低速走丝电火花线切割机数控系统的研究与应用

南京航空航天大学硕士学位论文

摘要

随着模具工业和航空航天制造业对高精度产品需求的不断增加，市场对低速走丝电火花线切割机的需求也在逐步增长。目前国内只有苏州三光和苏州电加工研究所等少数几家企业生产低速走丝线切割机，且他们生产的机床与国外先进生产厂家相比，在技术上还存在着一段很大的差距。

在此背景下，我们与杭州机床集团有限公司联合开发低速走丝电火花线切割机床。本文主要作了以下几个方面的研究工作：

1.根据低速走丝线切割机床的功能需求，确定了数控系统硬件采用IPC+运动控制卡型体系结构，在此基础上选用了运动控制卡、I/O接口卡，同时选用松下伺服系统作为机床的伺服进给系统，并实现了各硬件间的互连、调试；

2.完成了系统软件总体框架的设计，利用Windows操作系统的多线程机制实现了系统的多任务并行处理。线程间采用全局变量进行通信，各线程相互协调、配合，实现了数控系统的运动控制功能；利用VC++完成了用户界面的开发，并利用ADO完成了工艺数据库的设计；

3. 实现了运动控制主要功能。运动控制主要实现机床运动的各个功能模块，像原路回起点、原路回断丝点等；此部份功能是机床运动的灵魂，它功能的强弱直接反映了机床自动化水平；

4.论述了LS-WEDM掉电时采取软件方法来保护加工现场。此问题的提出不仅针对LS-WEDM数控系统，它适用于所有硬件结构为PC/IPC+DSP型的机床数控系统，能够很好地解决系统掉电保护问题。

关键词：LS-WEDM，数控系统，多线程，ADO，运动控制，掉电保护

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低速走丝电火花线切割机数控系统的研究与应用

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Abstract

With the increasing of the demand of high precise product in the Die & mould

industry and manufacturing of aviation & astronavigation, the demand of LS-WEDM is increasing in market. By now the companies in China that produce LS-WEDM is very less, just as Suzhou Sanguang Science & Technology Co., Ltd. Suzhou Electmachining Machine Tool Research Institute. Furthermore, compare foreign forerunner produce factory, still exist a very big margin on the technique.

In the background of this, we associate with Hangzhou Machine Tool Group Co., Ltd. to exploit LS-WEDM. This thesis mainly covers the following four aspects of research work:

1. According to the function demand of LS-WEDM, the hardware structure of the NC system has been established: IPC plus Motion Control Card, on the base of this, motion control card and I/O interface card have been selected, at the meantime the AC Servo System of Panasonic has been selected as machine tool servo feeding system, the connection to motion control card and debug was realized;

2. The system software design have been completed as a whole, the multi-task processing in parallel of the system has been completed by using Windows multiple thread mechanism. Thread adopts global variable to communicate, each thread works together to realize the NC system motion control functions. Uses VC++ to complete user interface development, and uses ADO completed the craft database design;

3. Carried out the main function of motion control. Motion control mostly realized the machine tool motion’s function mold, such as Start Point Return & Held Point Return etc. This partial function is the soul of the machine tool sport, the strong or weak of function reflected the automatic level of the machine tool directly;

4. Discussed LS-WEDM to protect the machining field by adopt software method for power down. This problem puts forward not only fit for LS-WEDM NC system, it is applicable to all machine tool number control system that hardware structure as PC or IPC plus DSP, can resolve the problem of power down protection nicely.

Key words: LS-WEDM, Number Control System, Multiple Thread, ADO, Motion Control, Power Down Protection

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vi 图表清单

图1.1 先进制造技术体系图 (3)

图2.1 机床的系统组成框图 (10)

图2.2 机床本体 (11)

图2.3 硬件系统总体结构框图 (13)

图2-4 全闭环伺服进给系统及其动态结构 (14)

图2.5 松下伺服驱动器与运动控制卡接线图 (18)

图2.6 手控盒、操作面板设计图 (19)

图2.7 运动控制系统转线板原理图 (19)

图2.8运动控制系统转线板PCB布线图 (20)

图3.1 线切割机数控系统模块化体系结构 (25)

图4.1 低速走丝电火花线切割机床用户界面 (34)

图4.2打开文件界面 (36)

图4.3 编辑文件界面 (36)

图4.4保存文件界面 (37)

图4.5 静态绘图界面 (38)

图4.6 用户口令界面 (40)

图4.7 电源数据库显示界面 (44)

图4.8 电源数据库添加信息界面 (45)

图4.9 电源数据库修改信息界面 (45)

图5.1 低速走丝电火花线切割机运动控制流程图 (48)

图5.2 低速走丝电火花线切割机床运动控制功能框图 (49)

图5.3 低速走丝电火花线切割机短路回退流程图 (54)

图5.4 短路回退界面 (54)

图5.5原路回起点流程图 (55)

图5.6 原路回起点界面 (56)

图5.7 原路回断丝点界面 (56)

图6.1基于M68HC908QY4型单片机的掉电保护硬件连接图 (58)

图6.2 LS-WEDM掉电保护流程图 (60)

图6.3掉电前运行画面 (61)

图6.4掉电后运行画面 (62)

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第一章绪论

1.1 先进制造技术发展动态

当今，世界范围内制造业的竞争变得越来越严酷。人们对于产品的个性化要求越来越强烈，产品的生命周期越来越短，基于时间、个性化、质量和价格的竞争成了企业占领市场、击败对手的重要策略。企业在尽可能短的时间内，高效率低成本地为顾客提供个性化高质量产品的能力，已成为当今企业竞争能力的一个基本标志[1]。

