基于IPC的数控火焰切割机CNC系统的研制

zhuqi470

摘要　介绍了用工业个人计算机（IPC）开发的数控火焰切割机CNC系统的软件和硬件结构。该CNC系统除了具有适合于数控火焰切割机工艺特点的控制功能外，还具有图形编程、仿形编程、加工程序屏幕模拟仿真和实时多任务处理等功能，插补计算采用了差分插补法，能对所有的二次曲线进行直接插补。
" M$ [$ r! n- ~$ W. x关键词：IPC　火焰切割机CNC系统　图形编程　动态仿真　差分插补法　多任务处理
! S- R) |3 f5 {' @　　一、引言
' x5 x7 M( j3 x0 x  f3 s　　目前国产数控火焰切割机CNC系统，采用的主机主要是单板机、单片机和DOS平台386CPU以下档次的PC机，其操作系统存在着性能和功能低下的问题，使用起来很不方便。因此有必要开发一种性能好、功能齐全、编程和操作都方便的CNC系统，一是对旧的数控火焰切割机控制系统进行更新，二是为新的数控火焰切割机进行配套。随着IPC机性能的提高和价格的降低，用IPC机开发CNC系统的巨大优越性逐渐显现出来。IPC机除了具有更高的可靠性和抗干扰能力外，和PC机一样具有高的运行速度、丰富的硬件资源（CPU、存储器、协处理器、软硬件驱动器、串/并行口、中断、定时器、总线插槽、显示器、键盘、电源等）、软件资源（Windows平台以及可资使用的各种开发软件，如AutoCAD、网络通讯等）和功能调用，具有开放式的体系结构和具有很高的性能价格比。只要在总线扩展槽中插入自行开发或从市场上购置的驱动系统伺服控制卡和I/O卡，在充分开发和利用IPC机固有功能的基础上，自行开发控制系统软件，便可使IPC机变成能进行实时多任务处理、界面友好和功能强大的CNC系统。而且，随着IPC机的不断更新换代，用其开发的CNC系统也很容易更新换代。本文介绍以IPC机为硬件平台、Windows为软件平台自行研制开发的数控火焰切割机CNC系统。
　　
1 o0 T( v6 B! C8 B; J　　二、数控火焰切割机CNC系统的硬件组成
　　数控火焰切割机机械部分主要由底座、龙门式移动框架、火焰喷头、传动机构和三个步进电机组成（图略），以实现对平面板材零件的切割加工。三个步进电机分别控制龙门框架的前后移动（Y电机）、火焰喷头的左右（X电机）和上下移动（Z电机），X、Y、Z三轴可以实现联动控制。数控系统的硬件结构如图1所示。该控制系统以IPC（486以上CPU，8MB以上内存，500MB以上硬盘）作为主机，除了IPC的固有硬件（CPU主板、TVGA卡、电源），只在插槽中增加了一块32位光隔离I/O.TIMER（并行输入输出/定时器）卡。由该卡的I/O并行口控制三个步进电机的运行、乙炔开关、乙炔点火、切割氧开关以及接收工作台的限位行程开关信号、坐标零位信号。由板上的8253定时器作为步进电机运行中断服务程序的中断定时器，时钟频率取2MHz。通过计算机的键盘实现对控制系统的操作。三个移动方向步进电机的脉冲当量均为0.01mm。由于486以上PC机高的运行速度，完全可以用一个CPU完成从系统程序管理到加工控制的所有工作，没有必要采用上、下位机的多CPU结构。
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图1　CNC系统硬件结构图
　　三、数控火焰切割机CNC系统软件结构
0 g5 [$ {! Q9 T# @5 D　　1.软件组成
2 _# o4 v% ^0 ^: {/ r+ h　　该CNC系统不但包含了普通CNC系统的所有功能，而且还具有切割前自动点火、预热、通切割氧、加工终结熄火，以及加工中割炬按加工轨迹快速回退和前进等适合其工艺特点的功能。除此之外，系统软件还具有完善的图形编程、仿形编程、各种二次曲线直接插补、加工轨迹动态跟踪显示、加工轨迹动态模拟仿真、故障诊断、加工程序通讯传输等多种功能。在这些功能中，割炬按加工轨迹快速回退和前进功能，是为适应加工过程中时常发生的钢板个别部位切不透现象而增加的。在这一现象出现时，只要按下快速返回键，割炬便会按照原轨迹快速向回运动，等到达未切透处的起点时，按键抬起，割炬就会沿原运行轨迹重新进行切割。图2所示为该CNC系统软件的模块结构。由于该系统软件是在Windows界面下开发的，因此它具有Windows程序的所有优点：突破64kB内存的限制，可以同时运行多个应用程序（实时多任务），方便于键盘和鼠标窗口操作等。

