（材料加工工程专业论文）高速走丝wedm开放式cnc系统的关键技术研究.pdf

高速走丝w e d m 开放式c n c 系统的关键技术研究 摘要 f f 电火花线切割加工技术由于能解决具有高熔点、高硬度、高韧性 等特殊机械性能材料和特殊结构零件的加工，因而在模具制造、成 形刀具2 n - r 、难加工材料和精密复杂零件的加工中占有重要的地位。 目前，电火花线切割数控技术发展缓慢，严重影响了机床性能，随 着开放式数控技术研究的深入以及在其它加工领域的成功应用预示 1 了建立电火花线切割开放式数控系统是一个重要的研究方向。 ? 本文详细介绍了开放式数控技术发展状况，同时介绍了高速走丝 w e d m 机床数控技术发展状况和存在的主要问题，并提出了解决这 些问题的关键技术。 作者对高速走丝线切割开放式c n c 系统结构和功能模块作了较 为深入的研究，建立了一个比较完善的高速走丝线切割开放式c n c 系统结构框架，并设计和分析了该系统的软硬件结构。 本文采用采用w i n d o w s 系统为主机软件系统平台，利用系统内 核技术提高数控系统的稳定性，分析指出用双倍四方向圆弧插补算 法能获得最优图形设备无关性的显示效果。 广 i 作者利用c + + 面向对象技术建立了基于w i n d o w s 操作系统下的 t 主机软件系统中的图形c a d 模块、c a d c a m 数据文件接口模块、 自动编程模块、数据通信模块。 为解决目前c n c 控制系统的封闭性，作者研究了p c i 总线规范 和即插即用技术，并用c p l d 设计了p c i 接口及应用电路，指出基 于p c 的c n c 控制系统应该走设备功能模块化、松耦合道路。 f 分析通用p c 操作系统的特点，指出发展我国自主版权的开放式 数控系统有重要意义，并在l m u x 系统上设计了开放式数控系统的 软件结构和介绍了开发环境。 本文提出的研究方法和所获得的研究结果对高速走丝w e d m 开 放式c n c 系统的进一步发展有一定的参考意义。 关键词：开放式；w e d m 一；c n c ；数控系统 、 l t h er e s e a r c h o nk e y t e c h n i q u e s o fo p e nc n cs y s t e mf o rh s w e d m a b s t r a c t s w i r ee 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 ( w e d m ) h a s g r e a ti m p o r t a n c e i nm a n u f a c t u r i n gm o u l d & d i e ，m i l l i n g t o o l s ，p a r t so f h a r dm a t e r i a l sa n d p a r t s o fc o m p l i c a t e s h a p e f o ri t s s t r o n gp o w e ro nm a c h i n i n gh i 曲 h a r d n e s so r h i g ht o u g h n e s sm a t e r i a l sa n ds p e c i a ls t r u c t u r e a tp r e s e n t ，t h e w e d mn c t e c h n o l o g yd e v e l o p ss l o w l y t ol i m i t t 1 1 ew e d m p e r f o r m a n c e 1 1 f a c t t h a t o p e nc n cs y s t e m h a sm a d ea g r e a ts u c c e s s i n m a n ym a n u f a c t u r i n gf i e l d ss h o w s t h a to p e nc n c s 3 r s t e mi nw e d m h a sa b r i g h tf u t u r e t h e p a p e r d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to f t h e o p e n c n c s y s t e ma n d t h e o p e nc n cs y s t e mf o r w i r e c u te d m ( w e d m ) a n d p r o p o s e sm a n y i s s u e st