柳州欧卡机器人有限公司
摘要：易用型数控切割系统其编程方式比常见数控简单，切割自动化系统的设计包含两个方面，一是硬件包含系统电路和机械结构，二是系统自动化控制软件。系统控制电路主要由美国德州仪器公司的C2000系列数字处理芯片TMS320F28335作为主控其外围功能部分有供电、通讯电平转换，隔离和信号驱动电路，外扩SRAM及FLASH电路。控制软件部分基于德州仪器公司芯片专用CCS开发平台进行软件开发及代码编译，CCS编译器可集成IQmath函数库，浮点数值转定点计算，方便实现各种数学运算，代码执行效率高，算法开发周期短。
引言：大部分钢材从钢铁厂出来都需要经过切割，然后被加工成各种产品。切割自动化控制系统对于传统手工切割有着非凡的意义，改善工人工作环境，降低工人体力劳动强度，提高工人劳动效率，目前在用的大多数数控系统需要编写数控专用的G代码或直接导入CAD图，这对于形状复杂的工件切割非常便捷，但是也对操作工人的素质也有较高的要求，要求会CAD制图或会G代码编程，在实际中也有很大一部分切割下料是比较简单的形状，比如：圆形，四方形等。然而，我国劳动人员受教育程度普遍偏低，很多不具备操作先进设备及编程操作，仿形切割机可以实现切割简单形状但是需要模板，因为像一些钢铁卖场不可能每一种规格都做一个模板，一种易编程的数控系统可以解决以上问题，工人不需要掌握编程技术，也不需要事先制作模板。
1数控切割系统模型
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图1 机械结构
机械结构模型主要由水平方向行走的X轴Y轴和垂直方向的Z轴组成，其中割枪安装于Z轴上，用于切割下枪及结束提枪。
2图形化人机交互设计与传统NC编程对比
2.1视窗化人机交互编程
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图2 视窗编程
视窗化人机交互编号需要填入方形L1，L2边长数据，另外两边自动填充，输入切割所需要的速度和抬枪高度点击确定即可完成切割一个边长为１００ＭＭ的四方形。
2.2传统NC编程
N0010 G40 G17 G90 G71
N0020 G91 G28 Z10.0
N0030 G00 G90 X0.00Y0.00
N0040 Z1.0
N0050 G01Y100.0F250.M08（*）
N0060 X100.0
N0070 Y0.0
N0080 X0.0
N0090 G00 Z10.M09（*）
N0100 M02
*注：M08，M09在G代码中含义为切削液开关，在此程序用于驱动割枪开关
从以上对比可以看出，视窗型的交互编程有着更直观和简便的特点，传统NC代码编程需要一定的专业知识，需要熟悉每种命令代码的含义，对于一般低学历操作者来说难度偏大。
3系统结构设计
以TMS320F28335作为系统控制核心建立具有良好开放性的数控运动控制器，各功能模块通过Memory总线或DMA总线进行数据交换，通过调用运动库函数和IQmath库函数对坐标处理可对数据描述的轨迹进行直线插补、圆弧插补、S曲线插补、空间复杂曲线插补连续轨迹运动程序。
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图3 控制系统及外设架构
4插补
数控系统根据一定方法确定刀具实时运动轨迹的过程称为插补。切割系统本身不需要太高的速度，因为大多情况是用来下料，因此也不需要太高精度，从成本和可升级性来考虑本项目使用软件方式进行插补。逐点比较法是软件方式插补常用手段，每走一步则对结果进行比较，在低成本方案中有较高精度，其精度偏差不超过一个脉冲当量。逐点比较工作分为以下几个步骤：1、判断当前点对于目标轨迹的偏离情况；2、根据判断结果控制某个坐标轴进给；3、计算新的当前点对于目标轨迹的偏离情况决定某个坐标轴进给；4、判断是否到达轨迹终点，若是则结束插补，若否则返回第一步。
4.1直线插补
偏差判断Fi = YiXe – XiYe
Fi为偏差函数，Fi = 0插补点刚好在直线上，Fi>0插补点在直线上方，Fi<0插补点在直线下方（图5所示插补点与直线位置关系）。第i点坐标（Xi，Yi），（Xe，Ye）为结束点坐标，终点判断N=|Xe-Xs|+|Ye-Ys|
图4 直线在第一象限插补流程如图
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图5 起点（0，0）到终点（Xe，Ye）插补点与直线位置关系
4.2圆弧插补
在圆弧轨迹行走过程当中，可用动点到圆心的距离来描述设圆弧半径R，圆心坐标（0，0），动点P坐标（X，Y）动点P的位置与半径R的关系：
动点P在圆弧上，实际就是圆的方程：X¬2+Y2-R2=0
动点P在圆弧外侧方程：X¬2+Y2-R2>0
动点P在圆弧内侧方程：X¬2+Y2-R2<0
其轨迹插补方式也与直线比较类似，在圆弧轨迹插补过程中，动点P是不断变化的，因此还需要更新P点当前坐标再进行下一步计算判断。
5圆弧轨迹起始最近点
轨迹编程时，割枪可以处于任意位置，当切割开始时，割枪当前位置如何找出轨迹起始点，并判断最近点作为圆弧切割起始点。
设当前位置坐标（Xn，Yn），圆弧中心坐标（Xo，Yo），已知圆弧半径R，求最近点坐标（X，Y）。
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图6求最近点示意图
直线方程：
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圆方程：X2+Y2=R2②
由式1代入式2可分别算出XY值，结果有（X1，Y1），（X2，Y2）
两点之间距离L1 =
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L2 =
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比较L1L2的大小即可判断哪组坐标是对应的最近点。
6结语：
通过编程方式的对比，与传统NC代码编程方式相比较，简易人机交互方式更为直观和简便。控制系统硬件进行设计，运算处理及插补各轴脉冲分配，由CPU完成，控制部分硬件结构基于TMS320F28335，可以快速实现插补算法，使用IQmath库函数，可以最快单指令周期对数据求平方和开方，使系统运行更高效。示教部分由手持盒通过RS232通信与控制系统连接。本文使用逐点比较法进行轨迹插补，并探索了如何计算圆弧轨迹的最近起始点。
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