異型材激光切割機控制系統設計

孟祥民 姜濤

摘 要：針對目前國內外異型材激光切割機大都采用結構復雜、可擴展性差的封閉式控制系統結構這一特點。提出了以工業控制機為控制核心，“IPC+運動控制卡”的開放式激光切割機控制系統結構。運動控制卡選用美國Dault Tau公司生產的高性能產品PMAC2-PCI，充分利用IPC信息處理能力與PMAC運動控制能力，提高系統的性能。系統軟件是在Windows操作系統上，以LabVIEW為平臺開發而來。主要進行數據采集、運動控制和通信模塊的開發，并提出了通過Active X自動化技術實現上位機和下位機之間的通信方法。結果表明，所開發系統具有可擴展性強、開發周期短，操作維護方便的特點。

關鍵詞：異型材 激光切割 控制系統 PMAC

中圖分類號：TG485 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（c）-0020-02

異型材由于造型美觀，結構、強度特性好等特點，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，經常會遇到管管相交情況，過去相貫線加工主要由人工完成，效率低下，加工質量參差不齊，現今大多采用數控切割機。由于激光切割具有切割無噪聲、切縫垂直度好、割縫細、熱影響區小、切割過程容易實現自動化控制等優點[2]，因此，被廣泛應用于各種異型材切割?？刂葡到y是激光切割機核心，對加工質量起關鍵性作用，然而我國激光切割機控制系統大多引用國外產品，價格昂貴，自主性差，且國外激光切割機控制系統大多都采用封閉式結構，開放性差，因此有必要對激光切割機控制系統進行研究。

1 控制系統選型

隨著計算機技術的快速發展，各種類型的開放式控制系統應運而生，目前正朝標準化開放體系結構的方向前進。就結構形式而言，控制系統大致可分為4種類型[3]。

1.1 傳統控制系統

如FANUCO系統、MITSUBISH M50系統、Siemens810系統等。它是利用專門的軟件開發工具開發而來，這種系統功能擴展性差、改裝和維修都需求助于專門供應商。至今，這種數控系統仍占據大部分市場。但是由于開放式結構控制系統的快速發展，傳統數控系統應用范圍正逐步縮小。

1.2 “PC嵌入NC”結構的開放式系統

如FANUC18i系統、Siemens 840D系統、Num1060等數控系統。這種數控系統是在保留原來核心技術的前提下，利用計算機豐富的軟件資源開發而來。盡管此類系統功能強大且具有一定的開放性，但是由于它的NC部分仍是傳統數控系統，故其整體體系結構還是不開放的，用戶無法介入數控系統核心。況且此類系統結構復雜，價格昂貴。

1.3 “NC嵌入PC”結構的開放式系統

它是由PC機+開放式運動控制卡構成。運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，運算處理速度非?？欤蓡为毷褂?。其開放的函數庫可供用戶在Windows平臺下自行開發所需控制系統，此類系統開放性高、可擴展性強，因而被廣泛應用于制造業自動化控制領域。

1.4 SOFT型開放式系統

這是一種最新開放體系結構數控系統，它的CNC軟件全部裝在計算機中，硬件由計算機與外圍設備通用性接口相連組成。用戶可在WindowsNT平臺上，利用開放的CNC內核，開發各種所需功能，從而構成各種類型的高性能控制系統。與前幾類相比，此類系統具有較高性價比，但是由于它完全由軟件實現，處理速度相對偏低。

綜合以上分析，控制系統采用“NC嵌入PC”的開放式硬件結構。這種結構具有可互操作性、可移植性、可伸縮性、可互換性的特點。以工業PC機作為CNC系統的核心，可充分利用工業控制機軟、硬件資源，使開放式系統具有強大的生命力，性價比高。

2 控制系統硬件設計

組成該控制系統硬件主要包括工業PC機、PMAC運動控制卡和伺服系統。其中工業PC機作為控制系統核心，它承擔著切割類型選擇、參數輸入、數據通信、切割程序生成等任務。PMAC運動控制卡通過PCI總線與上位機進行通信，將從工業PC機獲得的指令解析，實現運動控制算法，進而將指令發送給伺服系統，實現運動軌跡的插補控制。PMAC還可接收編碼器采集來的機床位置、速度信息，并向工業PC機實時返回采集到的數據信息。它還具有豐富的I/O接口，可與控制面板和繼電器相連?？刂泼姘蹇梢允謩诱{整機床位置，也可實現機床啟動、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]。

工業控制機選用臺灣研華IPC-610L系列，主板型號為PCA-6010VG，CPU為E5300 2.6G，硬盤容量500G，內存2G。此工控機采用具有較高防塵、防磁、防沖擊能力的鋼結構機箱，機箱內部配有抗干擾專用電源和PCI、ISA插槽的專用底板，具有連續長時間穩定工作的能力。相比同類型工業控制機，具有較高性價比。

