異型材激光切割機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟祥民 姜濤

摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外異型材激光切割機(jī)大都采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可擴(kuò)展性差的封閉式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn)。提出了以工業(yè)控制機(jī)為控制核心，“IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的開放式激光切割機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制卡選用美國(guó)Dault Tau公司生產(chǎn)的高性能產(chǎn)品PMAC2-PCI，充分利用IPC信息處理能力與PMAC運(yùn)動(dòng)控制能力，提高系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)軟件是在Windows操作系統(tǒng)上，以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)而來。主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制和通信模塊的開發(fā)，并提出了通過Active X自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信方法。結(jié)果表明，所開發(fā)系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)周期短，操作維護(hù)方便的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：異型材 激光切割 控制系統(tǒng) PMAC

中圖分類號(hào)：TG485 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（c）-0020-02

異型材由于造型美觀，結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度特性好等特點(diǎn)，被廣泛用作屋架、桁架、剛架、龍骨、乃至容器、管道等[1]。在管材加工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到管管相交情況，過去相貫線加工主要由人工完成，效率低下，加工質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)今大多采用數(shù)控切割機(jī)。由于激光切割具有切割無噪聲、切縫垂直度好、割縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切割過程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此，被廣泛應(yīng)用于各種異型材切割?？刂葡到y(tǒng)是激光切割機(jī)核心，對(duì)加工質(zhì)量起關(guān)鍵性作用，然而我國(guó)激光切割機(jī)控制系統(tǒng)大多引用國(guó)外產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，自主性差，且國(guó)外激光切割機(jī)控制系統(tǒng)大多都采用封閉式結(jié)構(gòu)，開放性差，因此有必要對(duì)激光切割機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 控制系統(tǒng)選型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種類型的開放式控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，目前正朝標(biāo)準(zhǔn)化開放體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)。就結(jié)構(gòu)形式而言，控制系統(tǒng)大致可分為4種類型[3]。

1.1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

如FANUCO系統(tǒng)、MITSUBISH M50系統(tǒng)、Siemens810系統(tǒng)等。它是利用專門的軟件開發(fā)工具開發(fā)而來，這種系統(tǒng)功能擴(kuò)展性差、改裝和維修都需求助于專門供應(yīng)商。至今，這種數(shù)控系統(tǒng)仍占據(jù)大部分市場(chǎng)。但是由于開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍正逐步縮小。

1.2 “PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開放式系統(tǒng)

如FANUC18i系統(tǒng)、Siemens 840D系統(tǒng)、Num1060等數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)是在保留原來核心技術(shù)的前提下，利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源開發(fā)而來。盡管此類系統(tǒng)功能強(qiáng)大且具有一定的開放性，但是由于它的NC部分仍是傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，故其整體體系結(jié)構(gòu)還是不開放的，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)核心。況且此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

1.3 “NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式系統(tǒng)

它是由PC機(jī)+開放式運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU，運(yùn)算處理速度非常快，可單獨(dú)使用。其開放的函數(shù)庫可供用戶在Windows平臺(tái)下自行開發(fā)所需控制系統(tǒng)，此類系統(tǒng)開放性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

1.4 SOFT型開放式系統(tǒng)

這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，硬件由計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備通用性接口相連組成。用戶可在WindowsNT平臺(tái)上，利用開放的CNC內(nèi)核，開發(fā)各種所需功能，從而構(gòu)成各種類型的高性能控制系統(tǒng)。與前幾類相比，此類系統(tǒng)具有較高性價(jià)比，但是由于它完全由軟件實(shí)現(xiàn)，處理速度相對(duì)偏低。

綜合以上分析，控制系統(tǒng)采用“NC嵌入PC”的開放式硬件結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有可互操作性、可移植性、可伸縮性、可互換性的特點(diǎn)。以工業(yè)PC機(jī)作為CNC系統(tǒng)的核心，可充分利用工業(yè)控制機(jī)軟、硬件資源，使開放式系統(tǒng)具有強(qiáng)大的生命力，性價(jià)比高。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

組成該控制系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)PC機(jī)、PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服系統(tǒng)。其中工業(yè)PC機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，它承擔(dān)著切割類型選擇、參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)通信、切割程序生成等任務(wù)。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，將從工業(yè)PC機(jī)獲得的指令解析，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制算法，進(jìn)而將指令發(fā)送給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)控制。PMAC還可接收編碼器采集來的機(jī)床位置、速度信息，并向工業(yè)PC機(jī)實(shí)時(shí)返回采集到的數(shù)據(jù)信息。它還具有豐富的I/O接口，可與控制面板和繼電器相連。控制面板可以手動(dòng)調(diào)整機(jī)床位置，也可實(shí)現(xiàn)機(jī)床啟動(dòng)、暫停等功能。繼電器可控制輔助氣體、冷卻水和激光器的通與斷[4]。

工業(yè)控制機(jī)選用臺(tái)灣研華IPC-610L系列，主板型號(hào)為PCA-6010VG，CPU為E5300 2.6G，硬盤容量500G，內(nèi)存2G。此工控機(jī)采用具有較高防塵、防磁、防沖擊能力的鋼結(jié)構(gòu)機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)部配有抗干擾專用電源和PCI、ISA插槽的專用底板，具有連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的能力。相比同類型工業(yè)控制機(jī)，具有較高性價(jià)比。

