异型材激光切割机控制系统设计

孟祥民 姜涛

摘 要：针对目前国内外异型材激光切割机大都采用结构复杂、可扩展性差的封闭式控制系统结构这一特点。提出了以工业控制机为控制核心，“IPC+运动控制卡”的开放式激光切割机控制系统结构。运动控制卡选用美国Dault Tau公司生产的高性能产品PMAC2-PCI，充分利用IPC信息处理能力与PMAC运动控制能力，提高系统的性能。系统软件是在Windows操作系统上，以LabVIEW为平台开发而来。主要进行数据采集、运动控制和通信模块的开发，并提出了通过Active X自动化技术实现上位机和下位机之间的通信方法。结果表明，所开发系统具有可扩展性强、开发周期短，操作维护方便的特点。

关键词：异型材 激光切割 控制系统 PMAC

中图分类号：TG485 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（c）-0020-02

异型材由于造型美观，结构、强度特性好等特点，被广泛用作屋架、桁架、刚架、龙骨、乃至容器、管道等[1]。在管材加工过程中，经常会遇到管管相交情况，过去相贯线加工主要由人工完成，效率低下，加工质量参差不齐，现今大多采用数控切割机。由于激光切割具有切割无噪声、切缝垂直度好、割缝细、热影响区小、切割过程容易实现自动化控制等优点[2]，因此，被广泛应用于各种异型材切割。控制系统是激光切割机核心，对加工质量起关键性作用，然而我国激光切割机控制系统大多引用国外产品，价格昂贵，自主性差，且国外激光切割机控制系统大多都采用封闭式结构，开放性差，因此有必要对激光切割机控制系统进行研究。

1 控制系统选型

随着计算机技术的快速发展，各种类型的开放式控制系统应运而生，目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，控制系统大致可分为4种类型[3]。

1.1 传统控制系统

如FANUCO系统、MITSUBISH M50系统、Siemens810系统等。它是利用专门的软件开发工具开发而来，这种系統功能扩展性差、改装和维修都需求助于专门供应商。至今，这种数控系统仍占据大部分市场。但是由于开放式结构控制系统的快速发展，传统数控系统应用范围正逐步缩小。

1.2 “PC嵌入NC”结构的开放式系统

如FANUC18i系统、Siemens 840D系统、Num1060等数控系统。这种数控系统是在保留原来核心技术的前提下，利用计算机丰富的软件资源开发而来。尽管此类系统功能强大且具有一定的开放性，但是由于它的NC部分仍是传统数控系统，故其整体体系结构还是不开放的，用户无法介入数控系统核心。况且此类系统结构复杂，价格昂贵。

1.3 “NC嵌入PC”结构的开放式系统

它是由PC机+开放式运动控制卡构成。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，运算处理速度非常快，可单独使用。其开放的函数库可供用户在Windows平台下自行开发所需控制系统，此类系统开放性高、可扩展性强，因而被广泛应用于制造业自动化控制领域。

1.4 SOFT型开放式系统

这是一种最新开放体系结构数控系统，它的CNC软件全部装在计算机中，硬件由计算机与外围设备通用性接口相连组成。用户可在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核，开发各种所需功能，从而构成各种类型的高性能控制系统。与前几类相比，此类系统具有较高性价比，但是由于它完全由软件实现，处理速度相对偏低。

综合以上分析，控制系统采用“NC嵌入PC”的开放式硬件结构。这种结构具有可互操作性、可移植性、可伸缩性、可互换性的特点。以工业PC机作为CNC系统的核心，可充分利用工业控制机软、硬件资源，使开放式系统具有强大的生命力，性价比高。

2 控制系统硬件设计

组成该控制系统硬件主要包括工业PC机、PMAC运动控制卡和伺服系统。其中工业PC机作为控制系统核心，它承担着切割类型选择、参数输入、数据通信、切割程序生成等任务。PMAC运动控制卡通过PCI总线与上位机进行通信，将从工业PC机获得的指令解析，实现运动控制算法，进而将指令发送给伺服系统，实现运动轨迹的插补控制。PMAC还可接收编码器采集来的机床位置、速度信息，并向工业PC机实时返回采集到的数据信息。它还具有丰富的I/O接口，可与控制面板和继电器相连。控制面板可以手动调整机床位置，也可实现机床启动、暂停等功能。继电器可控制辅助气体、冷却水和激光器的通与断[4]。

工业控制机选用台湾研华IPC-610L系列，主板型号为PCA-6010VG，CPU为E5300 2.6G，硬盘容量500G，内存2G。此工控机采用具有较高防尘、防磁、防冲击能力的钢结构机箱，机箱内部配有抗干扰专用电源和PCI、ISA插槽的专用底板，具有连续长时间稳定工作的能力。相比同类型工业控制机，具有较高性价比。

