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电加工与模具 2 0 1 2 年第 1 期 工 艺 装 备 数控 电火 花小 孔高速加工机床 控 制 系统软件 的开发与研 究 张筱 云 苏州工业园区职业技术学院, 江苏苏州 2 1 5 0 2 1 摘 要 分析 数控 电火花 小孔 高速加 工机 床 的 3 - 作 原 理及 软件 功 能任 务 , 基 于“ P CNC ” 型 开放 式数控 系统 结构 , 采 用 C. NE T 作 为软 件 开发 工 具 , 研 究机床 开放 式数 控 系统 人 机 界 面、 智 能化 伺服 进 给控 制及 设备 驱动 程序 等软 件设 计 方 法。应 用 实验表 明 , 该软件 人 机界 面 良好 , 加 工操作 简 便 , 易于二 次开 发 , 较 好地 满足 了数 控 电火花 小孔 高速加 工机床 对开放 式 数控 系统 的要 求 。 关键词 电火花小孔高速加工机床 ; c. NE T; 数控系统 ; 运动控制卡 ; 设备驱动程序 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 2 0 1 0 0 5 6 0 4 De s i g n a n d An a l y s i s o n Co n t r o l S y s t e m S o f t wa r e f o r CNC EDM Dr i l l i ng Zha ng Xi a o y u n S u z h o u I n d u s t r i a l P a r k Vo c a t i o n a l Te c h n o l o g y C o l l e g e , S u z h o u 2 1 5 0 2 1, Ch i n a Ab s t r a c t Th e wo r ki n g me c ha ni s m a nd r o l e o f s o f t wa r e i s a n a l y z e d i n hi gh s p e e d CNC d r i l l i n g ma c h i ne .Th e hu ma n c o mp ut e r i n t e r f a c e,i n t e l l i g e n t s e r v o f e e d c o n t r o l a n d de v i c e dr i v e r s i s d e s i gn e d b a s e d o n ‘ PC NC’o pe n e nd s y s t e m s t r u c t u r e a n d C . Ne t .Ex pe r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t he h u m a n c o mpu t e r i n t e r f a c e i s we l l de s i g n e d.I t i s c o nv e n i e n t t o u s e a n d e a s y t o b e r e d e v e l o pe d.As a r e s ui t ,i t c a n s a t i s f y t h e r e q ui r e me nt s f o r o p e n e nd CNC s y s t e m i n h i g h s p e e d CNC dr i l l i n g ma c hi n e. Ke y wo r d s s ma l l h o l e h i g h s p e e d d r i l l i n g e l e c t r o d i s c h a r g e ma c h i n e s ; C. NET; NC s y s t e m; mo v e me n t c on t r o l c a r d d e v i c e dr i v e r s 电火花小孔高速加工机床 主要用于电火花线切 割 加工 的穿 丝孔 、 液 压气 动元 件 的油路 孑 L 、 发动 机 中 的冷却散热孔等各种传统加工方法难以加工的超硬 导电体深小孑 L 加工。