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1、经验交流T e c h n l c a lC O m m u n i c a t i o n s自动化技术与应用2O O7 年第2 6 卷第07 期开放式数控火焰切割机系统设计与开发赵海军，徐家宁z，孙旭东3(1 哈尔滨工程机械制造有限责任公司，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 4 62 哈尔滨电业局实验所，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 2 03 广州海军保障基地9 1 6 3 0 部队，广东广州5 l 0 0 0 0)摘要：本文开发了基于工控机和步进电机运动控制器的经济型数控火焰切割机系统，介绍了系统的硬件构成和软件开发。数控软件采用开放式模块化设计思想，介绍了图形信息输入和加工模块的功能，设计了火
2、焰切割气路系统和气路控制时序。实践应用表明该系统能满足火焰切割的要求。关键词：火焰切割机；开放式数控；控制系统中图分类号：T P 3 3 2。3文献标识码：B文章编号：1 0 0 37 2 4 1(2 0 0 7)0 70 0 9 70 3D e S i g na n dD e V e l O p m e n tO fa nO p e nA r C h i t e c t U r eN CF l a m eC U t f i n gM a C h j n eS y S t e mZ H A(x H a i-j 咖1，X UJ i a-I l i n 9 2，S U NX u-d o n 9 3
3、(1 H a r b 胁E I l g i l l e e r 啦M a 岫M 龇l 缸t u r eC o，H a r b i I l1 5 0 0 4 6，C 1 1 i I l a；2 H 曲i l lE l e c m c a lP o w e r A d l i l l i s 廿a t i o n，R-e s e a r c hI n s t i t I l t e，H l r b i I l1 5 0 0 2 0，C h i I l a3 9 1 6 3 0A 脚1 y，G u a n g 出o uN a v yE n s u r eB a S e，G u a n g 出o u5
4、 1 0 0 0 0，C h i I l a)A b s t r a c t：T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eN Cs y s t e mo fan a m ec u t t i n gm a c h i n eb a s e do nt h ei n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h es t e p p i n gm o t o r T h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r eo u t l i
5、 n e d I ti sa no p e na n dm o d u l a ra r c h i t e c t u r e T h eg a ss y s t e ma n di t sc o n t r o ls e q u e n c ea r ea l s od i s c u s s e d K e yW o r d s：f l a m ec u t t i n gm a c h i n e；o p e na r c h i t e c t u r eN C；c o n t r o ls y s t e m1 引言数控火焰切割机属于热切割机的一种，属于对金属结构件进行切割下料的气
6、割设备，广泛地应用在机械、船舶、压力容器、金属切削的行业中。我国数控火焰切割技术起步于2 0 世纪8 0 年代中期，随着工业P C 机|生价比的大幅度提高，以工业P C 机为核心，在删o 玛操作系统下发展通用的数控系统，已成为数控技术发展的新潮溅1 2|。本系统以国际先进的开放式数控结构形式为主导思想，以功能可靠的工控机为硬件基础，结合热切割机床的加工特点，在最低投入的基础上，使热切割机床获得较大的加工精度和柔性，可为现有的热切割机床提供一整套的软件、硬件和气路控制系统，方便的实现数控热切割的C A D C A M 功能。2 火焰切割机数控系统软硬件结构和原理数控火焰切割机设备的数控系统控制主
