彭世康，張永俊，劉桂賢，杜軒宇，劉祥發(fā)

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

基于臺(tái)達(dá)NC311A 的連桿裂解槽電火花加工機(jī)床集成控制系統(tǒng)研制

彭世康，張永俊，劉桂賢，杜軒宇，劉祥發(fā)

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

針對(duì)目前電火花加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與脈沖電源獨(dú)立運(yùn)作、集成性不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于臺(tái)達(dá)NC311A的電火花加工機(jī)床集成控制系統(tǒng)。采用數(shù)控系統(tǒng)本身的插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，用NC311A上的SOFT模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖電源等的控制?；贔PGA設(shè)計(jì)了一臺(tái)直流斬波電源，開發(fā)了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了電源與機(jī)床控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。重點(diǎn)介紹了臺(tái)達(dá)NC311A上SOFT模塊的使用及通信方式、電源的設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

電火花加工；脈沖電源；FPGA；臺(tái)達(dá)數(shù)控系統(tǒng)；Modbus協(xié)議

通常，電火花加工機(jī)床主要由主機(jī)、脈沖電源、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、工作液凈化及循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。其中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可由數(shù)控系統(tǒng)或PLC等構(gòu)成，而脈沖電源的作用在于產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，使電極絲放電以蝕除金屬。

脈沖電源是電火花加工機(jī)床的能量來(lái)源，其輸出電壓和輸出電流的特性直接影響著加工工件的表面粗糙度、工件和工具電極的損耗及加工過(guò)程的穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)，關(guān)系著電火花加工的工藝水平和生產(chǎn)效率。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動(dòng)型控制芯片，F(xiàn)PGA芯片可提高控制器電路設(shè)計(jì)的集成度，提高電源控制器設(shè)計(jì)的靈活性和電源系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度[1-3]，所以脈沖電源可使用FPGA作為處理器。

針對(duì)目前電火花加工機(jī)床集成性不足的問(wèn)題，本文基于臺(tái)達(dá)NC311A設(shè)計(jì)了一套連桿裂解槽電火花線切割加工機(jī)床的集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制與電源控制等的高度集成。并對(duì)臺(tái)達(dá)NC311A上SOFT模塊的使用和實(shí)現(xiàn)集成控制的方式、電源的設(shè)計(jì)方案，以及使用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的連桿裂解槽加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了介紹。

1 控制系統(tǒng)原理分析

該系統(tǒng)為NC311A數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)產(chǎn)物，可分為三個(gè)部分：運(yùn)動(dòng)控制部分、變頻器部分及脈沖電源控制部分。NC311A數(shù)控裝置包括插補(bǔ)計(jì)算中心（CPU）及MLC（可編程控制器），二者緊密配合。該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)本身的插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻器控制通過(guò)MLC的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，電源的控制則通過(guò)系統(tǒng)中的SOFT模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)三者的協(xié)調(diào)工作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)連桿裂解槽電火花線切割加工機(jī)床的集成控制，系統(tǒng)控制框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 臺(tái)達(dá)NC311A的SOFT模塊

2.1 模塊的功能

SOFT模塊是實(shí)現(xiàn)NC311A數(shù)控裝置對(duì)脈沖電源控制的樞紐環(huán)節(jié)，是NC311A數(shù)控裝置的一個(gè)特殊功能。該功能為取代實(shí)體第二面板功能，或滿足用戶其他特殊功能而增設(shè)。通過(guò)CNC SOFT軟件進(jìn)行畫面開發(fā)，可在顯示屏上顯示第二面板的功能，按下相對(duì)應(yīng)的功能鍵即可透過(guò)軟件面板實(shí)現(xiàn)與實(shí)際第二面板相同的功能；也可應(yīng)使用者需求對(duì)特殊控制功能進(jìn)行開發(fā)，達(dá)到功能擴(kuò)充的目的。

NC311A數(shù)控系統(tǒng)首先可作為運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的插補(bǔ)，從而得到高精度的運(yùn)動(dòng)軌跡；其次，使用SOFT群組功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如特種加工電源等的控制。二者的集中控制可實(shí)現(xiàn)在特種加工電源出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)立即停止，達(dá)到智能化效果（圖2、圖3）。

圖2 NC311A的SOFT模塊

圖3 SOFT模塊的人機(jī)界面

SOFT功能實(shí)際上可認(rèn)為是一個(gè)類似觸摸屏的功能模塊。其目的是為了豐富數(shù)控系統(tǒng)的功能，它不僅能控制CNC內(nèi)部的M、T、D等寄存器和I/O口，還能通過(guò)RS485接口與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

