周建平，宋祥龍，許 燕，梁楚華

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830008)

短電弧加工技術(shù)采用非接觸式極間放電方式進(jìn)行加工，加工效率高、工作噪音小，是一種專門用于硬面材料的高效加工技術(shù)［1］.不同于電火花加工，在粗加工方式下加工軋輥外圓疲勞破壞層時(shí)(工件表面硬度HRC45)的最大單邊切削深度可達(dá)28 mm，金屬去除量可達(dá)900～1 200 g· min-1，被加工件表面影響層(馬氏體組織)0.05～1 mm，其母材化學(xué)成分不變，加工噪音低于80 dB.短電弧加工技術(shù)可以有效地解決新型特種材料如鈦合金、鉬合金、不銹鋼、高錳合金等特硬、超強(qiáng)、高韌性、高耐磨、冷作硬化等材料的加工難題.目前，短電弧機(jī)床的加工電源工藝參數(shù)設(shè)定和加工過程中的運(yùn)動(dòng)控制仍然采用人工進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在加工過程中，工人操作強(qiáng)度較大，自動(dòng)化程度低，并且工具電極在放電加工過程中自身也在損耗，工具損耗后如不進(jìn)行補(bǔ)償，則將造成被加工工件的尺寸精度降低［2～7］.為進(jìn)一步分析短電弧加工過程中的工具電極和工件電極之間放電電流與工具電極損耗的變化規(guī)律，找出合理的工作方式和刀具電極損耗的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，更好的控制被加工工件的加工精度和提高加工效率，本研究針對(duì)短電弧加工機(jī)床進(jìn)行了專用運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)，進(jìn)行了數(shù)控短電弧機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制器功能設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)以及抗干擾設(shè)計(jì)等，以便為數(shù)控短電弧機(jī)床的研究提供依據(jù).

1 運(yùn)動(dòng)控制器的功能要求

本研究中短電弧機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用“NC嵌入PC”式的開放體系結(jié)構(gòu)，即工業(yè)PC(IPC)+運(yùn)動(dòng)控制適配器卡的結(jié)構(gòu)［2，3］.控制器核心采用DSP控制專用芯片TMS320F2812(TI公司)完成數(shù)控加工中的伺服進(jìn)給控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集操作;而上位主機(jī)(IPC)主要完成圖形圖像顯示、G代碼編輯及預(yù)處理、加工參數(shù)設(shè)定等實(shí)時(shí)要求不高的操作，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)行參數(shù)獲取與機(jī)床加工狀態(tài)顯示等功能.

運(yùn)動(dòng)控制器功能主要包括:(1)實(shí)現(xiàn)直線、圓弧等運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)功能和運(yùn)行狀態(tài)的加減速控制;(2)實(shí)現(xiàn)工具電極的陰極上電裝置的進(jìn)給控制(軸交流伺服聯(lián)動(dòng)控制)和砂帶磨工作臺(tái)(UW軸交流伺服聯(lián)動(dòng)控制)進(jìn)給控制，以及氣液工作介質(zhì)注入方向控制(B軸步進(jìn)電機(jī))，均采用脈沖控制方式;(3)5軸(X軸，Z軸，U軸，W軸，B軸)位置狀態(tài)檢測功能，每軸檢測位置包括2個(gè)極限位置點(diǎn)、2個(gè)減速位置點(diǎn)、1個(gè)回零位置點(diǎn);(4)利用CAN總線實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)(陰極上電裝置的工具刀盤旋轉(zhuǎn))、圓周進(jìn)給電機(jī)(工件陽極的圓周進(jìn)給)運(yùn)動(dòng)控制;(5)加工過程中的加工電流設(shè)定、工作電流檢測、漏電流檢測等功能;(6)利用16路輸入、16路輸出實(shí)現(xiàn)操作面板站的控制操作和狀態(tài)指示;(7)運(yùn)動(dòng)控制器自身檢測與狀態(tài)指示;(8)與上位主機(jī)USB接口的通訊功能;(9)采用專用的電源管理芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)動(dòng)控制器的電壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)掉電保護(hù).