先进制造技术AMT(Advanced Manufacturing Technology)这一概念是美国上世纪80年代末期提出来的，很快日本、西欧各国及亚洲新兴工业国家就相继作出了响应，纷纷将先进制造技术列为国家的高新技术和优先发展项目[2]。先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、生产管理、产品销售、使用、回收等制造全过程的制造技术的总称[3]。

1994年，美国国家最高科技决策机构—国家科学技术委员会指定其所属的民用工业技术委员会制订国家级先进制造技术发展战略，其主旨有如下四点：①支持国家实验室、大学与工业界联合研究开发先进制造技术；②通过国家级工业服务网络帮助企业快速采用先进技术；③开发并推广有利于环境保护的制造技术；④积极实施与工程设计和制造相关的教育与培训计划。1996年，美国国家先进制造联合会发表了《面向21世纪的美国工业力量》白皮书，建议美国今后应重点发展如下先进制造技术：集成产品与过程开发、并行工程、敏捷企业哲理、虚拟产品开发、快速原型与过程仿真、可扩展的企业体系结构、综合资源规划、产品数据交换标准、高速网络、人工智能、传感器数据融合、专家系统、电子数据交换、纳米/微米制造技术、高级控制器、全能制造系统的制造单元技术等。同时建议国防承包商采用大批量定制技术，重点发展柔性制造技术与系统。目前，美国正在实施的先进制造技术计划有ATM计划、TRP计划、ATP 计划、SIMA计划和MANTECH计划等[4]。

德国在与美国、欧洲、亚洲（尤其是日本）其他国家的竞争中，为继续保持传统制造业的经济增长，积极采取行动，将更多的精力和资源投入到更新的

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先进技术上来，积极推动工业界采用信息技术改造传统制造技术与制造企业，并制订了相关的计划德国政府于1995年提出了实施“2000年生产计划”以推动信息技术促进制造业的现代化和提高制造领域的研究水平；2002 年又分别推出了“IT2006研究计划”和“光学技术-德国制造”计划，投资30多亿欧元，研究电子制造技术和设备、新型电路和元件、芯片系统以及下一代光学系统[4]。

日本早在1989年就发起过“智能制造系统”计划，研究开发全球化制造、下一代制造系统、全能制造系统等技术；1995年日本通产省发起旨在推动工业基础研究的“新兴工业创新型技术研究开发促进计划”2004年又启动了“新产业创造战略”，为制造业寻找未来战略产业。这已引起美国、欧洲、日本在机械制造技术上新一轮的竞争[4]。

目前国际上对先进制造的研究主要从以下6个方面展开[4]：纳米技术，精密、超精密加工，快速原型技术，智能制造技术，敏捷制造技术，微电子制造技术。具体表现为：①纳米技术的研发与应用受到各国的高度重视；②精密、超精密加工技术是现代制造工艺技术的核心技术；③快速原型技术是一项新兴技术，是近20年来制造技术领域的一次重大突破；④智能制造技术越来越受到各国的重视，是制造领域的一个新热点；⑤敏捷制造技术是对传统柔性生产技术的延伸和发展，它提出了虚拟制造（即模拟仿真）的新概念。随着计算机性能的飞速提高，计算机图形学和图象处理技术的进步，形成了虚拟制造新热点。而成形制造的模拟仿真又成为成形制造领域的研究热点；⑥微电子制造技术已成为新一代电子制造的关键技术，如欧洲的MEDEA计划和MEDEA+计划是发展微电子技术的重要举措，极大的促进了欧洲微电子工业的发展。先进制造的重点研究的领域是：纳米技术，智能制造技术，虚拟制造技术。

在我国制造业的工业增加值约占GDP的35%左右，超过三分之一的国民生产总值由制造业创造[5]。机械科学研究院提出了如图1.1所示的由多层次技术群构成的先进制造技术体系图[3]。图中，第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术，它是先进制造技术的核心。它在铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺中大量采用。第二个层次是新型的制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术，如数控技术、清洁生产技术、机器人技术等等。第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的。如 FMS，CIMS，IMS及虚拟技术等。

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图1.1先进制造技术体系图

杨叔子教授在先进制造技术及其发展趋势一文中指出了先进制造技术八个方面的发展趋势和特色：①数--是发展的核心；②精--是发展的关键；③极--是发展的焦点；④自--是发展的条件；⑤集--是发展的方法；⑥网--是发展的道路；⑦智--是发展的前景；⑧绿--是发展的必然。并指出数、精、极、自、集、网、智、绿这八个方面，彼此渗透，相互依赖，相互促进，形成一个整体；要扎根在研究与发展“机械”本身与“制造”本身的理论与机理；八个方面的技术要以此理论与机理为基础来研究、开发、发展，要与此基础相辅相成，最终服务于制造业的发展[6]。

从以上论述可以看出，先进制造技术已成为世界各国激烈竞争的焦点，它不但可以带来巨大的经济效益，而且可以提升国防水平。数控系统作为制造系统的关键单元[7]，它容括了先进制造技术的智能制造技术和敏捷制造技术两个方面，可以说数控系统是制造系统的灵魂；我国整体制造技术水平还相当落后，在提升数控系统水平的同时，纳米技术、微电子制造技术及超精密加工技术等亦需同等提高，即“两手都要抓，两手都要硬”！

