MS-WEDM工作液智能控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

郭翠霞，劉 康，楊大志，李 歡

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

我國高速走絲電火花線切割機床成功地采用了多次切割技術，能有效地改善加工工藝水平。多次切割技術[1]是對工件實施多次切割，即第一次高速切割成形，俗稱“粗加工”，第二次及以上提高形狀精度和工件表面質量，俗稱“精加工”。業(yè)界將這種具有多次切割功能的高速走絲電火花線切割機床稱為中走絲電火花線切割機床MS-WEDM（medium-speed wire cut electrical discharge machining）。目前，MS-WEDM仍存在加工精度穩(wěn)定性差的缺陷[2]。工作液是放電介質，高頻電壓擊穿絕緣工作液并形成放電通道，局部瞬間高溫（10000℃以上）熔化和氣化金屬，完成金屬切割加工后，工作液又恢復絕緣狀態(tài)。因此工作液電導率的大小（介電性能）極大的影響放電效果[3-4]。

根據MS-WEDM機床多次切割的特點，文獻[5-6]研究了工作液智能交換控制系統(tǒng)，即采用2套工作液供給系統(tǒng)滿足粗、精加工需求。本文將在硬件電路設計的基礎上[6]研究該裝置的系統(tǒng)控制思路，即研究工作液智能控制系統(tǒng)的控制流程，并對控制程序編譯。

1 工作液智能控制系統(tǒng)方案

MS-WEDM工作液智能控制裝置如文獻[5-6]所示，與傳統(tǒng)的高速走絲電火花線切割機床的工作液供給系統(tǒng)相比，該工作液供給裝置分別有粗、精加工2個工作液槽，并形成粗加工和精加工2個工作液回路。單片機采集工作液電導率，并根據電導率值判斷粗、精工作液箱；單片機根據機床信號判別加工狀態(tài)（粗加工或精加工），當機床加工信號為一次切割或多次切割中第一次（粗加工）時，系統(tǒng)控制粗加工工作液供給回路工作，供給粗加工工作液；當機床加工信號為第二次及以上時（精加工），系統(tǒng)控制切換工作液回路，提供精加工工作液。系統(tǒng)控制相應電磁閥的開與閉，實現(xiàn)粗、精加工時工作液供給系統(tǒng)的智能交換，滿足粗、精加工的工藝要求。

工作液智能控制系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)由信號輸入回路、單片機和執(zhí)行元件三部分構成。輸入回路有工作液電導率信號、溫度傳感器信號、加工狀態(tài)信號等；單片機為STC89C58RD+；執(zhí)行元件有繼電器、電磁閥等。電導電極和溫度探頭分別對工作液的電導特性和溫度進行采集，采集到的2個信號進行單片機內部處理，發(fā)出相應控制電磁閥的信號。單片機將采集到的工作液電導率和溫度信號經過處理最后顯示在串口屏上面。

圖1 工作液智能控制系統(tǒng)方案Fig.1 Solutions of the working liquid intelligent control system

2 工作液智能控制流程

工作液智能控制流程如圖2所示。工作液智能控制系統(tǒng)要完成系統(tǒng)開機自檢，對工作液電導率進行實時采集，并自動判別具體粗、精工作液箱。自檢完成后，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，即等待機床加工信號。當機床開始加工時，系統(tǒng)立即開啟水泵，然后根據相應的機床加工狀態(tài)，開啟/關閉相應電磁閥。

圖2 工作液智能控制流程Fig.2 Flow chart of the working liquid intelligent control system

按照圖2所示，單片機控制步驟為①上電復位；②初始化函數(shù)對硬件進行初始化；③進行開機自檢流程；④等待加工信號；⑤有加工信號即開啟指定繼電器控制的電磁閥；⑥主程序進行工作液電導率和溫度的實時采集，并顯示在串口屏上；⑦不斷地檢測加工標志位來判斷是否在加工；⑧加工結束信號出現(xiàn)，關閉電磁閥總開關，結束工作液的輸送；⑨結束加工，系統(tǒng)等待。

軟件系統(tǒng)程序包括各模塊初始化程序、溫度傳感器程序、A/D模塊TLC2543轉換程序設計、串口屏顯示程序、自動換擋檢測程序及電磁閥程序等。各軟件系統(tǒng)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。

2.1 初始化模塊設計

系統(tǒng)初始化主要完成的任務是使系統(tǒng)進入初始化，為正常工作做好準備。主要完成軟件初值的設定，微處理器內存、I/O口、硬件電路的初始化。

在程序設計中，運用到了很多定時器中斷、I/O口中斷、A/D采樣中斷和數(shù)據串接通訊中斷等等，中斷是CPU中止正在執(zhí)行的程序而轉去處理特殊事件的操作，是CPU與外圍設備進行輸出/輸入的有效方法。故需要對T0、T1的工作方式、定時時間進行初始化、對外部中斷和中斷控制初始化。

2.2 開機自檢程序流程

初始化完成后，必須進行開機自檢，而開機自檢程序流程為①標志位賦值（AB=1）；②發(fā)送字符到串口屏顯示自檢開始；③打開1號液箱，等待1 s使工作液到位；④開始數(shù)據采集（具體為10次）；⑤標志位賦值（AB=2）；⑥等待1 s，1號液箱的工作液流回液箱；⑦打開2號液箱，等待1 s使工作液到位；⑧同樣進行數(shù)據采集（10次）；⑨比較1號液箱和2號液箱的電導率，自動判斷粗、精加工液箱；⑩關閉總開關，結束開機自檢。

