钣金展开数控切割智能控制器 【技术领域】
本发明涉及一种智能控制器，特别是一种钣金展开数控切割机智能控制器。
背景技术
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，并成为数控系统开发的新热点。控制器自带软件，在DOS操作系统的年代，国内外就有厂商从事开发过，由于生产控制器的厂家无法使最终用户得到可靠的软件技术和软件的不断更新和升级，而终止软、硬件合成的控制器自带软件的开发。
FAST SHAPES钣金放样软件及FAST PIPE钢管(相贯线)切割软件，存在着AUTO CAD设计软件与FAST CAM制造软件不能达到“设计与建模、设计与制造”的目的。由于建模方法的问题，出现面向工艺与生产不能融为一体，而造成切割质量下降，软件不断更新和升级难。目前，在国内外开发出的各类火焰数控切割机、等离子数控切割机、高水压射流数控切割机、光电跟踪切割机等，都配置有不同类型的切割机功能所需的控制器，而这些型号、功能不同的控制器，除了自带(或开发出)不同类型的控制器语言和控制程序外，再也没有任何厂商开发出将设计、建模、制造融为一体的智能控制器。到目前为止，国内外还没有任何一家能成功地将“钣金展开CAM软件”及“管相贯切割软件”开发出运动控制卡与数控切割机的控制器结合于一体的软、硬件集成商，他们要么单一地开发数控切割机，要么开发切割机的控制系统，要么就单纯地开发钣金领域的应用软件。
就目前国内外市场中切割机控制器来看，普遍存在下述不足：
(1)在钣金领域的钣金CAM开发商，一般都是在Auto CAD平台上进行第二次开发，由于Auto CAD是设计软件，不是切割软件，需要在绘图模块中专门开发出CAD清除和压缩功能软件，必须清除重叠的点和线，压缩小地弧线，这样降低切割质量。
(2)以解析几何为原理的开发思想，无法摆脱“逆向工程”的“曲面造型、曲面建模”或其它受制于人的建模技术，难以达到设计、建模、制造三全的困境。
(3)数控加工程序处理，需要使用运动控制卡，直接用吐斯丁(ITM)方法对直线进行插补，或用改进吐斯丁方法，用计算出圆弧夹角后，通过几何关系计算出从圆弧起点到各小直线段的节点坐标的插补控制，影响切割精度。
(4)从而造成切割过程的重复切割或间断切割，影响切割质量。
(5)无法摆脱逆向工程的曲面造型、曲面建模及其它受制于人的建模技术，难以达到设计、建模、制造为一体的目的。
(6)无法摆脱采用吐斯丁(ITM)的插补方法，对几何关系计算出各小直线节点坐标插补控制技术的困境。
(7)对钣金构件展开的焊接与切割，坡口形式为V、X、Y、K型的定角度、变角度坡口切割出现尖点；而且两相贯体的吻合率，不是在所要求的截交线、截交点上，造成了板厚处理接口、接缝的不准确性。
(8)对钣金构件的展开，从概念设计到结构设计，乃至每一细节设计，实现参数化、变量化是在Auto CAD设计软件平台，在开发专业制造软件的同时，还得专门开发CAD清除和压缩软件，切割路径的修改软件，会导致对某一路径引入和引出线位置的重新编辑和修改。
(9)对钣金构件展开、管相贯切割图形中不规则、异型复杂的产品CNC程序编辑却束手无策。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种操作简单、可实现控制器无编程、参数化、变量化的一种钣金展开数控切割机智能控制器。
本发明的目的是这样实现的：一种钣金展开数控切割机智能控制器，为PC系统，具备控制器的机械语言及控制器中的执行程序的各项功能，其中：控制器具有部分智能功能，包括以画法几何为原理的钣金领域的钣金构件展开CAM方法，可将钣金展开手册中三维异型不规则钣金构件100％展开成二维平面图形，并可精确计算出展开图的轮廓曲线长、面积、动点轨迹，其精度达到0.00X％；除可控制切割机按正确的轨迹下料外，还可提供相关数据给管理部门做成本核算、计划进度安排。
本发明中所述的以画法几何为原理的钣金构件展开CAM方法为采用几何曲线定心求弧法设计与建模的方法，实现了全参数化、变量化对非圆曲线、曲面构件展开设计与下料切割。几何曲线定心求弧法是闵林丛先生提出的一种解决平面和空间中形形色色曲线的计算与绘图方法，其运用刘微“割圆术”的基本思想及笛卡尔的变量原理，让一条任意曲线中的任一段曲线弧，不仅能确定曲线弧所对的圆心O、圆心角α、半径R、曲线弧L、曲线所围面积S的位置及数值，并可按数据用计算机及手工绘制出符合实际精度要求的图形，达到面向工艺、生产的设计、建模、制造三全技术的目的。
本发明的控制器包括工业PC机、运动控制卡和伺服系统。
