基于PIC单片机的电火花线切割机床控制系统设计.pdf

电加 工与模具} 2 0 1 3 年第4 期 工 艺 装备 基于 P I C单片机的电火花线切割 机床控制系统设计 杨汉松 ， 张永俊 ， 邓志敏 广东工业大学机 电工程学院， 广东广州 5 1 0 0 0 6 摘要 在 电火花线切割加 工裂解连杆初始应力槽过程 中。 针对毛坯 内孔误 差、 钼丝与连杆初始 位置变化 引起 的应力槽切深不一致 问题 ，研制 了具有恒切深控制功能的电火花线切割控制 系统 ， 包括 了硬 件 电路 设 计和 P I C软件 设计 ， 并 经 实验 验证 其 可行 性 。 关键词 电火花线切割加工 ； 连杆 ； 应力槽 ； P I C单片机 ； 检测 电路 中图分类号 T G 6 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 3 0 4 0 0 6 0 0 3 Th e De s i g n o f Co n t r o l S y s t e m f o r W EDM Ba s e d o n PI C M CU Y a n g H a n s o n g ， Z h a n g Y o n g j u n ， D e n g Z h i mi n G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Du e t o t h e i n n e r h o l e e r r o r o f B l a n k a n d t h e c h a n g e o f t h e o ri g i n a l p o s i t i o n o f mo l y b d e n u m wi r e a n d t h e r o d ． t h e d e p t h o f t h e g r o o v e s a r e i n c o n s i s t e n t i n t h e i n i t i a l s t r e s s s l o t wi t h t h e p r o c e s s o f WE DM． T 0 s o l v e t h i s p r o b l e m。a c o n t r o l s y s t e m u s e d i n WEDM i S u n d e i “ d e v e l o p me n t ． w i t h n e w c i r c u i t a n d s o ft w a r e s y s t e m， t h i s c o n t r o l s y s t e m w o r k s w e l l t o g e t c o n s t a n t d e p t h i n WE D M p r o c e s s ． Wi t h e x p e rime n t a l v e rifi c a t i o n ． t h e d e s i g n o f t h e c o n t r o l s y s t e m me e t i t s f e a s i b i l i t y ． Ke y wo r d s W EDM ； c o n n e c t i n g r o d； s t r e s s g r o o v e； PI C MCU； d e t e c t i o n c i r c u i t 发动机连杆裂解工艺是 当今最新的连杆加 工 技术 ．有着传统连杆加工方法无可 比拟 的优越性 ． 其加工工序少 ， 可节省精加工设备 ， 节材节能 ， 生产 成本低f 1 1 。连杆裂解槽电火花线切割加工是在连杆 裂解前 ， 在连杆大头孑 L 内表面两侧各切 出一条裂解 应力槽 ， 产生一个裂解应力集 中区域 ， 以利于后续 的裂解 『2 1 。其 中 ， 裂解应 力槽 的槽 深是否 一致 在很 大 程度上决定 了裂解加 工过程 中断裂 区域的应力 集 中程度 ， 是影响裂解力和质量的最主要 因素之一。 