1、引 言

近年來，隨著快速成型技術(shù)（RP&M）的飛速發(fā)展和應(yīng)用，快速制模（RT）也應(yīng)運而生，并迅速發(fā)展，成為RP&M技術(shù)的研究前沿。金屬零件與模具的直接快速制造是快速成形與制造（RP&M）技術(shù)的研究前沿，為該技術(shù)努力的目標(biāo)，將RP&M技術(shù)應(yīng)用到金屬零件與模具制造工藝中，可大大減少制造周期和成本。

等離子熔積快速制模技術(shù)是一種新型的RT技術(shù)，實際上是多層等離子堆焊與表面光整相復(fù)合的技術(shù)。等離子熔積程成形過程復(fù)雜，對于送氣、送粉、起弧、運動開始以及電弧衰減、運動停止、停粉、停氣等動作有嚴(yán)格的順序及時間要求。因此等離子熔積快速制造技術(shù)的多層等離子熔積制造比等離子堆焊更加復(fù)雜，主要有：一層中間可能需要多次起弧；層與層之間進(jìn)行表面光整都需要實現(xiàn)自動控制，避免人工干預(yù)；復(fù)雜的工藝參數(shù)智能控制及其反饋。

等離子熔積成形過程自動控制系統(tǒng)是等離子熔積直接快速制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該系統(tǒng)的研制開發(fā)，使直接、快速制造金屬模具成為可能，是快速制模技術(shù)實用化的前提。本文將介紹基于組態(tài)軟件的等離子熔積過程自動控制系統(tǒng)軟件的研究與實現(xiàn)，控制中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)對其它工業(yè)制造方法也有積極意義。

2、等離子熔積快速制模控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對等離子熔積過程進(jìn)行分析，從送氣開始到產(chǎn)品成形，各工藝動作要按照一定的先后順序和時間間隔銜接起來。工藝動作程序選定是否合理，對工藝過程穩(wěn)定性和焊層質(zhì)量有很大的影響。典型的等離子熔積過程可分為起弧，熔積和熄弧三個階段，按照工藝的要求，各工藝動作的銜接上，有時需要延時，有時則需要同時動作或同時停止。一般選擇的工藝動作時序如圖1所示。

由圖可見，控制系統(tǒng)的過程控制較為復(fù)雜，特別是送粉、非弧和轉(zhuǎn)弧的啟動以及衰減量的控制對產(chǎn)品成形的結(jié)果影響最大，不易控制。等離子熔積快速制造的實質(zhì)為多層堆積成形，除了要考慮延時和動作協(xié)調(diào)，還要考慮一層中多次起弧和一層或多層成形完畢的光整加工。

為了簡化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和提高其可視化程度，采用工控機＋板卡的形式，為了實現(xiàn)對I/O量的讀取和控制以及模擬量的采集和控制，采用了威達(dá)I/O板卡P32C32、威達(dá)模擬量控制板卡A626，以及研華的數(shù)據(jù)采集板卡PCL-818L。工控機主要管理等離子熔射過程（諸如送氣、送水、起弧等），而數(shù)控機床主要管理堆積運動過程（從而形成一定形狀的零件）。

需要采集的信號有（1）數(shù)字量：送水、送氣、高頻的狀態(tài)，以及數(shù)控機床的運動控制狀態(tài)。（2）模擬量：送粉量、等離子熔積時的電流、電壓大小，溫度的高低等等。（3）視頻信號：熔積過程中熔池的表面形狀。

需要控制的信號有（1）數(shù)字量：送水、送氣、高頻的開關(guān)，以及向數(shù)控機床發(fā)送控制信號。（2）模擬量：送粉量（即電機轉(zhuǎn)速）、等離子熔積時的電流等等。等離子熔積控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3、基于組態(tài)軟件的控制方式

