張 偉，郭鐘寧，連海山，韓睿聰，何俊峰

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

多軸運(yùn)動(dòng)控制卡在微細(xì)電火花加工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 偉，郭鐘寧，連海山，韓睿聰，何俊峰

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

提出了一種基于PCI-7350多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的微細(xì)電火花加工裝置控制系統(tǒng)的組成方案。給出了加工裝置的基本組成，介紹了多軸運(yùn)動(dòng)控制卡功能及軟硬件的開放性。分析了控制系統(tǒng)的組成原理，詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和基本的硬件配置結(jié)構(gòu)，以及此控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法和功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)該基于多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電火花加工裝置的實(shí)時(shí)控制與伺服控制。

多軸運(yùn)動(dòng)控制卡；微細(xì)電火花；控制系統(tǒng)

0 引言

隨著航空航天、儀器儀表、化學(xué)纖維、精密模具、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的發(fā)展，眾多微細(xì)加工方法，如微細(xì)電火花加工、微細(xì)車銑削、微細(xì)電化學(xué)加工、激光加工、微細(xì)超聲加工[1-5]等，得到長(zhǎng)足發(fā)展及廣泛應(yīng)用。微細(xì)電火花加工技術(shù)具有加工材料范圍廣、非接觸加工、無(wú)宏觀切削力等特點(diǎn)，因而在微小尺度工件加工領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，尤其是在微細(xì)孔、軸加工以及微三維結(jié)構(gòu)制作方面顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，也正是因?yàn)槠湓谖⑿〕叨确秶鷥?nèi)加工的特點(diǎn)，使得其加工過(guò)程難以用肉眼觀察，所以在加工過(guò)程中，對(duì)其加工狀態(tài)檢測(cè)及運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性要求很高。本文中采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡+PC機(jī)的控制模式，能夠很好地完成微細(xì)電火花加工過(guò)程中的放電狀態(tài)檢測(cè)和加工軸伺服運(yùn)動(dòng)控制。

1 微細(xì)電火花加工裝置的組成與結(jié)構(gòu)

微細(xì)電火花加工裝置由鑲嵌陶瓷V型主軸系統(tǒng)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、精密XY位移平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、微細(xì)工具電極加工模塊、CCD觀測(cè)系統(tǒng)、供液系統(tǒng)等部分組成。

為了實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床不同工位之間的靈活切換，實(shí)現(xiàn)共用精密平臺(tái)以及減少定位誤差，電火花加工裝置采用立柱式基本結(jié)構(gòu)。其中精密XY位移平臺(tái)進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定在水平旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)上；微細(xì)工具電極加工模塊固定在XY位移平臺(tái)頂部；鑲嵌陶瓷V型主軸系統(tǒng)固定在垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，保證主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)主軸軸線與垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)移動(dòng)方向一致；垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定在處于水平旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)中心位置的方形立柱一面。為了減少機(jī)床離散電容對(duì)微細(xì)電火花加工過(guò)程產(chǎn)生的影響，機(jī)床床身、水平旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)和中心立柱由大理石制作。工作時(shí)，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，精密XY平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以上兩者共同實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的伺服運(yùn)動(dòng)。

2 PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡簡(jiǎn)介

PCI-7350多軸運(yùn)動(dòng)控制卡是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(National Instruments Co.Ld.簡(jiǎn)稱NI)生產(chǎn)的系列運(yùn)動(dòng)控制卡，使用CUP+DSPD的雙處理器架構(gòu)，可在多任務(wù)環(huán)境中實(shí)時(shí)控制8根軸的伺服運(yùn)動(dòng)，并且其硬件和軟件有很高的開放性。

2.1 PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡硬件開放性

PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡可控制伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，可在使用PXI、PCI、CompactPCI等不同總線的機(jī)器上運(yùn)行；可為獨(dú)立軸提供相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，數(shù)量最多能達(dá)8根；通過(guò)設(shè)置坐標(biāo)空間完成軸的二維或者三維運(yùn)動(dòng)；每根軸都分配有專用的運(yùn)動(dòng)I/O端口，用于接收各種傳感器的反饋信息，包括限位開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)、光電編碼器、光柵等，此外每根軸還有通用I/O端口用于拓展應(yīng)用。用戶可以根據(jù)自己的需要搭建硬件設(shè)備。

