唐先春
(成都工業(yè)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)基地,成都 611730)
電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)的研究
唐先春*
(成都工業(yè)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)基地,成都 611730)
為了提高線切割控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性并滿足切割所需的各項(xiàng)功能,研制了一種新型控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用TP8051C單片機(jī)作為主控器,設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的外圍電路,能加快控制器的響應(yīng)速度、提高抗干擾能力和滿足線切割的各項(xiàng)功能。結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有一定的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值,性價(jià)比較高。
電火花;線切割機(jī)床;控制系統(tǒng);單片機(jī)
數(shù)控電火花線切割機(jī)床的控制系統(tǒng)又稱線切割控制臺(tái)或微機(jī)控制器,作為電火花線切割機(jī)床的核心部件,其控制精度和穩(wěn)定性決定了線切割機(jī)床的整體性能??刂葡到y(tǒng)是電火花線切割加工的重要環(huán)節(jié),其穩(wěn)定性、可靠性、控制精度及自動(dòng)化程度直接影響到加工工藝指標(biāo)和人工勞動(dòng)強(qiáng)度[1-3]。
目前控制器采用的方式有單板機(jī)、單片機(jī)和微型計(jì)算機(jī)。圍繞控制器設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的外圍電路才能滿足其功能要求、精度要求和穩(wěn)定性要求。我國(guó)生產(chǎn)線切割機(jī)控制系統(tǒng)(控制器)的廠家很多,型式多樣,所采用的電路也不盡相同。如何研發(fā)出功能齊全、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、通用性好、綠色環(huán)保、性價(jià)比高的電火花線切割控制系統(tǒng)是我們迫切需要解決的問題。本文采用了TP8051C單片機(jī)作為主控制器進(jìn)行了一系列研究和試驗(yàn),取得了較好的效果。
數(shù)控線切割機(jī)床大多采用逐點(diǎn)比較法原理進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Y坐標(biāo)工作臺(tái)的控制,不斷生成縱、橫向工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)指令,從而精確地控制電極絲相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡,以獲得所需加工形狀和尺寸。通過對(duì)外圍電路的設(shè)計(jì),達(dá)到對(duì)伺服進(jìn)給速度、加工質(zhì)量、走絲機(jī)構(gòu)、電源裝置、工作液循環(huán)系統(tǒng)以及機(jī)床操作等良好地控制。目前國(guó)內(nèi)電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)能滿足目前大多數(shù)加工的需要而得到廣泛應(yīng)用。此外線切割機(jī)床控制系統(tǒng)還應(yīng)具備斷電記憶、故障報(bào)警、超程安全控制及自診斷系統(tǒng)等功能。
以單板機(jī)為核心的主控器,一般采用TP-801單板機(jī),屬早期產(chǎn)品,現(xiàn)已無廠家生產(chǎn)并逐漸退出了線切割加工市場(chǎng)。采用高檔單片機(jī)為核心的主控器,如:80C32、8051、MCS-52系列等單片機(jī),由于單片機(jī)相對(duì)于單板機(jī)具有外圍元件少、能耗低、存儲(chǔ)量大、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn),該控制器得以廣泛地使用,用戶數(shù)量很大。編程控制一體化控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)代替了單片機(jī)系統(tǒng),其實(shí)現(xiàn)的功能與單片機(jī)的功能完全一樣,但因成本較高,且穩(wěn)定性不如單片機(jī)系統(tǒng)而沒有得到大量地推廣。多次切割的往復(fù)走絲控制系統(tǒng)在編程控制一體化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)變頻器的控制,其控制更加復(fù)雜,對(duì)硬件要求更高,未能成為市場(chǎng)的主流。從全國(guó)的特種加工行業(yè)情況來看,90%以上的用戶選擇的都是以單片機(jī)作為主控制器的線切割控制系統(tǒng),該系統(tǒng)因功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)受到了廣大用戶的青睞。
圖2 單片機(jī)控制原理圖
圖3 變頻取樣電路
3.1控制器框圖
控制器框圖如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)為控制器,虛線框外是執(zhí)行部件(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電源、電報(bào)機(jī)頭和編程機(jī)、變頻取樣電路、高頻控制信號(hào)等)??刂破饔蓡纹瑱C(jī)主板、鍵盤、數(shù)碼顯示、接口電路板、操作面板、穩(wěn)壓電源組成,裝入金屬機(jī)箱內(nèi),機(jī)箱外側(cè)配備有與執(zhí)行部件相連接的多種插座。
3.2單片機(jī)控制器的輸入、輸出和接口電路
