新型切割设备的数字化体系剖析

新型切割设备的数字化体系剖析 文章来源：中国切割机网

　　　1数控超声波切割机床
　　某些复合材料的成型结构比较复杂，在制造过程中经常需要将纤维材料按工艺要求切割成不同形状及尺寸的基片，然后铺叠成复合材料。目前存在的几种切割方法，如机械刀具切割、激光切割、水喷射切割等，由于其固有的一些缺点，使其应用受到了限制。例如机械刀具切割由于切割所产生的横向拉力比较大，容易造成纤维损伤；激光切割存在着烧焦现象；水喷射切割由于存在着纤维浸水现象，使材料性能发生变化。
　　而超声波切割是利用超声波的高速冲击切断纤维材料的，刀刃不会对纤维材料产生横向拉力，因此切割边要比其他方法更整齐、纤维损伤更小，近年受到广泛关注。
　　为实现超声波切割的自动化，我们设计了一台数控超声波切割机床。该机床的技术指标为切割面积：700mm400mm切割速度：2000mm/min切割精度：0.2mm切割轨迹：由直线及圆弧构成的任意曲线为保证不同厚度材料的任意平面曲线形状的切割，将机床设计成四个坐标轴，其中X轴与Y轴形成平面上的曲线运动，Z轴控制进刀量及抬刀、落刀，还有一个与X、Y两轴联动的绕Z轴旋转的刀具轴，该轴的作用是调整刀具的角度，使刀刃方向始终与所切割图形的切线方向一致。显然，这是一台四轴三联动数控机床，X、Y、Z三轴均为滚珠丝杠传动，刀具轴为直接驱动。由于切割速度不高，切割负载较轻，四个轴均采用步进电动机驱动。为了提高运行平稳性，步进电动机驱动器采用40细分运行模式。
　　2数控系统
　　数控系统采用开放式PC平台结构，这样可充分利用PC丰富的软件资源开发数控软件，并便于修改和扩充。计算机内除主板外，仅用一块四轴步进电动机控制卡HIT6502即实现了全部控制功能。
　　21四轴步进电动机控制卡的设计
　　HIT6502四轴步进电动机控制卡采用了4片日本NIPONPULSEMOTOR公司生产的高速脉冲发生器PCLAK，该芯片已提供了一些步进电动机控制的基本功能，如：常频和变频运行方式；自动升降频功能；高脉冲输出频率可达96K，步进电动机可在细分方式下运行；提供限位开关和零位开关信号自动处理功能。
　　虽然PCLAK已提供了基本功能，但要构成一个完整的四轴运动控制器，还需要从可靠性、抗干扰性能、实用性等多方面综合考虑。我们在设计中采取了如下方案：设计了一个手摇编码器接口，以适应数控操作要求；提供8路数字输入、8路数字输出，以实现一些辅助控制功能；零位信号、限位信号、减速信号、手摇编码器输出A，A，B，B及16位数字I/O、PULSE/DIR脉冲输出等信号，全部采用光电隔离，以提高控制器的抗干扰性和安全性。
　　PLCAK与ISA总线之间的联系，包括总线地址译码、数据和命令的读写信号处理、中断及复位等功能，均做在一片可编程逻辑器件GAL22V10中，这样既减少了芯片的数目，又保证了可靠性。
　　22基于WINDOWS的数控软件
　　WINDOWS操作系统以它的图形用户接口、丰富的软件资源、强大的网络通信功能日益受到数控系统设计者的关注。但在WINDOWS下编写数控软件却会遇到很多麻烦。这主要是因为WINDOWS操作系统不鼓励用户开发直接面向硬件设备的用户程序，因此，编写数控软件经常遇到的I/O操作、实时时钟中断、外部事件中断等都比较难于处理。
　　（1）高精度定时器的应用在超声波切割机床数控系统中，定时中断时间为4ms，在这个时间片内必须完成三轴联动的轨迹规划和插补运算。
　　Windows中虽然提供了常规定时器Timer，但其小定时精度约为55ms，而且由于它的优先级别很低，在系统繁忙时会出现定时事件虽到，但得不到及时处理的情况，显然无法满足实时控制的要求。针对常规定时器的缺陷，Microsoft公司在其多媒体Windows中提供了高精度的多媒体定时器。这个定时器的小定时精度为1ms，而且它是真正基于中断完成的。所设定的时间一到，中断服务程序总能及时地获得控制权，保证了等间隔的时间控制，满足了数控系统中实时控制要求。VC 在mmsystem.h单元中封装了多媒体定时器，并定义了定时器回调函数的过程类型。
　　因此，本系统的操作系统采用多媒体Windows.
　　（2）动态链接库的应用软件是在WINDOWS环境下用VC语言编写的，这样可将程序的各个模块编写成动态链接库（DLL）的形式，为以后对这些模块升级或修改提供方便。若想在数控系统中添加新的硬件板卡，扩展系统功能，用户只需了解VisualC 动态链接库的基本原理，在编译控制软件时，添加随卡提供的DLL文件就能实现新的功能。例如，要将系统中的步进电动机改为伺服电动机，就可以直接将伺服电动机控制卡的函数库以DLL的形式提供给用户，用户无需改动应用程序，只需重新编译，就能将伺服电动机控制卡的函数库与应用程序连接起来。
　　在VC中有两种形式的MFCDLL可供选择：即标准静态链接和标准动态链接。种DLL的特点是在编译时把使用的MFC代码加入DLL中。因此，在使用该程序时不需要其他MFC动态链接类库的存在支持，占用磁盘空间比较大；第二种DLL的特点是在运行时动态链接到MFC类库，因此减少了空间的占用，但是在运行时却依赖于MFC动态链接类库，用户计算机必须装有VC.我们在设计中采用了标准静态链接方法。
　　32位的DLL都能获得DLL的静态数据（包括对象数据）的备份，所以更加实用和可靠。其初始化和终止结束处理都是由单一的函数DLLMain（）来完成。
　　它的另一个突出的优点是在DLL中可以直接使用C/C 函数库中的函数，从而减少了编程工作量。
　　3超声波切割实验结果
　　在此机床上我们切割了多种形状的碳纤维材料。
　　切割实验中所用的参数为超声频率：19772Hz超声振幅：20m切割速度：2000mm/min材料厚度：12mm在碳纤维预浸料上我们切割出的圆形基片，切边整齐，并达到了所要求的切割尺寸和精度。在实验中，我们逐渐降低超声波频率，当频率降至零时，超声波切割就变成刀具的机械切割，此时刀具行走阻力明显增大，刀具的拉动使试件产生位移，导致曲线不闭合，材料受到损伤。可见，超声波切割明显优于机械切割。
　　4结束语
　　本文设计的超声波切割机床数控系统由于采用开放式PC平台结构，使得软硬件的扩充很容易实现。
　　我们近设计的伺服电动机控制系统，在PC中用一块伺服电动机控制卡替代步进电动机控制卡，并将伺服电动机控制卡所提供的函数库与应用程序连接起来，即完成了系统功能扩展。
　　我们设计的数控超声波切割机床现已能完成批量切割任务，达到了设计要求。该机床除能切割纤维材料外，也适用于皮革、橡胶等材料的切割。
　
　

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