基于IPC的数控火焰切割机CNC系统的研制
日期：2008-5-30 23:21:05 来源：Control Engineering China
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一、引言
目前国产数控火焰切割机CNC系统，采用的主机主要是单板机、单片机和DOS平台386CPU以下档次的PC机，其操作系统存在着性能和功能低下的问题，使用起来很不方便。因此有必要开发一种性能好、功能齐全、编程和操作都方便的CNC系统，一是对旧的数控火焰切割机控制系统进行更新，二是为新的数控火焰切割机进行配套。随着IPC机性能的提高和价格的降低，用IPC机开发CNC系统的巨大优越性逐渐显现出来。IPC机除了具有更高的可靠性和抗干扰能力外，和PC机一样具有高的运行速度、丰富的硬件资源(CPU、存储器、协处理器、软硬件驱动器、串/并行口、中断、定时器、总线插槽、显示器、键盘、电源等)、软件资源(Windows平台以及可资使用的各种开发软件，如AutoCAD、网络通讯等)和功能调用，具有开放式的体系结构和具有很高的性能价格比。只要在总线扩展槽中插入自行开发或从市场上购置的驱动系统伺服控制卡和I/O卡，在充分开发和利用IPC机固有功能的基础上，自行开发控制系统软件，便可使IPC机变成能进行实时多任务处理、界面友好和功能强大的CNC系统。而且，随着IPC机的不断更新换代，用其开发的
CNC系统也很容易更新换代。本文介绍以IPC机为硬件平台、Windows为软件平台自行研制开发的数控火焰切割机CNC系统。
二、数控火焰切割机CNC系统的硬件组成
数控火焰切割机机械部分主要由底座、龙门式移动框架、火焰喷头、传动机构和三个步进电机组成(图略)，以实现对平面板材零件的切割加工。三个步进电机分别控制龙门框架的前后移动(Y电机)、火焰喷头的左右(X电机)和上下移动(Z电机)，X、Y、Z三轴可以实现联动控制。数控系统的硬件结构如图1所示。该控制系统以IPC(486以上CPU，8MB以上内存，500MB以上硬盘)作为主机，除了IPC的固有硬件(CPU主板、TVGA卡、电源)，只在插槽中增加了一块32位光隔离I/O.TIMER(并行输入输出/定时器)卡。由该卡的I/O并行口控制三个步进电机的运行、乙炔开关、乙炔点火、切割氧开关以及接收工作台的限位行程开关信号、坐标零位信号。由板上的8253定时器作为步进电机运行中断服务程序的中断定时器，时钟频率取2MHz。通过计算机的键盘实现对控制系统的操作。三个移动方向步进电机的脉冲当量均为0.01mm。由于486以上PC机高的运行速度，完全可以用一个CPU完成从系统程序管理到加工控制的所有工作，没有必要采用上、下位机的多CPU结构。
图1 CNC系统硬件结构图
三、数控火焰切割机CNC系统软件结构
1.软件组成
该CNC系统不但包含了普通CNC系统的所有功能，而且还具有切割前自动点火、预热、通切割氧、加工终结熄火，以及加工中割炬按加工轨迹快速回退和前进等适合其工艺特点的功能。除此之外，系统软件还具有完善的图形编程、仿形编程、各种二次曲线直接插补、加工轨迹动态跟踪显示、加工轨迹动态模拟仿真、故障诊断、加工程序通讯传输等多种功能。在这些功能中，割炬按加工轨迹快速回退和前进功能，是为适应加工过程中时常发生的钢板个别部位切不透现象而增加的。在这一现象出现时，只要按下快速返回键，割炬便会按照原轨迹快速向回运动，等到达未切透处的起点时，按键抬起，割炬就会沿原运行轨迹重新进行切割。图2所示为该CNC系统软件的模块结构。由于该系统软件是在Windows界面下开发的，因此它具有Windows程序的所有优点：突破64kB内存的限制，可以同时运行多个应用程序(实时多任务)，方便于键盘和鼠标窗口操作等。
图2 火焰切割机CNC系统软件模块结构
2.编程方式
该系统软件提供的编程方式有三种：图形编程，仿形编程，手工编程。手工编程只是图形编程和仿形编程中的一个功能模块，即全屏幕程序编辑，所以没有在软件框图中单列。
1)图形编程
该系统的图形编程模块是在AutoCADR12.0的基础上开发完成的，除了具备AutoCADR12.0所有的功能外，主要增加了两个功能：(1)自动编程功能——将用AutoCAD生成的图形文件进行加工轨迹(直线、圆、圆弧、椭圆、折线)的信息提取、路径优化(目的是减少空行程)并转化成相应的加工程序，并能在加工轨迹中前后不连接的曲线之间加进空运行指令。在这里为了使加工的路径更符合加工工艺的要求，可以用人机交互的方式进行部分或全部路径的选取；(2)即时仿真功能——用得到的加工程序进行插补运算和动态图形显示，如果加工程序正确，加工轨迹应能以另一种颜色的粗线条逐渐覆盖由AutoCAD绘制的图形，空运行轨迹也能以特定颜色的线条显示出来。这样编程，操作人员就可以很容易地检查判断加工程序和加工路径是否正确，是否符合加工工艺的要求，及时进行修改。
AutoCAD具有强大的绘