h a ts h o u l db ed i s c u s s e dt od e v e l o pac o m p l e t ew e d m o p e n c n c s y s t e m t h ea r c h i t e c t u r eo f t h ep cs o w a r e s y s t e ma n d h a r d w a r es y s t e m i sd e s i g n e df o rt h eh s - w e d m o p e n c n c s y s t e m n l ec o n c l u s i o nt h a tt h ea r i t h m e t i co ft h ed o u b l ef o u r - d i r e c t i o n i n t e r p o l a t i o ni st h eb e s to n ec o m e so u ta f t e ra n a l y z i n gt h ed i s p l a ye f f e c t o ft h eg r a p h ，a n dt h e s em o d u l e so f g r a p hc a d a n dc a d c a mi n t e r f a c e a n da u t o p r o g r a m m i n gs y s t e m a r ec o m p l e t e d i no r d e rt og e tr i do ft h ec l o s e df e a t u r eo ft h ec n c s y s t e m ，t h ec n c c o n t r o ld e v i c em u s tb ed e s i g n e da c c o r d i n gt of u n c t i o nm o d u l e an e w c h i cc o n t r o ld e v i c ei sd e v e l o p e dw i t hp c ii n t e r f a c e i ti sv e r y i m p o r t a n t t od e v e l o ps e l f - o w n e dw e d m o p e nc n cs y s t e m a n dap cs o f b , v a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ew e d m o p e nc n cs y s t e m b a s e do n l i n u xo s k e y w o r d s ：o p e n ；w e d m ；c n c ；n cs y s t e m 和即插即用技术，并用c p l d 设计了p c i 接口及应用电路，指出基 于p c 的c n c 控制系统应该走设备功能模块化、松耦合道路。 f 分析通用p c 操作系统的特点，指出发展我国自主版权的开放式 数控系统有重要意义，并在l m u x 系统上设计了开放式数控系统的 软件结构和介绍了开发环境。 本文提出的研究方法和所获得的研究结果对高速走丝w e d m 开 放式c n c 系统的进一步发展有一定的参考意义。 关键词：开放式；w e d m 一；c n c ；数控系统 、 l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 电火花线切割加工技术是电火花加工技术的一个主要组成部分。电火花线切割加工 ( w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g eh a c h i n i n g ，简称w e i 晰) 是一种用金属丝作为工具电极的电 火花加工方法。在加工中，脉冲电源的正极接工件，负极接工具( 电极丝) ，工件与电极丝 之间的脉冲放电产生的高温使工件材料熔化和气化来实现加工，同时控制电极丝相对于工 件的运动轨迹和速度，就可以切割出一定形状和尺寸的工件“。它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、特殊要求的零件的加工问题，而这正是 传统的机械加工很难甚至无法解决的，因此在模具制造，成形刀具加工，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。随着电火花线切割加工技术的不断提高，在许 多传统制造领域中已更多地应用了该项加工技术【”。