随着微机械加工对孔位精度和 孑 L 径精度的要求越来越高 , 数控 电火花小孔 高速加 工 已成 为 电火 花加工 一个 重要 的研究方 向 。随着 劳 动力 成本 不 断提 高 和 穿 孔 量 不 断上 升 , 为 提 高加 工 精度 、 加工效率和加工质量 , 机床的数控化就显得尤 其迫切和重要。 数控 电火花t J , f L 高速加工设备 中, 数控系统的 软 件开 发是 研 究 的关 键技 术 之一 。本 文分 析 了数控 电火花z J , F L 高速加工机床 的软件功能和任务 , 基 于 “ P CN C” 型开放式数控系统结构 , 以 Wi n d o w s 操 收稿 日期 2 0 1 1 0 90 1 作者简介 张筱云 , 女 ,1 9 5 7年生 ,副教授 、高工 。 一 56一 作系统为平台 , 采用 C. NE T作为软件开发工具 , 开发 了电火 花小 孔 高 速 加 工 机 床 的数 控 系统 软 件 , 并 已应 用于 实 际生产 , 取 得 了 良好 的加 工 效果 。 l 软件任务分析 数控 电火花小孔加工机床的工作原理是利用细 金 属铜 管 电极 旋转 及 向下垂 直 进给 的复 合运 动 对 工件进行放电加 工。电极是空心铜管 , 高压水基从 铜管中间的毛细孔流过进行冷却 和排 屑, 电极与工 件间通过脉冲放 电产生高温蚀除工件达到穿孑 L 的目 的。可用于穿透超硬钢材、 硬质合金 、 铜 、 铝及任何 可导电物体 , 若要达 到特定加工 的尺寸精度和表面 质 量要 求 , 还 须 配置一 些 特殊 的部 件 , 如采 用 高性 能 伺服控制系统 、 数字 自适应脉冲电源 、 高精度放 电状 态检测技术及智能化专家系统等n 。 工 艺 装备 电加工与模具 2 0 1 2 年第1 期 普通 数 控机 床 的 数 控 系统 , 任 务 通 常可 分 为 二 大类 周期性任务和非周期性任务 。但针对一些有 快速响应需求的机床 , 又把任务分为实时任务 和非 实时任务。电火花小孔高速加工机床在加工过程中 对放电间隙和火花状态 的检测要求实时准确 , 对伺 服进给加工要求稳定灵敏 , 属于典型 的具有快速响 应需求 的机床。综合分析其加工工艺、 实时和非实 时任 务 、 周 期 和非周 期 性任务 , 可得 到数 控 电火花 小 孔高速加工机床的任务模块结构图 图 1 。 0 . 1% ; 最 大 插 补 速 度 1 MH z ; I / O 延 时 5 0 0 s左 右 ; 位置管理计数器位数高达 3 2位, 基本满足本设 备的运动控制要求。在 系统 中主要完成的功能是 实现 、 y轴高速插补孔定位 ; 实现 C轴工作 台回 转 , 回转范围为 0 。 ~3 6 0 。 ; 实现 w 轴在立柱上的直 线运动 , 调整导向器与工件之间高度位置, 4根轴均 采用进 口交流伺服电机驱动。该设备根据工艺要求 还 配置 了一 块伺 服控 制 板 , 主要 控 制 主 轴 头 Z 轴 的 工具 电极 和工 件 的放 电间 隙 , 完 成 加 工 中 电极 的 图 1 电火花小孔高 速加 工机床软件任务模块结构 图 2数控硬 件设计 “ P CN C” 型结构 的数控体系属于双 c P u 结构 , 是 一 种 易 于 开 发 的 开 放 式 数 控 系 统 , 自 问世以来 就被很多企业所 采用。这种系统具 有开放性 、 低成本 、 高可靠性 、 软硬件资源丰富 等特点 , 而且还可实现 网络 远程控制 , 目前 己 成为 数 控 系 统 硬 件 结 构 的 主 要 趋 势 ] 。根 据 电火花小孔高速加工机床加工任务 的分析 , 本 设计选用“ P CNC” 型开放式数 控系统结构。 人机 界面 处 理 、 加 工 程 序 编辑 、 加 工 显 示 等 非 实时性任务 由 P C机 软件执行 , 而加工计算和 位置 控制 等实 时性 要 求 较 高 的 任务 由NC 运 动 控 制 卡 中的C P U完成 。 