加工模塊。CNC模塊主要完成工件加工路徑的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算，靜態(tài)計(jì)算根據(jù)工件的輪廓完成最初的計(jì)算，形成軌跡數(shù)據(jù)庫(kù);動(dòng)態(tài)計(jì)算是根據(jù)機(jī)床加工模塊返回的實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌跡修正。機(jī)床加工模塊是根據(jù)機(jī)床工作的具體命令，向機(jī)床發(fā)出控制信息，以及及時(shí)把機(jī)床的有關(guān)信息返回給系統(tǒng)。CNC模塊和機(jī)床加工模塊是合成系統(tǒng)的重要組成，少之就不成為合成系統(tǒng)，也是開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)之一。

　　(2)系統(tǒng)配置模塊。完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、構(gòu)圖的空間，以及相應(yīng)機(jī)床軸聯(lián)動(dòng)數(shù)的定義，為整個(gè)系統(tǒng)在工作中調(diào)用;機(jī)床的升級(jí)和裁剪必需在該模塊中重新定義后，才能生效正常工作。

　　(3)代碼產(chǎn)生和傳送模塊。產(chǎn)生一個(gè)完整的類似嵌人式數(shù)控系統(tǒng)代碼，并能下載到機(jī)床側(cè)的嵌人式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，使機(jī)床與計(jì)算機(jī)分開(kāi)，這樣設(shè)計(jì)的目的不僅考慮到用戶的傳統(tǒng)習(xí)慣，更重要的是考慮到網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程加工等因素，因?yàn)槟壳熬W(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是不夠的，所以遠(yuǎn)程加工必需把計(jì)算機(jī)側(cè)的CAM(數(shù)控加工)代碼下載，然后在DNC條件下加工。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)模塊。提供計(jì)算機(jī)與其它設(shè)備信息交流的接口，也是機(jī)床參與柔性制造單元或參與集成制造系統(tǒng)的通道。

　　(5)軸功能模塊。所有的軸包括動(dòng)力軸(如主軸)、控制軸，其實(shí)具有相似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，可以抽象為相同的類，配置時(shí)只要根據(jù)要求具體配置即可，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。以下是以VC十+定義的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)例子。

　　宿主軸是指軸的位置是相對(duì)于機(jī)床固定的原始坐標(biāo)而定，寄生軸依附于宿主軸，它的運(yùn)行時(shí)位置與宿主軸的位置相關(guān)，這樣可以把復(fù)雜的零件簡(jiǎn)單化，把大型的零件(如大型飛機(jī)一體化的機(jī)身)分段加工，為加工帶來(lái)方便等等。

　　5開(kāi)發(fā)合成系統(tǒng)所需的條件

　　(1)硬件條件:計(jì)算機(jī)若干臺(tái)，USB2.0或IEEE1394控制芯片，應(yīng)用軟件和單片系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具等，相應(yīng)的控制電機(jī)(如步進(jìn)電機(jī)，交流伺服電機(jī)等)，以及相關(guān)的測(cè)量裝置和一些輔助設(shè)備，這些均可以購(gòu)置或外協(xié)開(kāi)發(fā)。

　　(2)軟件條件:應(yīng)用軟件程序開(kāi)發(fā)人員，以及與數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)人員。

　　(3)項(xiàng)目基金支持。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，CAD/CAM/CNC三位一體合成系統(tǒng)具有高度柔性，易于升級(jí)，經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的新的發(fā)展之路，也是必走之路，并且研究和開(kāi)發(fā)的物質(zhì)條件、技術(shù)條件，以及開(kāi)發(fā)的途徑、軟件工具等等也已具備，是可行的，成為現(xiàn)實(shí)也是可能的，從我國(guó)的國(guó)情和國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)狀況來(lái)看也是必要的。CAD/CAM/CNC三位一體合成系統(tǒng)，是個(gè)龐大又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所涉及的學(xué)科有計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)、電機(jī)控制、電子電磁測(cè)量、機(jī)械、乃至光學(xué)等等。