中秋專題：迅鋒EDC主控數控火焰切割機交互係統設計

    介紹了武漢嘉倍徳科技有限公司基於企業數據（jù）中心（Enterprise Data Center/EDC）開發的迅鋒III數控火（huǒ）焰切割機交互係統的（de）軟（ruǎn）件和硬件結構設計。該交互係統除了具有適合於數控火焰切割機工藝特點的控製功能外，還具有圖形編程、仿（fǎng）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。
    針對國內終端用戶企業而言，嘉倍徳科技迅鋒III數控火焰切割機所采用的EDC主控聯接將極大程度降低數據轉換造成的效（xiào）率（lǜ）浪費（fèi），能有效提高企業在由成品拆解為（wéi）零配件設計（jì）、轉編譯為工藝製圖及（jí）車間級排料生產（chǎn）的全程流水線應用整合及匹配，對於企業（yè）規模化及批量化生產應用尤為適用。

一、概述
　　目前國產數控火焰切割機交互係統，采用的主機主要是單板機（jī）、單片機和DOS平台主控係統，其操作係（xì）統存在（zài）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（quán）、編程和操作都方便的（de）交互係統，一是對（duì）舊的（de）數控火焰切割機控製係統進行更新，二是為新的數控火焰切割機進（jìn）行配套。
    隨著企業數據（jù）中心在多個行業的廣泛推廣和普及（jí），企業EDC局域網性能的提高和價格的降低，用EDC開發交互係（xì）統的巨大優越性（xìng）逐漸顯現出來。EDC除了具有更高的可（kě）靠性和（hé）抗幹擾（rǎo）能力（lì）外，和（hé）一般內部局域網不同的是，EDC具備更為獨斷的（de）數據資源（yuán）庫和較高的運行速度、豐富的硬（yìng）件資源(CPU、存儲器、協處理器、軟硬件驅動（dòng）器、串（chuàn）/並行口、中斷、定時器、總（zǒng）線（xiàn）插（chā）槽、顯示器（qì）、鍵盤、電（diàn）源等)、軟件資源(Windows平台以（yǐ）及可（kě）資使用的各種開發軟件（jiàn），如AutoCAD、網絡通訊等)和功能調用，嘉倍徳科技之所以選擇采（cǎi）用基於EDC主控平（píng）台的數控火焰切割機交互係（xì）統設計（jì），除了綜合上述EDC功能優勢外，也充分考慮到EDC所具有開放（fàng）式的體係結構和具有很高的性能價格比。隻要在總線擴（kuò）展槽中插入自行開發或從市場上購置的驅動係統伺服控（kòng）製卡和I/O卡，在充分開發和利用EDC固有功能的基礎上，自行開發控製係統軟（ruǎn）件（jiàn），便可使EDC變成（chéng）能進行實時（shí）多任務（wù）處理、界麵友好和功能強大的交互係（xì）統。而且，隨著EDC的不斷更新換代，用其（qí）開發的（de）交互係統也很容易更新換代。
    本文介紹嘉倍徳科技以EDC為硬件平台（tái）、Windows為軟件平台自行研（yán）製開發的迅鋒III數控火焰切割機交互係統（tǒng）。　　　　

二、數控火焰切割機交互係統的硬件組成
　　數（shù）控火（huǒ）焰切割機機械（xiè）部分主要由（yóu）底（dǐ）座、龍門式移動框架、火焰（yàn）噴頭、傳動機構和三個步進電機組成，以實（shí）現對（duì）平（píng）麵板材零件的切割加（jiā）工。三個步進電機分別控製龍（lóng）門框架的前後（hòu）移動(Y電機)、火焰噴（pēn）頭的左右(X電機)和上下（xià）移動(Z電（diàn）機)，X、Y、Z三軸可以實現聯動控製。
    數控係統以EDC(486以上CPU，8MB以上內存，500MB以上（shàng）硬盤)作為主機，除了EDC的固有硬件(CPU主（zhǔ）板、TVGA卡、電源)，隻在插槽（cáo）中增加了一塊32位光隔離I/O.TIMER(並行輸入輸出/定時器)卡。由該卡的I/O並行口控製三個步進電機的運行、乙炔（quē）開關（guān）、乙炔點火、切割氧開關以及接收工作（zuò）台的限位行（háng）程開關信（xìn）號、坐標零位信號。由板上的8253定（dìng）時器作為步進電機運行中斷服務程序的中斷定時器，時鍾頻率取2MHz。
    通過計算機的鍵盤實（shí）現對控製係（xì）統的操作。三個移動方向步進電機的（de）脈衝當量均為0.01mm。由於486以上PC機高的（de）運行速（sù）度，完全可以用一個CPU完成從係統程序管理到加工控製的所有工（gōng）作，沒有（yǒu）必要采用上、下位機的多CPU結（jié）構。　　