1.2 电火花线切割加工机床的发展趋势

电火花线切割加工(WEDM)是电火花加工(EDM)的一个重要组成部分。电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作为工具电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成型[8]。根据电极丝的运行速度，电火花线切割

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机床通常分为两大类：一类是高速走丝（或称快走丝）电火花线切割机床（HS-WEDM--High Speed Wire Cut Electrical Discharge Machining），这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8~10m/s，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝（或称慢走丝）电火花线切割机床(LS-WEDM--Low Speed Wire Cut Electrical Discharge Machining)，这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机种。

中国机床工具工业协会特种加工机床分会对全国29家主要电加工机床制造企业2005年的生产销售基本数据统计表明，电加工机床正从数量的增长转向性能质量的提升[9]。2005年我国大陆市场低速走丝机的销售量应在2400台左右，比2004年增加800台左右，增长了约50% ，产值可达13 亿元。而这29家企业统计的2005年高速走丝电火花线切割机的数量为8000多台，产值仅3.5亿元左右，且产量总体呈下滑趋势。

从以上的分析可以看出，低速走丝电火花线切割机床有着广阔的发展空间，且随着对精密零部件需求的不断增加，对低速走丝机的需求也必将不断增加。然而，低速走丝机的高端产品已被瑞士、日本所垄断，国内只有苏三光一家拥有自主知识产权，且只能在中低端市场挣扎。目前，国外先进生产厂家又瞄准了国内的中低端市场，纷纷与国内的厂家合作开发中低端产品。在此种情况下，国内只有积极开发具有自主知识产权的低速走丝线切割机，才能摆脱受制于人的不利局面！

1.3 电火花线切割加工数控技术的发展现状

电火花线切割技术经过近半个世纪的发展，现已十分成熟，并达到了相当高的工艺水平：最大的切割速度可达500mm2/min，最佳表面粗糙度达Ra0.05μm，轮廓精度Tkm1μm[14]。为了提高电火花线切割工艺水平，提高机床自动化程度和智能化程度，满足市场的不同要求，国内外电加工研究人员及制造商都在积极采用现代研究手段和先进技术进行深入开发研究，向电火花线切割加工信息化，智能化和绿色化方向发展[10]。

目前，新型的走丝系统在加工工艺中很好地集成了穿丝工艺，从而大大提高了系统的加工精度及加工效率。双走丝系统能实现在一台机床上自动交换两种材质、直径都不同的电极丝，从而解决高精度与高速度加工的矛盾。在系统

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中，粗、细电极丝分别采用相互联锁的两套类似的走丝系统，但与导向器系统是统一的，没有移动部件，用以保证最佳精度，换丝时间不到45s。两种电极丝采用的加工规准、切割路径及偏移量等均由专家系统自动设定。粗加工时，采用直径较大的电极丝进行加工，使电极丝可承受更大的张力、机械力与热负载，因此可选择电流较大的工艺规准进行加工，提高加工速度。精加工时，选择直径小的电极丝用精规准进行加工，确保良好的形状精度与尺寸精度。这种系统获得了大量真正用于加工的时间，提高了加工效率和加工零件的表面质量。

直线电机驱动技术。日本Sodick公司最早在电火花成型机床上采用了直线电机驱动，在2001年第七届北京国际机床展上，推出了AQ550L型直线电机驱动的低速走丝线切割机床。由于直线电机驱动与主轴为同一个零件，无丝杠联接，无反向间隙，移动准确，实现了高响应和高跟踪，以及高精度位置控制，防止了断丝，能保持最佳放电状态的稳定加工，提高了放电效率和加工精度，并克服了线切割加工中的表面条纹。

电火花线切割加工的CAD/CAM技术得到进一步完善[11]。经过多年的开发研究，电火花线切割加工已能利用计算机进行零件绘图、自动编程、并进行加工轨迹控制。近几年，又把CAD和CAM各模块集成在一起，形成一个从图形输入到加工过程控制的CAD/CAM系统。有的还在建立工艺数据库的基础上，开发了包括工艺参数优化选取的较完整的CAD/CAM系统。

电火花线切割加工中，由于检测量与控制量之间的非线性关系，使得经典控制理论难以取得较好的效果。针对高速走丝线切割加工控制Huang.Y.H等在分析机床的加工工艺特点后，提出了步进电机进给步周期的推算算法，使在切割厚度变化情况下也能很好地跟踪，获得最佳切割速度。Zhang.W等用自校正控制算法来进行控制伺服进给，并通过试验确定系统的预报模型为二阶模型，控制模型的参数采用在线递推估计法试验表明这些控制算法在一定的实验条件下取得了较好的加工效果，对不同的加工条件都有较好的适应能力。

K.P.Rajurkar等认为不同厚度工件的最佳火花频率不同，因此必须实现工件厚度的实时检测[10]。为了在线识别工件厚度，建立一个多输入参数模型，用间隙电压量、伺服进给量和实时检测的火花几率来识别，这使得在伺服进给不稳定时也能有很高的精确性。他们还通过实验建立了厚度与最佳火花几率关系的公式，当工件厚度识别后，最佳的火花频率也就确定了。在控制火花几率上，他们采用了自适应控制理论来建立了一个一阶控制模型参数，同样采用在线递推辨识以适应放电加工的随意性。试验表明，该控制策略使在变厚度切割条件

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下也能始终维持最佳的火花几率，保持高速切割，同时有效避免断丝的发生。