單片機(jī)控制器一般都以最小系統(tǒng)形式組成,根據(jù)控制軟件的設(shè)計(jì)設(shè)置有明確的輸入、輸出端口,這些端口信號(hào)都與執(zhí)行部件(如電報(bào)機(jī)頭、高頻控制繼電器、變頻取樣、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功放電路)等相連,為使傳輸?shù)男盘?hào)良好匹配和穩(wěn)定可靠,就必須由接口電路完成。圖2為單片機(jī)控制原理圖。
3.3 變頻電路
變頻電路的輸入端若獲得一定電壓就會(huì)轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖輸出。該輸出脈沖經(jīng)過光電耦合器隔離,在加工開關(guān)K2選擇“加工”位置下又經(jīng)與非門U2a輸入到單片機(jī)ASTB-BP端口。變頻電路的輸入電壓越高,脈沖頻率越高。在線切割控制中,變頻電路脈沖輸出頻率一般控制在0~350 Hz之間均勻變化。圖2中變頻電路的電位器W1對(duì)變頻輸入電壓進(jìn)行均勻調(diào)節(jié)。
變頻取樣電路如圖3所示。加工時(shí),從工件A和電極絲B 2點(diǎn)間取出間隙放電電壓,由于不斷進(jìn)行火花放電,其電壓是變化無常的。該電壓擊穿穩(wěn)壓管V1后經(jīng)二極管D1整流,再經(jīng)電容C1、電阻R1濾波,及穩(wěn)壓管V2穩(wěn)壓后,獲得直流取樣電壓E。V1起限幅作用,一般選用30~40 V的穩(wěn)壓管。該管能阻止和濾除穩(wěn)壓值低的火花維持電壓和短路的脈沖電壓。只有當(dāng)間隙電壓大于30~40 V的峰值電壓時(shí),才能通過穩(wěn)壓管V1及二極管D1進(jìn)行整流濾波。這樣就使較低維持電壓和短路電壓因無取樣電壓而無法產(chǎn)生變頻脈沖,停止步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給。當(dāng)工件和電極絲未接觸時(shí),處于開路狀態(tài)取出的空載脈沖電壓會(huì)過高,此時(shí)變頻電路產(chǎn)生的變頻頻率超過350 Hz,會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)丟步,所以對(duì)取樣電壓應(yīng)加以限制。圖3中,穩(wěn)壓管V2(12 V)并聯(lián)在取樣電壓的輸出端,使輸出的取樣電壓E始終鉗制在12 V以下,則變頻電路產(chǎn)生的變頻脈沖便會(huì)低于350 Hz。
由于變頻電壓是在加工切割中實(shí)時(shí)取得,工件和鉬絲之間的放電間隙電壓的大小變化直接反映加工狀態(tài),而由此得到的變頻脈沖在單片機(jī)指令的控制下,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)連續(xù)進(jìn)給。
3.4 自動(dòng)對(duì)中心
當(dāng)電極絲在工件孔內(nèi)與工件不接觸的任一點(diǎn)時(shí)按下“對(duì)中”鍵,單片機(jī)控制器啟動(dòng)自動(dòng)對(duì)中心程序:電極絲自動(dòng)向X軸方向進(jìn)給,直至與工件孔壁接觸短路;控制器發(fā)出指令,電極絲反向移動(dòng),并開始累計(jì)進(jìn)給步數(shù),直至沿負(fù)X軸方向進(jìn)給了N步距離時(shí),與負(fù)X方向孔壁接觸短路;控制器又令電極絲反向沿正X軸方向進(jìn)給,當(dāng)步數(shù)為N/2步的距離時(shí)停止進(jìn)給。此時(shí),電極絲已位于孔的Y軸線上,向正Y軸方向進(jìn)給,直至與孔壁短路而自動(dòng)沿負(fù)Y軸方向進(jìn)給,并開始累計(jì)行程距離,直到與孔壁接觸短路,若與孔壁接觸停止進(jìn)給的累計(jì)步數(shù)為M,此時(shí)電極絲自動(dòng)反向沿正Y軸方向運(yùn)動(dòng)到M/2步時(shí)自動(dòng)停止。該停止位置即為工件孔內(nèi)的中心點(diǎn)。
自動(dòng)對(duì)中心是在絲筒電機(jī)、冷卻電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行,此時(shí)無高頻脈沖輸出。在人工變頻狀態(tài)下調(diào)整變頻電位器,使變頻脈沖頻率最高約為300步/s。工件上的正電壓由+12 V經(jīng)電阻R1和二極管D1在機(jī)床電氣(絲筒電機(jī))停機(jī),繼電器常閉觸點(diǎn)閉合下獲得,電極絲為負(fù)極。對(duì)中過程中,當(dāng)電極絲與工作相接觸短路,三極管T1截止,光電耦合器P1輸出高電平到單片機(jī)的對(duì)中端口DZ,單片機(jī)發(fā)出反向指令和自動(dòng)執(zhí)行對(duì)中程序。
3.5 加工程序輸入電路
大量的加工程序往往通過各類線切割編程機(jī)按加工零件要求編出3B程序。編出的加工程序都必須通過接口電路的電報(bào)機(jī)頭(紙帶讀入器)輸入電路才能送到單片機(jī)控制器內(nèi)存的相應(yīng)地址保存。該電路由電報(bào)機(jī)頭走步脈沖電路和信號(hào)輸入電路組成。
3.6 脈沖電源控制電路
單片機(jī)控制器在輸出加工程序時(shí),在端口GP輸出一高電平到與非門U1b的同時(shí),U1b的另一輸入端也獲得一高電平(高頻開關(guān)K3撥至“高頻”位置),因此U1b輸出低電平,發(fā)光二極管點(diǎn)亮,光敏三極管導(dǎo)通,T2飽和導(dǎo)通,使繼電器KA吸合,輸出+12 VK(也稱受控12 V)。此+12 VK電壓經(jīng)接口電纜轉(zhuǎn)接到脈沖電源以控制脈沖輸出的繼電器吸合,達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給和電蝕脈沖輸出加工的同步,加工結(jié)束(顯示END)。單片機(jī)接口電路端口GP輸出0電平時(shí),光電耦合器截止,T2截止,繼電器KA斷路,無電壓輸出,從而使脈沖電源無放電脈沖輸出,停止加工。加工程序結(jié)束信號(hào)“END”送入機(jī)床電器,使機(jī)床的絲筒電機(jī)、冷卻電機(jī)自動(dòng)停機(jī),避免無功空運(yùn)行。
3.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
