（机械设计及理论专业论文）火焰切割机数控软件系统研究.pdf

摘要 摘要 数控火焰切割机床在钢板的切割和焊接工业中应用十分广泛，火焰切割机的数控系 统对切割精度和效率有十分重要的影响。随着数控技术的进步，数控系统软件对数控系 统的性能的影响越来越重要，人们对数控系统的性能要求越来越高，如何开发套稳 定，高效的数控系统软件成为研究的热点。因此，本论文就火焰切割的数控系统软件进 行了研究。主要的研究内容包括以下几个方面。 分析流行的数控系统的体系结构，采用开放式数控系统体系结构设计。数控系统的 硬件为工业计算机和运动控制卡的结构形式，工业计算机为上位机，运动控制卡为下位 机。数控系统软件运行在w i n d o w s 操作系统上，采用模块化的设计方法和多线程的结构 模式，使用v i s u a lc + + 编译环境开发。根据火焰切割的工艺特点，加工精度和速度等要 求，确定火焰切割机数控系统硬件型号和软件的总体结构、功能和工作流程。通过对数 控系统软件各种功能的分析，研究数控系统各种功能的实现方法。 研究火焰切割机数控系统软件的功能设计。数控系统软件能够实现数控加工程序的 编译，零件轮廓显示，零件排料，静态加工仿真，自动加： ，加工轨迹的动态显示，手 动等功能。 研究数控代码编译。译码采用了编译原理的形式语言与自动机理论，实现数控加工 程序的编译和错误查找功能。数控代码的编译被划分成词法分析，语法分析，语义分析 三个阶段，并把这三个阶段集中到一个译码类中实现。 数控系统的管理和控制工作必须同时进行，即对多任务的并行处理。以自动加工过 程为例，它包括下位机的控制和加工信息、加工轨迹的显示等任务。本系统使用多线程 技术实现下位机的控制和显示任务的并行处理，下位机的控制任务在辅助线程中运行， 加工信息和加工轨迹的显示在主线程中运行。自动加工时可能发生工件未割透的情况， 这时，火焰切割机需要沿原路径返回，到未割透点处重新开始切割。系统使用了个辅 助线程实现原路径返回功能。在加工信息和加工轨迹显示任务中，介绍了多媒体定时器 的使用和轨迹显示的实现方法。最后介绍了手动控制的工作过程，以及如何用键盘实现 手动控制功能。 关键词数控软件；火焰切割机；面向对象编程；多线程 a b s t r a c t t h en u m e “c a lc o n f m lf l a m ec u t t e r sa r ca p p l i e dj ns t e e lp l a t ec u t l j ga n dl h ew e j d j n g 佃d u s t r yi ne x t r e m e l yw i d e l y t h en u m e “c a lc o n i r o ls y s t e mo ff l a m ec u t t e rh a st h ee x t r e m e l y i m p o r t a n ii n f l u e n c et ot h ep r e c i s i o na n dt h ee f f i c i e n c 斗t h e r e f o r e ，t h ep e o p l ea r em o r ea n d h 远h e rt ot h en u m e “c a l c o n l r 0 1s y s t e mp e r f o 加a n c ef e q u j r e m e n t a l o n gw i t hm i m e r j c a lc o n t m l t e c h n o l o g yp f o g r e s s ，t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei sm o r ea n dm o r ei m p o n a n tt ot h e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mp e r f o m l a n c ei n 日u e n c e h o wt od e v e l o pas e to fs t a b j l j iy ，a n dt h e h i g h l ye f f c c “v en u m e r i c a lc o n t m ls y s t e ms o f l w a r eb e c o m e st h eh o ts p o to ft h er e s e a r c h m a i n r e s e a r c hc o n t e n tj n c l u d ef o l l o w i n gs e v e r a la p e c t s t h ep a p e ra n a l y z e st h es y s t e ms i n i c t u r eo ft h ep o p u l a rn u m e r i c a ic o n i t o is y s t e m ，u s e st h e o p e nn u m e t i c a lc o n t r 