M.T.Yan,Y.S.Lia等是较早在电火花线切割加工控制系统中运用模糊逻辑控制理论的，同建立在精确数学模型的经典控制理论和现代控制理论相比，模糊控制更适合于多输入非线性、时变或具有高度不确定性的系统的控制，而且控制器的规划设计可以充分利用熟练操作人员及专家的经验[13]；此外将自适应和学习能力引入到模糊控制中，使模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中可自动调整和完善。这些特点都非常适合电火花加工控制。在此基础上，对脉间和进给伺服参考电压采用模糊自适应控制。试验表明，与传统的控制相比较，采用模糊控制技术具有良好的自适应能力，控制器可以由放电间隙状态的检测来感知加工条件的变化，从而自动调节控制参数如同一个熟练的机床操作人员，试验研究取得了满意的结果。

电火花线切割的加工过程控制，历来都是根据传统的控制理论建立一个输入量与输出量的函数关系来进行控制的[11]。但由于电火花线切割加工是一个复杂的系统，就其加工效果而言，就受到脉冲参数、机床的几何精度及走丝系统的稳定性、工作液的成分及注入方式、工件材料物理性能及厚度等多种因素影响，而且随机性很大，因而难以用一个精确的数学函数来反映这些输入量与输出量的关系。模糊控制理论不需要给出众多的输入量与输出量之间的严格数学关系，而是采用模糊逻辑处理使它得到简化。近几年来，航空总公司613所、南京航空航天大学以及上海交通大学等单位都进行了研究，并获得了很好的效果。所开发的模糊控制系统一般由模糊控制器和被控制对象二部分组成，而模糊控制器又可以分为模糊输入、模糊推理决策以及模糊输出三部分。

人工神经网络技术在线切割技术开发中得到了较广泛的应用。人工神经网络是以神经科学和生理科学为基础，在一定程度上抽象、简化并再现人脑在信息存储、搜索处理等方面的某些原理，用于模拟人类智能化活动，解决各种复杂问题[12]。上海交通大学针对电火花线切割加工过程的复杂性，建立了神经网络预测模型，并在此基础上开发了高速走丝电火花线切割加工过程计算机仿真系统。华南理工大学则建立了加工间隙状态检测的神经网络模型，对其放电率及短路率的预测精度可以达到±1%~±6%。哈尔滨工业大学也用人工神经网络技术预测与各输入条件相对应的相对火花放电率及短路率，对WEDM放电状态的间接检测法进行了研究，为电火花线切割加工的实时控制作了有益的探索。

自动化、人工智能技术一直是电火花线切割加工技术不断追求的目标，随着计算机软硬件技术、电力电子技术、网络技术等相关技术的发展，电火花线

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切割加工的自动化程度越来越高，而人工智能技术的出现更是把电火花线切割加工推向了新的发展高度。目前，电火花线切割加工的自动化、人工智能技术已进入了一个新的发展阶段，由原来的电火花线切割加工某项关键技术的自动化、人工智能技术的应用扩展到整体电火花线切割加工的自动化、人工智能技术的应用。最新出现的如电极丝张力与丝速的多级控制、边界面切割的适应控制、拐角的补偿与适应控制、工作液参数的适应控制与调节、脉冲电源的适应控制等。

1.4 本课题研究概况

1.4.1研究意义及研究目的

目前在国内电火花加工机床市场上，高速走丝线切割机是国内制造业领域的主要机型。虽然高速走丝线切割有利于改善排屑条件，适合于大厚度和大电流高速切割，加工性能价格比优异，但是这类机床加工精度低、加工稳定性差、自动化程度相对低速走丝线切割机床低的多，与低速走丝线切割机相比还有很大的差距。在我国实施的“改进快走丝机，发展慢走丝机”的战略指导下，很多国内企业在低速走丝线切割机的自动编程、数控系统、机床制造、加工工艺等方面进行了研究，取得了一定的成果。现在仅苏州三光机电有限公司有自己的产权，像北京阿奇工业电子有限公司、苏州电加工机床研究所、汉川机床股份有限公司，在主要技术和零部件上仍需借鉴国外的技术、引进国外零部件生产，如引进无电阻高效节能型脉冲电源，且产量很有限。目前在产品性能、精度、稳定性、电源和数控系统性能等方面与国外相比还有很大的差距[15]。

另一方面，航空航天制造技术和生产能力是国家制造业实力和国防科技工业现代化水平的综合体现，在国民经济和国防现代化中有着举足轻重的地位和作用。低速走丝电火花线切割作为精密制造技术的一种，特别适于对常规方法难以加工的材料（如钛合金、高温合金等）和结构复杂工件的加工，并且可以达到较高的加工精度，因此在航空航天制造业中得到了广泛的应用。但目前我国高精度的低速走丝电火花线切割机床主要依赖从国外进口，一些关键技术各生产厂商对外也严格保密，随着我国航空航天制造产业的飞速发展以及模具行业的迅速崛起，这一状况必须得到改变，开发具有自主知识产权的高精度低速走丝电火花线切割机床已成为国内电加工业的共识[16]。

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1.4.2 主要研究内容

本课题是在Windows 2000操作系统平台下，以Visual C++ 6.0为用户界面开发平台而设计开发的基于“NC嵌入PC”的低速走丝线切割机数控系统，即工控机（IPC）+运动控制卡型的数控系统。在设计中主要涉及的内容有：

