MS-WEDM工作液智能控制系統(tǒng)裝置研制

郭翠霞 ，劉 康 ，謝文玲 ，楊大志 ，張宏志

（1.四川理工學(xué)院，自貢 643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗室，自貢 643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗室，自貢 643000）

多次切割技術(shù)在我國高速走絲電火花線切割機(jī)床已成功地運(yùn)用，以低的成本改善了切割加工表面的精度和質(zhì)量[1]。多次切割技術(shù)[2]對工件實(shí)施多次切割，即第一次高速切割成形；第二次精修，保證加工尺寸精度；第三次及以上拋磨修光，提高工件表面質(zhì)量，俗稱“中走絲電火花線切割機(jī)床”。但是，現(xiàn)MS-WEDM仍存在切割精度忽高忽低、保持性差等缺陷，其主要影響因素有電極絲換向、振動引起電極絲空間位置發(fā)生變化、工作液性能發(fā)生變化等，它們嚴(yán)重影響了加工放電效果[3-5]。結(jié)合高速走絲電火花線切割機(jī)床（具有多次切割功能）加工特點(diǎn)，在大量、相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，研制出一套適合我國MSWEDM工作液的智能控制系統(tǒng)，其加工穩(wěn)定性得到提高，它的研制具有實(shí)際應(yīng)用意義。

1 裝置的結(jié)構(gòu)與功能

工作液控制裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，裝置由1個自吸水泵、1個過濾器、1個球閥和6個電磁水閥（電磁水閥帶單向功能）以及2個儲液箱（分別是粗加工液箱和精加工液箱）組成。工作液通過進(jìn)液電磁閥（9或10），流經(jīng)過濾器13至自吸水泵1，從自吸水泵1流出的工作液有一部分經(jīng)過泄壓回路（球閥3、泄壓電磁閥7和泄壓電磁閥8）回流到對應(yīng)的工作箱中，另一部分經(jīng)過工作液電導(dǎo)率采集器和上、下絲臂供液管流到工作臺液槽上參與電火花放電加工，工作液最終經(jīng)過回液電磁閥（5或6）回到對應(yīng)的工作液儲液箱中。

圖1 控制裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of control device

工作液智能控制系統(tǒng)在接通電源后，首先進(jìn)行開機(jī)自檢，即區(qū)分出具體的粗工作液箱和精工作液箱。其具體控制流程為

1）自吸水泵1啟動，進(jìn)液電磁閥10、泄壓電磁閥8和回液電磁閥6開，工作液電導(dǎo)率采集器2開始采集儲液箱12的電導(dǎo)率信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，發(fā)送至單片機(jī)計算并保存。

2）自吸水泵1保持工作狀態(tài)，在相繼關(guān)閉進(jìn)液電磁閥10、泄壓電磁閥8和回液電磁閥6的同時，進(jìn)液電磁閥9、泄壓電磁閥7和回液電磁閥5也相應(yīng)的開啟，此時電導(dǎo)率采集裝置2開始采集儲液箱11的電導(dǎo)率，將此信號發(fā)送至單片機(jī)，并與之前儲液箱12的電導(dǎo)率進(jìn)行比較，從而區(qū)分出具體的粗、精工作液箱。

3）完成開機(jī)自檢后，控制系統(tǒng)關(guān)閉自吸水泵1及所有的電磁閥，系統(tǒng)待機(jī)，等待接收機(jī)床加工信號。系統(tǒng)一旦檢測到機(jī)床的加工信號，如機(jī)床開始粗加工，系統(tǒng)就會接收到粗加工信號，使粗加工工作液的供給、泄壓和回液管路相應(yīng)的電磁閥打開；如機(jī)床半精或精加工時，系統(tǒng)就會接收到相應(yīng)的信號，并立即關(guān)閉粗加工工作液的相應(yīng)供給、泄壓和回液管路的電磁閥，打開精加工工作液供給、泄壓和回液管路的電磁閥。控制系統(tǒng)能夠滿足在第一次切割時提供粗加工工作液，第二次及以上切割時提供精加工工作液的加工要求，同時提高了工作液的使用壽命。

4）控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測工作液電導(dǎo)率值。一旦工作液電導(dǎo)率超過其設(shè)定值，系統(tǒng)在保證不影響機(jī)床正常加工的狀態(tài)下，發(fā)出相應(yīng)的報警信號，提醒操作人員更換粗工作液箱的工作液。