据介绍，瑞士的c h a r m i l l e s 公司的 电火花线切割机床已有3 0 是用于通用机械加工业的零件制造中，而且这一比例还有发展 的趋势。现在电火花线切割加工技术已经发展成为一种最为先进的加工方法之一。 1 2 机床开放式数控技术研究现状 1 2 1 开放式数控技术研究现状 我国对电火花线切割加工的起步较早，5 0 年代末就开始进行简易电火花线切割加工机 床的设计制造，1 9 6 1 年研制出靠模电火花线切割机床，1 9 6 4 年研制出光电跟踪高速走丝电 火花线切割机床1 9 6 9 年研制出数字控制电火花线切割机床，7 0 年代开始生产出s 集成 电路组成的电火花线切割数控系统相继研制出大型的和具有斜度加工的数控电火花线切 割加工机床。1 9 7 8 年后又发展了单片机、单扳机、中型计算机组成的数控电火花线切割机 床进入上世纪9 0 年代中期开始了基于p c 的电火花机床智能化、开放式数控系统研究 d i 邶i 。 在机床中广泛使用的数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行 数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。 从上世纪六十年代中期研制出数控机床起随着电子器件的发展可分为五个阶段：电子管 数控，晶体管数控，中小规模i c 数控，小型计算机数控，微处理器数控。装备数控系统使 得机床大大提高了加工精度、速度和效率。由于机械加工工艺的多样性和加工零件的复杂 上海交通大学硕士学位论文 性，使数控机床的规格、品种多样、性能差异极大，控制参数复杂，调试操作繁琐，因此 在将不断飞速发展的计算机技术及其体系结构、现代自动控制理论及现代的电力电子技术 应用于新一代数控机床时，要强调使其具有“开放式”与“智能化”的特点。当前数控系 统所需要的功能将不只是高的性能，而且还包括许多智能及其他辅助功能，如加工运动规 划、推理、决策能力以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力、智能编程、智能数据 库、智能监控等。制造商为了进一步使得使数控系统开放化，从而可以把加工工艺、管理 经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、故障诊断等功能，要求数 控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开发和操作人员可自由地执 行和表达自己的思路，这就产生了开放结构的数控系统卜1 。它的主要功能是解决变化频 繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控 系统的柔性。 开放式控制系统的概念出现于8 0 年代7 朋。按i e e e 定义，开放性控制系统应提供这 样的能力：来自不同卖主的种种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现并能和其他 系统应用互操作，且具有一致性的用户界面”。由此定义可知，开放式数控系统是一 个模块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其特点是： ( 1 ) 互操作性提供标准化的接口、执行模块、通讯和交互装置； ( 2 ) 可移植性不同的系统功能模块自运行在不同的系统平台之上； ( 3 ) 扩展性其特征是通过特定功能模块的装载和卸载为用户系统增添和减少功能； ( 4 ) 互换性允许不同性能、不同可靠性和不同执行能力的功能模块互相代替。 1 9 8 1 年美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一 代控翻器( n g c ) ”的计划，并成立了“美国国家制造科学中心( n o i s ) ”，其主要目的是拟 订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为n c _ , c 的后续工作美国国防 部启动了o a s y s 项目，其目的是建立并安装8 套控制器，并在6 种不同场所对其进行测试。 其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动其中影响较大的有美国的o m a c 、欧洲 的0 s a c a 和日本的0 s e c 等计划。 近年来，我国的广大数控研究者也相继开发出了如中华i 型、蓝天i 型、航天i 型、 华中i 型等开放式数控系统。