李 鴻，梁 榮

（寧波工程學(xué)院 杭州灣汽車(chē)學(xué)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(chǎn)生的局部、瞬態(tài)高溫以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電材料的電蝕加工，在成型過(guò)程中電極不與工件直接接觸，且無(wú)明顯的切削力作用，加工性能也不受材料硬度、強(qiáng)度和韌性等因素影響，具有加工精度高、材料適用性強(qiáng)和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1～3]。電火花線切割機(jī)床是影響工件電蝕加工精度和效率的關(guān)鍵，目前國(guó)外多采用慢走絲線切割機(jī)，其加工精度約2μm、表面粗糙度Ra可達(dá)0.8μm，而我國(guó)普遍使用高速走絲線切割機(jī)，其工作原理不同，實(shí)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(guò)程中，工件加工精度和效率受工作臺(tái)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(tǒng)能支持的監(jiān)控功能有限，單CPU控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電極絲加工軌跡在線插補(bǔ)、機(jī)床間隙與線電極損耗實(shí)時(shí)補(bǔ)償、電火花線切割工藝參數(shù)優(yōu)化與協(xié)同控制，更無(wú)法有效提高電加工的精度和效率。

在雙CPU協(xié)作框架中[4,5]，上、下位機(jī)配合能將在線插補(bǔ)、實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)化算法直接作用于高速走絲線切割控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)高效處理復(fù)雜的測(cè)控參數(shù)。在此技術(shù)背景下，本文利用上位機(jī)ARM和下位機(jī)DSP設(shè)計(jì)了一種雙CPU協(xié)作的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，在上位機(jī)ARM上植入多任務(wù)實(shí)時(shí)RT-Linux操作系統(tǒng)，由工件幾何特征和電蝕加工放電狀態(tài)識(shí)別實(shí)現(xiàn)在線插補(bǔ)、齒隙補(bǔ)償、多軸聯(lián)動(dòng)等多進(jìn)程任務(wù)協(xié)調(diào)控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

脈沖激勵(lì)下，高速走絲線切割需要按一定的節(jié)拍時(shí)間頻繁往復(fù)走絲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和上下導(dǎo)向輪構(gòu)成的走絲機(jī)構(gòu)帶動(dòng)線電極往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且走絲過(guò)程中提供斷絲檢測(cè)和張力調(diào)節(jié)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(biāo)工作臺(tái)上，由工件緊貼工作臺(tái)的Z向尺寸調(diào)整Z軸位置，再橫向、縱向移動(dòng)坐標(biāo)臺(tái)確定線切割的初始位置。脈沖電源的正極接工件、負(fù)極通過(guò)進(jìn)電塊連接電極絲，由峰值電流、脈寬和頻率調(diào)節(jié)線切割加工質(zhì)量。工作液為電蝕加工提供絕緣介質(zhì)，并對(duì)電極與金屬工件間脈沖放電產(chǎn)生的局部高溫作降溫處理，及時(shí)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(jié)拍實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高效率和高精度加工，因此其控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用支持多任務(wù)協(xié)作與實(shí)時(shí)調(diào)度的ARM和嵌入式RT-Linux操作系統(tǒng)的軟硬件方案，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)核采用ARM和DSP雙CPU協(xié)作框架，其中ARM為上位機(jī)控制器，在植入的嵌入式RT-Linux操作系統(tǒng)上配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)適于高速走絲線切割加工的操作界面、NC編譯、工作臺(tái)移動(dòng)、線電極和工作液控制等應(yīng)用功能；DSP為下位機(jī)控制器，主要實(shí)現(xiàn)電極絲加工軌跡在線插補(bǔ)、機(jī)床齒隙補(bǔ)償、脈沖電參數(shù)調(diào)節(jié)、工作臺(tái)五軸電機(jī)伺服控制等功能。此外，與傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制相比，在高速走絲線切割過(guò)程中引入帶工件特征和電蝕加工狀態(tài)識(shí)別的雙閉環(huán)控制，以在線識(shí)別的電蝕加工狀態(tài)為目標(biāo)反饋優(yōu)化加工軌跡插補(bǔ)、脈沖電參數(shù)和工作臺(tái)軸向運(yùn)動(dòng)，以工件幾何特征為目標(biāo)反饋補(bǔ)償齒隙和線電極損耗。

圖2 總體方案

2 硬件設(shè)計(jì)