整個工作液智能控制系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化思想。硬件系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計有電源模塊、信號采集模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。軟件系統(tǒng)程序包括各模塊初始化程序、A/D模塊TLC2543轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、溫度傳感器程序、串口屏顯示程序、自動換擋檢測程序、電磁閥程序、中斷信號程序和串口上位機(jī)程序等。各軟件系統(tǒng)模塊分別用C51語言編寫、編譯和調(diào)試，運(yùn)用主控程序Main（）來調(diào)用各模塊程序，從而完成對整個裝置的控制。

2 硬件電路設(shè)計

圖2 硬件設(shè)計方案Fig.2 Design scheme of hardware

工作液智能控制系統(tǒng)硬件電路框架如圖2所示。系統(tǒng)由信號輸入回路、單片機(jī)和執(zhí)行元件三部分構(gòu)成。輸入回路包括工作液電導(dǎo)率信號采集電路，機(jī)床控制柜發(fā)出的工作液粗、精加工轉(zhuǎn)換信號和工作液控制系統(tǒng)啟動信號；控制芯片為STC89C58RD+；執(zhí)行元件包括報警裝置、繼電器、電磁閥和水泵等。該裝置器件的選擇主要參考與單片機(jī)兼容、可控制的原則。

系統(tǒng)首先開機(jī)自檢，自動判別具體的粗、精工作液箱。自檢完畢，控制系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，等待機(jī)床加工信號。當(dāng)機(jī)床發(fā)出加工信號時，控制系統(tǒng)立即啟動水泵，并根據(jù)機(jī)床的加工狀態(tài)，開啟相應(yīng)的電磁閥，同時對工作液電導(dǎo)率進(jìn)行實(shí)時采集。工作液的電導(dǎo)率一旦超過設(shè)定值，則蜂鳴器報警，液晶顯示相應(yīng)的警示符號。此時，系統(tǒng)仍會保持工作液供給，不會影響正常加工。待機(jī)床完成加工后，工作液控制系統(tǒng)自動關(guān)閉水泵及相應(yīng)電磁閥。

2.1 工作液電導(dǎo)率信號采集器

工作液導(dǎo)電性是靠離子的遷移來完成的。電導(dǎo)率的檢測受到溫度、電極常數(shù)和交流頻率等因素的影響。為了能精確測量工作液電導(dǎo)率值，減小極化效應(yīng)、電容效應(yīng)、溫度效應(yīng)和“漏電壓”干擾帶來測量誤差，系統(tǒng)采用測量線性度較好的分壓法對工作液電導(dǎo)率測量。電導(dǎo)率傳感器采用電極常數(shù)K=10的兩極式鉑黑電極，基材為玻璃，外殼為不銹鋼，測量范圍為10~20000 μs/cm，具有防水、抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。電極驅(qū)動電壓為±5 V的方波，其頻率為1000 Hz。工作液電導(dǎo)率采集器由驅(qū)動電壓發(fā)生電路、電導(dǎo)率電極接線電路、變量程電路、信號放大調(diào)理電路、基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、溫度傳感器電路和單片機(jī)等組成。

2.2 控制芯片和電源

控制芯片選用宏晶科技直插型的工業(yè)級STC89C52RC。該芯片價格低廉、性價比較高；工作電壓為 3.3～5.5 V，工作頻率為 0～40 MHz，片上已集成512 B的RAM；工作溫度為-40～85℃。

控制系統(tǒng)板采用11.0592 MHz晶振。單片機(jī)引腳P0.0~P0.5端口用于控制電導(dǎo)率信號采集器的自動量程電路；P3.0和P3.1端口與串口液晶屏相連，用于顯示；P3.1和P3.2端口接機(jī)床來的信號線，用于接收機(jī)床加工狀態(tài)的信號；P2端口控制自吸水泵和電磁閥等。

控制系統(tǒng)的電源采用明威生產(chǎn)的開關(guān)電源，型號為Q60-C，220 V/50 Hz交流電，4組輸出分別為+15 V，-15 V，+5 V和-5 V，1個COM接口， 功率為60 W，能滿足系統(tǒng)要求。