0 1s y s t e ms t m c t u i a ld e s i g n t h en u m e t i c a lc o n t r o ls y s t e mh a r d w a i ej st h e i n d u s t r yc o m p u t e ra n dt h em o v e m e n tc o n t r o lc a r ds t r u c t u r a ls t y l e t h ei n d u s t r yc o m p u t e ri st h e h i g hp o s j t i o nc o m p u t e r ；t h em o v e m e n tc o n i r o lc a r dj s ai o w e rp o s j t i o nc o m p u t e ln u m e r i c a l c o n t f o ls y s t e ms o f 细a r er i l n so nw l n d o w so p e r a t i n gs y s t e m i tu s e sm o d u l a rt h ed e s 噜n m e t h o d ，w i t hm u l t i - t h r c a ds t r i l c t u r ep a t t e m i tu s e st h ev i s u a lc + + c o m p i l ee n v i r o n m e n tt 0 d e v e l o p a c c o f d i n gt om ef e q u e s to ff l a m ec u tc r a f tc h a f a c t e “s i j c ，p r o c e s s j n gp r e c i s i o n ，a n d p r o c e s s i n gs p e e da n ds oo n ，t od e t e 珈i n ew h o l es t c t u r eo ff l a m ec u i t e rn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，f u n c t i o n ，a n dw o r kn o w t h r o u 曲r e s e a r c ho nt h en u m e r i c a i c o n t r o 】s y s t e ms o f t w a r el h ee a c hk i n do ff u n c t i o n ，t os e e kt h ep “n c j p l eo fd e s j g na n dt b e r e a l i z a t i o nm e t h o do fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e me a c hk i n do ff u n c t i o n r e s e a t c ht h en u m e r i c a lc o n t i o ls y s t e ms o f t w a 佗f u n c t i o n a ld e s i g no fn a m ec u t t e r t h e f l a m ec u t t e rn u m e r i c a lc o n t r o is y s t e ms o f t w a r ec a nr e a l i z et oc o m p i l et h en u m e f i c a ic o n t r o l p r o c e s s j n gp r o c e d u r e ， t h ec o m p o n e n t so u t l i n ed e m o n s t r a t e d ， c o m p o n e n t sd u m p ， s t a t j c p r o c e s s i n gs i m u l a l j o n ，a u t o m a l i cp r o c e s s i n g ，d y n a m i cd e m o n s t r a t et h ep r o c e s sp a t h ，m a n u a l a n ds o o n r e s e a f c ht h ed e c o d i n gf u n c t i o no fn u m e r i cc o d ed e s i g n t h ed e c o d j n gf u n c t i o nh a su s e d t h ef o r m a ll a n g u a g ea n dt h ea u t o m a t o nt h e o r yi tr e a “z e st h en u m e “c “c o n i r o ip m c e s s j n g p r o c e d u r