本发明控制器中所述的运动控制卡主要包括译码电路、振荡电路、I/O端口电路、脉冲控制电路、中断电路及光电隔离输入输出电路；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，另一方面与切割机控制面板及控制气源的继电器相连。
本发明的运动控制卡中的I/O端口电路由两片8255并行芯片组成；脉冲控制电路由两片8254计算器组成，每片8254计算器分别控制一个轴的伺服电机。
本发明的控制器中所述的伺服系统为步进伺服系统或数字式交流伺服系统所组成的控制器。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
1.不需要编程、只需输入有关尺寸数据，界面将实时显示钣金构件的实物图、三视图、辅助视图、断面图、施工展开图。
2.采用“几何曲线定心求弧法”设计与建模方法，实现了全参数化、变量化，对非圆曲线、曲面构件展开设计与加工，不受逆向工程布尔特征及B样条建模方法的约束。
3.以图解空间几何对钣金构件的展开及管相贯的切割，由二维设计且具有三维内核的功能；对每一个构件放样图的展开设计，必须将限制条件和特殊要求在设计约束之中。
4.用画法几何为原理的开发思想，对图纸幅面及各类视图及图纸代号、直角坐标、尺寸线及尺寸数据，拟写的技术要求、标题栏等项内容，完全符合《机械制图国家标准》的要求。
5.对钣金构件及管相贯切割的板厚处理，有中心层、里皮(插入式)、外皮(马鞍式)的接触形式，以及管相贯件端口及孔、槽的切割，空间桁网架三维节点的展开与切割，实时二维、三维同步处理建模，自动生存加工代码，无需吐斯丁(ITM)插补方法的弥补。
6.运动控制卡为PC系统提供100％对异型及不规则的钣金构件、管相贯切割、钢结构网架CNC程序的编辑及最终形成快捷、准确运动控制指令，进行三维构件展开仿真切割。
7.智能控制器，根据数控程序，对钣金展开焊接与切割中的V、X、Y、K型坡口及管相贯切割的定角度、变角度坡口切割一次成型，无需二次编程、无尖点，不用在绘图模块中专门开发CAD清除、压缩功能的软件模块。
8.依据钣金展开、管相贯切割的输入输出工艺参数中的曲线总长L、面积S、曲线上的任意轨迹动点Pi(xi，yi)值，用积分方程及参数方程验证，其精度达0.00X％(相对误差在万分之几)。
9.对非圆曲线的全部图形，采用了从“概念设计到结构设计”至每一细节设计，都具备了面向切割与焊接工艺，财务和生产管理的功能，达到了“设计、建模、制造”三全的目的。
10.实现网络数控平台，方便地对客户进行远距离的编程，采用国际通行的软件许可证方式，共享应用软件生成的数据和文件。让切割机开发商及最终用户及时得到可靠的软件技术支持和更新、升级，故障诊断、同步维护。
【附图说明】
图1是本发明的硬件框图；
图2是运动控制卡的原理图；
图3是本发明控制程序流程图；
图4是本发明实施例的立体图；
图5是本发明实施例的尺寸标注图；
图6a是本发明实施例的支管展开图；
图6b是本发明实施例的主管展开图；
图7a是本发明实施例的支管模拟切割图；
图7b是本发明实施例的主管模拟切割图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述，但不构成对本发明的任何限制。
如图1所示，是本发明的钣金展开数控切割机智能控制器控制数控火焰切割机的硬件框图，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；另一方面与切割机控制面板及控制气源的继电器相连，通过控制面板，可以调整切割机的位置，指令切割机启动、暂停或沿切割轨迹返回，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开关；伺服系统为步进伺服系统或数字式交流伺服系统。
如图2所示，运动控制卡主要包括译码电路、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地址段的范围；震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并行芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信号及输入切割机按钮信号；脉冲控制电路有两片8254计算器组成，每片8254计算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；光电隔离输入输出电路将工业PC机电源和外界电源隔离，减少外界电源对计算机的干扰。运动控制卡为PC系统平台提供标准的CNC程序的编译及最终形成运动控制指令，其含有下述技术内容：
(1)八大建模融为一体：限制条件、数学模型、工艺条件、接口类型、加工余量、工艺清单、切割补偿、材料管理。