7、横梁上的小车沿纵向运动，控制带有割炬的小车沿横向运动，其横、纵向的运动合成收稿日期：20 0 6 1 卜0 6为割炬的运动轨迹，也就是所要切割的工件的形状。同时，火焰切割数控系统中的P L C 实现切割气路的阀动作和时序控制。在数控火焰切割机系统中，为保持切割机头与钢板之间的距离不变，必须配备自动调高装置。2 1 控制系统软硬件组成由于数控火焰切割机控制精度、工作速度及载荷要求都不是很高，所以可以采用步进电机以开环方式实现运动控制【3 。控制系统硬件框图如图1 所示，其中工业控制机和运动控制卡协同完成控制系统的控制功能，本控制系统电机驱动器能实现斩波恒流细分驱动，提高了电机运动精度，并较好的解
8、决了大扭矩驱动时的发热问题。外围控制电路由P L C、继电器等组成，其输出可控制气路的电磁阀、接触器线圈等，实现气路的时序控制。本数控系统软件以W I N D O W SX P 为操作系统，采用V C+6 0 面向对象开发平台开发功能强大、界面友好的控制系统 4】。软件系统采用模块化思想，有利于C A D C A M 的实现。控制软件主要包括四大模块，其中文档模块完成文件的存储与读取，图形输入模块和加工模块共同完成零件的加工，实现C A D C A M。系统设 万方数据“自动化技术与应用20 07 年第26 卷第0 7 期经验交流T e c h n i c a IC O m m u n i c
9、 a t i o n s置模块负责完成初始化参数及运动参数的设置。工业莲一x 辅电机驱动器卜一x 轴步进电机l 数控动控制控一Y 辅电机驱动器卜_ 一Y 轴步进电枧卜一火焰镥j切踅-外围控静j 电路卜一气路控制单元卜一割机牛机图1 控制系绩网!僻框图2 2 图形信息输入模块本控制系统的图形信息输入模块采用多种方式，主要的输入方式为：手工输入G 代码方式，该模式下，在主控制界面的G 代码显示区，允许用户手工输入I S 0 标准格式的数控加工代码；鼠标绘图方式输入，此模式下用户可以直接输入任意直线和圆弧，自动生成相应的数控加工代码，为后续加工做好准备；图形库方式输入，在图形库中存有几十种常用加工零
10、件的图形，图形库中的每种图形都以参数形式设计，可以按实际需要设置各参数；D x F 文件导入方式，系统可以接收C A D 图形文件，将C A D 图形转化为系统识别的图元，并生成数控加工代码。2 3 加工模块该模块是整个系统运动控制的核心模块。首先，系统从输入的图形信息中读出加工数据信息，对其进行分析及编译，使其成为插补运算可以直接应用的数据，并进行相应的插补运算。为了节省在插补过程中的运算时间，需要对数控加工程序作预处理，主要包括直线段和圆弧的预处理【5|。工控机根据插补结果通过运动控制卡控制步进电机的速度和位移。在插补及运动控制过程中，系统将按照实际运行的轨迹，对运动路径进行实时动态显示。
11、本控制系统的插补运算采用D D A 插补原理，应用两轴的协调运动，插补得到平面任意图形。在插补过程中，工控机根据数控加工程序中的数值以及各轴的脉冲当量，计算出各轴应得的脉冲数。步进电机的构造特点是每接受1 个脉冲就旋转1 个固定的角度，因此系统向X 轴或Y 轴每输出一个脉冲，切割轨迹就沿X 轴或Y 轴移动一个最小的进给位移单位，这样在精度允许的范围内，可以得到近似的加工轨迹。图2 说明插补与运动实现的关系。如图所示，如果要加工一条曲线，那么切割机实际运动的轨迹为数字点连线，只要步进电机的步进角足够小就能精确的逼近该曲线。瑚赚J|旷72945e_，6一tl2 3x 轴图2 插补与运动实现热切割时
12、需要进行“刀具补偿”，热加工机床的刀具补偿方式与冷加工机床是不同的，由于加工可行洼和连续 生的需要，热加工机床需要在切削各段连续曲线前穿孔，而在冷加工领域是没有这种情况的，所以热加工机床的刀补建立有别于冷加工机床的直线过渡形式。热加工机床的刀补建立时需要沿着第一段加工曲线轨迹切线方向首先让出刀具半径的距离，然后实现穿孔，否则容易破坏被加工零件的轮廓。同样，刀补的撤销也需要这种方法以实现刀具中心与曲线终点的最终对准。在插补型刀补中应该采用直线段插补，以免发生用圆弧插入所带来的工件的尖角被长时间灼烧而变形的问题。3 切割气路设计及切割时序数控火焰切割机利用的是氧气和乙炔对钢板进行的热切割。本系统利
13、用O M R O N 的小型机C P I HP L C 对相应的阀进行控制，从而实现切割气路的时序控制。气路原理图如图3 所示。该系统可配置6 个割炬，其编号为卜6。图中的K F l、K F 2、K F 3 为燃气和氧气主截止阀；J P l 到J P 8 为减压阀；Y Bl 到Y B 3 为气压表；其余的为电磁阀，根据其功能分为燃气阀、点火阀、切割阀和预热阀。l 一6 燃气阀1 6 点火阀燃气高阎卜6 硬热阎预热氧高阅卜6 切割阀图3 气路原理图当数控火焰切割机工作时，主要由点火、预热、穿孔、切割、放气和空程等几个时序构成。各阀的控制时序如图4 所示，其工作过程是：当P L C 从数控系统接收