三、數控火焰切割機交（jiāo）互（hù）係統軟件結構

　　1.軟（ruǎn）件（jiàn）組成
　　該交互係統不但包含了（le）普通交互係統的所有功能，而且還具有（yǒu）切割前自動點火（huǒ）、預熱（rè）、通切割氧、加工終結熄火，以及加工中割炬按加工軌跡（jì）快（kuài）速回退和前進等（děng）適（shì）合其工藝（yì）特點（diǎn）的功能。除此之外（wài），係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（jì）動態（tài）跟蹤顯示、加工（gōng）軌跡（jì）動態模擬仿真、故障診斷、加工程序通訊傳輸等多種功（gōng）能。在這些功能中，割炬按加工軌跡快速回退（tuì）和前進功能，是為適應加工過程中時常發（fā）生的鋼（gāng）板個（gè）別部位切不透現象而增加（jiā）的。在這一（yī）現象出現時，隻要按（àn）下（xià）快速（sù）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（jìn）行切割。圖2所示（shì）為該交互（hù）係統軟件的模塊結構。由於該係統軟件是在Windows界麵下開發的，因此它具有Windows程序的所有優點：突破（pò）64kB內存的（de）限製，可以同時運行多個應用程序(實時多任務)，方便於鍵盤和鼠標窗口操作等。

