郭翠霞，劉　康，謝文玲，周順勇

(1．四川理工學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢　643000；2．四川理工學(xué)院，自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川自貢　643000)

0　引言

為了提高快走絲電火花線切割機(jī)床的加工精度和工件表面質(zhì)量，在機(jī)床上采用了多次切割技術(shù)，即中走絲電火花線切割機(jī)。它采用多速走絲，即在粗加工時(shí)使用高速(8～12 m/s)走絲，實(shí)現(xiàn)高效切割；精加工時(shí)使用低速(1～3 m/s)，提高切割精度和工件表面質(zhì)量[1]。但中走絲線切割機(jī)仍存在切割精度忽高忽低，精度保持性差的缺陷[2]。查閱大量資料和實(shí)踐證明：影響中走絲線切割機(jī)精度的關(guān)鍵因素之一是工作液性能參數(shù)不可控制性[3-4]。工作液是電火花放電必不可缺少的放電介質(zhì)，只有保證工作液性能穩(wěn)定才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工，提高切割速度和表面質(zhì)量。根據(jù)電火花線切割機(jī)床工作液的智能交換方法及裝置[5-6]，采用兩套不同的工作液循環(huán)供給系統(tǒng)來(lái)滿足粗加工、精加工的加工需求，并根據(jù)機(jī)床加工狀態(tài)，對(duì)工作液供給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能交換控制。工作液智能交換控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，硬件設(shè)計(jì)是否合理影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和使用。

1　硬件方案設(shè)計(jì)

圖1為工作液智能控制系統(tǒng)整體框圖。整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)輸入系統(tǒng)，ECU控制單元和執(zhí)行器3個(gè)部分組成。

圖1　控制系統(tǒng)整體框圖

信號(hào)輸入系統(tǒng)包括各種傳感器和開(kāi)關(guān)信號(hào)。傳感器采用電導(dǎo)率傳感器和溫度傳感器，分別測(cè)量工作液電導(dǎo)率和工作液的溫度；粗、精加工狀態(tài)信號(hào)是判斷加工運(yùn)行工況，此信號(hào)通過(guò)機(jī)床加工控制系統(tǒng)獲得；設(shè)置啟停按鈕開(kāi)關(guān)可獲得系統(tǒng)啟停信號(hào)，設(shè)置交換按鈕可手動(dòng)控制粗、精加工液槽的交換。

ECU控制單元主要由STC89C52RC單片機(jī)，液晶顯示等組成。執(zhí)行器主要由進(jìn)液電磁閥，回液電磁閥和兩個(gè)單向電泵組成。系統(tǒng)設(shè)置了報(bào)警裝置，工作液電導(dǎo)率不滿足加工要求時(shí)，發(fā)出聲音警告，提示更換工作液。當(dāng)操作人員更換好工作液后，手動(dòng)操作交換按鈕，單片機(jī)自動(dòng)互換粗、精加工液槽。

因此，整個(gè)工作液智能交換控制系統(tǒng)硬件電路由電源模塊，信號(hào)采集模塊，控制模塊和執(zhí)行模塊4個(gè)部分組成。

2　硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1控制模塊

控制模塊的作用是接收信號(hào)采集模塊所得到的信號(hào)，并進(jìn)行計(jì)算處理，然后發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。主要完成的任務(wù)有2個(gè)：第一，根據(jù)所測(cè)得的電導(dǎo)率和溫度計(jì)算出被測(cè)工作液在25 ℃基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率，該電導(dǎo)率值與設(shè)定值做比較，判斷是否需要更換工作液，同時(shí)動(dòng)態(tài)的在液晶顯示器上顯示電導(dǎo)率。第二，根據(jù)機(jī)床的加工狀態(tài)信號(hào)判斷此時(shí)加工是粗加工還是精加工，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。

系統(tǒng)選用STC89C52系列單片機(jī)[7]，它是具有無(wú)法解密，高速、高可靠，低功耗，超低價(jià)，強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。該芯片是8051內(nèi)核芯片，片內(nèi)有512 B，8 KB的E2PROM，4個(gè)并行I/O口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，雙列直插式封裝PDIP-40，工作電壓：5．5～3．4 V，具有看門狗等功能。芯片的工作電壓VCC為+5 V．

