基于Windows XP的高性能中走絲線切割數控系統

黃水利,周 揚

(北京凝華科技有限公司,北京102308)

往復走絲電火花線切割機床作為我國具有自主知識產權的獨創設備,自誕生至今,已在制造業中發揮了巨大作用。隨著汽車、家電、電子、軍工、航空航天、船舶等制造領域的發展,數控電火花線切割機床的性能也面臨著巨大挑戰。如何提高切割效率、改善表面粗糙度、增強設備的可靠性、提升客戶作用的便利性、節省用戶的使用成本,將成為制造企業努力追求的目標。而作為數控機床不可或缺的數控系統,始終是繞不過去的一個關鍵技術。

本公司在多年生產往復走絲線切割機床的基礎上,于2004年開始研制行業俗稱的“中走絲線切割機床”,絲速可調、進三退二、多次切割等技術相繼成熟,并成功應用于產品上。近年來,隨著對計算機技術、控制技術和Windows XP軟件編程技術的深入研究,結合對客戶需求的深入分析和總結,公司在綜合技術資源和用戶需求的基礎上,潛心研制出新一代基于Windows XP的高性能中走絲線切割機床數控系統——NH9W線切割數控系統。

1 功能簡介

NH9W電火花線切割數控系統采用嵌入式計算機技術,軌跡跟蹤數控技術,自適應脈沖電源技術,為電火花線切割機床提供完備高效能和高精度的控制。其主要功能和特點有:

(1)配置Windows XP操作平臺,為操作人員提供明晰的生產過程監測窗口、參數設置窗口、程序代碼修改編輯窗口、機床調試和校準窗口及其他輔助功能窗口。過程監測窗口提供數字位置指示和圖形跟蹤兩種過程檢測方式。

(2)配置內置的數字控制單元,實現4個數控軸的位置運動控制,插補采用DDA算法,精插補采用專用硬件芯片實現,I/O接口采用完全的光電隔離,該單元具有兩軸插補、復合重點找正(兩個平面坐標的原點重合)、自動對中、根據放電間隙自動調整進給速度及短路自動回退功能。

(3)實現工件坐標和走絲上端平面坐標兩組雙軸數控系統的聯動控制,切割過程采用軌跡跟蹤方式,控制精度達0.001 mm。

(4)配置局域網絡接口,建立外部計算機與機床、機床與機床之間的程序傳送能力,其標準代碼為ISO-G代碼,兼容傳統3B代碼。

(5)配置內置的過程監測控制單元,實現機床工作過程的狀態檢測和動作控制,I/O接口采用完全的光電隔離,該單元具有放電間隙檢測、斷絲檢測、絲筒調速換向和動作控制、高頻電源控制、水泵控制及其他輔助功能控制等功能。

(6)有1 μ m的光柵輸入接口,并具備光柵(螺矩)補償功能,是構成全閉環數控機床的核心技術。

(7)配置Windows XP設計平臺,可借助第三方圖形設計編程軟件,實現工件的圖形輸入,自動完成加工程序的編制,即本系統有3種輸入方式:一是象直線、圓弧等簡單的指令編碼;二是在本機繪制圖形;三是從局域網讀入G或3B代碼或圖形。

(8)優化配置了大功率電源處理單元,給脈沖電源提供優良的能源,提高系統穩定性,為單個脈沖能量均一化提供保證。

(9)結構合理布局,各單元采用模塊化結構,弱化對使用環境或溫度的要求,優化制作工藝,提高可靠性和一致性。

(10)智能工藝數據庫。根據材料厚度及加工目標要求,自動生成加工工藝參數,方便操作,降低了對操作人員技術水平的信賴程度。

2 硬件的組成框架

(1)NH9W數控系統的硬件主要由嵌入式工業計算機、運動控制器和脈沖電源發生器組成(圖1)。嵌入式工業計算機完成上位計算功能,人機界面操作與顯示;運動控制器通過并行總線與計算機連接,實現高速信息交換,而計算機以鑲嵌的方式安裝在運動控制器主板上,形成一體化結構,完成數控和過程控制功能及必要的I/O接口;脈沖電源發生器則通過RS232串口通訊與計算機相連,接受來自上位機的脈沖指令,根據指令進行開關脈沖和輸出基礎的脈沖序列和電流控制,并檢測極間放電狀態,綜合放電狀態對基礎脈沖進行適應調整。

圖1 數控系統硬件框圖

(2)嵌入式工業計算機采用一體化結構,單板集成全系統。該主機板以OEM的方式由專業廠家制作,保密性強,配套外部存儲器采用筆記本專用電腦硬盤,提供標準 CRT/LCD顯示器接口,10/100 Mbps網絡接口,2個RS232/485串行通訊接口,兩個USB接口,PS/2鍵盤和鼠標接口。

(3)運動控制器是一臺具有獨立CPU的智能控制器,采用32位120 M主頻工業控制器作為中央處理器,數控插補部分采用FPGA大規模現場可編程邏輯器件。運動控制器采用單板化結構,作為前端控制器的同時還作為系統的主板,為整個系統提供直流穩壓電源、總線連接和安裝支撐。配置五軸CNC(一路預留)、4路模擬量輸入、16路開關量輸出、20路開關量輸入、光柵接口及手持盒接口等。

