基于嵌入式ARM和DSP的電火花線切割機床控制系統設計

李 鴻，梁 榮

（寧波工程學院 杭州灣汽車學院，寧波 315336）

0 引言

電火花線切割是利用鉬絲電極與金屬工件間脈沖放電產生的局部、瞬態高溫以實現對導電材料的電蝕加工，在成型過程中電極不與工件直接接觸，且無明顯的切削力作用，加工性能也不受材料硬度、強度和韌性等因素影響，具有加工精度高、材料適用性強和應用范圍廣等優點[1～3]。電火花線切割機床是影響工件電蝕加工精度和效率的關鍵，目前國外多采用慢走絲線切割機，其加工精度約2μm、表面粗糙度Ra可達0.8μm，而我國普遍使用高速走絲線切割機，其工作原理不同，實際加工效果也與慢走絲線切割存在較大差距。高速走絲線切割過程中，工件加工精度和效率受工作臺伺服、脈沖電源、線電極和工作液等因素影響，且在單CPU框架下，系統能支持的監控功能有限，單CPU控制系統很難實現對電極絲加工軌跡在線插補、機床間隙與線電極損耗實時補償、電火花線切割工藝參數優化與協同控制，更無法有效提高電加工的精度和效率。

在雙CPU協作框架中[4,5]，上、下位機配合能將在線插補、實時補償等優化算法直接作用于高速走絲線切割控制系統，實時高效處理復雜的測控參數。在此技術背景下，本文利用上位機ARM和下位機DSP設計了一種雙CPU協作的電火花線切割機床控制系統，在上位機ARM上植入多任務實時RT-Linux操作系統，由工件幾何特征和電蝕加工放電狀態識別實現在線插補、齒隙補償、多軸聯動等多進程任務協調控制。

1 系統總體設計

1.1 工作原理

脈沖激勵下，高速走絲線切割需要按一定的節拍時間頻繁往復走絲，進而實現對金屬工件的電蝕加工，其工作原理如圖1所示。電極絲纏繞在貯絲筒上，通過電機正反轉和上下導向輪構成的走絲機構帶動線電極往復運動，且走絲過程中提供斷絲檢測和張力調節功能，確保高速走絲線切割加工的可靠性。工件可靠固定在坐標工作臺上，由工件緊貼工作臺的Z向尺寸調整Z軸位置，再橫向、縱向移動坐標臺確定線切割的初始位置。脈沖電源的正極接工件、負極通過進電塊連接電極絲，由峰值電流、脈寬和頻率調節線切割加工質量。工作液為電蝕加工提供絕緣介質，并對電極與金屬工件間脈沖放電產生的局部高溫作降溫處理，及時沖洗蝕除的金屬屑，避免影響線電極與金屬工件間的脈沖放電。

1.2 總體方案

圖1 高速走絲線切割工作原理

高速走絲線切割需要按一定的節拍實現對工件的高效率和高精度加工，因此其控制系統開發采用支持多任務協作與實時調度的ARM和嵌入式RT-Linux操作系統的軟硬件方案，如圖2所示。控制系統內核采用ARM和DSP雙CPU協作框架，其中ARM為上位機控制器，在植入的嵌入式RT-Linux操作系統上配置設備驅動，設計適于高速走絲線切割加工的操作界面、NC編譯、工作臺移動、線電極和工作液控制等應用功能；DSP為下位機控制器，主要實現電極絲加工軌跡在線插補、機床齒隙補償、脈沖電參數調節、工作臺五軸電機伺服控制等功能。此外，與傳統開環控制相比，在高速走絲線切割過程中引入帶工件特征和電蝕加工狀態識別的雙閉環控制，以在線識別的電蝕加工狀態為目標反饋優化加工軌跡插補、脈沖電參數和工作臺軸向運動，以工件幾何特征為目標反饋補償齒隙和線電極損耗。

圖2 總體方案

2 硬件設計

高速走絲線切割控制系統硬件由上位機ARM和下位機DSP兩部分組成，如圖3所示。上位機ARM采用高性價比、低功耗和內置高性能ARM 920T RISC內核的S3C2440A控制器，該芯片具有16KB指令緩存I-Cache和16KB數據緩存D-Cache，利用分開的I-Cache和D-Cache提高線切割加工過程上位機的在線處理效率。S3C2440A控制器提供3通道UART、2通道SPI、1通道I2C、130個通用I/O和LCD控制器等豐富的片上資源，通過簡單的硬件配置可開發出適于高速走絲線切割控制的人機交互、存儲、通信接口、模擬量和數字量I/O等外設模塊。

圖3 硬件系統結構示意圖

上位機ARM通過配置電源、晶振和復位等電路構建S3C2440A最小系統。人機交互提供操作人員4×4鍵盤輸入和TFT液晶顯示功能，4×4鍵盤使用ARM芯片4個通用I/O和4個外部中斷，TFT屏使用LCD控制器。上位機存儲按實際用途分為Nor Flash、Nand Flash和SDRAM三種，Nor Flash采用2MB容量SST39VF1601，用于上位機嵌入式RT-Linux引導程序存儲和運行，Nand Flash采用128MB容量K9F2808，用于高速走絲線切割過程中大容量數據存儲與備份，SDRAM采用2片HY57V561620，用于在線插補、齒隙補償、電參數調節等控制程序運行和過程數據緩存。上位機配置USB和RS-232通信接口，利用USB驅動和S3C2440A的USB接口為操作人員提供支持熱插拔的USB設備接口，RS-232通信采用MAX3221電平轉換將上位機UART擴展為異步串口，基于該通信接口實現上位機ARM與下位機DSP之間串行數據發送與接收。上位機ARM利用通用I/O、SPI和I2C等為高速走絲線切割提供模擬量和數字量I/O，且I/O信號監測與S3C2440A控制器間使用光耦隔離，確保上位機ARM具有較強的電磁干擾抑制能力。模擬量I/O利用ADS7953和SPI接口與上位機ARM連接，提供16路模擬信號采集，在線監測脈沖電參數、工作液流量和線電極張力等模擬信號。數字量I/O利用光耦隔離將按鈕、位置開關反饋等開關信號輸入到上位機ARM，再由光耦和繼電器輸出開關指令。

