基于PIC單片機的WEDM-HS電極絲節能加工技術研究

楊 奕 高 毅 范 念 余曉永

(貴陽學院機電系 貴州 貴陽 550005)

高速走絲電火花錢切割機床（以下簡稱WEDM-HS），其高頻脈沖電源供電一極接工件，另一極接電極絲，工作時電極之間的火花放點蝕除金屬，就能夠依靠連續不斷的脈沖放電切割出加工所需尺寸和形狀。對于WEDM-HS而言，電極絲損耗是一項評估機床加工質量和加工效率的重要指標。如果要降低電極絲的損耗，就必須對WEDM-HS脈沖電源的輸出電流質量進行調整，以期減少電極絲放電過程中對正離子對電極絲的影響作用，從而達到減少電極絲的非正常損耗，并提高WEDM-HS連續加工能力的目的[1]。

因WEDM-HS電源主要為晶體管構成的，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，中途不能轉換規整。但是從實際加工的情況來看，電極絲在加工的過程中，因為電源輸出的波形脈寬脈間不可調、前后沿不陡峭等問題，往往會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單片機為主要處理部件，利用其PWM工作模式配合單片機外部中斷功能來實現滿足設計要求的波形輸出，藉此解決提WEDM-HS工作效率和減少極絲斷絲等關鍵問題。

1 設計思路

針對傳統晶體管電流的缺點，本文采用了PIC單片機來對其進行改進，以期實現電路結構簡單、輸出電流波形規整、脈寬脈間較寬且數字可調。在設計的過程中，考慮到WEDMHS現有的操作面板和程序使用習慣等，根據PIC單片機數字化的特點，利用其CCP1和CCP2管腳觸發的特點，對PWM工作模式進行了設定，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，能夠進行輸出頻率信號的合理調整和有序變化。

在設計中，本文是按照下列步驟來實現設置PWM信號調制的。

第一步：設定 PWM 周期。PWM 周期=[（PR2）+1]·4·Tosc·（TMR2 預分頻比）。

Tosc為單片機時鐘振蕩周期，本設計采用4MHz晶體振蕩器，故Tosc=0.25us為一固定值，TMR2預分頻比在本文中設為1：4，因此，在設定或者調整PWM周期時，唯一需要確定的參數即為PR2，通過程序向周期寄存器PR2寫入特定值就可達到調整周期的目的。

第二步：當前周期下根據占空比對脈寬進行設定。

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

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。

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

如圖1所示，本文用單片機PIC16F877來改進主控電路，實現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，單片機對8/3編碼器的輸出信號進行判讀，從而知道是哪個按鍵按下，立即進行相應的處理。

圖1 主控電路圖

2 波形測試

在實驗室測量改進電路輸出的參數和波形，經過分析、驗證后，接入到電火花線切割機床脈沖電源，調節輸出電流波形的脈寬和脈間，進行各類常見工件的切割實驗，以驗證改進電路的正確性。表1為實驗室測得輸出電流波形數據。

表1 實驗數據

實驗數據表明，輸出電流波形的最大脈寬調節范圍能從248.0us至12us，這個時候的占空比控制在23.1%～25%；最小脈寬的調節范圍為96.0us至4.00us，占空比則在7.7%～10.0%范圍內變化。從輸出的電流波形來看，通過該改進電路獲到輸出的控制信號穩定、波形振動小，前后沿陡峭，并可以實現對脈間脈寬數字調節特別是前后沿的靈活控制。我們測試信號的脈沖寬度最小為4.00us，最大為248us；脈沖間隔是在脈沖寬度的基礎上按占空比來設定的[2]。

3 切割實驗

在上述設計、實驗完成后，將電路接入到DK7725快走絲數控電火花線切割機床中去，做切割實驗，驗證是否能夠達到減少極絲損耗和提高加工效率的要求。

切割實驗采用福斯特DK7725的快走絲數控電火花線切割機床及配套控制柜，DX-1乳化皂，光明牌極絲直徑φ0.18mm，切割材料為Cr12。每次加工時盡量保證電極絲、工作液、運絲速度都保持一致，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，結果如表2所示。

表2 切割實驗結果

從表2中對40mm、90mm和250mm鉻鋼的切割情況表明，一共對三種不同厚度的工件，分別作了四組切割實驗。對厚度為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為在機床中調試該電源過程中，進行的各類常規件加工實物（非標件）。

圖3 部分工件

4 總結

上述實驗結果表明，本文對高速走私電火花線切割機床脈沖電源的改進設計，使得其輸出電流的脈寬脈間較大并符合實際加工要求，減少了因輸出電流不規整而造成的電極絲非正常損耗，提高了機床連續加工的能力。通過在線切割機床中實際使用情況來看，改進后的電源工作性能穩定性也較之前大有提高。

［1］彭樹生，莊志洪，趙惠昌.PIC單片機原理及應用[M].機械出版社，2001，1，1：224-226.

［2］高毅.基于電火花線切割機床脈沖電源的主控電路改進研究[J].貴陽學院學報：自然科學版，2009（4）.