(2)软件的技术功能：全参数化编程、输入输出参数、工程图纸打印、工艺清单打印、HELP文件存储、执行程序源代码、G代码编辑、CNC切割路径。
(3)软件的管理功能：CAM软件开发、焊接与切割工艺、生产计划管理、财务成本核算、库存剩余材料、各类控制器语言、软件更新及升级、网络许可共享。
工业PC机在接受输入参数后，按以下流程工作：
(1)界面设计；
(2)系统初始化设计及切割等待；
(3)程序检查及图形仿真；
(4)数控加工程序处理；
(5)几何曲线定心求弧法计算控制及轨迹的动态跟踪；
(6)按原轨迹返回；
(7)面向生产、计划、财务、材料管理；
(8)应用软件生成数据和文件网络共享；
(9)实现切割机控制器的控制程序；流程图如图3中所示。
实施例：
本发明具体使用时，只需在“输入参数框”中输入相关的尺寸数据，如直径D或d、边长a或b、高度H或h、角度∠α或∠λ、板厚t、材料重量理论比值P等数据，.PC机便自行开始运算，完成相关工作。如对圆管直交斜圆锥管的下料展开，请参阅图4至图7b中所示，输入参数：
d(中)＝Φ40 d1＝Φ80 d2＝Φ40 α＝60 b＝100 h＝100 t1＝1 t2＝1 p＝7.85
管I下料参数：
i X[i] Y[i] R[i]
0 0.00000 75.00000
1 6.98132 74.33927 37.12563
2 13.96263 72.26161 36.40876
3 20.94395 68.49003 38.13203
4 27.92527 62.64241 48.01232
5 34.90659 54.52091 80.07560
6 41.88790 44.69464 239.69183
7 48.86922 34.92280 197.43581
8 55.85054 27.67428 39.11895
9 62.83185 25.00000 11.66846
工艺参数：
L2I＝167.74991mm LI＝343.41362mm SI＝0.00684m2 NI＝0.05366kg
管II下料参数(大口)：
i X1[i] Y1[i] R1[i]
0 0.00000 0.00000
1 13.85583 1.50943 64.57546
2 27.09148 5.88493 68.58982
3 39.26069 12.69408 79.29537
4 50.24091 21.29977 106.73540
5 60.30662 30.96705 204.28513
6 70.04619 40.96565 8308.60718
7 80.11402 50.63113 220.19184
8 90.97234 59.39423 131.84238
9 102.78219 66.82145 110.19325
工艺参数：
LzII1＝167.74991mm
管II下料参数(小口)：
i X2[i] Y2[i] R2[i]
0 0.00000
i 6.92792 128.81721 32.28773
2 13.54574 131.00495 34.29491
3 19.63034 134.40952 39.64768
4 25.12046 138.71237 53.36770
5 30.15331 143.54601 102.14256
6 35.02310 148.54531 4154.30359
7 40.05701 153.37805 110.09592
8 45.48617 157.75969 65.92119
9 51.39109 161.47321 55.09663
工艺参数：
LzII2＝125.64890mm
管II下料参数(孔)：
i X2[i] Y2[i] R2[i]
0 0.00000 32.01562
1 6.86766 33.28525 19.23437
2 13.05110 37.07989 19.82510
3 17.85723 43.35746 22.01259
4 20.60099 52.01308 27.96902
5 20.72660 62.69899 40.63329
6 18.09354 74.44073 57.96491
7 13.19043 85.38200 57.77722
8 6.89209 93.20568 29.87243
9 0.00000 96.04686 10.83089
工艺参数：
LzII3＝167.74971mm
LzII＝760.10301mm SII＝0.01867m2 NII＝0.14658kg
工艺总参数：
Lz＝1103.51663mm S＝0.02551m2 N＝0.20024kg。