基于Trio的火焰切割機開放式數(shù)控系統(tǒng)研究*

張生芳 毛俊峰 王毅 解明君 王偉國

（①大連交通大學，遼寧大連116028;②大連奧拓股份有限公司，遼寧大連 100107）

數(shù)控火焰切割機是一種利用燃氣的熱能對金屬板材進行切割加工并利用數(shù)控裝置控制機床的切割軌跡的熱切割設備。廣泛應用于汽車、船舶、壓力容器等制造行業(yè)中［1］。特別是，在汽車白車身焊裝生產(chǎn)線裝備制造過程中是必不可少的重要裝備。本文構(gòu)建了一種基于工控機IPC和Trio運動控制器的開放式火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)，設計了控制系統(tǒng)的軟硬件?；诿嫦?qū)ο蟮腃#語言和Motion Perfect2軟件開發(fā)了控制系統(tǒng)的軟件功能模塊，并利用該系統(tǒng)進行了實際加工試驗。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)總體方案

開放式火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)采用基于工控機IPC+Trio MC206多軸運動控制器的模式構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。其中，所用的火焰切割機床采用門式結(jié)構(gòu)，機床橫向主橫梁（X軸）導軌上安裝有主、從兩個割炬機頭，主割炬機頭由X軸交流伺服電動機直接驅(qū)動沿機床橫向?qū)к夁\動，從割炬機頭無X軸向運動驅(qū)動電動機，在需要雙割炬機頭切割的場合通過鋼帶連接使從割炬機頭與主割炬機頭做同步運動?；鹧媲懈顧C頭沿機床縱向（Y軸）導軌方向的運動由交流伺服電動機精確驅(qū)動控制。主、從機頭的升降由步進伺服電動機驅(qū)動，升降量以人工手動調(diào)整為主。

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

根據(jù)開放式火焰切割機數(shù)制系統(tǒng)硬件各部分功能的不同，可將其分為操作監(jiān)控單元、運動控制單元和機床本體三個部分，如圖1所示。

2.1 操作監(jiān)控單元

操作監(jiān)控模塊是操作人員完成人機交互，實現(xiàn)對數(shù)控火焰切割機的相關控制操作和運行狀態(tài)監(jiān)控的唯一平臺。其主要包括兩部分:上位機和操作面板。工業(yè)級IPC既具有普通PC機的開放式結(jié)構(gòu)和軟硬件資源，又能在工業(yè)環(huán)境下可靠運行。因此本系統(tǒng)選用工業(yè)級IPC作為控制系統(tǒng)的上位機，運行上位管理軟件，實現(xiàn)人機界面管理、控制系統(tǒng)參數(shù)設置、指令發(fā)送、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、機床坐標顯示、切割軌跡跟蹤等系統(tǒng)管理功能。操作面板上集成有火焰切割機床的一些實時操作功能模塊，如主、從割炬機頭的手動升降，切割閥的開關控制等。對操作面板的操作將改變24 V開關量控制信號的狀態(tài)，可實時發(fā)送相關控制信號，實現(xiàn)相應控制功能。

2.2 運動控制單元

運動控制單元包括運動控制器（下位機）、交流伺服系統(tǒng)和步進伺服系統(tǒng)。下位機采用Trio MC206型多軸運動控制器，它采用高性能32位DSP技術，伺服運算周期不超過1 ms，最多可同步控制四個步進軸或伺服軸的運動?？刂破鲀?nèi)嵌式PLC功能可同步實現(xiàn)256個開關量的輸入輸出控制，如操作面板上的控制按鈕信號、機床各軸行程開關信號、控制柜中接觸器信號、電磁閥開關控制信號、各伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)信號的輸入輸出等。控制器具有開放式結(jié)構(gòu)，通訊接口多樣、功能豐富、使用簡單，是實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)實時控制的核心，在系統(tǒng)中負責完成數(shù)控系統(tǒng)插補運算、伺服脈沖輸出分配、I/O信號的輸入輸出檢測和控制等強實時性任務。并將運算處理結(jié)果實時輸出至驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)和相關外圍設備，實現(xiàn)對火焰切割機的切割控制［3］。交流伺服系統(tǒng)是火焰切割機實現(xiàn)XY平面切割軌跡運動的驅(qū)動裝置。本文選用MINAS A4交流伺服系統(tǒng):火焰切割機X軸、Y軸均選用功率為750 W的MHMD082P1C型交流伺服電動機驅(qū)動，與之適配驅(qū)動器型號采用MCDDT3520003。伺服驅(qū)動器采用位置控制方式，X軸、Y軸伺服驅(qū)動器分別接受控制器0軸和1軸輸出的脈沖控制信號:指令脈沖PULSE+指令方向SIGN。指令脈沖的個數(shù)和頻率分別控制電動機的轉(zhuǎn)動角度和速度，指令方向控制電動機的轉(zhuǎn)向［2］。伺服系統(tǒng)根據(jù)控制器輸出的脈沖控制信號與電動機位置編碼器反饋信號比較的差值實現(xiàn)伺服電動機運動的精確定位。由于火焰切割機主、從割炬機頭的升降控制精度要求不高，且在切割過程中以手動方式調(diào)整升降高度為主，因此采用步進伺服系統(tǒng)驅(qū)動。對應的脈沖控制信號由控制器的2和3號軸發(fā)出。

