（机械制造及其自动化专业论文）基于windows的电火花线切割监测系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 电火花数控线切割加工作为特种加工的一种重要方法，其应用日益广泛，尤 其在模具加工等领域，已经成为一种不可缺少的先进加工方法。高速走丝电火花 线切割机是我国独创的电加工设备，结构简单、价格低廉、使用成本低，是我国 产量最大、应用最广泛的机床种类之一。目前，国内现有的高速走丝线切割控制 系统是开环的，即控制系统对输出给步进电机的信号没有反馈，这样的结构对于 加工过程是不安全的。 本文针对该问题，在广泛查阅相关文献和调研的基础上，采用面向对象的编 程技术，创造性地开发出电火花线切割监测系统。该系统采用目前最流行的 w i n d o w s 操作系统作为基础平台，以功能强大的v c + + 为开发工具。本文对该监测 系统的关键技术进行了研究，主要内容和成果如下： 1 根据电火花线切割监测系统的功能需求，确定监测系统硬件总体框架，选 用并口作为机床与p c 的通信接口，实现了p c 与线切割机床的互连。 2 根据线切割监测系统的功能要求，合理划分系统任务，利用w i n d o w s 操作 系统的多线程技术实现监测系统的多任务并行处理。对监测系统进行功能需求分 析，采用模块化的编程思想，合理划分系统的功能模块。 3 在线切割监测系统的设计中，利用优先级最高的监控线程，实现对控制信 号的监测，讨论了监测程序算法的实现；并口的数据采集任务作为一个实时周期 性任务，在系统设计中，利用多媒体定时器来完成，它的定时精度可达l m s ，能够 满足实时性要求，重点研究了多媒体定时器的使用及其在本系统中的程序实现。 4 对系统中的并口应用进行研究，分析了3 b 代码的指令格式，并对3 b 代码 的译码及其算法进行了研究。 5 对逐点比较插补算法进行研究，在此基础上实现了线切割加工的模拟仿真。 在线切割加工过程中，本监测系统能够对加工轨迹进行实时跟踪显示，当实 际轨迹偏离加工图形一定距离时，系统及时报警并停机，防止产生废品。本系统 还具有线切割加工仿真功能。 山东大学硕士学位论文 该系统经过济南科特电加工技术有限公司及其用户试验使用，认为其界面友 好、操作方便、功能完备、易学易用、性能稳定，具有良好的推广应用前景。 关键词电火花线切割；轨迹显示；并口；仿真；多媒体定时器；多线程 u a b s t r a c t a b s t r a c t t h e 慨e l e c t r o d i s c h a r g em a c h i n i n gt e c h n o l o g y , a sa ni m p o r t a n tm e a n so f s p e c i a lt y p em a c h i n i n g ，i s u s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , e s p e c i a l l yi nm o u l d m a n u f a c t u r i n gf i e l d ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta n dn e c e s s a r ya d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g m e t h o d n l el l i g h - s p e e dw i r ee l e c t r o - d i s c h a r g em a c h i n e ( w e d m ) ，w h i c hi sa no r i g i n a l e l e c t r i cm a c h i n i n gf a c i l i t yc r e a t e di nc h i n a , i sw i d e l yp r o d u c e da n du s e di nc h i n ad u e t 0i t s s i m p l es t r u c t u r e ，l o wp r i c e a n dl o wu s ec o s t n eh i g h - s p e e dw i r e e l e c t r o d i s c h a r g em a c h i n ei np r i o ra r te m p l o y st h eo p e n - l o o pc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h i s m e r n st h eo u t p u ts i g n a l st ot h es t e p p i n gm o o rc a nn o tb ef e db a c k t h i ss t r u c t u r ei s u n s a f ef o rm a c h i n i n g a i m i n g a tt h ep r o b l e m ，aw e d m m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dc