　　2.編程方式
　　該係統軟（ruǎn）件提供的編程方式有三種：圖（tú）形編程，仿形編程（chéng），手工編程（chéng）。手工編程隻是圖形編程和仿（fǎng）形編程中的（de）一個功能模塊，即全屏（píng）幕程序編輯，所以沒有在軟件框圖中單列。
　　2.1 圖形編程
　　該係統的圖形編程模塊是在AutoCADR12.0的（de）基礎上開（kāi）發完成的，除了具備AutoCADR12.0所有的功能外，主要（yào）增加了兩個功能：
    2.1.1 自動編程功能——將（jiāng）用AutoCAD生成（chéng）的圖形文件進行加工軌跡(直線、圓、圓（yuán）弧、橢圓、折線)的信息（xī）提取、路徑優化(目的是減少空行程)並轉化成相應的加工程序，並能在加工軌跡中（zhōng）前後不連接的曲線之間加進空運行指令。在這裏為了使加工的路（lù）徑更符合（hé）加工工（gōng）藝的要求（qiú），可以用人（rén）機（jī）交互的方式進行（háng）部分或（huò）全部路徑的選取；
    2.1.2 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繪製的圖形，空運行軌跡也能以特定顏（yán）色的線條顯示出來。這樣編程（chéng），操作人員就可以很容易（yì）地檢查判（pàn）斷加工程序和加工路（lù）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交互（hù）係統功能強大（dà）的編程（chéng）器，使之成為該交互係統的一大特點。　　
    2.3 仿形編程（chéng）
　　對於沒有尺寸標注，但（dàn）有（yǒu）輪廓圖樣的工件（jiàn），可用仿形編程的方（fāng）式來實現（xiàn）對它的編程。程序的編（biān）製過程為：
    2.2.1 對輪廓圖樣用掃（sǎo）描儀進行掃描輸入，並形成二（èr）值圖像（xiàng）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，然後在圖像編輯軟件上進（jìn）行拚接；
    2.2.2 平滑降噪，同時對（duì）斷線進行修補；
    2.2.3 細化處理，得（dé）到輪廓線圖像；(4)按給定的精（jīng）度進行矢量化處（chù）理，並生成DXF圖形文件。形成圖形（xíng）文件（jiàn）後（hòu），就可用上麵開（kāi）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（tú）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（jì）圖形的預覽，可（kě）以讓操作（zuò）者從眾多（duō）的加（jiā）工程序中找到要選取的程序；另一個是顯示加工軌（guǐ）跡圖形相（xiàng）對於（yú）工作（zuò）台的（de）大小和位置，同時顯示在X方向和Y方向的兩個（gè）最大加工尺寸，這樣可以讓操作（zuò）者直觀地了解加（jiā）工的尺寸和加工的運行範圍。加工程序快速圖（tú）形顯示隻顯示加工軌跡，不顯示（shì）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（chéng）序有無語法錯誤，另一個是檢查加工的路徑（jìng）是否正（zhèng）確合理、是否符合加工工藝（yì）的（de）要求。動態模擬仿真（zhēn）不僅顯示加（jiā）工的軌跡，也顯示（shì）空運行的軌跡(顏色不同（tóng）)，同時還伴有坐標翻轉顯示（shì），在（zài）動態模擬的過程中，操作者可以完（wán）全像實際運行一樣作暫（zàn）停、繼續和單段運行等控製，速（sù）度（dù）也可以隨時進（jìn）行調（diào）節，可（kě）以得到加工的更全麵的信息，判（pàn）斷加工程序的正（zhèng）確性和合理性。
　　如果加工程序不符（fú）合（hé）加工工藝的要求，係統（tǒng）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（huí）到AutoCAD狀態進行重新編輯。加工程序轉化成（chéng）AutoCAD的（de）DXF格（gé）式文件時（shí），加工軌跡和空運行軌跡是以不（bú）同的圖層和不（bú）同的顏（yán）色進行（háng）處（chù）理的。這一（yī）功能為加工程序的修改提供了極（jí）其有利的（de）條件。

　　4.其它
　　加工運行（háng）控製程序，采用（yòng）了常用的前後台程序結構。其中，後台（tái）程序負責控製（zhì）端口的初始（shǐ）化，加工程序的解釋預處理（lǐ），程序運行過程的暫停、繼續、單段停、點火、預熱、通切割氧、熄火的控製，速度的調節，加工軌跡（jì）動態跟蹤顯（xiǎn）示和坐標值動（dòng）態翻轉（zhuǎn）顯示，割炬快速按運行軌跡（jì）返回和前進等；前台中斷服務程序負責對定時器中斷時間（jiān）常數的（de）修改（gǎi），插補運算，步進電機控製信號的輸（shū）出等。

四、結論
　　加工過程中的快速回退和前進功能，使得該控製係統更加適合火焰切（qiē）割的工藝特點；圖形編程、仿形編程、動態模擬（nǐ）仿（fǎng）真等功能，為（wéi）數（shù）控（kòng）火焰切（qiē）割機（jī）加工程序的編製、檢查帶來了極大的方便；人（rén）機交互的漢字（zì）操作界麵，增加了係統的可操作性；實時（shí）多任務處理的功能，使該交互係統（tǒng）在進行（háng）加工控製的同時（shí），可（kě）以進（jìn）行其它的（de）處理工作；新的插補方法的采用，使得係統（tǒng）能對二次（cì）拋物線（xiàn）、橢圓（yuán）、雙曲線（xiàn）也可以進行直接插補，增強了係統的插補計算功能，減少（shǎo）了這類曲線程序編製的難度。總（zǒng）之，該係統的研製成功，為國產數控火焰（yàn）切割機（jī）控製係統（tǒng）檔次的提高向前邁進了（le）一步。
　　另外，該控製（zhì）係統具有一定（dìng）的通用性，除了用於數控火焰切割機外，隻作少量修改，就可用作水射流切割、激光切割等機床的控製係統（tǒng）。

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