ec o m p i l ea n dt h ew m n gs e a f c hf u n c t i o n t 1 1 ec o m p i l e rj sd i v i d e di n t ot h ei e x j c a l a n a l y s i s ，伊a m m a ra n a l y s j s ，t h es e m a n t i c sa n a l y z e st h r e es t a g e s ，a n dc o n c e n t r a t e st h e s et h r e e s t a g e sc oad e c o d j n gc 】a s sj nr a l j z e s t h en u m e r i c a lc o n t r 0 1 s y s t e mm a n a g e m e n t a n dt h ec o n t r o lw o r k m u 辞c a h y o n s i m u l t a n e o u s ly ，n a m e l ym u l t i - d u l i e sp a r a l l e lp r o c e s s i n g ，t a k et h ea u i o m a “cp r o c e s s i n gp r o c e s s a st h ee x a m p 】e ，j ij n c l u d j n gi h el o w e rp o s j t j o nm a c h j n ec o n i r o la n dl h ep r o c e s s j n gi n f o r m a t i o n ， p r o c e s s e sp a l hd i s p l a yd u i ya n ds oo n t h i ss y s i e l nu s em u l i i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yr e a l j z e st h e 1 0 w e rp o s i t i o nm a c h j n ec o n i r o la n dt h ed j s p l a yd u t yp a 阳l l e lp r o c e s s i n g t h el o w e rp o s i i i o n m a c h i n ec o n t f o ld u t yc a r r yi nt h es u b - t h r e a d ，t h ep r o c e s s i n gi n f o r ma t i o na n dt h ep r o c e s sp a i h d i s p l a yc a r r yi nt h em a s t e r t h r e a d w h e ni t i sa u t o m a i i c a l l yp r o c e s s i n gp o s s i b l yh a st h e s j t ua l i o nw h j c hl h ew o kp i e c ch a sn o ls h e a r e dl h o r o u 曲l yw h e nl b j s “n do fs i t u a t j o n b a p p e n ， t h en a m ec u t t e rn e e d st or e t u ma l o n gi h eo r i g i n a lw ay ，t ot h ep l a c ew h i c hn o ts h e a r e d t h o r o u 曲l vt om a k eaf r e s hs t a r tc u t s t h 邑s y s t e mu s 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普遍采用手工火焰切割，不能满足市场的需求。国外的数控火焰切割机价格昂贵，功能 和操作复杂，不能得到充分的利用，而国内的数控火焰切割机的功能、稳定性、效率比 不上国外。因此开发一套稳定、高效、成本低的火焰切割机数控系统，在我国有着广泛 的应用前景。 1 2 数控技术发展概述 1 9 4 9 年美国派尔森斯公司( p a r s o n sc o 叩) 首先提出了机床数字控制的概念【1 1 。 经过几十年的发展，数控技术先后经历了五次技术飞跃： 第代：1 9 5 2 年基于电子管和继电器的电子管数控系统诞生。 第二代：2 0 世纪5 0 年代末，研制成功的由晶体管元器件电路组成的晶体管数控 系统。 第三代：1 9 6 5 年出现的集成电路数控系统。 第四代：1 9 7 0 年在美国芝加哥国际机床展览会首次展出的小型计算机数控系统。 第五代：1 9 7 4 年出现了微型计算机数控系统。