（电机与电器专业论文）基于pc管理及cnc控制的自动玻璃切割系统开发.pdf

a b s 仃a c t a b s t r a c t g l a s si sak i n do fi m p o r t a n ta r c h i t e c t u r a la n do r n a m e n t a lm a t e r i a lt h a ti su s e dw i d e l yi n m a n y f i e l d ss u c ha sb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n ，a u t o m o b i l ep r o d u c t i o n ，f u r n i t u r em a n u f a c t u r ea n ds o o n a n d g l a s sc u t t i n gi so n eo f t h ei m p o r t a n tw o r kp r o c e d u r e s i nt h eg l a s sm a c h i n i n g p r o c e s s ，a t p r e s e n t ，c o m p a r e d w i t 1t h es a n l et y p eo f f o r e i g np r o d u c t s ，h o m e m a d eg l a s sc u t t i n ge q u i p m e n t s s t i l lh a v ed i s p a r i t i e si nl o c a t i o np r e c i s i o n ，c u t t i n gs p e e d ，r u n n i n gd e p e n d a b i l i t ya n ds oo n s o ， h o m e g l a s s w o r k sg e n e r a l l y u s e i m p o r t e dg l a s sc u t t i n ge q u i p m e n t s a n d i nr e c e n ty e a r s w i t l lt h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yr e p r e s e n t e db yc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ( c t m ) i sa p p l i e dt om a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yg r a d u a l l y p r o d u c t i o n m o d eo fa ne n t e r p r i s ei sc h a n g i n gf r o ms i n g l ea u t o m a f t o no fp r o d u c i n gp r o c e s st oi n t e g r a t e d a u t o m a t i o no fa l lt h e p r o c e s si n c l u d i n gp r o d u c td e s i g n ，p r o d u c tm a n u f a c t u r i n g ，q u a l i t y a s s u r a n c ea n ds oo n r e f e r r i n gt os o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f f o r e i g nc o u n t r i e sa n df o l l o w i n g t h eb a s i ci d e ao f c i m 。a n a l y z i n gh o w t od e v e l o pac o m p l e t eg l a s sc u t t i n gs y s t e mb a s e do np c m a n a g e m e n t a n dc n cc o n t r o li st h em a i no b j e c to f t h ed i s s e r t a t i o n a f t e r b r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n t o fn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n i q u e a n dt h e c o n c e ：p t i o no fc i m t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ef u n c t i o n so fs u p e r - c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f