2.2 PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡軟件開放性

PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡支持多種開發(fā)語(yǔ)言，用戶可以使用VB、C/C++、Labview等語(yǔ)言在Windows軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)用戶專用界面與開發(fā)運(yùn)動(dòng)控制程序；運(yùn)動(dòng)控制卡提供包括S型加速、軌跡發(fā)生、坐標(biāo)設(shè)定、位置抓取、電機(jī)狀態(tài)讀取等函數(shù)的庫(kù)函數(shù)，以滿足用戶需求，縮短開發(fā)周期。本課題中采用的Labview開發(fā)語(yǔ)言同是NI公司所開發(fā)，是一種基于G語(yǔ)言（graphics language，圖形化編程語(yǔ)言）的軟件，它提供了一個(gè)直觀、便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，簡(jiǎn)化了開發(fā)虛擬系統(tǒng)的操作過(guò)程，提高了編程效率。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電火花加工系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)功能模塊：脈沖電源、加工放電狀態(tài)檢查環(huán)節(jié)、工作液循環(huán)系統(tǒng)、加工控制系統(tǒng)。其中加工控制系統(tǒng)是整個(gè)加工系統(tǒng)的核心。在電火花加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)包括V型主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)和精密位移平臺(tái)水平面內(nèi)XY方向的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡將各運(yùn)動(dòng)軸與加工放電檢測(cè)環(huán)節(jié)連接起來(lái)，根據(jù)加工放電狀態(tài)完成加工過(guò)程的伺服控制。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

電火花加工裝置的控制系統(tǒng)采用PC工控機(jī)+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的兩級(jí)控制方式以提高加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性和快速響應(yīng)能力，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中工控機(jī)作為上位機(jī)，主要根據(jù)輸入指令進(jìn)行計(jì)算、處理、邏輯判斷和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線人機(jī)交互、安全保護(hù)、監(jiān)控管理以及數(shù)據(jù)采集處理與顯示功能。在加工過(guò)程中，工控機(jī)根據(jù)從多功能運(yùn)動(dòng)控制卡上采集到的各軸信息以及從控制卡接線板卡通用I/O端口采集到的加工狀態(tài)信號(hào)等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯計(jì)算，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，傳送到運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡是電火花加工控制系統(tǒng)的直接控制級(jí)，通過(guò)PCI標(biāo)準(zhǔn)總線與工控機(jī)相連，構(gòu)成運(yùn)動(dòng)軸的伺服控制回路。同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡還要完成加工過(guò)程中的加工狀態(tài)電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與初步處理，并完成與工控機(jī)的實(shí)時(shí)通信。

3.2 加工伺服控制策略

微細(xì)電火花加工主要應(yīng)用于微細(xì)軸、孔加工以及微三維結(jié)構(gòu)制作等領(lǐng)域。其中微細(xì)電極的制作是保證得到質(zhì)量良好的微細(xì)孔與微三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。在制作微細(xì)電極時(shí)，一般采用塊電極反拷法。使用該種方法制作電極時(shí)，由于工具電極與旋轉(zhuǎn)主軸軸線存在偏心，在工具電極隨主軸做旋轉(zhuǎn)時(shí)，其將會(huì)繞著主軸線做偏擺運(yùn)動(dòng)，造成工具電極與塊電極之間發(fā)生周期性放電加工，這樣會(huì)使得工具電極與塊電極之間產(chǎn)生周期性的放電與開路狀態(tài)[6-7]。在加工過(guò)程中，電火花加工產(chǎn)生的去除物質(zhì)如果不能隨加工液及時(shí)排出，會(huì)使得工具電極與塊電極之間產(chǎn)生短路現(xiàn)象。由于上述現(xiàn)象，如果在加工過(guò)程中采取不合適的伺服進(jìn)給控制策略，則伺服進(jìn)給系統(tǒng)將產(chǎn)生頻繁的開路-短路-開路-短路的伺服震蕩現(xiàn)象。為此，本文采取了如下伺服進(jìn)給策略。

（1）采用旋轉(zhuǎn)電極的方式，在加工過(guò)程中減少了穩(wěn)定電弧放電現(xiàn)象的產(chǎn)生，通過(guò)電火花加工可以消除工具電極的偏心，同時(shí)有利于加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢屑排除。

在加工過(guò)程中檢測(cè)間隙平均電壓時(shí)，設(shè)定進(jìn)給參數(shù)ψ1和回退參數(shù)ψ2。ψ1可以理解為在加工過(guò)程中間隙檢測(cè)電路在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)間隙平均電壓進(jìn)行檢測(cè)得到的超出伺服參考電壓的次數(shù)與總的檢測(cè)次數(shù)的比值超出ψ1時(shí)，則執(zhí)行伺服進(jìn)給指令。同理，ψ2可以理解為在加工過(guò)程中間隙平均電壓小于伺服參考電壓的次數(shù)與總的次數(shù)的比值小于ψ2，則執(zhí)行伺服回退指令。ψ1和ψ2值可根據(jù)加工狀態(tài)隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

采用慢進(jìn)給快回退的方式進(jìn)行伺服進(jìn)給控制。正常加工時(shí)，保證電極向同一方向小位移低速進(jìn)給；當(dāng)需要電極回退時(shí)，進(jìn)行大位移快速回退。其控制流程如圖2所示。