其开放式 数控 系统硬 件体系结构见图 2 。 根据工 业运行环境 的要求 , P C机通 常选 用 工业控制计算 机 , 简称I P C。 NC 的选择直接 决定数控系统的功能和性能 , 取决于设备需求和性 价 比。 目前 在 国 内市 场 使 用 较 多 的 有 美 国 De l t a T a u公 司 、 Oa l i l 公 司 、 英 国 T r i o公 司 、 中 国 固高及 众 为兴等公司的产品。 AD T 一 8 9 4 0 A1卡 是深圳 某 公 司基 于 P C I 总 线 的 高性能四轴伺服控制卡 , 支持即插即用 ; 最大脉冲频 率 2 MHz , 在输出频率很高的时候 , 频率误差小 于 伺服进给 ; 一块 I / 0接 口板 , 主要控制机床 的开关面板 、 电源参数 、 工作液和循环过滤 系统等开关量的输入输出。 3数控软件设计 3 . 1 软件 开发 工具 的选 择 目前数控系统开发工具大多采用 C十 或 VC。但 由于 C代码语法和 文法较晦涩 、 繁琐 , 开发效率较低 , 近几年 随 着 微 软 主 推 的 新 一 代 语 言 C . NE T z 轴驱动器 } Z轴交流伺服电机 I 穿孔伺服加工 放电状态检测 间隙电压检测 图 2开 放 式 数 控 系 统 硬 件 体 系 结 构 的流行 , 选用 C. N E T 作 为 开 放 式 数 控 系统 软 件 开 发工具 已越来 越多 。 C是微软公司专门为 . N E T平 台量身订做 的 全新开发工具 。 . NE T F r a me wo r k中所有 的基类 库 都是 由 C编 写 的 , 用 C编 写代 码 可 被 编译 为 托 管代 码 , 直 接运 行 于公 共语 言 运行 库 C L R 。 因 此 , . N E T对于最终用户来说非常重要 , 可对其进行 一 57 一 z轴伺服扳 二 轴运动控制 电加工与模具 2 0 1 2 年第1 期 工 艺 装备 跨应用程序的集成 。C与 c相比, 在编程时更 简练 、 更安全可靠 , 设计与开发数控系统 比 c或 VC 更 具 优势 , 是未 来 的 阳光 之路 ] 。 3 . 2 数控 系统 软 件架构 在“ P CNC” 型结 构 中, 只需装 入不 同的应 用 软件 , 便可构成不 同类型的 C NC系统 , 具有较好的 通 用性 。本 设 计建 立在 Wi n d o w s系统 操 作 平 台上 , 由于该操作系统的体系结构较庞大 , 实时性差 , 为了 达到数控电火花小孑 L 高速加工机床对实时性要求非 常高的 目的 , 依据 OS E C Op e n s y s t e m e n v i r o n me n t f o r c o n t r o l l e r 开 放式 控 制器 的标 准 规 范 的层次 结构 思想 , 数控系统软 件设计被分 为 3层 , 即硬件驱 动 层 、 功能服务层及应用管理层, 每层软件根据需要实 现 的 功能 , 又划 分 为 各 功 能 子 模块 。这 样 的 软 件架 构 , 无论是控制系统的硬件平 台更换或软件功能升 级 , 只需替换软件系统各层中的相应模块即可 , 使整 个系统便于理解和开发 , 具有较高的灵活性 , 也易于 移植。其开放式数控系统软件体系结构见 图 3 。 \ / 功 能 层 间 放 隙 电 W C X Y R 状 间 脉 轴 轴 轴 轴 轴 1 态 隙 冲 轴 心 位 位 电 } 孔 检 Z 电 向 周 置 鬣 极 0 深 测 伺 源 定 分 定 定 旋 接 度 与 服 控 位 度 位 位 转 口 检 判 控 制 控 控 控 控 控 控 测 断 制 制 制 制 制 制 制 J I _ 一一 一一~一 WL N D O E S 操作系统 c E T 平台 { 、功功能层和设备层通信/ 图 3 开放式数控 系统软件体系结构 最上 层 是 应 用 层 , 在 I P C上 实 现 , 是 整 个 软 件 系统 的核 心部 分 , 整 个 软 件 系 统 的 管 理也 在 这 一 层 实现。