基于PIC單片機(jī)的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊漢松，張永俊，鄧志敏

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解工藝是當(dāng)今最新的連桿加工技術(shù)，有著傳統(tǒng)連桿加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性，其加工工序少，可節(jié)省精加工設(shè)備，節(jié)材節(jié)能，生產(chǎn)成本低[1]。連桿裂解槽電火花線切割加工是在連桿裂解前，在連桿大頭孔內(nèi)表面兩側(cè)各切出一條裂解應(yīng)力槽，產(chǎn)生一個(gè)裂解應(yīng)力集中區(qū)域，以利于后續(xù)的裂解[2]。其中，裂解應(yīng)力槽的槽深是否一致在很大程度上決定了裂解加工過(guò)程中斷裂區(qū)域的應(yīng)力集中程度，是影響裂解力和質(zhì)量的最主要因素之一。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于連桿毛坯內(nèi)孔有誤差、鉬絲與連桿初始位置的不同，要想保證切槽槽深的一致，需在每次加工前進(jìn)行精確對(duì)刀，這會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本文設(shè)計(jì)了一種具有恒切深自動(dòng)控制的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，能保證切割的槽深一致，滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)高效加工的要求。

1 控制系統(tǒng)組成

電火花線切割機(jī)床的控制系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)控制器、檢測(cè)電路、電機(jī)、線切割電源等組成。其中，檢測(cè)電路包括間隙電壓取樣電路、間隙狀態(tài)識(shí)別電路及壓頻控制電路。系統(tǒng)各部分組成見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)各部分連接關(guān)系

PIC單片機(jī)系統(tǒng)控制線切割加工前的鉬絲快速進(jìn)給，接近工件時(shí)的低速進(jìn)給，以及加工過(guò)程中的短路回退和加工完畢的快速回退。壓頻控制電路具體負(fù)責(zé)線切割加工的進(jìn)給，根據(jù)加工間隙電壓的大小生成相應(yīng)的頻率進(jìn)行控制。間隙電壓取樣電路和間隙狀態(tài)識(shí)別電路則是對(duì)加工間隙的電壓進(jìn)行平均值取值，判別間隙的狀態(tài)，并將不同的加工間隙狀態(tài)反饋到單片機(jī)系統(tǒng)。

2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

2.1 間隙電壓取樣電路設(shè)計(jì)

間隙電壓取樣的目的是為了獲取加工放電間隙大小，再通過(guò)控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)募庸らg隙來(lái)獲得電火花加工穩(wěn)定的加工速度、良好的加工表面和加工精度[3]。因此，設(shè)計(jì)的間隙電壓取樣電路必須能取樣到正常加工的電壓信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的取樣電路，電路中D1限制了短路電壓與電弧放電電壓的通過(guò)，只能取樣到空載與正常加工時(shí)的電壓信號(hào)。R1、C1組成濾波電路，并由于其具有滯后特性，對(duì)取樣電壓進(jìn)行定時(shí)采樣，有助于加工的穩(wěn)定。D6限制了輸出的最大電壓，可保證壓頻控制線切割加工中的電機(jī)最大速度。

圖2 取樣電路原理圖

2.2 間隙狀態(tài)識(shí)別電路設(shè)計(jì)

間隙狀態(tài)識(shí)別電路的作用是識(shí)別正常火花放電加工的間隙電壓（18～25 V）和短路或電弧放電電壓[4]。當(dāng)識(shí)別電路識(shí)別出正常加工間隙電壓時(shí)，PIC控制器首先釋放對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，然后再驅(qū)動(dòng)壓頻控制電路進(jìn)行切割進(jìn)給。當(dāng)加工過(guò)程中出現(xiàn)短路狀態(tài)時(shí)，識(shí)別電路從取樣電壓中進(jìn)行識(shí)別，然后給PIC控制器中斷信號(hào)，控制器則執(zhí)行短路回退動(dòng)作。

間隙狀態(tài)識(shí)別電路由電壓比較器組成，其電路原理見(jiàn)圖3。取樣的間隙電壓分別輸入到U1A和U2A組成的窗口比較器和U3A的電壓比較器中。當(dāng)處于正?；鸹ǚ烹娂庸r(shí)，NPN三極管截至，Vzout輸出高電平；當(dāng)處于短路和電弧放電狀態(tài)時(shí)，PNP截至，Vdout輸出高電平。PIC控制器根據(jù)接收到的信號(hào)來(lái)源進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

2.3 壓頻控制電路設(shè)計(jì)