1.控制系统硬件平台的搭建。根据低速走丝线切割机的功能需求，确定四轴联动低速走丝线切割机控制系统硬件的总体框架，选用DMC3000及DMC2000运动控制卡，完成运动控制卡与松下伺服驱动器的互连、调试，外围接口电路的扩展，以及手控盒、操作面板的设计；

2.控制系统软件的总体设计。根据系统的控制功能要求，合理划分系统的任务，同时对系统软件进行了功能需求分析，采用模块化编程思想，划分功能模块；设计中考虑到监控模块及加工模块的实时性和互不干扰性，分别采用了用监控线程、加工线程来实现各自的独立性。在用户主界面的设计过程中，同样采用了模块化的方式：准备模块、信息模块、执行模块及图形模块；显然模块化方式是最适合于大型系统开发的一种方式，主要因为各模块间的相互独立性，可以使整个开发团队同时进行各自的任务而互不干扰；

3.软件功能的设计。利用Windows2000操作系统，在Visual C++ 6.0开发平台的基础上设计了本课题主界面，实现了文件操作、工艺数据库的建立、图形显示及变换技术。如可对文件进行编辑、保存，可显示出加工零件轮廓及对图形进行放缩等基本操作技术；

4.数据库的设计。系统采用ADO（ActiveX Data Objects）作为数据库操作接口，充分利用了ADO易于使用、速度快、内存支出少和磁盘遗迹少的优点，对本系统中的大量数据进行读写操作。本文介绍了如何使用ADO来连接、打开Access数据库，并介绍了对其中的数据进行修改、添加、删除等操作；

5.运动控制的实现。这是本人在此课题中所要完成的核心任务。主要涉及机床运动控制的各个功能模块，像原路回起点、原路回断丝点、快速回起点、快速回断丝点、单段执行、选折停等；并实现了短路回退及根据间隙电压自适应调速这两个重要控制功能；

6.研究课题中所遇问题的讨论。主要论述了本人在课题设计过程中遇到的一些问题及讨论。如，掉电保护及插补速度误差等问题。这部分所提出的内容，有的已经圆满解决，并很好得应用于本系统；有的仅提出了理论实现方法，仍需后续研究，在第七章展望中亦提出了对未来研究方向的期望。

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第二章硬件系统总体设计

本章首先介绍了目前数控机床控制系统常采用的几种硬件体系结构，然后根据低速走丝线切割机的特点、功能需求，确定了控制系统的硬件总体框架；实现了松下伺服驱动器、运动控制卡、信号采集卡、面板、手控盒、机床工作台的互连、调试。对系统中主要部件进行了简要介绍，确定了面板、手控盒设计图，并给出了运动控制系统转线板原理图及布线图。

2.1 目前数控机床硬件系统典型结构

近年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生。在具体的结构实现上，基于PC的开放式数控系统可分为4种类型: PC连接CNC型、CNC内藏PC型、软件化CNC、PC内藏CNC型[17-22]。

1. PC连接CNC型：这是一种专用的封闭式体系结构的数控系统，尽管也可以由用户开发人机界面，但必须使用专门的开发工具，耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改编和修改，都必须求助于系统供应商。如FANUC0系统、Siemens810系统等；

2. CNC内藏PC型：这种系统的基本结构为CNC+PC主板，即把一块PC主板插入传统的CNC装置中，CNC作为数控功能运行，而PC板为用户的人机接口平台，用作非实时控制。如FANUC18i、16i系统等数控系统。尽管它也具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵；

3. PC内藏CNC型：这种模式是在通用PC的扩展槽中插入专用的运动控制卡，PC将实现用户接口、文件管理以及通信等功能，运动控制卡采用以DSP为核心的多轴运动控制技术，能够充分保证系统的性能，同时可以充分利用PC机丰富的软硬件资源，开放性好。美国Delta Tau Data Systems公司的PMAC-NC、德国POWER AUTOMATION公司的PA8000、美国Ormec System公司的Orion、德国Indramat公司的MTC200都是这种模式[23]。

4. 软件化CNC型：这是一种最新开放体系结构的数控系统，它提供给用户

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最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可以在Windows NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，但由于操作系统的实时性、标准的统一性以及系统的稳定性等一系列问题仍处于研究和实验阶段，尚未成熟。

比较这以上这4种模式，第3种采用PC内藏CNC型模式构建的开放式数控系统，性能可以得到保证，软件的通用性又强，系统的开放性好，是目前比较可行的一种开发方式[24]。该模式的数控系统，主机与板卡构成了主从式多微处理器CNC系统，PC机作为上位机，通过PCI总线对运动控制卡进行控制、监视、协调等，主要完成一些非实时或弱实时性任务，如文件编辑、参数设置、加工状态显示等；运动控制卡作为下位机，执行系统位置、速度调节、插补算法等实时任务。

2.2 本系统所采用的硬件系统结构

2.2.1 机床的组成及各部分功能

低速走丝电火花线切割机床作为一种精密制造数控机床，一般由控制介质、数控系统、包含伺服电机和检测反馈装置的伺服系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成，如图2.1所示[16]。

图2.1 机床的系统组成框图

○1控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体，是人与数控机床之间的中间媒体物质，反映了数控加工中的全部信息。

○2数控系统是机床的控制中心，也是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。数控系统由输入装置、控制运算器和输出装置等构成。输

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入装置接受控制介质上的信息，经过识别与译码之后，送到控制运算器，这些信息将作为控制与运算的原始依据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令送往输出装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。