其中以华中型较具代表性，它采用工业pc 机上配适配器卡 2 第一章绪论 的结构，是基于通用3 2 位工业pc 机和d0s 平台的开放式体系结构，具有较好的模块化、 层次化特征，系统配套能力强扩展与伸缩性较好，便于二次开发，较好地实现了c a d c a p p c a m 一体化。其它几种类型的国产开放式数控系统也都有其各自的特点，并都在进一步的完善和 发展之中。然而，作为一个真正完全开放的来自i e e e 所定义的开放式数控系统，目前还存 在许多有待进一步研究和解决的问题i t l , 1 2 1 3 。 1 2 2 开放式c n c 系统的基本结构 如伺使传统的专用型封闭式系统走向开放，不同的系统开发商及研究机构对此提出了 不同的解决方案。它们的开放层次不同，难度不等，获得的开放效果也相差很大。目前基 于p c 的开放数控系统有三种基本结构： l _ c n c + f c 主板：把一块p c 主板插入传统的c n c 机器中，p c 板主要运行实时控制， c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制： 2 p c + 运动控制板：把运动控制板插入p c 机的标准插槽中作实时控制用，而p c 机 主要作非实时控制； 3 p c 软化n c 结构，完全由p c 来实现c n c 功能。 目前一些主流数控系统生产商认为数控系统最主要的性能是可靠性，象p c 机存在的死 机现象是不允许的而系统功能首先追求的仍然是高精度高速度的加工。加上这些厂家长 期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不 良的影响因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增 加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用( 1 ) 方案，即在不变化原系统基本结构的基础上 增加一块p c 板，提供键盘使用户能把p c 和c n c 联系在一起，大大提高了人机界面的功能 有些厂家也把这种装置称为融合系统( f u s i o ns y s t e m ) 。由于它改进简便、工作可靠、界面 开放，所以很受机床机床制造商和用户的欢迎。另外一些计算机应用技术水平比较高的厂 商，往往采用第( 2 ) 种方案研发自己的开放式结构数控线切割产品。第( 3 ) 种方案实际 产品很少见。总的来说，开放式数控系统技术的目标就是把系统构筑于一个开放的平台之 上，具有组织结构模块化、功能稳定特性，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩 展系统的功能迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以由不同的部件 供应商提供并相互兼容。 1 2 3 高速走丝1 e 珊开放式c n c 技术研究现状 上海交通大学硕士学位论文 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 的高速走 丝开放式数控系统u 4 。p c 本身是带标准接口的插拔卡式结构是标准的开放式体系结构 的系统。如果高速走丝线切割机开发基于p c 的开放式数控系统，那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。高速走丝电火花线切割机床自6 0 年代问世以来，经过3 0 多年的推广应用和完善现已成为我国电加工行业的主导产品之一，是模具加工的重要设 备。该种机床结构简单、性能价格比优越、工艺效果较好，有的指标已达到国际先进水平。 但另一方面，从数控系统来看，高速走丝线切割数控系统的发展较慢，直接影响高速线切 割机床的加工性能。 到目前为止，高速走丝电火花线切割数控系统开发商并没有开发出适于新硬件的软件、 充分利用新硬件和丰富的软件资源的高速走丝线切割开放式c n c 系统。作者对国内大部分 高速走丝线切割机床目前所装备的数控系统进行研究后发现功能上存在诸多不足，主要有： 1 单板机或单片机的计算速度慢，存储器容量小，且难以进一步进行功能扩展； 2 与当前国际流行的数控系统不兼容，和其它数控机床之间数据传递困难，不利于将高 速走丝电火花线切割机床集成到未来的制造系统中： 3 基于d o s 操作系统，单进程性，不能打开多个任务：断丝故障等检测到数据得不到及 时分析处理，工艺数据库不能在线优化，不能在线处理不兼容图形文件：没有丰富图 形资源；系统接口简单，封闭式小规模开发，6 4 0 k 内存管理能力限制系统的控制功能； 4 作图功能简单，只能做直线、圆弧、椭圆等有规则线条，例如字库中的汉字就没有一 处理模块能方便获得一次加工轮廓封闭曲线图； 