基于工业PC机的数控火焰切割机数控系统开发

近年来，随着工业PC机性能的快速发展，可*性大为提高，而价格却大幅度降低，以工业P C机为核心的控制系统已广泛被工业控制领域所接受。在机床控制领域，采用工业PC机，发 展 通用的数控系统，已成为国际研究的热点，符合数控技术发展的最新潮流。工业PC机与PC机 兼容，因此可以吸收PC机发展的最新成果，从而简化数控系统的开发过程，缩短数控系统的 开发周期，提高产品的竞争力。 　　 1　数控火焰切割机加工工艺特点 　　数控火焰切割机具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序，自动完成从点火 -预热-通切割氧-切割-熄火-返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一 般数控金属切削机床，它利用氧-乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板 进行切割，而不像金属切削机床那样，是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。 由于各种因素的影响，有时会发生钢板未割穿的现象，此时割炬应暂停下来按原轨迹准确地 返回到未割穿点，再按原轨迹重新切割，因此数控火焰切割机必须具有随时实现暂停及按原 轨迹返回的功能。 　　 2　数控系统硬件设计 　　组成该数控火焰切割机数控系统的硬件框图，主要包括工业PC机、运动控制卡和伺服系统。其中工业PC机是数控系统的核心，它担负着切割机运动轨迹的计算（粗插补）以及对整个系统管理的任务。运动控制卡插在工业PC机的扩展槽中，它一方面与伺服系 统相连，实现对切割机运动轨迹的控制（精插补）；另一方面与机床控制面板及控制气源的 继电器相连，通过控制面板，可以调整机床的位置，指令机床启动、暂停或沿原切割轨迹返回 ，还能实现切割速度的加速 与减速；通过继电器，可以控制氧气和乙炔气体的开关。伺服 系统可以选择步进伺服系统或数字式交流伺服系统。 　　运动控制卡由自己设计，它主要包括译码电路、振荡电路、I／O端口电路、脉冲控制电路、 中断电路以及光电隔离输入输出电路。 其中译码电路为运动控制卡提供一个接口地址段，通过拨码开关可以更改该地址段的范围； 振 荡电路为运动控制卡上的脉冲控制电路提供一个固定频率的脉冲源；I/O端口电路由两片825 5 并行口芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信号及输入机床按钮信号；脉冲控制电 路由两片8254计数器组成，每片8254计数器分别控制一个轴的伺服电机；中断电路是为控制 软件提供硬件中断信号而设计的；光电隔离输出输入电路将工业PC机电源和外界电源隔离， 减少外界电源对计算机的干扰。 　　 3　控制软件设计 　　控制软件是整个数控系统的灵魂，离开了软件，数控系统便无法运行。根据切割加 工工艺的要求，同时又能充分发挥工业PC机的优点，该切割机的控制软件按以下模块化方式来设计。 　　（1）界面设计 　　该控制软件的界面分成三个区域：图形仿真跟踪区、状态显示区以及操作说明区。 图形仿真跟踪区用于显示数控加工文件所指定零件的图样，并在切割过程中跟踪割炬的运动 轨迹；状态显示区显示切割机目前的状态参数，如切割速度、割炬当前坐标等；操作说明区 简要介绍各种功能所对应的热键，如暂停、返回、加减速及点动等功能的热键。热键的功能 与操作面板上按钮的功能相同。 　　（2）系统初始化及切割等待 　　由于运动控制卡上的8255并行口和8254计数器均属于可编程序芯片，因此，在它 们工作前必须对它们进行初始化，按照工作方式确定它们的控制字。在初始化以后，系统便 处于切割等待状态，此时可以调整机床的位置、检验自动点火装置以及通气用的电磁阀是否 工作正常。 　　（3）程序检验及图形仿真 　　当数控加工程序指定以后，首先要检验输入的数据文件是否符合规定的要求， 一旦发现指定的文件中有非法的指令，则退出控制程序，并提示编程人员哪一行出现哪一种 类型的错误，编程人员修改好数控加工程序以后，可继续进入控制程序。如果数控加工程序 正确，系统便将读入的数控加工程序经过处理在图形仿真区中画出零件图形，无论零件有多 大或多小，系统都能自动按比例缩放。 　　（4）数控加工程序处理 　　为了节省计算机在插补过程中的运算时间，在正式插补前对数控加工程序作一 些预处理是十分必要的，预处理主要包括长直线段的预处理和圆弧的预处理。由于运动控制 卡一次计数的范围有限，因此当长直线段超出计数器的计数范围时，须将长直线段分解成若干段小直线段，防止计数值溢出。又由于运动控制卡不能直接用来对圆弧进行插补，因此必 须在误差允许的范围内将圆弧分解成小直线段，这里我们用的是改进吐斯丁（ITM）方法， 在相同误差范围内，该方法对圆弧的分解是最为有效的。从实际出发，我们选 择最大的误差为1BLU，即EH=ER=1BLU，则小直线段对应的圆弧夹角α为： 　　计算出夹角α以后，便可通过几何关系计算出从圆弧起点到终点各小直线段的节点坐标。 　　（5）插补控制及轨迹的动态跟踪 　　在插补过程中，计算机一方面根据数控加工程序中的数值以及各轴的脉冲当量， 计算出X轴、Y轴的脉冲数；另一方面根据指定的切割速度，计算出各轴的分频系数。并在上 一条指令执行结束时，将计算出的脉冲数和分频系数送到对应8254计数器的对应通道。另外 ，计算机通过不停地读回8254计数器的计数值，得到剩余的脉冲数，经过数据处理得到割炬 当前的屏幕坐标，并用小箭头指示。因此从显示屏上，操作者可以清楚地看到当前的切割位置。 　　（6）按原轨迹返回功能的实现 　　在切割过程中，若发现有未割穿的情况，此时可以按下暂停键，暂时中断切割 并自动关闭切割氧；再按下返回键，割炬便准确地按原轨迹返回；待割炬返回到未割穿点以 后，再次按下暂停键并按启动键，切割机便自动打开切割氧，重新进行切割。在按下返回键 时，计算机便从运动控制卡上的8254计数器中读回剩余的脉冲数，与原来的脉冲数进行比较 ，将差值送回8254计数器，并使方向信号反相，这样便使割炬按原轨迹返回。在该指令结束 时，使系统指回上一条指令，从而实现线段之间的连续返回。在返回过程中，指示割炬位置 的小箭头也按原轨迹返回。 　　（7）系统管理 　　系统管理是用来在切割过程中对整个系统的管理，包括暂停、启动、退出、 升降速的控制以及对限位信号的处理。 　　 4　结束语 　　本文在分析了数控火焰切割机加工工艺的基础上开发了基于工业PC机的数控火 焰切割机的数控系统，该数控系统具有良好的人机界面及切割轨迹的动态跟踪功能，使用操 作十分方便，适合于工业现场使用。该数控系统已成功地应用于武汉电力设备厂数控火焰切 割机的改造中，与原有的单片机数控系统相比，该系统取消了纸带穿孔机和纸带阅读机，消 除了由此产生的故障，提高了系统可行性及加工效率。