隨著產(chǎn)業(yè)革命的進(jìn)一步推進(jìn)，機(jī)械制造業(yè)向技術(shù)界提出了許多切實(shí)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(chǎng)響應(yīng)、易操作性等方向發(fā)展。數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的推廣應(yīng)用，為機(jī)械制造業(yè)由剛性自動(dòng)化向柔性自動(dòng)化的過(guò)渡和發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，揭開(kāi)了世界機(jī)械制造業(yè)的第三次歷史性技術(shù)革命的序幕。從70 年代中期開(kāi)始，機(jī)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(shí)現(xiàn)，即采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、紙帶格式的識(shí)別、絕對(duì)或增量定位、字符編碼識(shí)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(jī)組成，由一系列程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高加工過(guò)程的生產(chǎn)率、增強(qiáng)工廠(chǎng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力為主題的“設(shè)計(jì)制造一體化系統(tǒng)”正逐漸風(fēng)行。以柔性自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程為代表，尤其在聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)情況下，對(duì)FMS、CIMS 過(guò)程中的最小制造單元———數(shù)控單元提出了更加靈活、更加開(kāi)放的要求，基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的數(shù)控單元，由于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在數(shù)控單元中開(kāi)始了廣泛、深入的應(yīng)用。

1 人機(jī)集成系統(tǒng)的基本概念

　　20 世紀(jì)是科學(xué)發(fā)展最劇烈的一個(gè)世紀(jì)，其間機(jī)械科學(xué)發(fā)展的最大特征是自動(dòng)化，特別是20 世紀(jì)后半葉計(jì)算機(jī)與機(jī)械科學(xué)的碰撞，使機(jī)械領(lǐng)域發(fā)生了一場(chǎng)革命，自動(dòng)化+ 智能化成為機(jī)械領(lǐng)域新的重要特征。但是，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，從一開(kāi)始就過(guò)于強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化和智能化，忽略了人在系統(tǒng)中的作用。隨著制造技術(shù)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(dòng)化、智能化系統(tǒng)中的作用，現(xiàn)在已被越來(lái)越多的人重視和關(guān)注，建立一種新型的人機(jī)關(guān)系已成為當(dāng)今制造技術(shù)發(fā)展的新方向。充分肯定人的因素，使人與機(jī)器的關(guān)系更加密切，形成一種以人為中心的人機(jī)集成系統(tǒng)，發(fā)揮系統(tǒng)的最佳效益。

　　人機(jī)集成理論作為制造技術(shù)工業(yè)中一種新型的技術(shù)理論，它是指采取以人為主，人- 機(jī)械一體的技術(shù)路線(xiàn)，人與機(jī)械共同組成一個(gè)系統(tǒng)，各自執(zhí)行自己最擅長(zhǎng)的工作，形成達(dá)到甚至超過(guò)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(qiáng)調(diào)人在系統(tǒng)中的重要性，以人為中心構(gòu)成新型的機(jī)械系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是人機(jī)集成系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，它溝通人與常規(guī)機(jī)械，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。

2 系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)

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

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)

　　2.1 HAND # CNC 車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)功能

　　現(xiàn)有車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)，在自動(dòng)加工過(guò)程中，一般不允許對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行人工中斷處理。當(dāng)然在一些高檔數(shù)控系統(tǒng)中，它可以通過(guò)配置的自適應(yīng)控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)加工狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并完成加工，但這種自適應(yīng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)代價(jià)太大?，F(xiàn)有的車(chē)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(jìn)給量過(guò)大等），只有通過(guò)急停按鈕停車(chē)，這樣便造成系統(tǒng)中止和重新調(diào)整車(chē)床，嚴(yán)重時(shí)造成整個(gè)零件的破壞。于是便大大降低了生產(chǎn)率。因此，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

　　2.1.1 人工干預(yù)性功能

　　數(shù)控自動(dòng)加工過(guò)程中，可以隨時(shí)插入手動(dòng)操作功能，以應(yīng)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(fù)荷愈來(lái)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(lèi)似。此操作并不破壞數(shù)控加工過(guò)程，待到第二個(gè)循環(huán)時(shí)，再搖動(dòng)X 方向手輪使刀尖進(jìn)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(dòng)和機(jī)動(dòng)兩種功能）

　　2.1.2.1 手動(dòng)加工、調(diào)整功能

　　如同普通車(chē)床一樣，可操作X、Z方向電子手輪，輕松自如地移動(dòng)刀架拖板沿X、Z 方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀、調(diào)整及對(duì)零件加工。

　　2.1.2.2 手搖聯(lián)動(dòng)進(jìn)給功能

　　這是本系統(tǒng)區(qū)別現(xiàn)有車(chē)床數(shù)控的突出特點(diǎn)之一。輸入零件錐面、圓弧等程序以后，可通過(guò)搖動(dòng)聯(lián)動(dòng)電子手輪，實(shí)現(xiàn)X、Z軸聯(lián)動(dòng)，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(yàn)和試切削，亦可用于普通車(chē)床手動(dòng)操作狀態(tài)下工件過(guò)渡曲面的加工。

　　2.1.2.3 進(jìn)給機(jī)動(dòng)功能

　　對(duì)刀調(diào)整好后，如同普通車(chē)床一樣，可通過(guò)十字手柄操作，實(shí)現(xiàn)刀架拖板沿x或z方向的快速機(jī)動(dòng)進(jìn)給，進(jìn)給量可以在工作中實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整。同時(shí)，也可進(jìn)行錐度或圓弧的加工。

