1引言

　　高檔數(shù)控機床歷來作為重要戰(zhàn)略物資，被西方國家禁運，影響著我國經(jīng)濟的持續(xù)高效發(fā)展。如何解困?十一五期間，國家提出開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的高檔數(shù)控機床。然而，軟件系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，目前市場上的數(shù)控機床均是嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的特點:優(yōu)點是針對性強、實時性強，主要是基于以往通用計算與外部信息交換速度慢，實時性較差的情況下，另辟蹊徑而產(chǎn)生的;其最大缺點是，系統(tǒng)升級相對較困難，用戶的升級往往就是整機的更新?lián)Q代，重新投入大量資金，這對我國薄落的經(jīng)濟基礎(chǔ)是個巨大的負(fù)擔(dān)。因此，不宜走國外的老路，應(yīng)開創(chuàng)有自已特色的開發(fā)之路。隨著通用計算機處理器運行速度快速發(fā)展，90年末本世紀(jì)初，數(shù)控機床的開發(fā)出現(xiàn)了另一路徑，即所謂的第六代開放式數(shù)控系統(tǒng)，這是一種基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，并符合我國國情。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，論述以通用計算機為控制核心的CAD/CAM/CNC三位一體合成系統(tǒng)。滿足以通用計算機為實時控制核心的實時信息交換的串行通信速度條件已具備，以及以通用計算機為實時控制核心的優(yōu)勢很明顯。

　　2新系統(tǒng)的優(yōu)勢

　　(1)計算機與外部設(shè)備信息交換速度，是是否能實時有效完成實時控制的關(guān)鍵，也是以往通用計算機一直無法直接完成高速實時控制的唯一限制，盡管它有著無與論比的CPU運行速度，和不斷下降的價格，但還無法直接運行在CNC狀態(tài)。傳統(tǒng)的RS232串行通信速度一般為9600bit/s，根本無法與機床直接聯(lián)接進行實時加工控制，僅僅做一些文本傳輸，數(shù)控機床也就到DNC加工模式而已。近年來，USB2.0,IEEE1394新型串行通信接口技術(shù)的出現(xiàn)，使得通用計算機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的幾萬倍一幾十萬倍，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了高速實時控制的要求。以USB2.0為例，4軸聯(lián)動，則每軸通信速度為120Mbit/s，若加工進給速度為40mm/s，系統(tǒng)尺寸字長為5字節(jié)(尺寸格式為FFFF.FFFF)，即40bit，則雙向通信時間為6.6x10-7s，由于計算機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,要比實際允許的誤差小得多，完全符合實時控制要求。如允許誤差為0.2μm，則理論上可達(dá)20-40軸聯(lián)動。即IEEE1394是USB2.0的4倍以上。哪為什么選用串行通信呢?因為計算機的其它通信接口資源非常少，而USB則可以同時接外設(shè)可達(dá)成127個，這就是根本原因。因此計算機直接運行在CNC狀態(tài)所要求的通信速度已具備。

　　(2)在通用計算機領(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)域有強大的技術(shù)優(yōu)勢，能為我們開發(fā)合成系統(tǒng)的開發(fā)提供有力的技術(shù)支持。同時，CAD/CAM技術(shù)發(fā)展至今已相當(dāng)成熟，擁有眾多的開發(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)層面上已不再是問題。

　　(3)產(chǎn)品的升級、維修、換代是用戶購買時最先想到的問題。大家知道，辦公用的電腦和手提電腦上的軟件，升級那是多么的方便!CAD/CAM/CNC既作為一個系統(tǒng)，也是一個軟件，具有常用軟件的所有特點。同時，如果把機床上的每一個部件，看作計算機的一個獨立外設(shè)來設(shè)計、管理并文檔化(尤如打印機、攝像頭)，用戶就可以根據(jù)需要升級所需升級的部件，而無需考慮其它的部件了，這將會給用戶帶來很大的方便和經(jīng)濟利益。

　　3設(shè)計思想

　　3.1產(chǎn)品類型設(shè)計與機床結(jié)構(gòu)互動

　　(1)高端用戶(如航空業(yè)、造船業(yè))。可由產(chǎn)品造型設(shè)計所需空間維數(shù)，來確定機床中所需的空間維數(shù)，從另外角度理解，機床聯(lián)動軸的數(shù)量由產(chǎn)品的復(fù)雜程度確定，根據(jù)產(chǎn)品來配置機床，從而保持產(chǎn)品與機床的同一性，具有專用數(shù)控機床的特色，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，如飛機機身等等。這種情況對用戶的技術(shù)要求較高。