+ H- w& L: F! u! y图2　火焰切割机CNC系统软件模块结构
　　2.编程方式
% _7 V" R3 F2 Q' s4 n+ T: B4 Y9 e. Z　　该系统软件提供的编程方式有三种：图形编程，仿形编程，手工编程。手工编程只是图形编程和仿形编程中的一个功能模块，即全屏幕程序编辑，所以没有在软件框图中单列。
2 _& d% K8 A2 s5 ~9 p4 k　　1）图形编程
　　该系统的图形编程模块是在AutoCADR12.0的基础上开发完成的，除了具备AutoCADR12.0所有的功能外，主要增加了两个功能：（1）自动编程功能——将用AutoCAD生成的图形文件进行加工轨迹（直线、圆、圆弧、椭圆、折线）的信息提取、路径优化（目的是减少空行程）并转化成相应的加工程序，并能在加工轨迹中前后不连接的曲线之间加进空运行指令。在这里为了使加工的路径更符合加工工艺的要求，可以用人机交互的方式进行部分或全部路径的选取；（2）即时仿真功能——用得到的加工程序进行插补运算和动态图形显示，如果加工程序正确，加工轨迹应能以另一种颜色的粗线条逐渐覆盖由 AutoCAD绘制的图形，空运行轨迹也能以特定颜色的线条显示出来。这样编程，操作人员就可以很容易地检查判断加工程序和加工路径是否正确，是否符合加工工艺的要求，及时进行修改。
　　AutoCAD具有强大的绘图功能。通过对AutoCAD的开发，使它变成了数控火焰切割机CNC系统功能强大的编程器，使之成为该CNC系统的一大特点。
  U# z2 b2 g: N　　2）仿形编程
　　对于没有尺寸标注，但有轮廓图样的工件，可用仿形编程的方式来实现对它的编程。程序的编制过程为：（1）对轮廓图样用扫描仪进行扫描输入，并形成二值图像文件，小的轮廓图样可以一次扫描输入，大的轮廓图样可以分多次扫描输入，然后在图像编辑软件上进行拼接；（2）平滑降噪，同时对断线进行修补；（3）细化处理，得到轮廓线图像；（4）按给定的精度进行矢量化处理，并生成DXF图形文件。形成图形文件后，就可用上面开发的图形编程CAD软件进行编辑和编程。
　　3.加工程序的快速图形显示和动态模拟仿真功能
　　加工程序的快速图形显示有两个作用：一个是加工轨迹图形的预览，可以让操作者从众多的加工程序中找到要选取的程序；另一个是显示加工轨迹图形相对于工作台的大小和位置，同时显示在X方向和Y方向的两个最大加工尺寸，这样可以让操作者直观地了解加工的尺寸和加工的运行范围。加工程序快速图形显示只显示加工轨迹，不显示空行程轨迹。
8 i$ K  I  f0 d" {$ V　　动态模拟仿真功能也有两个作用：一个是检查加工程序有无语法错误，另一个是检查加工的路径是否正确合理、是否符合加工工艺的要求。动态模拟仿真不仅显示加工的轨迹，也显示空运行的轨迹（颜色不同），同时还伴有坐标翻转显示，在动态模拟的过程中，操作者可以完全像实际运行一样作暂停、继续和单段运行等控制，速度也可以随时进行调节，可以得到加工的更全面的信息，判断加工程序的正确性和合理性。
1 |+ J, n9 T1 Q! e6 T- ^  ^　　如果加工程序不符合加工工艺的要求，系统软件有将加工程序转化成AutoCAD的DXF格式文件的功能，这样可以再回到AutoCAD状态进行重新编辑。加工程序转化成AutoCAD的DXF格式文件时，加工轨迹和空运行轨迹是以不同的图层和不同的颜色进行处理的。这一功能为加工程序的修改提供了极其有利的条件。
　　4.其它
7 p% N% f/ _/ d% e　　加工运行控制程序，采用了常用的前后台程序结构。其中，后台程序负责控制端口的初始化，加工程序的解释预处理，程序运行过程的暂停、继续、单段停、点火、预热、通切割氧、熄火的控制，速度的调节，加工轨迹动态跟踪显示和坐标值动态翻转显示，割炬快速按运行轨迹返回和前进等；前台中断服务程序负责对定时器中断时间常数的修改，插补运算，步进电机控制信号的输出等。
　　
( `, e6 a8 x# f% J. U$ |' E6 ^0 O　　四、结论
　　加工过程中的快速回退和前进功能，使得该控制系统更加适合火焰切割的工艺特点；图形编程、仿形编程、动态模拟仿真等功能，为数控火焰切割机加工程序的编制、检查带来了极大的方便；人机交互的汉字操作界面，增加了系统的可操作性；实时多任务处理的功能，使该CNC系统在进行加工控制的同时，可以进行其它的处理工作；新的插补方法的采用，使得系统能对二次抛物线、椭圆、双曲线也可以进行直接插补，增强了系统的插补计算功能，减少了这类曲线程序编制的难度。总之，该系统的研制成功，为国产数控火焰切割机控制系统档次的提高向前迈进了一步。
　　另外，该控制系统具有一定的通用性，除了用于数控火焰切割机外，只作少量修改，就可用作水射流切割、激光切割等机床的控制系统。
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