(4)脈沖電源發生器也是一臺具有獨立CPU的控制器,采用ARM作為中央處理器,FPGA產生脈沖,間隙檢測采用高速專用芯片,間隙檢測信息一方面用以自適應調整脈沖參數,一方面提供給運動控制器作為進給依據。

(5)作為已有將近20年歷史的電加工設備專業生產廠家,公司在脈沖電源方面有獨到的經驗,無論是電火花成形機、線切割機或穿孔機,在針對其不同的應用上,在放電脈沖功率單元設計與制作工藝上都有著深刻的理解。在本系統中,脈沖發生放大、檢測技術都有了新的提高,二者互為補充,相得益彰,為NH9W數控系統提高放電工藝性能奠定了良好的基礎。

3 核心軟件

在NH9W數控系統中,上位機嵌入式工業計算機主要實現人機交互、程序編輯、譯碼、工藝數據庫管理、圖形處理、網絡通信等功能,并通過總線控制運動控制器和脈沖發生器。

3.1 工藝專家數據庫

運行于Windows XP操作系統上的NH9W數控系統,具有足夠大的運算空間和速度,在系統中可方便地建立起可查詢的工藝數據庫。一方面,在本公司大量工藝經驗的積累下,建立起符合實際加工的數據;另一方面,通過理論建模,為客戶拓展加工范圍預留了相應的接口。用戶可把自己認為理想的工藝數據儲存起來供今后調用,同時也可通過輸入“材料”、“厚度”、“效率”或“表面粗糙度”優先選擇等,由計算機進行模糊計算,提供最恰當的加工參數,包括可在表面粗糙度優先的時候,給出多次切割的收縮量和對應的參數值。

3.2 間隙檢測

放電間隙檢測是通過連接在工件與鉬絲電機上的信號線采集的。通常的間隙檢測是經過分壓、濾波后再經過壓頻轉換,控制伺服的進給和速度。脈沖電源幾乎是開環形式的,在本系統中,采用的是對間隙放電脈沖的數字檢測。一般而言,放電脈沖有開路(擊穿延時)、正常放電、產生短路、短路等特征信號量。在本設計中,以 n個脈沖取樣,針對幾個脈沖在存儲器中采用FIFO方式,把脈沖歸類定義計個數開路 nk、正常放電 nd、高阻 nI、短路預短路ns,n=nk+nI+nd+ns,再取其不同的比率開路率ηk=nk/n 、高阻率 ηI=nI/n 、放電率 ηd=nd/n 、短路率 ηs=ns/n,根據多種比率的組合,建立不同的控制策略,采用數字PID調節,以最大限度地提升采樣跟蹤效能。經反復調整參數和大量工藝加工試驗,達到了良好的跟蹤效果,改善了間隙狀態,極大地提升了脈沖利用率。

3.3 位置補償

在開環的步進電機控制系統中,高精度的跳步模是不可想象的,即使在閉環或半閉環的伺服電機控制系統中,要想實現高的定位精度,對絲杠或光柵尺提出的要求也較苛刻。因此,位置補償成為提高定位精度和降低成本的必要手段。

用激光干涉儀通過對螺距或光柵尺(全閉環,光柵尺精度也同樣需要補償)進行實際測量,得到運動軸全程的誤差分布曲線。誤差有正有負,當誤差為正時,表明實際移動距離大于理論的移動距離,則在此扣除進給脈沖指令,使電機以少進一步的方式進行誤差補償;當誤差為負時,表明實際的移動距離小于理論的移動距離,則采取增加脈沖指令,使電機以多進一步的方式進行誤差補償。

4 使用效果

(1)多任務功能。在加工過程中,切換到編程界面或網絡界面,進行新圖繪制或從網絡上收發文件。

(2)跳步模精度。圖2是4個外切r=12 mm的圓的八方內腔,切割順序為:1、2、3、4。加工前預先打好穿絲孔。4個內腔的幾何精度為0.008～0.010 mm,XY方向的跳步定位精度為0.010～0.012 mm。

圖2 跳步模精度示意圖

(3)多次切割表面粗糙度。對40 mm厚的Cr12鋼工件進行 3次切割,表面粗糙度值約為Ra1.2 μ m,表面均勻、無換向條紋;4次切割的表面粗糙度值為 Ra 0.8～0.9 μ m。

(4)一次切割效率。采用直徑0.18 mm的鉬絲,對60 mm厚的45鋼進行切割,最大切割效率＞256 mm2/min。

(5)大面積切割。采用直徑0.18 mm的鉬絲,對60 mm厚的45鋼進行切割,平均切割效率為130 mm2/min,連續切割260 000 mm2,鉬絲損耗0.02 mm。

5 結束語

NH9W的界面設計更加人性化,方便了控制系統的學習和操作培訓,可方便地與控制中心或其他機床聯網;高速采樣電路實現了單個脈沖放電的數字采樣,并通過對不同狀態的脈沖率統計分析,實現了自適應的脈沖調節和伺服控制;通過位置補償,為高精度的跳步模加工打下基礎;更有諸如手持盒、工藝庫等,為操作者提供了最大的便利性。

基于WindowsXP的高性能中走絲線切割數控系統NH9W,充分發揮了現代計算機技術、高速電子器件技術、高速數字信息處理技術、伺服與插補控制技術的作用,結合放電加工工藝和機床的傳動,進行了綜合研制,全方位地提升了產品的可操作性、加工工藝性、系統可靠性及可維護性,具有廣闊的市場前景和應用價值,必將為我國的制造業做出更大貢獻。