　　(2)普通用戶。則只需根據(jù)已定機床，在系統(tǒng)中選擇相應(yīng)的產(chǎn)品造型設(shè)計空間，用戶還可根據(jù)自已的需要增加或減少聯(lián)動軸的數(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，各獨立模塊都具有信號輸人、信號處理、信號輸出、信號反饋(閉環(huán))的共同特征(圖1)。因此，可以將各分立模塊進行同類抽象，實際使用時，只需在系統(tǒng)中賦值配置即可，這樣非常有利于機床升級。如五軸聯(lián)動升為七軸聯(lián)動，只要在系統(tǒng)中新增兩個相應(yīng)的配置，而后把新增兩軸部件按配置要求安裝在機床上即可。另外，各分模塊相對獨立，內(nèi)部運作互不干涉，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。

　　3.3將系統(tǒng)分為計算機側(cè)和機床側(cè)

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

　　4初步設(shè)計系統(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)計中的一些概念

　　由于整個系統(tǒng)模塊很多，不能一一講述，這里只講述幾個模塊。

　　(1)CNC模塊和機床加工模塊。CNC模塊主要完成工件加工路徑的靜態(tài)和動態(tài)計算，靜態(tài)計算根據(jù)工件的輪廓完成最初的計算，形成軌跡數(shù)據(jù)庫;動態(tài)計算是根據(jù)機床加工模塊返回的實際數(shù)據(jù)，進行軌跡修正。機床加工模塊是根據(jù)機床工作的具體命令，向機床發(fā)出控制信息，以及及時把機床的有關(guān)信息返回給系統(tǒng)。CNC模塊和機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)，也是開發(fā)的難點之一。

　　(2)系統(tǒng)配置模塊。完成產(chǎn)品設(shè)計、構(gòu)圖的空間，以及相應(yīng)機床軸聯(lián)動數(shù)的定義，為整個系統(tǒng)在工作中調(diào)用;機床的升級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)生一個完整的類似嵌人式數(shù)控系統(tǒng)代碼，并能下載到機床側(cè)的嵌人式計算機系統(tǒng)中，使機床與計算機分開，這樣設(shè)計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，因為目前網(wǎng)絡(luò)的實時性是不夠的，所以遠(yuǎn)程加工必需把計算機側(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。提供計算機與其它設(shè)備信息交流的接口，也是機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。所有的軸包括動力軸(如主軸)、控制軸，其實具有相似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，可以抽象為相同的類，配置時只要根據(jù)要求具體配置即可，這給系統(tǒng)設(shè)計帶來很大的方便。以下是以VC十+定義的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)例子。

　　宿主軸是指軸的位置是相對于機床固定的原始坐標(biāo)而定，寄生軸依附于宿主軸，它的運行時位置與宿主軸的位置相關(guān)，這樣可以把復(fù)雜的零件簡單化，把大型的零件(如大型飛機一體化的機身)分段加工，為加工帶來方便等等。

　　5開發(fā)合成系統(tǒng)所需的條件

　　(1)硬件條件:計算機若干臺，USB2.0或IEEE1394控制芯片，應(yīng)用軟件和單片系統(tǒng)開發(fā)工具等，相應(yīng)的控制電機(如步進電機，交流伺服電機等)，以及相關(guān)的測量裝置和一些輔助設(shè)備，這些均可以購置或外協(xié)開發(fā)。

　　(2)軟件條件:應(yīng)用軟件程序開發(fā)人員，以及與數(shù)控機床設(shè)計相關(guān)的技術(shù)人員。

　　(3)項目基金支持。

　　6結(jié)語

　　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，經(jīng)濟性好的特點，是數(shù)控機床設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域的新的發(fā)展之路，也是必走之路，并且研究和開發(fā)的物質(zhì)條件、技術(shù)條件，以及開發(fā)的途徑、軟件工具等等也已具備，是可行的，成為現(xiàn)實也是可能的，從我國的國情和國內(nèi)數(shù)控機床生產(chǎn)狀況來看也是必要的。CAD/CAM/CNC三位一體合成系統(tǒng)，是個龐大又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所涉及的學(xué)科有計算機、圖形學(xué)、電機控制、電子電磁測量、機械、乃至光學(xué)等等。