探究IPC的數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)的研制

介紹了用工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)（IPC）開(kāi)發(fā)的數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)。該CNC系統(tǒng)除了具有適合于數(shù)控火焰切割機(jī)工藝特點(diǎn)的控制功能外，還具有圖形編程、仿形編程、加工程序屏幕模擬仿真和實(shí)時(shí)多任務(wù)處理等功能，插補(bǔ)計(jì)算采用了差分插補(bǔ)法，能對(duì)所有的二次曲線進(jìn)行直接

一、引言

目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)，采用的主機(jī)主要是單板機(jī)、單片機(jī)和DOS平臺(tái)386CPU以下檔次的PC機(jī)，其操作系統(tǒng)存在著性能和功能低下的問(wèn)題，使用起來(lái)很不方便。因此有必要開(kāi)發(fā)一種性能好、功能齊全、編程和操作都方便的CNC系統(tǒng)。

一是對(duì)舊的數(shù)控火焰切割機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行更新；

二是為新的數(shù)控火焰切割機(jī)進(jìn)行配套。隨著IPC機(jī)性能的提高和價(jià)格的降低，用IPC機(jī)開(kāi)發(fā)CNC系統(tǒng)的巨大優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

IPC機(jī)除了具有更高的可靠性和抗干擾能力外，和PC機(jī)一樣具有高的運(yùn)行速度、豐富的硬件資源（CPU、存儲(chǔ)器、協(xié)處理器、軟硬件驅(qū)動(dòng)器、串/并行口、中斷、定時(shí)器、總線插槽、顯示器、鍵盤(pán)、電源等）、軟件資源（Windows平臺(tái)以及可資使用的各種開(kāi)發(fā)軟件，如AutoCAD、網(wǎng)絡(luò)通訊等）和功能調(diào)用，具有開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)和具有很高的性能價(jià)格比。

只要在總線擴(kuò)展槽中插入自行開(kāi)發(fā)或從市場(chǎng)上購(gòu)置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服控制卡和I/O卡，在充分開(kāi)發(fā)和利用IPC機(jī)固有功能的基礎(chǔ)上，自行開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)軟件，便可使IPC機(jī)變成能進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理、界面友好和功能強(qiáng)大的CNC系統(tǒng)。而且，隨著IPC機(jī)的不斷更新?lián)Q代，用其開(kāi)發(fā)的CNC系統(tǒng)也很容易更新?lián)Q代。本文介紹以IPC機(jī)為硬件平臺(tái)、Windows為軟件平臺(tái)自行研制開(kāi)發(fā)的數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)。

二、數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)的硬件組成

數(shù)控火焰切割機(jī)機(jī)械部分主要由底座、龍門(mén)式移動(dòng)框架、火焰噴頭、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和三個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成（圖略），以實(shí)現(xiàn)對(duì)平面板材零件的切割加工。三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制龍門(mén)框架的前后移動(dòng)（Y電機(jī)）、火焰噴頭的左右（X電機(jī)）和上下移動(dòng)（Z電機(jī)），X、Y、Z三軸可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。

數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該控制系統(tǒng)以IPC（486以上CPU，8MB以上內(nèi)存，500MB以上硬盤(pán)）作為主機(jī)，除了IPC的固有硬件（CPU主板、TVGA卡、電源），只在插槽中增加了一塊32位光隔離I/O.TIMER（并行輸入輸出/定時(shí)器）卡。由該卡的I/O并行口控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行、乙炔開(kāi)關(guān)、乙炔點(diǎn)火、切割氧開(kāi)關(guān)以及接收工作臺(tái)的限位行程開(kāi)關(guān)信號(hào)、坐標(biāo)零位信號(hào)。

由板上的8253定時(shí)器作為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中斷服務(wù)程序的中斷定時(shí)器，時(shí)鐘頻率取2MHz。通過(guò)計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的操作。三個(gè)移動(dòng)方向步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量均為0.01mm。由于486以上PC機(jī)高的運(yùn)行速度，完全可以用一個(gè)CPU完成從系統(tǒng)程序管理到加工控制的所有工作，沒(méi)有必要采用上、下位機(jī)的多CPU結(jié)構(gòu)。