5 运算控制器只有直线和圆弧插补误差较大，并有数据存储限制； 6 不能做到软件设备无关性，因此不易扩展使用高集成度数字芯片的控制功能部件，比 如故障检测、断丝分析； 7 无扩展性，难以加入实现新工艺加工的程序组件，如多次切割加工工艺虽有可行性， 却没有供多次切割编程的模块： 8 单板机或单片机的软件开发工具有限，编程代码格式不统一，给系统更新或升级带来 很大困难；可移植性差，完全依赖于硬件特性，代码复用率低： 4 第一章绪论 9 c a d c 删混合化体系结构，工艺特征需人工提取，不利于网络集成，没有c a p p 发展空 间，也给生产管理和分工增加困难： l o 无工艺数据库和网络通信功能，没有教育培训功能不能充分实现加工优化数据的共 享和维护，影响整个工艺水平发展道路也难以做到真正的开放式、智能加工。 1 3 本文的研究目标及研究意义 开放式结构数控系统的优点在于具有广泛的兼容性，机床的研制者可在较大的范围内 根据需要配置硬件；同时也可在此结构下也可方便地扩充数控系统的功能；此外，系统 能直接运行第三方的软件，能充分利用现有的软件来开发出所需的数控系统。开放式数控 系统已经是世界各国数控研究者非常注意的课题，而新一代电火花线切割数控系统也必须 是符合开放式系统结构的数控系统。 如何在电火花线切割加工领域中建立开放式c n c 系统，目前，我国的研究还处于探索 和试验阶段，特别是如何将软件和硬件相结合，建立完整的基于p c 机的数控电火花线切割 开放式数控系统的研究还很不完善，而基于实时多任务操作系统开发的线切割机床控制系 统还可以说是一个空白。由于电火花线切割加工过程中的影响因素多，且精度要求也很严 格使得实现电火花线切割高速、高质量加工仍是国内外电加工界一直努力的目标。在这 样的背景下，作者确立了本文的研究目标 1 3 1 本文的研究目标 本文的研究目标是将图形学、计算机控制技术、电子电路技术与电火花线切割加工工 艺相结合，研究基于实时多任务操作系统的高速走丝w 功m 开放式c n c 系统的关键技术该 数控系统将以优化作图环境改善控制质量，提高加工效率，提高自动化水平，降低对操 作者要求为目的本文将讨论在多任务操作系统条件下利用图形学、面向对象原理、c + + 编 程技术、电子电路技术解决加工过程中的图形绘制、代码生成、数据通信等方面如上所 述的部分问题，充分利用软、硬件资源，研究建立一个面向对象、界面友好、运行稳定、 功能齐全开放式数控系统，并完成高速走丝w e 删开放式c n c 系统的结构设计及系统部分模 块的实现。 1 3 2 本文的研究意义 作者选择高速走丝电火花线切割机床作为研究对象具有重要意义。高速走丝电火花线 切割加工技术是6 0 年代末由我国独创研制成功的- 目前已是电火花线切割加工技术的一个 重要分支。经过3 0 年来不断完善和发展，高速走丝电火花线切割加工机在机床结构、技术 5 玉 上海交通大学硕士学位论文 水平及工艺效果等方面都取得了可观的进步，甚至有一定的突破陋6 。7 1 1 8 l ，现已广泛应 用于国民经济的各个部门，成为制造业中不可缺少的加工手段。在我国高速走丝电火花 线切割机床最多年产量有约i 0 0 0 0 台，全国拥有量已超过5 万余台。 然而在另一方面，高速和低速走丝电火花线切割机床的加工性能有明显差距：高速走 丝电火花线切割机床的切割速度已由过去的2 0 4 0 m m 2 r a i n ，普遍提高到l o o m m 2 巾i n ，最高 可达到2 6 6 m m 2 m i n ；机床可达到的尺寸精度为- - + 0 o l m m ：工件的表面粗糙度一般为r a l 2 5 2 5 1 m ，可满足一般模具加工和其他复杂零件制造的要求。而低速走丝电火花线切割加工的 工艺指标己达到相当高水平，即使对形状复杂的零件加工，生产率最高也可以超过 3 0 0 r m z m i n ；尺寸精度可以达到0 0 0 5 0 0 0 2 m m ；工件表面粗糙度可以达到如0 1 0 3 p m ( 多次切割) 。同时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，确 保优良的动态性能和高速定位运动，具有自动工具转换、自动卸除废料、自动穿丝、电源 适应控制、短路自动回退等技术，自动化程度高，已向无人加工发展。 因此，要使国产高速走丝机床跟上世界电加工发展水平，一方面在基础工艺水平提高 上要继续努力研究，另一方面要充分利用高速发展的计算机技术、电子技术、智能技术， 开发高智能、易编程、加工范围广、加工稳定的新一代开放式数控系统。