周 洪 蔣 毅 化春鍵 翟源康

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

電火花小孔機(jī)作為一種高頻脈沖電源提供加工能量，加工過(guò)程中無(wú)宏觀切削力的高精度、高效率機(jī)械加工設(shè)備，被廣泛使用在導(dǎo)電材料加工、航空航天、精密制造、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[1]。數(shù)控系統(tǒng)作為電火花小孔機(jī)核心之一，對(duì)電火花小孔機(jī)加工精度和穩(wěn)定性有著十分重要的影響。最初的數(shù)控系統(tǒng)多采用硬件控制，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了可以實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字控制的程度[2]，最大限度提高了制造效率，降低了制造成本。

數(shù)控技術(shù)起源于國(guó)外，在電火花加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。日本、瑞士和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家率先研發(fā)出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，提高了機(jī)床加工質(zhì)量和效率，縮短了制造周期，降低了制造成本[3]，三菱、沙迪克、瑞士Agie Charmilles等公司一直保持著在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位[4]。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局為解決傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法定義和擴(kuò)展的問(wèn)題，構(gòu)建了全軟件化的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)[5]，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)極大地推動(dòng)了電火花加工制造領(lǐng)域的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開(kāi)了相關(guān)改進(jìn)研究。哥倫比亞大學(xué)Y. Altintas等人采用PC+DSP的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了可編程的多軸數(shù)控系統(tǒng)[6]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉英杰[7]基于Windows平臺(tái)進(jìn)行了慢走絲線切割機(jī)床的研究和研發(fā)，李志勇等人[8]對(duì)Linux平臺(tái)下的電火花數(shù)控系統(tǒng)做了大量研究。

目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)在電火花線切割機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用，但整個(gè)電火花加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用卻相對(duì)較少[9]。本文基于Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用QT軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)了電火花小孔機(jī)數(shù)控系統(tǒng)各功能模塊，搭建了功能集成化的開(kāi)放式電火花小孔機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理、通信和用戶(hù)界面三個(gè)部分構(gòu)成。根據(jù)電火花小孔機(jī)加工的特點(diǎn)和任務(wù)需求，本文將數(shù)據(jù)處理部分細(xì)分成G代碼檢查、插補(bǔ)運(yùn)算、Z軸加工伺服運(yùn)算和加工狀態(tài)數(shù)據(jù)處理四個(gè)部分，與用戶(hù)界面GUI任務(wù)和通信任務(wù)共形成六個(gè)軟件任務(wù)，具體任務(wù)內(nèi)容如表1所示。

表1 電火花小孔機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件任務(wù)分析與分類(lèi)

1.1 數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

電火花小孔機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)具有并行的特點(diǎn)，部分任務(wù)之間還需要進(jìn)行高頻率的通信，保證數(shù)控系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。常見(jiàn)的多任務(wù)軟件架構(gòu)為多線程或多進(jìn)程，但為避免多線程架構(gòu)下任務(wù)并發(fā)執(zhí)行導(dǎo)致資源競(jìng)爭(zhēng)和死鎖的問(wèn)題，結(jié)合Linux系統(tǒng)下提供的豐富的進(jìn)程間通信方式，本文將數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)模塊化，采用多進(jìn)程的方式分塊編寫(xiě)，對(duì)比進(jìn)程間通信方式優(yōu)劣，結(jié)合各個(gè)任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了效率最高的任務(wù)間通信方式，如圖1所示。同時(shí)為了避免共享內(nèi)存空間的爭(zhēng)搶?zhuān)褂眯盘?hào)量方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)同步，使用信號(hào)方式處理突發(fā)的中斷事件。

1.2 數(shù)控軟件運(yùn)行流程

啟動(dòng)加工后，數(shù)控軟件任務(wù)并非全部同時(shí)運(yùn)行，如圖2所示，率先運(yùn)行的是GUI進(jìn)程、通信進(jìn)程和G代碼檢查進(jìn)程，為加工人員提供人機(jī)交互GUI界面并獲取此時(shí)機(jī)床實(shí)時(shí)位置等狀態(tài)信息顯示于GUI，提供加工代碼的輸入檢查服務(wù)。加工人員在完成G代碼檢查后，編譯執(zhí)行G代碼，此時(shí)G代碼檢查進(jìn)程便會(huì)保存退出，通信進(jìn)程將啟動(dòng)插補(bǔ)進(jìn)程和加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)程，加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)程再啟動(dòng)Z軸加工伺服進(jìn)程。雖然進(jìn)程之間存在著喚醒的先后，但保證了加工時(shí)是同時(shí)運(yùn)行、相互配合的，最大程度上節(jié)約了系統(tǒng)資源開(kāi)銷(xiāo)。

圖2 軟件任務(wù)啟動(dòng)流程

2 數(shù)控系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控指令集與G代碼檢查設(shè)計(jì)