r e a t i v e l yi nt h i s p a p e rb ye m p l o y i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ，o nt h eb a s i so f r e f e r e n c eo fr e l e v a n tl i t e r a t u r ea n dag r e a td e a lo fr e s e a r c h t h i ss y s t e ma d o p t st h e w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma s p l a t f o r m ，a n de m p l o y st h ep o w e r f u lv c + + a st h e d e v e l o p m e n t t 0 0 1 i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ew e d m m o n i t o r i n gs y s t e m h a sb e e nr e s e a r c h e d 1 1 1 em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r e 勰f o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fw e d mm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e w h o l eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d p a r a l l e lp o r ti s s e l e c t e da st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nam a c h i n ea n dap c ，a n dt h e i n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ep ca n d 悒d mm a c h i n eh a sb e e na c h i e v e d 2 a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q m r e m e n t so fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e mt a s k i sd i v i d e dr e a s o n a b l y ，a n dt h em u l t i - t a s kp r o c e s s i n gi np a r a l l e lo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m i sc o m p l e t e db yu s i n gt h ew i n d o w sm u l t i p l et h r e a dm e c h a n i s m t h ef u n c t i o n a ln e e d s f o rt h ew e d m m o n i t o r i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h ef u n c t i o nm o d u l ei sd i v i d e d r e a s o n a b l yb yu s i n gm o d u l a rp r o g r a m m i n gc o n c e p t i o n 3 i nt h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h em o n i t o r i n go ft h ec o n t r o ls i g n a li s a c h i e v e db yu s i n gt h eh i g h - p d o r i t ym o n i t o r i n gt h r e a d ，a n dt h em o n i t o r i n gp r o c e d u r e a l g o r i t h ma n di t sp r o g r a mr e a l i z a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d ；a sar e a l t i m ep e r i o d i ct a s k , t h ea c q u i s i t i o no ft h ep a r a l l e ld a t ai sa c h i e v e dw i t ham u l t i m e d i at i m e r t l l i st i m e rc a n i i i 山东大学硕士学位论文 m e e tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n t sd u et oi t st i m i n ga c c u r a c yo f1m s t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h eu s eo fm u l t i m e d i at i m e ra n di t sp r o g r a mr e a l i z a t i o ni nt h i ss y s t e m 4 t h ep a r a l l e lp o r ta p p l i c a t i o ni nt h es y s t e m ，t h ef o r m a to f3 bc o d e ，t h ed e c o d i n g o ft h e3 ba n di t sp r o c e d u r ea l g o r i t h mh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r 5 t h ea l g o r i t h mo fi n t e r p o l a t i o n - b y p o i n tc o m p a r i s o ni sr e s e a r c h e d ，a n do nt h i s b a s i s ，t h ew e d ms i m u l a t i o nh a sb e e na c h i e v e d d u r i n gt h ep r o c e s so fw e d m ，t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mc a nd i s p l a yt h er e a l - t i m e m a c h i n i n gp a t h w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea c t u a lm a c h i n i n gp a t ha n d t h es t a n d a r d p a t h i so v e rt h a nas e tv a l u e ，w a r n i n gw i l li s s u ea n dm a c h i n ew i l lb es t o p p e d i m m e d i a t e l yt op r e v e n tw a s t eg e n e r a t e d t h i ss y s t e ma l s oh a st h ew e d m s i m u l a t i o n f u n c t i o n t e s t e da n du s e db yj i n a nk e t ee l e c t r i cm a c h i n i n gt e c h n o l o g yl i m i t e dc o m p a n y ，t h e s y s t e mp r o v e st h a tt h ei n t e r f a c ei sf r i e n d l y ，t h eo p e r a t i o ni sc o n v e n i e n t ，t h es y s t e mi s e a s yt ol e a r na n du s e ，t h ep e r f o r m a n c ei ss t a b l e ，a n dt h es y s t e mh a sag o o da p p l i c a t i o n a n dp o p u l a r i z a t i o np r o s p e c t k e yw o r d sw i r ee l e c t r o - d i s c h a r g em a c h i n i n g ；p a t hd i s p l a y ；p a r a l l e lp o r t ；s i m u l a t i o n ； m u l t i m e d i at i m e r ；m u l t i p l et h r e a d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰垫瓷日期：兰堕：兰! ! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：三勰聊签名趁垡 导师签名：亿鱼竺筮 日期：坐坠! ! 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 电火花线切割加工是电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 的一个重要 组成部分。电火花线切割加工( w e d m ) 利用移动的细金属丝( 铜丝或钼丝) 作 为工具电极( 连接高频脉冲电源的负极) ，对导电或半导电材料的工件( 连接高 频脉冲电源的正极) 进行脉冲火花放电加工。