在实际生产 中，由于连杆毛坯 内孔有误差 、 钼 丝与连杆初始位置 的不同， 要想保证切槽槽深的一 致 ， 需在每次加工前进行精确对刀 ， 这会严重影响 生产效率 。本文设计了一种具有恒切深 自动控制的 电火花线切割机床控制系统 ， 能保证切割 的槽深一 收稿 E t 期 2 0 1 3 0 3 1 3 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 0 7 5 0 5 3 ； 教育部博士点 基金资助项 目 2 0 1 2 4 4 2 0 1 1 0 0 0 3 第一作 者简介 杨汉松 ， 男 ， 1 9 8 6年生 ， 硕士研究生 。 一 6 O一 致 ， 满足大批量生产高效加工的要求 。 1 控制系统组成 电火花线切割机床 的控制系统主要 由 P I C单 片机控制器 、 检测电路 、 电机 、 线切割 电源等组成 。 其 中， 检测 电路包括间隙电压取样 电路 、 间隙状态 识别电路及压频控制电路。 系统各部分组成见图 1 。 电机 一 雾 困 亟 幸 __J厂 磊 酉 ] ■ ] 图 1 系统各部分连接关系 P I C单片机系统控制线切割加工前的钼丝快速 进给 ， 接近工件时的低速进给 ， 以及加工过程 中的 短路 回退和加工完毕的快速回退 。压频控制电路具 体负责线切割加工的进给 ， 根据加工间隙电压的大 工 艺 装备 电 加工与 模具} 2 0 1 3 年 第4 期 小生成相应 的频率进行控制。间隙电压取样电路和 间隙状态识别 电路则是对加工 间隙的电压进行平 均值取值 ， 判别间隙的状 态 ， 并将不 同的加工 间隙 状态反馈到单片机系统。 2 检测 电路 的设计 2 ． 1 间隙 电压 取样 电路设计 间隙电压取样 的 目的是为 了获取加工放 电间 隙大小 。 再通过控制在一个适 当的加工间隙来获得 电火花加工稳定的加工速度、 良好的加工表面和加 工精度[ 3 ] 。因此 ， 设计 的间隙电压取样 电路必须能取 样到正常加工的电压信号。本文设计 了如图 2所示 的取样电路 ，电路中 D 限制 了短路 电压与 电弧放 电电压的通过 ， 只能取样到空载与正常加工时的电 压信号 。 R。 、 C 。 组成滤波电路 ， 并 由于其具有滞后特 性 ， 对取样 电压进行定时采样 ， 有助于加工的稳定。 限制了输 出的最大电压 ， 可保证压频控制线切割 加工 中的电机最大速度。 图 2取 样 电 路原 理 图 2 ． 2间隙状态识别电路设计 间隙状态识别 电路 的作用是识别 正常火 花放 电加工的间隙电压 1 8 ～ 2 5 V 和短路或电弧放 电电 压嗍 。当识别电路识别出正常加工 间隙 电压 时。 P I C 控制器首先释放对步进电机 的控制 ． 然后再驱动压 频控制 电路进行切割进给。当加工过程中出现短路 状态时 ， 识别 电路从取样 电压 中进行识别 ． 然后 给 P I C控制器中断信号 ， 控制器则执行短路 回退动作 。 间隙状态识别电路 由电压比较器组成 ， 其 电路 原理见图 3 。取样的间隙 电压分别输入到 U 1 A和 U 2 A组 成 的 窗 口 比较 器 和 U 3 A 的 电 压 比较 器 中 。 当处于正常火花放电加工时 ， N P N三极管截至 ， 输出高电平 ；当处于短路和 电弧放 电状态时 ， P N P 截至 ， d 嘎 n 输出高电平。P I C控制器根据接收到的信 号来源进行相应的动作。 2 ． 3 压 频控 制 电路 设计 压频控制 电路 的作用是通 过电火 花线 切割切 槽 过程 中的加工 间隙电压来控 制步进 电机进 给频 率。调定一个切割加工的合适间隙． 当切割加工进 行时， 控制 电路可根据间隙大小产生不 同频率 的脉 冲信号来控制步进 电机。加工间隙较大时 ， 间隙电 压就大 ， 压频电路转换 出来 的频率就高 ， 步进电机 进 给就快 ； 反之 ， 加工间隙较小 时 ， 间隙 电压就小 。 转换出来 的频率就低 ， 步进 电机进给就慢。利用压 频控制 电路可使间隙维持在一个最佳范围内 ． 以满 足加工要求。 压频控制电路原理见图4 。 间隙取样电 压经光耦隔离后输入至 L M3 3 1 压频转换芯片 ． 