将基于实时多任 务操作系统的数控技术应用到高速走丝电火花线切割加工领域中，针对实现高速走丝电火 花线切割数控加工的关键技术进行了研究，以此来提高高速走丝电火花线切割机床的可操 作性、数控编程效率和自动化水平，使快走丝数控机床得以保持原有性能价格比较低速走 丝线切割机床好的优势，在电加工行业中继续处于世界先进水平，这是具有一定的理论和 实际意义的 1 4 本文的主要研究内容 基于上述的研究目标作者为解决实现高速走丝电火花线切割开放式数控系统的关键 技术展开了研究工作在论文中研究了电火花线切割数控领域的技术现状，指出电火花 线切割数控技术走开放式道路是符合制造业目前发展趋势的，也是电火花线切割数控技术 自身发展的必然趋势。本文作者以开放式结构为核心、以电子电路技术和计算机技术为实 现手段的建立了电火花线切割开放式数控系统体系结构，指出了该数控系统的整体结构及 主要功能模块分析了该数控系统的工作流程及系统实现的关键技术。该数控系统以优化 加工过程、改善加工质量、提高加工效率、提高自动化水平为目标。本文总体内容有六章， 6 第一章绪论 具体的内容安捧如下： 第一章概述了电火花线切割加工技术的特点和在制造业中的地位，综述了开放式数控 技术的研究现状，指出了电火花线切割数控技术的发展方向。阐述了数控技术走开放式道 路是符合制造业目前发展趋势的，也是电火花线切割数控技术自身发展的必然趋势。同时 分析了本文研究的意义和目标。 第二章在分析电火花线切割数控系统的基础上，提出了一个基于以图形学原理、电子 电路技术、通信技术、以计算机技术为实现手段的电火花线切割开放式数控系统地框架结 构，研究了构成该数控系统的主要功能模块，探讨了该数控系统的工作流程，并指出了高 速走丝w e d m 开放式c n c 系统实现的关键技术。 第三章建立高速走丝电火花线切割开放式数控系统的图形系统。对图形的产生进行了 理论分析，并进行了图形显示效果的比较分析。 第四章加工过程的数据通信及处理是实现电火花线切割控制加工的基础。研制了一种 新型的基于高集成度的数字集成电路的高速走丝电火花线切割数据通信模块。该模块与p c 一起建立了电火花线切割数控系统，为后续的扩展控制模块的研究提供了基础，同时也是 高速走丝电火花线切割开放式数控系统的重要组成部分。 第五章在分析几个典型的通用实时多任务操作系统优缺点的基础上，分析建立自主版 权的高速走丝肛蹦开放式c n c 系统的利弊，讨论基于l i n u x 操作系统建立该数控系统的技 术。 第六章对本文的研究成果进行了总结，并对高速走丝电火花线切割开放式数控系统的 进一步研究方向进行了展望。 7 第二章开放式w e d m 数控系统结构 第二章开放式w e d m 数控系统结构 2 1 引言 随着计算机技术的发展，我国高速走丝电火花线切割已陆续采用p c 机控制线切割加 工过程眦2 0 引1 。p c - n c 系统具有零件图形输入、自动编程、加工轨迹控制、工艺参数选用 以及加工过程实时显示等功能。p c 的引入，为高速电火花线切割数控系统的发展提供了一 个很好的硬件和软件基础。但是目前使用p c - n c 系统仍是基于d o s 操作平台的，由于d o s 系统没有丰富图形资源、系统接口简单、6 4 0 k 内存管理能力等限制了数控系统功能的扩展， 使p c 资源得不到充分利用。因而必须建立开放式数控系统，以便实现在线的工艺参数优 化、故障诊断和在线处理，以及加工过程的自适应控制和智能控制。在开放式数控系统中， 微机接收和处理的实时信息需并发进行，随机性很大种类多而且相互独立，如果采用单 任务的菜单方式顺序执行，不仅影响运行效率，而且几乎不可能做到不丢失信息，解决的 唯一办法就是要用多任务并发运行管理。所以开发基于多任务操作系统平台的开放式c n c 系统己成为如今电火花线切割数控系统发展的必然趋势。 纵观国内高速电火花线切割开放式数控系统的研究情况，可以发现，至今尚未形成一 个完整的基于p c 的数控技术的高速电火花线切割开放式工系统，不仅缺乏从系统总体结 构上的分析，而且对构成系统的模块也不明确，使得电火花线切割数控系统的研究分散和 不完整2 2 2 i 。目前，如何把最新的计算机和电子技术用于高速电火花线切割数控系统， 构成一个高效、高自动化的数控系统是非常重要的研究课题。以上都要求对高速电火花线 切割数控系统从系统的整体结构到功能模块，从软件到硬件结构实现进行深入韵研究。本 章在分析电火花线切割数控结构的基础上提出了开放式体系结构高速电火花线切割开放 式数控系统的框架结构，分析了该系统各个组成模块的功能以及系统的工作流程，指出了 系统实现的软件和硬件结构的关键技术。 2 2 开放式c n c 系统结构和工作流程 2 2 1 开放式c n c 系统结构 国内许多电加工设备厂商和研究机构对开发基于多任务操作系统平台的开放式n c 系 统给予了高度重视，并提出了系统模型，但在实际应用上，还很不成熟。