s u b - c o m p u t e ra n dt h e nf o r i l l sr o u g hs y s t e mc o n s t r u c t i o n t h e ns o m e m a i np a r t so ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ts u e ha sd a t a b a s em a n a g e m e n t ，e x t r a c t i o no f d r a w i n g i n f o r m a t i o n ，m a t e r i a l so p t i m i z a t i o n a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s u p e r - c o m p u t e ra n d s u b - c o m p u t e ra r ee x p a t i a t e do n t ot h es u b c o m p u t e rm o d u l e ，t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yp r e s e n t s d e s i g n o fe l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m a n dd a t a e x c h a n g e i nt h ec o n t r o l p r o c e s s ，a n d t h e n c o m p l e t e l ye x p l a i n s h o wt h e c o o p e r a t i o n o fp c c n ca n dp l cr e a l i z e ss e v e r a lc r i t i c a l o p e r a t i o n ss u c h a sg o i n gm e c h a n i c a l o r i g i n ，j o gm o v i n g a n d a u t o r u n n i n g i na d d i t i o n ，t h em o s tc r u c i a lt e c h n i q u ei ng l a s sc u t t i n gs y s t e m ，t h a ti st w o - d i m e n s i o n c u t t i n g s t o c ka l g o r i t h m ，i sd i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h e r ea r et w oa l g o r i t h m sp r e s e n t e d 0 n ei s b a s e do i lt h ei n t u i t i o n i s t i ch e u r i s t i ct h i n k i n g a n dt h eo t h e ri sb a s e do na s i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a l m o d e lt h a tr e d u c e st h ep r o b l e mf r o mt w o d i m e n s i o nt oo n e - d i m e n s i o n a tt h es a m et i m e t h e p r o s p e c to fa p p l y i n gm o d e mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ss u c ha ss i m u l a t e da n n e a l i n ga n dg e n e t i c a l g o r i t h m st ot h ep r o b l e m i si n t r o d u c e d b r i e f l y l a s t ，t h ep r o c e s so fs y s t e mt e s t i n gi ss u m m a r i z e d ，a n dt h em a i n o p e r a t i o ni n t e r f a c e sa n d o p e r a t i o ns t e p so f t h es y s t e ma l ei n t r o d u c e d s o m ep r o p o s a lo f i m p r o v i n gs y s t e mi sb r o u g h t f o r w a r di nt h ee n do f t h ed i s s e r t a c i o n k e yw o r d s ：g l