14、到预热开信号时，P L C 控制点火器、燃气阀、燃气高阀和预热阀打开，完成点火。延时一殴时间后，点火器关闭，并对板材进行预热；当板材预热一段时间并从数控系统接收到切割开信号后，四级切换切割阀依次打开。根据不同的板材厚睚用切割氧四级切换阀进行切割氧的逐渐增压，对板材进行穿孔以便进行切割，从而完成穿孔工艺。穿孔完成后燃气高阀和预热氧高阀关闭，进人工件切割时序。切割完成后，燃气高阀和预热氧高阀打开以便害4 炬不熄灭，并目放气阀打开将气路管道中剩余的燃气排出，其余阀关闭。万方数据进 空程，直到再切割时，开始下一次循环。预热开切割开l _ 6 毒叫(器(1 6 硎国1“点火周(1 洲两1“燃气阕(1 6
15、 R Q F)燃气商阈m Q c 而1 _ 6 预热阀(1 _ 6 Y R 两预热氧高阀(儇c F)1 _ 6 切割阀(1 _ 6 Q G F)切割氧阈一(q 饿)切舔氧阀二(Q 田2)经验交流T b c h n i c a IC O m m u n i c a t i O n s自动化技术与应用2O o7 年第2 6 卷第O7 期。一1。，j，。：1。，jj1i，1上r ：1rr 1 厂1 1；一l：L一，哪f L r T T#：厂T _：厂!叶_ 11 叶_ 14 结论图4 电磁阀控制时序图本文开发了基于工业P C 机和步进电机运动控制器的开放式数控火焰切割机系统。该数控系统具有完善的图形
16、编程、加工轨迹动态跟踪显示、加工程序通讯传输等多种功能，气路系统采用了穿孔四级切换控制。该系统已经应用于哈尔滨海宝科技有限公司的经济型数控切割机，实践应用表明该系统能满足火焰切割的要求，系统使用操作十分方便，适合于我国一般的金属加工企业。本控制系统的应用对促进我国机械经济型热切割工业的自动化，提高企业经济效益，增加企业的市场竞争力起着积极的促进作用。参考文献：【l】梁桂芳切割技术手册 Z】北京：机械工业出版社19 97【2】张艳萍开放式热切割控制软件系统的设计 D】哈尔滨工程大学学士论文2 0 0 1 3 许贤泽，张立英，曾立波基于运动控制卡的切割控制系统研制【J 武汉大学学报(工学版)2 0
17、 0 4，3 7(6)：7 l7 3 4】C h u c kS p h a r V i s u a lC+6 O 学习指南(M 北京：机械工业出版社1 9 9 9【5 康文惠基于工业PC 机的数控火焰切割机控制系统的开发 J】科技情报开发与经济2 0 0 3，l3(1 0)：l7 7 一l7 9 作者简介：赵海军(19 66 一)，男，工程师，研究方向：自动化技术与应用。(上接第8 2 页)M O V X D P T R，AI N CD P T R：M o v X D 阴R，A；报文寄存器控制位初始化M O VR 0，#0 6 H；M O VD P T R，#0 F F 0 6 H；M O V
18、A，#0 F F H；L l：M O V X D P T R，A；报文标识符需全部匹配I N CD P T RD J N ZR O L 1：M O VD P T R，#0 F F l 6 H；M O VA，#8 C H；报文寄存器1 可发送8 个字节扩展报文M O V X D P T R，A；M O VD P T R，#O F F 2 6 H；M O VA，#8 4 H；M o V X D 阿t，A；报文寄存器2 可接收8 个字节扩展报文M O VA，#0 0 H；M O V X D P T R，A；初始化结束R E T5 结束语本文设计了个功能全而成本低廉的温度传感器智能茕点设计方案，具有C
19、 A N 总线通信功能。软件设计采用了模块化方法，模块之间的数据交换通过数据库完成。在不需要C A N 总线通信的场合可以不安装与之有关的芯片，系统也可以正常工作，这样在不需要C 蝴信的场合可以降低了成本。本系统稍加改装，可以用于其他采集系统。参考文献：1】杜尚丰等中国温室环境控制硬件系统研究进展，北京：农业工程学报，2 0 0 4，(1)2】阳宪惠现场总线技术及其应用 M】北京：清华大学出版社 3】A n o n y m o u s，8 2 5 2 7S e r i a lC o m m u n i c a t i o n sC o n t r 0 1 l e rA r c h i t e
20、c t u r a lO v e r v i e w，I n t e lC o r p o r a t i O n，F e b m a r y1 9 9 5，O 卜d e rN u m b e r：2 7 2 4 1 00 0 2作者简介：梁绒香(19 71 一)，女，陕西西安人，讲师，研丛Q y 啵基：盐鱼E E Q Q H；壅主鱼：皇主：垒刍鱼塑垡：(上接第1 3 6 页)参考文献：(1】李少远、席裕庚、陈增强智能控制的新进展()J】控制与决策，2 0 0 0，l5(2)：13 6 一1 4 0 2】Lxw A N G，JMM E N D E L F u z z yb a s i sf u