在加工过程中，电极丝一方面相对 工件不断地往复移动( 低速走丝是单向移动，高速走丝是往返移动) ；另一方面 由伺服电机驱动的机床十字工作台，在x 、y 轴方向实现相对工件的伺服进给运 动，当工件与电极丝之间的间隙处于正常放电间隙范围时，电极丝和工件之间产 生脉冲火花放电，蚀除一部分金属材料而实现对工件材料的放电切割加工。 电火花线切割加工可以解决具有高熔点、高硬度、高韧性等特殊机械性能材 料和特殊结构、特殊要求零件的加工问题【1 1 ，这正是传统的机械加工很难甚至无法 解决的问题。因此，电火花线切割加工在模具制造业、难加工材料和精密复杂零 件的加工中占有极其重要的地位。 1 2 电火花线切割机床的分类 电火花线切割机床，根据电极丝的运行速度，可以分成两大类【2 】：一类是高速 走丝线切割机床( w e d m h s ) ；另一类是低速走丝线切割机床( w e d m l s ) 。 ( 1 ) 高速走丝线切割机 这类机床是我国独创的，也是我国目前生产和使用的主要机种。机床的电极 丝高速往复运动，一般的走丝速度为8 1 0 m s 。电极丝主要是钼丝，工作液通常采 用乳化液，也可采用矿物油、去离子水等。 ( 2 ) 低速走丝线切割机 这类机床的电极丝低速单向运动，一般的走丝速度低于0 2 m s ，这是工业发 达国家生产和使用的主要机种【3 4 】。一般用黄铜丝作电极丝，其直径范围为 0 0 3 0 3 5 m m 。电极丝单向低速运行通过加工间隙，不重复使用，可以避免电极丝 损耗给加工精度带来的影响，工作液主要用去离子水和煤油等。 山东大学硕士学位论文 1 3 国内外电火花线切割加工技术的发展及研究现状 l 3 1 国外电火花线切割技术的发展及现状 1 9 4 3 年，原苏联学者拉扎连科夫妇研究电火花放电时，从开关触点受腐蚀损 坏的现象中发现电火花的瞬时高温可使局部的金属融化、气化而被腐蚀掉，从而 开创和发明了电火花加工方法。电火花线切割加工( w e d m ) 是在电火花加工的基础 上，于二十世纪5 0 年代末最早在原苏联发展起来的一种新工艺形式。目前，国内 外的线切割机床约占电加工机床的6 0 以上。与电火花成型加工方法相比，线切 割加工方法具有设备成本低、生产效率高以及工具电极的设计和制造简单等特点。 因此，线切割加工方法自问世以来，得到了迅速的发展【5 刀。 电火花线切割机床分高速走丝( 即快走丝) 线切割机和低速走丝( 即慢走丝) 线切割机两种。国外主要生产低速走丝线切割机，著名的生产商包括瑞士的 c h a r m i l l e s 、a g i e 、日本的s o d i c k 、三菱电机等公司，国内生产的主要是高速走丝 线切割机【8 1 。 目前，慢走丝线切割机床最小驱动单位达0 1 “m ，加工精度己接近或达到精密 磨削的精度，最大切割速度超过3 0 0 m m 2 m i n ，标志着w e d m 总的加工速度有了 明显提高，微精加工脉冲电源的开发，使精加工表面粗糙度可达到o i 一0 2 1 t m 1 2 1 6 】。 线切割加工水平的提高使它从“特种加工 进入到常规加工的行列。线切割 加工水平的提高不仅归功于机械结构和工艺方法的改善，更得益于先进技术的应 用和计算机软件的发展。欧美和日本等国家研究的数控低速走丝电火花线切割机 床，采用闭环数字交( 直) 流伺服控制系统，动态性能好、定位精度高。同时，机床 具有数字自适应控制电源，并具有自动穿丝、自动走丝、自动卸除废料、短路自 动回退等自动化技术，对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。同时，集c a d 、 c a p p 、c a m 及仿真于一体的自动编程系统不断发展和成熟，目前基于p c 的图形 交互式自动编程系统成为线切割自动编程系统的主流b t , l g 。 目前，国外电火花线切割的技术特点与发展动向主要有以下几个方面【1 蚴1 ： ( 1 ) 高速度化 在高速度化方面，日本走在前列，各厂家均有生产率在2 5 0 3 0 0 m m 2 m i n 的机 床，例如三菱电机公司的标准型d w c h 系列机床、经济型d w c c 2 系列机床生产 2 第1 章绪论 率均为2 5 0 m m 2 m i n ，高速型d w c u 系列机床最高生产率达3 0 0 m m 2 m i n , 8 0 年代 后期，瑞士a g i e 公司配备h m c 电源的a c s p r i n t 系列机床，9 0 年代初c h a r m i l l e s 公司的r o b o f i l l 0 0 0 系列机床最大生产率均达到3 0 0 m m 2 m i r l 。 ( 2 ) 高精度化( 包括表面质量) 目前的电火花线切割机，几何精度与运动精度均己达到极高的程度：全行程 定位精度2 3 1 上m ，重复定位精度1 p r o ，加工精度2 3 岬，表面粗糙度0 1 岬【2 4 1 ， 为了保证这些精度长时间不变，各生产商不懈努力，采取了一系列保护措施。 ( 3 ) 高自动化 3 2 位机的使用使运算速度大大提高，控制内容极为丰富，为用户提供了更大 的裕度。以三菱电机公司的机床为例，进给当量由0 5j _ t m 脉冲减至0 1 1 u n 脉冲， 控制轴由四轴增至六轴等等口5 _ 2 7 】。此外，还增加了报警、起始孔计算、汉字显示、 自动绘制正在加工的图形、微小连接等2 0 个功能。