Trio MC206運動控制器外部接口及其與交流伺服驅(qū)動器之間的接線方式分別如圖2和圖3所示。脈沖控制信號由運動控制器0～3號軸脈沖輸出端輸入驅(qū)動器，其中0、1號脈沖輸出端分別與X、Y軸交流伺服驅(qū)動器相連，2、3號脈沖輸出端與主、從步進伺服驅(qū)動器相連。運動控制器內(nèi)置使能繼電器（WDOG）端口與交流伺服驅(qū)動器使能信號線（29 SRV－ON）相連，通過WDOG=ON控制指令控制伺服驅(qū)動器的使能。此外伺服準備輸出（SRDY+）、伺服報警輸出（ALM+）、伺服報警清除（COIN+）等信號可由I/O端輸入控制器。

在運動控制單元中，切割程序中的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機導入下位機Trio MC206控制器中。控制器根據(jù)程序數(shù)據(jù)執(zhí)行插補運算并輸出脈沖控制指令，控制火焰切割機自動完成對工件的切割加工。

2.3 機床本體

火焰切割機機床本體是控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行機構(gòu)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下執(zhí)行切割任務，完成金屬板材的切割加工。數(shù)控系統(tǒng)控制交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動機床沿X、Y軸精確按照NC程序?qū)崿F(xiàn)預定切割軌跡的運動以及主從機頭的升降。系統(tǒng)內(nèi)嵌式PLC功能完成燃氣電磁閥門的開關邏輯控制，實現(xiàn)預熱、穿孔、切割等功能，最終將金屬板材切割成需要的工件形狀。

3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)構(gòu)建的火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)硬件體系的結(jié)構(gòu)和性能特點，數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采用前后臺型模式［4－5］。根據(jù)所實現(xiàn)功能的實時性相對強弱的不同，將控制系統(tǒng)軟件分為上位機管理軟件和下位機底層控制程序兩部分，其實現(xiàn)的具體功能如圖4所示。

上位機管理軟件是在Visual Studio 2008環(huán)境下采用面向?qū)ο蟮腃#語言開發(fā)的。開發(fā)時，應首先在PC上安裝Trio PC ActiveX控件。該控件中包含有與Trio MC206控制器進行通訊的各種方式以及豐富的運動控制和邏輯控制函數(shù)。通過在上位機管理軟件開發(fā)項目中添加該控件，即可根據(jù)軟件開發(fā)的功能要求調(diào)用控件中的功能函數(shù)，實現(xiàn)上位機管理軟件與控制器的通訊和相關操作。上位機管理軟件作為后臺管理程序，主要完成人機交互、加工程序管理、系統(tǒng)管理和監(jiān)控、雙CPU通訊、運行狀態(tài)顯示等實時性要求不高的功能。

下位機底層控制程序的功能為前臺程序負責實時控制，運行在Trio MC206控制器中，完成加工程序解釋、插補運算、伺服驅(qū)動、速度控制、I/O邏輯控制等強實時性任務。底層控制程序在Trio公司提供的控制程序集成開發(fā)環(huán)境Motion Perfect2軟件中采用Trio Basic語言編寫和調(diào)試，實現(xiàn)火焰切割機的所有運動控制和邏輯控制功能。Trio運動控制器具有多程序同時運行機制，可最多同時運行8個進程，故可根據(jù)功能要求不同，將底層程序設置成不同的子程序模塊循環(huán)執(zhí)行，并以特定全局變量VR（）的值或某個I/O狀態(tài)的變化作為是否執(zhí)行該子程序功能的判斷條件。