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着微电子技术、计算机技术的发展，以p c ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 技术为基础的c n c 正在发展成为世界的潮流，它是自有数控技术以来最有 深远意义的一次飞跃。 我国的机床数控系统研制工作从1 9 5 8 年起步。1 9 6 6 年，清华大学成功地研制出了 晶体管数控系统。1 9 7 2 年研制成集成电路数控系统。目前，我国数控系统正处在由研究 开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是有封闭型向开放型过渡的时期。从生产 规模上看，已有航天数控集团、华中数控系统有限公司等可实现批量生产的产业化基 士也。 东北林业大学硕士学位论文 1 3 火焰切割机 火焰切割机是一种非传统加工机床，它不是利用机械能，而是利用热能进行加工。 它利用气体火焰将钢材表层加热到燃点并形成活化状态，然后送进高纯度、高流速的切 割氧，使钢板燃烧。与此同时，高压氧吹除熔渣，从而形成切口将钢材割开。 在切割过程中要正确选择切割的参数，提高加工质量和加工效率，主要切割参数如 下： 氧气：氧气纯度对切割过程影响很大。氧气中的杂质使下层金属迟缓氧化，因而下 层的燃烧速度慢于上层金属，增加后拖量，增大切口表面粗糙度，严重时甚至使切割过 程中断。氧气的流量应稍高于必要值，此值主要与钢板厚度有关。切割氧的压力要适 当，太大浪费氧气，且切口太宽，切口表面粗糙；太小切割过程缓慢，切口表面形成渣 粒，甚至无法割穿。切割氧流形状及氧流攻角等也对切割过程有明显影响。 预热火焰能率：应选择合适的火焰能率，使尽快达到被切割材料的燃点，又不增加 工件表面的残渣。若工件初始温度高，达到燃点快，则切割速度高。达到燃点后，预热 结束。预热时间在加工过程中应能控制和调节。 切割速度：切割速度主要取决于对切割表面的质量要求。切割速度合适时，火焰和 融渣以接近于垂直方向喷向工件底面，切口质量好；切割速度太低时，切口上缘融化， 切口变宽；切割速度太高时，后拖量增大，甚至切不透。切割速度与板厚、氧气、预热 等许多因素有关，在切割过程中速度应能动态调节。 割嘴距工件表面的距离：此距离与预热火焰能率有关，而预热火焰能率与工件厚度 有关，割嘴的倾斜角也与工件厚度有关。在加工过程中，此距离应保持不便，此功能一 般由自动调高装置进行。 数控火焰切割机具有一般数控机床的特点，即能根据数控程序，自动完成切割过 程，但也有一些不同之处。由于火焰切割机不像金属切削机床那样靠切削工具与工件的 刚性接触来去除被加工材料，而是靠材料燃烧，靠热能和气体的动能加工材料。因此加 工过程中工件受力较小。火焰切割机的加工过程包括点火、预热、通切割氧、切割、熄 火、返回原点整个过程，因此切割过程中要控制的参数与冷加工不同。由于热切割要预 热打孔，通常起割宽度比正常切口宽，所以切割时一定要有引入和引出线，以避免破坏 零件轮廓。由于热切割有受热变形问题，引入和引出线形状有特殊的要求。热切割机加 工每条封闭的曲线前要穿孔，所以每段封闭曲线都要有引入和引出线。因为引入和引出 线不一定为直线，所以刀补的建立和撤消不能像冷加工那样只建立在直线段。由于各种 因素的影响，有时会发生钢板未割穿的现象，此时割炬应能按原轨迹返回重新切割。数 控火焰切割机应具有随时暂停及按原轨迹返回功能，冷加工机床一般不需要局部返回加 工。 1 4 数控系统软件的发展 从1 9 5 2 年到1 9 7 0 年，分立元件、电子管、印刷板、晶体管、中规模集成电路先后 1 绪论 在数控系统中得到应用，构成“硬联接”数控时代，数控系统没有软件的参与。2 0 世纪 7 0 年代后，l s i ( 1 a r g es c a l ei n t e g r a t e ) 大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的发 展，使得可以用软件实现机床的逻辑控制、运动控制，具有较强的灵活性和适应性，进 入以软件为主要标志的“软联接”数控时代【1 j 。 随着计算机技术的发展，硬件价格的持续下降，计算机参与了数控系统的工作，构 成了计算机数控( c n c ) 系统。但是这种参与程度在不同年代和不同产品中并不一样， 图1 1 说明了目前三种典型c n c 装置的软、硬件界面关系。c n c 装置由软件和硬件组 成，硬件为软件的运行提供了支持环境。同一般计算机系统一样，由于软件和硬件在逻 辑上是等价的，所以在c n c 装置中，由硬件完成得工作原则上也可以由软件来完成。 但软件、硬件各有其不同的特点，硬件处理速度较快，但价格贵，软件设计灵活，适应 性强。，但处理速度较慢。因此在c n c 系统中，软件、硬件的分配比例通常由其性能价 格比决定【2 1 。 第二种 ： 卜一 软件，卜一硬件 i 第三种h 软件- 卜一 硬件 图1 - 1 三种典型软硬件界面 1 4 1 国外数控系统软件研究概况 国外数控系统软件经过数十年的发展，功能和技术水平越来越强大。在人机界面功 能方面，具有三维实体图形显示和三维动态图形显示功能，可以描述任意位置的零件断 面及三个平面视图，使操作者对零件的形状及加工状态能很清楚的了解【3 l 。