隨著產業革命的進一步推進，機械制造業向技術界提出了許多切實的要求，以保證制造業向著高精度、高速度、高效率、快速的市場響應、易操作性等方向發展。數控技術在機械制造業中的推廣應用，為機械制造業由剛性自動化向柔性自動化的過渡和發展作出了重要貢獻，揭開了世界機械制造業的第三次歷史性技術革命的序幕。從70 年代中期開始，機床數控系統由硬件數控（NC）走上了軟件數控（Computer NumericaI Control，CNC）的新階段。

　　硬件式數控的所有功能均利用電路實現，即采用硬件來實現插補、紙帶格式的識別、絕對或增量定位、字符編碼識別等功能；軟件式數控是取代NC 的新型數控系統，采用大規模集成電路，超大規模集成電路及微處理機組成，由一系列程序來實現控制功能，具有很強的程序存儲能力。

　　隨著計算機技術的發展和普及，以縮短產品設計周期、提高加工過程的生產率、增強工廠的市場競爭力為主題的“設計制造一體化系統”正逐漸風行。以柔性自動化生產過程為代表，尤其在聯機設計生產情況下，對FMS、CIMS 過程中的最小制造單元———數控單元提出了更加靈活、更加開放的要求，基于個人計算機的數控單元，由于其獨特優勢，在數控單元中開始了廣泛、深入的應用。

1 人機集成系統的基本概念

　　20 世紀是科學發展最劇烈的一個世紀，其間機械科學發展的最大特征是自動化，特別是20 世紀后半葉計算機與機械科學的碰撞，使機械領域發生了一場革命，自動化+ 智能化成為機械領域新的重要特征。但是，不難發現，現代制造技術的發展，從一開始就過于強調自動化和智能化，忽略了人在系統中的作用。隨著制造技術的深入發展，逐漸暴露出自身發展的局限性。

　　改善人在自動化、智能化系統中的作用，現在已被越來越多的人重視和關注，建立一種新型的人機關系已成為當今制造技術發展的新方向。充分肯定人的因素，使人與機器的關系更加密切，形成一種以人為中心的人機集成系統，發揮系統的最佳效益。

　　人機集成理論作為制造技術工業中一種新型的技術理論，它是指采取以人為主，人- 機械一體的技術路線，人與機械共同組成一個系統，各自執行自己最擅長的工作，形成達到甚至超過人的能力乃至智力的“超智能（Superhuman InteIIigence）”系統。其核心內容是強調人在系統中的重要性，以人為中心構成新型的機械系統。計算機系統是人機集成系統中的重要環節，它溝通人與常規機械，從而實現人機通信。

2 系統控制軟件結構

　　現代CNC數控系統的控制軟件，主要有前后臺型和中斷型兩種結構。由于該系統是基于工業PC機硬件平臺和DOS單任務操作系統的軟件平臺上開發的，工業PC機雖有較快的處理速度，但屬于單CPU處理機，而且中斷也不豐實（被系統大量占用）。因此，根據這兩種結構的特點，采用了前后臺型的軟件結構，前臺程序主要做插補工作，后臺程序則做編輯、預處理等功能，其軟件結構的基本組成如圖1所示。

圖1 數控系統的控制軟件結構

　　2.1 HAND # CNC 車床數控系統功能

　　現有車床數控系統，在自動加工過程中，一般不允許對加工過程進行人工中斷處理。當然在一些高檔數控系統中，它可以通過配置的自適應控制系統自動檢測加工狀態，進行自動調整，并完成加工，但這種自適應控制系統開發代價太大。現有的車床數控系統，在加工中若出現緊急情況（打刀、毛坯余量不均、進給量過大等），只有通過急停按鈕停車，這樣便造成系統中止和重新調整車床，嚴重時造成整個零件的破壞。于是便大大降低了生產率。因此，本系統實現的主要功能有：

　　2.1.1 人工干預性功能

　　數控自動加工過程中，可以隨時插入手動操作功能，以應付可能發生的某些緊急情況，這是現有數控系統所不具有的功能。例如數控加工中由于毛坯余量不均，發現切削負荷愈來愈大，為了防止事故，操作者可輕搖手輪使刀尖退出一些。出現打刀等情況的處理類似。此操作并不破壞數控加工過程，待到第二個循環時，再搖動X 方向手輪使刀尖進到規定的深度，從而完成零件的加工。

　　2.1.2 非編程加工功能（包括手動和機動兩種功能）

　　2.1.2.1 手動加工、調整功能

　　如同普通車床一樣，可操作X、Z方向電子手輪，輕松自如地移動刀架拖板沿X、Z 方向移動，實現對刀、調整及對零件加工。

　　2.1.2.2 手搖聯動進給功能

　　這是本系統區別現有車床數控的突出特點之一。輸入零件錐面、圓弧等程序以后，可通過搖動聯動電子手輪，實現X、Z軸聯動，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控加工的程序檢驗和試切削，亦可用于普通車床手動操作狀態下工件過渡曲面的加工。

