探究組態(tài)軟件的等離子熔積直接成形自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、引 言

近年來(lái)，隨著快速成型技術(shù)（RP&M）的飛速發(fā)展和應(yīng)用，快速制模（RT）也應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展，成為RP&M技術(shù)的研究前沿。金屬零件與模具的直接快速制造是快速成形與制造（RP&M）技術(shù)的研究前沿，為該技術(shù)努力的目標(biāo)，將RP&M技術(shù)應(yīng)用到金屬零件與模具制造工藝中，可大大減少制造周期和成本。

等離子熔積快速制模技術(shù)是一種新型的RT技術(shù)，實(shí)際上是多層等離子堆焊與表面光整相復(fù)合的技術(shù)。等離子熔積程成形過(guò)程復(fù)雜，對(duì)于送氣、送粉、起弧、運(yùn)動(dòng)開(kāi)始以及電弧衰減、運(yùn)動(dòng)停止、停粉、停氣等動(dòng)作有嚴(yán)格的順序及時(shí)間要求。因此等離子熔積快速制造技術(shù)的多層等離子熔積制造比等離子堆焊更加復(fù)雜，主要有：一層中間可能需要多次起弧；層與層之間進(jìn)行表面光整都需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，避免人工干預(yù)；復(fù)雜的工藝參數(shù)智能控制及其反饋。

等離子熔積成形過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)是等離子熔積直接快速制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)，使直接、快速制造金屬模具成為可能，是快速制模技術(shù)實(shí)用化的前提。本文將介紹基于組態(tài)軟件的等離子熔積過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的研究與實(shí)現(xiàn)，控制中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)對(duì)其它工業(yè)制造方法也有積極意義。

2、等離子熔積快速制模控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對(duì)等離子熔積過(guò)程進(jìn)行分析，從送氣開(kāi)始到產(chǎn)品成形，各工藝動(dòng)作要按照一定的先后順序和時(shí)間間隔銜接起來(lái)。工藝動(dòng)作程序選定是否合理，對(duì)工藝過(guò)程穩(wěn)定性和焊層質(zhì)量有很大的影響。典型的等離子熔積過(guò)程可分為起弧，熔積和熄弧三個(gè)階段，按照工藝的要求，各工藝動(dòng)作的銜接上，有時(shí)需要延時(shí)，有時(shí)則需要同時(shí)動(dòng)作或同時(shí)停止。一般選擇的工藝動(dòng)作時(shí)序如圖1所示。

由圖可見(jiàn)，控制系統(tǒng)的過(guò)程控制較為復(fù)雜，特別是送粉、非弧和轉(zhuǎn)弧的啟動(dòng)以及衰減量的控制對(duì)產(chǎn)品成形的結(jié)果影響最大，不易控制。等離子熔積快速制造的實(shí)質(zhì)為多層堆積成形，除了要考慮延時(shí)和動(dòng)作協(xié)調(diào)，還要考慮一層中多次起弧和一層或多層成形完畢的光整加工。

為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和提高其可視化程度，采用工控機(jī)＋板卡的形式，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O量的讀取和控制以及模擬量的采集和控制，采用了威達(dá)I/O板卡P32C32、威達(dá)模擬量控制板卡A626，以及研華的數(shù)據(jù)采集板卡PCL-818L。工控機(jī)主要管理等離子熔射過(guò)程（諸如送氣、送水、起弧等），而數(shù)控機(jī)床主要管理堆積運(yùn)動(dòng)過(guò)程（從而形成一定形狀的零件）。

需要采集的信號(hào)有（1）數(shù)字量：送水、送氣、高頻的狀態(tài)，以及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)。（2）模擬量：送粉量、等離子熔積時(shí)的電流、電壓大小，溫度的高低等等。（3）視頻信號(hào)：熔積過(guò)程中熔池的表面形狀。

需要控制的信號(hào)有（1）數(shù)字量：送水、送氣、高頻的開(kāi)關(guān)，以及向數(shù)控機(jī)床發(fā)送控制信號(hào)。（2）模擬量：送粉量（即電機(jī)轉(zhuǎn)速）、等離子熔積時(shí)的電流等等。等離子熔積控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3、基于組態(tài)軟件的控制方式

在國(guó)內(nèi)的工控項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，上位機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式：一是利用VB、VC++等可視化高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行低層開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。這種開(kāi)發(fā)方式的較大缺陷是開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，維護(hù)不方便。二是利用工控組態(tài)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在工業(yè)控制軟件中，組態(tài)軟件能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)，并可運(yùn)用PC機(jī)豐富的軟件資源進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，便利地生成各種報(bào)表，為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供了十分方便的軟件平臺(tái)。