○3伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电机运转，通过机械传动装置拖动工作台或导丝嘴运动。

○4强电控制柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元器件，除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源，以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，还控制机床辅助装置的各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等。此外，它也与机床操作台有关手动按钮连接。强电控制柜由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等构成。它与一般普通机床的电气类似，但为了提高对弱电控制系统的抗干扰性，要求各类频繁启动或切换的电动机、接触器等电磁感应器件中均必须并接RC阻容吸收器，对各种检测信号的输入均要求用屏蔽电缆连接。

○5数控机床的本体是指其机械结构实体，由床身、工作台、走丝机构、工作液箱、附件和夹具以及上下导丝嘴等组成。为了满足电火花线切割的要求和充分发挥其技术特性，机床本体的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构根据所采用的机床结构不同都有各自的特点，如图2.2所示。

图2.2 机床本体

○6辅助装置主要包括液压、气动控制系统，润滑装置，切削液装置，工作

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液过滤系统，照明及过载保护装置等。

2.2.2 低速走丝电火花线切割机数控系统总体结构

数控系统的开放性、可重构设计、模块化、网络化是当前数控技术领域研究的热点。开放式数控的技术本质是标准化，它的目标是把复杂的数控技术产品体系分割开，形成公认的模块化构件，让更多的厂商能够参与到数控技术的广阔市场中来，显然，模块化是开放式控制的原始基础和技术雏形，而实现这一目标的前提是共同制定一个产品的标准，准确地说，就是制定一个共同遵循接口的标准，以实现庞大数控系统架构的分解和集成。

可重构数控的技术本质是柔性化。其实际上和原有的柔性制造系统一脉相承，只不过加入了管理学和运筹学的技术内容。不同的是，这种管理过程不是完全由人来主导，而是在人预先定义的决策下，由控制系统本身按照某种程度的自动化来实施的，其目标是系统实现从一种形态转变成另一种形态[7]。

可重构机床控制的系统要基于开放式的系统体系结构[25]，具有软件和硬件开放性，可自由选择CNC装置、伺服放大器、传感器、执行单元等部件。基于PC的数控系统实现了对于系统的人机界面等非实时控制部分的有限开放，允许对它进行一定的修改；借助于系统提供的应用程序接口，为控制系统的实时部分增加特定的功能；通过功能的模块划分，扩充可选择功能，以模块化的形式构筑整个数控系统；在具备必要功能的基础上，用户可依据自身需要，添加可选模块，改变各应用模块之间的拓扑关系，通过系统的可重构性实现用户的“专用”系统；开发的数控系统各个功能模块不依靠固定的软、硬件平台，具有相似的功能、可靠性的功能模块可以相互替换；系统留有易于用户二次开发的接口，用户可以根据自身需要和实践经验，对系统进行二次开发，添加用户自己的技术专利，使系统更好的满足需求[26]。

本系统采用的硬件体系结构是目前数控系统开发厂家普遍采用的“NC嵌入PC”的体系结构，即上、下位机的形式结构[27]，它即具开放性，又具可重构性。选择深圳雷塞公司生产的DMC3000四轴联动运动控制卡（控制X、Y、U、V四轴联动）及DMC2000两轴控制卡（仅控制Z轴运动），研华系列PCL-812PG输入输出卡，MSDA023D1A型交流伺服电机及驱动器和MSMA082A1H型交流伺服电机（采用500线，4倍频光栅位移传感器，可把分辨率提高到0.5μm，脉冲当量为0.5μm），采用“研华IPC+Windows 2000操作系统+DMC3000四轴联动控制卡”为操作平台，组成一台高档型全闭环低速走丝线切割数控机床，研制全闭环低速走丝线

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切割机床控制系统。研究低速走丝线切割数控机床具有丝半径、放电等间隙补偿功能的曲线合成插补方法，消除计算累积误差，可直接对任意直线、二次曲线进行插补，插补误差小于0.5个脉冲当量。硬件系统总体结构框图如图 2.3所示；

图2.3 硬件系统总体结构框图

需要说明的是，因运动控制卡带有通用输入输出口，手控盒中的部分信号由控制卡I/O端口控制，在图2.3中并未标注出来；另外，机床控制信号（如断丝、限位及间隙电压检测等）由机床反馈给控制卡，而机床泵、阀的开启由控制卡的通用输出口控制继电器的开关而动作。

硬件系统由五个分系统组成：1.伺服进给运动控制系统，该系统能实现两个功能：○1.轨迹控制，保证电极丝相对工件按预定的轨迹运动，切割并加工出零件的轮廓。○2.速度控制，实时修正伺服进给速度，保证电极丝相对工件的速度与工件蚀除速度基本同步，即达到最佳火花放电几率；2.放电间隙状态检测：在线切割加工过程中，放电间隙状态是进行伺服进给速度调节和脉冲电源自适应调整的基本依据，通过对加工状态的分析，调用合适的伺服曲线来传送进给速度指令，实现伺服控制及电参数控制，达到最优的加工状态[28-29]；3.走丝、张力控制：电极丝相对工件运动的同时，电极丝本身沿自身轴向做走丝运动，产生火花放电时，电极丝也会有损耗，只有保证电极丝以一定速度走丝，使参与放电加工过的电极丝迅速离开放电区，放电区域内电极丝不断更新，并保持一定的张力，从而保证电极丝的直径不变，才能提高加工精度；4.丝垂直校正，