作者在研究高速 走丝线切割机床加工工艺和数控系统的基础上开发了基于多任务实时操作系统上高速走丝 上海交通大学硕士学位论文 线切割机床的开放式c n c 系统。一个完整的电火花线切割开放式c n c 数控系统的功能应 该能较大程度地覆盖屯火花线切割的加工工艺过程同时系统各功能模块应高效地集成来 提高电火花线切割加工过程的自动化水平，这要求有合理的电火花线切割数控系统的框架 结构。该系统建立在基于p c 机平台上，实行软硬件功能模块化，所提出的开放式c n c 系 统结构如图2 - 1 。 图2 - 1电火花线切割机开放式c n c 系统结构 f i g u r e2 - 1 t h e f r a m eo f o p e nc n c s y s t e mf o rw e d m 从图2 1 可以看出高速走丝线切割机床开放式c n c 系统应该包括：加工零件的设计和 输入模块、加工工艺数据库模块、信息处理和可视模块、加工过程的实时控制系统、电罂 控制系统、网络模块和仿真模块 对于加工零件的设计与输入模块，国内有不少单位进行了深入的研究，开发了许多优 秀的软件，能够处理非常复杂和特殊的图形井生成轨迹文件“，2 ”。在建立加工工艺数据 库模块方面，上海交通大学已把最新发展的神经网络技术应用到高速走丝线切割机床的加 工工艺上，建立了神经网络模型和数据库优化模型，开发了加工过程计算机仿真系统，取 得了一定的成果”“。系统的主模块提供灵活、友好和易操作的多窗口加工界面，负责进行 程序的编译、编码、线程调度、控制与c n c 的数据通信和系统管理等。加工过程的实时控 制系统是线切割机床最重要的部分，负责加工时差补计算、轨迹控制、任务协调和通信控 9 第二章开放式w e d m 数控系统结构 制，由主控系统、自适应高频电源、进给系统、故障检测系统、信号采样和处理系统组成。 电器控制系统包括走丝系统控制、冲液控制、行程控制、回零控制和其他开关、继电器、 工作液马达的控制等，它的主要任务是定时和产生时序、中断处理、电器的驱动和电器状 态的采样。网络模块使系统能接受外来的优化参数，以达到资源共享。仿真模块演示加工 过程。 由于电火花加工过程的复杂性和随机性，要保持好的加工稳定性，对故障检测提出很 高的要求关于故障检测系统的研究一直在进行，目前应用智能技术，提出新的防断丝控 制策略，实现了电火花线切割加工过程的自我监测、自我控制的智能化加工【2 “。 电火花线切割机开放式c n c 系统各功能模块之间既有一定的独立性又有一定程度上相 互依赖，数据流在不同的功自模块间传递，开放式c n c 系统通过具有开放式结构的数控系 统硬件平台来集成各功能模块。从功能上看，电火花线切割开放式c n c 系统由离线主机系 统和在线实时控制系统两个子系统组成，这两个子系统由分别由多个功能模块组成。 1 离线主机系统 离线主机系统的主要功能是电火花线切割的工艺参数的优化选择 以及数控图形编程。有如下功能模块： 图形系统该系统提供人机友好的界面，能够交互式生成包括非常复杂的含有样 条或特殊异形曲线的零件图形。 工艺数据库工艺数据库保存的是大量的通过试验获得的电火花线切割机床的工 艺参数与工艺指标之间的数据，通常以表的形式存在，是实现工艺参数优选和工 艺指标预测的物质基础。工艺数据库应具有添加、删除、修改、备份等数据维护 与管理的基本功能。 数控编程系统自动生成电火花线切割加工所需的数控文件( 如3 b 、g 代码) ： 该系统还可通过标准的数据接口接受其它c a d 系统提供加工零件的图形文件( 如 d x f 文件) 使离线智能工艺系统具有良好的开放性。 通信接口部分实现离线工艺系统与在线控制系统的数据通信。接口部分将根据 加工要求由工艺知识库优化获得的最优加工参数以及数控自动编程的信息传输给 在线智能控制系统。 2 在线实时控制系统在线实时控制系统是电火花线切割开放式数控系统的核心部 分。电火花线切割在线实时控制系统首先要实现对加工过程的准确检测，在此基 础上，根据检测环节获得的加工过程中状态变化信息，由机床加工控制系统对伺 1 0 上海交通大学硕士学位论文 服进给系统和脉冲电源参数进行实时控制：当加工过程中出现故障时，实时控制 系统能分析原因，给出相应的提示信息。在该子系统中，有如下重要的功能模块： 加工状态检测模块该模块是电火花线切割在线实时控制系统的一个关键环节 也是一个基础性环节。在电火花线切割加工中，没有对加工过程的准确检测，是 无法实现对加工过程进行有效控制的。