基于Windows XP的高性能中走絲線切割數(shù)控系統(tǒng)

黃水利,周 揚(yáng)

(北京凝華科技有限公司,北京102308)

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床作為我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獨(dú)創(chuàng)設(shè)備,自誕生至今,已在制造業(yè)中發(fā)揮了巨大作用。隨著汽車、家電、電子、軍工、航空航天、船舶等制造領(lǐng)域的發(fā)展,數(shù)控電火花線切割機(jī)床的性能也面臨著巨大挑戰(zhàn)。如何提高切割效率、改善表面粗糙度、增強(qiáng)設(shè)備的可靠性、提升客戶作用的便利性、節(jié)省用戶的使用成本,將成為制造企業(yè)努力追求的目標(biāo)。而作為數(shù)控機(jī)床不可或缺的數(shù)控系統(tǒng),始終是繞不過(guò)去的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

本公司在多年生產(chǎn)往復(fù)走絲線切割機(jī)床的基礎(chǔ)上,于2004年開(kāi)始研制行業(yè)俗稱的“中走絲線切割機(jī)床”,絲速可調(diào)、進(jìn)三退二、多次切割等技術(shù)相繼成熟,并成功應(yīng)用于產(chǎn)品上。近年來(lái),隨著對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和Windows XP軟件編程技術(shù)的深入研究,結(jié)合對(duì)客戶需求的深入分析和總結(jié),公司在綜合技術(shù)資源和用戶需求的基礎(chǔ)上,潛心研制出新一代基于Windows XP的高性能中走絲線切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)——NH9W線切割數(shù)控系統(tǒng)。

1 功能簡(jiǎn)介

NH9W電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)采用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù),軌跡跟蹤數(shù)控技術(shù),自適應(yīng)脈沖電源技術(shù),為電火花線切割機(jī)床提供完備高效能和高精度的控制。其主要功能和特點(diǎn)有:

(1)配置Windows XP操作平臺(tái),為操作人員提供明晰的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)窗口、參數(shù)設(shè)置窗口、程序代碼修改編輯窗口、機(jī)床調(diào)試和校準(zhǔn)窗口及其他輔助功能窗口。過(guò)程監(jiān)測(cè)窗口提供數(shù)字位置指示和圖形跟蹤兩種過(guò)程檢測(cè)方式。

(2)配置內(nèi)置的數(shù)字控制單元,實(shí)現(xiàn)4個(gè)數(shù)控軸的位置運(yùn)動(dòng)控制,插補(bǔ)采用DDA算法,精插補(bǔ)采用專用硬件芯片實(shí)現(xiàn),I/O接口采用完全的光電隔離,該單元具有兩軸插補(bǔ)、復(fù)合重點(diǎn)找正(兩個(gè)平面坐標(biāo)的原點(diǎn)重合)、自動(dòng)對(duì)中、根據(jù)放電間隙自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給速度及短路自動(dòng)回退功能。

(3)實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)和走絲上端平面坐標(biāo)兩組雙軸數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制,切割過(guò)程采用軌跡跟蹤方式,控制精度達(dá)0.001 mm。

(4)配置局域網(wǎng)絡(luò)接口,建立外部計(jì)算機(jī)與機(jī)床、機(jī)床與機(jī)床之間的程序傳送能力,其標(biāo)準(zhǔn)代碼為ISO-G代碼,兼容傳統(tǒng)3B代碼。

(5)配置內(nèi)置的過(guò)程監(jiān)測(cè)控制單元,實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè)和動(dòng)作控制,I/O接口采用完全的光電隔離,該單元具有放電間隙檢測(cè)、斷絲檢測(cè)、絲筒調(diào)速換向和動(dòng)作控制、高頻電源控制、水泵控制及其他輔助功能控制等功能。

(6)有1 μ m的光柵輸入接口,并具備光柵(螺矩)補(bǔ)償功能,是構(gòu)成全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)。

(7)配置Windows XP設(shè)計(jì)平臺(tái),可借助第三方圖形設(shè)計(jì)編程軟件,實(shí)現(xiàn)工件的圖形輸入,自動(dòng)完成加工程序的編制,即本系統(tǒng)有3種輸入方式:一是象直線、圓弧等簡(jiǎn)單的指令編碼;二是在本機(jī)繪制圖形;三是從局域網(wǎng)讀入G或3B代碼或圖形。

(8)優(yōu)化配置了大功率電源處理單元,給脈沖電源提供優(yōu)良的能源,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,為單個(gè)脈沖能量均一化提供保證。

(9)結(jié)構(gòu)合理布局,各單元采用模塊化結(jié)構(gòu),弱化對(duì)使用環(huán)境或溫度的要求,優(yōu)化制作工藝,提高可靠性和一致性。

