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、電源等)、軟件資源(Windows平臺(tái)以及可資使用的各種開發(fā)軟件,如AutoCAD、網(wǎng)絡(luò)通訊等)和功能調(diào)用,具有開放式的體系結(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,在充分開發(fā)和利用IPC機(jī)固有功能的基礎(chǔ)上,自行開發(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)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、乙炔開關(guān)、乙炔點(diǎn)火、切割氧開關(guān)以及接收工作臺(tái)的限位行程開關(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)。
圖1 CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
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)),方便于鍵盤和鼠標(biāo)窗口操作等。
圖2 火焰切割機(jī)CNC系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)
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。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
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)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。