2 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行短電弧機(jī)床的加工機(jī)理研究，除了實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的控制功能外，還需對(duì)加工過程中的工藝狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測，所以在采集機(jī)床的信號(hào)時(shí)要滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的要求.運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)核心采用DSP芯片(TMS320F2812)作為其主控芯片，DSP芯片通過USB芯片與主機(jī)通訊，CPLD芯片則實(shí)現(xiàn)DSP芯片與USB芯片通訊過程的邏輯粘合和部分I/O數(shù)字信號(hào)量控制(圖1).

2.1 DSP控制芯片功能描述

圖1 運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of motion controller

TMS320F2812是TI公司的一款專為用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片［4～6］.該芯片兼容 TMS320F2407 指令系統(tǒng)，最高可在150 MHz主頻下工作，并帶有18 k×16位0等待周期片上SARM和128 k×16位片上Flash，存取時(shí)間3 ns.其片上外設(shè)主要包括2×8路12位ADC(最快 80 ns轉(zhuǎn)換時(shí)間)，2 路 SCI，1 路 SPI，1路McBSP，1路eCAN等，并帶有2個(gè)事件管理模塊(EVA，EVB)，分別包括 6路 PWM/CMP，2路QEP，3路CAP，2路16位定時(shí)器(或TxPWM/TxCMP).另外，該器件還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，以及56個(gè)獨(dú)立編程的GPIO引腳，可外擴(kuò)到1 M×16位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制，可進(jìn)行雙16×16乘加和32×32乘加操作，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能.選用DSP芯片作為控制器的執(zhí)行者，可以高速度實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算，并對(duì)加工過程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，然后經(jīng)過16位的D/A將數(shù)據(jù)送給短電弧機(jī)床加工電源.

2.2 USB 接口設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中直接影響著數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，目前新出現(xiàn)的1394總線(火線)、USB等串行總線的出現(xiàn)將極大地改變現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu).USB通訊接口芯片選用Cypress公司的CY7C68013型芯片.USB總線的設(shè)備端點(diǎn)是數(shù)據(jù)不斷取空和填滿的FIFO，從USB角度看，端點(diǎn)就是充滿了總線上接受和保持?jǐn)?shù)據(jù)的緩沖區(qū)，USB從OUT端點(diǎn)緩沖區(qū)讀主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，向IN端點(diǎn)緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)給主機(jī).FX2 C68013-56芯片有SlaveFIFO和可編程接口GPIF 2種接口方式［7］，在本系統(tǒng)中FX2工作在SlaveFIFO模式，這種方式下外部控制器可像普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫，F(xiàn)X2可以和CPLD直接通信而無需片內(nèi)51內(nèi)核的參與，F(xiàn)X2引腳與CPLD的信號(hào)連接如圖2所示.

在由CPLD接入的控制信號(hào)中，SLOE表示輸出使能，SLRD表示Slave讀，SLWR表示Slave寫，PKTEND表示數(shù)據(jù)包結(jié)束，CPLD可通過PKTEND管腳向USB發(fā)送1個(gè)IN數(shù)據(jù)包而不用考慮包的長度，F(xiàn)IFOADR［1∶0］用于選擇與 FD［0..7］，F(xiàn)D［8..15］相連的端點(diǎn)緩沖區(qū)，其值為00時(shí)選擇端點(diǎn)EP2，為01時(shí)選擇端點(diǎn)EP4，為10時(shí)選擇端點(diǎn)EP6，為 11 時(shí)選擇端點(diǎn) EP8，F(xiàn)LAGA，F(xiàn)LAGB，F(xiàn)LAGC是FIFO標(biāo)志管腳，用于映射FIFO的當(dāng)前狀態(tài)，F(xiàn)LAGA表示 EP2 FIFO PFULL(512 full)，F(xiàn)LAGB表示 EP6 FIFO EMPTY，IFCLK是24 MHz的外部時(shí)鐘，CLKOUT為CPLD內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)輸入;這些標(biāo)志及時(shí)鐘信號(hào)在固件部分初始化函數(shù)中設(shè)置.FD［0..7］，F(xiàn)D［8..15］是 16 位雙向數(shù)據(jù)總線，用于在FX2和CPLD之間傳輸數(shù)據(jù)，PA0，PA1，PA7為8051核與CPLD通用I/O信號(hào)，WU2是在8051核處于掛起狀態(tài)時(shí)USB喚醒信號(hào).