2.3 工作液溫度采集子程序

溫度采集子程序主要是采集DS18B20的測量的工作液當前的溫度值。DS18B20與單片機的連接采用外部電源供電模式[7]，單片機只需要與一個I/O端口相連就可以控制DS18B20，直接將環(huán)境溫度轉化為數(shù)字信號，以數(shù)字碼方式串行輸出，大大簡化了傳感器與微處理器的接口，完成溫度采集。

單總線協(xié)議規(guī)定一條數(shù)據線傳輸串行數(shù)據，時序有嚴格的控制，對于DS18B20的程序設計，必須遵守單總線協(xié)議。DS18B20操作主要分初始化、寫數(shù)據和讀數(shù)據。DS18B20出廠時配置為12位，最高位是符號位。單片機讀數(shù)據時每次讀2字節(jié)，共讀16位。讀完后，將其中的低11位的二進制數(shù)轉化為十進制數(shù)，然后乘以0.0625就獲得實際的溫度值；剩下的前5個數(shù)字是符號位，且同時變化，前5位為1時，讀取的溫度為負值；相反，前5位為0時，讀取的溫度為正值。

2.4 A/D模塊TLC2543驅動程序

系統(tǒng)選用TI公司生產的12位開關電容型逐次逼近數(shù)模轉換器TLC2543。硬件電路中TLC2543占用了4個單片機管腳，分別是時鐘CLOCK（P1^0）、輸入 D_IN（P1^1）、輸 出 D_OUT（P1^2）、片 選 _CS（P1^3）。TLC2543片內集成了12路為外部模擬量輸入和3路為片內自測電壓輸入，一共15路多路開關。在每次轉換結束后，EOC引腳都自動置高，轉換過程中由片內時鐘系統(tǒng)提供時鐘，不用外部時鐘的接入。

其具體操作流程為①主程序發(fā)送通道號到TLC子程序中；②CS片選置高、EOC置高、時鐘置0；③拉低片選CS=0；④通道port左移4位；⑤準備讀取第一位數(shù)據；⑥通道0數(shù)據準備好，上升沿鎖存進TLC2543，寫進高位數(shù)據；⑦時鐘CLOCK上升沿保持；⑧時鐘CLOCK下降沿保持；⑨接收變量ad左移1位，將最低位空出，以便裝入下一位數(shù)據；⑩循環(huán)12次接收完DATA_OUT的數(shù)據；11○轉換結束片選CS置高，ad由于接收完移位，故多左移1位結束后要右移1位；12○返回ad的值到主程序；13○返回的值為0～4095，要轉換成基準電壓源的5 V對應的電壓值公式為

2.5 Usart串口屏顯示子程序

在程序驅動時，單片機首先初始化串口。由于CPU默認的115200的串口波特率，因此初始化程序就是初始化設置串口的波特率，其余參數(shù)均默認，按照采集系統(tǒng)的串口參數(shù)設置即可。再將一個BYTE發(fā)送到串口發(fā)送端，判斷發(fā)送標示等待發(fā)送結束，結束后繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)。編寫串口顯示程序時，將顯示界面分成固定不變與需刷新的兩部分。將每個界面都分成SETUP（）和LOOP（）2個結構，在SETUP（）中完成界面以及各個變量的初始化，再在LOOP（）中循環(huán)刷新顯示測量的數(shù)據。

串口屏對應的界面設計軟件是GpuMaker V3.0 B1229。軟件有串口命令、字符點陣、圖像處理和幫助與說明4個菜單。界面設計程序主要在串口命令菜單下完成。設計好的界面直接通過“全部上傳”按鈕傳到串口屏的存儲芯片上。如圖3所示，串口屏主顯示界面分為3個區(qū)域、實時數(shù)據顯示區(qū)域，系統(tǒng)報警值的設定區(qū)域和系統(tǒng)運行狀態(tài)區(qū)域。

圖3 串口屏顯示界面Fig.3 Display interface of a serial port screen

2.6 自動換擋程序及電磁閥控制程序

為了使工作液電導率采集達到精度，硬件設計了2個量程，量程的切換使用的是CD4051模擬開關。自動切換量程的程序思路為只需判斷電導率的切換閾值，在通過編程在每N次采集完成后（或者連續(xù)多少時間不在量程范圍內）就自動跳到下一量程即可。

電磁閥的控制采用switch-case結構，將繼電器使用的每種工況編譯到程序中，出現(xiàn)什么樣的工況自動調用函數(shù)，出現(xiàn)未知工況時，只需要在default中關掉繼電器總開關。

3 結語

工作液智能控制系統(tǒng)的單片機應用程序由C語言編程。單片機C語言源程序經過編輯、編譯生成目標程序.BIN和.HEX文件，然后下載到單片機內即可運行。該控制系統(tǒng)的調試C語言程序采用Keil51μVision2/DL。該系統(tǒng)采用模塊化編程思想編寫了A/D模塊TLC2543轉換程序設計，溫度傳感器程序，串口屏顯示程序和自動換擋程序及電磁閥控制程序等，各模塊分別運用C51語言編寫、編譯和調試，然后在主控程序Main（）來調用，這有利于程序的改寫和系統(tǒng)升級。該控制程序已下載到單片機并已完成軟、硬件調試。

[1]劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]湯泉，彭海寧.“中走絲”電火花線切割機床的特點[J].電加工與模具，2010（4）：75-76.

[3]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（6）：77-79.

[4]陸霖琰.基于復合工作液的高速往復走絲電火花線切割加工研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[5]李克君.電火花線切割機床工作液的智能交換方法及裝置[P].中國，CN1020078991A，2010-12-31.

[6]郭翠霞，劉康，謝文玲，等.電火花線切割機床工作液智能控制系統(tǒng)硬件設計[J].儀表技術與傳感器，2014（4）：74-76.

[7]郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.