本文探討了IPC平臺下的的數控火焰切割機CNC系統研發相關內容。

　　介紹了用工業個人計算機(IPC)開發的數控火焰切割機CNC系統的軟件和硬件結構。該CNC系統除了具有適合于數控火焰切割機工藝特點的控制功能外，還具有圖形編程、仿形編程、加工程序屏幕模擬仿真和實時多任務處理等功能，插補計算采用了差分插補法，能對所有的二次曲線進行直接插補。

　　一、引言

　　目前國產數控火焰切割機CNC系統，采用的主機主要是單板機、單片機和DOS平臺386CPU以下檔次的PC機，其操作系統存在著性能和功能低下的問題，使用起來很不方便。因此有必要開發一種性能好、功能齊全、編程和操作都方便的CNC系統，一是對舊的數控火焰切割機控制系統進行更新，二是為新的數控火焰切割機進行配套。隨著IPC機性能的提高和價格的降低，用IPC機開發CNC系統的巨大優越性逐漸顯現出來。IPC機除了具有更高的可靠性和抗干擾能力外，和PC機一樣具有高的運行速度、豐富的硬件資源(CPU、存儲器、協處理器、軟硬件驅動器、串/并行口、中斷、定時器、總線插槽、顯示器、鍵盤、電源等)、軟件資源(Windows平臺以及可資使用的各種開發軟件，如AutoCAD、網絡通訊等)和功能調用，具有開放式的體系結構和具有很高的性能價格比。只要在總線擴展槽中插入自行開發或從市場上購置的驅動系統伺服控制卡和I/O卡，在充分開發和利用IPC機固有功能的基礎上，自行開發控制系統軟件，便可使IPC機變成能進行實時多任務處理、界面友好和功能強大的CNC系統。而且，隨著IPC機的不斷更新換代，用其開發的CNC系統也很容易更新換代。本文介紹以IPC機為硬件平臺、Windows為軟件平臺自行研制開發的數控火焰切割機CNC系統。

　　二、數控火焰切割機CNC系統的硬件組成

　　數控火焰切割機機械部分主要由底座、龍門式移動框架、火焰噴頭、傳動機構和三個步進電機組成(圖略)，以實現對平面板材零件的切割加工。三個步進電機分別控制龍門框架的前后移動(Y電機)、火焰噴頭的左右(X電機)和上下移動(Z電機)，X、Y、Z三軸可以實現聯動控制。數控系統的硬件結構如圖1所示。該控制系統以IPC(486以上CPU，8MB以上內存，500MB以上硬盤)作為主機，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/定時器)卡。由該卡的I/O并行口控制三個步進電機的運行、乙炔開關、乙炔點火、切割氧開關以及接收工作臺的限位行程開關信號、坐標零位信號。由板上的8253定時器作為步進電機運行中斷服務程序的中斷定時器，時鐘頻率取2MHz。通過計算機的鍵盤實現對控制系統的操作。三個移動方向步進電機的脈沖當量均為0.01mm。由于486以上PC機高的運行速度，完全可以用一個CPU完成從系統程序管理到加工控制的所有工作，沒有必要采用上、下位機的多CPU結構。

圖1　CNC系統硬件結構圖

　　三、數控火焰切割機CNC系統軟件結構

　　1.軟件組成

　　該CNC系統不但包含了普通CNC系統的所有功能，而且還具有切割前自動點火、預熱、通切割氧、加工終結熄火，以及加工中割炬按加工軌跡快速回退和前進等適合其工藝特點的功能。除此之外，系統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、加工軌跡動態跟蹤顯示、加工軌跡動態模擬仿真、故障診斷、加工程序通訊傳輸等多種功能。在這些功能中，割炬按加工軌跡快速回退和前進功能，是為適應加工過程中時常發生的鋼板個別部位切不透現象而增加的。在這一現象出現時，只要按下快速返回鍵，割炬便會按照原軌跡快速向回運動，等到達未切透處的起點時，按鍵抬起，割炬就會沿原運行軌跡重新進行切割。圖2所示為該CNC系統軟件的模塊結構。由于該系統軟件是在Windows界面下開發的，因此它具有Windows程序的所有優點：突破64kB內存的限制，可以同時運行多個應用程序(實時多任務)，方便于鍵盤和鼠標窗口操作等。