高速走絲線切割控制系統(tǒng)硬件由上位機(jī)ARM和下位機(jī)DSP兩部分組成，如圖3所示。上位機(jī)ARM采用高性?xún)r(jià)比、低功耗和內(nèi)置高性能ARM 920T RISC內(nèi)核的S3C2440A控制器，該芯片具有16KB指令緩存I-Cache和16KB數(shù)據(jù)緩存D-Cache，利用分開(kāi)的I-Cache和D-Cache提高線切割加工過(guò)程上位機(jī)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(gè)通用I/O和LCD控制器等豐富的片上資源，通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件配置可開(kāi)發(fā)出適于高速走絲線切割控制的人機(jī)交互、存儲(chǔ)、通信接口、模擬量和數(shù)字量I/O等外設(shè)模塊。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上位機(jī)ARM通過(guò)配置電源、晶振和復(fù)位等電路構(gòu)建S3C2440A最小系統(tǒng)。人機(jī)交互提供操作人員4×4鍵盤(pán)輸入和TFT液晶顯示功能，4×4鍵盤(pán)使用ARM芯片4個(gè)通用I/O和4個(gè)外部中斷，TFT屏使用LCD控制器。上位機(jī)存儲(chǔ)按實(shí)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(jī)嵌入式RT-Linux引導(dǎo)程序存儲(chǔ)和運(yùn)行，Nand Flash采用128MB容量K9F2808，用于高速走絲線切割過(guò)程中大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份，SDRAM采用2片HY57V561620，用于在線插補(bǔ)、齒隙補(bǔ)償、電參數(shù)調(diào)節(jié)等控制程序運(yùn)行和過(guò)程數(shù)據(jù)緩存。上位機(jī)配置USB和RS-232通信接口，利用USB驅(qū)動(dòng)和S3C2440A的USB接口為操作人員提供支持熱插拔的USB設(shè)備接口，RS-232通信采用MAX3221電平轉(zhuǎn)換將上位機(jī)UART擴(kuò)展為異步串口，基于該通信接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)ARM與下位機(jī)DSP之間串行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。上位機(jī)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(shù)字量I/O，且I/O信號(hào)監(jiān)測(cè)與S3C2440A控制器間使用光耦隔離，確保上位機(jī)ARM具有較強(qiáng)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(jī)ARM連接，提供16路模擬信號(hào)采集，在線監(jiān)測(cè)脈沖電參數(shù)、工作液流量和線電極張力等模擬信號(hào)。數(shù)字量I/O利用光耦隔離將按鈕、位置開(kāi)關(guān)反饋等開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入到上位機(jī)ARM，再由光耦和繼電器輸出開(kāi)關(guān)指令。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

下位機(jī)DSP采用在電機(jī)數(shù)字化控制方面具有高性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)的TMS320F2812芯片，其具有2個(gè)事件管理器，支持高速走絲線切割加工過(guò)程工作臺(tái)X/Y/Z/U/V五軸電機(jī)、線電極驅(qū)動(dòng)電機(jī)和工作液泵組等機(jī)電系統(tǒng)的高精度控制。電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)采用IR2132功率驅(qū)動(dòng)芯片和IGBT組成的逆變電路，如圖4所示，操作人員通過(guò)人機(jī)交互將待加工工件的幾何特征輸入上位機(jī)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(jī)，由DSP輸出6路PWM信號(hào)作用于功率芯片IR2132，進(jìn)而控制功率管Q1～Q6的導(dǎo)通順序。電機(jī)位置和編碼器輸出脈沖分別反饋回上、下位機(jī)，下位機(jī)在線判定電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，基于電蝕加工放電狀態(tài)和電機(jī)位置，上位機(jī)將插補(bǔ)算法編譯加載到下位機(jī)，通過(guò)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)高速走絲線切割加工的高效率和高精度控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 RT-Linux多任務(wù)實(shí)時(shí)操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

電極絲加工軌跡在線插補(bǔ)、機(jī)床齒隙補(bǔ)償、脈沖電參數(shù)調(diào)節(jié)、工作臺(tái)五軸電機(jī)伺服控制等功能實(shí)現(xiàn)以多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Linux為核心，包括Linux系統(tǒng)植入、引導(dǎo)程序配置、多任務(wù)實(shí)時(shí)操作平臺(tái)配置、線切割加工在線控制與調(diào)度等。Linux系統(tǒng)植入上位機(jī)ARM主要是對(duì)頂層makefile文件的修改，利用交叉編譯器配置上位機(jī)ARM的內(nèi)核文件，經(jīng)編譯后在對(duì)應(yīng)boot目錄中生成內(nèi)核映像zImage?？紤]高速走絲線切割對(duì)大容量RAM需求，利用Kernel配置支持Ramdisk，將部分內(nèi)存虛擬為塊設(shè)備，由mkcramfs壓縮工具生成Linux系統(tǒng)根文件映像，然后利用U-Boot將內(nèi)核和根文件映像一起燒錄到Flash對(duì)應(yīng)分區(qū)中，完成Linux系統(tǒng)植入上位機(jī)ARM。

