MS-WEDM工作液智能控制系統裝置研制

郭翠霞 ，劉 康 ，謝文玲 ，楊大志 ，張宏志

（1.四川理工學院，自貢 643000；2.人工智能四川省重點實驗室，自貢 643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，自貢 643000）

多次切割技術在我國高速走絲電火花線切割機床已成功地運用，以低的成本改善了切割加工表面的精度和質量[1]。多次切割技術[2]對工件實施多次切割，即第一次高速切割成形；第二次精修，保證加工尺寸精度；第三次及以上拋磨修光，提高工件表面質量，俗稱“中走絲電火花線切割機床”。但是，現MS-WEDM仍存在切割精度忽高忽低、保持性差等缺陷，其主要影響因素有電極絲換向、振動引起電極絲空間位置發生變化、工作液性能發生變化等，它們嚴重影響了加工放電效果[3-5]。結合高速走絲電火花線切割機床（具有多次切割功能）加工特點，在大量、相關研究的基礎上，研制出一套適合我國MSWEDM工作液的智能控制系統，其加工穩定性得到提高，它的研制具有實際應用意義。

1 裝置的結構與功能

工作液控制裝置結構示意如圖1所示，裝置由1個自吸水泵、1個過濾器、1個球閥和6個電磁水閥（電磁水閥帶單向功能）以及2個儲液箱（分別是粗加工液箱和精加工液箱）組成。工作液通過進液電磁閥（9或10），流經過濾器13至自吸水泵1，從自吸水泵1流出的工作液有一部分經過泄壓回路（球閥3、泄壓電磁閥7和泄壓電磁閥8）回流到對應的工作箱中，另一部分經過工作液電導率采集器和上、下絲臂供液管流到工作臺液槽上參與電火花放電加工，工作液最終經過回液電磁閥（5或6）回到對應的工作液儲液箱中。

圖1 控制裝置結構示意Fig.1 Structure of control device

工作液智能控制系統在接通電源后，首先進行開機自檢，即區分出具體的粗工作液箱和精工作液箱。其具體控制流程為

1）自吸水泵1啟動，進液電磁閥10、泄壓電磁閥8和回液電磁閥6開，工作液電導率采集器2開始采集儲液箱12的電導率信號，經過A/D轉換后，發送至單片機計算并保存。

2）自吸水泵1保持工作狀態，在相繼關閉進液電磁閥10、泄壓電磁閥8和回液電磁閥6的同時，進液電磁閥9、泄壓電磁閥7和回液電磁閥5也相應的開啟，此時電導率采集裝置2開始采集儲液箱11的電導率，將此信號發送至單片機，并與之前儲液箱12的電導率進行比較，從而區分出具體的粗、精工作液箱。

3）完成開機自檢后，控制系統關閉自吸水泵1及所有的電磁閥，系統待機，等待接收機床加工信號。系統一旦檢測到機床的加工信號，如機床開始粗加工，系統就會接收到粗加工信號，使粗加工工作液的供給、泄壓和回液管路相應的電磁閥打開；如機床半精或精加工時，系統就會接收到相應的信號，并立即關閉粗加工工作液的相應供給、泄壓和回液管路的電磁閥，打開精加工工作液供給、泄壓和回液管路的電磁閥。控制系統能夠滿足在第一次切割時提供粗加工工作液，第二次及以上切割時提供精加工工作液的加工要求，同時提高了工作液的使用壽命。

4）控制系統能夠實時監測工作液電導率值。一旦工作液電導率超過其設定值，系統在保證不影響機床正常加工的狀態下，發出相應的報警信號，提醒操作人員更換粗工作液箱的工作液。

整個工作液智能控制系統設計采用模塊化思想。硬件系統以單片機為控制核心，設計有電源模塊、信號采集模塊、控制模塊和執行模塊。軟件系統程序包括各模塊初始化程序、A/D模塊TLC2543轉換程序設計、溫度傳感器程序、串口屏顯示程序、自動換擋檢測程序、電磁閥程序、中斷信號程序和串口上位機程序等。各軟件系統模塊分別用C51語言編寫、編譯和調試，運用主控程序Main（）來調用各模塊程序，從而完成對整個裝置的控制。

2 硬件電路設計

圖2 硬件設計方案Fig.2 Design scheme of hardware

工作液智能控制系統硬件電路框架如圖2所示。系統由信號輸入回路、單片機和執行元件三部分構成。輸入回路包括工作液電導率信號采集電路，機床控制柜發出的工作液粗、精加工轉換信號和工作液控制系統啟動信號；控制芯片為STC89C58RD+；執行元件包括報警裝置、繼電器、電磁閥和水泵等。該裝置器件的選擇主要參考與單片機兼容、可控制的原則。

系統首先開機自檢，自動判別具體的粗、精工作液箱。自檢完畢，控制系統處于待機狀態，等待機床加工信號。當機床發出加工信號時，控制系統立即啟動水泵，并根據機床的加工狀態，開啟相應的電磁閥，同時對工作液電導率進行實時采集。工作液的電導率一旦超過設定值，則蜂鳴器報警，液晶顯示相應的警示符號。此時，系統仍會保持工作液供給，不會影響正常加工。待機床完成加工后，工作液控制系統自動關閉水泵及相應電磁閥。

