基于Trio的火焰切割机开放式数控系统研究

D e s ig n a n d R e c h 设计与研究 基于 T r i o的火焰切割机开放式数控系统研究 张生芳 毛俊峰 王毅 解明君 王伟 国 大连交通大学 辽宁 大连 1 1 6 0 2 8 大连奥拓股份有限公 司 辽宁 大连 1 0 0 1 0 7 摘要 研发了一种应用于白车身焊装装备制造的火焰切 割机开放式数控 系统 基于工业控制计算机 I P C 和运动控制器 T r i o MC 2 0 6提出了开放式火焰切割机控制系统的结构方案 并进行 了详细的软硬件 设计 在 Vi s u a l S t u d i o 2 0 0 8软件环境中利用 C I 语 言开发 了数控系统的上位机管理软件 在 T r i o Mo t i o n P e r f e c t 2软件环境下开发了下位机底层控制程序 实践结果表明 该火焰切 割机数控 系统 运行稳定可靠 能很好地满足汽车白车身焊装装备制造中的工作要求 关键词 火焰切割机开放式数控系统T r i o运动控制器 中图分类号 T P 3 3 2 3 T G 4 8 4 文献标识码 A S t u d y o n o p e n a r c h i t e c t u r e NC s y s t e m o f f l a me c u t t i n g ma c h i n e ba s e d on Tr i o mo t i o n c o n t r ol l er ZHANG S h e n g f a n g M A O J u n f e n g WA N G Y i X I E Mi n g j u n WA N G We i g u o D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y D a l i a n 1 1 6 0 2 8 C H N D a l i a n A u t o T e e h I n c o r p o r a t e d C o rpo r a t i o n D a l i a n 1 0 0 1 0 7 C H N Abs t r a c t An o pe n a r c h i t e c t ur e NC s y s t e m o f fla me c u t t i n g ma c h i n e a p p l i e d i n a u t o wh i t e b o d y we l d i n g l i n e ma n u f a e t u r i n g i s d e v e l o p e d i n t hi s p a p e r T he g e n e r a l p l a n n i n g a n d t h e c o mp o s i t i o n o f t h e o p e n s t y l e NC s y s t e m i s p r e s e n t e d b a s e d o n I PC a n d Tr i o MC2 06 mo t i o n c o n t r o l l e r t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e d e s i g ne d d e t a i l e d l y I PC ma na g e me n t s o f t wa r e d e v e l o p e d b y u s i n g C l a n g u a g e i n Vi s ua l S t u d i o 2 0 0 8 a n d r o c k b o t t o m c o n t r o l p r o g r a m o f T r i o c o n t r o l l e r d e v e l o p e d i n Mo t i o n Pe r f e c t 2 a r e r e a l i z e d Th e a pp l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e o p e n s t y l e NC s y s t e m o f fla me c u t t i ng ma c h i n e i s r e l i a bl e a n d s t a b l e wh i c h c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f a u t o wh i t e bo d y ma n u f a c t ur i n g p e rfe c t l y Ke y wo r d s Fl a me Cu t t i n g Ma c h i n e Ope n Ar c h i t e c t ur e NC S y s t e m Tr i o Mo t i o n Co n t r o l l e r 数控火焰切割机是一种利用燃气的热能对金属板 材进行切割加工并利用数控装置控制机床的切割轨迹 的热切割设备 广泛应用于汽车 船舶 压力容器等制 造行业 中 j 特别是 在汽车 白车身焊装生产线装备 制造过程中是必不可少 的重要装备 本文构建了一种 基于工控机 I P C和 T r i o 运动控制器的开放式火焰切割 机数控系统 设计 了控制系统 的软硬件 基于面向对 象的 C 语言和 