a s s c u t t i n gs y s t e m ，n u m e r i c a l c o n t r o l t e c h n i q u e ，s e r v os y s t e m ，c a m t w o d i m e n s i o n c u r i n gs t o c ko p t i m i z a t i o np r o b l e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：客脚导师签名：重垦良 日期：缕占 东南大学硕1 _ 学位论义 1 1 数控技术的产生和发展 第一章绪论 数控技术( n m n e r i c a lc o n t r o l ，简称n c ) 是近代迅速发展起来的一门自动控制技术，它是工厂自动 化( f a ) 的实用化基础技术，对国民经济主导t 业的发展具有举足轻重的推动作用i l j 。 1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机问世，揭开了人类进入信息时代的序幕。1 9 4 8 年美国帕森斯公司 提出了采_ h j 屯子计算机控制机床，加t 飞机螺旋桨叶片轮廓样板曲线的设想，得到了美国空军和麻省 理工学院伺服机构研究室的支持，终丁在1 9 5 4 年成功研制出世界上第一台二坐标数控铣床，这标，占着 数字化信息控制机床运动及复杂零件加工的数控技术的开始。这种电子计算机以数字方式控制机床丁 作的技术称为数字控制技术，简称数控( 缩写为n c ) 。到了七十年代末期，随着计算机技术的发展以 及为了提高数控系统的通用性和灵活性，产生了计算机数控( c n c ) ，但由于习惯，仍简称为“数控” 2 - 3 1 。由于数控是与机床控制密切相关发展起来的，因此，通常讲的“数控”即为“机床数控”，用这 种控制技术控制的机床称为“数控机床”。 数控机床自诞生以来，其数控系统随着电子器件的更新换代也在不断发展，特别是超大规模集成 电路技术和微处理器引入数控系统，以及直流和交流伺服驱动技术的成熟，大大地推动了数控机床的 发展，未来的数控将朝着高精度化、高速度化、高柔性化、高自动化、高可靠性以及开放式方向发展卜”。 同时，数控机床作为信息集成、系统自动化的基础设备，揭开了c a d 、c a m 的序幕，它逐步成为 c a d n c p c a m ( 计算机辅助设计数控编程计算机辅助制造) 直至c i m s ( 计算机集成制造系统) 信 息集成的重要环节，是现代柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 的基本组成设备，一个国家 拥有数控机床的数量和它在机床拥有量中的数控化率，是这个国家制造业水平高低的重要体现。 1 2 计算机集成制造( c i m ) 的兴起与发展 1 c i m 概念的提出。l 2 0 世纪出现的以计算机技术为代表的信息技术，对整个社会生活带来了深刻而广泛的影响。而紧 随计算机技术发展起来的机床数控技术也极大地推动了制造业的发展。数控技术在单机自动化这一层 面渗透到所有切割( 含磨削) 加工机床，而且还进入到成形加工机床、激光加工机床、电火花加工机 床等领域，进而出现了加工中心、车削中心、f m c 、f m s 等，从而在一定范围内实现了一定程度的物 料流、信息流的自动化。随着信息越来越多，信息量也越来越大，技术难度也就更加复杂。 顺应这一技术发展的趋势，1 9 7 4 年美国j o s e p hh a r r i n g t o n 博士提出了“计算机集成制造( c i m ) 的概念”，其基本观点为： i ) 企业生产的各个环节( 从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产 活动) 是一个不可分割的整体、要紧密连接，统一考虑： 第章绪论 2 1整个生产过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成产晶可以看作是 数据的物资表现。 c i m 概念的产生，拓展了人们对“制造”的认识。通常“制造”仅被理解为工艺设计、库存控制、 生成制造及维护活动等，这是一种狭义的理解；广义理解“制造”应包括对产品需求的洞察、产品概 念的形成、设计、开发、生产、销售以及对用户在使用产品过程中提供的服务等全部活动。“制造”是 一个复杂的信息转换、传输处理过程，在“制造”中进行的一切活动都是信息处理连续统一体的部分。 c i m 不是纯粹的技术，而是一种企业经营管理的哲理，一种新型的生产模式。c i m 的目标在于寻 找条使企业达到预定战略目标的有效途径，这就是，从系统工程的整体优化观点出发，通盘考虑市 场需求、企业经营目标、技术支撑条件和人的因素，利用现代信息技术、生产技术以及两者的有效结 合，对生产过程涉及的各个局瓤系统进行有效的综台集成，以达到全局性的优化目的。计算机是集成 的t 具，计算机辅助的各单元技术是集成的基础，信息交换是桥梁，信息共享是目标。当把c i m 实施 予某一具体生产部门时，则构成一个复杂的信息化工程系统，即计算机集成制造系统( c 1 m s ) 。 