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一、引言
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目前国产数控火焰切割机CNC系统，采用的主机主要是单板机、单片机和DOS平台386CPU以下档次的PC机，其操作系统存在着性能和功能低下的问题，使用起来很不方便。因此有必要开发一种性能好、功能齐全、编程和操作都方便的CNC系统，一是对旧的数控火焰切割机控制系统进行更新，二是为新的数控火焰切割机进行配套。随着IPC机性能的提高和价格的降低，用IPC机开发CNC系统的巨大优越性逐渐显现出来。IPC机除了具有更高的可靠性和抗干扰能力外，和PC机一样具有高的运行速度、丰富的硬件资源(CPU、存储器、协处理器、软硬件驱动器、串/并行口、中断、定时器、总线插槽、显示器、键盘、电源等)、软件资源(Windows平台以及可资使用的各种开发软件，如AutoCAD、网络通讯等)和功能调用，具有开放式的体系结构和具有很高的性能价格比。只要在总线扩展槽中插入自行开发或从市场上购置的驱动系统伺服控制卡和I/O卡，在充分开发和利用IPC机固有功能的基础上，自行开发控制系统软件，便可使IPC机变成能进行实时多任务处理、界面友好和功能强大的CNC系统。而且，随着IPC机的不断更新换代，用其开发的
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二、数控火焰切割机CNC系统的硬件组成
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数控火焰切割机机械部分主要由底座、龙门式移动框架、火焰喷头、传动机构和三个步进电机组成(图略)，以实现对平面板材零件的切割加工。三个步进电机分别控制龙门框架的前后移动(Y电机)、火焰喷头的左右(X电机)和上下移动(Z电机)，X、Y、Z三轴可以实现联动控制。数控系统的硬件结构如图1所示。该控制系统以IPC(486以上CPU，8MB以上内存，500MB以上硬盘)作为主机，除了IPC的固有硬件(CPU主板、TVGA卡、电源)，只在插槽中增加了一块32位光隔离I/O.TIMER(并行输入输出/定时器)卡。由该卡的I/O并行口控制三个步进电机的运行、乙炔开关、乙炔点火、切割氧开关以及接收工作台的限位行程开关信号、坐标零位信号。由板上的8253定时器作为步进电机运行中断服务程序的中断定时器，时钟频率取2MHz。通过计算机的键盘实现对控制系统的操作。三个移动方向步进电机的脉冲当量均为0.01mm。由于486以上PC机高的运行速度，完全可以用一个CPU完成从系统程序管理到加工控制的所有工作，没有必要采用上、下位机的多CPU结构。
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图1 CNC系统硬件结构图
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三、数控火焰切割机CNC系统软件结构
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1.软件组成
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该CNC系统不但包含了普通CNC系统的所有功能，而且还具有切割前自动点火、预热、通切割氧、加工终结熄火，以及加工中割炬按加工轨迹快速回退和前进等适合其工艺特点的功能。除此之外，系统软件还具有完善的图形编程、仿形编程、各种二次曲线直接插补、加工轨迹动态跟踪显示、加工轨迹动态模拟仿真、故障诊断、加工程序通讯传输等多种功能。在这些功能中，割炬按加工轨迹快速回退和前进功能，是为适应加工过程中时常发生的钢板个别部位切不透现象而增加的。在这一现象出现时，只要按下快速返回键，割炬便会按照原轨迹快速向回运动，等到达未切透处的起点时，按键抬起，割炬就会沿原运行轨迹重新进行切割。图2所示为该CNC系统软件的模块结构。由于该系统软件是在Windows界面下开发的，因此它具有Windows程序的所有优点：突破64kB内存的限制，可以同时运行多个应用程序(实时多任务)，方便于键盘和鼠标窗口操作等。
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图2 火焰切割机CNC系统软件模块结构
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2.编程方式
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1)图形编程
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