壓頻控制電路的作用是通過(guò)電火花線切割切槽過(guò)程中的加工間隙電壓來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給頻率。調(diào)定一個(gè)切割加工的合適間隙，當(dāng)切割加工進(jìn)行時(shí)，控制電路可根據(jù)間隙大小產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。加工間隙較大時(shí)，間隙電壓就大，壓頻電路轉(zhuǎn)換出來(lái)的頻率就高，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給就快；反之，加工間隙較小時(shí)，間隙電壓就小，轉(zhuǎn)換出來(lái)的頻率就低，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給就慢。利用壓頻控制電路可使間隙維持在一個(gè)最佳范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足加工要求。壓頻控制電路原理見(jiàn)圖4。間隙取樣電壓經(jīng)光耦隔離后輸入至LM331壓頻轉(zhuǎn)換芯片，電壓經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)化后輸出為對(duì)頻率的脈沖信號(hào)。

圖3 間隙狀態(tài)識(shí)別電路

圖4 壓頻控制電路原理圖

3 PIC控制器軟件設(shè)計(jì)

PIC單片機(jī)是一種微控制器，具有哈佛總線結(jié)構(gòu)，故CPU執(zhí)行指令的速度快；還具有精簡(jiǎn)指令集技術(shù)、尋址方式簡(jiǎn)單、功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、外接電路簡(jiǎn)單、品種豐富、程序保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用高檔的8位系列PIC單片機(jī)PIC18F458，它具有16位指令寬度，還具有2 M程序存儲(chǔ)空間和4 K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，極大地方便了C語(yǔ)言的設(shè)計(jì)與編程。

PIC單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制模塊作為整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主控制模塊，要求能在切割加工前實(shí)現(xiàn)工具電極快速平穩(wěn)進(jìn)給和檢測(cè)加工狀態(tài)，并對(duì)相應(yīng)的加工狀態(tài)做出響應(yīng)，即檢測(cè)到正常加工狀態(tài)時(shí)要釋放對(duì)步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給控制，并把控制信號(hào)交給壓頻控制電路，在檢測(cè)到短路狀態(tài)時(shí)要進(jìn)行短路回退。此外，加工過(guò)程中對(duì)切割深度的控制是通過(guò)控制切割加工的進(jìn)給脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)的。最后，在加工完畢后要實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)的回退。為了避免步進(jìn)電機(jī)在加工中出現(xiàn)失步等問(wèn)題，在工具電極快速進(jìn)給和加工完畢后的快速回退，需對(duì)步進(jìn)電極的升降速進(jìn)行控制，以使加工更加平穩(wěn)。PIC控制系統(tǒng)軟件程序的流程見(jiàn)圖5。

圖5 PIC單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文利用電火花線切割機(jī)床對(duì)恒切深控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，考察工件邊緣與鉬絲進(jìn)給方向垂直、傾斜的兩種情況對(duì)切槽深度的控制。假設(shè)當(dāng)工件與鉬絲相互垂直時(shí)，此時(shí)鉬絲與工件之間的原始距離為S1（圖6a）；當(dāng)工件與鉬絲傾斜時(shí)，鉬絲與工件之間的原始距離變?yōu)?S2（圖 6b），且令 S2＞S1。 針對(duì)兩種位置情況各做4組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的加工條件為：線切割電源頻率10 kHz，加工電壓110 V，占空比0.3。

圖6 實(shí)驗(yàn)方案示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

電火花線切割加工的槽深尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，圖7、圖8分別是經(jīng)CCD測(cè)量得到的工件圖。

從表1可看出，兩種方式切割出來(lái)的槽深誤差較小，證明所設(shè)計(jì)的具有恒切深控制功能的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)是可行的。

表1 兩種方案切割槽深的數(shù)據(jù)記錄

圖7 直切工件圖

圖8 斜切工件圖

5 結(jié)束語(yǔ)

研制了具有恒切深控制功能的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，并對(duì)其中的硬件檢測(cè)和軟件控制部分進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性能良好，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]寇淑清，楊慎華，鄧春萍，等.裂解工藝——發(fā)動(dòng)機(jī)連桿制造最新技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001，12（7）：839-841.

[2] 寇淑清，楊慎華，趙勇，等.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工及其關(guān)鍵技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，34（1）：85-90.

[3] 霍孟友，張建華，艾興.電火花放電加工間隙狀態(tài)檢測(cè)方法綜述[J].電加工與模具，2003（3）：17-20.

[4] 鄭紅，賈志新，郭永豐，等.電火花加工中脈沖電源放電維持電壓研究 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30（3）：99-102.