　　2.2 基于圖形參數(shù)的輸入

　　開(kāi)發(fā)一種效率高、質(zhì)量好的數(shù)控語(yǔ)言編程系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床誕生以來(lái)人們一直追求的目標(biāo)。然而現(xiàn)在采用的數(shù)控語(yǔ)言編程系統(tǒng)，雖然越來(lái)越接近自然語(yǔ)言，易于掌握，同時(shí)也能避免人為錯(cuò)誤，提高編程質(zhì)量，但是數(shù)控語(yǔ)言系統(tǒng)也具有缺點(diǎn)：1）首先要求編程人員要學(xué)習(xí)和掌握數(shù)控語(yǔ)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(yuǎn)不如圖形直觀(guān)，且在這種轉(zhuǎn)換中容易產(chǎn)生一些人為的錯(cuò)誤；2）數(shù)控語(yǔ)言編程目前還是采用批處理形式，即用數(shù)控語(yǔ)言編寫(xiě)的零件程序，輸入給計(jì)算機(jī)后一次處理，在處理過(guò)程中編程人員不能對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)，也不能對(duì)其運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。因此，零件源程序的編寫(xiě)、編輯、修改等還不夠直觀(guān)和方便。為了使HAND - CNC 數(shù)控系統(tǒng)易學(xué)易懂，操作方便，特別是便于那些使用慣了的普通車(chē)床但卻又不熟悉數(shù)控編程的人員操作，設(shè)計(jì)了圖形參數(shù)化編程系統(tǒng)。眾所周知，車(chē)床上加工的零件，基本上均為回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件，即它的外形相對(duì)于某一根軸中心對(duì)稱(chēng)，這就為用圖形參數(shù)化編程創(chuàng)造了條件。

　　通過(guò)對(duì)該零件的分析，可以知道它由一段一段簡(jiǎn)單圖形連接而成，基本上是圓柱形、圓弧形、螺紋形和快速進(jìn)給（空行程）等4 大類(lèi)，這樣，便可將這4類(lèi)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(dòng)跨象限的圓弧邏輯插補(bǔ)分析法

　　對(duì)于圓弧插補(bǔ)程序，一般必須對(duì)4個(gè)象限的順、逆圓弧插補(bǔ)，各自編制一個(gè)插補(bǔ)分支程序，而且其插補(bǔ)計(jì)算復(fù)雜而煩瑣。特別對(duì)于同一段存在跨象限的問(wèn)題就更為復(fù)雜。針對(duì)這些問(wèn)題，本系統(tǒng)采用了自動(dòng)跨象限的邏輯插補(bǔ)分析法，對(duì)4個(gè)象限的插補(bǔ)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并用邏輯式和卡諾圖歸納出幾個(gè)基本關(guān)系式，進(jìn)而利用這些公式來(lái)解決圓弧的自動(dòng)跨象限的處理，試圖用一個(gè)普通的插補(bǔ)流程代替4個(gè)象限的流程，使編程優(yōu)化，節(jié)約內(nèi)存占用量。通過(guò)對(duì)圓弧插補(bǔ)原理的分析和歸納，把插補(bǔ)的影響因素看成自變量，它們是：

　　由于采用了符號(hào)運(yùn)算，故S+ / -因變量可以省略。動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)修改運(yùn)算時(shí)，如果是走正向，則坐標(biāo)采用加運(yùn)算；走負(fù)向，則坐標(biāo)采用減運(yùn)算。

　　3.2 進(jìn)給速度的控制

　　在進(jìn)給速度控制中，一般都有一個(gè)升速、恒速和降速過(guò)程，以適應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(guò)對(duì)這些控制方法的比較，本系統(tǒng)的自動(dòng)升、降頻控制采用了等加減速控制法。

　　3.2.1 等加減速運(yùn)動(dòng)分析

　　圖4 描述了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的等加減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在圖中縱坐標(biāo)是頻率，它是以步/S為單位，因此本質(zhì)上是速度。橫坐標(biāo)是步數(shù)，其本質(zhì)上是位移距離。

　　設(shè)步進(jìn)電機(jī)以啟動(dòng)頻率f0啟動(dòng)后，以加速度a進(jìn)行加速，經(jīng)過(guò)H步運(yùn)行后，得到最高頻率fH，以后執(zhí)行勻速運(yùn)行，行走一段時(shí)間后，則開(kāi)始從最高頻率fH開(kāi)始，經(jīng)過(guò)S 步之后降至f0而停止。

　　在數(shù)控技術(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)f0、fH、H、S 都是已知的，需要計(jì)算的參數(shù)是加速度a 以及加速階段某時(shí)刻的步進(jìn)周期及減速階段某時(shí)刻的步進(jìn)周期和勻速階段的步進(jìn)周期。

　　3.2.2 加速階段的參數(shù)求取

　　對(duì)于一個(gè)線(xiàn)性加速過(guò)程，在圖5 的坐標(biāo)系下可表示為：f = f0 + at，式中：f 為瞬時(shí)頻率（速度），a 為加速度，f0為啟跳頻率（速度），t 為加速時(shí)間。

　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行了X 步，所對(duì)應(yīng)的頻率為fx，所用的時(shí)間為tx時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程有：

　　當(dāng)X=1時(shí)，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(jié)論

　　筆者在對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，以人機(jī)集成理論原則為指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)了一種兼有普通車(chē)床和數(shù)控車(chē)床二者優(yōu)點(diǎn)的新型數(shù)控系統(tǒng)軟件。它具有良好的人機(jī)干預(yù)性、協(xié)調(diào)性、合作性，使人的才能和設(shè)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?xún)r(jià)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(yīng)用前景和推廣價(jià)值。