　　2.1.2.3 進給機動功能

　　對刀調整好后，如同普通車床一樣，可通過十字手柄操作，實現刀架拖板沿x或z方向的快速機動進給，進給量可以在工作中實現無級調整。同時，也可進行錐度或圓弧的加工。

　　2.2 基于圖形參數的輸入

　　開發一種效率高、質量好的數控語言編程系統，是數控機床誕生以來人們一直追求的目標。然而現在采用的數控語言編程系統，雖然越來越接近自然語言，易于掌握，同時也能避免人為錯誤，提高編程質量，但是數控語言系統也具有缺點：1）首先要求編程人員要學習和掌握數控語言，需要將被加工零件的信息轉換為文字信息，而文字信息遠不如圖形直觀，且在這種轉換中容易產生一些人為的錯誤；2）數控語言編程目前還是采用批處理形式，即用數控語言編寫的零件程序，輸入給計算機后一次處理，在處理過程中編程人員不能對運行狀態進行干預，也不能對其運行結果進行調整。因此，零件源程序的編寫、編輯、修改等還不夠直觀和方便。為了使HAND - CNC 數控系統易學易懂，操作方便，特別是便于那些使用慣了的普通車床但卻又不熟悉數控編程的人員操作，設計了圖形參數化編程系統。眾所周知，車床上加工的零件，基本上均為回轉體類零件，即它的外形相對于某一根軸中心對稱，這就為用圖形參數化編程創造了條件。

　　通過對該零件的分析，可以知道它由一段一段簡單圖形連接而成，基本上是圓柱形、圓弧形、螺紋形和快速進給（空行程）等4 大類，這樣，便可將這4類視為本數控系統軟件的圖形編輯系統的特征單元。

　　4.1 自動跨象限的圓弧邏輯插補分析法

　　對于圓弧插補程序，一般必須對4個象限的順、逆圓弧插補，各自編制一個插補分支程序，而且其插補計算復雜而煩瑣。特別對于同一段存在跨象限的問題就更為復雜。針對這些問題，本系統采用了自動跨象限的邏輯插補分析法，對4個象限的插補結果進行綜合分析，并用邏輯式和卡諾圖歸納出幾個基本關系式，進而利用這些公式來解決圓弧的自動跨象限的處理，試圖用一個普通的插補流程代替4個象限的流程，使編程優化，節約內存占用量。通過對圓弧插補原理的分析和歸納，把插補的影響因素看成自變量，它們是：

　　由于采用了符號運算，故S+ / -因變量可以省略。動點坐標修改運算時，如果是走正向，則坐標采用加運算；走負向，則坐標采用減運算。

　　3.2 進給速度的控制

　　在進給速度控制中，一般都有一個升速、恒速和降速過程，以適應驅動系統的工作狀態，保證工作的穩定性。目前數控系統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。通過對這些控制方法的比較，本系統的自動升、降頻控制采用了等加減速控制法。

　　3.2.1 等加減速運動分析

　　圖4 描述了一個步進電機的等加減速的運動過程。在圖中縱坐標是頻率，它是以步/S為單位，因此本質上是速度。橫坐標是步數，其本質上是位移距離。

　　設步進電機以啟動頻率f0啟動后，以加速度a進行加速，經過H步運行后，得到最高頻率fH，以后執行勻速運行，行走一段時間后，則開始從最高頻率fH開始，經過S 步之后降至f0而停止。

　　在數控技術的設計時，參數f0、fH、H、S 都是已知的，需要計算的參數是加速度a 以及加速階段某時刻的步進周期及減速階段某時刻的步進周期和勻速階段的步進周期。

　　3.2.2 加速階段的參數求取

　　對于一個線性加速過程，在圖5 的坐標系下可表示為：f = f0 + at，式中：f 為瞬時頻率（速度），a 為加速度，f0為啟跳頻率（速度），t 為加速時間。

　　當步進電機運行了X 步，所對應的頻率為fx，所用的時間為tx時，根據運動學方程有：

　　當X=1時，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。

4 結論

　　筆者在對國內外數控系統的發展現狀及趨勢分析的基礎上，以人機集成理論原則為指導，開發了一種兼有普通車床和數控車床二者優點的新型數控系統軟件。它具有良好的人機干預性、協調性、合作性，使人的才能和設備的性能得以充分的發揮，不但顯著地提高了系統的性價比，尤其是用于多品種、單件或小批量的零件加工，本系統具有廣闊的應用前景和推廣價值。