2 c i m s 的实践及其观念的演变剐l 几十年来，c i m s 这门高新技术已日渐成为制造业的熟点，世界上一些工业发达国家和著名企业都 纷纷制订和实施本国或本企业的c i m s 战略。在欧美各国和日本的各项高新技术发展计划中，c i m s 已 经成为关键项目之一。1 9 9 3 年汉诺威博览会上有1 9 9 家公司展出了c i m s 应用软件，其中，为进行大 批蹙生产的大中型企业提供的c i m s 软件有2 0 家；为中小批量生产企业提供c i m s 软件的有5 0 家； 为小型小批量企业提供c i m s 软件的有2 5 家：为小型流程生产企业提供c i m s 软件的有2 5 家。 我国对c i m s 的研究和应用是很重视的，早在1 9 8 6 年就将这门高新技术列入中国高技术研究发 展计划纲要( 即“8 6 3 ”计划) ，同年1 1 月经国务院常务会议和中共中央政治局扩大会批准，全面付诸 实施。c i m s 在我国的发展基本上可分为以下4 步： 1 )建立c 1 m s 工程研究中心，摸索在我国实现c i m s 的技术路线及方法，初步形成集成制造的 实验环境，着重解决总体集成的关键技术，并培养一支能承担集成系统设计的技术队伍 ( 1 9 8 8 4 1 9 9 2 ) ： 2 )围绕c i m s 的单元关键技术建立一批国家级实验基地，形成研究开发环境( 1 9 9 01 9 9 3 ) ： 3 )选择并支持若干个重点应用工厂，逐步实现从该工厂需求出发而提出的c i m s 计划( 1 9 9 0 1 9 9 5 ) ： 4 ) 逐步推广c i m s ，并形成我国的c l m s 产业( 1 9 9 4 ) 。 经过十几年的努力，c i m s 在我国已有了迅速的发展，并取得了十分突出的成果，具体表现在： 1 ) 建立了一批研究基地，并且已经掌握了实现c i m s 的关键技术，因此，建立在清华大学的国 家c i m s _ 程研究中心1 9 9 4 年获得美国s m e ( 制造工程协会) 颁发的c i m s 大学领先奖i 2 ) 已有几十个工厂应用了c i m s ，并已取得了明显效果，其中比较突出的有成都飞机工业公司、 沈阳鼓风机厂、北京第机床厂等。北京第一机床厂还获得了美国s m e 颁发的1 9 9 5 年c 1 m s 工业领先奖； 3 ) 由于将推广c i m s 与企业技术改造相结合，国内已有一批工厂带j 定了应用c i m s 的战略计划， 并已开始实施： 2 东南大学硕士学位论文 相关c i m s 产业在国内也有了一定的发展，如在我国已经在发展自己的c a d 、c a d c a m 等产业， 并取得了一定的效果。 通过实践，人们加深了对c i m 概念的理解，并对其进行丰富和充实。人们逐渐从强调信息集成是 核心转变到以人为本，用户为核心的c i m 。新的c i m 概念中，核心是要赢得用户，赢得市场，按照这 一个指导方向世界上许多成熟企业正走在大批量个性化定制( 以满足用户的不同要求) 生产的道路 上。 目前的c i m s 系统一般包括决策层、信息层、物质层三个功能结构层次。 1 )决策层是帮助企业领导做出经营决策： 2 )信息层是生成工程技术信息( 入c a d 、c a p p 、c a m 及c a q 等) ，进行企业信息管理( 包括 物质需求、生产计划等) ； 3 )物质层是处于底层的生产实体，涉及生产环境和加工制造中的许多设备、库存和销售等环节。 设备根据行业不同而不同，常见的生产设备有数控机床、加工中心，机器人、自动化运输小 车、自动化立体仓库、柔性制造单元和柔性制造系统等。 在生产自动化的进程中，许多上述各层的单项技术都在不断的发展和演变。2 0 世纪8 0 年代，计算 机已广泛应用于生产过程的各个领域，形成了很多计算机应用的分散系统，如c a d 、c a p p 、c a m 、 c a e 、c n q 、c a t 等。这些分散系统在提高产品质量、减轻人类劳动强度方面发挥了重要作用。但是 这些分散系统在实际应用中存在一个虽大缺陷，那就是数据的重复输入。这是因为目前的c a d 、c a p p 、 c a m 等系统是相互独立发展起来的。这些系统功能不同，表达方法也不同，因此在进入c a p p 、c a m 等系统环境时，还需要人工进行信息提起、组织输入。这不仅造成了信息中断、而且重复输入容易引 起信息的差错和丢失，严重影响工作效率的提高和系统的可靠性。所以，随着信息技术的日益发展， 自然提出要将企业内分散的系统进行集成，使信息一次产生为后续环节共享，这设想，不仅包括生 产信息也包括生产管理过程的全部信息。 同时，作为自动化生产系统重要环节的数控技术，接收和利用c a d 等系统的信息，应能不失真地 保持和传递下去，并具有良好的通信协议接口和开放的网络化功能 1 3 玻璃及玻璃切割行业分析 玻璃是重要的建筑、装饰材料其透明、透光、反射、多彩、光亮的特性，使得它被厂+ 泛应用于建 筑构造、家具装修、汽车风挡等各个领域。据有关资料显示，当今世界加工玻璃( 含特种玻璃) 已有 近干种，已经展现出品种多、质量好并实现了系列化、标准化、节能化的加工玻璃生产规模。