運(yùn)動(dòng)控制卡采用的是美國(guó)Delta Tau公司生產(chǎn)的PMAC2-PCI系列，它采用Motorola公司生產(chǎn)的高性能信號(hào)數(shù)字處理器DSP56003作CPU，具有較好的速度、帶寬和分辨力指標(biāo)，其伺服周期單軸可達(dá)60μs，二軸聯(lián)動(dòng)為110μs?？稍试S同一控制軟件在三種不同總線上運(yùn)行，提供了多平臺(tái)的支持特性，并可分別配置各個(gè)軸伺服和反饋類型，多用于較高性能的運(yùn)動(dòng)控制。

此PMAC卡可獨(dú)立或聯(lián)動(dòng)控制高達(dá)八軸，本系統(tǒng)所用伺服電機(jī)數(shù)量為5個(gè)，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)均選擇控制精度高的日本松下產(chǎn)品。運(yùn)動(dòng)控制器提供了3次樣條曲線插補(bǔ)和PTV 模式保證運(yùn)動(dòng)軌跡的精確性，它還提供了優(yōu)良的加減速控制，用來平衡高的加速度，使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括3個(gè)模塊：運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和上下位機(jī)通信模塊[5]。

運(yùn)動(dòng)控制模塊主要完成對(duì)各個(gè)軸的插補(bǔ)控制，數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)位置、速度的采集及機(jī)床限位信息采集，通信模塊完成板卡初始化、開板卡、發(fā)指令、上載和下載運(yùn)動(dòng)程序、關(guān)板卡等功能，以此實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信。

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)主要是利用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)據(jù)采集功能將采集到的各個(gè)軸的位置信息以通知器的形式發(fā)送，通知器可向一個(gè)或多個(gè)并行任務(wù)傳送數(shù)據(jù)。多軸運(yùn)動(dòng)控制卡有兩種方式采集數(shù)據(jù)：觸發(fā)方式和非觸發(fā)方式，其中上升沿可引起觸發(fā)方式觸發(fā)。運(yùn)動(dòng)控制卡將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到通知器，通知器再以每秒10次的速率在端口以廣播方式發(fā)送機(jī)床位置信息。

運(yùn)動(dòng)控制功能是由PMAC執(zhí)行在線指令和運(yùn)動(dòng)控制程序?qū)崿F(xiàn)的，其中在線指令只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制，如返回原點(diǎn)。而運(yùn)動(dòng)控制程序可以做一些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制，比如圓弧運(yùn)動(dòng)、正弦運(yùn)動(dòng)等。在線指令和運(yùn)動(dòng)控制程序的執(zhí)行有兩種方式：第一，是安裝PMAC廠家提供的執(zhí)行軟件PEWin32，然后通過相應(yīng)的通信接口建立工業(yè)控制機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡的連接，由此即可在該軟件的命令窗口發(fā)送在線指令和運(yùn)動(dòng)控制程序；第二，是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，由PCI總線建立工業(yè)控制機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信聯(lián)系，發(fā)送在線指令或下載運(yùn)動(dòng)控制程序到運(yùn)動(dòng)控制卡。在運(yùn)動(dòng)控制程序編寫時(shí)，首先要定義坐標(biāo)系及該坐標(biāo)系下的電機(jī)，從而建立兩者的匹配關(guān)系；其次要按規(guī)定的語法規(guī)則編寫程序，根據(jù)所需的運(yùn)動(dòng)要求選擇相應(yīng)的指令和參數(shù)，最后將編寫好的程序下載到PMAC中。

上下位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)采用上位機(jī)編程軟件LabVIEW提供的強(qiáng)大外部程序接口（Active X自動(dòng)化技術(shù)）調(diào)用PMAC提供的服務(wù)器程序PcommServer實(shí)現(xiàn)。底層服務(wù)器PcommServer提供了很多和PMAC交互的函數(shù)，設(shè)計(jì)中主要用到了初始化板卡、開板卡、關(guān)板卡、發(fā)命令、下載運(yùn)動(dòng)程序等函數(shù)。初始化板卡完成PMAC在上位機(jī)的注冊(cè)，開板卡實(shí)現(xiàn)通信模塊開啟。如果開板卡成功，服務(wù)器就可向PMAC發(fā)送指令、接收PMAC返回信息或下載運(yùn)動(dòng)程序到PMAC。當(dāng)開板卡失敗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)返回打開設(shè)備失敗信息。工業(yè)控制機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制板卡通信的方法實(shí)際上是通過客戶端調(diào)用服務(wù)器城實(shí)現(xiàn)的：其中LabVIEW作為自動(dòng)化客戶端，運(yùn)動(dòng)控制卡提供的函數(shù)作為自動(dòng)化服務(wù)器。

4 結(jié)語

以工業(yè)控制機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為系統(tǒng)主要硬件，以LabVIEW作為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)，利用LabVIEW圖形化編程語言的易操作性及其可調(diào)用Active X等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMAC二次開發(fā)，充分利用了工業(yè)控制機(jī)信息處理能力強(qiáng)和運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)算控制速度快的特點(diǎn)，完成激光切割機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、開放性高、開發(fā)周期短和易于操作的特點(diǎn)。

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