主要完成数控系统任务 中非实时任务 , 如加 工程序的编辑和解释译码 , 系统参数、 工艺参数、 功 能模块配置 , 监控与报警 , 用 户操作界面 , 以及与功 能层 和设 备层 通 信等 。 一 5 8一 中 间层 是 功 能层 , 完成 所有 实时 任务 , 包 括 间隙 状 态检 测 、 判 断 ; 放 电间隙伺 服控 制 ; 自动 抬 刀控 制 ; 旋转控制 ; 位置速度检测 ; 轴运动控制 ; 与脉 冲电源 并行数据通信 ; I / 0控制和报警 自检 ; 上下位机数据 与信息传递等。 最底层是设备层 , 主要为硬件的驱动软件 , 是直 接 与硬 件 打交道 的一层 。本 层采 用模 块化 的 设计 思 想 , 不同的芯片或芯片功能被划分为不同的模块 , 每 个 驱动 层模 块 为上 层访 问该 芯 片或芯 片 功能 提供 接 口。包 括主轴伺服系统 、 位置轴定位 、 脉 冲电源控 制 、 放电状态检测 、 I / o接 口驱动等 。 3 . 3人机 界面 软件 设计 数控电火花小孔高速加工机床的人机界面主要 包含程序管理界 面、 数据输入 界面、 交互输 出界面。 本设 计 基于 C. N E T 开 发 环 境 , 人 机 界 面 非 常 易 于 实施 窗体 编程 。只要从 工 具栏 拖拽 想要 的 控件 到 窗体上 , 调整各控件布局相关 的属性 , 再编写各个控 件的事件处理函数 , 在函数中编程完成预期的功能 。 如 响应 B u t t o n . C l i c k事 件 , 当 这个 按 钮 被 点 击 时 即 可执行编程代码 。 设计 界 面 见 图 4 。采 用 中文 操 作 界 面 , 具 有 完 善 的人 机对 话功 能 ; 采用 国际 通 用 的 G代 码 编 写 加 工程序 , 简单易学 , 通用性强 ; 系统可存储上千种工 件 加工 程序 , 可 实 现 最短 路 径 到 达 指 定 的任 意 孔 位 加工 ; 加工过程 中, 出现异常情况 自动报警; 工件加 工 结束 , 有 报警 提 示 ; 显 示 五 轴 实 时 位 置 ; 显 示 采 集 到的工件与工具 电极 间的实时 电压的平 均值 , 以便 观测加 工状 态 ; 显 示 脉 冲 电源 实 际加 工 参 数 设 定 及 机床坐标系设定等系统设定值和加工设定值 。 图 4 数控系统人机界 面 3 . 4 伺 服进 给智 能化 控 制软 件设计 电火花放电过程实质上是 电极 与工件间隙维持 的过程 既有进给又有 回退 , 因此 , 电火花小孔高速 加工机床的伺服进给控制是一个很精细的位置闭环 亘 亘 ; 一 至 亘 工 艺 装备 电加工与模具2 0 1 2 年第1 期 控制 系 统 。间 隙过大 时 , 间 隙介 质 不易 被击 穿 , 有 效 脉 冲放 电率 低 ; 间 隙过 小 时 , 排 屑 困难 , 短路 频 繁 发 生 。只有精心调节伺服进给 , 间隙大小适当, 才能提 高加工效率 、 几何精度及表面粗糙度 。智能化控制 技术为解决复杂过程的控制提供了一条有效途径 , 已 逐 渐成为 电火花加工 领域 中的一个新 的研究 热点 。 设计 中通过智能化控制软件 , 将快速检测到的 采样放 电间隙状态 , 输入可编程芯片 F P G A 内部 高 精度计数器里分析计算并迅速做出反应 , 控制伺服 电机 的进给方向, 提 高伺服进给 的稳定性和加工效 率 , 实现高精度和高质量 , 最终达到放 电伺服进给系 统的高性能控制。这对加工面积小、 深度大的工件 尤 为重 要 。 电火花小 孔 高速 加工 机床 的数 控 系统伺 服 进 给智 能化 控制 流程 见 图 5 。 开始 初始化伺服进给参数 Y 间隙电压采样 间隙电压变化最及变化速度计算 计算结果智能化分析 调整进给速度 方 ] 抬 刀 l 电机正转、间隙加大I I 电机正转、间隙加大 保存当前进给值 图 5伺 服 进 给 智 能 化 控 制 流 程 图 加 工前 首先 要调 整好 工具 电极与 工件 之 间的初 始位置 , 以便尽快进入加工状态。