另外，如a g i e 公司的a g i e p i c k 自动卸料机械手，a a g i e j e t 自动预孔加工量等附件的配备都使机床自动化更趋完 善。 目前，国外线切割机还有向“不降低加工性能，降低造价 方向发展的趋势。 1 3 2 我国电火花线切割技术的发展及现状 我国也是较早研究电火花线切割加工技术的国家之一，几乎在低速走丝线切 割机诞生的同时，我国也研制出自己独创的高速走丝线切割机。多年来，我国生 产的数控电火花线切割机一直是单一的高速走丝线切割机。近年来，为了满足市 场需要，又开发生产了自旋式电火花线切割机、走丝速度可调的电火花切割机等， 机床品种的多样化可以满足用户的需要，扩大数控电火花线切割机的应用范围。 自旋式电火花线切割机和走丝速度可调的电火花线切割机目前虽处在开发和完善 的阶段，产量不大，但开发思想都是借鉴高速走丝和低速走丝二者的优点来创造 一种新型的电火花切割方法。其成功不仅能为我国的电火花线切割增加一个新品 种，并以它的性能价格比好以及加工消耗低等特点找到其应用范围，而且为高速 走丝电火花线切割的多次切割工艺奠定基础【2 引。 目前，快速走丝线切割机床的切割速度已由过去的2 0 一4 0 删：n 2 m 血普遍提高到 1 0 0m l n 2 m i n 以上，有的可达到2 6 0 n m 2 m i n ，机床的加工精度为0 0 1 m m ，工件的 山东大学硕十学位论文 表面粗糙度为1 2 5 - 2 5 j x r n ，可满足一般模具加工和其他复杂零件制造的要求1 2 9 。 高速走丝线切割机由于受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的开 环控制、加工中工作液导电率的变化、加工环境的温度变化及本身的加工特点( 如 运丝速度快、振源比较多、导轮磨损大) 等因素影响，机床的加工精度有限。目前 来看，要在短时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争，困难相当大， 而且研究开发的代价也会很高，机床的制造成本将大幅度提高，从现实和市场的 角度考虑都不太适宜。因此，高速走丝线切割机的发展策略是扬长避短，以发展 中低档机床为主，使机床向适当加工精度、良好的加工稳定性和容易操作的方向 发展，满足不断发展的市场需要。目前，市场上高速走丝线切割机最大的优势在 于拥有良好的性能价格比，机床的进一步发展必须以此为基本出发点，不能过分 强调机床的加工精度，而忽视机床性能价格比的因素【7 】。如违背这一原则，机床制 造商和用户都难以接受。为了在较短的时间内，使高速走丝线切割机的加工性能 有较大的提高，在今后的发展中应优先注意以下方面的研究 3 0 , 3 1 1 。 ( 1 ) 基于p c 的数控系统开发 数控系统是数控机床的核心部分，其控制性能不仅直接影响机床加工的质量 和稳定性，而且也是扩大机床加工范围、实现复杂加工的重要手段。目前，各国 都非常重视数控技术的研究，将其作为实现制造技术突破性发展的一个重点。数 控系统技术当前发展的一个重要趋势是开放式数控系统。其含义是：数控系统的 开发者在一个统一的体系结构下开发自己的产品，该体系结构是一个广泛认可且 透明的规范。这种结构对电加工机床数控系统的重要性非常明确【3 2 1 。 高速走丝线切割机要进一步发展，必须摆脱单板机作为数控系统，采用新的 数控系统。根据目前国际上数控系统发展趋势及p c 的发展情况，应开发和使用基 于p c 的数控系统。众所周知，p c 本身是插卡式结构，是标准的开放式体系结构 的系统。如高速走丝线切割机开发基于p c 的数控系统，将是国产高速走丝线切割 机数控系统向开放式数控系统发展的一个有效方法。当前，p c 的价格持续下降， 而性能和稳定性不断增强，使用p c 不仅为高速走丝线切割机数控系统提供了优越 的硬件平台，而且能保持机床性能价格比的优势。总体来说，充分利用p c 的资源 开发高性能的数控系统，将是高速走丝线切割机的一个重要发展方向。 ( 2 ) 人工智能) 技术的运用 4 第1 章绪论 智能化数控系统也是当前数控技术发展的一个重要趋势。由于在机床加工控 制系统中使用了智能控制技术，机床自动如有经验的操作者一样使加工过程持续、 稳定、优化地进行。人工智能技术也成功地运用到加工参数设定、加工程序生成、 工件位置测定及加工结果测量等整个机床操作过程，大大地提高了机床的加工性 能和自动化程度，降低了对操作者的要求，使非熟练操作者也能取得熟练操作者 的加工效果。人工智能技术多以计算机软件的形式存于主控系统，研究开发成本 低，功能易于扩展、使用灵活、更新速度快，在当前提高数控机床的自动化、可 操作性和增强机床功能中所起的作用越来越大。 ( 3 ) 机床设计的改善 为改善高速走丝线切割机的加工精度，必须迸一步改进机床的结构，使其更 为合理。目前机床的整体结构多为音叉式，此种结构刚度差、固有频率低、易发 生振动，而且放电加工将产生的热会使机床的本体发生热变形，这都在一定程度 上影响了高速走丝线切割机的加工精度。因此，在设计机床整体结构时，必须充 分利用先进的技术手段进行分析以提高机床结构的合理性。这涉及到运用先进的 计算机有限元分析模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。