21、 n c t i o n s，u n i v e r s a la p p r o 姐m a t i o na n do r 七h o g o n a lI e a s ts q u a r el e a m i n g【J】I E E E T r a n so nN e u r a lN e t w o r k s，1 9 9 2，3(5)：8 0 7 8 1 4【3】王士同神经模糊系统及其应用 M】，北京：北京航空航天大学出版社，19 98【4】王晓远、王硕、程剑飞基于模糊神经网络的无刷双馈电机的仿真研究【J】系统仿真学报，2 0 0 6，l8(1 2)：3 4 6 8 3 4 7 1 5
22、j李佳宁，易建强、赵冬斌、西广成一种新的基于神经模糊推理网络的复杂系统模糊辨识方法【J 自动化学报，2 0 0 6，32(5)：6 9 5 7 0 3 6】INB R O N S H T E I N，KAS E M E N D Y A Y E W H a n d b o o ko fm a t h e m a t i c s lM1 N e wY o r k：V a nN o s t r a n dR e i n h o l d，l9 8 5 7】XJZ E N G，MGS I N G H A p p r o x i m a t i o nt h e o r yo ff u z z ys y
23、s t e m s M I M 0c a s e J I E E ET r a n so nF u z z yS y s t e m s，1 9 9 5，3(2)：2 1 9 2 3 5(81夏道行、吴卓人、严邵宗实变函数论与泛函分析，上册【M】北京：人民教育出版社，1 9 7 8，2 1 8 2 2 3 作者简介：王艳芹(19 79 一)，女，硕士，助教，从事神经网络辨识与建模研究。万方数据开放式数控火焰切割机系统设计与开发开放式数控火焰切割机系统设计与开发作者：赵海军，徐家宁，孙旭东，ZHAO Hai-jun，XU Jia-ning，SUN Xu-dong作者单位：赵海军,ZHAO Hai
24、-jun(哈尔滨工程机械制造有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150046)，徐家宁,XU Jia-ning(哈尔滨电业局实验所,黑龙江,哈尔滨,150020)，孙旭东,SUN Xu-dong(广州海军保障基地91630部队,广东,广州,510000)刊名：自动化技术与应用英文刊名：TECHNIQUES OF AUTOMATION AND APPLICATIONS年，卷(期)：2007，26(7)被引用次数：0次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.梁桂芳 切割技术手册 19972.张艳萍 开放式热切割控制软件系统的设计 20013.许贤泽.张立英.曾立波 基于运动控制卡的切割控制系统研制期刊论文
25、-武汉大学学报(工学版)2004(06)4.Chuck Sphar visual c+6.0学习指南 19995.康文惠 基于工业PC机的数控火焰切割机控制系统的开发期刊论文-科技情报开发与经济 2003(10)相似文献(7条)相似文献(7条)1.学位论文 彭子龙 基于IPC的数控火焰切割机数控系统开发 2006 本文在叙述了火焰切割机数控技术的发展历史、目前的研究状况以及未来的发展趋势的前提下，弥补传统的专用封闭控制系统的不足，提出了基于工业控制机协同运动控制卡的开放式数控系统参考模型，阐述了开放化数控系统的特点和实现方法。针对数控火焰切割机加工工艺特点，开发了基于IPC的数控火焰切割机数控
26、系统，并对硬件实现和软件系统作了详细的介绍。数控系统硬件采用工业控制机协同运动控制卡的控制模型，以功能可靠的工业控制计算机为硬件基础，结合数控火焰切割机的加工特点，在低投入的基础上，使数控火焰切割机获得较大的加工精度和柔性。数控系统软件采用开放式模块化设计思想，充分利用了Windows丰富的软件资源，应用Visual C+60面向对象的编程语言实现了良好的人机操作界面和方便高效的工作环境。本文提出了二维不规则零件的最小包络矩形算法，解决了同尺寸零件批量加工的自动排料问题，提高了板材利用率和劳动生产率。综上所述，这种新型数控系统具有可靠性高、开放性能好、功能强和成本低等显著特点，具有广阔的应用前
27、景。2.学位论文 陈辉 火焰切割机数控软件系统研究 2006 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，如何开发一套稳定，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WINDOWS操作系统上，采