2.3 CPLD邏輯通道粘合

運(yùn)動(dòng)控制器需要對(duì)5軸(X軸，Z軸，U軸，W軸，B軸)位置狀態(tài)檢測、上位主機(jī)通訊以及存儲(chǔ)器譯碼等數(shù)字邏輯控制，其中位置狀態(tài)檢測中每根軸包括2個(gè)極限位置點(diǎn)，2個(gè)減速位置點(diǎn)，1個(gè)回零位置點(diǎn).此時(shí)邏輯電路需要完成的功能比較多，如果采用分立的集成芯片來實(shí)現(xiàn)這些功能，勢必會(huì)使得整個(gè)電路卡的布局結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，可靠性降低，設(shè)計(jì)過程煩瑣，設(shè)計(jì)的靈活性不高.而復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD可以很好的克服這些缺點(diǎn).CPLD不僅能滿足片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，而且具有系統(tǒng)內(nèi)可再編程的獨(dú)特特點(diǎn)，速度高、密度大、性能好，其應(yīng)用廣泛.

圖2 FX2引腳與CPLD引腳的信號(hào)連接Fig.2 Signal connection between CPLD and FX2

可編成邏輯器件EPM7128SQC100芯片(ALTERA公司)，采用100腳QFP封裝則最大可以擴(kuò)展84個(gè)I/O.該芯片在結(jié)構(gòu)上包含邏輯陣列塊(LAB)、宏單元、擴(kuò)展乘積項(xiàng)、可編程連線陣列(PIA)和I/O控制塊.在I/O控制塊中有2個(gè)全局輸出使能信號(hào)，允許把每個(gè)I/O管腳單獨(dú)地配置為輸入、輸出和雙向工作方式.所有I/O管腳都有1個(gè)三態(tài)緩沖器，緩沖器的控制端可以由全局輸出使能信號(hào)控制，也可以把控制端直接連到地(GND)或電源(VCC)上.當(dāng)控制端接地(GND)時(shí)，緩沖器輸出為高阻狀態(tài)，這時(shí)I/O管腳可作為專用輸入管腳使用;當(dāng)控制端接電源(VCC)時(shí)，可作為輸出管腳使用.MAX 7128管腳到管腳最短延遲為5.0 ns.

CPLD芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的橋接芯片，實(shí)現(xiàn)與DSP TMS320F2812芯片、USB芯片、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片的邏輯粘合.這里，CPLD完成USB主/從傳輸時(shí)序的邏輯構(gòu)成與變換，并實(shí)現(xiàn)上位主機(jī)直接對(duì)主控芯片DSP操作以及數(shù)字I/O信號(hào)量得控制.

3 抗干擾設(shè)計(jì)

短電弧放電加工過程中，瞬時(shí)電流密度高，對(duì)電網(wǎng)中的負(fù)荷也較大，尤其在刀具切入加工時(shí)常常會(huì)引起電網(wǎng)的劇烈波動(dòng).這些擾動(dòng)通過電路的阻抗、互感、分布電容耦合作用以及電磁波的輻射作用串入運(yùn)動(dòng)控制器單片機(jī)系統(tǒng)，破壞控制器的正常運(yùn)行.這些干擾主要產(chǎn)生原因有:運(yùn)動(dòng)控制器電源回路的脈沖干擾主要是由于電弧放電負(fù)載投入和變壓器負(fù)載切除時(shí)，交流電源上將引起較大的波動(dòng).由于電弧電流開關(guān)的通斷、交流伺服電機(jī)的起停、工件主軸與刀具主軸變頻器等原因，電網(wǎng)上常常會(huì)有數(shù)甚至數(shù)千伏的尖峰脈沖干擾，使得運(yùn)動(dòng)控制器的供電不正常，這種干擾對(duì)微機(jī)系統(tǒng)最為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)微機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤80%的可能來自電源;另一個(gè)主要干擾源就是來自于電弧放電時(shí)的電磁干擾，與周圍的高壓氣泵、中頻爐、可控硅逆變電源等發(fā)出的電磁干擾使微處理器不能正常工作［6～8］.

