王海祥 ，汪 林，滕 凱

（徐州工程學院 江蘇 徐州 221000）

近年來，隨著高精度、主硬度和高復(fù)雜度模具的發(fā)展，電火花線切割加工WEDM(Wire-cut Electrical Discharge Machining)在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。電火花線切割加工具有加工精度高、表面質(zhì)量好和效率高等特點，已經(jīng)成為模具制造和金屬加工行業(yè)必不可少的手段，適用于各種沖模、粉末冶金模，各種樣板、磁鋼及硅鋼片的沖片，可加工鉬、鎢、半導(dǎo)體或貴重金屬的材料，特別適合于新產(chǎn)品的研制，可大大節(jié)約工裝費用，縮短新產(chǎn)品的研制周期。

中走絲是指具有多次切割功能的高性能快走絲加工方。由于中走絲切割具有獨特的加工優(yōu)勢，因此在現(xiàn)代加工中所占比例越來越大，但在線切割效率、切縫表面粗糙度和加工精度上還有很大的提升空間。上述方面的相關(guān)研究都因為裝置繁瑣得不到推廣而沒有突破此瓶頸[2]。為改善高速中走絲線切割機的加工精度，必須進一步改進機床的結(jié)構(gòu)，使其更為合理。鑒于此，該文研究重點是利用以AT89C52單片機為核心來控制絲杠與噴嘴相互配合，進而提高切割精度和效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了改善中走絲線切割機多次切割的加工精度和加工效率，設(shè)計一款以AT89C52單片機為主控芯片的跟蹤式噴射流裝置，該裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由AT89C52單片機模塊、金屬傳感器模塊、步進電機模塊、滾珠絲杠等幾部分組成。本文研究通過動態(tài)跟蹤控制裝置有效地控制工作液噴射壓力和高度，當噴射壓力為0.5 Mpa，噴射高度為5 mm，冷卻和排屑效果增強，工件的表面粗糙度降低，工件的切割精度和切割效率明顯提高。該裝置的特色在于加工工件表面高度不同時線切割的噴嘴金屬傳感器靠近工件表面時發(fā)出信號到控制系統(tǒng)，步進電機接收到信號后控制噴嘴上下移動，控制噴嘴與加工表面之間的噴射高度，提高切削效率和表面粗糙度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

2 硬件部分設(shè)計

2.1 AT89C52單片機

從本系統(tǒng)來說，全部選用的AT89C52單片機都是來自于ATMEL公司所生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，該單片機的最小系統(tǒng)如圖2所示，其片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）[3]；元器件方面則是采用了ATMEL公司所生產(chǎn)的，他們不僅密度高、而且在生產(chǎn)過程中采用了非易失性存儲技術(shù)，因此，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)。而且在其片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。

圖2 AT89C52單片機最小系統(tǒng)Fig.2 AT89C52 single-chip microcomputer minimun system

此外，AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。因此，要是普通的單片機，對于很復(fù)雜的場合很難進行應(yīng)用，但是對于功能強大的AT89C52單片機，則都可以適用于環(huán)境比較復(fù)雜的控制應(yīng)用場合，所以本系統(tǒng)選擇AT89C52單片機來進行運用是較為適宜的。

2.2 金屬傳感器設(shè)計

傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，被認為是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國內(nèi)外公認的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[4]。由于傳感器具有精度高，測量范圍廣 ，頻率響應(yīng)特性較好 ，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，可在高(低)溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學腐蝕等惡劣條件下正常工作的優(yōu)點，它的應(yīng)用范圍越來越廣泛，目前已廣泛應(yīng)用于國防科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)，宇宙開發(fā)，海洋探測，環(huán)境保護，資源調(diào)查，醫(yī)學診斷，生物工程，甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域中[5]。

在本系統(tǒng)中，所選用的金屬傳感器是由日本歐姆龍集團（OMRON Corporation）所生產(chǎn)的一款工作電壓12-24VDC三線NPN的E2E-X10ME1-Z金屬傳感器。該傳感器具有電源反接保護、短路保護，可直接與單片機相連的特點，因此可直接由AT89C52單片機直接控制，快速的控制其他部件運行。同時，它的使用壽命長，可靠性高，耐環(huán)境強，與線切割多次切割所需要的環(huán)境和要求加工精度高相吻合。而且E2EX10ME1-Z在充電部與外殼間具有50兆歐姆以上的絕緣阻抗和AC1000V 50/60Hz/min的耐高壓，并且振動與抗擊能力都很耐久，這完全可以抵抗中走絲線切割機床在多次切割時所產(chǎn)生的振動干擾，保證加工零件的精度要求。此外，該金屬傳感器有IP67防護結(jié)構(gòu)（IEC標準）、耐高壓、耐腐蝕和防浸水的優(yōu)勢，使他的外殼強度能抵抗加工零件對它的沖擊，保證了加工零件的表面粗糙度和精度要求。在該跟蹤式噴射流裝置中，金屬傳感器通過事先設(shè)置一個探測距離，加工凹凸零件時，當物體進入探測范圍以內(nèi)，振蕩頻率提高，傳感器檢測到這個變化之后，將檢測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給AT89C52單片機，最終控制步進電機運動。

2.3 步進電機設(shè)計

當AT89C52單片機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號后，就需要步進電機將其轉(zhuǎn)換為位移變量，進而帶動絲杠上下移動。步進電機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機[6]，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚小Ｍㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，可以達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機慣量低，定位精度高，無積累誤差，控制簡單等特點，通常被用作定位控制和定速控制。正常情況下，由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。步進電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。

