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0 引言
近幾年來，機(jī)械加工業(yè)大量采用數(shù)控機(jī)床取代傳統(tǒng)的普通機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工，普通機(jī)械逐漸被數(shù)控機(jī)械所代替。數(shù)控機(jī)床綜合了微電子、計算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制、電機(jī)與拖動，電子和電力、精密測量、氣液壓及現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控機(jī)床的心臟。具有高精度，高效率，柔性自動化等特點決定了今后發(fā)展數(shù)控機(jī)床是我國機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造的必由之路，是工廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床在各個機(jī)械制造企業(yè)已成為大、中型企業(yè)的主要技術(shù)裝備。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，即計算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的硬件數(shù)控(NC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它主要由硬件和軟件兩大部分組成。通過系統(tǒng)控制軟件與硬件的配合，完成對進(jìn)給坐標(biāo)控制、主軸控制、刀具控制、輔助功能控制等。CNC系統(tǒng)利用計算機(jī)來實現(xiàn)零件程序編輯、坐標(biāo)系偏移、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運算、公英制變換、圖形顯示和固定循環(huán)等。使數(shù)控機(jī)床按照操作設(shè)計要求，加工出需要的零件。
1 數(shù)控系統(tǒng)的組成
是由系統(tǒng)程序、輸入輸出設(shè)備、通信設(shè)備、數(shù)控裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動裝置和測量裝置等組成。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，數(shù)控裝置有兩種類型：一是完全由硬件邏輯電路的專用硬件組成的數(shù)控裝置即NC裝置；二是由計算機(jī)硬件和軟件組成的計算機(jī)數(shù)控裝置即CNC裝置。由于計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是微處理器和微型計算機(jī)應(yīng)用于數(shù)控裝置后，現(xiàn)在NC裝置已逐步被CNC裝置所取代。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件除了一般計算機(jī)具有的CPU、EPROM、RAM接口外，還具有數(shù)控位置控制器、手動數(shù)據(jù)輸入(MDA)接口、視頻顯示(CRT或LCD)接口和PLC接口等。所以CNC裝置是一種專用計算機(jī)。目前CNC系統(tǒng)大都采用體積小，成本低，功能強(qiáng)的微處理機(jī)。系統(tǒng)主要由微機(jī)及其相應(yīng)的I／O設(shè)備、外部設(shè)備、機(jī)床控制及其I／O通道組成。
數(shù)控系統(tǒng)的軟件分為管理軟件和控制軟件兩種。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)、零件程序顯示、機(jī)床狀態(tài)及報警，故障診斷等。控制軟件由譯碼、插補(bǔ)運算、刀具補(bǔ)償、速度控制、位置控制等軟件組成。
系統(tǒng)程序存于計算機(jī)內(nèi)存儲器。所有的數(shù)控功能基本上都依靠該程序來實現(xiàn)。硬件是軟件活動的物理基礎(chǔ)。而軟件則是整個系統(tǒng)的靈魂，整個CNC裝置的活動均依靠系統(tǒng)軟件來指揮。
2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，數(shù)控系統(tǒng)正在向電氣化、電子化、高速化、精密化等方面高速發(fā)展，其主要研究熱點有以下幾個方面：
2.1 性能發(fā)展方面
2.1.1 高精高速高效化速度
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。若采用高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)、高分辨率檢測元件、交流數(shù)字伺服系統(tǒng)、配套電主軸、直線電機(jī)等技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。在今后的幾年，超精密數(shù)控機(jī)床正在向精密化、高速化、智能化和納米化發(fā)展，匯合而成的新一代數(shù)控機(jī)床。
2.1.2 柔性化
數(shù)控系統(tǒng)采用新一代模塊化設(shè)計，功能覆蓋面更寬，可靠性更強(qiáng)，可滿足不同用戶的需求。同一群控系統(tǒng)能根據(jù)不同生產(chǎn)流程，自動進(jìn)行信息流動態(tài)調(diào)整，發(fā)揮群控系統(tǒng)的功能。
2.1.3 多軸化
多軸聯(lián)動加工，零件在一臺數(shù)控機(jī)床上一次裝夾后，可進(jìn)行自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭、旋轉(zhuǎn)工作臺等操作，完成多工序、多表面的復(fù)合加工，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。
2.1.4 軟硬件開放化
用戶可根據(jù)自己的需要，對數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，用戶的使用范圍不再受生產(chǎn)商的制約。
2.1.5 實時智能化