該系統(tǒng)與下位機(jī)的通信采用類似于MODBUS協(xié)議的通信方式，其連接方式見(jiàn)圖4。該協(xié)議通信方式為主從應(yīng)答式，嚴(yán)格規(guī)定主、從設(shè)備的通信行為。而在此系統(tǒng)中，CNC SOFT群組為主站，脈沖電源的控制中心FPGA為從站。

圖4 NC311A與脈沖電源連接示意圖

2.2 報(bào)文格式

該系統(tǒng)報(bào)文幀格式為：以一個(gè)‘冒號(hào)’（ASCII十六進(jìn)制為3A）起始、以‘回車-換行’（ASCII十六進(jìn)制OD和OA）結(jié)束。在報(bào)文開始時(shí)便接收新幀，結(jié)束時(shí)停止接收。在該模式中，一個(gè)報(bào)文必須以ASCII的格式傳遞，其格式見(jiàn)表1。

表1 NC311A支持的報(bào)文幀格式

以03功能碼為例，當(dāng)報(bào)文幀為“: 010300020001F4”即ASCII碼 “3A 30 31 30 33 30 30 30 31 30 30 30 31 46 34 0D 0A”，表示讀取1號(hào)從站起始地址為2的一個(gè)地址。

2.3 模塊的畫面制作

SOFT模塊畫面的制造主要是為了實(shí)現(xiàn)該數(shù)控裝置對(duì)下位機(jī)的人機(jī)交互。在該模塊中，用戶可根據(jù)自己的需求繪制相關(guān)畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)監(jiān)督與控制。其中讀寫的地址，該系統(tǒng)做出了相關(guān)規(guī)定，如表2所示，W開頭為字地址，B開頭為位地址。

表2 SOFT模塊與FPGA地址參照

根據(jù)以上地址規(guī)則及 CNC Soft模塊中的ScreenEditor軟件即可做出控制脈沖電源等的人機(jī)交互界面（圖3），包括電壓、電流、脈寬、脈間等的輸入與讀取。

3 電源設(shè)計(jì)

電源是基于FPGA制作的高頻率脈沖電火花線切割電源，本系統(tǒng)使用自己設(shè)計(jì)的脈沖電源，主要是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成化。FPGA內(nèi)部是由組合邏輯器件和時(shí)序邏輯器件組合而成的陣列，通過(guò)VHDL或Verilog言語(yǔ)對(duì)其進(jìn)行邏輯編寫后，可實(shí)現(xiàn)幾乎所有的數(shù)字電路模型。在脈沖電源中使用了NIOS作為其處理中心，它具有靈活的可配置特性，可隨意添加處理器的外設(shè)，對(duì)系統(tǒng)的集成性貢獻(xiàn)巨大，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)通信等功能。

脈沖電火花加工電源的硬件邏輯見(jiàn)圖5。主電路的工作流程為：220 V交流電通過(guò)工頻變壓后得到75 V的電壓；然后，通過(guò)整流濾波得到穩(wěn)定的直流電；最后，F(xiàn)PGA通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)管進(jìn)行斬波，從而得到可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)。

圖5 電源系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)

控制電路以EP4C15F17C8型FPGA芯片為核心，反饋信號(hào)（電壓與電流）經(jīng)處理后形成FPGA可處理的信號(hào)。NC311A數(shù)控裝置通過(guò)RS485串口與FPGA控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而達(dá)到控制、讀取電源參數(shù)等功能。本文研制的脈沖電火花加工電源見(jiàn)圖6。為了豐富電源的功率參數(shù)，電源使用了八個(gè)斬波回路，即八個(gè)檔位，每并聯(lián)一個(gè)，回路中的電流就會(huì)加大，在恒壓條件下，會(huì)產(chǎn)生更大的功率。

圖6 脈沖電源實(shí)物圖

3.1 主電路設(shè)計(jì)

該電源采用直流斬波的方式來(lái)獲得脈沖，所以開關(guān)管的好壞對(duì)輸出有直接的影響。本文使用MOSFET管，它具有開關(guān)速度高、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)域（SOA）寬、轉(zhuǎn)換快速、堅(jiān)固耐用、低導(dǎo)通阻抗和高效益等優(yōu)點(diǎn)。其型號(hào)為IRF640N，漏極電流最大值為18 A，大于設(shè)計(jì)的最大電流10 A；電壓最大值為200 V，大于系統(tǒng)電壓75 V；功率為150 W。

FPGA輸出端信號(hào)的電壓為3.3 V，電流值為幾十毫安，驅(qū)動(dòng)能力較弱，無(wú)法滿足MOSFET開通關(guān)斷所需的功率要求。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)對(duì)FPGA的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)MOSFET的快速通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路直流的斬波及輸出高頻脈沖，其中使用的驅(qū)動(dòng)芯片為TPS2812。

