基于Windows XP的高性能中走丝线切割数控系统

黄水利,周 扬

(北京凝华科技有限公司,北京102308)

往复走丝电火花线切割机床作为我国具有自主知识产权的独创设备,自诞生至今,已在制造业中发挥了巨大作用。随着汽车、家电、电子、军工、航空航天、船舶等制造领域的发展,数控电火花线切割机床的性能也面临着巨大挑战。如何提高切割效率、改善表面粗糙度、增强设备的可靠性、提升客户作用的便利性、节省用户的使用成本,将成为制造企业努力追求的目标。而作为数控机床不可或缺的数控系统,始终是绕不过去的一个关键技术。

本公司在多年生产往复走丝线切割机床的基础上,于2004年开始研制行业俗称的“中走丝线切割机床”,丝速可调、进三退二、多次切割等技术相继成熟,并成功应用于产品上。近年来,随着对计算机技术、控制技术和Windows XP软件编程技术的深入研究,结合对客户需求的深入分析和总结,公司在综合技术资源和用户需求的基础上,潜心研制出新一代基于Windows XP的高性能中走丝线切割机床数控系统——NH9W线切割数控系统。

1 功能简介

NH9W电火花线切割数控系统采用嵌入式计算机技术,轨迹跟踪数控技术,自适应脉冲电源技术,为电火花线切割机床提供完备高效能和高精度的控制。其主要功能和特点有:

(1)配置Windows XP操作平台,为操作人员提供明晰的生产过程监测窗口、参数设置窗口、程序代码修改编辑窗口、机床调试和校准窗口及其他辅助功能窗口。过程监测窗口提供数字位置指示和图形跟踪两种过程检测方式。

(2)配置内置的数字控制单元,实现4个数控轴的位置运动控制,插补采用DDA算法,精插补采用专用硬件芯片实现,I/O接口采用完全的光电隔离,该单元具有两轴插补、复合重点找正(两个平面坐标的原点重合)、自动对中、根据放电间隙自动调整进给速度及短路自动回退功能。

(3)实现工件坐标和走丝上端平面坐标两组双轴数控系统的联动控制,切割过程采用轨迹跟踪方式,控制精度达0.001 mm。

(4)配置局域网络接口,建立外部计算机与机床、机床与机床之间的程序传送能力,其标准代码为ISO-G代码,兼容传统3B代码。

(5)配置内置的过程监测控制单元,实现机床工作过程的状态检测和动作控制,I/O接口采用完全的光电隔离,该单元具有放电间隙检测、断丝检测、丝筒调速换向和动作控制、高频电源控制、水泵控制及其他辅助功能控制等功能。

(6)有1 μ m的光栅输入接口,并具备光栅(螺矩)补偿功能,是构成全闭环数控机床的核心技术。

(7)配置Windows XP设计平台,可借助第三方图形设计编程软件,实现工件的图形输入,自动完成加工程序的编制,即本系统有3种输入方式:一是象直线、圆弧等简单的指令编码;二是在本机绘制图形;三是从局域网读入G或3B代码或图形。

(8)优化配置了大功率电源处理单元,给脉冲电源提供优良的能源,提高系统稳定性,为单个脉冲能量均一化提供保证。

(9)结构合理布局,各单元采用模块化结构,弱化对使用环境或温度的要求,优化制作工艺,提高可靠性和一致性。

(10)智能工艺数据库。根据材料厚度及加工目标要求,自动生成加工工艺参数,方便操作,降低了对操作人员技术水平的信赖程度。

2 硬件的组成框架

(1)NH9W数控系统的硬件主要由嵌入式工业计算机、运动控制器和脉冲电源发生器组成(图1)。嵌入式工业计算机完成上位计算功能,人机界面操作与显示;运动控制器通过并行总线与计算机连接,实现高速信息交换,而计算机以镶嵌的方式安装在运动控制器主板上,形成一体化结构,完成数控和过程控制功能及必要的I/O接口;脉冲电源发生器则通过RS232串口通讯与计算机相连,接受来自上位机的脉冲指令,根据指令进行开关脉冲和输出基础的脉冲序列和电流控制,并检测极间放电状态,综合放电状态对基础脉冲进行适应调整。

图1 数控系统硬件框图

(2)嵌入式工业计算机采用一体化结构,单板集成全系统。该主机板以OEM的方式由专业厂家制作,保密性强,配套外部存储器采用笔记本专用电脑硬盘,提供标准 CRT/LCD显示器接口,10/100 Mbps网络接口,2个RS232/485串行通讯接口,两个USB接口,PS/2键盘和鼠标接口。

(3)运动控制器是一台具有独立CPU的智能控制器,采用32位120 M主频工业控制器作为中央处理器,数控插补部分采用FPGA大规模现场可编程逻辑器件。运动控制器采用单板化结构,作为前端控制器的同时还作为系统的主板,为整个系统提供直流稳压电源、总线连接和安装支撑。配置五轴CNC(一路预留)、4路模拟量输入、16路开关量输出、20路开关量输入、光栅接口及手持盒接口等。

(4)脉冲电源发生器也是一台具有独立CPU的控制器,采用ARM作为中央处理器,FPGA产生脉冲,间隙检测采用高速专用芯片,间隙检测信息一方面用以自适应调整脉冲参数,一方面提供给运动控制器作为进给依据。