此種方式以其簡(jiǎn)單易學(xué)，開(kāi)發(fā)周期短，維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。并且國(guó)內(nèi)外有很多工控組態(tài)軟件供用戶(hù)選擇。如美國(guó)Intellution公司的FIX系列產(chǎn)品，INTOUCH，澳大利亞CIT（悉亞特）公司的Citect產(chǎn)品，PPCSOFT公司的WINZCON等等，這些國(guó)外組態(tài)產(chǎn)品功能普遍較為強(qiáng)大，也十分成熟，但價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)的普通用戶(hù)較難接受。

北京亞控公司開(kāi)發(fā)的組態(tài)王軟件吸收了國(guó)外組態(tài)軟件的很多優(yōu)秀成分，并采用的當(dāng)今較為先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，在很多方面可以與國(guó)外的組態(tài)軟件媲美，且價(jià)格相對(duì)較低，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

組態(tài)王支持的硬件設(shè)備包括：PLC、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等等。工程人員把每一臺(tái)下位機(jī)當(dāng)成一種設(shè)備，不必關(guān)心具體的通訊協(xié)議，只需在組態(tài)王的設(shè)備庫(kù)中選擇設(shè)備類(lèi)型，然后按照向?qū)崾就瓿砂惭b即可。如它支持國(guó)內(nèi)外流行的大部分工業(yè)用A/D、D/A和I/O板卡，基本上拿來(lái)就可使用，對(duì)板卡的定義也十分簡(jiǎn)單。

4、等離子熔積成形控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成和功能

基于組態(tài)軟件的等離子熔積控制系統(tǒng)硬件由威達(dá)公司的P32C32 I/O卡實(shí)現(xiàn)對(duì)送水、送氣等過(guò)程控制；威達(dá)的A626 D/A卡實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉、熔積時(shí)的電流和電壓等的控制；研華PCL-818L A/D卡實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要數(shù)據(jù)采集；凌華公司的圖像處理卡和攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)熔積熔池的形貌跟蹤。

在現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)上用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)圖形界面，如控制系統(tǒng)總貌圖、電流和電壓波形顯示圖以及參數(shù)設(shè)定圖、報(bào)警圖和報(bào)表等，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔積控制系統(tǒng)的監(jiān)控（見(jiàn)圖3）。系統(tǒng)要完成的功能主要是對(duì)等離子熔積過(guò)程的運(yùn)動(dòng)、送粉、電流等的檢測(cè)和控制達(dá)到按指定要求生產(chǎn)出滿(mǎn)意的產(chǎn)品。

4.2 組態(tài)王實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王軟件的核心部分，在組態(tài)王（TouchView）運(yùn)行時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上，同時(shí)工藝人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，所有這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)詞典是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。組態(tài)王系統(tǒng)支持多種變量類(lèi)型，可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是內(nèi)存變量，另一類(lèi)是I/O變量，前者主要是中間變量，后者對(duì)應(yīng)I/O卡、模擬量控制卡和數(shù)據(jù)采集卡在組態(tài)王中的映射。

注意，由于組態(tài)王價(jià)格是按照點(diǎn)數(shù)（變量個(gè)數(shù)）計(jì)算，所以在設(shè)置變量時(shí)盡量節(jié)省，對(duì)于I/O量最好以字（int）的方式讀寫(xiě)。如P32C32 I/O卡共64點(diǎn)（32入，32出），如果點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的讀寫(xiě)，組態(tài)王的“點(diǎn)”資源將很快耗盡，如果以字（int）來(lái)定義，則只需4個(gè)“點(diǎn)”就可以了。I/O具體定義如下：

（1）定義板卡

在工具管理器中雙擊板卡，就可以進(jìn)行新板卡的添加，只要選擇正確的板卡生產(chǎn)廠(chǎng)家和型號(hào)以及板卡地址即可。判斷板卡在定義后能否正常工作也很簡(jiǎn)單，只需在組態(tài)王中進(jìn)行板卡測(cè)試即可。

（2）端口定義

在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中定義變量如“輸入Con1”，變量類(lèi)型為“I/O整型”，連接設(shè)備為剛才定義的板卡，寄存器為“DI1”，數(shù)據(jù)類(lèi)型為“int”，就可以對(duì)P32C3的Con1口所有輸入端口進(jìn)行讀取。同理，可以定義“輸入Con2”、“輸出Con1”和“輸出Con2”。