在國內(nèi)的工控項目開發(fā)中，上位機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有兩種方式：一是利用VB、VC++等可視化高級語言進(jìn)行低層開發(fā)，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。這種開發(fā)方式的較大缺陷是開發(fā)周期長，維護(hù)不方便。二是利用工控組態(tài)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，在工業(yè)控制軟件中，組態(tài)軟件能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口，實時趨勢曲線，并可運用PC機豐富的軟件資源進(jìn)行二次開發(fā)，便利地生成各種報表，為應(yīng)用程序的開發(fā)提供了十分方便的軟件平臺。

此種方式以其簡單易學(xué)，開發(fā)周期短，維護(hù)方便等優(yōu)勢在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。并且國內(nèi)外有很多工控組態(tài)軟件供用戶選擇。如美國Intellution公司的FIX系列產(chǎn)品，INTOUCH，澳大利亞CIT（悉亞特）公司的Citect產(chǎn)品，PPCSOFT公司的WINZCON等等，這些國外組態(tài)產(chǎn)品功能普遍較為強大，也十分成熟，但價格較高，國內(nèi)的普通用戶較難接受。

北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)王軟件吸收了國外組態(tài)軟件的很多優(yōu)秀成分，并采用的當(dāng)今較為先進(jìn)的軟件設(shè)計技術(shù)，在很多方面可以與國外的組態(tài)軟件媲美，且價格相對較低，節(jié)約了開發(fā)成本。

組態(tài)王支持的硬件設(shè)備包括：PLC、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等等。工程人員把每一臺下位機當(dāng)成一種設(shè)備，不必關(guān)心具體的通訊協(xié)議，只需在組態(tài)王的設(shè)備庫中選擇設(shè)備類型，然后按照向?qū)崾就瓿砂惭b即可。如它支持國內(nèi)外流行的大部分工業(yè)用A/D、D/A和I/O板卡，基本上拿來就可使用，對板卡的定義也十分簡單。

4、等離子熔積成形控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成和功能

基于組態(tài)軟件的等離子熔積控制系統(tǒng)硬件由威達(dá)公司的P32C32 I/O卡實現(xiàn)對送水、送氣等過程控制；威達(dá)的A626 D/A卡實現(xiàn)對送粉、熔積時的電流和電壓等的控制；研華PCL-818L A/D卡實現(xiàn)對現(xiàn)場重要數(shù)據(jù)采集；凌華公司的圖像處理卡和攝像頭實現(xiàn)對實時熔積熔池的形貌跟蹤。

在現(xiàn)場工控機上用組態(tài)王軟件開發(fā)圖形界面，如控制系統(tǒng)總貌圖、電流和電壓波形顯示圖以及參數(shù)設(shè)定圖、報警圖和報表等，實現(xiàn)對熔積控制系統(tǒng)的監(jiān)控（見圖3）。系統(tǒng)要完成的功能主要是對等離子熔積過程的運動、送粉、電流等的檢測和控制達(dá)到按指定要求生產(chǎn)出滿意的產(chǎn)品。

4.2 組態(tài)王實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計

實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王軟件的核心部分，在組態(tài)王（TouchView）運行時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，同時工藝人員在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)詞典是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。組態(tài)王系統(tǒng)支持多種變量類型，可分為兩大類：一類是內(nèi)存變量，另一類是I/O變量，前者主要是中間變量，后者對應(yīng)I/O卡、模擬量控制卡和數(shù)據(jù)采集卡在組態(tài)王中的映射。

注意，由于組態(tài)王價格是按照點數(shù)（變量個數(shù)）計算，所以在設(shè)置變量時盡量節(jié)省，對于I/O量最好以字（int）的方式讀寫。如P32C32 I/O卡共64點（32入，32出），如果點對點的讀寫，組態(tài)王的“點”資源將很快耗盡，如果以字（int）來定義，則只需4個“點”就可以了。I/O具體定義如下：

（1）定義板卡

在工具管理器中雙擊板卡，就可以進(jìn)行新板卡的添加，只要選擇正確的板卡生產(chǎn)廠家和型號以及板卡地址即可。判斷板卡在定義后能否正常工作也很簡單，只需在組態(tài)王中進(jìn)行板卡測試即可。