Mo t i o n P e r f e c t 2软件开发了控制系统的 软件功能模块 并利用该系统进行 了实际加工试验 系如图 1 所示 其 中 所用 的火焰切割机床采用门式 结构 机床横 向主横梁 轴 导轨上安装有主 从两 个割炬机头 主割炬机头 由 轴交流伺服电动机直接 驱动沿机床横向导轨运动 从割炬机头无 轴 向运动 驱动电动机 在需要双割炬机头切 割的场合通过钢带 连接使从割炬机头与主割炬机头做同步运动 火焰切 割机头沿机床纵 向 Y轴 导轨方 向的运动 由交流伺服 电动机精确驱动控制 主 从机头的升降由步进伺 服 电动机驱动 升降量以人工手动调整为主 1 开放式数控系统总体方案 2 数控系统的硬件构成 开放式火焰切割机数控系统采用基于工控机 I P C T r i o MC 2 0 6多轴运动控 制器 的模式构建 其结构体 根据开放式火焰切割机数制系统硬件各部分功能 的不 同 可将其分为操作监控单元 运动控制单元和机 辽宁省自 然科学基金 2 0 1 1 0 2 0 2 1 辽宁省高等学校优秀人才支持计划 I J Q 2 0 1 1 0 4 8 大连市科学技术基金 2 O l 1 J 2 1 D W 0 0 8 资助 等 u l 平 弗 朋 l0 5 设计与研究 D e sig n a n d R e c h 圈 I P C 机 操作 面板 通 讯 接 口 T r i o MC 2 0 6 运动控制器 厂 I l O 控制 脉 冲 发 生 器 驱动器 从 图1 开放式火焰切割机数控系统结构框图 床本体 三 个部分 如图 1 所示 2 1 操作监控单元 操作监控模块是操作人员完成人机交互 实现对 数控火焰切割机的相关控制操作和运行状态监控的唯 一 平台 其主要包括两部分 上位机 和操作面板 工 业级 I P C既具有普通 P c机的开放式结构和软硬件资 源 又能在工业环境下可靠运行 因此本 系统选用工 业级 I P C作为控制系统的上位机 运行上位管理软件 实现人机界面管理 控制系统参数设置 指令发送 系 统状态监控 机床坐标显示 切割轨迹跟踪等系统管理 功能 操作面板上集成有火焰切割机床的一些实时操 作功能模块 如主 从割炬机头 的手动升降 切割 阀的 开关控制等 对操作面板 的操作将 改变 2 4 V开关量 控制信号的状态 可实时发送相关控制信号 实现相应 控制功能 2 2 运 动控 制单 元 运动控制单元包括运动控制器 下位机 交流伺 服系统和步进伺服系统 下位机采用 T r i o MC 2 0 6型 多轴运动控制器 它采用高性能 3 2位 D S P技术 伺服 运算周期不超过 1 m s 最多可同步控制四个步进轴或 伺服轴的运动 控制器 内嵌式 P L C功能可 同步实现 2 5 6个开关量的输入输 出控制 如操作面板上的控制 按钮信号 机床各轴行程开关信号 控制柜中接触器信 号 电磁 阀开关控制信号 各伺服系统工作状态信号的 输入输 出等 控制器具有开放式结构 通讯接 口多样 功能丰富 使用简单 是实现整个控制系统实时控制的 核心 在系统中负责完成数控系统插补运算 伺服脉冲 输 lL f J 分 1 0信号 的输入输出检测 和控制等强实时 性任务 并将运算处理结果实时输出至驱动执行机构 和相关外 围设备 实现对 火焰 切割机的切割控 制 j 交流伺服系统是火焰切割机实现 X Y平面切割轨迹运 动的驱动装置 本 文选用 MI N A S A 4交流伺 服系统 火焰切割机 轴 y轴均选用 功率为 7 5 0 W 的 MH MD 0 8 2 P 1 C型交流伺服 电动机驱 动 与之适 配驱动器 型号采用 MC D D T 3 5 2 0 0 0 3 伺服驱动器采用位置控制 方式 轴 y轴伺服驱动器分别接受控制器 0轴和 1 轴输 出的脉冲控制信号 指 令脉冲 P U L S E 指令方 向 S I G N 指令脉冲的个数 和频率 分别控制电动机 的转 动角度和速度 指令方 向控制电动机 的转 向 J 伺服 系统根据控制器输出的脉冲控制信号与电动机位置编 码器反馈信号 比较的差值实现伺服电动机运动的精确 定位 由于火焰切割机 主 从割炬机头的升降控制精 度要求不高 且在切割过程 中以手动方式调整升 降高 度为主 因此采用步进伺服系统驱动 对应 的脉 冲控 制信号由控制器的2和 3号轴发出 T r i o MC 2 0 6运动控制器外部接 口及其与交流伺服 驱动器之间的接线方式分别如图 2和图 3所示 脉冲 控制信号由运动控制器 0 3号轴脉 冲输出端输 入驱 动器 其中 0 1号脉冲输 出端分别与 l 轴交流伺服 驱动器相连 2 3号脉冲输出端与主 从步进伺服驱动 器相连 运动控制器内置使能继电器 WD O G 端 口与 交流伺服驱动器使能信号线 2 9 S R V O N 相连 通过 WD O G O N控制指 令控制伺 服驱动器的使能 此 外 伺服准备输出 S R D Y 伺服报警输出 A L M 伺服 报警清除 C O I N 等信号可 由 I O端输入控制器 在运动控制单元中 切割程序 中的数据经上位机 毒 錾 u l 年 删 囝 黑 兰 导入下位机 T r i o MC 2 0 6控制器 中 控制器根 据程序 数据执行插补运算并输 出脉冲控制指令 控制火焰切 割机 自动完成对工件的切割加工 轴 端 子 图2 T r i o MC 2 0 6 外部接口 图3 运动控制器 与伺服驱 动器接线 图 2 3 机床本体 火焰切割机机床本体是控制 系统 的终端 执行机 构 在数控系统控制下执行切割任务 