在本系統(tǒng)中，所選用的執(zhí)行元件是86三相步進電機。通過將三相步進電機與二相步進電機進行比較后發(fā)現(xiàn)，86三相步進電機在小步距角方面較好，轉(zhuǎn)矩波動比二相電機要小，由于三相步進電機結(jié)構(gòu)原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電機的振動力矩比二相電機的要小[7]。同時，三相電機的兩相勵磁最大保持力矩為T1（T1 為單相勵磁轉(zhuǎn)矩），而二相電機為T1，所以三相電機的合成力矩大。通過AT89C52單片機為MCU組成三相步進電機控制器，鍵盤顯示電路,預(yù)制并顯示步進數(shù),經(jīng)單片機I/O通道和有關(guān)外圍電路輸出三相步進電機脈沖,放大后作為驅(qū)動三相步進電機的控制信號,按預(yù)制的步進數(shù)實現(xiàn)步進電機的正/反相運轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠上下傳動，控制噴距來達到降低加工零件的表面粗糙度。而且采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)[8]，大大簡化了電子線路,提高了可靠性。因此，本系統(tǒng)采用三相步進電機是非常明智的選擇。

2.4 滾珠絲杠設(shè)計

當86三相步進電機輸出預(yù)設(shè)的角位移后，就需要一個傳動元件來做出相應(yīng)的反應(yīng)，進而帶動噴嘴上下傳動，調(diào)節(jié)工作液噴射壓力和高度，而滾珠絲杠就是此傳動元件。在本系統(tǒng)中，選用精密滾珠絲杠作為傳動元件，通過與其他傳動元件進行比較之后發(fā)現(xiàn)，該精密滾珠絲杠兼具無側(cè)隙、剛性高、高精度、高速進給可能、微進給可能等眾多方面的優(yōu)點，從而使噴距精確達到預(yù)置的位移，減小線切割多次切割對工件表面的切削應(yīng)力，使它的表面粗糙度降低。而且，精密滾珠絲杠是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，它的高精度、可逆性、定位準和高效率逐漸就體現(xiàn)出來了。當精密滾珠絲杠接受到86三相步進電機發(fā)出的信號時，螺母就會隨絲桿的轉(zhuǎn)動角度按照對應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運動，噴距可以通過螺母座和螺母連接，從而實現(xiàn)噴距的直線運動。同時，精密滾珠絲杠可以得到較高的運動效率，啟動力矩極小,摩擦阻力很小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)噴嘴精確的微進給[9]，來控制噴嘴與加工零件之間保持一定的距離，實現(xiàn)工作液噴射高度和壓力的自動調(diào)節(jié)，進而加工效率和精度得到提高。由此選擇精密滾珠絲杠應(yīng)用于跟蹤式噴射流裝置是非常合適的。

3 結(jié)束語

綜述所示，本文所設(shè)計的中走絲線切割多次切割跟蹤式噴射流裝置的系統(tǒng)相對于別的裝置來說有了更多的優(yōu)勢，首先，系統(tǒng)在對各配件的選用上，都是相對來說比較好的；其次，在同種配件中，他們都有著許多突出的優(yōu)勢；所以將它們共同應(yīng)用于本系統(tǒng)上后，本系統(tǒng)也就比其他的系統(tǒng)多了更多的優(yōu)勢。通過實際加工后，我們可以看到該跟蹤式噴射流控制裝置不僅提高了零件的切割效率，而且在表面粗糙度和工件精度都有了很大的改善，達到預(yù)期效果。在當前市場中，尚未出現(xiàn)同類別的配備噴射流自動跟蹤系統(tǒng)的中走絲線切割產(chǎn)品，具有較高的性價比和較好的市場應(yīng)用前景，值得推廣。

[1]張艷.高速走絲電火花多次切割精度及表面質(zhì)量研究[D］.南京:南京航空航天大學，2010.

[2]劉建強,符鵬鵬.電火花線切割上下異形零件的工藝試驗[J].青海大學學報,2013(2):68-71.LIU Jian-qiang,FU Peng-peng.Wedm and special-shaped parts of technological test[J].Journal of Qinghai university,2013(2)：68-71.

[3]何沖，王淑紅，侯勝偉，等.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J].電氣技術(shù)，2012(4):5-8.HE Chong,WANG Shu-hong,HOU Sheng-wei,et al.Research of Control System of Two-phase Hybrid Stepping Motor Based on AT89C52 Microcontrollers[J].Electrical Engineering.2012(4):5-8.

[4]孫晶，凌云峰。傳感器的原理與應(yīng)用研究[J].科技資訊.2011(21):4.SUN Jing,LING Yun-feng.The principle and application of the sensor research[J].Journal of Information Science and Technology,2011(21):4.

[5]賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)[M].南京：東南大學出版社，2006.

[6]許宏福，陳勇志，姚敏，等.步進電機的單片機智能化控制[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011(21):26-27.XU Hong-fu，CHEN Yong-zhi，YAO Min，et al.Intelligent control of the step motor by the microcomputer[J].China Modern Education Equipment，2011(21):26-27.

[7]花同.步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2011(15):13-15.HUA Tong.Design of stepping motor control system[J].Electrion Design Engineering,2011(15):13-15.

[8]魏 雅.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計工程,2013(18):156-157.WEI Ya.Research of stepper motor control system based on singlechip[J].Electronic Design Engineering,2013(18):156-157.

[9]白龍騰，王毅，楊曉輝.工藝參數(shù)對CVD制備熱解碳界面層厚度的影響[J].火箭推進，2014（3）：46-51.BAILong-teng，WANGYi，YANGXiao-hui.Effects of process parameters on thickness of pyrolytic carbon interface layer by CVD[J].Journal of Rocket Propulsion,2014（3）：46-51.