4 運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

本課題選用的NI公司的PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡由于其可靠性高、軟硬件高度開放性得到了廣泛使用。它采用以32位的CPU和DSP為核心的雙處理器架構(gòu)，用于實(shí)時(shí)控制，定制的FPGA讓其有更出色的表現(xiàn)。該運(yùn)動(dòng)控制卡的驅(qū)動(dòng)軟件NI-Mo?tion提供了豐富的函數(shù)，用于運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理等。PCI-7350控制卡可以通過(guò)其本身自帶的MAX軟件實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)的基本操作及系統(tǒng)調(diào)試。采用同是NI公司開發(fā)的labview軟件編寫控制軟件，能夠更充分地發(fā)揮該運(yùn)動(dòng)控制卡的優(yōu)勢(shì)。

本文當(dāng)中，工控機(jī)和PCI-7350多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為上下位機(jī)共同組成微細(xì)電火花加工裝置的控制系統(tǒng)，分擔(dān)完成整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)。因此運(yùn)動(dòng)控制軟件開發(fā)包括工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)兩個(gè)部分。

4.1上位機(jī)控制軟件的開發(fā)

圖2 伺服控制流程圖

工控機(jī)作為微細(xì)電火花加工裝置控制系統(tǒng)的上位機(jī)，預(yù)裝Window2007操作系統(tǒng)，利用G語(yǔ)言Labview開發(fā)上位機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)用控制卡驅(qū)動(dòng)軟件NI-Motion函數(shù)庫(kù)中的各類運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)和參數(shù)設(shè)置功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)直觀方便快捷地開發(fā)上位機(jī)軟件。開發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)具有人機(jī)交互、加工模式選擇、運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、緊急停止、間隙電壓實(shí)時(shí)顯示等功能。由于開發(fā)工具Labview本身圖形化語(yǔ)言的特點(diǎn)，使上位機(jī)界面開發(fā)和其他功能集成變得簡(jiǎn)便，從而讓整個(gè)開發(fā)過(guò)程更注重控制方面功能的實(shí)現(xiàn)。

4.2 下位機(jī)控制軟件的開發(fā)

下位機(jī)PCI-7350運(yùn)動(dòng)控制卡提供的函數(shù)庫(kù)，包含了豐富的運(yùn)動(dòng)控制指令和軌跡發(fā)生算法，為電火花加工裝置的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)提供了方便，對(duì)于下位機(jī)軟件的開發(fā)，充分利用了控制卡的開放性，主要包括通用I/O端口控制模塊、位置監(jiān)控模塊。通用I/O端口控制模塊可以通過(guò)設(shè)置通用端口控制函數(shù)參數(shù)，選擇可用端口地址與輸入與輸出電信號(hào)電壓范圍。位置監(jiān)控模塊可以通過(guò)設(shè)置控制卡內(nèi)部參數(shù)實(shí)現(xiàn)，用于實(shí)施提取各軸位置狀態(tài)，根據(jù)各軸上的位置傳感器輸出信號(hào)判斷軸是否達(dá)到位置極限。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中以PCI-7350多軸運(yùn)動(dòng)控制卡為核心對(duì)微細(xì)電火花加工裝置的硬件與軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用PC工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件控制結(jié)構(gòu)，利用圖形編程語(yǔ)言Labview開發(fā)了系統(tǒng)的控制程序，并設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互界面。以多軸運(yùn)動(dòng)卡為核心的微細(xì)電火花控制系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)時(shí)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

［1］Xi-Qing Sun，T.Masuzawa，M.fujino.Micro ultrasonic machining and its applications in MEMS［J］.Sensors and Actuators，1996（57）：159-164.

［2］T.Masuzawa and H.K.Tonshoff.Three-dimensional Mi?cromachining by Machine Tools［J］.Annals of the CIRP 1997，46（2）：621-628.

［3］Yeo，SH and Balon，SAP.Fabrication of microcylindri?cal parts based on a novel grinding apparatus［C］.Pro?ceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B： Journal of Engineering Manufacture，2000，214：245-249.

［4］朱保國(guó).脈沖電化學(xué)微細(xì)加工關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］王昆，朱荻，王明環(huán).微米尺度線電極的電化學(xué)腐蝕法制備［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25（9）：1073-1076.

［6］梅陽(yáng)寒.一種微小孔電火花加工模糊控制策略研究［J］.機(jī)電工程，2012（9）：1061-1064.

［7］耿春明.低剛度桿切向進(jìn)給電火花磨削工藝及其剛度檢測(cè)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

Using Multi-Axis Controller in Control System of Micro-EDM Machine

ZHANG Wei，GUO Zhong-ning，LIAN Hai-shan，HAN Rui-cong，HE Jun-feng
（School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

A control system of micro-EDM equipment with programmable multi-axis controller named PCI-7350 was proposed.It introduces the design of the machine and he functions and opening of the PCI-7350 in the paper.And it is to analyze the basic theory of the control system.The overall design scheme and basic hardware configuration of the control system are presented in detail， then the software design method and function realization are following.With the control system real-time control and servo control are achieved.

programmable multi-axis controlle；micro electrical discharge machining；control system

TP23

：A

：1009－9492(2014)10－0034－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.009

張 偉，男，1986年生，河南人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：微細(xì)特種加工。

(編輯：向 飛)

2014－04－04