完成金属板材的 切割加工 数控 系统控制交流伺 服系统驱动机床沿 y轴精确按照 N C程序实现预定切割轨迹 的运动以 及主从机头的升 降 系统 内嵌式 P L C功能完成燃气 电磁阀门的开关逻辑控制 实现预热 穿孔 切割等功 能 最终将金属板材切割成需要的工件形状 3 数控 系统软件设计 3 1 软件 系统构成 根据构建的火焰切割机数控系统硬件体系的结构 和性能特 点 数控 系统 的软 件结 构采用前后 台型模 式 4 J 根据所实现功能 的实时性相对强弱 的不 同 将控制系统软件分为上位机管理软件和下位机底层控 制程序两部分 其实现的具体功能如图 4所示 固 等等 D e s ig n a n d R e s e a r c h 设计与研究 软件 系统 上位机管 理软件 I I 下位机底层控制程序 人 机 交 互 耋 Il薹lI lI垂 l毳ll妻ll羹l l蓁 I囊ll雾ll霎ll蓁 图4 数控 系统软件框 图 上位机管理软件是在 V i s u a l S t u d i o 2 0 0 8环境下采 用面向对象的 C 语 言开发 的 开发 时 应 首先在 P C 上安装 T r i o P C A c t i v e X控件 该控件 中包含有与 T r i o MC 2 0 6控制器进行通讯 的各种方式 以及丰富的运 动 控制和逻辑控制函数 通过在上位机管理软件开发项 目中添加该控件 即可根据软件开发的功能要求调用 控件 中的功能函数 实现上位机管理软件 与控制器的 通讯和相关操作 上位机管理软件作为后台管理程 序 主要完成人机交互 加工程序管理 系统管理和监 控 双 C P U通讯 运行状态显示等实时性要求不高的 功能 下位机底层控制程序的功能为前台程序负责实时 控制 运行在 T ri o MC 2 0 6控制器 中 完成加 工程序解 释 插补运算 伺服驱动 速度控制 I O逻辑控制等强 实时性任 务 底层控制程序在 T r i o公 司提供 的控制 程序集成 开发环 境 Mo t i o n P e r f e c t 2软 件 中采用 T r i o B a s i c 语言编写和调试 实现火焰切割机的所有运动控 制和逻辑控制功能 T r i o 运动控制器具有多程序同时 运行机制 可最多同时运行 8个进程 故可根据功能要 求不同 将底层程序设置成不同的子程序模块循环执 行 并以特定全局变量 V R 的值或某个 I O状态的 变化作为是否执行该子程序功能的判断条件 3 2 软件主要功能模块 根据开放式火焰切割机数控系统实现的功能和特 点 可将其软件根据实现功能的不同 可归纳为以下 6 个功能模块 分别阐述如下 1 上 下位机通讯模块 通过调用 T r i o P C A c t i v e X控件 中的通讯功能函数 O p e n P o T y p e P o a Mo d e 实现上下机的通讯连接 完 成上下位机之间数据流和信息流的传输和交换 2 图形信息输入模块 该模块 中的 图形信 息 以 N C文件 以 G代 码编 写 的形式 导人上 位机管 理软件 中 N C文件 由 F a s t C A M火焰切割机套料编程软件 自动生成 在人机界 面中会 以图形 的形式显示 N C文件 中的待加工程序 用户可通过图形直观 了解需要切割的金属工件形状 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a c h 3 N C代码处理模块 该模块中 对 N C代码进行译码 和割缝 补偿 译 码模块将逐行把 G代码 中的准备功能字和尺寸字均 以数据表示 如准备功能字 G 0 1以 1 1 1 1 1表示 G 0 2以 2 2 2 2 2表示 并且尺寸字将根据用户输入 的割缝补偿 值生成经补偿后的新的尺寸数据 然后将这些数据按 顺序一起导人 T r i o MC 2 0 6运 动控制器 中的 T a b l e 表格中 自动加工时根据 T a b l e 表格中的数据值执 行相应的运动和位移 实现 自动切割控制 4 手动操作模块 手动操作模块 主要 负责机床 y轴位置的手动 调整 回零操作 主 从割炬升降位置的实时手动调整 电磁阀开关 的手动控制等功能 5 自动D H m和仿真模块 自动加工模块可 以实现正 向切割 按原轨迹反 向 切割 暂停 随时改变加工速度等功能 仿真模块可以 在程序运行 电动机不转动 的情况下实现加工过程 的 模拟并绘图 可用 以检验 N C代码处理过程 中导入控 制器 T a b l e 表格 中的切割数据是否准确无误 6 状态显示模块 该模块实时显示机床当前 的反馈信息 主要包括 更新和显示机床和工件的当前坐标值 实际切割速度 切割状态 当前加工程序文件名等 并且在主显示界面 中根据反馈 的当前坐标位置进行绘图 正常切割状态 下 实时绘制的图形与导人的图形将会重合 4 开放式数控 系统的加工实例 开放式火焰切割机数控系统与机床本体经安装 集成调试完毕后 下面通过一个加工实例来验证该系 统的可靠性 图5 为该数控系统 的人机界面 人机界 面提供 了 图5 数控 系统人机界 面 对火焰切割机的各种控制操作 人机界面中绿色实线 绘制 的图形为本实例导入的 N C加工文件 中待切割工 件的形状 黄色实线为火焰切割机加工过程中根据下 位机反馈的机床实际位置实时绘制的图形 自动切割 过程 中 黄色实线将实时的显示切割的当前进度 机床 实际的切割状态与黄色实线的显示一致 用户可 以通 过比较了解此次切割任务完成的情况 图6为机床实际切割工件的实 际照片 从