3.2 軟件主要功能模塊

根據(jù)開放式火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和特點，可將其軟件根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，可歸納為以下6個功能模塊，分別闡述如下。

（1）上、下位機通訊模塊

通過調(diào)用Trio PC ActiveX控件中的通訊功能函數(shù)Open（PortType，PortMode）實現(xiàn)上下機的通訊連接，完成上下位機之間數(shù)據(jù)流和信息流的傳輸和交換。

（2）圖形信息輸入模塊

該模塊中的圖形信息以NC文件（以G代碼編寫）的形式導入上位機管理軟件中，NC文件由Fast CAM火焰切割機套料編程軟件自動生成。在人機界面中會以圖形的形式顯示NC文件中的待加工程序，用戶可通過圖形直觀了解需要切割的金屬工件形狀。

（3）NC代碼處理模塊

該模塊中，對NC代碼進行譯碼和割縫補償。譯碼模塊將逐行把G代碼中的準備功能字和尺寸字均以數(shù)據(jù)表示（如準備功能字G01以11111表示，G02以22222表示），并且尺寸字將根據(jù)用戶輸入的割縫補償值生成經(jīng)補償后的新的尺寸數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)按順序一起導入Trio MC206運動控制器中的Table（）表格中。自動加工時根據(jù)Table（）表格中的數(shù)據(jù)值執(zhí)行相應的運動和位移，實現(xiàn)自動切割控制。

（4）手動操作模塊

手動操作模塊主要負責機床X、Y軸位置的手動調(diào)整，回零操作，主、從割炬升降位置的實時手動調(diào)整，電磁閥開關的手動控制等功能。

（5）自動加工和仿真模塊

自動加工模塊可以實現(xiàn)正向切割、按原軌跡反向切割、暫停、隨時改變加工速度等功能。仿真模塊可以在程序運行、電動機不轉(zhuǎn)動的情況下實現(xiàn)加工過程的模擬并繪圖，可用以檢驗NC代碼處理過程中導入控制器Table（）表格中的切割數(shù)據(jù)是否準確無誤。

（6）狀態(tài)顯示模塊

該模塊實時顯示機床當前的反饋信息，主要包括更新和顯示機床和工件的當前坐標值、實際切割速度、切割狀態(tài)、當前加工程序文件名等，并且在主顯示界面中根據(jù)反饋的當前坐標位置進行繪圖。正常切割狀態(tài)下，實時繪制的圖形與導入的圖形將會重合。

4 開放式數(shù)控系統(tǒng)的加工實例

開放式火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)與機床本體經(jīng)安裝、集成調(diào)試完畢后，下面通過一個加工實例來驗證該系統(tǒng)的可靠性。

圖5為該數(shù)控系統(tǒng)的人機界面，人機界面提供了對火焰切割機的各種控制操作。人機界面中綠色實線繪制的圖形為本實例導入的NC加工文件中待切割工件的形狀。黃色實線為火焰切割機加工過程中根據(jù)下位機反饋的機床實際位置實時繪制的圖形。自動切割過程中，黃色實線將實時的顯示切割的當前進度，機床實際的切割狀態(tài)與黃色實線的顯示一致，用戶可以通過比較了解此次切割任務完成的情況。

圖6為機床實際切割工件的實際照片，從圖中可以看到機床切割出來的工件與NC加工文件完全一致，表明該數(shù)控系統(tǒng)可滿足火焰切割機的控制要求。

5 結(jié)語

本文研發(fā)了基于工控機IPC+Trio MC206運動控制器的開放式火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)，進行了詳細的控制系統(tǒng)軟硬件設計，并通過實際加工試驗進行了驗證。實踐應用表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，而且系統(tǒng)人機界面友好、操作簡單、開發(fā)周期短、控制精度高、開放性好，能夠滿足火焰切割機的控制要求，可有效提高汽車白車身焊裝裝備的加工效率，顯著降低制造成本。

［1］趙海軍，徐家寧，孫旭東.開放式數(shù)控火焰切割機系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.自動化技術與應用，2007（7）:97－99.

［2］Trio Motion Technology Ltd..Trio技術手冊［Z］.上海:Trio Motion Technology Ltd.，2006.

［3］郭慶鼎，孫宜標，王麗梅.現(xiàn)代永磁電動機交流伺服系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］章聲.基于PMAC的數(shù)控火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.航空制造技術，2004（4）:74－76.

［5］劉偉，簡毅，張建飛.三棱形磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)與研究［J］.制造技術與機床，2009（6）:34－37.