世界主 要工业发达国家的加t 玻璃市场份额正从2 0 世纪8 0 年代的6 0 、9 0 年代的7 0 上升到2 0 0 0 年的7 5 以上，其中量大、质优的加工玻璃数安全玻璃、节能环保玻璃、表面改性的加工玻璃： 1 - 安全玻璃( 钢化玻璃、夹层及含部分夹丝玻璃) 。据悉，当今世界平均用于建筑及住宅的安全 玻璃中，钢化玻璃占总量5 0 7 0 ，已成为主角。在欧洲，夹层玻璃用于住宅量占3 0 。以美国为 例，1 9 7 2 年至1 9 8 8 年的1 6 年间，钢化玻璃增长了1 5 7 ，夹层玻璃增长了5 6 3 ，而平板玻璃总量只 上y 4 - t 4 4 。1 9 9 9 年欧美钢化玻璃用量占全美及欧洲平板玻璃需求量的6 0 。亚洲的日本仅交通用钢 第一章绪论 化、夹层玻璃量就从上世纪6 0 年代的2 0 0 万平方米增加到9 0 年代的5 2 0 0 万平方米a 2 节能环保的中空玻璃( 节能、降噤) 。美国是中空玻璃生产消费的最大国家之一，年耗费中空 玻璃高达8 0 0 0 万平方米。全美中空玻璃普及率高达8 3 9 上。在欧洲，已有1 6 0 0 多家中空玻璃加工 企业，日平均产量达到6 5 0 万平方米，但仍供不应求。英、德等国已颁布住宅新建及改造使用中空玻 璃的规定。德国中空玻璃的普及率高达9 0 9 上，年产6 7 0 0 万平方米，产销两旺。市场上的节能防火、 降噪的低辐射中空玻璃更是走俏。在哑洲，日本1 9 9 9 年中空玻璃产销量己上升到6 9 4 万平方米，比1 9 9 8 年增k1 2 2 2 。 3 表面改性的镀膜加工玻璃。据悉，1 9 9 5 年全世界镀膜玻璃产销量达4 8 6 1 万平方米，比上世纪 9 0 年代增长4 4 ，其中低辐射l o w e 玻璃1 9 9 5 年为3 2 5 6 万平方米，比2 0 世纪9 0 年代2 0 0 0 万平 方米增长1 5 7 8 。美国2 0 世纪9 0 年代初镀膜玻璃产销1 7 4 0 万平方水；全欧有2 0 中空玻璃采用低e 玻璃，法国使用低e 中空玻璃的比例从1 0 上升到2 0 0 0 年的1 7 ，波兰使用低e 中空玻璃的比例2 0 0 0 上升为7 5 ，欧洲各国原先双层玻璃窗正迅速改用低e 中空玻璃。 我国玻璃市场潜力巨大。国内加工玻璃骨干企业有1 1 8 家。年产值达4 3 亿元。其中钢化玻璃实际 用量( 产销) 1 9 9 8 年为1 3 0 0 万平方米，1 9 9 9 年约为1 5 0 0 万平方米，2 0 0 0 年( 含出口) 已达1 8 0 0 万 平方米，呈1 5 0 一2 0 上升；我国汽车用安全玻璃2 0 0 0 年为5 0 0 万平方米。到2 0 1 0 年汽车用安全玻璃 将上升到1 2 0 0 万平方米以上：中空玻璃1 9 9 5 年我国市场用量约为7 0 万平方米，1 9 9 9 年达到5 0 0 万平 方米，到2 0 0 0 年已经达到1 0 0 0 万平方米，市场用量几乎以翻番的速度递增。预计今后十年，我国玻 璃工业还将飞速发展，特别是深加工玻璃，无论在产量、消费量、出口方面都具有非常广阔的前景。 玻璃切割是玻璃深加工的前遵工序原片玻璃开片作业，包括玻璃原片上片、玻璃原片切割、切割 前后的传送、切割后的掰片等工序，同时还需要实现原料、订单、产品图形、加工程序等数据信息的 管理，玻璃排样优化的实现等一系列功能，其自动化水平、切割精度、原料利用率等的高低，对于企 业提高生产规模、降低生产成本以及适应市场需求都具有重要的意义。 目前，自动玻璃切割系统绝大部分来源于国外一些大型跨国公司，主要有：意大利的保特罗 ( b o t t e r o ) ：瑞士的百超( b y s t r o n i c ) ：奥地利的李赛克( l i s e c ) 等。这些企业均能提供全套 的自动玻璃切割系统，能够集自动上片、切割、掰片等各项功能于一体。同时，系统软件本身也集成 了c a d 计算机辅助设计系统，原料、订单、产品图形库等数据管理，切割工艺调整，n c 程序自动生 成以及实时监控等，不仅实现了生产过程的自动化，而且能自动实现信息交换、信息共享、信息传输 等各种信息处理过程，在一定程度上达到了计算机集成制造( c i m ) 。 虽然国外的玻璃切割系统在性能方面有优势，但在硬件与软件设计上较为封闭，不能根据不同用户需 求进行修改或扩展；而且，价格昂贵，维修费用高、周期长；操作界面是英文的，工人操作不太方便：另外， 由于这些系统是针对全球销售，彳艮难考虑到我国用户的特殊要求。鉴于以上原因，根据我国的实际情况， 借鉴国外的先进技术，研制具有自主知识产权的自动玻璃切割系统，来替代同类进口设备，具有重要现实 意义。 4 东南大学硕上学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文以实际开发自动玻璃切割数控系统为例，阐述了系统开发的思路利过程，主要内容有以下几个 方面： 1 第一章绪论。首先介绍玻璃切割系统中主要控制设备一数控系统的产生和发展，接着就目 前的一种先进制造技术计算机集成制造( c 1 m ) 的思想作简要分析，并列举c 1 m 在实际中的应用一 c i m s 的一些实例，最后针对当前玻璃和玻璃切割行业情况，说明采用先进技术自主开发成套玻璃切割 系统的重要性和可行性； 2 第二章自动玻璃切割系统总体规划。