由于Linux內(nèi)核處理優(yōu)先級(jí)不同的多任務(wù)時(shí)存在進(jìn)程不可搶占等問(wèn)題，因此需要應(yīng)用實(shí)時(shí)補(bǔ)丁修改與進(jìn)程調(diào)度、中斷處理相關(guān)的源文件，經(jīng)重新加載內(nèi)核映像以支持多任務(wù)實(shí)時(shí)操作。高速走絲線切割的多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度如圖5所示，對(duì)于多任務(wù)進(jìn)程，在線插補(bǔ)、齒隙補(bǔ)償和伺服控制等實(shí)時(shí)任務(wù)在RT-Linux操作系統(tǒng)上運(yùn)行，其余對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù)則采用Linux內(nèi)核。不同實(shí)時(shí)性要求的進(jìn)程采用先入先出隊(duì)列通信，即優(yōu)先執(zhí)行實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電極絲加工軌跡在線插補(bǔ)、機(jī)床實(shí)時(shí)補(bǔ)償、電火花線切割工藝參數(shù)優(yōu)化與協(xié)同控制等。

圖5 基于RT-Linux操作平臺(tái)的多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度

3.2 高速走絲線切割控制軟件設(shè)計(jì)

高速走絲線切割控制軟件由上位機(jī)操作界面和實(shí)時(shí)控制程序兩部分組成。上位機(jī)操作界面基于QT/Embedded設(shè)計(jì)，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(jìn)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(shù)設(shè)置，以狀態(tài)字形式實(shí)時(shí)反饋線切割機(jī)床各模塊運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)故障字準(zhǔn)確給出線切割加工異常對(duì)應(yīng)的機(jī)床故障。

圖6 主操作界面

如前文所述，高速走絲線切割實(shí)時(shí)控制以RT-Linux操作平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)工件幾何特征和電蝕加工放電狀態(tài)識(shí)別構(gòu)成雙閉環(huán)控制，具體控制流程如圖7所示。以工件幾何特征為目標(biāo)，對(duì)線切割加工軌跡進(jìn)行模擬，若操作人員確定線切割加工，閉環(huán)控制聯(lián)機(jī)，由模擬切割確定實(shí)際切割所需齒隙補(bǔ)償。在線切割加工過(guò)程中，線切割按編譯的NC代碼進(jìn)行放電加工，以電蝕加工放電狀態(tài)識(shí)別為目標(biāo)，確認(rèn)有效的脈沖放電后，RT-Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核對(duì)伺服電機(jī)位置和編碼信號(hào)進(jìn)行在線處理，并將加工軌跡插補(bǔ)算法加載到下位機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上位機(jī)ARM和下位機(jī)DSP設(shè)計(jì)雙CPU協(xié)作的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，上位機(jī)ARM植入多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Linux，在嵌入式RT-Linux操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、NC編譯、線切割加工控制等應(yīng)用功能，再由工件幾何特征和電蝕加工放電狀態(tài)識(shí)別實(shí)現(xiàn)在線插補(bǔ)、實(shí)時(shí)補(bǔ)償和多軸聯(lián)動(dòng)等多進(jìn)程任務(wù)的協(xié)調(diào)控制。所開(kāi)發(fā)的雙CPU協(xié)作系統(tǒng)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(jī)硬件配置合理，能有效監(jiān)測(cè)和反饋線切割加工過(guò)程機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)，借助雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件線切割加工的高效率和高精度控制。該系統(tǒng)的應(yīng)用大幅改善單CPU框架監(jiān)控功能有限、在線插補(bǔ)與多軸聯(lián)動(dòng)協(xié)同控制性能差等問(wèn)題，也提供了一種適于高速走絲線切割加工過(guò)程優(yōu)化算法加載的解決方案，有利于提高線切割加工精度和質(zhì)量，具有良好的工程應(yīng)用前景。

圖7 高速走絲線切割實(shí)時(shí)控制流程