通用PC数控系统设计及其在机床
数控化改造中的应用＊
曹　凤
（成都电子机械高等专科学校，四川成都610031）
　
摘　要：介绍了基于普通微机（PC）的数控系统的设计方法，并将其应用于普通车床（CA6140）的数控化改造，取得较好的经济效果。该数控系统设计方法还可应用于其它机床的数控化改造。
关键词：PC；数控系统；机床；改造

一、引　言
　　数控机床是现代制造业的基础设备，是柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的重要组成部分。其中，数控系统又是数控机床的核心和关键。目前从使用的计算机类型来看，数控系统有专用计算机数控和通用计算机数控2种结构。前者所用计算机是数控系统生产厂为其系统专门设计和制造的，因此不同的系统具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、多种实时操作系统等，不仅给用户带来了使用和维修上的复杂性，也给车间物流层的集成带来了困难。近几年来，随着计算机技术的飞速发展和通用微机的广泛普及，美、日等发达国家正研究新一代具有开放性体系结构的通用微机（PC）数控系统，以加强工业基础的规范化和标准化，增强市场竞争能力，适应FMS、CIMS的需要。目前，以通用PC机为主体控制机的MNC数控系统已逐渐成为数控领域中的一个重要发展方向，研究通用PC机在数控领域的应用技术有着重要的意义。本文以CA6140车床的数控化改造为例，探讨了通用PC数控系统的设计方法及其在机床数字化改造中的应用。
二、微机数控系统设计
1．硬件结构
　　图1所示为采用通用PC机（486以上）及其外设组成的数控车床数控系统。
2．软件设计
　　通用PC数控系统的功能大部分都采用软件来实现，因此，数控软件的设计及其功能是数控系统的核心。数控软件可分为3个部分：操作系统、系统控制软件、零件加工程序。操作系统以Windows98为基础，配以全图形彩色汉字人机界面、程序编辑窗口和帮助系统。零件加工程序由用户根据加工要求用ISO标准NC代码编写。控制软件包括各种加工插补控制程序、实时显示程序、换刀程序、刀具补偿与丝杆间隙补偿程序等。控制软件的总体结构如图2所示。


　　由于软件开发方法决定着软件的开发周期、效率和软件使用的可靠性，因此，确定软件的编程语言和开发平台是软件开发的重要步骤。我们选择了面向对象的程序设计方法，以C＋＋为开发语言，可以方便地将多个功能模块集成在一起，且易于调试和维护，可靠性高。设计时首先分析确定各功能模块，然后进行抽象概括，建立各类属层次（即基类、子类）模块，接着编写这些类的定义和实现方法，最后将它们组装在一起。图3是主控部分的类属层次模块图。
　　其最外层是车削类、铣削类等对象类，它们是从系统类中派生出来的，系统类抽象概括了加工系统的共同特性，定义了该系统最基本的数据和操作。主控部分的第二层是6个基本功能类，它们是编辑类、编译类、设置类、加工类、手动类、帮助类，分别完成系统的相关任务。其中编辑类定义了NC程序编辑的实现操作，在各系统中其任务是相同的，因此定义了一个全局对象实例，供各系统调用。其余的5个均为基类，派生出对应于车、铣功能的子类，完成各系统特有的功能，它们在各系统中是作为内部私有变量定义的。主控部分最内一层是基本功能类，它们完成最基本的控制任务，例如插补类、延时类、显示类等。例如下面的程序段完成插补任务：


　　系统的辅助部分分类属有窗口类、文本类、菜单类等。
该系统界面形式如图4所示，其中：
　　编辑程序：编辑修改NC零件加工程序，可读取硬盘上已有的NC程序，建立保存新的NC程序，是数控系统的输入接口；
　　编译程序：将NC程序转换为数控代码和控制指令，并进行程序数据和语法的自动查错；
　　系统设置：设置零件仿真或加工时的系统参数：
如刀补、丝补、系统坐标、显示比例、刀具设置等；
　　模拟显示：进行仿真加工，观察仿真结果，确定程序是否正确。模拟显示部分采用了数据、图形分　　割法，能够保证在加工速度（包括2 500 mm／min快速移动）的前提下完成数据、图形与加工过程的同步显示；
　　零件加工：进行零件正式加工，有动态图形同步显示；
　　手动控制：用光标键控制步进电机进行刀具位置调整或简单的切削加工；
　　帮助系统：提供系统操作说明和系统联机帮助。

三、车床数控化改造总体方案
　　图5所示为我们为某厂CA6140车床进行数控化改造的总体方案。

　　数控系统为前述通用PC数控系统；驱动元件采用步进电机，驱动电源采用恒流斩波和脉宽调制（PWM）技术，有利于电机输出转矩的提高；进给传动系统经一级齿轮变速后带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向与横向二轴联动；刀架采用四工位自动换刀装置；主轴传动系统采用变频调速器调速，可用S代码直接指令转速，主轴上装有脉冲发生器，可以加工螺纹；备有通用的RS232接口，可实现与计算机的数据通信。
　　该车床经改造后，拓展了加工范围，提高了机床精度和加工效率，经螺距误差补偿后机床定位精度为0．04 mm，重复定位精度为±0．01 mm，能够满足一般的数控加工要求。
四、结　语
　　随着国家经济建设的发展，数控技术和数控机床的应用将愈来愈广泛。目前，数控化率（机床拥有量中数控机床占有的比例）已成为衡量企业的制造水平和技术经济实力的一个重要指标。但数控机床一般较贵，普通数控车床的售价多在10万元以上，而用通用PC数控系统对普通车床进行数控化改造，其总费用约在3～5万元之间（包括新车床的价格），且功能和精度能够满足一般加工的要求，因此非常经济实惠，特别适合我国国情。本文介绍的通用PC数控系统不但可用于数控车床改造，也可用于数控铣床、镗床等的改造。考虑到一般工厂生产环境的电磁干扰较严重，为提高数控机床的抗干扰能力，建议选用工控机作主控制机。
参考文献
［1］　曹凤．微机数控技术及应用［M］．电子科大出版社，2000．
［2］　王贵民．数控实用技术［M］．机械工业出版社，2000．