本章在从总体上对系统进行基本的功能分析的基础 上，形成系统的软硬件框架和配置； 3 第三章系统软件设计及其实现。本章就玻璃切割系统软件中的核心部分作详细说明，其中 包括：数据库设计以及数据库访问程序的实现：异形玻璃c a d 图形数据传递接口的设计；上位机( p c 机) 和下位机( 数控系统) 串行通信接口的实现： 4 第四章型材优化算法分析及其实现。玻璃切割生产现场中，玻璃原料的消耗在产品成本中 占有相当的比重，尽可能的节约型材，提高型材利用率，是企业经营的一项基本原则。玻璃排样问题 属于一个n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ，即为非确定性多项式算法) 完全问题，它是n p 类问题中 最难解决的问题之一。本章在对问题进行分析以后首先提出了一种基于直观启发式思维的实用算法， 然后建立从二维到一维的简化优化数学模型，并利用整数线性规划算法求解，最后本章对目前现代优 化算法在型材优化中的应用前景作了简要分析； 5 第五章系统电控设计及其实现。本章主要针对系统电气及其控制系统的设计作如下几部分 的介绍：系统电气设备构成；系统主电源接线、控制信号等接线图的设计：系统运行关键过程( 回原 点、手动操作、自动操作等) 的控制； 6 第六章自动玻璃切割系统介绍。本章主要对系统形成以后的主要操作界面功能和实际运行 流程作简要介绍，并总结了系统调试过程中的一些实际经验； 7 第七章总结与展望。简要地总结本文工作并提出了系统改进和扩展的一些方案。 5 查堕查兰堡主堂垡丝壅 第二章自动玻璃切割系统总体规划 玻璃切割是玻璃深加工的第一道工序，主要过程就是在多种不同长宽的矩形玻璃原料上进行排样并 切割成为所要求的各种矩形件产品，如果需要加工一些异形的( 如圆形、椭圆，梯形等) 的产品，则 一般情况下是先切出这些异形的包容矩形件，然后再进行曲线的h a _ z - 。一套自动玻璃切割系统，除了 要实现这些基本过程以外，同时还要能够管理其中的各种数据和信息、进行玻璃自动排样并形成切割 程序以及切割过程的自动控制等。本章结合实际系统开发过程，在总体分析系统的各项功能和需求的 基础上，形成系统的软硬件框架和配置， 2 1 系统软件设计 自动玻璃切割系统的上位机软件从理论上来说属于c a d c a m 软件的范畴，因此其设计的过程主 要是参考c a d c a m 软件开发的思想进行的。下文首先分析了软件功能，在此基础上形成软件的总体 框架。 2 1 1 软件功能分析 根据目前市场上用户的要求，系统的软件应该具有以下的基本功能： 1 、产品几何造型功能。玻璃切割的产品分为矩形件和异形件两种。矩形件产品不需要进行产品 图形的设计。对于异形件，又可以分为标准异形和任意形状两种。对于标准异形( 比如圆形、椭圆、 梯形等) ，可以直接采用参数化设计的方法，直接在用户界面上输入形状参数即可；对于任意形状图形， 则需要开发相配套的c a d 软件。由于目前市场上已有不少成熟的c a d 软件( 如a u l o d e s k 公司开发的 a u t o c a d 软件) ，而且这些软件提供了标准的图形数据交换文件。因此，任意形状图形的玻璃产品设 计可以在这些c a d 软件上进行，然后保存为标准的图形数据文件，在玻璃切割系统软件中只需要增加 一个读取图形数据的接口。 2 、 数据管理功能。玻璃切割系统需要处理的数据主要有用户订单数据、玻璃原料数据、产品图 形数据、排样优化结果信息、由排样结果形成的n c 程序以及从下位机反馈回来的运行状态信息等。 这些数据中具有格式化的( 如用户订单、玻璃原料) 和非格式化的( 如产品图形、n c 程序) ，囡此 单纯利用传统的关系数据库无法实现这些数据的统一管理。目前，大多数c a d c a m 系统的开发都采 用j 二程数据库来管理其中的数据，但由于建立一个完善的工程数据库管理系统需要的周期长、成本高， 玻璃切割系统中分别采用关系数据库存取格式化数据和文件管理方式存取非格式化数据。 3 、 优化排样功能。玻璃切割系统上位机软件的一个重要功能就是实现在现有原料的基础上对所 选订单产晶进行自动的优化排样，其排样结果的好坏直接影响着原材料利用率的高低。 4 、 自动生成n c 代码功能。在传统的切割系统中，n c 代码的生成一般采用人工编辑或者利用额 6 第二章自动玻璃切割系统总体规划 外的编程器进行自动编程，这种方法耗费时间长且容易出错。自动玻璃切割系统中根据优化结果形成 的中闻文件自动生成n c 代码，并保存在临时文件中。 5 、与下位机通信功能。软件中自动生成的n c 代码一般直接通过通信线缆传入f 位机控制器的 存储空间中，同时，下位机控制系统实时运行信息的反馈和上位机运行指令的发送均要求通信功能的 实现。目前下位机控制器( 一般均指c n c 控制器) 一般提供了r s 2 3 2 c 串行通信接口，因此，上位机 软件需要设计一个串行通信接口实现与下位机的通信。 