3.2 NIOSⅡ軟核設(shè)計(jì)

NIOSⅡ作為處理器核心，定義了各外設(shè)功能模塊，并實(shí)現(xiàn)與NC311A的數(shù)據(jù)交流。軟核設(shè)計(jì)就是在接收到人機(jī)界面發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，通過(guò)NiosⅡ?qū)崿F(xiàn)對(duì)該數(shù)據(jù)的接收、處理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面要求的功能后，回復(fù)給人機(jī)界面的過(guò)程。人機(jī)交互模塊是用戶與設(shè)備進(jìn)行交流的模塊，包括用戶命令的下達(dá)，以及設(shè)備運(yùn)行狀況的顯示等。

在NiosⅡ軟件設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行的是串口初始化，波特率的設(shè)置，核心是數(shù)據(jù)的接收方式，數(shù)據(jù)的處理及返回程序的編寫。該報(bào)文幀在接收到數(shù)據(jù)（ASCII碼）時(shí)必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)必須先將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼再發(fā)送。在程序中變換的方法為：把二個(gè)ASCII碼對(duì)應(yīng)的字符，高位乘以十六，加上低位的值即可得到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制；使用A/16、A%16（A為該十進(jìn)制）的方式提取高四位、低四位，高四位先轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換后四位。當(dāng)所得結(jié)果小于10，則加上0X30；大于10則加上0X37，即可得到對(duì)應(yīng)的ASCII碼。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證裝置的可行性與穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)對(duì)已有機(jī)床的修改，控制系統(tǒng)改為集成了脈沖電源控制的NC311A數(shù)控裝置，進(jìn)行了連桿裂解槽的加工實(shí)驗(yàn)。該機(jī)床主要有二個(gè)平臺(tái)：一是對(duì)中平臺(tái)，由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠從而控制平臺(tái)找到連桿大頭的中心位置；二是加工平臺(tái)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右牙絲杠實(shí)現(xiàn)兩立桿的雙向同步進(jìn)給（圖7）。

圖7 加工平臺(tái)實(shí)物圖

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

機(jī)床使用臺(tái)達(dá)ECMA-C10604RS型伺服電機(jī)，其擁有20 bit的絕對(duì)式編碼器，完全符合實(shí)驗(yàn)精度要求。連桿材料為C70S6，鉬絲直徑為0.12 mm，加工深度為0.5 mm。影響裂解槽寬窄的主要參數(shù)有：脈間倍數(shù)、電流、脈寬、走絲速度及進(jìn)給速度等。由于線切割的槽一般為U型槽，所以除了加工深度，裂解槽寬度是裂解槽好壞的一個(gè)重要因素。為了研究各要素對(duì)裂解槽寬度的影響，設(shè)計(jì)了五因素四水平的正交試驗(yàn)，其因素水平見(jiàn)表3。

表3 因素水平表

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)以槽寬為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)水平均進(jìn)行三次取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)極差分析（表5）可知上述參數(shù)的影響大小依次為：電流檔位＞進(jìn)給速度＞脈寬＞走絲變頻器頻率＞脈間倍數(shù)。因此，電流對(duì)槽寬的影響最大。

5 結(jié)束語(yǔ)

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 極差分析

使用臺(tái)達(dá)NC311A數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)連桿裂解槽電火花線切割加工機(jī)床的高度集成控制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明利用NC311A數(shù)控系統(tǒng)的SOFT模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的控制及電源參數(shù)的顯示，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)本身的插補(bǔ)功能，研制的線切割機(jī)床集成控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的加工。

[1] 李琪.電火花加工脈沖電源及其在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 劉嘉，盧振洋，殷樹言，等.電焊機(jī)的數(shù)字化[J].焊接學(xué)報(bào)，2002，23（1）：88-92.

[3] 劉桂賢，張永俊，羅紅平，等.基于SOPC技術(shù)的脈沖電解加工電源的研究[J].電加工與模具，2015（5）：27-30.

Development of EDM Integrated Control System Based on Delta NC311A

PENG Shikang，ZHANG Yongjun，LIU Guixian，DU Xuanyu，LIU Xiangfa
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Aiming at the problem that the NC system and the pulsed power supply operate independently and integratedly，the integrated control system of electro-discharge machines based on Delta NC311A is designed.Using the CNC system itself to achieve the interpolation of the movement of the machine，with NC311A SOFT module on the control pulse power.Based on FPGA，a DC chopper power supply is designed，and the human-machine interface of power supply is developed to realize real-time communication between power supply and machine tool control system.This paper mainly introduces the use of SOFT module on Delta NC311A and the design of communication mode，power supply and related experiment.

EDM；pulse power supply；FPGA；Delta numerical control system；Modbus protocol

TG661

A

1009－279X（2017）02－0058-04

2017-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51275098）

彭世康，男，1992年生，碩士研究生。