雷瑛， 李達， 羅森怡

(1.西安交通工程學院，機械工程學院，陜西，西安 710300；2.西南交通大學，材料科學與工程學院，四川，成都 614202)

0 引言

電火花線切割屬于一種通過高頻脈沖放電的方式使工件形成局部高溫來完成蝕除的過程，并且在加工期間不會形成宏觀接觸力，非常適合用于加工某些難度較大的材料或某些特殊結構，已經成為現(xiàn)階段的一種重要加工技術[1-3]。

往復走絲電火花線切割加工方法的尺寸精度與效率受到加工機床數控系統(tǒng)控制性能以及工藝條件的直接影響，因此需要根據往復走絲電火花線切割技術的具體要求來設計數控系統(tǒng)[4-6]?？紤]到電火花線切割加工技術具有明顯的隨機性，并且其加工過程非常復雜，因此必須合理選擇工藝條件并保持穩(wěn)定加工狀態(tài)才能使機床達到較高的加工效率與精度[7-8]。徐文祥等[9]選擇復合工作液作為鈦鋁合金電火花線 切割加工過程的放電介質，從而顯著提高極間冷卻均勻性。通過測試發(fā)現(xiàn)，設定高峰值電流、窄脈寬以及合理占空比能夠顯著改善切割穩(wěn)定性并延長運絲系統(tǒng)的使用期限。對于實際應用過程來說，需要確定對加工過程具有影響的各項主要因素以及次要因素[10-13]。根據以上分析，本文重點研究電火花線切割加工技術的相關內容，并在此基礎上開發(fā)得到相應的數控系統(tǒng)。

到目前為止，我國對往復走絲電火花線切割技術的研發(fā)還不太成熟，缺乏競爭力，這對該行業(yè)的進一步發(fā)展擴大造成了明顯限制。

1 裝置工作示意圖及設計要求

現(xiàn)階段，我國以往復走絲線切割機床為主，可以達到比慢走絲線切割機床更快的運絲速度。通常選擇去離子水、乳化液、礦物質油作為工作介質[14-15]，并以具有良好耐磨性能的鉬絲作為電極絲，利用儲絲筒來完成電極絲的往復使用，從而大幅度減小生產成本。圖1顯示了往復走絲電火花線切割加工設備的工作原理：

圖1 切割加工工作示意圖

在設計電火花線切割數控系統(tǒng)之前需先掌握電火花線切割加工的原理以及需滿足的控制條件，從而獲得能夠符合加工要求的各項參數[16-17]。表1給出了數控系統(tǒng)的各項控制要求。

表1 數控系統(tǒng)的控制要求

2 設計整體框圖

數控系統(tǒng)包含如下各項功能：電機運動控制輸出、下位機信號反饋以及IO開關量控制。其中，電機運動控制輸出可以使電火花線切割加工階段的電極絲根據加工條件與工件之間保持相對運動，按照設定軌跡完成加工過程。

以目前獲得廣泛使用的CPLD(complex programming logic device)作為可編程運動控制卡的主控芯片，利用編程的方式使上位機軟件和下位機完成數據交互，并利用 PCI(peripheral component interconnect)總線來構建工業(yè)控制計算機(PC)和運動控制卡的通信渠道，使上位機數據被傳輸至下位機；利用上位機軟件來插補加工軌跡，電機的運動過程通過運動控制指令來實現(xiàn)。利用數控系統(tǒng)對4個運動軸進行控制，可以實現(xiàn)0.001 mm的極高控制精度，按照實際精度條件使用閉環(huán)控制方法。從圖2中可以看到本設計的具體設計框圖，此系統(tǒng)的組成部分包含PC、工藝庫參數卡、運動控制卡、電機、閉環(huán)光柵采集卡、機床。

圖2 設計整體框圖

選擇工控計算機作為上位機，可以通過上位機完成人機交互、圖形顯示、實時監(jiān)測、軌跡編程、軌跡插補等功能；選擇 PCI 作為運動控制卡的通信形式。利用插槽結構將其直接嵌入到 PCI 插槽內，再利用 PCI的接口芯片完成通信聯(lián)系，運動控制卡可以實現(xiàn)的功能包括調度任務、上位機通信、驅動與處理信號、掉電保護等多種類型；利用PCI 總線為光柵信號采集卡和上位機構建通信渠道，完成數控。

3 關鍵部件設計

3.1 電機運動控制設計

對電機運動進行控制屬于數控系統(tǒng)的一個關鍵控制內容，可以實現(xiàn)對數控系統(tǒng)加工進給其位置進行精確調節(jié)。對這些信號進行轉換并放大其功率來達到對電機運動過程的驅動效果。