圖2　火焰切割機CNC系統軟件模塊結構

　　2.編程方式

　　該系統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功能模塊，即全屏幕程序編輯，所以沒有在軟件框圖中單列。

　　1)圖形編程

　　該系統的圖形編程模塊是在AutoCADR12.0的基礎上開發完成的，除了具備AutoCADR12.0所有的功能外，主要增加了兩個功能：(1)自動編程功能——將用AutoCAD生成的圖形文件進行加工軌跡(直線、圓、圓弧、橢圓、折線)的信息提取、路徑優化(目的是減少空行程)并轉化成相應的加工程序，并能在加工軌跡中前后不連接的曲線之間加進空運行指令。在這里為了使加工的路徑更符合加工工藝的要求，可以用人機交互的方式進行部分或全部路徑的選取;(2)即時仿真功能——用得到的加工程序進行插補運算和動態圖形顯示，如果加工程序正確，加工軌跡應能以另一種顏色的粗線條逐漸覆蓋由 AutoCAD繪制的圖形，空運行軌跡也能以特定顏色的線條顯示出來。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，及時進行修改。

　　AutoCAD具有強大的繪圖功能。通過對AutoCAD的開發，使它變成了數控火焰切割機CNC系統功能強大的編程器，使之成為該CNC系統的一大特點。

　　2)仿形編程

　　對于沒有尺寸標注，但有輪廓圖樣的工件，可用仿形編程的方式來實現對它的編程。程序的編制過程為：(1)對輪廓圖樣用掃描儀進行掃描輸入，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行拼接;(2)平滑降噪，同時對斷線進行修補;(3)細化處理，得到輪廓線圖像;(4)按給定的精度進行矢量化處理，并生成DXF圖形文件。形成圖形文件后，就可用上面開發的圖形編程CAD軟件進行編輯和編程。

　　3.加工程序的快速圖形顯示和動態模擬仿真功能

　　加工程序的快速圖形顯示有兩個作用：一個是加工軌跡圖形的預覽，可以讓操作者從眾多的加工程序中找到要選取的程序;另一個是顯示加工軌跡圖形相對于工作臺的大小和位置，同時顯示在X方向和Y方向的兩個最大加工尺寸，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。

　　動態模擬仿真功能也有兩個作用：一個是檢查加工程序有無語法錯誤，另一個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。動態模擬仿真不僅顯示加工的軌跡，也顯示空運行的軌跡(顏色不同)，同時還伴有坐標翻轉顯示，在動態模擬的過程中，操作者可以完全像實際運行一樣作暫停、繼續和單段運行等控制，速度也可以隨時進行調節，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，系統軟件有將加工程序轉化成AutoCAD的DXF格式文件的功能，這樣可以再回到AutoCAD狀態進行重新編輯。加工程序轉化成AutoCAD的DXF格式文件時，加工軌跡和空運行軌跡是以不同的圖層和不同的顏色進行處理的。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

　　加工運行控制程序，采用了常用的前后臺程序結構。其中，后臺程序負責控制端口的初始化，加工程序的解釋預處理，程序運行過程的暫停、繼續、單段停、點火、預熱、通切割氧、熄火的控制，速度的調節，加工軌跡動態跟蹤顯示和坐標值動態翻轉顯示，割炬快速按運行軌跡返回和前進等;前臺中斷服務程序負責對定時器中斷時間常數的修改，插補運算，步進電機控制信號的輸出等。

　　四、結論

　　加工過程中的快速回退和前進功能，使得該控制系統更加適合火焰切割的工藝特點;圖形編程、仿形編程、動態模擬仿真等功能，為數控火焰切割機加工程序的編制、檢查帶來了極大的方便;人機交互的漢字操作界面，增加了系統的可操作性;實時多任務處理的功能，使該CNC系統在進行加工控制的同時，可以進行其它的處理工作;新的插補方法的采用，使得系統能對二次拋物線、橢圓、雙曲線也可以進行直接插補，增強了系統的插補計算功能，減少了這類曲線程序編制的難度。總之，該系統的研制成功，為國產數控火焰切割機控制系統檔次的提高向前邁進了一步。

　　另外，該控制系統具有一定的通用性，除了用于數控火焰切割機外，只作少量修改，就可用作水射流切割、激光切割等機床的控制系統。