在编程功能 方面，能与c a d c a m 系统联接，具有复杂曲面数控加工程序编制功能，能进行几何图 形处理、工艺处理、自动确定工艺参数【引。在监控和诊断功能方面，引入自适应控制技 术和人工智能( 专家系统) ，正在向在线诊断和智能化故障处理发展。加工过程中，数 控系统可以自动修正、调节与补偿各项参数1 5 j 。 在技术方面，1 9 8 1 年，为了拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规 范，美国国防部就开始了名为下一代控制器( n g c ) 的计划，成立了美国国家制造科学 l 绪论 1 5 火焰切割机数控系统 世界上第一台数控火焰切割机是英国氧气公司1 9 6 1 年研制成功的。1 9 6 4 年日本在 船舶行业开始制造使用数控切割机。我国广州中山造船厂1 9 7 1 年研制成功我国第一台 数控切割机【1 2 】。上世纪8 0 年代初，随着改革开放，各行各业对数控技术大量需求。我 国先后从日本、法国、美国等国家，引进了部分数控装置及伺服系统技术，使数控机床 的质量、性能以及水平都上了一个新台阶。1 9 9 0 年中国科学院光电技术研究所和机电部 东方机床厂联合研制成功大型火焰切割机数控系统，火焰切割机数控系统开始采用计算 机数控技术j 。 1 5 1 国内火焰切割机数控系统现状 目前，国内的火焰切割机数控系统既有国外的，也有国内的。国外的数控系统主要 有美国海宝的e d g e 系统、美国的b u r n y 系统、西班牙的f a g o r 系统【1 4 】。这些数控 系统功能强大，但价格比较昂贵。国内使用的火焰切割机数控系统既有基于单片机的经 济型数控系统，也有基于工控机的中档数控系统。如北京斯达特机电科技有限公司的 s h 2 0 0 0 h 火焰切割机数控系统，采用p c i 0 4 总线工控机为主机，d o s 平台，能自动点 火，延时，预热，穿孔，火焰半径补偿，连续回退，断点恢复，动态图形显示，切割图 形的径向、放大、缩小、旋转，与流行的c a d c a m 及各种套料软件有很好的接口 【1 5 j 0 1 5 2 国产火焰切割机数控系统现状 经过国内研究人员的不懈努力，我国的火焰切割机数控系统功能有了很大的提高， 但是与国外先进的数控系统相比，还存在不足。国内的火焰切割机数控系统主要采用 d o s 操作系统，不能充分利用3 2 位计算机的硬件及软件资源，使得数控系统的性能受 到制约。而使用国外的切割机数控系统虽然功能强大，但价格昂贵，企业没有核心竞争 力。 由于d o s 本身功能的限制，以及为了提高火焰切割机数控系统的性能，有必要研 究w i n d o w s 操作系统中如何设计数控系统软件。w i n d o w s 平台和d o s 平台的软件设计 方法不同。在d o s 平台，数控系统软件采用的是面向结构的编程方法，数控系统软件 结构与数控系统硬件以及数控系统的功能关系紧密。当数控系统的硬件改变，或是功能 改变时，数控系统软件改动较大，大部分需要重写。w i n d o w s 是多任务操作系统，软件 的设计方法和d o s 有很大的区别l 引。 国内有些企业采用了国外的先进数控系统硬件，如p m a c 运动控制卡作为火焰切 割机数控系统硬件，大大挺高了数控系统的性能，但这些数控系统的成本太高，仅一个 p m a c 运动控制卡需要上万元。如使用整套的国外的数控系统，如e d g e 系统，包括硬 件、软件和伺服系统，需要八万元。目前一台数控火焰切割机的售价约为二十几万元， 数控系统的成本占了很大比重。因此，开发一套实用，成本低廉的火焰切割机数控系统 对于实际应用有很重要的意义。本系统选择了国产的a d t 8 5 3 运动控制卡，成本低，但 东北林业大学硕：i 二学位论文 功能满足数控火焰切割机的需要。 1 6 课题来源及主要研究内容 我国的火焰切割机数控系统的研究开发虽然取得了很多成果，但同国外同类研究相 比尚有较大差距，而且落后于国内其它数控系统的发展。国内高档火焰切割机床大多直 接采用国外的全套数控系统，或使用高档的运动控制卡，自己开发数控系统软件，这样 价格比较昂贵。国内采用经济型运动控制卡的切割机数控系统主要基于d o s 平台，基 于w i n d o w s 的切割机数控系统在市场上比较少见。因此本论文选择在w i n d o w s 平台 下，使用经济型的a d t 8 5 3 运动控制卡，开发火焰切割机的数控系统。 本论文研究了火焰切割机数控系统，其硬件平台采用工控机与运动控制卡，软件平 台采用w i n d o w s 操作系统，开发环境为v j s u a lc + + 6 0 编译器。通过对火焰切割机的工 艺特点，以及功能要求，在原有的d o s 平台的基础上，开发了基于w i n d o w s 平台的数 控系统，并增加了一些新的功能。主要的研究内容如下： 分析了火焰切割机数控系统的功能要求，确定其硬件、软件结构。通过对国内外现 有的火焰切割机系统软件研究，即其发展趋势，确定数控系统的软件功能和结构。