电压 经压频转化后输出为对频率的脉冲信号。 图 3间隙状态识别 电路 图 4 压频控制 电路原理图 3 P I C控制器软件设计 P I C单片机是一种微控制器 ．具有 哈佛总线结 构 ， 故 C P U执行指令 的速度快 ； 还具有精简指令集 技术 、 寻址 方式简单 、 功耗低 、 驱动能力强 、 外接 电 路简单 、 品种丰富、 程序保密性强等特点。本设计采 用高档的 8位系列 P I C单片机 P I C 1 8 F 4 5 8 ．它具有 1 6位指令宽度 ． 还具有 2 M程序存储空间和 4 K数 据存储空间 ， 极大地方便了 C语言的设计与编程。 P I C单片机的运动控制模块作为整个运动控制 系统 的主控制模块 。 要求能在切割加工前实现工具 电极快速平稳进给和检测加工状态 。 并对相应 的加 一 61 ca 加工与模具 2 o 1 3 年第4 期 工 艺 装备 工状态做出响应 ． 即检测到正常加工状态时要释放 对步进 电机的进给控制 ， 并把控制信号交给压频控 制 电路 ， 在检测到短路状态时要进行短路回退。此 外 ， 加工过程 中对切割深度的控制是通过控制切割 加工的进给脉冲数实现的。最后 ， 在加工完毕后要 实现快速平稳的回退。为了避免步进电机在加工中 出现失步等问题 ， 在工具电极快速进给和加工完毕 后的快速回退 ．需对步进电极 的升降速进行控制 ， 以使加工更加平稳 。P I C控制系统软件程序的流程 见 图 5 。 广 ] 系统初始化 ][ 快进 二[ 工进 开 I 回退一个 固 回退一个 固 定位移 N 图 5 P I C单 片 机 控 制 系统 软 件 程 序 流 程 图 4 实验验证 4 ． 1 实验 方案 设计 本文利用 电火花线切割机床对恒切 深控制 系 统进行实验分析 ， 考察工件边缘与钼丝进给方 向垂 直 、 倾斜的两种情况对切槽深度 的控制 。假设 当工 件与钼丝相互垂直时 ． 此时钼丝与工件之间的原始 距 离为 ．s ， 图 6 a ； 当工件与钼丝倾斜时 ， 钼丝与工 件之间的原始距离变为 S 图 6 b ， 且令 ．s S ， 。针对 两种位置情况各做 4组实验 。实验选用的加工条件 为 线切割 电源频率 1 0 k H z ， 加工 电压 1 1 0 V， 占空 比 0 ． 3 。 一 6 2一 钼 a 工件与钼丝垂直 b 工件与钼丝倾斜 图 6 实验方案示意图 4 ． 2实验数 据与结 果分 析 电火花线切割加 工的槽深尺寸测量数据见表 1 ， 图 7 、 图 8分别是经 C C D测量得到的工件图。 从表 1可看 出， 两种方式切割 出来 的槽深误差 较小 。 证 明所设计的具有恒切深控制功能的电火花 线切割机床控制系统是可行的。 表 1 两种方 案切割槽深的数据记 录 图 7 直切工件 图 图 8 斜切工件图 5 结束语 研制 了具有恒切深控制功能的电火花线切割 机床控制系统 ， 并对其 中的硬件检测和软件控制部 分进行 了详细说明。经初步实验证明 ， 该控制系统 稳定可靠 、 性能良好 ， 具有较大的推广应用价值。 参考文献 [ 1 】 寇 淑清 ， 杨慎华 ， 邓春萍 ， 等． 裂解工艺 发动机连杆 制造最新技术【 J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 1 ， 1 2 7 8 3 9 8 4 1 ． 【 2 ] 寇 淑清 ， 杨慎华 ， 赵勇 ， 等． 发动机连杆裂解加工及其关 键技术[ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 0 4 ， 3 4 1 8 5 9 O ． 【 3 1 霍 孟友 ， 张建华 ， 艾兴． 电火花放 电加工间隙状 态检测 方法综述[ J ] ． 电加工与模具 ， 2 0 0 3 3 1 7 2 0 ． 【 4 ] 郑 红 ， 贾志新 ， 郭永 丰， 等． 电火花加工 中脉 冲电源放 电 维持电压研究 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学 报 ， 1 9 9 8 ， 3 0 3 9 9 -“ 2 ．