2.3 機(jī)床信號轉(zhuǎn)換電路

機(jī)床信號轉(zhuǎn)換電路，由7個線性光電耦合器PC817，3個2 kΩ電阻以及2個1 kΩ電阻構(gòu)成，如圖3所示。來自機(jī)床的加工信號一般有3組，分別為第一次加工信號net1，第二次加工信號net2，第三次及以上加工信號net3。

圖3 機(jī)床加工信號轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Conversion circuit of machine tool processing signal

當(dāng)機(jī)床處于不加工時，net1、net2和net3端口均處于高電平，所有光電耦合均處于截止?fàn)顟B(tài)。初始加工狀態(tài)時，net1端口置低電平，net2和net3端口置高電平，此時光電耦合K3導(dǎo)通，B端口輸出低電平信號，K4和K6導(dǎo)通，單片機(jī)P3.2端口得到一個下降沿信號，外部中斷INT0開啟，同時P1.7端口電平被置低，單片機(jī)監(jiān)測到此時加工狀態(tài)為第一次加工。依次類推，通過置net1，net2和net3端口不同的電平，單片機(jī)能檢測出第二次加工，第三次或以上的加工狀態(tài)。

2.4 蜂鳴器電路

為了避免干擾，蜂鳴器電路采用光電隔離，如圖4所示。蜂鳴器為有源蜂鳴器，其控制口與單片機(jī)P2.6口相連，控制口為低電平時，蜂鳴器工作。

圖4 蜂鳴器電路Fig.4 Buzzer circuit

2.5 執(zhí)行器控制電路

自吸水泵控制電路如圖5所示，單片機(jī)P2.0端口的控制信號控制線性光電耦合器PC817的開閉，通過三極管Q1的導(dǎo)通與截止來控制繼電器K7的開閉。繼電器最大耐壓250 V，最大耐電流10 A。為了減少控制電路對單片機(jī)的干擾，在單片機(jī)與繼電器之間進(jìn)行隔離。

圖5 自吸水泵控制電路Fig.5 Self-priming pump control circuit

各電磁閥控制電路如圖6、7、8所示，S1和S2分別接工作液管路的進(jìn)液電磁閥，S3和S4分別接工作液管路的泄壓電磁閥，S5和S6分別接工作液管路的回液電磁閥。單片機(jī)通過對各繼電器的控制即可實(shí)現(xiàn)工作液的智能控制。

圖6 進(jìn)液電磁閥控制電路Fig.6 Control circuit of liquid inlet solenoid valve

圖7 泄壓電磁閥控制電路Fig.7 Control circuit of pressure relief solenoid valve

圖8 回液電磁閥控制電路Fig.8 Control circuit of liquid return solenoid valve

電磁閥控制電路的繼電器為單刀雙擲繼電器。其線圈通斷電分別通過單片機(jī)P2.1，P2.2，P2.3控制三極管Q1，Q2，Q3的導(dǎo)通與截止來實(shí)現(xiàn)的，低電平時導(dǎo)通。在繼電器線圈上反向并聯(lián)續(xù)流二極管1N4007，用于抑制和吸收線圈斷電時反向電動勢的作用。在三極管與單片機(jī)I/O口之間，用光電耦合器PC817隔離，避免三極管2N3904漏電流對單片機(jī)的影響。

2.6 樣機(jī)制作

工作液智能控制系統(tǒng)的樣機(jī)已制作完成，如圖9所示。PCB板制成2塊：信號板和控制板。信號板與控制板通過JTAG線連接，采用光電隔離，將單片機(jī)I/O口與三極管基極隔離，使信號板與控制板僅保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系，避免三極管漏電流對單片機(jī)的干擾。

圖9 控制系統(tǒng)樣機(jī)Fig.9 Prototype

3 結(jié)語

MS-WEDM工作液智能控制裝置能夠在線檢測粗、精工作液槽的工作液電導(dǎo)率，并判斷其能否滿足粗、精加工要求；根據(jù)多次切割加工技術(shù)的特點(diǎn)，合理地控制粗、精加工工作液的交換，有效地提高加工精度和表面質(zhì)量等工藝性指標(biāo)，并提高加工穩(wěn)定性。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用常用的元器件，成本低；可直接安裝在現(xiàn)有的中走絲電火花線切割機(jī)床上，通用性好。

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