數控系統硬件設計

   組成該數控火焰切割機數控系統的硬件，主要包括工業PC機、運動控制卡和伺服系統。其中工業PC機是數控系統的核心，它擔負著切割機運動軌跡的計算（粗插補）以及對整個系統管理的任務。運動控制卡插在工業PC機的擴展槽中，它一方面與伺服系統相連，實現對切割機運動軌跡的控制（精插補）；另一方面與機床控制面板及控制氣源的繼電器相連，通過控制面板，可以調整機床的位置，指令機床啟動、暫停或沿原切割軌跡返回，還能實現切割速度的加速與減速；通過繼電器，可以控制氧氣和乙炔氣體的開關。伺服系統可以選擇步進伺服系統或數字式交流伺服系統。

   運動控制卡由自己設計，它主要包括譯碼電路、振蕩電路、I／O端口電路、脈沖控制電路、中斷電路以及光電隔離輸入輸出電路。其中譯碼電路為運動控制卡提供一個接口地址段，通過撥碼開關可以更改該地址段的范圍；振蕩電路為運動控制卡上的脈沖控制電路提供一個固定頻率的脈沖源；I/O端口電路由兩片8255并行口芯片組成，其主要作用是輸出切割機氣源控制信號及輸入機床按鈕信號；脈沖控制電路由兩片8254計數器組成，每片8254計數器分別控制一個軸的伺服電機；中斷電路是為控制軟件提供硬件中斷信號而設計的；光電隔離輸出輸入電路將工業PC機電源和外界電源隔離，減少外界電源對計算機的干擾。

控制軟件設計

    控制軟件是整個數控系統的靈魂，離開了軟件，數控系統便無法運行。根據切割加工工藝的要求，同時又能充分發揮工業PC機的優點，該切割機的控制軟件按以下模塊化方式來設計。

（1）界面設計
    該控制軟件的界面分成三個區域：圖形仿真跟蹤區、狀態顯示區以及操作說明區。圖形仿真跟蹤區用于顯示數控加工文件所指定零件的圖樣，并在切割過程中跟蹤割炬的運動軌跡；狀態顯示區顯示切割機目前的狀態參數，如切割速度、割炬當前坐標等；操作說明區簡要介紹各種功能所對應的熱鍵，如暫停、返回、加減速及點動等功能的熱鍵。熱鍵的功能與操作面板上按鈕的功能相同。

（2）系統初始化及切割等待
    由于運動控制卡上的8255并行口和8254計數器均屬于可編程序芯片，因此，在它們工作前必須對它們進行初始化，按照工作方式確定它們的控制字。在初始化以后，系統便處于切割等待狀態，此時可以調整機床的位置、檢驗自動點火裝置以及通氣用的電磁閥是否工作正常。

（3）程序檢驗及圖形仿真
    當數控加工程序指定以后，首先要檢驗輸入的數據文件是否符合規定的要求，一旦發現指定的文件中有非法的指令，則退出控制程序，并提示編程人員哪一行出現哪一種類型的錯誤，編程人員修改好數控加工程序以后，可繼續進入控制程序。如果數控加工程序正確，系統便將讀入的數控加工程序經過處理在圖形仿真區中畫出零件圖形，無論零件有多大或多小，系統都能自動按比例縮放。

（4）數控加工程序處理
    為了節省計算機在插補過程中的運算時間，在正式插補前對數控加工程序作一些預處理是十分必要的，預處理主要包括長直線段的預處理和圓弧的預處理。由于運動控制卡一次計數的范圍有限，因此當長直線段超出計數器的計數范圍時，須將長直線段分解成若干段小直線段，防止計數值溢出。又由于運動控制卡不能直接用來對圓弧進行插補，因此必須在誤差允許的范圍內將圓弧分解成小直線段，在相同誤差范圍內，該方法對圓弧的分解是最為有效的。從實際出發，我們選擇最大的誤差為1BLU，即EH=ER=1BLU，則在計算出小直線段對應的圓弧夾角α后，便可通過幾何關系計算出從圓弧起點到終點各小直線段的節點坐標。

（5）插補控制及軌跡的動態跟蹤
    在插補過程中，計算機一方面根據數控加工程序中的數值以及各軸的脈沖當量計算出X軸、Y軸的脈沖數；另一方面根據指定的切割速度，計算出各軸的分頻系數。并在上一條指令執行結束時，將計算出的脈沖數和分頻系數送到對應8254計數器的對應通道。另外，計算機通過不停地讀回8254計數器的計數值，得到剩余的脈沖數，經過數據處理得到割炬當前的屏幕坐標，并用小箭頭指示。因此從顯示屏上，操作者可以清楚地看到當前的切割位置。

（6）按原軌跡返回功能的實現
    在切割過程中，若發現有未割穿的情況，此時可以按下暫停鍵，暫時中斷切割并自動關閉切割氧；再按下返回鍵，割炬便準確地按原軌跡返回；待割炬返回到未割穿點以后，再次按下暫停鍵并按啟動鍵，切割機便自動打開切割氧，重新進行切割。在按下返回鍵時，計算機便從運動控制卡上的8254計數器中讀回剩余的脈沖數，與原來的脈沖數進行比較，將差值送回8254計數器，并使方向信號反相，這樣便使割炬按原軌跡返回。在該指令結束時，使系統指回上一條指令，從而實現線段之間的連續返回。在返回過程中，指示割炬位置的小箭頭也按原軌跡返回。

（7）系統管理
   系統管理是用來在切割過程中對整個系統的管理，包括暫停、啟動、退出、升降速的控制以及對限位信號的處理。