在控制软件里, 先 选择 进 给方 向 , 设 定 加 工 进 给 速 度 、 加 工 行 程 、 抬 起 距离 、 采 样频 率 等参 数 ; 根 据设 定 的运 动 参 数 , 对 进 给机构运动进行控制 。在 加工过程 中, 采集 到的电 压信 号经 计算 机 计 算后 , 判 断 间 隙 电压 变化 量 和 变 化速度 , 进行智能化分析 , 给定伺服进给机构运动的 方向。采集、 计算、 判断的时间很短 , 而进给速度相 对较低 , 不会对电极和工具造成大的影响。 3 . 5 设 备驱 动 程序 的设 计与 调用 Wi n d o ws 2 0 0 0 / XP操作系统 中, 为保证系统 的 安全性和可移植性 , 不支持直接对系统 硬件资源 的 操作 , 只允许 核 心态程 序 运行 于 内核模 式 的 系统级 代码 直接控制硬件。因此 , 在数控系统的开发 中要 进行底层硬件操作 , 就必须通过设备驱 动程序来实 现。设备驱动程序既是硬件的灵魂 , 又是硬件和系 统之 间 的桥梁 , 运 行 在 应用 态 的用 户 应 用程 序可 通 过驱 动程 序来 访 问设备 。 对 于不 同 的开 发工 具 和 语 言环 境 , 设 备 驱 动解 决的方案也各不相 同, 一般有 3种 ① 设备本身提 供基于 . NE T的控件或模块 ; ② 利用设备提供的动 态链接库 D L L ; ③ 设备提供的 L I B。由于设计 中 使用 的 C语 言 不 是 为底 层 开发 设 计 的语 言 , 底 层 和设备驱动通常用 C / C编程 , 生成非托管 DL L, 在 C中实现非托管调用 。 通常 , 运动控制卡都配有开放的函数库供用户 根据 实 际需 要 自行 开 发, 构造 所 需 的控 制 系统。 A D T 一 8 9 4 0 A1 卡带有支持多种语言软件调用的板卡 函数 库 , 为 了简便 、 快捷 地 开 发 出通 用性 好 、 可扩 展 性强 、 维 护方便 的应用 系统 软件 , 在控 制卡 函数 库 的 基础上 , 根据运行 的相关特性和功能, 将提供给 VC 软件 调用 的函数用 VC. NE T进 行 再封装 , 以引 用 的 方式 添加 到 C. NE T环 境 下 , 只要 调 用 不 同 函数 、 改变函数中的参数 , 就可完成不同的功能 , 如板卡初 始化 、 二轴插补、 对中心等。AD T 一 8 9 4 0 A1卡配套的 8 9 4 0 Al m. d l l 和 8 9 4 0 Al m. 1 i b文 件在 执 行 过程 中必 须位 于 程序 当前 目录 或系 统定 义的查 询路 径 中 。 4 系统功能 与应用 本设计已成功应用于数控电火花小孔高速加工 机床 。具 有代 表性 的加 工 是在一 个镍 合金 材料 的 圆 盘 上进 行精 密群孑 L 加工 , 该 零件 用 于航空航 天行 业 。 圆盘 直径 为 3 0 0 mm, 加工 2 4 0个直 径 0 . 2 mm 的喷 火孔 , 深 度为 3 5 mm, 且有 1 5 。 左 右 的斜度 。加工 效 率、 尺寸精度及表面粗糙度均符合用户要求 。 5 结语 在数控系统中, 控制系统软件的优劣直接关系到 数控系统功能的好坏。只有合理地设计与硬件相匹 配的应用软件, 才能使数控系统的硬件功能得到充分 发挥。采用流行 的 C. N E T作为软件开发工具, 在 编程时直接利用组件进行编程 , 开发数控系统应用程 序, 大大提高了编程效率, 易于软件的更新和升级。 参考 文 献 [ 1 ] 刘晋 春.特种加工[ M] .5版.北京 机械工业出版社 , 2 0 0 8 . 下转第 6 2页 一 5 9 电加工与模具 2 0 1 2 年第 1 期 工 艺 装 备 模具材质为 S T K一 1 1 , 淬火硬度为 5 9 ~6 1 H RC 。 2 . 2 . 2 模 条移 动部 分 的结构 设计 对于模 条移动装 置 , 由于采用 了两个 模条分 别 注 塑 , 所 以设置 了两 个 工位 。一 号模 条 在 注 塑时 , 二 号 模条 可进行耳 机插 头 的装 入 工作 , 这 样 可优 化 工序 , 提高生产效率。