PC机的数控火焰切割机的开发过程
jic35导读：数控火焰切割机就是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧气流使预热处的金属燃烧并放出热量实现切割的方法。近年来，随着工业pc机性能的快速发展，以工业pc机为核心的控制系统已广泛被工业控制领域所接受。在机床控制领域，采用工业pc机，发展通用的数控系统，已成为研究的热点，符合数控技术发展的潮流。工业pc机与pc机兼容，因此可以吸收pc机发展的成果，从而简化数控系统的开发过程，缩短数控系统的开发周期，提高产品的竞争力。
1数控火焰切割机加工工艺特点
数控火焰切割机具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序，自动完成从点火-预热-通切割氧-切割-熄火-返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧-乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板进行切割，而不像金属切削机床那样，是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。由于各种因素的影响，有时会发生钢板未割穿的现象，此时割炬应暂停下来按原轨迹准确地返回到未割穿点，再按原轨迹重新切割，因此数控火焰切割机必须具有随时实现暂停及按原轨迹返回的功能。
2数控系统硬件设计
组成该数控火焰切割机数控系统的硬件框图，主要包括工业pc机、运动控制卡和伺服系统。其中工业pc机是数控系统的核心，它担负着切割机运动轨迹的计算（粗插补）以及对整个系统管理的任务。运动控制卡插在工业pc机的扩展槽中，它一方面与伺服系统相连，实现对切割机运动轨迹的控制（精插补）；另一方面与机床控制面板及控制气源的继电器相连，通过控制面板，可以调整机床的位置，指令机床启动、暂停或沿原切割轨迹返回，还能实现切割速度的加速与减速；通过继电器，可以控制氧气和乙炔气体的开关。伺服系统可以选择步进伺服系统或数字式交流伺服系统。
运动控制卡由自己设计，它主要包括译码电路、振荡电路、i／o端口电路、脉冲控制电路、中断电路以及光电隔离输入输出电路。其中译码电路为运动控制卡提供一个接口地址段，通过拨码开关可以更改该地址段的范围；振荡电路为运动控制卡上的脉冲控制电路提供一个固定频率的脉冲源；i/o端口电路由两片8255并行口芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信号及输入机床按钮信号；脉冲控制电路由两片8254计数器组成，每片8254计数器分别控制一个轴的伺服电机；中断电路是为控制软件提供硬件中断信号而设计的；光电隔离输出输入电路将工业pc机电源和外界电源隔离，减少外界电源对计算机的干扰。
3控制软件设计
控制软件是整个数控系统的灵魂，离开了软件，数控系统便无法运行。根据切割加工工艺的要求，同时又能充分发挥工业pc机的优点，该切割机的控制软件按以下模块化方式来设计。
（1）界面设计
该控制软件的界面分成三个区域：图形仿真跟踪区、状态显示区以及操作说明区。图形仿真跟踪区用于显示数控加工文件所零件的图样，并在切割过程中跟踪割炬的运动轨迹；状态显示区显示切割机目前的状态参数，如切割速度、割炬当前坐标等；操作说明区简要介绍各种功能所对应的热键，如暂停、返回、加减速及点动等功能的热键。热键的功能与操作面板上按钮的功能相同。
（2）系统初始化及切割等待
由于运动控制卡上的8255并行口和8254计数器均属于可编程序芯片，因此，在它们工作前必须对它们进行初始化，按照工作方式确定它们的控制字。在初始化以后，系统便处于切割等待状态，此时可以调整机床的位置、检验自动点火装置以及通气用的电磁阀是否工作正常。
（3）程序检验及图形仿真
当数控加工程序以后，首先要检验输入的数据文件是否符合规定的要求，一旦发现的文件中有非法的指令，则退出控制程序，并提示编程人员哪一行出现哪一种类型的错误，编程人员修改好数控加工程序以后，可继续进入控制程序。如果数控加工程序正确，系统便将读入的数控加工程序经过处理在图形仿真区中画出零件图形，无论零件有多大或多小，系统都能自动按比例缩放。
（4）数控加工程序处理
为了节省计算机在插补过程中的运算时间，在正式插补前对数控加工程序作一些预处理是十分必要的，预处理主要包括长直线段的预处理和圆弧的预处理。由于运动控制卡一次计数的范围有限，因此当长直线段超出计数器的计数范围时，须将长直线段分解成若干段小直线段，防止计数值溢出。又由于运动控制卡不能直接用来对圆弧进行插补，因此必须在误差允许的范围内将圆弧分解成小直线段，这里我们用的是改进吐斯丁（itm）方法，在相同误差范围内，该方法对圆弧的分解是zui为有效的。从实际出发，我们选择zui大的误差为1blu，即eh=er=1blu，则小直线段对应的圆弧夹角α为：
