數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制技術(shù)分析

蒲智強(qiáng)

摘 要：隨著我國(guó)高端制造業(yè)的快速發(fā)展，航空航航天、船舶、鋼鐵、工程機(jī)械等行業(yè)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展為我國(guó)的數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)提供具體的發(fā)展機(jī)遇和市場(chǎng)，本文就是簡(jiǎn)要分析數(shù)控系統(tǒng)中軟件控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；軟件控制技術(shù)；軟件控制

數(shù)字控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)人員在計(jì)算機(jī)中事先存儲(chǔ)的控制程序來(lái)執(zhí)行相關(guān)數(shù)值控制功能，并相應(yīng)配有伺服驅(qū)動(dòng)裝置和接口電路的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過(guò)專用數(shù)字變成指令完成對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作控制，已達(dá)到對(duì)位置、角度、速度等機(jī)械數(shù)值的控制。

一、數(shù)控系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介

雖然目前市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)形式各異，各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但都圍繞系統(tǒng)的初始硬件和軟件對(duì)的工程設(shè)計(jì)思路和初始的基礎(chǔ)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)完成，都是有三大部分共同組成，分別是控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)為專用計(jì)算機(jī)變成語(yǔ)言系統(tǒng)，通過(guò)編程指令的輸入和輸出功能完成加工弓箭程序的插補(bǔ)運(yùn)算，然后將指令發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在機(jī)械機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其設(shè)備的回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)位置、速度等參數(shù)由測(cè)量系統(tǒng)回饋給控制系統(tǒng)，以便系統(tǒng)修正控制指令，起到調(diào)節(jié)控制數(shù)據(jù)的作用。隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件語(yǔ)言的日趨完善，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)通用計(jì)算機(jī)的使用使得其更加具有軟件為主的特點(diǎn)，隨著傳統(tǒng)機(jī)床的邏輯控制裝置被PLC代替，數(shù)控系統(tǒng)哥哥家靈活、小巧、易于操作更為復(fù)雜的數(shù)控功能，并且實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)路連接和遠(yuǎn)程通信控制功能，更加方便對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的使用和功能實(shí)現(xiàn)。

二、數(shù)控系統(tǒng)軟件控制結(jié)構(gòu)

1.輸入數(shù)據(jù)

輸入數(shù)據(jù)處理程序主要有三部分內(nèi)容分別是：輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理。輸入是根據(jù)加工元器件的要求轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)編程代碼并且將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)零件加工程序，通過(guò)加工指令完成機(jī)械操作。軟件編譯過(guò)程這種完成指令和數(shù)據(jù)的譯碼和處理，并按照軟件邏輯進(jìn)行規(guī)定的格式存放。部分系統(tǒng)需要補(bǔ)償計(jì)算或?yàn)榱藱C(jī)械速度控制和插補(bǔ)運(yùn)算進(jìn)行預(yù)計(jì)算。

2.插補(bǔ)計(jì)算

CNC作為典型的實(shí)施控制方式，在進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的同時(shí)進(jìn)行機(jī)械加工。CNC系統(tǒng)根據(jù)加工器件的數(shù)據(jù)要求在軟件加工程序中的體現(xiàn)，如曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)等參考數(shù)值進(jìn)行中間輸出點(diǎn)的插值密集化運(yùn)算，這種運(yùn)算需要咱哥按照程序給定軌跡要求同時(shí)也需要符合機(jī)械系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)加減速的要求。根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)算結(jié)果，對(duì)機(jī)械操作坐標(biāo)軸發(fā)送進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置指令，這就是插補(bǔ)運(yùn)算。運(yùn)算得到的位置指令通過(guò)CNC內(nèi)或者伺服系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)，對(duì)輸出電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的指令控制，配合刀具的運(yùn)動(dòng)滿足加工任務(wù)需求規(guī)定，挖成器件的加工任務(wù)。

3.管理程序

在加工過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的輸入、處理和插補(bǔ)運(yùn)算等相關(guān)處理服務(wù)的各種程序的調(diào)度管理由管理程序負(fù)責(zé)，同時(shí)還需要對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等會(huì)引起設(shè)備中斷的情況進(jìn)行維護(hù)和處理。其實(shí)現(xiàn)需要計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)下實(shí)施操作系統(tǒng)的支持。

4.診斷程序

診斷程序的主要功能是在數(shù)控系統(tǒng)程序運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，同時(shí)指出相應(yīng)的故障類型?；蛘哒谶\(yùn)行前或者系統(tǒng)故障發(fā)生后檢查系統(tǒng)中各主要部件是否存在功能異常，找出相應(yīng)的故障部位。

三、流程中軟件控制技術(shù)分析

軟件控制技術(shù)是通過(guò)計(jì)算存貯器中的程序運(yùn)用完成數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備要求，軟件實(shí)現(xiàn)其全部或部分控制功能，其中包括刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)、位置控制、速度處理等方面。采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)設(shè)備代替原有打孔零件紙帶程序進(jìn)行控制加工，在顯示、編輯、檢查和修改方面降低了對(duì)系統(tǒng)硬件配置的需求，提高系統(tǒng)操作可靠性，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。

1.軟件輸入及編譯技術(shù)