(10)智能工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)材料厚度及加工目標(biāo)要求,自動(dòng)生成加工工藝參數(shù),方便操作,降低了對(duì)操作人員技術(shù)水平的信賴程度。

2 硬件的組成框架

(1)NH9W數(shù)控系統(tǒng)的硬件主要由嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器和脈沖電源發(fā)生器組成(圖1)。嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)完成上位計(jì)算功能,人機(jī)界面操作與顯示;運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)并行總線與計(jì)算機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)高速信息交換,而計(jì)算機(jī)以鑲嵌的方式安裝在運(yùn)動(dòng)控制器主板上,形成一體化結(jié)構(gòu),完成數(shù)控和過(guò)程控制功能及必要的I/O接口;脈沖電源發(fā)生器則通過(guò)RS232串口通訊與計(jì)算機(jī)相連,接受來(lái)自上位機(jī)的脈沖指令,根據(jù)指令進(jìn)行開(kāi)關(guān)脈沖和輸出基礎(chǔ)的脈沖序列和電流控制,并檢測(cè)極間放電狀態(tài),綜合放電狀態(tài)對(duì)基礎(chǔ)脈沖進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖

(2)嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)采用一體化結(jié)構(gòu),單板集成全系統(tǒng)。該主機(jī)板以O(shè)EM的方式由專業(yè)廠家制作,保密性強(qiáng),配套外部存儲(chǔ)器采用筆記本專用電腦硬盤(pán),提供標(biāo)準(zhǔn) CRT/LCD顯示器接口,10/100 Mbps網(wǎng)絡(luò)接口,2個(gè)RS232/485串行通訊接口,兩個(gè)USB接口,PS/2鍵盤(pán)和鼠標(biāo)接口。

(3)運(yùn)動(dòng)控制器是一臺(tái)具有獨(dú)立CPU的智能控制器,采用32位120 M主頻工業(yè)控制器作為中央處理器,數(shù)控插補(bǔ)部分采用FPGA大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件。運(yùn)動(dòng)控制器采用單板化結(jié)構(gòu),作為前端控制器的同時(shí)還作為系統(tǒng)的主板,為整個(gè)系統(tǒng)提供直流穩(wěn)壓電源、總線連接和安裝支撐。配置五軸CNC(一路預(yù)留)、4路模擬量輸入、16路開(kāi)關(guān)量輸出、20路開(kāi)關(guān)量輸入、光柵接口及手持盒接口等。

(4)脈沖電源發(fā)生器也是一臺(tái)具有獨(dú)立CPU的控制器,采用ARM作為中央處理器,FPGA產(chǎn)生脈沖,間隙檢測(cè)采用高速專用芯片,間隙檢測(cè)信息一方面用以自適應(yīng)調(diào)整脈沖參數(shù),一方面提供給運(yùn)動(dòng)控制器作為進(jìn)給依據(jù)。

(5)作為已有將近20年歷史的電加工設(shè)備專業(yè)生產(chǎn)廠家,公司在脈沖電源方面有獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn),無(wú)論是電火花成形機(jī)、線切割機(jī)或穿孔機(jī),在針對(duì)其不同的應(yīng)用上,在放電脈沖功率單元設(shè)計(jì)與制作工藝上都有著深刻的理解。在本系統(tǒng)中,脈沖發(fā)生放大、檢測(cè)技術(shù)都有了新的提高,二者互為補(bǔ)充,相得益彰,為NH9W數(shù)控系統(tǒng)提高放電工藝性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 核心軟件

在NH9W數(shù)控系統(tǒng)中,上位機(jī)嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、程序編輯、譯碼、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖形處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能,并通過(guò)總線控制運(yùn)動(dòng)控制器和脈沖發(fā)生器。

3.1 工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)

運(yùn)行于Windows XP操作系統(tǒng)上的NH9W數(shù)控系統(tǒng),具有足夠大的運(yùn)算空間和速度,在系統(tǒng)中可方便地建立起可查詢的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。一方面,在本公司大量工藝經(jīng)驗(yàn)的積累下,建立起符合實(shí)際加工的數(shù)據(jù);另一方面,通過(guò)理論建模,為客戶拓展加工范圍預(yù)留了相應(yīng)的接口。用戶可把自己認(rèn)為理想的工藝數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)供今后調(diào)用,同時(shí)也可通過(guò)輸入“材料”、“厚度”、“效率”或“表面粗糙度”優(yōu)先選擇等,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行模糊計(jì)算,提供最恰當(dāng)?shù)募庸?shù),包括可在表面粗糙度優(yōu)先的時(shí)候,給出多次切割的收縮量和對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

3.2 間隙檢測(cè)