（2）端口定義

在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中定義變量如“輸入Con1”，變量類型為“I/O整型”，連接設(shè)備為剛才定義的板卡，寄存器為“DI1”，數(shù)據(jù)類型為“int”，就可以對P32C3的Con1口所有輸入端口進(jìn)行讀取。同理，可以定義“輸入Con2”、“輸出Con1”和“輸出Con2”。

4.3 軟件流程

此部分工作涉及到等離子熔積的過程。一般熔積過程包括三部分：起弧、堆焊和熄弧，時序如圖4、5所示。

首先需要數(shù)控機床和熔積設(shè)備均處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，即能分別完成獨立的功能（數(shù)控機床完成堆焊的運動過程，熔積設(shè)備完成熔積過程）。然后先由數(shù)控機床發(fā)出準(zhǔn)備就緒可以開始起弧命令，熔積設(shè)備接到起弧信號，要依次送氣（打開工作氣閥）—送粉―引非弧－起高頻－引轉(zhuǎn)弧，到此引弧階段結(jié)束，由熔積設(shè)備向數(shù)控機床發(fā)出可以開始運動命令，最后進(jìn)入堆焊階段。

根據(jù)快速成型路徑規(guī)劃的特點，在一層熔積過程中可能需要多次起弧，即其路徑可能是不連續(xù)的。這樣，就需要在一層熔積過程中熄掉轉(zhuǎn)弧，為引弧方便和快速，我們可以考慮保留非弧。因此熔積過程中需要查詢是需要熄掉轉(zhuǎn)弧，保留非弧，還是非弧、轉(zhuǎn)弧都熄掉。為了保證熔積質(zhì)量，考慮熔積一層或幾層，用銑刀銑削一次。

當(dāng)需要銑削時，就需要非弧、轉(zhuǎn)弧都熄掉。當(dāng)需要熄弧時，也是由數(shù)控機床根據(jù)Ｇ代碼指令，向熔積設(shè)備發(fā)送開始熄弧指令，工控機接到指令后，熔積設(shè)備依次送粉衰減―轉(zhuǎn)弧衰減―非弧衰減―停氣，之后進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次熔積開始指令。其中熔積開始程序流程和結(jié)束流程分別如下：

5、軟件實現(xiàn)

5.1 控制時序的實現(xiàn)

組態(tài)王提供給用戶的命令語言是一段類似Ｃ語言的程序，工程人員可以利用這段程序來增強應(yīng)用工程的靈活性。命令語言包括應(yīng)用程序命令語言、熱鍵命令語言、事件命令語言、變量改變命令語言、自定義函數(shù)命令語言、動畫連接命令語言、畫面屬性命令語言。

命令語言的詞法語法和Ｃ語言非常類似，是Ｃ的一個子集，具有完備的詞法語法查錯功能和豐富的運算符、數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串函數(shù)、控件函數(shù)、報表函數(shù)SQL函數(shù)和系統(tǒng)函數(shù)。各類命令語言通過“命令語言”對話框編輯輸入，在“組態(tài)王”運行系統(tǒng)中被編譯執(zhí)行。對于時序控制的實現(xiàn)只需簡單的幾行命令，同時它也能使用戶完成簡單的算法。現(xiàn)列出本控制系統(tǒng)時序控制的部分命令語句僅供參考。

當(dāng)熔積過程被觸發(fā)時：

IO輸出Con2=IO輸出Con2|256； //送氣

送氣指示燈=1；

IO輸出Con2=IO輸出Con2|512； //送粉

送粉指示燈=1；

當(dāng)熔積過程開始時（設(shè)定400ms掃描一次）：

啟動延時=啟動延時+1；

if（啟動延時==4）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2|1024； //非弧

非弧指示燈=1；

｝

if（啟動延時==10）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2|4096； //起高頻

高頻指示燈=1；

｝

if（啟動延時==14）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2&61439； //停高頻

高頻指示燈=0；

IO輸出Con2=IO輸出Con2|2048； //轉(zhuǎn)弧

轉(zhuǎn)移弧指示燈=1；

｝

if（啟動延時==16）

｛

IO輸出Con2=IO輸出Con2|1； //向數(shù)控機床發(fā)工作臺開始運動

工作臺運動指示燈=1；

｝

5.2 動態(tài)畫面的實現(xiàn)