圖4 電機驅動電路

下位機DSP采用在電機數字化控制方面具有高性價比優勢的TMS320F2812芯片，其具有2個事件管理器，支持高速走絲線切割加工過程工作臺X/Y/Z/U/V五軸電機、線電極驅動電機和工作液泵組等機電系統的高精度控制。電機伺服驅動采用IR2132功率驅動芯片和IGBT組成的逆變電路，如圖4所示，操作人員通過人機交互將待加工工件的幾何特征輸入上位機ARM，利用RS-232串口通信將線切割加工程序編譯加載到下位機，由DSP輸出6路PWM信號作用于功率芯片IR2132，進而控制功率管Q1～Q6的導通順序。電機位置和編碼器輸出脈沖分別反饋回上、下位機，下位機在線判定電機運行狀態，基于電蝕加工放電狀態和電機位置，上位機將插補算法編譯加載到下位機，通過閉環實現高速走絲線切割加工的高效率和高精度控制。

3 軟件設計

3.1 RT-Linux多任務實時操作平臺設計

電極絲加工軌跡在線插補、機床齒隙補償、脈沖電參數調節、工作臺五軸電機伺服控制等功能實現以多任務實時操作系統RT-Linux為核心，包括Linux系統植入、引導程序配置、多任務實時操作平臺配置、線切割加工在線控制與調度等。Linux系統植入上位機ARM主要是對頂層makefile文件的修改，利用交叉編譯器配置上位機ARM的內核文件，經編譯后在對應boot目錄中生成內核映像zImage。考慮高速走絲線切割對大容量RAM需求，利用Kernel配置支持Ramdisk，將部分內存虛擬為塊設備，由mkcramfs壓縮工具生成Linux系統根文件映像，然后利用U-Boot將內核和根文件映像一起燒錄到Flash對應分區中，完成Linux系統植入上位機ARM。

由于Linux內核處理優先級不同的多任務時存在進程不可搶占等問題，因此需要應用實時補丁修改與進程調度、中斷處理相關的源文件，經重新加載內核映像以支持多任務實時操作。高速走絲線切割的多任務實時調度如圖5所示，對于多任務進程，在線插補、齒隙補償和伺服控制等實時任務在RT-Linux操作系統上運行，其余對實時性要求較低的任務則采用Linux內核。不同實時性要求的進程采用先入先出隊列通信，即優先執行實時性要求高的應用進程，從而實現對電極絲加工軌跡在線插補、機床實時補償、電火花線切割工藝參數優化與協同控制等。

圖5 基于RT-Linux操作平臺的多任務實時調度

3.2 高速走絲線切割控制軟件設計

高速走絲線切割控制軟件由上位機操作界面和實時控制程序兩部分組成。上位機操作界面基于QT/Embedded設計，主界面如圖6所示，支持DXF等格式文件載入，基于工件幾何特征進行模擬切割，輸出線切割代碼。此外，交互界面支持線切割、脈沖電源等參數設置，以狀態字形式實時反饋線切割機床各模塊運行狀態，通過故障字準確給出線切割加工異常對應的機床故障。

圖6 主操作界面

如前文所述，高速走絲線切割實時控制以RT-Linux操作平臺為基礎，通過工件幾何特征和電蝕加工放電狀態識別構成雙閉環控制，具體控制流程如圖7所示。以工件幾何特征為目標，對線切割加工軌跡進行模擬，若操作人員確定線切割加工，閉環控制聯機，由模擬切割確定實際切割所需齒隙補償。在線切割加工過程中，線切割按編譯的NC代碼進行放電加工，以電蝕加工放電狀態識別為目標，確認有效的脈沖放電后，RT-Linux實時內核對伺服電機位置和編碼信號進行在線處理，并將加工軌跡插補算法加載到下位機。

4 結語

通過上位機ARM和下位機DSP設計雙CPU協作的電火花線切割機床控制系統，上位機ARM植入多任務實時操作系統RT-Linux，在嵌入式RT-Linux操作平臺上實現人機交互、NC編譯、線切割加工控制等應用功能，再由工件幾何特征和電蝕加工放電狀態識別實現在線插補、實時補償和多軸聯動等多進程任務的協調控制。所開發的雙CPU協作系統支持線切割加工軌跡模擬和NC編譯等功能，提供友好的操作界面，上下位機硬件配置合理，能有效監測和反饋線切割加工過程機電系統狀態，借助雙閉環實現對工件線切割加工的高效率和高精度控制。該系統的應用大幅改善單CPU框架監控功能有限、在線插補與多軸聯動協同控制性能差等問題，也提供了一種適于高速走絲線切割加工過程優化算法加載的解決方案，有利于提高線切割加工精度和質量，具有良好的工程應用前景。

圖7 高速走絲線切割實時控制流程