2 1 2 软件框架实现 根据以上功能分析，以v i s u a lc + + 6 0 为软件开发环境，设计出自动玻璃切割系统上位机软件框架 如图2 1 所示。任意形状产品盼图形设计采用a u t o c a d 软件实现并保存为标准文件格式，通过软什的 数据传递接口把图形数据导入到产品库。原料库、用户订单、余料库数据保存在a c c e s s 数据库中，由 这些数据进行排样后把优化结果保存为中间文件，接着后置处理模块根据中间文件自动生成n c 代码。 2 2 系统硬件功能及配置 图2 一l 系统上位机软件简要框架 自动玻璃切割系统的硬件包括运行上位机软件的工业p c 机以及下位机数字控制装置、p l c 、执行 电机及其他电气设备。自动玻璃切割下位机控制系统主要实现以下几个功能： 1 、 解释由上位机下载过来的n c 代码，进行直线和圆弧的插补，发送出进给指令给执行机构。 这个工作由数字控制装置实现： 2 、 辅助- 垃各( 如吹风电机、真空泵、分片台气缸) 的运行控制以及报警信号( 如极限开关、急 停按钮) 的采集与处理。由于涉及的主要是一些逻辑控制，因此可采用p l c ( 可编程逻辑控制器) 来 进行统一的控制： 7 一 查堕查堂堡兰竺丝苎 一 _ _ _ _ _ - _ - _ 一 一一 3 、执行电机接受控制器发出的进给指令带动切割刀具进行轨迹的精确定位a 由丁玻璃切割过程 需耍刀具在切割台面上高速行走并能够快速起停，同时要求定位精度高( 一般误差小于0 5 m m ) ，困此， 玻璃切割系统中的执行电机普遍采用性能优越的伺服系统。 图2 - 2 系统硬件配置图 根据系统硬件功能的要求，形成自动玻璃切割系统的硬件配置如图2 - 2 所示，下面分别介绍各个部 件： 1 、上位p c 机。根据系统要求，综合考虑主机处理速度、扩展能力、抗干扰要求及性能价格比， 采用c o n t e c h 公司的工控机，c p u 为p l i l 8 5 0 ，内存空间为2 5 6 m b 。p c 机经r s 2 3 2 串口与下位机数控 通信，并可用以太网和上层管理系统连接； 2 、数字控制装置。玻璃切割系统采用台湾亿图公司生产的h u s t - 3 系列数控系统。该系列的系 统设计为插卡式结构，除了主机控制板以外，其他控制单元，如存储卡、轴向控制卡、r s 2 3 2 c 卡、键 盘卡、屏幕显示卡、i o 卡等都是以插卡方式插入主机控制板上的插座。h u s t - 3 最多能够同时六轴联 动，最大反应速度为1 2 0 m m i n 【2 ”，具体主板插卡结构如图2 - 3 所示，表格2 1 说明每一块插卡的功能； 3 、伺服系统。伺服系统要求驱动四象限运行并能够进行快速响应，过去，直流电机由于通过调 节励磁和电枢电流可以容易地实现对转矩的控制而被广泛应用。但是直流电机有着固有的缺点，如制 造复杂、成本高、需要定期维修、运行速度受到限制，等等。近年来，由于矢量变换控制技术在交流 电机控制中的应用不断成熟，同时，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料学科的发展，交 流控制系统已经完全可以与直流系统媲美。相对于直流电机。交流电机结构简单，坚固耐用，便于维 修，价格便宜。因此，目前，越来越多的数控机床采用交流伺服系统。本系统选取了日本s a n y o 公 司的p l 及p 5 系列交流伺服系统。表格2 2 为系统各轴的伺服配置情况h “； 4 、 其他控制设备，包括：p l c ，由亿图公司提供内嵌于删s t 一3 数字控制器中；继电器，用于 控制系统主电源、控制器电源、吹风电机、真空泵等设备的通断；电磁阀，主要控制刀具升降、定位 块上f 、分片抬杆等气动设备的动作；行程开关、接近开关及刀具位置感应开关，实现刀具各个方向 上的定位及极限保护 8 第二章自动玻璃切割系统总体规划 一 ，、 ，、 p 、 、，、 o 口 口 口口 ： a c 2 2 0 7 一 i口 ： 卜 广七 x z l - uo 口 口 y 口 口 巴0 图2 - 3h u s t 一3c n c 主板插卡结构 表2 - 1h u s t 一3c n c 主板插卡说明 插口标识插卡实现功能 m e m存储卡，r o m r a m a x i s l位移( 轴向) 控制卡，x 轴及y 轴，m l 是m p g ( - t - 摇轮) 控制线接头 a x i s 2 位移( 轴向) 控制卡，z 轴及a 轴，m 2 是m p g ( 手摇轮) 控制线接头 r s 2 3 2 cr s 2 3 2 c 串口电脑连线接头及h u s t 按键( k e y ) 卡 s c a n屏幕显示以及h u s t7 一段l e d 卡 p 1 一p 5 p l c 的i o 卡 p 6 方式1 ：第六片i o 卡 方式2 ：第三片位移( 轴向) 控制卡 表2 - 2 伺服系统配置及其技术参数 坐标轴电机型号额定功率额定转速额定力矩 x 轴( 带动横粱运动) 1 7 22 k w 3 0 0 0 r m i n6 3 7 n m y 轴( 带动刀具纵向运动) p 21 5 k w 3 0 0 0 r m i n4 7 9 n m z 轴( 带动刀具旋转) p 54 0 0 w 3 0 0 0 r m i n1 2 7 4 n m 9 东南大学硕十学位论文 第三章系统软件设计及其实现 如第二章所述，自动玻璃切割数控系统中的上位机软件主要负责订单、原料以及产品图形等数据的 管理，板材优化并自动生成数控加工程序，与数控实时通信以监控系统运行状态等。