組態(tài)王的長處在于模擬工作現(xiàn)場，實現(xiàn)動畫界面，在組態(tài)王的開發(fā)系統(tǒng)中，界面上的每一個元素都被視為一個對象，可以由用戶操縱。通過動畫連接，用戶可以將某個對象連接到某一個變量上，實現(xiàn)對象的閃爍、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，組態(tài)王提供了21中動畫連接方式，一個對象可以同時定義多個連接，組合成復(fù)雜的效果，以便滿足實際中任意動畫顯示的需要。動畫的定義和修改起來十分的簡單，用戶一到兩天內(nèi)就可完全掌握。

5.3組態(tài)王與外部數(shù)據(jù)庫連接

組態(tài)王是一個較為開放的軟件，支持DDE和SQL等Windows標(biāo)準(zhǔn)功能，使得我們基于組態(tài)王開發(fā)的程序能與VC和VB等可視化高級語言開發(fā)的程序進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)交換，當(dāng)然也可與Access、Excel等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下面以等離子熔積控制系統(tǒng)中電流、電壓實時報表為例說明組態(tài)王與外部數(shù)據(jù)庫的連接。

為了對熔積控制系統(tǒng)的電流和電壓進(jìn)行深入分析，現(xiàn)場采集的實時信號十分重要，必須進(jìn)行及時高速地保存。組態(tài)王中數(shù)據(jù)采集頻率雖然可以定義到毫秒級，但它提供的最快數(shù)據(jù)保存頻率為1個/秒，所以無法滿足要求。我們使用組態(tài)王的SQL功能，及時的將數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)庫中保存，這個問題就可迎刃而解。

組態(tài)王中SQL訪問管理器用來建立數(shù)據(jù)庫列和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系。包括表格模板和記錄體兩部分功能。通過表格模板在數(shù)據(jù)庫表中建立表格；通過記錄體建立數(shù)據(jù)庫表格列和組態(tài)王之間的聯(lián)系，允許組態(tài)王通過記錄體直接操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。表格模板和記錄體都是在工程瀏覽器中建立的。

建立了表格模板和記錄體后，我們就可以在Windows ODBC數(shù)據(jù)源管理器中建立一個新的MS Access數(shù)據(jù)庫。下一步就是連接數(shù)據(jù)庫，命令語言如下：

SQLConnect（DeviceID，dsn=mine；uid=；pwd=）

該命令用于和數(shù)據(jù)源名（dsn）為mine的數(shù)據(jù)庫建立連接uid表示登錄數(shù)據(jù)庫的用戶ID，pwd是登錄的密碼。此處沒有設(shè)置用戶ID和密碼。每次執(zhí)行SQLConnect（）函數(shù)，都會返回一個DeviceID值，這個值在對所連接的數(shù)據(jù)庫的操作中都要用到。

6、結(jié) 論

基于等離子熔積過程自動控制系統(tǒng)的研究，著眼于在滿足相關(guān)的技術(shù)要求條件下，低成本、短時間開發(fā)出高質(zhì)量的自動控制設(shè)備。本文介紹了等離子熔積系統(tǒng)的狀況，充分分析了實質(zhì)為多層等離子熔積成形的特點，提出了基于組態(tài)軟件的實現(xiàn)方法，在實際應(yīng)用過程中以較短的時間和較高的質(zhì)量完成了等離子熔積控制系統(tǒng)的初步控制任務(wù)。等離子熔積控制設(shè)備的軟、硬件開發(fā)，使直接、快速制造金屬零件與模具成為可能，為該技術(shù)的實用化奠定了基礎(chǔ)。

編輯：jq