首先需要將控制參數(shù)、補(bǔ)償量等數(shù)據(jù)要求的加工指令轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)軟件操作指令進(jìn)行輸入，通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的接口或者網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)完成，CNC裝置在其輸入過(guò)程中需要完成無(wú)效碼的刪除和代碼校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換等工作做。無(wú)論軟件系統(tǒng)采用MDI或者存儲(chǔ)器方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，都是將零件加工程序拆分成程序段進(jìn)行處理，按照一定的邏輯將各種零件信息、輪廓要求、加工速度等信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)識(shí)別數(shù)據(jù)形式，存儲(chǔ)在制定位置。同時(shí)軟件控制系統(tǒng)中有語(yǔ)法檢驗(yàn)功能，將譯碼過(guò)程中不符合語(yǔ)法邏輯或者語(yǔ)法錯(cuò)誤的程序段進(jìn)行報(bào)警處理。

2.應(yīng)用數(shù)據(jù)處理

目前采用的CNC裝置是以零件的輪廓軌跡進(jìn)行編程，在控制過(guò)程中軟件系統(tǒng)將刀具的長(zhǎng)度和半徑進(jìn)行補(bǔ)償，以便將加工過(guò)程中的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換為刀具的中心軌跡，包括程序段之間的過(guò)切削判別和自動(dòng)轉(zhuǎn)接。軟件控制技術(shù)需要對(duì)刀具的移動(dòng)速度進(jìn)行編程，區(qū)中包含各個(gè)坐標(biāo)位置的合成方向速度。需要將刀具運(yùn)動(dòng)速度拆分為坐標(biāo)軸速度進(jìn)行控制，系統(tǒng)軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)有最低和最高速度的限制，同時(shí)處理自動(dòng)加減速。加工過(guò)程中遇到曲線數(shù)據(jù)處理就需要做“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”控制起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的曲線，插補(bǔ)程序就是通過(guò)周期運(yùn)行對(duì)速度的控制計(jì)算出微小的直線數(shù)據(jù)段，達(dá)到曲線加工軌跡的完成。

3.位置控制實(shí)現(xiàn)

位置控制是由軟件進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的，其處于伺服回路的位置環(huán)上。軟件控制每個(gè)采樣周期內(nèi)將實(shí)際反饋的位置與理論位置進(jìn)行比較，并將兩者之間的插值傳輸給伺服電動(dòng)機(jī)。為了提高數(shù)控系統(tǒng)的定位精度，需要在系統(tǒng)控制過(guò)程中完成位置回路的增益調(diào)整和誤差補(bǔ)償?shù)裙ぷ?，通過(guò)相應(yīng)軟件的輸入、輸出和控制，已達(dá)到零件加工標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.顯示及診斷功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)的顯示功能直觀的將零件程序的加工過(guò)程顯示出來(lái)，包括各個(gè)步驟參數(shù)顯示、刀具位置顯示、各坐標(biāo)位置顯示及機(jī)床狀態(tài)顯示，有些還可以將刀具的加工軌跡通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的圖形進(jìn)行顯示，方便操作人員的調(diào)整和控制。對(duì)于系統(tǒng)中不正常的情況，通過(guò)聯(lián)機(jī)和脫機(jī)診斷及時(shí)進(jìn)行定位和檢查。

四、軟件控制技術(shù)的發(fā)展

1.自動(dòng)編程技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

原有數(shù)控系統(tǒng)通常采用手工編程和自動(dòng)編程兩種方式完成，通過(guò)實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用手工編程方式占用的機(jī)床加工時(shí)長(zhǎng)比例為30：1，這種方式無(wú)法滿足現(xiàn)階段對(duì)元器件的加工需求，為了提高工作效率，需要采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)代替原有對(duì)的手工編程。通過(guò)自動(dòng)化編程語(yǔ)言即數(shù)控語(yǔ)言的應(yīng)用，大大提高了數(shù)控系統(tǒng)的編程效率，隨著技術(shù)水平的不斷提高，圖像數(shù)控編程技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了原有的幾何造型和幾何形狀的顯示問(wèn)題。同時(shí)軟件控制技術(shù)的應(yīng)用協(xié)助數(shù)控系統(tǒng)完成交互設(shè)計(jì)和刀具軌跡生成及走刀過(guò)程的仿真驗(yàn)證和顯示，大大提高了使用和成品效率，推動(dòng)了CAD和CAM系統(tǒng)的一體化發(fā)展，大大減少系統(tǒng)的占用空間，提高系統(tǒng)的快速性和可靠性。

2.開(kāi)放式技術(shù)的發(fā)展

早在19世紀(jì)80年代，機(jī)床制造商就允許在開(kāi)放系統(tǒng)平臺(tái)上增加一定的硬件和軟件設(shè)備，構(gòu)造自己的操作系統(tǒng)。目前主流的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家采用的是將PC板和CNC相結(jié)合的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其中PC板主要進(jìn)行非實(shí)時(shí)控制，CNC負(fù)責(zé)以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制。這樣有利于原有數(shù)控機(jī)床的升級(jí)和改造，秩序在原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加PC板就可以完成，同時(shí)給用戶提供鍵盤使兩者之間能夠交互和建立聯(lián)系，大大提高了人機(jī)界面的控制功能，原來(lái)越多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家重視軟件控制技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。

五、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控系統(tǒng)是目前應(yīng)用比較高效的操作系統(tǒng)，其綜合了自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測(cè)量等方面最新的研究成果，其軟件控制技術(shù)的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，保障了數(shù)控系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行作業(yè)，為數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提供積極影響。

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