本系统采用v c + + 6 0 作为软件开发环境，利用面向对象的思想设计数据库管理、异形产品图形数据读取、排样优化以 及状态监控和控制命令的发送等各个软件模块，下面就这几个关键模块作详细分析。 3 1 系统数据库设计及其实现 在玻璃切割系统软件中，需要处理的不仅有原料、订单、余料等一些常见的格式化数据，同时还涉 及图形信息、n c 代码等非格式化的复杂数据，单纯依靠传统的事务管理数据库系统无法适应这些工程 领域的要求。多年来人们在工程应用研究中，提出了许多解决方案，逐渐形成了- - f 新的学科领域一 工程数据库。下面首先简要介绍工程数据库的概念，然后讲述玻璃切割系统中如何实现工程数据的管 理。 3 1 1 工程数据库简介 众所周之数据库是以一定的组织方式存储在计算机中按着某种拽则相互联系的数据的集合，它 可为有关用户共享。目前市场上销售的数据库管理系统有各种各样，如d b 2 、i n g r e s 、o r a c l e 、 s y s b a s e 等，这些数据库管理系统主要应用于信息管理领域，负责处理传统的一些结构化数据，而对 于c i m s 系统中的工程数据，较之传统的数据相比具有下列特点【1 2 1 ： 1 数据结构复杂。制造业产品设计的数据，除了结构化数据以外，还有图形、文字、n c 代码等 非结构化数据，而且在设计过程中，数据不断增大，类型不断增多，且要不断修改和补充。 2 数据联系复杂。在数据元素之间存在复杂的联系，如1 对1 、1 对多、多对多的联系等。其中 1 对多、多对多的联系比较普遍。如部件和零件之间是1 对多联系，三维形体中线与面的关系是多对多 联系。 3 数据的一致性。工程数据中存在着从产品的初始模型推导出的二次数据，一旦初始模型被修 改，导出数据也就失败，需要重新计算，用新的数据取代失效的数据，以保持数据库中数据的一致性。 4 数据的使用和管理复杂。数据库既要处理设计过程中的躅形和非图形数据，还要便于查找、 调用、存贮和组织这两类数据。 针对工程数据的特点，为了建立一个满足工程设计与制造，生产管理与经营决策支持环境的数据 库系统，在2 0 世纪7 0 年代末期开始了工程数据库系统的研究和开发。工程数据库系统包括工程数据 库、工程数据库管理系统和工程数据库的终端用户。 工程数据库存储的数据有：产品图形、图像数据、包括产品和零件的二维图形及三维图形；图形 1 0 第三章系统软件设计及奠实现 管理数据；产品文字数据包括产品与零件信息，如零件的材质、公差和表面粗糙度等以及产品结构信 息，如产品和部竹的 r 成及其装配关系等；设计所需参数和设计分柝数据，如资源数据、设备数据、 设计分析参数等；加t t 艺数据，如加工及工装设备、加工t 艺规程、加工工序、数控加工代码等数 据( 文件) 。以上数据既有大量的格式化数据也有许多非格式化数据。 上程数据管理系统( e d b m s ) 管理j 二程数据库中的数据，提供生成检索、修改图形数据和文字数 据的操作，以及对用户的设计事务进行处理，实行规定的设计约束。工程数据库管理系统需要提供程 序设计接口以各c a d 软什和其他软件工具调用。 工程数据的终端用户通常是工程设计人员，如产品设计师、上艺师和其他工程人员。在工程数据 库中，数据库的模式通常是由设计人员确定的，而不是由数据库管理员和系统分析员确定。工程项目 的负责人负责上程数据的管理，如决定数据使用的权限。 3 1 2 玻璃切割系统中数据库的设计及其实现 一、数据库的选择 一般说来，建立c i m s 环境下的1 二程数据库系统有两种途径：一种从底层系统级开发，以经典数据 库理论为基础，采用新的数据模型( 如面向对象的数据模型) 设计一套完整的工程数据库管理系统。 这种途径困难多，工作量较大，但效率高，适用于研究项目中采用；另一种是高层开发途径，即是在 应用级进行开发，即把商品化的常规数据库管理系统、图形软件本身的图形数据库管理系统等各种不 同机型、不同类型的数据库管理系统，采用某种高级语言，利用它们各自的数据描述语言。数据操纵 语言，开发接口软件，把它们集成起来，组成统一的综合工程数据库管理。从更合理及高效率运用数 据资源的角度看，这种开发途径更好，且易实现。 根据上面分析，为了减少投入成本和加快开发进度，本系统采用了第二种开发途径。系统中的常规 数据如玻璃原片数据、客户订单数据、余料库等，采用a c c e s s 数据库保存，软件中利用o d b c 连接 数据库；系统中的非常规数据有异形玻璃产品图形信息数据、捧样结果、数控切割代码( n c 代码) 等， 这些数据采用文件方式保存，同时定义数据库中的一个字段作为从这些文件中取出相关的数据的索引。 下面主要结合玻璃切割系统介绍在v c + + 下如何利用o d b c 接口开发数据库应用程序。 v c + + 环境下微软公司提供了多种访阉数据库的方法【1 3 - 1 5 1 ，到目前为止主要有阻下几种：