單片機(jī)的環(huán)形分配器輸出口的步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)有X軸的Xa、Xb、Xc,Y軸上的Ya、Yb、Yc共6路信號(hào)(若是錐度機(jī)應(yīng)增加Ua、Ub、Uc、Va、Vb、Vc6組信號(hào))。每路電路相同,僅以Xa一路為例分析。
當(dāng)接口電路板端口Xa輸出為高電平(正脈沖),且進(jìn)給開關(guān)K4撥至“進(jìn)給”位置時(shí),與非門U1c輸出低電平,光敏三極管導(dǎo)通,功放管T3飽和導(dǎo)通。Xa磁極線圈上的+24 V電壓,在限流電阻作用下經(jīng)T3飽和導(dǎo)通至地,使步進(jìn)電機(jī)因Xa相線圈通過約2 A電流而轉(zhuǎn)動(dòng)。反之,Xa輸出為低電平時(shí),與非門U1c輸出高電平,光敏三極管截止,L1指示燈不亮,功放管截止,Xa相磁極線圈無電流通過,因此步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。
圖2中,步進(jìn)電機(jī)接口與功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相六拍驅(qū)動(dòng)方式,這種方式的驅(qū)動(dòng)頻率響應(yīng)優(yōu)于雙三拍驅(qū)動(dòng)方式。改變單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配和接口、驅(qū)動(dòng)電路可以使用不同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī),如五相十拍的步進(jìn)電機(jī)。
4.1測(cè)試條件
表1 八方精度測(cè)試結(jié)果
圖4 定位精度測(cè)試圖
4.2 測(cè)試結(jié)果
1)切割直八方測(cè)試結(jié)果
切割對(duì)邊尺寸為28 mm的直八方,測(cè)試結(jié)果見表1。
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7926—2005,試驗(yàn)結(jié)果縱、橫向尺寸差≤18 μm,故切割的八方測(cè)試合格。
2)定位精度切割測(cè)試結(jié)果
在10 mm厚的鋼板上,切割4個(gè)10 mm×10 mm的方孔,用以檢驗(yàn)機(jī)床的定位精度。測(cè)試結(jié)果見圖4。4孔的誤差值≤15 μm。滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7926—2005,測(cè)試結(jié)論:合格。
以上2項(xiàng)測(cè)試為機(jī)床的精度檢驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),該測(cè)試綜合檢驗(yàn)了機(jī)床的制造精度和電氣控制精度,由此驗(yàn)證了以TP8051C單片機(jī)作為主控制器的控制功能滿足設(shè)計(jì)要求。
用單片機(jī)作為電火花線切割機(jī)床的控制系統(tǒng)已經(jīng)是市場(chǎng)上的主流系統(tǒng),但各個(gè)廠家設(shè)計(jì)的思路和方法不盡相同。本系統(tǒng)采用了TP8051C單片機(jī)作為主控制器,配上外圍電路后在功能上實(shí)現(xiàn)了本文所述的全部功能,其響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),完全達(dá)到了實(shí)用化。但對(duì)于高精度的電火花線切割控制系統(tǒng)來說,其控制精度還有提升的空間,為后續(xù)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源的推出提供了理論基礎(chǔ)。
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StudyonMachineToolControlSystemofWEDM
TANGXianchun*
(Practice Base,Chengdu Technological University,Chengdu 611730,China)
Control system is the core part of a wire-cutting machine tool while traditional wire-cutting machine tool has the problems of low control precision and stability. In order to improve the accuracy, stability and meet the function of cutting requirements, the author developed a new type of control system, the system used TP8051C microcontroller as the the main controller, and designed the peripheral circuit which could accelerate the response speed, improve the anti-interference capability and meet various cutting functions. The experimental results showed that the scheme had certain value of application with high cost performance.
electric sparkle;Wire-Cutting Machine Tool; control system; microcontroller
2013-05-09
四川省教育廳項(xiàng)目“電火花線切割機(jī)床細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制的研究”(13ZB0042)
唐先春(1970- ),男(漢族),重慶人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)、雷達(dá)匯流環(huán),通信作者郵箱:463693537@qq.com。
TP334.7
A
2095-5383(2013)04-0056-014