基于PIC單片機(jī)的WEDM-HS電極絲節(jié)能加工技術(shù)研究

楊 奕 高 毅 范 念 余曉永

(貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)電系 貴州 貴陽(yáng) 550005)

高速走絲電火花錢(qián)切割機(jī)床（以下簡(jiǎn)稱WEDM-HS），其高頻脈沖電源供電一極接工件，另一極接電極絲，工作時(shí)電極之間的火花放點(diǎn)蝕除金屬，就能夠依靠連續(xù)不斷的脈沖放電切割出加工所需尺寸和形狀。對(duì)于WEDM-HS而言，電極絲損耗是一項(xiàng)評(píng)估機(jī)床加工質(zhì)量和加工效率的重要指標(biāo)。如果要降低電極絲的損耗，就必須對(duì)WEDM-HS脈沖電源的輸出電流質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，以期減少電極絲放電過(guò)程中對(duì)正離子對(duì)電極絲的影響作用，從而達(dá)到減少電極絲的非正常損耗，并提高WEDM-HS連續(xù)加工能力的目的[1]。

因WEDM-HS電源主要為晶體管構(gòu)成的，輸出的電流較小，脈沖寬度較窄，一般采用電源的正極接工件，負(fù)極接電極絲，所以電火花線切割加工是一次成型加工，中途不能轉(zhuǎn)換規(guī)整。但是從實(shí)際加工的情況來(lái)看，電極絲在加工的過(guò)程中，因?yàn)殡娫摧敵龅牟ㄐ蚊}寬脈間不可調(diào)、前后沿不陡峭等問(wèn)題，往往會(huì)造成電極絲非正常斷絲，降低WEDM-HS的加工效率。因此，本文采用PIC16F877單片機(jī)為主要處理部件，利用其PWM工作模式配合單片機(jī)外部中斷功能來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求的波形輸出，藉此解決提WEDM-HS工作效率和減少極絲斷絲等關(guān)鍵問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)傳統(tǒng)晶體管電流的缺點(diǎn)，本文采用了PIC單片機(jī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電流波形規(guī)整、脈寬脈間較寬且數(shù)字可調(diào)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到WEDMHS現(xiàn)有的操作面板和程序使用習(xí)慣等，根據(jù)PIC單片機(jī)數(shù)字化的特點(diǎn)，利用其CCP1和CCP2管腳觸發(fā)的特點(diǎn)，對(duì)PWM工作模式進(jìn)行了設(shè)定，使得很方便的從CCP引腳上獲得不同占空比寬度的矩形脈沖信號(hào)，能夠進(jìn)行輸出頻率信號(hào)的合理調(diào)整和有序變化。

在設(shè)計(jì)中，本文是按照下列步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)置PWM信號(hào)調(diào)制的。

第一步：設(shè)定 PWM 周期。PWM 周期=[（PR2）+1]·4·Tosc·（TMR2 預(yù)分頻比）。

Tosc為單片機(jī)時(shí)鐘振蕩周期，本設(shè)計(jì)采用4MHz晶體振蕩器，故Tosc=0.25us為一固定值，TMR2預(yù)分頻比在本文中設(shè)為1：4，因此，在設(shè)定或者調(diào)整PWM周期時(shí)，唯一需要確定的參數(shù)即為PR2，通過(guò)程序向周期寄存器PR2寫(xiě)入特定值就可達(dá)到調(diào)整周期的目的。

第二步：當(dāng)前周期下根據(jù)占空比對(duì)脈寬進(jìn)行設(shè)定。

PWM脈寬=[CCPR1L：CCP1CON＜5：4＞]·Tosc·（TMR2 預(yù)分頻比）

用變量（1/n）表示高電平占空比，則有：

PWM脈寬/周期=（1/n）=[CCPR1L：CCP1CON ＜5：4＞ ]/（[（PR2）+1]·4）

所以：[CCPR1L：CCPR2CON＜5：4＞]=[（PR2）+1]·4/n

PWM脈寬的值完全由 [CCPR1L：CCP1CON<5：4>]這10位值確定。

為了設(shè)定的方便，本文將低2位CCP1CON<5：4>直接設(shè)定為<0：0>，這樣只需設(shè)定高8位CCPR1L就可完成對(duì)脈寬的設(shè)定和調(diào)整。在設(shè)定過(guò)程中將4[(PR2)+1]/n得到的10位值按二進(jìn)制右移2位即可得到CCPR1L的8位設(shè)定值。