模条要实现在下模 中的准确定位 , 需 要有 3 个 方 向的运动 , 分别 为左右 、 前后 及上下 。 对 于执 行 元 件 , 由于 工 厂在 注 塑 机 周 围布 置 了 压缩空气管道 , 而本套装置所需 的驱动力不大 , 故可 直接采用气缸作为执行元件。每个气缸配置两个磁 性开关 , 用于检测气缸 的运动位置 , 方便后续 电路部 分的控制。为实现模 条运动 的平稳与准确定位, 在 每个气缸上均安装油压缓冲器 , 并使用导轨滑块 , 降 低装 置运 行 时 的阻力 , 同时也起 导 向作 用 。 模条移动机构共有 5个气缸 , 用于控制两个模 条的左右 、 升 降、 前后动作。其 中, 横移缸控制两个 模条 同时左右运功, 升降缸控制模条的上下运动 , 进 退缸控制模条的前后运动 , 这样能使模条正确地运 动到与模具对应的位置。 2 . 2 . 3 耳机 插头 注 塑 自动 化装 置整 体 效果 经 运 动模 拟 和 干 涉检 测 证 明 , 耳 机 插 头 注 塑 自 动化 装置 的三维 模 型 装 置 运 动 正 常 、 流 畅 。 图 7是 经加工 、 组装后的装置实物 图。 图 7 自动 化 装 置 实 物 图 2 . 3电路 及 控制 系统 电路 系 统 的开发 主要 是 针对 直 线 运 动 机 构 , 在 机构 工作 时 , 运用 多个 双作 用气 缸 , 使模 条 和线 梳按 给定 的路径 循 环 动 作 。通 过 分 析 运 动 要 求 、 注 塑 机 通 信 和检 测气 缸运 动位 置 的研 究 , 得 出设 备 共需 3 5 个输 出点 和 输 入 点 。考 虑 到 注 塑 用 设 备 的工 作 环 境 , 本系统采用单片机作为控制核心 。图 8是基于 单 片 机 的硬件 控制 结构 图。 PO 地址 总线 外部位置 单 或注塑机 信号 急 停中断} 片 读 机 写 P O - q r Pl 驱动 信号 _ _ ] P2 显示 数据 L _ 苎 图 8 基 于单片机的硬件控制结构 图 3 结果分 析 参考文献 [ 1 ] 王 田苗 .工业机 器人 发展思 考 [ J ] .机 器人技 术与 应用 , 2 0 0 4 通 过在 现 场 进 行 的 生产 试 运行 发现 , 注塑 过 程 中设备运行稳定。使 用本套 自动化设备 , 将插拔模 具和理线等准备时间 由7 s 缩短到 2 s , 且由单工位 一 模两件作业拓展到双工位一模六件 同时作业 , 由 此能在保证成 品率不低于 9 8%的条件下 , 显著提高 该耳机插头注塑生产效率达 2 1 6%, 同时降低工人 的劳动强度 。这种多 功能复合模具 注塑 自动 化机 构 , 不仅适用于插头类带线产品高效率、 优质的 自动 化注 塑生 产 , 而且 适 用 于 带 刚性 金 属 镶 嵌 件 与 软 质 线材的复合材料产 品的注塑成形 , 具有广阔的应用 前 景 。 一 6 2一 上接 第 5 9页 [ 2 ] 赵万生 .先进 电火花 加工技 术 [ M] .北 京 国防工业 出版 社 , 2 0 0 3. [ 3 ] 谷 安, 刘正埙 .电火花成型机数控系统的研究[ J ] . 南京航 空航 天大学学报 , 2 0 0 2 , 3 4 4 3 4 63 4 9 . [ 4 ] S c h i l d t H. C完全手册 [ M] .朱德爽 , 胡凤燕 , 胡复 明, 等, 译 . 北京 电子工业 出版社 , 2 0 0 2 . [ 5 ] 苏学满 .基于 C NE T开放 式数控 系统 的研 究与 开发 [ D] . 合肥 合肥工业大学 , 2 0 0 7 . [ 6 ] 张成 新 , 赵 玉 刚 , 周 海 安 .Wi n d o w s 2 0 0 0 / X P 下 P C L总 线 WD M 设备驱动程序 的开发[ J ] .山东 理工 大学学 报 自然科 学版 , 2 0 0 6 , 2 0 4 8 1 8 4 .
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