数控 系统软件由上位机软件和下位机软件构成，它们运行在不同的线程中。上位机软件包括 文件的管理、系统的设置、数控代码编译、状态显示等，下位机软件负责运动控制卡的 控制。 研究数控系统软件的数据流程，数控加工代码的编译原理，软件实现方法。用户输 入的信息需要对其进行检查和翻译，由于目前大多数机床都是采用g 代码来进行编程。 所以要对g 代码进行编译，g 代码编译包括词法分析，语法分析和语义分析。 研究工控机和运动控制卡的通信，工控机作为上位机需要控制加工流程，运动控制 卡根据上位机得命令完成插补，开关量的控制等。由于工控机需要多任务并发执行，会 导致系统停滞，所以引入了多线程技术，并对其在数控软件设计中的应用进行研究。研 究如何使用多线程，实现自动加工，暂停，后退等功能。研究加工过程动态仿真，为了 能使用户对加工过程有直观的感觉，有必要动态显示加工轨迹，加工速度等加工信息。 2 火焰切割机数控系统体系结构 2 火焰切割机数控系统体系结构 数控系统的结构体系直接关系到数控系统的性能，开放式数控系统是目前的研究热 点。经过比较，切割机的数控系统硬件平台采用工控机与运动控制卡，软件平台采用 w i n d o w s 操作系统的形式。工控机与运动控制卡已经在数控系统中得到广泛的应用，性 能和技术比较成熟，在其它机床上已经开始使用。w i n d o w s 操作系统是目前使用最多 的操作系统，软件资源丰富，方便数控系统软件的开发。选择这种体系结构能够开发出 稳定，高效的数控系统，并且了干发周期较短。 2 1 火焰切割机数控系统的硬件结构 随着微电子技术、计算机技术的发展，以p c 技术为基础的c n c 正在发展成为世 界的潮流，人们正在研究各种基于微型计算机的开放式数控系统。根据开放程度的不 同，它有以下三种开放形式【1 7 1 9 ，2 0 】： p c 嵌入n c 的开放式数控系统，将总线式的计算机p c 板插入n c 系统的插槽中， 利用p c 完成储存、通讯、人机接口等非实时任务，实时任务由专用的n c 完成。如 剧州u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统 u m 2 2 j 。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计 算机丰富的软件资源而开发的产品。尽管也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍 然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核 心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 n c 嵌入p c 的开放式数控系统，将完成运动控制功能的运动控制器插入p c 机的 主板插槽内，运动控制器等系统功能部件在p c 机的协调下完成各项数控任务。这种开 放形式的灵活度较高，如果采用标准化的软、硬件接口，系统可达到较高的开放程度。 如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统，日本 m a z a k 公司用三菱电机的m e u ) a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等 【2 l ，2 3 ，2 4 】 o 全软件n c 的开放式数控系统，它是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给 用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机， 与伺服驱动以及外部i 0 之间的标准化通用接口| 2 5 】。与前两种开放形式相比，这种开 放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。这种数控系统将c n c 的全部 功能交由p c 进行处理，并通过装在p c 扩展槽的伺服适配卡对伺服系统进行控制。 其软件的通用性好，编程灵活。但是，实时处理的实现比较困难，较难保证系统的性 能，同时原型c n c 系统资源难以很好地利用。其典型产品有美国m d s i 公司的0 p e n c n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等【2 6 ，27 | 。 综合各种开放形式的实现难度和系统可达到的性能价格比，多轴运动控制器嵌入 2 火焰切割机数控系统体系结构 在系统的非实时性局限下，数控设备供应商从控制器着手，开发出了不少优秀的多功能 运动控制器。这类控制器的主要通用特征如下：( 1 ) 带有高性能的d s p ，可脱离上位机 工作；( 2 ) 带有p l c 功能，能够实现实时的i o 控制；( 3 ) 能够实现多种控制算法； ( 4 ) 伺服刷新周期短，控制精度高；( 5 ) 带有电子齿轮，方便系统设计；( 6 ) 通过p c 总线、u s b 和d p 洲等多种方式与上位机高速通讯；( 7 ) 能够与各种类型的主机、放 大器、控制器、电机和传感器等连接；( 8 ) 控制轴数多，提供功能强大的函数库等【3 0 】。 