2.2電源模塊

電源模塊的作用是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的±15 V和+5 V的直流電壓。圖2為產(chǎn)生±15 V和+5 V直流電壓電路圖。

圖2　產(chǎn)生±15 V和+5 V直流電壓電路

為減小由于電火花線切割工作特性引起的漏電壓對(duì)信號(hào)干擾，系統(tǒng)使用±18 V、50 Hz的交流電壓驅(qū)動(dòng)工作液槽測(cè)量電導(dǎo)率。18 V的交流電壓經(jīng)全波整流橋D5整流和濾波，然后分別使用L7815、L7915模塊后產(chǎn)生穩(wěn)定、精確的±15 V的電壓。其中，C9=C12=1 000 μF，它是濾波電容；C10=C13=0．33 μF，用來(lái)改善輸入電壓波紋；C11=C14=0．1 μF，用來(lái)消除高頻模塊輸出噪聲，增強(qiáng)輸出電壓的電容。在±15 V直流電壓基礎(chǔ)上，利用L7805模塊輸出+5 V的電壓，為了避免L7805芯片承受太大的電壓，故使用R32作為分壓電阻。

2．3信號(hào)采集調(diào)理模塊

2．3．1信號(hào)采集

信號(hào)采集是監(jiān)測(cè)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。采集工作液電導(dǎo)率模擬信號(hào)和溫度的數(shù)字信號(hào)，此時(shí)加工狀態(tài)和各種開(kāi)關(guān)等信號(hào)。為了減小測(cè)量極化誤差和電容效應(yīng)[8]，系統(tǒng)使用帶防水的DJS-1CF(鉑黑)電導(dǎo)電極，外殼材料：玻璃，外形尺寸：Φ12×120 mm，電導(dǎo)率的測(cè)量范圍為2～20 000 μs/cm．

圖3是工作液電導(dǎo)率信號(hào)采集調(diào)理電路，P1是電導(dǎo)電極的插座，通過(guò)電導(dǎo)電極檢測(cè)，產(chǎn)生與電導(dǎo)率變化相對(duì)應(yīng)的雙向正弦模擬電壓信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大器LF356將模擬電壓信號(hào)放大，C5和R4組成的RC低通濾波電路濾波，使信號(hào)的幅值限制在0～5 V．之后將信號(hào)電壓送入到采樣保持器進(jìn)行采樣。當(dāng)工作液的電阻較小時(shí)，R5作為保護(hù)電阻，限制運(yùn)放的輸入電流，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，R8為平衡電阻，用來(lái)減小放大器輸入偏置電流所帶來(lái)的失調(diào)電壓。調(diào)節(jié)R9阻值進(jìn)行運(yùn)算放大器的調(diào)零。

圖3　工作液電導(dǎo)率信號(hào)采集調(diào)理電路

2．3．2采樣與保持器

在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中必需保持輸入信號(hào)不變，才能得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，故使用采樣保持器，簡(jiǎn)稱S/H。它具有2種功能：一種是采樣功能，采樣保持器的輸出跟蹤模擬輸入電壓；另一種是保持，采樣保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令撤銷為止。系統(tǒng)采用常使用的集成電路LF398N．它是一種高性能單片采樣/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采樣時(shí)間和低下降速度，廣泛應(yīng)用于高速A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和要求同步采樣的領(lǐng)域。

圖4為系統(tǒng)的信號(hào)采樣保持電路，在單片機(jī)P2．7口的控制下，高電平，采樣；低電平，保持。保持電容CH應(yīng)選用300～1 000 pF的高性能低漏電云母電容器。失調(diào)電壓的調(diào)整是通過(guò)與V+的分壓并調(diào)整1 kΩ電位器實(shí)現(xiàn)的。采集到的信號(hào)經(jīng)處理后，其范圍在0～5 V之間。

圖4　信號(hào)采樣保持電路

2．3．3A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換就是通常所說(shuō)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)使用典型的A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804。它是CMOS 8位單通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，逐次逼近式，片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，可以和單片機(jī)直接接口。單通道輸入，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為100 μs(fCK=640 kHz時(shí))，工作電壓是+5 V，分辨率是8位，即分辨率為1/28=1/256，轉(zhuǎn)換值介于0～255之間，輸出的電壓范圍是0～5 V，其A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5　A/D轉(zhuǎn)換電路圖