放電間隙檢測(cè)是通過(guò)連接在工件與鉬絲電機(jī)上的信號(hào)線采集的。通常的間隙檢測(cè)是經(jīng)過(guò)分壓、濾波后再經(jīng)過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換,控制伺服的進(jìn)給和速度。脈沖電源幾乎是開(kāi)環(huán)形式的,在本系統(tǒng)中,采用的是對(duì)間隙放電脈沖的數(shù)字檢測(cè)。一般而言,放電脈沖有開(kāi)路(擊穿延時(shí))、正常放電、產(chǎn)生短路、短路等特征信號(hào)量。在本設(shè)計(jì)中,以 n個(gè)脈沖取樣,針對(duì)幾個(gè)脈沖在存儲(chǔ)器中采用FIFO方式,把脈沖歸類定義計(jì)個(gè)數(shù)開(kāi)路 nk、正常放電 nd、高阻 nI、短路預(yù)短路ns,n=nk+nI+nd+ns,再取其不同的比率開(kāi)路率ηk=nk/n 、高阻率 ηI=nI/n 、放電率 ηd=nd/n 、短路率 ηs=ns/n,根據(jù)多種比率的組合,建立不同的控制策略,采用數(shù)字PID調(diào)節(jié),以最大限度地提升采樣跟蹤效能。經(jīng)反復(fù)調(diào)整參數(shù)和大量工藝加工試驗(yàn),達(dá)到了良好的跟蹤效果,改善了間隙狀態(tài),極大地提升了脈沖利用率。

3.3 位置補(bǔ)償

在開(kāi)環(huán)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中,高精度的跳步模是不可想象的,即使在閉環(huán)或半閉環(huán)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中,要想實(shí)現(xiàn)高的定位精度,對(duì)絲杠或光柵尺提出的要求也較苛刻。因此,位置補(bǔ)償成為提高定位精度和降低成本的必要手段。

用激光干涉儀通過(guò)對(duì)螺距或光柵尺(全閉環(huán),光柵尺精度也同樣需要補(bǔ)償)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,得到運(yùn)動(dòng)軸全程的誤差分布曲線。誤差有正有負(fù),當(dāng)誤差為正時(shí),表明實(shí)際移動(dòng)距離大于理論的移動(dòng)距離,則在此扣除進(jìn)給脈沖指令,使電機(jī)以少進(jìn)一步的方式進(jìn)行誤差補(bǔ)償;當(dāng)誤差為負(fù)時(shí),表明實(shí)際的移動(dòng)距離小于理論的移動(dòng)距離,則采取增加脈沖指令,使電機(jī)以多進(jìn)一步的方式進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

4 使用效果

(1)多任務(wù)功能。在加工過(guò)程中,切換到編程界面或網(wǎng)絡(luò)界面,進(jìn)行新圖繪制或從網(wǎng)絡(luò)上收發(fā)文件。

(2)跳步模精度。圖2是4個(gè)外切r=12 mm的圓的八方內(nèi)腔,切割順序?yàn)?1、2、3、4。加工前預(yù)先打好穿絲孔。4個(gè)內(nèi)腔的幾何精度為0.008～0.010 mm,XY方向的跳步定位精度為0.010～0.012 mm。

圖2 跳步模精度示意圖

(3)多次切割表面粗糙度。對(duì)40 mm厚的Cr12鋼工件進(jìn)行 3次切割,表面粗糙度值約為Ra1.2 μ m,表面均勻、無(wú)換向條紋;4次切割的表面粗糙度值為 Ra 0.8～0.9 μ m。

(4)一次切割效率。采用直徑0.18 mm的鉬絲,對(duì)60 mm厚的45鋼進(jìn)行切割,最大切割效率＞256 mm2/min。

(5)大面積切割。采用直徑0.18 mm的鉬絲,對(duì)60 mm厚的45鋼進(jìn)行切割,平均切割效率為130 mm2/min,連續(xù)切割260 000 mm2,鉬絲損耗0.02 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

NH9W的界面設(shè)計(jì)更加人性化,方便了控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和操作培訓(xùn),可方便地與控制中心或其他機(jī)床聯(lián)網(wǎng);高速采樣電路實(shí)現(xiàn)了單個(gè)脈沖放電的數(shù)字采樣,并通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的脈沖率統(tǒng)計(jì)分析,實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的脈沖調(diào)節(jié)和伺服控制;通過(guò)位置補(bǔ)償,為高精度的跳步模加工打下基礎(chǔ);更有諸如手持盒、工藝庫(kù)等,為操作者提供了最大的便利性。

基于WindowsXP的高性能中走絲線切割數(shù)控系統(tǒng)NH9W,充分發(fā)揮了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速電子器件技術(shù)、高速數(shù)字信息處理技術(shù)、伺服與插補(bǔ)控制技術(shù)的作用,結(jié)合放電加工工藝和機(jī)床的傳動(dòng),進(jìn)行了綜合研制,全方位地提升了產(chǎn)品的可操作性、加工工藝性、系統(tǒng)可靠性及可維護(hù)性,具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值,必將為我國(guó)的制造業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。