為了盡可能地降低外界干擾對(duì)控制器的影響，控制器硬件設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下的措施:(1)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的輸入電源采用低通濾波器和共模電感，以隔離電網(wǎng)中的諧波成分;(2)將整個(gè)控制器采用屏蔽浮地方式，以減少共模干擾;(3)對(duì)控制器供電電源進(jìn)行濾波處理，在帶有負(fù)載的情況下，控制電源的紋波盡可能小;(4)每塊電路板的電源輸入端與地端都跨接100μF及0.1μF的電容以減少電源與數(shù)字地之間的高頻耦合，每塊芯片電源與地之間均跨接0.1μF的獨(dú)石電容;(5)在TMS320F2812DSP芯片的PDPINT腳加上500 pF的小電容，避免輻射及傳導(dǎo)干擾導(dǎo)致的DSP芯片誤動(dòng)作;(6)正確地處理“模擬地”與“數(shù)字地”.數(shù)字電路是非線性的，邏輯門的開關(guān)都會(huì)產(chǎn)生電流沖擊，所以在數(shù)字地上高頻擾動(dòng)很強(qiáng)烈，因此數(shù)字地與模擬地不能有共同路徑或者環(huán)路，只采用單點(diǎn)接地;(7)整個(gè)系統(tǒng)封閉在金屬外殼內(nèi)，金屬外殼可靠接地，以防止電磁輻射的干擾.

在控制器固件設(shè)計(jì)時(shí)，可以采取以下的措施進(jìn)行軟件抗干擾設(shè)計(jì):(1)使用“看門狗”(Watchdog)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，能有效地防止系統(tǒng)在不可預(yù)測的干擾作用下產(chǎn)生的程序執(zhí)行紊亂，即“程序跑飛”.TMS320F2812自帶了1個(gè)內(nèi)部看門狗，當(dāng)DSP不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將Watchdog復(fù)位，Watchdog將從內(nèi)部觸發(fā)RESET中斷，將整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，從而使整個(gè)系統(tǒng)重新運(yùn)行，避免了程序鎖死.(2)設(shè)置軟件陷阱與指令冗余.由于DSP芯片運(yùn)行的步驟是由程序計(jì)數(shù)器(PC)值被改變，當(dāng)CPU受到干擾后，PC值常被改變，從而將操作數(shù)作為指令碼來執(zhí)行，從而引起混亂甚至使系統(tǒng)陷入死循環(huán).為了減小這種可能性，采取了設(shè)置軟件陷阱及冗余指令的方法.在程序正確執(zhí)行不能運(yùn)行到的地址，如程序各模塊間、未用的中斷向量地址、EEPROM中未用的地址等地方，填入NOP指令，或者是復(fù)位指令.特別是在中斷過程中、設(shè)置大量冗余指令和標(biāo)志，以減少由外界輸入信號(hào)干擾所引起的錯(cuò)誤中斷.

4 結(jié)語

本研究所設(shè)計(jì)數(shù)控短電弧機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器與通用數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制卡相比，不僅需要滿足數(shù)控加工過程中所需的直線、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制和加減速控制要求，還需要滿足實(shí)驗(yàn)用短電弧加工機(jī)床所需要的加工電流設(shè)定、工作電流檢測、漏電流檢測等功能，控制器利用USB接口實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與短電弧加工機(jī)床通訊，可通過聯(lián)機(jī)調(diào)試實(shí)現(xiàn)加工過程中的運(yùn)動(dòng)控制與放電參數(shù)監(jiān)測.目前試驗(yàn)用上位主機(jī)硬件平臺(tái)采用帶有USB2.0接口的IPC機(jī)，控制器還可以方便的移植到帶有USB接口的ARM嵌入式計(jì)算機(jī)中，為控制器的實(shí)用化打下基礎(chǔ).

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