运动控制卡采用的是美国Delta Tau公司生产的PMAC2-PCI系列，它采用Motorola公司生产的高性能信号数字处理器DSP56003作CPU，具有较好的速度、带宽和分辨力指标，其伺服周期单轴可达60μs，二轴联动为110μs。可允许同一控制软件在三种不同总线上运行，提供了多平台的支持特性，并可分别配置各个轴伺服和反馈类型，多用于较高性能的运动控制。

此PMAC卡可独立或联动控制高达八轴，本系统所用伺服电机数量为5个，电机及驱动均选择控制精度高的日本松下产品。运动控制器提供了3次样条曲线插补和PTV 模式保证运动轨迹的精确性，它还提供了优良的加减速控制，用来平衡高的加速度，使运动更加平稳。

3 控制系统软件设计

控制系统软件主要包括3个模块：运动控制模块、数据采集模块和上下位机通信模块[5]。

运动控制模块主要完成对各个轴的插补控制，数据采集模块主要实现对伺服电机位置、速度的采集及机床限位信息采集，通信模块完成板卡初始化、开板卡、发指令、上载和下载运动程序、关板卡等功能，以此实现上下位机的通信。

数据采集模块设计主要是利用多轴运动控制卡的数据采集功能将采集到的各个轴的位置信息以通知器的形式发送，通知器可向一个或多个并行任务传送数据。多轴运动控制卡有两种方式采集数据：触发方式和非触发方式，其中上升沿可引起触发方式触发。运动控制卡将采集到的数据信息发送到通知器，通知器再以每秒10次的速率在端口以广播方式发送机床位置信息。

运动控制功能是由PMAC执行在线指令和运动控制程序实现的，其中在线指令只能进行简单的运动控制，如返回原点。而运动控制程序可以做一些复杂运动的控制，比如圆弧运动、正弦运动等。在线指令和运动控制程序的执行有两种方式：第一，是安装PMAC厂家提供的执行软件PEWin32，然后通过相应的通信接口建立工业控制机和运动控制卡的连接，由此即可在该软件的命令窗口发送在线指令和运动控制程序；第二，是通过软件编程实现，由PCI总线建立工业控制机和多轴运动控制器之间的通信联系，发送在线指令或下载运动控制程序到运动控制卡。在运动控制程序编写时，首先要定义坐标系及该坐标系下的电机，从而建立两者的匹配关系；其次要按规定的语法规则编写程序，根据所需的运动要求选择相应的指令和参数，最后将编写好的程序下载到PMAC中。

上下位机通信模块设计采用上位机编程软件LabVIEW提供的强大外部程序接口（Active X自动化技术）调用PMAC提供的服务器程序PcommServer实现。底层服务器PcommServer提供了很多和PMAC交互的函数，设计中主要用到了初始化板卡、开板卡、关板卡、发命令、下载运动程序等函数。初始化板卡完成PMAC在上位机的注册，开板卡实现通信模块开启。如果开板卡成功，服务器就可向PMAC发送指令、接收PMAC返回信息或下载运动程序到PMAC。当开板卡失败时，系统会返回打开设备失败信息。工业控制机与运动控制板卡通信的方法实际上是通过客户端调用服务器城实现的：其中LabVIEW作为自动化客户端，运动控制卡提供的函数作为自动化服务器。

4 结语

以工业控制机和多轴运动控制卡作为系统主要硬件，以LabVIEW作为上位机软件开发平台，利用LabVIEW图形化编程语言的易操作性及其可调用Active X等功能，实现对PMAC二次开发，充分利用了工业控制机信息处理能力强和运动控制卡运算控制速度快的特点，完成激光切割机控制系统设计。经验证该控制系统具有可扩展性强、开放性高、开发周期短和易于操作的特点。

参考文献

[1] 刘旭超，王复海，马少恒.钢结构异型管相贯线切割技术[J].钢结构，2013，28（5）：54-56.

[2] 席宏昌，林盛，王春，等.基于DMC1856的五軸激光切割机控制系统研究[J].机电工程，2016，33（6）：727-732.

[3] 张宏伟.激光切割机开放式数控系统的研究[D].天津大学，2004.

[4] 聂晓根，刘艳斌，曾露莎.基于PC的数控火焰切管机床研制[J].机床与液压，2007，35（11）：51-52.

[5] 韦宏利，史媛，温军会.基于PMAC与LabVIEW的多轴运动控制系统的开发[J].西安工业大学学报，2012， 32（2）：112-118.