三、數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

1.軟件組成

該CNC系統(tǒng)不但包含了普通CNC系統(tǒng)的所有功能，而且還具有切割前自動(dòng)點(diǎn)火、預(yù)熱、通切割氧、加工終結(jié)熄火，以及加工中割炬按加工軌跡快速回退和前進(jìn)等適合其工藝特點(diǎn)的功能。除此之外，系統(tǒng)軟件還具有完善的圖形編程、仿形編程、各種二次曲線直接插補(bǔ)、加工軌跡動(dòng)態(tài)跟蹤顯示、加工軌跡動(dòng)態(tài)模擬仿真、故障診斷、加工程序通訊傳輸?shù)榷喾N功能。

在這些功能中，割炬按加工軌跡快速回退和前進(jìn)功能，是為適應(yīng)加工過(guò)程中時(shí)常發(fā)生的鋼板個(gè)別部位切不透現(xiàn)象而增加的。在這一現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，只要按下快速返回鍵，割炬便會(huì)按照原軌跡快速向回運(yùn)動(dòng)，等到達(dá)未切透處的起點(diǎn)時(shí)，按鍵抬起，割炬就會(huì)沿原運(yùn)行軌跡重新進(jìn)行切割。

圖2所示為該CNC系統(tǒng)軟件的模塊結(jié)構(gòu)。由于該系統(tǒng)軟件是在Windows界面下開(kāi)發(fā)的，因此它具有Windows程序的所有優(yōu)點(diǎn)：突破64kB內(nèi)存的限制，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序（實(shí)時(shí)多任務(wù)），方便于鍵盤(pán)和鼠標(biāo)窗口操作等。

2.編程方式

該系統(tǒng)軟件提供的編程方式有三種：圖形編程，仿形編程，手工編程。手工編程只是圖形編程和仿形編程中的一個(gè)功能模塊，即全屏幕程序編輯，所以沒(méi)有在軟件框圖中單列。

1）圖形編程

該系統(tǒng)的圖形編程模塊是在AutoCADR12.0的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成的，除了具備AutoCADR12.0所有的功能外，主要增加了兩個(gè)功能：

（1）自動(dòng)編程功能——將用AutoCAD生成的圖形文件進(jìn)行加工軌跡（直線、圓、圓弧、橢圓、折線）的信息提取、路徑優(yōu)化（目的是減少空行程）并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的加工程序，并能在加工軌跡中前后不連接的曲線之間加進(jìn)空運(yùn)行指令。在這里為了使加工的路徑更符合加工工藝的要求，可以用人機(jī)交互的方式進(jìn)行部分或全部路徑的選??；

（2）即時(shí)仿真功能——用得到的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和動(dòng)態(tài)圖形顯示，如果加工程序正確，加工軌跡應(yīng)能以另一種顏色的粗線條逐漸覆蓋由 AutoCAD繪制的圖形，空運(yùn)行軌跡也能以特定顏色的線條顯示出來(lái)。這樣編程，操作人員就可以很容易地檢查判斷加工程序和加工路徑是否正確，是否符合加工工藝的要求，及時(shí)進(jìn)行修改。

AutoCAD具有強(qiáng)大的繪圖功能。通過(guò)對(duì)AutoCAD的開(kāi)發(fā)，使它變成了數(shù)控火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)功能強(qiáng)大的編程器，使之成為該CNC系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。

2）仿形編程

對(duì)于沒(méi)有尺寸標(biāo)注，但有輪廓圖樣的工件，可用仿形編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)它的編程。程序的編制過(guò)程為：

（1）對(duì)輪廓圖樣用掃描儀進(jìn)行掃描輸入，并形成二值圖像文件，小的輪廓圖樣可以一次掃描輸入，大的輪廓圖樣可以分多次掃描輸入，然后在圖像編輯軟件上進(jìn)行拼接；

