机床数控软件化体系结构（下）

HEATS

　　完备数字机床的工作方式选择：手动/联机。

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　　手动单步进给。

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　　手动连续进给。

　　回原点。

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　　进给速度倍率。

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　　进给坐标选择。

　　主轴电动机、泵、电磁离合制动器等的状态。

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　　急停。

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　　暂停及显示。

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　　进给坐标超行程显示。

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　　故障显示。

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　　完备数字机床控制器软件

　　完备数字机床控制器软件是在DOS下用C++语言开发的，其框图如图3所示。数字机床控制器软件基于DOS，主要是由于在这一操作系统下可以直接访问数字机床控制器扩展板卡，而且DOS的实时性也得到认同。在图3中，实时控制模块由中断服务程序实现，它是整个系统中唯一具有实时性要求的模块。为了实时运行其他的模块，只使用了为数不多的几个数据队列，每一个队列由一个类来维护，通过成员函数可以对其数据和状态进行访问。

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　　图3 数字机床控制器软件框图

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　　主控计算机和手动面板的运动指令经过监控和指令解释模块预处理后生成运动代码队列，该队列由运动代码解释模块解释，生成参考信号数据队列。在完备数字机床处于自动状态时，运动和辅助功能指令由主控计算机的工艺控制软件生成。完备数字机床的状态，包括当前位置、故障信息以及继电器/接触器触点通/断等，可以根据工艺控制软件显示的要求由标准串口送至主控计算机。

　　图3所示的完备数字机床控制器软件，与具体机床及其工艺性能的控制无关，也就是说该数字机床控制器软件支持具有机床数控软件化结构体系的不同种类和型号的机床，如各种铣床、车床或磨床等。不同工艺所要求的机床进给轴数和辅助功能等方面的差异不影响数字机床控制器软件，同时也不是数字机床控制器要控制的对象，完备数字机床控制器使机床传感器输出、运动控制(进给伺服电动机输入)以及其他的一些低级操作对于主控计算机是能控的，并且是完备的。另一方面，由于引入了完备数字机床的概念和数字机床控制器，数控机床工艺的控制与硬件的接口是标准串行通信，数控机床工艺的控制是独立于硬件的软件，从而实现了机床数控软件化。

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　　3 应用实例

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　　上述机床数控软件化结构体系已经被应用于一台三坐标两联动数控铣床的改造。改造前，该数控铣床采用基于PC-XT的开放式数控系统，三轴伺服控制采用直流伺服电动机驱动，码盘进行半闭环位置检测，最终由日本TOKO公司的专用伺服板卡进行位置伺服控制，可控制机床完成两轴圆弧运动，三轴直线及螺旋线运动。为了提高该数控铣床的性能和检验本文提出的机床数控软件化结构体系，将原有数控系统拆除，新开发了D3M-2A三坐标完备数字铣床，其控制器主板选用工业控制级的80486DX4-100，光栅计数卡、D/A卡及开关量I/0卡均为AT总线扩展卡，性能指标如下

　　所有精度指标不劣于原机床。

S* I0 n- I# U8 F0 S7 g

　　三坐标三联动。

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　　智能手动面板简洁友好，最大可读入81个键值，输出16个显示。

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　　人机界面友好，可以接受标准G代码、参数方程和逐点数据。

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　　速度快、功能全、可靠性高。

　　将机床性能升级的软硬件工作分离开，可以独立进行软硬件升级。

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　　D3M-2A三坐标完备数字铣床控制软件可用于其他机床(尤其是三轴以上多轴联动机床)机电设备的运动控制。

　　图4是D3M-2A三坐标完备数字铣床在主控计算机控制下铣削玫瑰线的刀具中心轨迹及其极坐标方程，若加工平面选xy平面，则主控计算机生成该轨迹的划坐标并发送到D3M-2A的程序段如下 t=0;

# L" J# E- R7 f0 g1 w Y+ g

　　while(t

8 a! \* S: C+ v, A7 m 1 \# {' {0 G: }8 l$ w2 |

　　{

3 }1 Y' Q* K: S7 E" K

　　j=(p/tf)t

　　r=10.000cos3j

　　x=rcosj

3 m( a b; }- T% w. w1 i/ W" O, C

　　y=rcosj

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　　Send.Data

　　

5 K$ P. S j2 v* ` ! Q) b/ \8 ~% d- Z" e; }7 b

　　t+=0.004 /*置初始时间为零*/

& o# T Z6 m" }

　　/*循环至结束时间tf*/

　　

　　/*计算极角，随时间均匀增加*/

' ~4 i9 m* Q6 i3 @

　　/*计算极径，按图4中的方程/*

) u! w3 c4 Q9 J6 d; e- G% U * w2 b' u5 p3 o/ J% p2 ^! Y) f$ K

　　/*极坐标到直角坐标换算/*

; r* j/ @% u, G5 I7 A

　　/*极坐标到直角坐标换算/*

　　/*调发送数据函数*/

* _2 f! e. c% s2 {# \ & K; t7 E6 ]4 M3 v1 h9 f/ M9 f6 a

　　/*时间增加一个采样周期*/

# I. ?/ t& G7 F/ K) b8 @' a

　　图4 立铣刀中心轨迹及其极坐标方程

( w& B @! o6 s4 U6 o% Y. N7 q$ S4 a 8 [& `9 P+ n5 y5 t) M( f7 I. e, ?' G

　　

! W2 s h" C9 R; o- _9 A2 H \4 c 0 ~4 a7 N4 D- s

　　

) f7 u4 H s: M8 e2 F

　　由此可见，在本文提出的数控机床结构体系下，加工这一类可用方程描述的复杂曲线/面(如采用样条函数描述的自由曲面)的编程大大简化，而且直截了当，不再以传统的直线/圆弧插补为中介，因而避免了由此带来的计算速度和精度方面的问题。

$ }2 @8 H$ N8 \) ~1 Q+ j" M1 V

　　4 结论

　　本文提出的机床数控软件化的结构体系，是一项全新概念的数控技术，实现了真正意义上的全开放，简化了机床数控化的过程和复杂性，它将有力地促进数控机床的研究、开发、生产和普及，特别有利于提高我国机床的数控化率。同时，本技术能进一步提高单机加工速度、精度和可靠性等指标，使数控机床在面向制造自动化的柔性和可集成性上产生实质性的飞跃，为实现快速可重组技术和智能制造提供条件。结论如下：

　　首次提出了一种将数控机床工艺性能的控制与具体设备和控制系统硬件分离的结构体系。

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　　充分发挥了PC平台上的软硬件优势，丰富和改善了开发环境，摆脱了来自数控系统软硬件的限制，降低了用户的硬件开销。

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　　新的数控机床结构体系能够很好地支持数控机床进一步智能化、集成化和系统化(包括网络化)。

　　本技术使数控机床(特别是两轴以上多轴联动设备)的设计与开发简单化、标准化、开放化、通用化和软件化。

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　　减少了CPU的个数，有利于提高系统可靠性。

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