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14断丝检测，运动行程限位，此即加工辅助功能，辅助功能设计的好坏与否与机床的自动化程度有着密切的关系；5.面板按键操作及手控盒手动调节[30]。

为了提高慢走丝线切割机床的控制精度，必须解决数控机床的高精度轨迹实时跟踪控制技术--全闭环交流伺服系统。若位置环的反馈采样取自伺服电机轴上的编码器，只能形成半闭环的位置控制系统，对于机械传动链上的间隙误差不能补偿克服，影响控制精度，因此把运动的工作台上安装位置反馈元件光栅尺，克服机械间隙误差，电机轴后端部的光电编码器进行速度采样，在驱动器和电机之间构成速度环，这样在驱动器和工作台之间构成位置环， 克服了机械传动链上的间隙误差，形成如图2-4(a)所示的全闭环伺服控制系统[31-32]，动态结构如图2-4（b ）所示，理论上讲这种全闭环伺服控制系统没有误差。

2.3 硬件部件简介

2.3.1 工控机简介

上位机采用PC-610工业控制机（IPC-610），负责人机界面的管理和其它管理工作（如键盘和鼠标的输入、图形显示、网络通讯等）。其机箱主要特点：用户界面友好，带前置过滤网易于维护；支持250W ATX PFC PS/2 电源 ；前置电源和HDD 状态指示灯；能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作；防震设计的驱动器台，可以容纳3个5.25英寸及1个3.5英寸前端驱动器；灵活的机械设计支持PS/2单电源和冗余电源。此机箱可容纳一个 14 槽 PCI/ISA 总线图2-4 全闭环伺服进给系统及其动态结构

（a ）b ）(a) 系统功能框图 （b ）系统动态结构框图

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无源底板或者标准 ATX 主板，并支持各种电源。可上锁的面板门可防止在未经许可的情况下对机箱进行访问。一个热插拔过滤冷却风扇能够使整个机箱内的空气保持流通。

2.3.2 DMC3000运动控制卡简介

运动控制卡是一种安装在PC机中专门用于步进和伺服电机控制的板卡（与图象卡和Modem类似）。它与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机界面的管理和其它管理工作（如键盘和鼠标的输入、图形显示、网络通讯等）；而控制卡负责运动控制方面的所有细节（如升降速处理、脉冲输出、直线圆弧插补、原点限位监测等）。

当今，开放式数控系统正在工业领域得到广泛应用。其中，工控机通过PCI 总线连接专用运动控制卡的数控系统最为流行。在运动控制卡中，由于DSP采用多总线哈佛结构使得处理指令和数据可以同时进行，因此相比传统控制中的单片机具有更多的优势。同时，运动控制卡与PC机通过PCI局部总线通信，能够达到很高的数据传输速率，从而还保证了数控系统的实时性。

DSP芯片负责接收PCI局部总线的命令和参数，然后经过特定的运动控制算法，如系统位置、速度调节、插补算法等，从而完成对步进电机的精确运动控制。同时DSP芯片还负责将反馈信息传输给PCI局部总线，并且控制系统外围I/O模块。基于PCI总线，配以数据处理能力强大的DSP设计的步进电机运动控制卡，在开放式数控系统中能够发挥出理想的运动控制性能。随着数控系统的普及和产品档次的提高，这种运动控制卡将会有广泛的应用前景。

近几年中，基于控制卡的PC平台运动控制技术获得了越来越广的应用。主要原因有四个：○1友好界面：PC平台控制系统受到机器操作员的普遍欢迎。与单片机和PLC方案的界面相比，PC机（显示器、键盘、鼠标、通讯端口、硬盘、软驱等）具有无可比拟的输入输出能力；○2强大功能：由于PC机的强大功能以及控制卡的先进技术，基于PC机的运动控制系统能够实现单片机系统和PLC系统所无法应付的无数高级功能；○3开发便利：用户可使用VB、VC、C++ Builder 等高级编程语言，快速开发人机界面、调用成熟可靠的运动函数，在几天或几周时间内完成强大控制软件的开发。修改和添加功能十分便利，而且开发好的软件极易移植到类似的机器中；○4成本优势：由于PC机成本持续下跌且控制卡具有很高的性价比，使得由此构成的基于PC机和控制卡的控制系统在大多数运动控制场合中具有良好的综合成本优势。

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16本系统选择PCI局部总线作为DSP与上位机的通信方式，主要是因为PCI

总线速率最高可达528Mbps，实时性强。PCI总线的开发一般可以有两种方案实现：一种是用FPGA实现;另一种则是使用专用的PCI接口芯片。由于电机是功率器件，所以由DSP输出的PWM波形不能直接输入到驱动器中，而是必须采用光耦进行隔离，这样才能避免电机的大电压信号把DSP烧坏。此外由于DSP输出的PWM信号很弱，如果直接加在电机驱动器上，驱动器将检测不到该信号，所以在DSP的PWM信号输出级需加长线驱动。

所选择的DMC3000运动控制卡，其价格低、功能丰富、32位I/O口(16进16出)，适合于大多数步进和伺服控制用途，是深圳雷赛公司生产的基于PCI总线的高性能运动控制卡，可控制多达四个轴的步进或伺服电机[33]，卡上专用DSP 处理所有运动控制的细节，具有即插即用、最高脉冲频率可达到4MHz、两/三轴线性插补、两轴圆弧插补、连续插补、Z信号精密找零、S曲线减振功能、编码器反馈、随时变速、支持手轮和JOG等功能。同时随卡还提供功能强大的运动控制函数库：C语言运动库、Windows DLL动态链接库等，让用户快捷、有效地解决复杂的运动控制问题，使用户可以轻松地开发自己的控制系统。