在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等方面發(fā)展。如編程專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出了故障時，診斷、維修等實現(xiàn)智能化。
2.2 功能發(fā)展方面
2.2.1 用戶界面圖形化
用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口，圖形用戶界面要適合各種用戶包括非專業(yè)用戶的使用，通過窗口和萊單進(jìn)行操作，可實現(xiàn)圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤、仿真和快速編程等功能。
2.2.2 科學(xué)計算可視化
信息交流已不再局限于用文字和語言表達(dá)，可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術(shù)可用于CAD／CAM、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補(bǔ)償、顯示及加工過程的可視化仿真等。如最近廈門創(chuàng)壹軟件有限公司開發(fā)的數(shù)控機(jī)床虛擬實現(xiàn)技術(shù)，用可視化3D技術(shù)展示了對數(shù)控機(jī)床的故障診斷與維修等功能。
2.2.3 插補(bǔ)和補(bǔ)償多樣化
插補(bǔ)方式有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、多項式插補(bǔ)等。補(bǔ)償功能有垂直度補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償、圓弧插補(bǔ)時過象限的誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)取?/P>
2.2.4 高性能的內(nèi)置PLC
數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能的PLC，可直接用梯形圖或高級語言編程，可在線調(diào)試和在線編輯修改，建立自己的應(yīng)用程序。
2.2.5 多媒體技術(shù)應(yīng)用
計算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控系統(tǒng)，應(yīng)用多媒體技術(shù)對各種信息可進(jìn)行綜合化，智能化處理。
2.3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面
2.3.1 集成化
采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)模可編程集成電路，及專用集成電路芯片，提高數(shù)控系統(tǒng)的集成電路密度和軟硬件運行速度及系統(tǒng)的可靠性。
2.3.2 模塊化
實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化，將CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。
2.4 智能化、開放式新一代數(shù)控系統(tǒng)
2.4.1 智能化
自動編程、加工過程智能監(jiān)控、在線檢測等。今后的數(shù)控系統(tǒng)將計算機(jī)智能技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD／CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補(bǔ)償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴(yán)密的制造過程，即稱為智能閉環(huán)控制體系，這種技術(shù)是利用傳感器獲得適時的信息，以增強(qiáng)制造者取得最佳產(chǎn)品的能力；智能數(shù)控系統(tǒng)通過對影響加工精度和效率的物理量進(jìn)行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對進(jìn)給速度、切削深度、坐標(biāo)移動、主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進(jìn)行實時控制，使機(jī)床的加工過程處于最佳狀態(tài)。
2.4.2 開放式
開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的柔性、適應(yīng)性、通用性、擴(kuò)展性，并向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有三種形式：1)全升、下降十個動作組成。系統(tǒng)漫游是通過操縱鍵盤實現(xiàn)用戶在三維場景中的任意漫游，通過鍵盤用戶可以靈活、準(zhǔn)確地對場景進(jìn)行全方位的觀察。鍵盤漫游的過程就是通過鍵盤連續(xù)不斷地改變視點位置或視線方向并渲染場景的過程。利用OpenGL輔助函數(shù)庫中g(shù)luLookAt()函數(shù)，通過鍵盤改變相應(yīng)的參數(shù)來實現(xiàn)場景的漫游效果，場景漫游圖如圖1所示。
圖1. 加工線場景漫游圖
3 結(jié)束語
虛擬場景構(gòu)造是虛擬加工系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于OpenGL和Visual C++的虛擬加工系統(tǒng)框架的設(shè)計與研究為創(chuàng)建更加完善逼真的虛擬加工系統(tǒng)打下了一定的基礎(chǔ)。本人只是對虛擬加工系統(tǒng)框架上做了初步的研究。由于系統(tǒng)中的機(jī)床模型外觀與實際機(jī)床外觀還有一定的出入；虛擬設(shè)備還沒有和實際機(jī)床進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊；搬運小車導(dǎo)軌等虛擬加工線中的一些必要設(shè)備等，同時只是對加工線的動態(tài)幾何仿真做了比較深入的研究，對設(shè)備的加工過程中的物理仿真研究較少。因此該系統(tǒng)還有不足之處，要建立功能完善的虛擬加工系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的研究。
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