2．4溫度采集電路

電導(dǎo)率受溫度直接影響，所以必須設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路來(lái)減小溫度對(duì)水的電導(dǎo)率的影響[9]。系統(tǒng)采用探頭采用原裝進(jìn)口的DS18B20溫度傳感器芯片，不銹鋼封裝，防水、防潮、防生銹，供電電壓是3．0～5．5 V，9～12位可調(diào)分辨率，感溫范圍寬-55～+125 ℃，單總線接口。

DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖6所示。它采用單總線協(xié)議[10]，即與單片機(jī)接口僅需占用一個(gè)I/O端口，直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字碼方式串行輸出，簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器的接口。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)。

圖6　溫度傳感器電路圖

2．5液晶顯示電路

系統(tǒng)選用通用型1602液晶，用5 V電壓驅(qū)動(dòng)，工作電流2．0 mA帶背光，可顯示2行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII字符集字庫(kù)，只有并行接口，無(wú)串行接口。1602液晶與單片機(jī)接口如圖7所示，液晶1，2是電源接口端；15，16為液晶提供背光電源，在液晶15引腳上串接一個(gè)10 Ω的電阻限流，防止背光燈被燒壞；液晶3引腳用來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)比度，通過(guò)10 kΩ電位器調(diào)節(jié)液晶顯示的對(duì)比度；液晶4接單片機(jī)P3．6口，是液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端；液晶5端接地，因?yàn)椴粡囊壕ёx取任何數(shù)據(jù)，只是向其寫入數(shù)據(jù)；液晶6使能信號(hào)，接單片機(jī)P3．7端口。

圖7　1602液晶與單片機(jī)接口圖

2．6執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊是系統(tǒng)根據(jù)控制模塊發(fā)出的信號(hào)控制相應(yīng)的電磁閥和泵體工作，實(shí)現(xiàn)工作液智能交換控制?？刂七^(guò)程是：如果此時(shí)工況是粗加工，則使用粗加工液槽的工作液；如果此時(shí)工況是精修加工，則使用精加工液槽的工作液；如果精修加工的工作液槽的電導(dǎo)率不滿足要求，則發(fā)出警告，示意更換粗加工液槽。當(dāng)工作人員更換粗加工液槽的工作液后，手動(dòng)按交換按鈕，單片機(jī)接收到信號(hào)后，自動(dòng)互換工作液槽。即原精加工液槽被認(rèn)作是粗加工液槽，原粗加工液槽，由于已更換有新鮮工作液，故認(rèn)作為精加工液槽。

該智能系統(tǒng)控制的兩位三通電磁閥使用220 V交流電，型號(hào)是：3V1-06 AC220，采用繼電器驅(qū)動(dòng)。單向電泵型號(hào)是：DB-12，額定功率：40 kW額定電壓：380/220 V，最大流量12 L/s，最高揚(yáng)程3 m．單片機(jī)的I/O口輸出電流很小4～20 mA，所以要用三極管放大來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器；繼電器型號(hào)：HK4100F-DC5V-SH，由于繼電器線圈功耗是0．2 W，額定直流電壓5 V，阻值(士10%)為120 Ω，故繼電器工作吸合電流為0．2 W/5 V=40 mA或5 V/120 Ω≈40 mA；光電耦合采用高密度封裝型雙通道的PC827，該光電耦合器主要應(yīng)用于在不同工作電壓和阻抗的電路之間進(jìn)行信號(hào)傳遞。

3　結(jié)束語(yǔ)

文中闡述了工作液智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先介紹了整個(gè)智能系統(tǒng)總體硬件方案框圖；為減少極化效應(yīng)，系統(tǒng)選用帶防水的DJS-1CF(鉑黑)電導(dǎo)電極；詳細(xì)介紹了以STC89C52RC單片機(jī)為核心的智能系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理，采樣，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路已經(jīng)對(duì)電磁閥和泵體的控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選用性價(jià)比高的芯片，成本低，能滿足具有多次切割技術(shù)的快走絲電火花線切割工作液智能交換的硬件要求。

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