4.3 軟件流程

此部分工作涉及到等離子熔積的過(guò)程。一般熔積過(guò)程包括三部分：起弧、堆焊和熄弧，時(shí)序如圖4、5所示。

首先需要數(shù)控機(jī)床和熔積設(shè)備均處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，即能分別完成獨(dú)立的功能（數(shù)控機(jī)床完成堆焊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，熔積設(shè)備完成熔積過(guò)程）。然后先由數(shù)控機(jī)床發(fā)出準(zhǔn)備就緒可以開(kāi)始起弧命令，熔積設(shè)備接到起弧信號(hào)，要依次送氣（打開(kāi)工作氣閥）—送粉―引非?。鸶哳l－引轉(zhuǎn)弧，到此引弧階段結(jié)束，由熔積設(shè)備向數(shù)控機(jī)床發(fā)出可以開(kāi)始運(yùn)動(dòng)命令，最后進(jìn)入堆焊階段。

根據(jù)快速成型路徑規(guī)劃的特點(diǎn)，在一層熔積過(guò)程中可能需要多次起弧，即其路徑可能是不連續(xù)的。這樣，就需要在一層熔積過(guò)程中熄掉轉(zhuǎn)弧，為引弧方便和快速，我們可以考慮保留非弧。因此熔積過(guò)程中需要查詢(xún)是需要熄掉轉(zhuǎn)弧，保留非弧，還是非弧、轉(zhuǎn)弧都熄掉。為了保證熔積質(zhì)量，考慮熔積一層或幾層，用銑刀銑削一次。

當(dāng)需要銑削時(shí)，就需要非弧、轉(zhuǎn)弧都熄掉。當(dāng)需要熄弧時(shí)，也是由數(shù)控機(jī)床根據(jù)Ｇ代碼指令，向熔積設(shè)備發(fā)送開(kāi)始熄弧指令，工控機(jī)接到指令后，熔積設(shè)備依次送粉衰減―轉(zhuǎn)弧衰減―非弧衰減―停氣，之后進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次熔積開(kāi)始指令。其中熔積開(kāi)始程序流程和結(jié)束流程分別如下：

5、軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 控制時(shí)序的實(shí)現(xiàn)

組態(tài)王提供給用戶(hù)的命令語(yǔ)言是一段類(lèi)似Ｃ語(yǔ)言的程序，工程人員可以利用這段程序來(lái)增強(qiáng)應(yīng)用工程的靈活性。命令語(yǔ)言包括應(yīng)用程序命令語(yǔ)言、熱鍵命令語(yǔ)言、事件命令語(yǔ)言、變量改變命令語(yǔ)言、自定義函數(shù)命令語(yǔ)言、動(dòng)畫(huà)連接命令語(yǔ)言、畫(huà)面屬性命令語(yǔ)言。

命令語(yǔ)言的詞法語(yǔ)法和Ｃ語(yǔ)言非常類(lèi)似，是Ｃ的一個(gè)子集，具有完備的詞法語(yǔ)法查錯(cuò)功能和豐富的運(yùn)算符、數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串函數(shù)、控件函數(shù)、報(bào)表函數(shù)SQL函數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)。各類(lèi)命令語(yǔ)言通過(guò)“命令語(yǔ)言”對(duì)話(huà)框編輯輸入，在“組態(tài)王”運(yùn)行系統(tǒng)中被編譯執(zhí)行。對(duì)于時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)只需簡(jiǎn)單的幾行命令，同時(shí)它也能使用戶(hù)完成簡(jiǎn)單的算法?，F(xiàn)列出本控制系統(tǒng)時(shí)序控制的部分命令語(yǔ)句僅供參考。

當(dāng)熔積過(guò)程被觸發(fā)時(shí)：

IO輸出Con2=IO輸出Con2|256； //送氣

送氣指示燈=1；

IO輸出Con2=IO輸出Con2|512； //送粉

送粉指示燈=1；

當(dāng)熔積過(guò)程開(kāi)始時(shí)（設(shè)定400ms掃描一次）：

啟動(dòng)延時(shí)=啟動(dòng)延時(shí)+1；

if（啟動(dòng)延時(shí)==4）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2|1024； //非弧

非弧指示燈=1；

｝

if（啟動(dòng)延時(shí)==10）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2|4096； //起高頻