这类控制器中在国内以美国d e l t at a u 公司的p m a c 运用最为广泛。 p m a c 是公司于1 9 9 0 年推出的可编程多轴控制器1 3 l j 。它采用了m o t o l o r a 公司的高 性能数字信号处理器d s p 6 0 0 1 作为c p u 。块卡可以同时操作1 8 根轴。这8 根轴可 以联动完成一个坐标系中的运动；每一根轴也可以在各自的坐标系中完成各自的完全独 立的运动；还可以实现8 轴中间的任意组合形式。多块p m a c 卡可以完全同步地联系 到一起使用，最多可达1 6 块，控制总共1 2 8 根轴。p m a c 也有小型的2 轴和4 轴卡。作 为控制器p m a c 可独立于p c 机之外单独使用，它实质上是一台具有实时多任务的运动 控制专用计算机1 32 1 。既可单独执行存储于其内部的程序，也可执行运动程序和p l c 程 序，并进行伺服环更新；还可自动对任务优先级进行判别，从而进行实时多任务处理， 这一功能使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻了主机和编程器的负担，提高 了整个控制系统的运行速度和控制精度。p m a c 可通过r s 2 3 2 4 2 2 串行数据口或p c 总 线同上位计算机进行通信，还可以利用d p r a m 在主机和p m a c 之间进行程序和命令 的快速传送；另外p m a c 还提供了开放的g 代码指令系统。为了便于用户快速了解和 使用p m a c ，d e l t at a u 公司提供了p m a c 的使用软件p e w i n 3 2p r o ，它能够方便地配 置运动参数，编写运动程序使用和调试p m a c ；利用该公司提供的a c t i v e x 控件p t a l k 或动态链接库p c o m m 3 2p r ol i b r a r y ，用户可以快捷地在v b ，v c + + 或d e l p h i 环境下 开发出自己的数控程序【3 3 j 。 2 1 2a d t 8 5 3 卡 a d t 8 5 3 卡是一种国产的经济型运动控制器。基于p c i 总线的高性能两轴伺服步 进控制卡，支持一个系统中使用多达1 6 块控制卡，可控制6 4 路伺服步进电机，支持 即插即用，位置可变环形，可在运动中随时改变速度，可使用连续插补等先进功能。 与p m a c 卡相比较，a d t 8 5 3 卡的控制功能和开发方便性不如p m a c 卡，但是 a d t 8 5 3 卡在运动控制的速度、精度上能够满足火焰切割机的要求，且价格比较低，只 有1 5 0 0 元。由于a d t 8 5 3 卡在控制功能和开发方便性上的不足，增加了数控系统软件 开发的难度和复杂性。p m a c 卡提供了开放的g 代码指令系统，数控系统软件不需要 自己开发数控代码的编译程序。p m a c 提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆 攻插补、样条曲线插补、增量或绝对方式运行等，可在这些基本指令基础上定制用户自 己的g 代码、m 代码数控功能。a d t 8 5 3 卡没有提供g 代码和m 代码的定制功能，所 以数控系统软件需要编写数控代码译码程序。火焰切割中当发生钢板未割透时，需要割 东北林业大学硕士学位论文 炬按原轨迹返回至未割透处，重新开始加工。p m a c 卡很容易实现按原轨迹返回，只需 要读出脉冲计数器的脉冲数，改变其符号，就能实现返回功能。而a d t 8 5 3 卡没有提供 脉冲计数器，需要数控系统软件计算返回路径。 2 1 2 1a d t 8 5 3 卡的特点 a d t 8 5 3 卡的脉冲输出方式可用单脉冲( 脉冲+ 方向) 或双脉冲( 脉冲+ 脉冲) 方 式，最大脉冲频率4 m h z ， 采用先进技术使输出频率在很高的时候也能使频率误差小 于0 1 。 位置管理采用两个加减计数器，一个用于内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数 器，一个用于接收外部的输入，输入信号可以是b 相输入的编码器或光栅尺，也可 是上下脉冲的输入信号，作为实际位置计数器，计数器位数高达3 2 位，最大范围一 2 ，1 4 7 ，4 8 3 ，6 4 8 + 2 ，1 4 7 ，4 8 3 ，6 4 7 。外部输入也可用于手轮输入作为普通的计数。 提供伺服接口信号，如编码器信号，到位信号( 1 n p o s ) ，报警信号( a l 啦m ) ， 伺服开启( s e r v 0o n ) 等。 多种控制方式，如定量运动，连续运动，回零运动，多轴插补，圆弧插补等。插补 _ 般用定速运动，也可用直线s 曲线加减速，( s 曲线加减速不能用于圆弧插补) 。 插补带有连续插补功能，即在插补过程中输入下一点的插补数据，以保证脉冲的连 续，使插补达到更快更好的性能。最大插补速度可达2 m h z 。 