通用數(shù)控程序指令不能滿(mǎn)足小孔機(jī)的加工需求，如表2所示，通過(guò)對(duì)通用數(shù)控程序指令進(jìn)行修改，添加新的指令，形成了符合電火花小孔機(jī)加工需求的特色數(shù)控指令集。其中G62命令是根據(jù)圓形陣列半徑A和陣列個(gè)數(shù)C進(jìn)行圓形陣列孔加工，G72命令是根據(jù)陣列X方向增量H和個(gè)數(shù)I與Y方向增量L和個(gè)數(shù)J進(jìn)行矩形陣列孔加工。該指令集方便了加工人員對(duì)小孔加工路徑的快速設(shè)計(jì)，減少了編程的重復(fù)性，提高了程序編寫(xiě)和加工的效率。

表2 小孔機(jī)修改和新增數(shù)控指令

在對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行加工信息提取之前，需要檢查所編寫(xiě)的G代碼是否符合相關(guān)規(guī)范，如表3所示，采用正則表達(dá)式的方式對(duì)加工人員輸入的G代碼進(jìn)行詞法、語(yǔ)法的分類(lèi)檢查[10]，分類(lèi)給出錯(cuò)誤類(lèi)型和錯(cuò)誤代碼，便于加工人員快速排除程序錯(cuò)誤，提高效率。

表3 錯(cuò)誤信息提示種類(lèi)

2.2 插補(bǔ)方式

電火花小孔機(jī)的加工過(guò)程主要是孔的加工，除傳統(tǒng)的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)方式外，本文特別設(shè)計(jì)了加工孔時(shí)的螺旋插補(bǔ)，即采用螺旋路徑進(jìn)行孔的加工，如圖3所示。螺旋加工可以使得電極磨損更加均勻，減小振動(dòng)和噪聲，降低電極損耗和加工成本，同時(shí)也能夠加工與電極絲直徑不同的通孔和銑削不同直徑的定深孔。這將進(jìn)一步拓寬小孔機(jī)的加工領(lǐng)域，提高小孔機(jī)的復(fù)雜加工能力。

圖3 螺旋線軌跡

但螺旋插補(bǔ)運(yùn)算涉及圓周運(yùn)動(dòng)和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行，為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高加工效率，如圖4所示，根據(jù)加工所需精度將螺旋線分割成多個(gè)直線段，采用多條直線段近似代替的方法進(jìn)行點(diǎn)的插補(bǔ)，在完成螺旋插補(bǔ)后，繼續(xù)讓電極絲采用相同的方法以打孔半徑插補(bǔ)整圓，這樣既能快速銑削孔內(nèi)部的材料，還在減少計(jì)算量的前提下進(jìn)一步提高了孔的加工精度。

圖4 完整螺旋插補(bǔ)軌跡示意圖

2.3 通信協(xié)議

通信進(jìn)程與數(shù)控軟件的其他任務(wù)通過(guò)共享內(nèi)存等進(jìn)程間的通信方式實(shí)現(xiàn)信息交換，除此之外，通信進(jìn)程還需要與下位機(jī)進(jìn)行通信。具體的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖5所示，通信信息的主要內(nèi)容有G代碼加工信息，包含了G代碼解析的軸控制信息和開(kāi)關(guān)量信息；GUI顯示和加工信息，包含了手動(dòng)控制X/Y/Z軸信息、手動(dòng)開(kāi)關(guān)量信息、放電參數(shù)信息和接收的反饋信息。綜合考慮這些信息，將通信協(xié)議分成運(yùn)動(dòng)控制、手動(dòng)控制、放電參數(shù)和反饋信號(hào)四類(lèi)進(jìn)行傳輸，分類(lèi)傳輸保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，減少了傳輸字節(jié)空間占用，避免了數(shù)據(jù)包不必要的過(guò)長(zhǎng)。

圖5 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)控系統(tǒng)的可行性，如圖6所示，在脫離加工狀態(tài)下進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)部分功能的仿真測(cè)試，如G代碼的檢查、加工軌跡顯示、機(jī)床狀態(tài)信息獲取等，并對(duì)其交互性進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

圖6 GUI功能仿真測(cè)試

如圖7所示，通過(guò)搭建電火花小孔加工平臺(tái)，在厚度為0.5 mm的不銹鋼板上，采用鎢絲作為電極絲，非浸沒(méi)加工直徑為0.5 mm的通孔，驗(yàn)證電火花小孔機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制小孔機(jī)各模塊進(jìn)行協(xié)同加工的能力。加工過(guò)程及小孔加工結(jié)果如圖8所示。

圖7 電火花小孔加工平臺(tái)

圖8 小孔加工過(guò)程及結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從傳統(tǒng)電火花小孔機(jī)存在的問(wèn)題入手，設(shè)計(jì)了一套電火花小孔機(jī)數(shù)控加工平臺(tái)控制系統(tǒng)。對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)仿真測(cè)試，結(jié)果表明其具有良好的人機(jī)交互性，并通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的小孔加工能力，為集成化電火花數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)提供了一定的參考。

在未來(lái)的研究中還可繼續(xù)豐富電火花小孔機(jī)的數(shù)控指令集，優(yōu)化插補(bǔ)算法和通信協(xié)議格式，進(jìn)一步提高小孔機(jī)的加工精度和效率。