1引言

　　高檔數控機床歷來作為重要戰略物資，被西方國家禁運，影響著我國經濟的持續高效發展。如何解困?十一五期間，國家提出開發有自主知識產權的高檔數控機床。然而，軟件系統是數控機床的核心，目前市場上的數控機床均是嵌入式系統，嵌入式系統的特點:優點是針對性強、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，另辟蹊徑而產生的;其最大缺點是，系統升級相對較困難，用戶的升級往往就是整機的更新換代，重新投入大量資金，這對我國薄落的經濟基礎是個巨大的負擔。因此，不宜走國外的老路，應開創有自已特色的開發之路。隨著通用計算機處理器運行速度快速發展，90年末本世紀初，數控機床的開發出現了另一路徑，即所謂的第六代開放式數控系統，這是一種基于PC的數控系統，并符合我國國情。在此提出以USB為通信接口，并從軟件和有關應用的角度，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。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勢很明顯。

　　2新系統的優勢

　　(1)計算機與外部設備信息交換速度，是是否能實時有效完成實時控制的關鍵，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。傳統的RS232串行通信速度一般為9600bit/s，根本無法與機床直接聯接進行實時加工控制，僅僅做一些文本傳輸，數控機床也就到DNC加工模式而已。近年來，USB2.0,IEEE1394新型串行通信接口技術的出現，使得通用計算機的串行通信速度獲得了突破性發展，通信速度一下子提高了RS232的幾萬倍一幾十萬倍，USB2.0可達480Mbit/s,IEEE1394可達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軸聯動，則每軸通信速度為120Mbit/s，若加工進給速度為40mm/s，系統尺寸字長為5字節(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20-40軸聯動。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則可以同時接外設可達成127個，這就是根本原因。因此計算機直接運行在CNC狀態所要求的通信速度已具備。

　　(2)在通用計算機領域，有大量的軟件工程師和技術人員，比較嵌人式系統領域有強大的技術優勢，能為我們開發合成系統的開發提供有力的技術支持。同時，CAD/CAM技術發展至今已相當成熟，擁有眾多的開發人員和廣大的用戶，因此，將CAD/CAM與CNC合成一體，即CAD/CAM/CNC三位一體，在技術層面上已不再是問題。

　　(3)產品的升級、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，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來設計、管理并文檔化(尤如打印機、攝像頭)，用戶就可以根據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濟利益。

　　3設計思想

　　3.1產品類型設計與機床結構互動

　　(1)高端用戶(如航空業、造船業)。可由產品造型設計所需空間維數，來確定機床中所需的空間維數，從另外角度理解，機床聯動軸的數量由產品的復雜程度確定，根據產品來配置機床，從而保持產品與機床的同一性，具有專用數控機床的特色，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要求較高。

　　(2)普通用戶。則只需根據已定機床，在系統中選擇相應的產品造型設計空間，用戶還可根據自已的需要增加或減少聯動軸的數量。這符合大部用戶的情況。

　　3.2系統的總控制模塊與分立模塊

　　前者完成總協調和控制，后者在與前者協作下完成自已的任務

　　(1)總控制模塊(應用程序)。向各分立模塊發送控制信息，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控工作。

　　(2)分模塊。根據工程控制理論，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)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，只需在系統中賦值配置即可，這樣非常有利于機床升級。如五軸聯動升為七軸聯動，只要在系統中新增兩個相應的配置，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，內部運作互不干涉，各分模塊的數據交換由總線協調控制，吞吐于總線，這樣系統穩定性和可靠性易于保證，且系統容易升級。

　　3.3將系統分為計算機側和機床側

　　計算機側應能完成系統所有的工作，機床側則具有嵌入式系統的所有特點，具有傳統數控機床的特色，但機床側軟件系統是極具柔性(有些資料稱為韌件)，可從計算機側不斷下載和升級有關代碼，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絡遠程加工，計算機集成制造等，同時又可適合于傳統使用習慣的操作者。

　　4初步設計系統圖

　　4.1系統結構基本原理圖(圖2)

　　4.2有關設計中的一些概念

　　由于整個系統模塊很多，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和動態計算，靜態計算根據工件的輪廓完成最初的計算，形成軌跡數據庫;動態計算是根據機床加工模塊返回的實際數據，進行軌跡修正。機床加工模塊是根據機床工作的具體命令，向機床發出控制信息，以及及時把機床的有關信息返回給系統。CNC模塊和機床加工模塊是合成系統的重要組成，少之就不成為合成系統，也是開發的難點之一。

　　(2)系統配置模塊。完成產品設計、構圖的空間，以及相應機床軸聯動數的定義，為整個系統在工作中調用;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)代碼產生和傳送模塊。產生一個完整的類似嵌人式數控系統代碼，并能下載到機床側的嵌人式計算機系統中，使機床與計算機分開，這樣設計的目的不僅考慮到用戶的傳統習慣，更重要的是考慮到網絡遠程加工等因素，因為目前網絡的實時性是不夠的，所以遠程加工必需把計算機側的CAM(數控加工)代碼下載，然后在DNC條件下加工。

　　(4)網絡模塊。提供計算機與其它設備信息交流的接口，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，其實具有相似的數據結構模型，可以抽象為相同的類，配置時只要根據要求具體配置即可，這給系統設計帶來很大的方便。以下是以VC十+定義的一個數據結構例子。

　　宿主軸是指軸的位置是相對于機床固定的原始坐標而定，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，這樣可以把復雜的零件簡單化，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開發合成系統所需的條件

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

　　(2)軟件條件:應用軟件程序開發人員，以及與數控機床設計相關的技術人員。

　　(3)項目基金支持。

　　6結語

　　綜上所述，CAD/CAM/CNC三位一體合成系統具有高度柔性，易于升級，經濟性好的特點，是數控機床設計開發領域的新的發展之路，也是必走之路，并且研究和開發的物質條件、技術條件，以及開發的途徑、軟件工具等等也已具備，是可行的，成為現實也是可能的，從我國的國情和國內數控機床生產狀況來看也是必要的。CAD/CAM/CNC三位一體合成系統，是個龐大又復雜的系統工程，所涉及的學科有計算機、圖形學、電機控制、電子電磁測量、機械、乃至光學等等。