同时，机床 运动精度的改善对提高加工精度也十分重要，传统的方法是通过提高工作台传动 链的零件精度与传动刚度来改善线切割机的运动精度，但这将明显增加机床的成 本。建立在基于p c 数控系统的高速走丝线切割机，可方便地运用螺距误差与间隙 补偿技术来提高机床的运动精度，这种方法可在进给系统开环控制状态下，明显 地提高机床的加工精度，而且成本低，适合高速走丝线切割机。 ( 4 ) 多次切割工艺的应用 多次切割加工是高速走丝线切割加工技术的一个重要发展方向。即使是低速 走丝线切割机，一次加工也无法得到特别好的加工效果，欲达到较高的加工精度， 必须在粗加工后再作精加工才能获得。低速走丝线切割机能达到很高的加工精度， 也是因为采用了多次切割工艺。为了改善高速走丝线切割机的加工品质，必须进 行多次切割加工的研究【3 3 1 。 1 4 课题研究的目的及意义 电火花线切割加工技术在全世界，尤其在中国具有广阔的市场。据统计，我 5 山东大学硕士学位论文 国电火花线切割机的拥有量约为5 万台，居世界首位，年产量约为1 万台【3 4 】。随 着新技术的不断应用，低速走丝线切割机的发展已经很成熟，加工精度、自动化 程度比较高，占领很大的国际市场，但费用太高，不适合中小企业用户的需求。 高速走丝线切割机的最大优点是结构简单、成本低廉而且在普通工件加工中具有 很高的适应性【3 5 1 。虽然这类机床精度低、自动化程度相对低速走丝线切割机床也 低得多，但机床价格便宜，适合中小企业用户的需求。经过几十年的发展，高速 走丝线切割机在工艺装备和自动化方面都有很大的提高。由于在机床硬件和配套 软件方面还不完善，研发力量薄弱，因此与发达国家的低速走丝线切割机相比还 有很大的差距。在我国实施的“改进快走丝机，发展慢走丝机 的战略指导1 3 6 】下， 很多单位在低速走丝线切割机的自动编程、数控系统、机床制造、加工工艺等方 面进行了研究，但在高速走丝线切割机方面的研究投入不是很大，技术革新较慢。 目前，高速走丝线切割机在国内拥有广大的用户，而且近年来远销东南亚及中东 一些国家。因此，研究如何提高高速走丝线切割加工质量、加工稳定性、加工效 率，改进高速走丝线切割机的性能具有很重要的实际意义。 电火花线切割机的控制系统分为p c 控制和单板机控制，按伺服系统分类有开 环、半闭环、闭环控制系统。目前，应用最为广泛的高速走丝线切割机大部分都 是由单板机开环控制，没有信号的反馈，存在很多缺点和不足之处： ( 1 ) 没有图形跟踪显示功能，在线切割加工过程中，用户无法了解加工轨迹是 否正确，无法知道当前加工点的位置，给用户带来极大不便； ( 2 ) 加工开环控制，没有实时监测功能，对加工过程中可能产生的任何加工出 错情况不能及时处理，存在安全隐患； 针对这些问题，本文以解决实际问题为前提，以尽量降低成本为原则，开发 基于w i n d o w s 平台的电火花线切割监测系统。w i n d o w s 操作系统具有开放的体系 结构，在其平台上开发的监测系统具有良好的开放性、可维护性、可扩展性，应 用面向对象的软件设计方法，充分利用p c 机的硬件资源及w i n d o w s 操作系统的 多任务、界面友好优点，缩短开发周期，降低开发的成本。国内具有广大的线切 割用户，w i n d o w s 操作系统已被广大计算机用户使用，并且该系统有硬件成本低、 结构简单、易于实现等优点，开发这样的监测系统将具有良好的市场前景。 6 第1 章绪论 1 5 本课题来源及研究内容 本课题是与济南科特电加工技术有限公司合作开发的，总结实际生产中的问 题，借鉴公司多年的实际生产经验，开发基于w m d o w s 平台的电火花线切割监测 系统。 本文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 监测系统软件总体设计 根据系统的功能要求，合理划分系统任务，研究如何实现多任务的并行处理， 同时对系统软件进行了功能需求分析，采用模块化编程思想，划分功能模块，以 及用户主界面的设计。 ( 2 ) 系统监控模块设计 利用w i d o w s 系统的多线程机制实现对机床外围信号的监控，重点研究如何 利用并口进行数据采集及监控程序算法的实现；在系统设计中，利用多媒体定时 器完成实时周期性数据采集任务，其定时精度可达1 m s ，能够很好地满足实时性要 求，并研究多媒体定时器的使用及其在本系统中的程序实现。 ( 3 ) 图形跟踪显示模块设计 从读入的3 b 数控代码出发，分析了3 b 代码的译码算法及程序实现，将译码 后的结果存放在m f c 类数组变量中，系统根据数组信息，分析图形长度、宽度， 调用m f c 绘图函数，实现代码对应图形的正确显示；在监测过程中，用不同颜色 实时绘制当前点，实现加工轨迹实时跟踪显示功能。 ( 4 ) 系统仿真模块设计 在传统逐点比较插补算法的基础上，对加工仿真算法进行研究，实现了对直 线与圆弧组成的图形进行二维加工仿真的功能。 7 第2 章线切割监测系统的总体结构 第2 章线切割监测系统的总体结构 本章主要介绍线切割机床的结构，分析线切割安全加工监测系统的体系结构。 根据高速走丝线切割机的特点，选用监测系统接口和外围电路，划分软件模块， 及软件界面的设计。 