根據電火花線切割加工方法的特點，步進電機通常都被控制在很慢的運行速度，同時為了盡量降低編程過程的復雜性，選擇勻加速方式來實現(xiàn)加減速控制。按照以上控制方式，設計得到圖3所示的電機運動控制結構。

圖3 電機運動控制設計圖

3.2 數控開關量控制設計

電火花線切割數控系統(tǒng)需包含如下 IO 開關量：高頻、沖液、運絲、機床照明燈、電機鎖等。該總線收發(fā)器可以實現(xiàn)高效通信并具備很強的抗電磁干擾性能，可以對多路信號進行分時或雙向傳輸，使系統(tǒng)達到良好的抗干擾能力。運動控制卡由 CPLD分別通過 8路與 IO 開關量相連，另外還有二位開關量端口可以進一步完善數控系統(tǒng)并擴展其功能。每當上位機對 I/O 開關量地址開展1次寫操作，便會得到 8位開關量控制信號，各位數據分別對應一個開關量控制信號，具體格式見表2。

表2 數控開關量控制設計

3.3 信號采集設計

為了進一步提高加工精度并滿足工藝標準，確保能夠穩(wěn)定完成數控加工，需對各項加工參數進行實時數據收集，并高效處理反饋信號，適當調節(jié)加工工藝，獲得穩(wěn)定的加工參數。

設計本數控系統(tǒng)時，利用光電耦合器將限位開關信號直接上傳到 CPLD的引腳中，當CPLD接收限位信號之后，再通過引腳來分析限位信號是由哪個限位開關產生的，同時把限位命令傳輸到PCI 總線中。考慮到限位開關信號并不需要滿足很高的實時性，在這種情況下上位機可以通過查詢的方法按照固定的間隔時間來收集由下位機產生的限位信號，查詢周期介于1～5 ms，按照系統(tǒng)要求通過上位機軟件來實現(xiàn)。利用工作臺光柵尺和其他相關模塊共同完成閉環(huán)控制過程，通過專門的光柵信號采集卡對反饋信號進行收集，包括計數器、解碼器、PCI 橋接芯片等多個組成部分。同時還需要利用上位機軟件來補償加工誤差。進行電火花線切割加工時的實際極間間隙對加工穩(wěn)定性與工件質量具有直接影響。同時考慮到極間間隙和間隙電壓占存在一定的比例關系，可以將極間間隙轉變成較易控制的極間電壓。

3.4 掉電保護功能設計

由于采用電火花線切割方法加工工件時需要較長的時間，而供電系統(tǒng)如果遇到不穩(wěn)定因素影響時則會引起斷電的問題，如果此時未針對斷電情況設置有效的系統(tǒng)保護措施，則在斷電后重新供電也不能繼續(xù)按照原來的過程進行加工，從而明顯影響正常加工過程而產生廢品，極大降低生產效率并增加了制造成本。由此可見，為電火花線切割設備設置有效的斷電保護功能屬于一項重要工作。本文采用的數控系統(tǒng)通過高精度電壓測試儀來實現(xiàn)對工作電壓VCC的實時檢測功能，如果發(fā)現(xiàn)VCC減小到某一臨界值以下時，測試儀會將掉電信息傳輸至PCI 總線。當掉電信息被上位機接收時，則會顯示掉電信號，同時運行掉電中斷服務的子程序；當下位機發(fā)生掉電時再通過備份電源對系統(tǒng)電路實施供電，在外部存儲器內存入各項加工數據；待后續(xù)電源供電狀態(tài)恢復正常后，可以正常恢復掉電信息，確保上位機指令恢復到斷電時的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行中斷狀態(tài)下的加工過程。從圖4中可以看到實現(xiàn)掉電保護的具體過程，需要由上位機軟件以及下位機硬件一起來完成。

圖4 數控系統(tǒng)掉電數據保護功能

利用該系統(tǒng)達到對VCC電壓的實時檢測目標，其中，機床掉電狀態(tài)下的芯片功率很低，通過備份電池可以滿足工作過程的供電需求，在存儲器內記錄斷電參數。當后續(xù)電源進入正常供電狀態(tài)時，再通過存儲器收集加工數據，把這些數據傳輸到工控機中進行處理，以此實現(xiàn)再次加工的過程。

4 總結

數控系統(tǒng)包含如下各項功能：電機運動控制輸出、下位機信號反饋以及IO開關量控制。根據電火花線切割加工方法的特點，步進電機通常都被控制在很慢的運行速度，選擇勻加速方式來實現(xiàn)加減速控制。

該總線收發(fā)器可以實現(xiàn)高效通信并具備很強的抗電磁干擾性能，可以對多路信號進行分時或雙向傳輸，使系統(tǒng)達到良好的抗干擾能力。設計本數控系統(tǒng)時，可以利用光電耦合器將限位開關信號直接上傳到 CPLD的引腳中。