速度控制可用定速和直线s 曲线加减速，可做非对称直线加减速，可用自动手动 减速，在定量驱动时可防止速度曲线产生三角波形。 每轴有2 个3 2 位比较寄存器，用于产生中断或作为软件限位。 每轴有8 个输入信号，包括2 个正负限位信号，3 个停止信号，1 个伺服到位信 号，1 个伺服报警信号和1 个通用输入信号，除限位信号外，其余信号可通过设置成无 效来作为通用输入信号，3 个停止信号可作为原点信号、减速信号、编码器z 相搜寻使 用，所有数字输入信号均有积分型的滤波器，可选8 种滤波时间常数，以防止干扰。 中断可设置成在各种情况下产生，如加减速驱动的定速开始时，定速完毕时，驱 动完毕时，位置计数器和比较器之间的大小关系有变化时等等，此外连续插补发生下一 个数据请求时的中断。 提供d o s 、w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 x p 开发库，可用v c + + 、v b 、b c + + 等进行 软件开发。 2 1 2 2 系统硬件连接 a d t 8 5 3 运动控制卡和工控机的接口为3 2 位的p c i 总线。一块a d t 8 5 3 卡有两个 输入输出接口，一个为3 7 针插座，一个为2 5 针插座。3 7 针插座为x 、y 轴的脉冲输 出、编码器输入、8 个开关量输入和7 个开关量输出的信号接线。2 5 针插座为8 个开关 量输入、9 个开关量输出、1 路p w m 输出和一路d a 输出的信号接线。 2 1 2 3 系统软件连接 a d t 8 5 0 卡在w 1 n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 x p 下必须安装驱动程序才能使用，在 2 火焰切割机数控系统体系结构 d o s 下则无须安装驱动程序。在使用v i s u a lc + + 开发w i n d o w s 下的运动控制系统 时，需要三个文件，一个是静态库a d t 8 5 0 l i b ，一个是头文件a d t 8 5 0 h ，一个是 w i n d o w s n t 2 0 0 0 使用的文件w i n i o s y s ，动态库中的函数已在头文件a d t 8 5 0 h 中有声 明。 2 2 火焰切割机数控系统的软件结构 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计算机的优点，本系统使用v j s u a lc + + 6 o 来设 计整个软件，利用众为兴公司提供的运动控制卡的动态链接库，采用模块化的开发方 法，便于系统的扩展。 高性能的切割机数控系统应具有开放化、多功能、系统化等特征。在软件方面，要 求有更加有效的软件设计方法，对系统中所有的硬件资源和软件资源进行有效地管理。 w i n d o w s 操作系统与原有的d o s 操作系统比较最大的特点就是有更大的内存空间，提高 了系统的处理能力和余地；w i n d o w s 是多任务机制，可以使系统同时进行多种任务的处 理，可以大大提高和丰富系统的性能，形成较先进的智能化较高的控制系统。 2 2 1 火焰切割机数控系统软件结构特点 c n c 系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中，融会了当今 计算机软件技术的许多先进技术，其中多任务并行处理特点最为突出。 c n c 系统软件一般包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件包括输入、i 0 处 理、显示、诊断等；而系统控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置补偿 等。在许多情况下c n c 的管理和控制工作必须同时进行，即所谓的并行处理。例如， 加工控制时必须同步显示系统的有关状态、位置控制与i o 控制同步处理，并始终伴随 着故障诊断功能；控制本身的插补、位置控制、预处理之间的并行处理。 m i c r o s o f tw j n d o w s 操作系统是一个多任务的操作系统，它的多线程机制为我们实现 数控系统的多任务并行处理提供了方案。为了用多线程机制实现数控系统的多任务并行 处理，需要合理地划分任务。 任务划分要做到两点：任务本身的内敛性要强，任务之间的耦合性要弱。只有这 样，才能保证系统对多任务进行更加有效的管理。就功能而言，火焰切割机数控系统的 任务总体可以分为加工控制任务和辅助管理任务两大类。加工控制任务是火焰切割机数 控系统的核心任务，直接与数控程序运行有关，其他的任务为辅助管理任务，负责数控 代码的准备以及其他一些程序的管理功能。 数控火焰切割机的上位机的非实时任务有：系统设覆任务、数控代码编译任务、刀 具半径补偿任务、系统帮助任务、故障诊断任务及输入事件处理任务。这些任务的产生 及处理是非实时的，也是随机的。这些任务的实现由w j n d o w s 系统提供的消息映射机 制得以实现。 上位机的实时任务有：加工控制任务、加工动态显示任务、