2 1 线切割加工原理 电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲火花放电。如图2 1 所示， 电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。当间隙合适并且来一个电脉 冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，蚀除一部分金属，加工的同时向 间隙通电介液，冲走蚀除产物保证间隙消电离。要想再一次放电，必须移动工件 保持间隙到合适的放电间隙。通常认为放电间隙6 在o o l m m 左右【3 7 1 。 电极丝 图2 - 1 电火花线切割的加工原理 线切割机数控系统的作用就是保证工件以合适的进给速度和进给量移动，使 电极丝和工件之间的间隙维持在正常放电状态。 2 2 高速走丝线切割机的结构 高速走丝线切割机的结构如图2 - 2 所示。控制系统为单板机或p c 机( 目 前以单板机控制居多) ，通过i 0 将控制信号传送给驱动器，驱动器连接步进 电机控制电机按一定速度正转或反转，步进电机通过丝杠将一定速度和方向 的转动转化为工作台在x y 平面内按一定的轨迹和速度的运动。在线切割加工中， 工件装夹在机床工作台上，随工作台一起运动。切割二维零件时，工件随工作台 9 山东大学硕士学位论文 运动，即x ，y 轴运动；当切割三维零件时，电极丝和工件均参与运动，即x ，y ，u ， v 四个轴运动。 目前，高速走丝线切割机所用的驱动电机都是步进电机，一般是三相或五相。 步进电机控制简单，单板机( 或计算机) 只要按一定的时序发脉冲就可以使电机 正常工作。高速走丝线切割机上控制运动轴的步进电机有四个：拖动工作台在x y 平面运动的x 轴向步进电机和y 轴向步进电机，以及安装在上丝架上拖动丝架在 u v 平面运动的u 轴向步进电机和v 轴向步进电机。 工件 x 相步进电机下丝点 y 相步进电机x y 工作台 图2 - 2 线切割机床的结构 在二维切割中，上丝架不动，也就是u v 轴向步进电机不动，只拖动工作台 在x y 平面内运动，因此，只控制x y 轴向步进电机运动。在三维切割中，例如切 割锥型、上下异型面，不但要控制x y 轴向步进电机的运动，同时还要控制u v 轴 向步进电机的运动。本章主要讨论二维切割加工的监测情况。 2 3 监测系统的硬件结构 本监测系统无需任何接口卡或信号采集卡，根据高速线切割机的实际情况， 直接利用计算机的并口经电器隔离、电压变换进行信号采集，从而使系统灵活， 降低开发成本，缩短开发周期。 1 0 第2 章线切割监测系统的总体结构 本监测系统的主要组成：一台p c 机、一个连接电机驱动电路与p c 机的控制 盒、报警装置、信号采集电路等。系统的结构如图2 3 所示。 系统通过采集驱动电路到步进电机各相的电压信号，经光耦隔离传给计算机 并口，计算机以一定频率读取并口，通过程序分析得出当前加工点实际位置，并 与预设加工轨迹比较，同时分析各相信号情况，从而判断实际加工状况是否安全， 加工轨迹是否正确，达到安全加工监测的目的。其中，计算机的鼠标和键盘可用 来实现输入输出功能，显示器用来显示加工状态，实现人机交互。当系统经分析 发现加工异常时，可做出相应反应，如停机并报警，或继续加工只报警提醒用户 检查。 标号1 ：系统从驱动电路中取出电信号通过数据线及并口最终传给计算机 标号2 ：系统发现故障后向机床发信号，如停机信号等 图2 - 3 监测系统结构图 并口又称为并行接口，是计算机一个相当重要的外部设备接口。目前，并行 接口主要作为打印机端口。物理接口采用i e e e l 2 8 4 标准描述的d s u b 2 5 针内孔式 连接器。目前，计算机基本上都配有并口。关于并口的更详尽内容，及在本监测 系统中并口是如何应用的，将在下一章中详细论述。 2 4 软件结构及主要功能模块 随着软件技术的发展，面向对象的软件技术【3 8 1 已经成为当前软件设计的主要 思想。面向对象的设计有许多优点，增强了软件的可维护性、代码的可重用性， 是开放式数控设计的重要设计方法。在该系统的设计中，采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作 山东大学硕十学位论文 系统，选用v c + + 6 0 作为开发工具，使用面向对象的设计语言c + + 作为编写程序 的计算机软件语言 3 9 1 。 w i n d o w s 操作系统有很多优点：界面友好，支持各种不同的界面对象( 例如 菜单、工具条、窗口、按钮等) ，用户操作简便直观；多任务，可以同时启动多 个进程，因此，计算机在监测机床切割的同时，还可以进行加工仿真等任务；开 放性，软件上具有面向对象的可重构性，能够识别3 b 、4 b 、i s o 等加工代码，硬 件上简单化、总线化、软件化；可以实现监测的网络化功能。 开发工具：选择v i s u a lc + + 6 0 作为软件开发工具。它是w i n d o w s 环境下最主 要的应用软件开发系统删。利用其可视化、面向对象的程序设计特点，可以完成 各种各样应用程序的开发：从底层软件直到直接面向用户的软件。它与w i n d o w s 系统紧密相连，几乎包括w i n d o w s 应用程序的各个方面，利用它提供的各种实用 工具，开发者可以轻松地开发出高效强大的w i n d o w s 应用程序。 