如圖1所示，本文用單片機(jī)PIC16F877來(lái)改進(jìn)主控電路，實(shí)現(xiàn)PWM波形的輸出，按鍵S7，S6分別用于增加/減小PWM周期，按鍵S5，S4分別用于增加/減小PWM脈寬。將此按鍵電路與8/3編碼器配合，單片機(jī)對(duì)8/3編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行判讀，從而知道是哪個(gè)按鍵按下，立即進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖1 主控電路圖

2 波形測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量改進(jìn)電路輸出的參數(shù)和波形，經(jīng)過(guò)分析、驗(yàn)證后，接入到電火花線切割機(jī)床脈沖電源，調(diào)節(jié)輸出電流波形的脈寬和脈間，進(jìn)行各類常見(jiàn)工件的切割實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證改進(jìn)電路的正確性。表1為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得輸出電流波形數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，輸出電流波形的最大脈寬調(diào)節(jié)范圍能從248.0us至12us，這個(gè)時(shí)候的占空比控制在23.1%～25%；最小脈寬的調(diào)節(jié)范圍為96.0us至4.00us，占空比則在7.7%～10.0%范圍內(nèi)變化。從輸出的電流波形來(lái)看，通過(guò)該改進(jìn)電路獲到輸出的控制信號(hào)穩(wěn)定、波形振動(dòng)小，前后沿陡峭，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈間脈寬數(shù)字調(diào)節(jié)特別是前后沿的靈活控制。我們測(cè)試信號(hào)的脈沖寬度最小為4.00us，最大為248us；脈沖間隔是在脈沖寬度的基礎(chǔ)上按占空比來(lái)設(shè)定的[2]。

3 切割實(shí)驗(yàn)

在上述設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)完成后，將電路接入到DK7725快走絲數(shù)控電火花線切割機(jī)床中去，做切割實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證是否能夠達(dá)到減少極絲損耗和提高加工效率的要求。

切割實(shí)驗(yàn)采用福斯特DK7725的快走絲數(shù)控電火花線切割機(jī)床及配套控制柜，DX-1乳化皂，光明牌極絲直徑φ0.18mm，切割材料為Cr12。每次加工時(shí)盡量保證電極絲、工作液、運(yùn)絲速度都保持一致，電極絲寬度200mm，絲速8m/s。取40mm、90mm、250mm三種厚度的工件切割加工，結(jié)果如表2所示。

表2 切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2中對(duì)40mm、90mm和250mm鉻鋼的切割情況表明，一共對(duì)三種不同厚度的工件，分別作了四組切割實(shí)驗(yàn)。對(duì)厚度為40mm的工件，加工效率控制在 51.5～53.4mm2/min，電極絲損耗控制在 21751～22773mm2/0.01mm；對(duì)厚度為90mm的工件，加工效率控制在66.0～70.3mm2/min， 電極絲損 耗 控 制在 22104～24080mm2/0.01mm；對(duì)厚度為250mm的工件，加工效率控制在41.4～47.2mm2/min，電極絲損耗控制在23542～24775mm2/0.01mm。

圖3為在機(jī)床中調(diào)試該電源過(guò)程中，進(jìn)行的各類常規(guī)件加工實(shí)物（非標(biāo)件）。

圖3 部分工件

4 總結(jié)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文對(duì)高速走私電火花線切割機(jī)床脈沖電源的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得其輸出電流的脈寬脈間較大并符合實(shí)際加工要求，減少了因輸出電流不規(guī)整而造成的電極絲非正常損耗，提高了機(jī)床連續(xù)加工的能力。通過(guò)在線切割機(jī)床中實(shí)際使用情況來(lái)看，改進(jìn)后的電源工作性能穩(wěn)定性也較之前大有提高。

［1］彭樹(shù)生，莊志洪，趙惠昌.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械出版社，2001，1，1：224-226.

［2］高毅.基于電火花線切割機(jī)床脈沖電源的主控電路改進(jìn)研究[J].貴陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（4）.