高頻指示燈=1；

｝

if（啟動(dòng)延時(shí)==14）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2&61439； //停高頻

高頻指示燈=0；

IO輸出Con2=IO輸出Con2|2048； //轉(zhuǎn)弧

轉(zhuǎn)移弧指示燈=1；

｝

if（啟動(dòng)延時(shí)==16）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2|1； //向數(shù)控機(jī)床發(fā)工作臺(tái)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)

工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)指示燈=1；

｝

5.2 動(dòng)態(tài)畫(huà)面的實(shí)現(xiàn)

組態(tài)王的長(zhǎng)處在于模擬工作現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)界面，在組態(tài)王的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，界面上的每一個(gè)元素都被視為一個(gè)對(duì)象，可以由用戶(hù)操縱。通過(guò)動(dòng)畫(huà)連接，用戶(hù)可以將某個(gè)對(duì)象連接到某一個(gè)變量上，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的閃爍、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，組態(tài)王提供了21中動(dòng)畫(huà)連接方式，一個(gè)對(duì)象可以同時(shí)定義多個(gè)連接，組合成復(fù)雜的效果，以便滿(mǎn)足實(shí)際中任意動(dòng)畫(huà)顯示的需要。動(dòng)畫(huà)的定義和修改起來(lái)十分的簡(jiǎn)單，用戶(hù)一到兩天內(nèi)就可完全掌握。

5.3組態(tài)王與外部數(shù)據(jù)庫(kù)連接

組態(tài)王是一個(gè)較為開(kāi)放的軟件，支持DDE和SQL等Windows標(biāo)準(zhǔn)功能，使得我們基于組態(tài)王開(kāi)發(fā)的程序能與VC和VB等可視化高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，當(dāng)然也可與Access、Excel等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下面以等離子熔積控制系統(tǒng)中電流、電壓實(shí)時(shí)報(bào)表為例說(shuō)明組態(tài)王與外部數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。

為了對(duì)熔積控制系統(tǒng)的電流和電壓進(jìn)行深入分析，現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)十分重要，必須進(jìn)行及時(shí)高速地保存。組態(tài)王中數(shù)據(jù)采集頻率雖然可以定義到毫秒級(jí)，但它提供的最快數(shù)據(jù)保存頻率為1個(gè)/秒，所以無(wú)法滿(mǎn)足要求。我們使用組態(tài)王的SQL功能，及時(shí)的將數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，這個(gè)問(wèn)題就可迎刃而解。

組態(tài)王中SQL訪(fǎng)問(wèn)管理器用來(lái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)列和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系。包括表格模板和記錄體兩部分功能。通過(guò)表格模板在數(shù)據(jù)庫(kù)表中建立表格；通過(guò)記錄體建立數(shù)據(jù)庫(kù)表格列和組態(tài)王之間的聯(lián)系，允許組態(tài)王通過(guò)記錄體直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。表格模板和記錄體都是在工程瀏覽器中建立的。

建立了表格模板和記錄體后，我們就可以在Windows ODBC數(shù)據(jù)源管理器中建立一個(gè)新的MS Access數(shù)據(jù)庫(kù)。下一步就是連接數(shù)據(jù)庫(kù)，命令語(yǔ)言如下：

SQLConnect（DeviceID，dsn=mine；uid=；pwd=）

該命令用于和數(shù)據(jù)源名（dsn）為mine的數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接uid表示登錄數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)ID，pwd是登錄的密碼。此處沒(méi)有設(shè)置用戶(hù)ID和密碼。每次執(zhí)行SQLConnect（）函數(shù)，都會(huì)返回一個(gè)DeviceID值，這個(gè)值在對(duì)所連接的數(shù)據(jù)庫(kù)的操作中都要用到。

6、結(jié) 論

基于等離子熔積過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，著眼于在滿(mǎn)足相關(guān)的技術(shù)要求條件下，低成本、短時(shí)間開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的自動(dòng)控制設(shè)備。本文介紹了等離子熔積系統(tǒng)的狀況，充分分析了實(shí)質(zhì)為多層等離子熔積成形的特點(diǎn)，提出了基于組態(tài)軟件的實(shí)現(xiàn)方法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中以較短的時(shí)間和較高的質(zhì)量完成了等離子熔積控制系統(tǒng)的初步控制任務(wù)。等離子熔積控制設(shè)備的軟、硬件開(kāi)發(fā)，使直接、快速制造金屬零件與模具成為可能，為該技術(shù)的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

編輯：jq