(5)作为已有将近20年历史的电加工设备专业生产厂家,公司在脉冲电源方面有独到的经验,无论是电火花成形机、线切割机或穿孔机,在针对其不同的应用上,在放电脉冲功率单元设计与制作工艺上都有着深刻的理解。在本系统中,脉冲发生放大、检测技术都有了新的提高,二者互为补充,相得益彰,为NH9W数控系统提高放电工艺性能奠定了良好的基础。

3 核心软件

在NH9W数控系统中,上位机嵌入式工业计算机主要实现人机交互、程序编辑、译码、工艺数据库管理、图形处理、网络通信等功能,并通过总线控制运动控制器和脉冲发生器。

3.1 工艺专家数据库

运行于Windows XP操作系统上的NH9W数控系统,具有足够大的运算空间和速度,在系统中可方便地建立起可查询的工艺数据库。一方面,在本公司大量工艺经验的积累下,建立起符合实际加工的数据;另一方面,通过理论建模,为客户拓展加工范围预留了相应的接口。用户可把自己认为理想的工艺数据储存起来供今后调用,同时也可通过输入“材料”、“厚度”、“效率”或“表面粗糙度”优先选择等,由计算机进行模糊计算,提供最恰当的加工参数,包括可在表面粗糙度优先的时候,给出多次切割的收缩量和对应的参数值。

3.2 间隙检测

放电间隙检测是通过连接在工件与钼丝电机上的信号线采集的。通常的间隙检测是经过分压、滤波后再经过压频转换,控制伺服的进给和速度。脉冲电源几乎是开环形式的,在本系统中,采用的是对间隙放电脉冲的数字检测。一般而言,放电脉冲有开路(击穿延时)、正常放电、产生短路、短路等特征信号量。在本设计中,以 n个脉冲取样,针对几个脉冲在存储器中采用FIFO方式,把脉冲归类定义计个数开路 nk、正常放电 nd、高阻 nI、短路预短路ns,n=nk+nI+nd+ns,再取其不同的比率开路率ηk=nk/n 、高阻率 ηI=nI/n 、放电率 ηd=nd/n 、短路率 ηs=ns/n,根据多种比率的组合,建立不同的控制策略,采用数字PID调节,以最大限度地提升采样跟踪效能。经反复调整参数和大量工艺加工试验,达到了良好的跟踪效果,改善了间隙状态,极大地提升了脉冲利用率。

3.3 位置补偿

在开环的步进电机控制系统中,高精度的跳步模是不可想象的,即使在闭环或半闭环的伺服电机控制系统中,要想实现高的定位精度,对丝杠或光栅尺提出的要求也较苛刻。因此,位置补偿成为提高定位精度和降低成本的必要手段。

用激光干涉仪通过对螺距或光栅尺(全闭环,光栅尺精度也同样需要补偿)进行实际测量,得到运动轴全程的误差分布曲线。误差有正有负,当误差为正时,表明实际移动距离大于理论的移动距离,则在此扣除进给脉冲指令,使电机以少进一步的方式进行误差补偿;当误差为负时,表明实际的移动距离小于理论的移动距离,则采取增加脉冲指令,使电机以多进一步的方式进行误差补偿。

4 使用效果

(1)多任务功能。在加工过程中,切换到编程界面或网络界面,进行新图绘制或从网络上收发文件。

(2)跳步模精度。图2是4个外切r=12 mm的圆的八方内腔,切割顺序为:1、2、3、4。加工前预先打好穿丝孔。4个内腔的几何精度为0.008～0.010 mm,XY方向的跳步定位精度为0.010～0.012 mm。

图2 跳步模精度示意图

(3)多次切割表面粗糙度。对40 mm厚的Cr12钢工件进行 3次切割,表面粗糙度值约为Ra1.2 μ m,表面均匀、无换向条纹;4次切割的表面粗糙度值为 Ra 0.8～0.9 μ m。

(4)一次切割效率。采用直径0.18 mm的钼丝,对60 mm厚的45钢进行切割,最大切割效率＞256 mm2/min。

(5)大面积切割。采用直径0.18 mm的钼丝,对60 mm厚的45钢进行切割,平均切割效率为130 mm2/min,连续切割260 000 mm2,钼丝损耗0.02 mm。

5 结束语

NH9W的界面设计更加人性化,方便了控制系统的学习和操作培训,可方便地与控制中心或其他机床联网;高速采样电路实现了单个脉冲放电的数字采样,并通过对不同状态的脉冲率统计分析,实现了自适应的脉冲调节和伺服控制;通过位置补偿,为高精度的跳步模加工打下基础;更有诸如手持盒、工艺库等,为操作者提供了最大的便利性。

基于WindowsXP的高性能中走丝线切割数控系统NH9W,充分发挥了现代计算机技术、高速电子器件技术、高速数字信息处理技术、伺服与插补控制技术的作用,结合放电加工工艺和机床的传动,进行了综合研制,全方位地提升了产品的可操作性、加工工艺性、系统可靠性及可维护性,具有广阔的市场前景和应用价值,必将为我国的制造业做出更大贡献。