運動控制卡采用的是美國Delta Tau公司生產的PMAC2-PCI系列，它采用Motorola公司生產的高性能信號數字處理器DSP56003作CPU，具有較好的速度、帶寬和分辨力指標，其伺服周期單軸可達60μs，二軸聯動為110μs?？稍试S同一控制軟件在三種不同總線上運行，提供了多平臺的支持特性，并可分別配置各個軸伺服和反饋類型，多用于較高性能的運動控制。

此PMAC卡可獨立或聯動控制高達八軸，本系統所用伺服電機數量為5個，電機及驅動均選擇控制精度高的日本松下產品。運動控制器提供了3次樣條曲線插補和PTV 模式保證運動軌跡的精確性，它還提供了優良的加減速控制，用來平衡高的加速度，使運動更加平穩。

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件主要包括3個模塊：運動控制模塊、數據采集模塊和上下位機通信模塊[5]。

運動控制模塊主要完成對各個軸的插補控制，數據采集模塊主要實現對伺服電機位置、速度的采集及機床限位信息采集，通信模塊完成板卡初始化、開板卡、發指令、上載和下載運動程序、關板卡等功能，以此實現上下位機的通信。

數據采集模塊設計主要是利用多軸運動控制卡的數據采集功能將采集到的各個軸的位置信息以通知器的形式發送，通知器可向一個或多個并行任務傳送數據。多軸運動控制卡有兩種方式采集數據：觸發方式和非觸發方式，其中上升沿可引起觸發方式觸發。運動控制卡將采集到的數據信息發送到通知器，通知器再以每秒10次的速率在端口以廣播方式發送機床位置信息。

運動控制功能是由PMAC執行在線指令和運動控制程序實現的，其中在線指令只能進行簡單的運動控制，如返回原點。而運動控制程序可以做一些復雜運動的控制，比如圓弧運動、正弦運動等。在線指令和運動控制程序的執行有兩種方式：第一，是安裝PMAC廠家提供的執行軟件PEWin32，然后通過相應的通信接口建立工業控制機和運動控制卡的連接，由此即可在該軟件的命令窗口發送在線指令和運動控制程序；第二，是通過軟件編程實現，由PCI總線建立工業控制機和多軸運動控制器之間的通信聯系，發送在線指令或下載運動控制程序到運動控制卡。在運動控制程序編寫時，首先要定義坐標系及該坐標系下的電機，從而建立兩者的匹配關系；其次要按規定的語法規則編寫程序，根據所需的運動要求選擇相應的指令和參數，最后將編寫好的程序下載到PMAC中。

上下位機通信模塊設計采用上位機編程軟件LabVIEW提供的強大外部程序接口（Active X自動化技術）調用PMAC提供的服務器程序PcommServer實現。底層服務器PcommServer提供了很多和PMAC交互的函數，設計中主要用到了初始化板卡、開板卡、關板卡、發命令、下載運動程序等函數。初始化板卡完成PMAC在上位機的注冊，開板卡實現通信模塊開啟。如果開板卡成功，服務器就可向PMAC發送指令、接收PMAC返回信息或下載運動程序到PMAC。當開板卡失敗時，系統會返回打開設備失敗信息。工業控制機與運動控制板卡通信的方法實際上是通過客戶端調用服務器城實現的：其中LabVIEW作為自動化客戶端，運動控制卡提供的函數作為自動化服務器。

4 結語

以工業控制機和多軸運動控制卡作為系統主要硬件，以LabVIEW作為上位機軟件開發平臺，利用LabVIEW圖形化編程語言的易操作性及其可調用Active X等功能，實現對PMAC二次開發，充分利用了工業控制機信息處理能力強和運動控制卡運算控制速度快的特點，完成激光切割機控制系統設計。經驗證該控制系統具有可擴展性強、開放性高、開發周期短和易于操作的特點。

參考文獻

[1] 劉旭超，王復海，馬少恒.鋼結構異型管相貫線切割技術[J].鋼結構，2013，28（5）：54-56.

[2] 席宏昌，林盛，王春，等.基于DMC1856的五軸激光切割機控制系統研究[J].機電工程，2016，33（6）：727-732.

[3] 張宏偉.激光切割機開放式數控系統的研究[D].天津大學，2004.

[4] 聶曉根，劉艷斌，曾露莎.基于PC的數控火焰切管機床研制[J].機床與液壓，2007，35（11）：51-52.

[5] 韋宏利，史媛，溫軍會.基于PMAC與LabVIEW的多軸運動控制系統的開發[J].西安工業大學學報，2012， 32（2）：112-118.