（2）平滑降噪，同時(shí)對(duì)斷線進(jìn)行修補(bǔ)；

（3）細(xì)化處理，得到輪廓線圖像；

（4）按給定的精度進(jìn)行矢量化處理，并生成DXF圖形文件。形成圖形文件后，就可用上面開(kāi)發(fā)的圖形編程CAD軟件進(jìn)行編輯和編程。

3.加工程序的快速圖形顯示和動(dòng)態(tài)模擬仿真功能

加工程序的快速圖形顯示有兩個(gè)作用：一個(gè)是加工軌跡圖形的預(yù)覽，可以讓操作者從眾多的加工程序中找到要選取的程序；另一個(gè)是顯示加工軌跡圖形相對(duì)于工作臺(tái)的大小和位置，同時(shí)顯示在X方向和Y方向的兩個(gè)最大加工尺寸，這樣可以讓操作者直觀地了解加工的尺寸和加工的運(yùn)行范圍。加工程序快速圖形顯示只顯示加工軌跡，不顯示空行程軌跡。

動(dòng)態(tài)模擬仿真功能也有兩個(gè)作用：一個(gè)是檢查加工程序有無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤，另一個(gè)是檢查加工的路徑是否正確合理、是否符合加工工藝的要求。動(dòng)態(tài)模擬仿真不僅顯示加工的軌跡，也顯示空運(yùn)行的軌跡（顏色不同），同時(shí)還伴有坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)顯示，在動(dòng)態(tài)模擬的過(guò)程中，操作者可以完全像實(shí)際運(yùn)行一樣作暫停、繼續(xù)和單段運(yùn)行等控制，速度也可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以得到加工的更全面的信息，判斷加工程序的正確性和合理性。

如果加工程序不符合加工工藝的要求，系統(tǒng)軟件有將加工程序轉(zhuǎn)化成AutoCAD的DXF格式文件的功能，這樣可以再回到AutoCAD狀態(tài)進(jìn)行重新編輯。加工程序轉(zhuǎn)化成AutoCAD的DXF格式文件時(shí)，加工軌跡和空運(yùn)行軌跡是以不同的圖層和不同的顏色進(jìn)行處理的。這一功能為加工程序的修改提供了極其有利的條件。

4.其它

加工運(yùn)行控制程序，采用了常用的前后臺(tái)程序結(jié)構(gòu)。其中，后臺(tái)程序負(fù)責(zé)控制端口的初始化，加工程序的解釋預(yù)處理，程序運(yùn)行過(guò)程的暫停、繼續(xù)、單段停、點(diǎn)火、預(yù)熱、通切割氧、熄火的控制，速度的調(diào)節(jié)，加工軌跡動(dòng)態(tài)跟蹤顯示和坐標(biāo)值動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)顯示，割炬快速按運(yùn)行軌跡返回和前進(jìn)等；前臺(tái)中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)對(duì)定時(shí)器中斷時(shí)間常數(shù)的修改，插補(bǔ)運(yùn)算，步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)的輸出等。

四、結(jié)論

加工過(guò)程中的快速回退和前進(jìn)功能，使得該控制系統(tǒng)更加適合火焰切割的工藝特點(diǎn)；

圖形編程、仿形編程、動(dòng)態(tài)模擬仿真等功能，為數(shù)控火焰切割機(jī)加工程序的編制、檢查帶來(lái)了極大的方便；人機(jī)交互的漢字操作界面，增加了系統(tǒng)的可操作性；

實(shí)時(shí)多任務(wù)處理的功能，使該CNC系統(tǒng)在進(jìn)行加工控制的同時(shí)，可以進(jìn)行其它的處理工作；

新的插補(bǔ)方法的采用，使得系統(tǒng)能對(duì)二次拋物線、橢圓、雙曲線也可以進(jìn)行直接插補(bǔ)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算功能，減少了這類(lèi)曲線程序編制的難度。總之，該系統(tǒng)的研制成功，為國(guó)產(chǎn)數(shù)控火焰切割機(jī)控制系統(tǒng)檔次的提高向前邁進(jìn)了一步。

另外，該控制系統(tǒng)具有一定的通用性，除了用于數(shù)控火焰切割機(jī)外，只作少量修改，就可用作水射流切割、激光切割等機(jī)床的控制系統(tǒng)。

編輯：jq