计算出夹角α以后，便可通过几何关系计算出从圆弧起点到终点各小直线段的节点坐标。
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数控火焰切割机具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序，自动完成从点火-预热-通切割氧-切割-熄火-返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧-乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板进行切割，而不像金属切削机床那样，是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。由于各种因素的影响，有时会发生钢板未割穿的现象，此时割炬应暂停下来按原轨迹准确地返回到未割穿点，再按原轨迹重新切割，因此数控火焰切割机必须具有随时实现暂停及按原轨迹返回的功能。
2数控系统硬件设计
组成该数控火焰切割机数控系统的硬件框图，主要包括工业pc机、运动控制卡和伺服系统。其中工业pc机是数控系统的核心，它担负着切割机运动轨迹的计算（粗插补）以及对整个系统管理的任务。运动控制卡插在工业pc机的扩展槽中，它一方面与伺服系统相连，实现对切割机运动轨迹的控制（精插补）；另一方面与机床控制面板及控制气源的继电器相连，通过控制面板，可以调整机床的位置，指令机床启动、暂停或沿原切割轨迹返回，还能实现切割速度的加速与减速；通过继电器，可以控制氧气和乙炔气体的开关。伺服系统可以选择步进伺服系统或数字式交流伺服系统。
运动控制卡由自己设计，它主要包括译码电路、振荡电路、i／o端口电路、脉冲控制电路、中断电路以及光电隔离输入输出电路。其中译码电路为运动控制卡提供一个接口地址段，通过拨码开关可以更改该地址段的范围；振荡电路为运动控制卡上的脉冲控制电路提供一个固定频率的脉冲源；i/o端口电路由两片8255并行口芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信号及输入机床按钮信号；脉冲控制电路由两片8254计数器组成，每片8254计数器分别控制一个轴的伺服电机；中断电路是为控制软件提供硬件中断信号而设计的；光电隔离输出输入电路将工业pc机电源和外界电源隔离，减少外界电源对计算机的干扰。
3控制软件设计
控制软件是整个数控系统的灵魂，离开了软件，数控系统便无法运行。根据切割加工工艺的要求，同时又能充分发挥工业pc机的优点，该切割机的控制软件按以下模块化方式来设计。
（1）界面设计
该控制软件的界面分成三个区域：图形仿真跟踪区、状态显示区以及操作说明区。图形仿真跟踪区用于显示数控加工文件所零件的图样，并在切割过程中跟踪割炬的运动轨迹；状态显示区显示切割机目前的状态参数，如切割速度、割炬当前坐标等；操作说明区简要介绍各种功能所对应的热键，如暂停、返回、加减速及点动等功能的热键。热键的功能与操作面板上按钮的功能相同。
（2）系统初始化及切割等待
由于运动控制卡上的8255并行口和8254计数器均属于可编程序芯片，因此，在它们工作前必须对它们进行初始化，按照工作方式确定它们的控制字。在初始化以后，系统便处于切割等待状态，此时可以调整机床的位置、检验自动点火装置以及通气用的电磁阀是否工作正常。
（3）程序检验及图形仿真
当数控加工程序以后，首先要检验输入的数据文件是否符合规定的要求，一旦发现的文件中有非法的指令，则退出控制程序，并提示编程人员哪一行出现哪一种类型的错误，编程人员修改好数控加工程序以后，可继续进入控制程序。如果数控加工程序正确，系统便将读入的数控加工程序经过处理在图形仿真区中画出零件图形，无论零件有多大或多小，系统都能自动按比例缩放。
（4）数控加工程序处理
为了节省计算机在插补过程中的运算时间，在正式插补前对数控加工程序作一些预处理是十分必要的，预处理主要包括长直线段的预处理和圆弧的预处理。由于运动控制卡一次计数的范围有限，因此当长直线段超出计数器的计数范围时，须将长直线段分解成若干段小直线段，防止计数值溢出。又由于运动控制卡不能直接用来对圆弧进行插补，因此必须在误差允许的范围内将圆弧分解成小直线段，这里我们用的是改进吐斯丁（itm）方法，在相同误差范围内，该方法对圆弧的分解是zui为有效的。从实际出发，我们选择zui大的误差为1blu，即eh=er=1blu，则小直线段对应的圆弧夹角α为：
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