基于组态软件的等离子熔积直接成形自动控制系统研究

1 引言

　　近年来，随着快速成型技术（RP&M）的飞速发展和应用，快速制模（RT）也应运而

生，并迅速发展，成为 RP&M 技术的研究前沿。金属零件与模具的直接快速制造是快速成

形与制造（RP&M）技术的研究前沿，为该技术努力的目标，将 RP&M 技术应用到金属零

件与模具制造工艺中，可大大减少制造周期和成本。等离子熔积快速制模技术是一种新型
的 RT 技术，实际上是多层等离子堆焊与表面光整相复合的技术。等离子熔积程成形过程复

杂，对于送气、送粉、起弧、运动开始以及电弧衰减、运动停止、停粉、停气等动作有严格的顺
序及时间要求。因此等离子熔积快速制造技术的多层等离子熔积制造比等离子堆焊更加复

杂，主要有：一层中间可能需要多次起弧；层与层之间进行表面光整都需要实现自动控制，
避免人工干预；复杂的工艺参数智能控制及其反馈。

　　等离子熔积成形过程自动控制系统是等离子熔积直接快速制造中的关键技术之一。该
系统的研制开发，使直接、快速制造金属模具成为可能，是快速制模技术实用化的前提。本

文将介绍基于组态软件的等离子熔积过程自动控制系统软件的研究与实现，控制中涉及的
一些关键技术对其它工业制造方法也有积极意义。

2 等离子熔积快速制模控制系统总体结构

　　对等离子熔积过程进行分析，从送气开始到产品成形，各工艺动作要按照一定的先后
顺序和时间间隔衔接起来。工艺动作程序选定是否合理，对工艺过程稳定性和焊层质量有

很大的影响。典型的等离子熔积过程可分为起弧，熔积和熄弧三个阶段，按照工艺的要求，
各工艺动作的衔接上，有时需要延时，有时则需要同时动作或同时停止。
控制系统的过程控制较为复杂，特别是送粉、非弧和转弧的启动以及衰减量的控制对产品
成形的结果影响最大，不易控制。等离子熔积快速制造的实质为多层堆积成形，除了要考
虑延时和动作协调，还要考虑一层中多次起弧和一层或多层成形完毕的光整加工。
　　为了简化控制系统的硬件结构和提高其可视化程度，采用工控机＋板卡的形式，为了
实现对 I/O 量的读取和控制以及模拟量的采集和控制，采用了威达 I/O 板卡 P32C32、威达
模拟量控制板卡 A626，以及研华的数据采集板卡 PCL-818L。工控机主要管理等离子熔射
过程（诸如送气、送水、起弧等），而数控机床主要管理堆积运动过程（从而形成一定形状
的零件）。
　　需要采集的信号有（1）数字量：送水、送气、高频的状态，以及数控机床的运动控制
状态。（2）模拟量：送粉量、等离子熔积时的电流、电压大小，温度的高低等等。（3）视频
信号：熔积过程中熔池的表面形状。
　　需要控制的信号有（1）数字量：送水、送气、高频的开关，以及向数控机床发送控制
信号.
3 基于组态软件的控制方式
　　在国内的工控项目开发中，上位机控制系统的实现主要有两种方式：一是利用
VB、VC++等可视化高级语言进行低层开发，可以实现控制系统的技术要求。这种开发方式
的较大缺陷是开发周期长，维护不方便。二是利用工控组态软件进行二次开发，在工业控
制软件中,组态软件能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画
方式显示控制设备的状态，具有报警窗口，实时趋势曲线，并可运用 PC 机丰富的软件资
源进行二次开发，便利地生成各种报表，为应用程序的开发提供了十分方便的软件平台。
此种方式以其简单易学，开发周期短，维护方便等优势在工控领域得到了广泛的应用。并
且 国 内 外 有 很 多 工 控 组 态 软 件 供 用 户 选 择 。 如 美 国 Intellution 公 司 的 FIX 系 列 产 品 ，
INTOUCH，澳大利亚 CIT（悉亚特）公司的 Citect 产品，PPCSOFT 公司的 WINZCON 等等，
这些国外组态产品功能普遍较为强大，也十分成熟，但价格较高，国内的普通用户较难接
受。北京亚控公司开发的组态王软件吸收了国外组态软件的很多优秀成分，并采用的当今
较为先进的软件设计技术，在很多方面可以与国外的组态软件媲美，且价格相对较低，节
约了开发成本。