2.1 工作液電導率信號采集器

工作液導電性是靠離子的遷移來完成的。電導率的檢測受到溫度、電極常數和交流頻率等因素的影響。為了能精確測量工作液電導率值，減小極化效應、電容效應、溫度效應和“漏電壓”干擾帶來測量誤差，系統采用測量線性度較好的分壓法對工作液電導率測量。電導率傳感器采用電極常數K=10的兩極式鉑黑電極，基材為玻璃，外殼為不銹鋼，測量范圍為10~20000 μs/cm，具有防水、抗污染能力強的優點。電極驅動電壓為±5 V的方波，其頻率為1000 Hz。工作液電導率采集器由驅動電壓發生電路、電導率電極接線電路、變量程電路、信號放大調理電路、基準穩壓電路、A/D轉換電路、溫度傳感器電路和單片機等組成。

2.2 控制芯片和電源

控制芯片選用宏晶科技直插型的工業級STC89C52RC。該芯片價格低廉、性價比較高；工作電壓為 3.3～5.5 V，工作頻率為 0～40 MHz，片上已集成512 B的RAM；工作溫度為-40～85℃。

控制系統板采用11.0592 MHz晶振。單片機引腳P0.0~P0.5端口用于控制電導率信號采集器的自動量程電路；P3.0和P3.1端口與串口液晶屏相連，用于顯示；P3.1和P3.2端口接機床來的信號線，用于接收機床加工狀態的信號；P2端口控制自吸水泵和電磁閥等。

控制系統的電源采用明威生產的開關電源，型號為Q60-C，220 V/50 Hz交流電，4組輸出分別為+15 V，-15 V，+5 V和-5 V，1個COM接口， 功率為60 W，能滿足系統要求。

2.3 機床信號轉換電路

機床信號轉換電路，由7個線性光電耦合器PC817，3個2 kΩ電阻以及2個1 kΩ電阻構成，如圖3所示。來自機床的加工信號一般有3組，分別為第一次加工信號net1，第二次加工信號net2，第三次及以上加工信號net3。

圖3 機床加工信號轉換電路Fig.3 Conversion circuit of machine tool processing signal

當機床處于不加工時，net1、net2和net3端口均處于高電平，所有光電耦合均處于截止狀態。初始加工狀態時，net1端口置低電平，net2和net3端口置高電平，此時光電耦合K3導通，B端口輸出低電平信號，K4和K6導通，單片機P3.2端口得到一個下降沿信號，外部中斷INT0開啟，同時P1.7端口電平被置低，單片機監測到此時加工狀態為第一次加工。依次類推，通過置net1，net2和net3端口不同的電平，單片機能檢測出第二次加工，第三次或以上的加工狀態。

2.4 蜂鳴器電路

為了避免干擾，蜂鳴器電路采用光電隔離，如圖4所示。蜂鳴器為有源蜂鳴器，其控制口與單片機P2.6口相連，控制口為低電平時，蜂鳴器工作。

圖4 蜂鳴器電路Fig.4 Buzzer circuit

2.5 執行器控制電路

自吸水泵控制電路如圖5所示，單片機P2.0端口的控制信號控制線性光電耦合器PC817的開閉，通過三極管Q1的導通與截止來控制繼電器K7的開閉。繼電器最大耐壓250 V，最大耐電流10 A。為了減少控制電路對單片機的干擾，在單片機與繼電器之間進行隔離。

圖5 自吸水泵控制電路Fig.5 Self-priming pump control circuit

各電磁閥控制電路如圖6、7、8所示，S1和S2分別接工作液管路的進液電磁閥，S3和S4分別接工作液管路的泄壓電磁閥，S5和S6分別接工作液管路的回液電磁閥。單片機通過對各繼電器的控制即可實現工作液的智能控制。

圖6 進液電磁閥控制電路Fig.6 Control circuit of liquid inlet solenoid valve

圖7 泄壓電磁閥控制電路Fig.7 Control circuit of pressure relief solenoid valve

圖8 回液電磁閥控制電路Fig.8 Control circuit of liquid return solenoid valve

電磁閥控制電路的繼電器為單刀雙擲繼電器。其線圈通斷電分別通過單片機P2.1，P2.2，P2.3控制三極管Q1，Q2，Q3的導通與截止來實現的，低電平時導通。在繼電器線圈上反向并聯續流二極管1N4007，用于抑制和吸收線圈斷電時反向電動勢的作用。在三極管與單片機I/O口之間，用光電耦合器PC817隔離，避免三極管2N3904漏電流對單片機的影響。

2.6 樣機制作

工作液智能控制系統的樣機已制作完成，如圖9所示。PCB板制成2塊：信號板和控制板。信號板與控制板通過JTAG線連接，采用光電隔離，將單片機I/O口與三極管基極隔離，使信號板與控制板僅保持信號聯系，而不直接發生電的聯系，避免三極管漏電流對單片機的干擾。

圖9 控制系統樣機Fig.9 Prototype

3 結語

MS-WEDM工作液智能控制裝置能夠在線檢測粗、精工作液槽的工作液電導率，并判斷其能否滿足粗、精加工要求；根據多次切割加工技術的特點，合理地控制粗、精加工工作液的交換，有效地提高加工精度和表面質量等工藝性指標，并提高加工穩定性。該裝置結構簡單，使用常用的元器件，成本低；可直接安裝在現有的中走絲電火花線切割機床上，通用性好。

[1]劉志東.高速往復走絲電火花線切割的現狀及發展[J].機械制造與自動化，2013，42（2）：1-6.

[2]劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].5版.北京：機械工業出版社，2008.

[3]李明輝.楊振步.蔣文英.中走絲電火花線切割機的特點與發展趨勢[J].航空制造技術，2011，54（8）：32-35.

[4]郭翠霞，劉康，謝文玲，等.工作液電導率對MSWEDM加工工藝性指標影響研究[J].機床與液壓，2014，42（6）：77-79.

[5]魏為.提高高速往復走絲電火花線切割加工精度及穩定性試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.