28、用模块化的设计方法和多线程的结构模式，使用VisualC+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，自动加工，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
29、。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。系统使用了一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。3.学位论文 宋凯 基于ARM的火焰切割数控系统的研究
30、2008 随着嵌入式系统的迅速发展和广泛应用，以PC机为控制主体的开放式数控系统转变为以微处理器为控制主体的数控系统已经成为一种趋势，并取得良好的效果，数控火焰切割机就是一个典型的例子。但是，目前市场上已有的一些火焰切割数控系统，在数据传输、文件管理和人机交互界面等方面都存在一定的缺陷，降低了系统的可靠性、灵活性和操作性。本文研究设计一种基于ARM9(S3C2410)处理器、嵌入LinuX操作系统的火焰切割数控系统，该系统充分利用ARM9处理器高性能、低成本和低功耗等优点和Liflux操作系统强大的管理能力。数控系统以S3C2410处理器为核心，使用TFTLCD作为系统的显示屏，使用触摸屏和按
31、键作为系统输入，用户可通过USB接口把U盘中的G代码文件传输到数控系统。在Linux操作系统上运行类似于Windows界面环境的MiniGUI图形用户系统，实现数控系统的配置、零件的G代码编程和图形编程以及切割过程的自动控制等功能；利用插补算法，将G代码或图形代码转换为平面图形插补的脉冲信号，通过步进电机细分驱动器，控制两相混合式步进电机完成切割运动。本文在研究嵌入式系统的相关技术及火焰切割系统的原理结构的基础上，首先根据系统需求选择以ARM9 S3C2410处理器为核心的硬件平台，设计外部设备的驱动电路，建立开发所需要的软件环境；然后在Linux系统上进行MiniGUI的移植，设计人机交互界
32、面，编写步进电机的驱动程序；最后简述平面插补的计算方法并给出直线插补和圆弧插补的递推公式，讨论步进电机快速移动时的加减速控制方法以及自动切割过程中的稳速控制。经过测试，本设计在完成数控系统基本功能的基础上，弥补了原系统在数据传输和文件管理上的缺陷，建立更友好的人机界面，增强了系统的可靠性和操作性。4.期刊论文 王运.黄大贵.杨天文.WANG Yun.HUANG Da-gui.YANG Tian-wen 开放式数控切割机神经网络误差补偿研究-电子科技大学学报2007,36(2)分析了影响数控火焰切割机加工精度的主要因素,利用开放式数控系统的软件开放性,提出了采用IGCAQBP学习算法的神经网络方
33、法来对包括金属热变形、机械传动误差等非线性因素在内的多种因素造成的加工误差进行误差补偿,设计了嵌入开放式数控系统中的神经网络误差补偿器,给出了实用的补偿器使用方法,并对误差补偿功能进行了扩展,仿真结果和实际应用表明该方法稳定有效.5.学位论文 郭贵福 开放式热切割机数控软件系统的研究 2003 该文在叙述了火焰切割机数控技术的发展历史、目前的研究状况以及未来的发展趋势的前提下,结合哈尔滨焊接切割成套设备公司开放式热切割机系统的研究课题,针对传统的专用封闭控制系统的不足提出了基于工业微机基础上的开放式数控系统参考模型,阐述了开放化数控系统的特点、开放化途径、方法和形式.文中对数控热切割机的软件系
34、统做了较为全面的分析,探讨了windows系统的多任务功能在切割机(上位机)软件系统中的重要作用,分析了切割机多任务系统.以数控切割机的数据处理流程为核心,对系统的数据处理过程进行了全面的分析和阐述,并根据这个核心的需要将控制系统的各个基础模块给予确定.该文对系统的功能定义和实现也进行了必要的阐述.6.期刊论文 郭艳玲 开放式火焰切割机数控系统的软件功能设计-机床与液压2004(12)分析火焰切割机的工艺特点,论述了系统功能的设计原则,在此基础上设计火焰切割机开放式数控系统的软件功能,划分功能模块并描述其层次结构.7.学位论文 刘涛 多自由度切割机器人的控制系统设计与实现 2005 本文以实际的工程项目为背景，完成了小直径开孔数控火焰切割机和管端数控火焰切割机的控制系统设计，分别实现了在圆柱型耐压壳体上开相贯圆孔，及管端相贯线的切割。小直径开孔数控火焰切割机的控制系统是基于MCU的嵌入式系统，使用高性能单片机及外围扩展电路实现了对四自由度步进电机的控制，该系统具有参数输入，显示，远控等功能。管端数控火焰切割机的控制系统是基于PC的开放式数控系统，以工业控制计算机为通用的硬件平台，选择了基于ISA总线的三轴运动控制板，及输入输出板卡，完成了该数控系统硬件平台的设计。本文链接：http:/