2 4 1 线切割监测系统的功能需求分析 根据线切割机床的特点，总结线切割加工中有可能出现的各种安全问题，线 切割加工监测系统应具备如下功能： ( 1 ) 图形跟踪 在实际加工过程中，以图形和坐标的双重显示方式，实时显示当前加工点的 位置，让用户使用更加方便、直观、精确。 ( 2 ) 速度显示 线切割加工过程中，当加工状况良好时，加工速度比较稳定。当加工条件改 变时，速度将随之产生变化。当变化量超出用户许可范围时，本系统有发出报警、 提示用户的功能。 ( 3 ) 模拟仿真 仿真加工，可以根据加工文件快速模拟出工件的加工轨迹，检验数控加工代 码的正确性，防止加工过程中废品的出现。 ( 4 ) 其它功能 本系统还能够对控制输出的芯片、光耦损坏，中途断线，碰线，以及2 4 v 驱 动电源损坏、功放管损坏等情况下的电器故障进行检测。一旦发现，停止加工并 1 2 第2 章线切割监测系统的总体结构 指出故障信号所在，提高线切割加工的安全性。 2 4 2 软件结构及模块划分 围绕线切割监测系统要实现的功能，展开对软件系统的设计，软件设计通常 分为概要设计和详细设计。概要设计确定系统的结构、进行模块划分，确定每个 模块的功能、模块间的调用关系及全局数据结构的设计；详细设计主要为每个模 块设计实现的细节，同时对局部数据结构进行设计。 根据软件的功能需求，软件的结构划分如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 监测系统软件结构 模块主要功能说明： ( 1 ) 系统初始化：在软件打开的同时，对程序中所用到的公共变量等数据进行 初始定义，开辟内存空间。并口驱动调用及并口初始化( 将在第三章中详细叙述) ， 这一步相当重要，是系统其它功能实现的前提条件。 ( 2 ) 3 b 数控代码分析：分析3 b 代码，提取必要数据，并将数据保存到系统所 开辟的内存空间中( 即数组mp t r a r r a y 中) 。分析代码对应图形轨迹的范围，即 图形对应x y 轴的最大最小坐标，存入另一变量中( 即m f c 类库的c r e c t 类数据 结构变量mr e c s c a l e ) ，以备后续程序使用。 ( 3 ) 内存位图绘图模块：在内存中开辟出一个比屏幕大得多的单色位图，并在 1 3 山东大学硕士学位论文 位图上用线切割控制中最常用的逐点比较法插补绘制出代码对应的图形，以备后 续监测时对比使用。 “) 正确显示图形模块：根据所加工图形的大小，程序自动调整图形区逻辑坐 标及范围，以最合适的比例，正确显示绘制出代码对应图形。此时绘制图形直接 运用v c 中的直线圆弧绘图函数：m o v e t 0 0 、l i n e t 0 0 、a r c 0 绘制。 ( 5 ) 图形跟踪：系统以一定的频率读取并口，间接获得步进电机各相的电压信 号，通过程序分析，得出当前加工点的坐标，并以对比鲜明的颜色在图形区实时 显示加工轨迹。 ( 6 ) 速度监测模块：与图形跟踪类似，程序通过分析由并口检测来的信号，进 而测算出当前实际加工速度。 ( 7 ) 仿真：系统以线切割最常用的逐点比较插补方式快速绘出加工轨迹，实现 图形加工轨迹的静态显示及动态模拟，依此验证代码的正确性。 ( 8 ) 报警模块：当系统发现故障时，根据故障严重程度的不同，发出不同报警。 例如发信号使机床停止加工、控制喇叭发出响声提示用户加工出现异常等。 2 4 3 软件总体界面设计 在满足功能的前提下，监测软件的界面设计应尽量简洁、直观，给人以舒适 感，提高其易用性。由于当前基于w i n d o w s 的界面风格使用非常广泛，而且监测 软件也是运行在w i n d o w s 操作平台上的，考虑到用户使用习惯的一致性，本软件 的界面设计采用类似于w i n d o w s 的风格。界面的设计如图2 5 所示。 菜单栏为下拉式菜单，包含几个简单的命令操作，包括文件的读取、系统的 关闭等。 控制按钮区包括读取3 b 代码，设置监测条件等用于监测前准备的按钮，还包 括开始监测、结束监测、平均速度监测等实际监测过程中所用到的按钮。 加工状态及故障显示区，用于显示当前加工点的x y 坐标、当前速度；当出 现故障时，显示故障点的坐标及所在段号。 参数设置区用于设置监测所需的条件，如从第几段开始监测等。 图形显示区，用于显示代码对应图形轮廓，并以对比较为明显的红色实时显 示加工轨迹，进行图形实时跟踪。 1 4 第2 章线切割监测系统的总体结构 2 5 本章小结 图2 - 5 监测软件界面设计 本章主要讨论了高速走丝线切割机的加工原理及机床结构特点，在此基础上 确定了监测系统的总体结构。根据线切割监测系统的功能要求，利用面向对象的 软件设计方法，划分监测系统的功能模块，并阐述了各模块的功能。最后，简要 说明了软件的界面设计。 1 5 圈圈圈 第3 章并口在监测系统中的应用 第3 章并口在监测系统中的应用 随着计算机技术的迅速发展，基于个人计算机控制的数据采集系统应用日益 受到重视，另一方面，便携式数据采集系统在很多场合( 如野外、工业现场数据样 本采集等) 也具有较强的优势。为适应计算机处理的需要，这样的数据采集系统往 往应有与计算机通讯的接1 31 4 1 1 。本系统中所涉及的数据采集采用p c 机的并行打印 口( 简称“并口 ) 即l p t (