DMC3000运动控制卡在本系统中作为下位机，由于其采用DSP处理所有运动控制的细节，因而很好地解决了运动控制中实时性的问题。(DMC3000运动控制卡只能控制X、Y、U、V四轴，Z轴由DMC2000运动控制卡来控制，因在本系统中只需X、Y、U、V四轴作连续插补，Z轴只需根据工件厚度作上下移动)。

2.3.3 信号采集卡

在低速走丝电火花线切割机中，有许多的机床外围信号需要监控，如操作面板、手控盒的输入、输出信号、机床限位信号、断丝信号、碰边信号以及各种模拟量输出信号等。DMC3000卡只带有8个通用数字量输入口及16个通用数字量输出口，远远不能满足机床的输入、输出要求，所以选择了台湾研华公司生产的基于ISA总线的多功能数据采集卡PCL-812PG进行扩展，其特点如下[34]：1）16路单端模拟量输入通道，12位的A/D芯片，在DMA模式下，最高采样频率达到30KHz；

2）增益可调，输入范围可通过软件控制；

3）三种A/D转换的触发方式：软件触发、内部定时器触发、外部脉冲触发；

4）三种数据传输方式：程序控制、中断方式、DMA方式；

5）16路TTL兼容输入和输出通道；

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6）2路模拟量输出通道，参考电压内部可选；

同时台湾研华公司提供了PCL-812PG板卡的设备驱动程序和Windows标准动态链接库，用户可以在多种开发环境下，通过调用动态链接库中的库函数，完成模拟量、数字量的采集，实现用户所需的各种功能。以下几个函数为数字量输入输出函数、模拟量输入输出函数：调用起来十分方便，如：pDlg->AoV oltageOut(0, gread0); // pDlg为指向类名的指针，参数0代表模拟量输出第一位，参数gread0为整型，代表输出电压的大小

pDlg->AiV oltageIn(10,0,0,&n); // 模拟量电压输入，n为参考电压

pDlg->ReadInput(0,0,0); //数字量输入

pDlg->ReadAInput(0); //模拟量输入

pDlg->DioWritePort(0,0,0); //数字量输出

PCL-812PG研华卡具有16个数字量输入/输出口，16个模拟量输入口，2个模拟量输出口，用于响应手控盒及面板各按键状态及间隙电压的检测。并采用松下伺服驱动器及电机作为驱动部件。

2.3.4 伺服驱动及电机

本系统中采用松下伺服驱动及电机。松下交流伺服电动机MSMA082A1H为小惯量的永磁同步伺服电动机，驱动器为MSDA023D1A ，其调速主回路采用IGBT SPWM变频控制方式，通过频率的改变来实现调速。电机上安装有11 线的增量式旋转编码器，分辨率为2500P/r，可以对电机转速进行高分辨率的检测反馈。电机的数字调节器为PID调节器，并采用M/T测速方式和滑模算法，提高电机的调速特性，使电机在低速运行时平稳性好，高速运行时跟随误差小[35]。DMC3000控制卡第1轴与1个松下伺服驱动器的接线图，如图2.5所示[33]：

松下伺服驱动器的CNI/F控制信号接口为DB50，10个引脚与运动控制卡相连，其中2个引脚为指令脉冲差分输入信号，2个引脚为指令方向差分输入信号，剩下6个引脚分别为光电编码器反馈输入信号OA+、OA-、OB+、OB-、OZ+、OZ-，其余40个引脚为伺服驱动器的扩展功能。

运动控制卡的引脚1、2为输出指令脉冲的差分信号，3、4为输出指令脉冲的方向差分信号，分别接到伺服驱动器对应的输入引脚3、4、5、6，运动控制卡的引脚26、27、28、29、30、31分别为光电编码器反馈脉冲输入信号EA+、EA-、EB+、EB-、EZ+、EZ-，接伺服驱动器对应的输出引脚21、22、48、49、23、24，这6个信号为电机转轴上的光电编码器的反馈信号，用户可以通过调用运动控制

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卡的动态链接库中的相关函数，得到电机所走的实际距离。

图2.5 松下伺服驱动器与运动控制卡接线图

2.4 输入输出资源分配及转线板设计

2.4.1 输入输出资源分配

控制部分的输入输出资源主要分配在操作面板及手控盒中。在低速走丝线切割机中，手控盒、操作面板是机床外设的一个重要组成部分。操作人员可以在切割加工前，在机床侧利用手控盒进行机床调节，例如：开启水处理的上水电机，开启冲液电磁阀，单轴的点动、连续移动等等。在工件加工过程中，操作人员可以利用操作面板上的按键对加工过程进行控制，例如：暂停加工、执行加工、空运行、单段执行、快速回起点、快速回断丝点等等。

根据低速走丝线切割机的功能要求，结合瑞士charmilles慢丝机的使用手册，本课题中所设计的手控盒、操作面板如图 2.6所示，每一个按键都对应研华PCL-812PG卡或者运动控制卡中的输入端口，避免了行列扫描造成的软件设计复杂问题。

2.4.2 运动控制系统转线板设计

由于运动控制系统是本人在此课题中负责的重要工作之一，而为了测试所开发的运动控制功能代码的有效性、可靠性，必须把控制卡、伺服驱动、面板

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