电火花线切割加工状态检测研究必须解决 两个问题：( 1 ) 对电火花线切割加工中放电间隙的状态必须能准确地识别： ( 2 ) 必须构造合理的变量来反映加工状态，该变量要能很好地反映加工过程中的恶化 及放电间隙状态的变化。由该模块获得的反映加工状态的信息将实时地传输给后 续的加工控制模块以实现实时稳定加工。 电源模块电火花线切割加工中，可在线控制的电源参数主要有脉冲间隔、峰值 电流和脉冲宽度。电源参数的实时控制将能改变向放电间隙输入的能量，当放电 加工处于良好状态时，应适当控制电参数，增加输入的能量，提高切割速度；当 放电加工处于不良状态，应立即减少向放电间隙输入的能量，避免加工过程的进 一步恶化。由于电源参数控制的响应速度快( 毫秒级) ，成为快速改变电火花线 切割加工过程状态的重要手段特别是为防断丝现象提供有力的保证。该功能模 块将根据一定的控制算法，实时控制电源参数。 一 伺服控制模块放电加工的本质是维持合理的放电间隙大小，使脉冲电源产生的 脉冲高效地被利用电火花线切割伺服控制模块将在放电间隙大小的准确检测基 础上，实时控制伺服机构进给量，使加工保持最佳的放电间隙，实现高效、稳定 的加工。 故障诊断模块该模块是在电火花线切割加工机床发生故障时，能自动检测机床 的各个关键部件并可及时报警。该系统可对检测的信息进行分析，给出相应的故 障原因提示，为排除机床故障提供有力的在线帮助降低机床的操作难度。 2 2 2 开放式c n c 数控系统的工作流程 电火花线切割智能加工系统的工作流程顺序为：( 1 ) 开机一( 2 ) 绘制工件图形一 ( 3 ) 生成数控加工程序一( 4 ) 输入加工条件和加工要求一( 5 ) 根据工艺库推荐最优的 工艺参数，并预测可能获得的工艺效果一( 6 ) 如果操作人员满意，则由智能工艺参数系 统自动选定脉冲电源参数和伺服进给系统初值一( 7 ) 进入加工阶段，检测模块对放电间 隙状态不断地检测一( 8 ) 系统根据控制工艺库来调节电源参数和伺服进给量使放电加工 1 1 第二章开放式w e d m 数控系统结构 处于最佳状态一( 9 ) 当机床发生故障时，由故障诊断系统报警并给出相应的提示信息一 ( 1 0 ) 加工结束，检验工件。 2 3 本文研究的关键技术 本开放式数控系统硬件结构为p c + n c 模式，即n c 板卡插入p c 局部总线p c i 槽口 中。p c 是标准的符合开放式体系结构的系统，而p c 是新一代局部总线方便数控硬件功 能的扩展；利用p c 的计算速度快、存储器容量大、i o 接口能力等特点，可安排将大量的 信息预处理工作放在p c 上进行；本系统的软件平台选择w i n d o w s 操作系统，该系统优秀 的图形界面、完善的多任务能力和内存管理能力为发展数控系统提供良好的基础。作者经 过深入的研究。给出了以下系统的软、硬件结构设计，并就此结构解决系统的关键问题： ( 1 ) 软件结构基于w i n d o w s 系统的开发环境非常有利于复杂的控制界面的设计与开 发，可安排p c 来实现人机交互集成界面；另一方面，p c 的微处理器具有强大计算 能力，可预处理大量非实时数据。对于直接的控制任务及必须与控制同时进行的信息 处理可放在功能卡上，以满足实时控制的要求。整个软件系统将由主机软件系统与模 块软件系统组成。 主机软件系统是基于p c 操作系统的一个运行程序，主要有三个模块： 系统初始化及监视模块：w i n d o w s 系列系统稳定性不好，严重影响了加工过程的 稳定：系统监视模块处在操作系统的r i n 9 0 级负责管理进程打开和合理资源调 用。 操作界面模块：图形输入、有文件编辑和编译、工艺参数优选、工艺效果预测、 输入，输出处理、机床参数设置、加工过程环境显示等模块。作者就如何在实时多 任务操作系统上建立高显示精度的图形的技术进行研究，而对于编程系统自动生 成数控m - v 代码的原理将不在详细讨论。 后台任务控制模块：协调各功能模块间的动作。 关键问题i ：主机软件系统是本文作者研究的重点，将对w i n d o w s 系统内核管理机 制、c a d 和c a m 的接口、图形显示效果、3 b 和i s o 代码转换、w i n d o w s 系统下的p c i 通信等关键问题进行回答。 摸块软件系统在总控制模块下也有两个模块： 初始化模块：对功能卡自身硬件检测，对功能卡的环境参数设置等； 控制模块：实现各个模块的主要功能，如插补运算、工艺参数优化、电源参数控 制算法等。 1 2 圭塑奎望查堂堡主兰垡堡塞 主机软件系统和模块软件系统之间通过标准的p c i 接口规范进行信息交互，当模块软 件在支持标准的通讯模块的条件下进行升级和更新，将不会导致主机软件的变化，使得整 个软件系统具有良好的通用性和可编程性。 ( 2 ) 硬件结构采用p c 的主板加插卡式结构来实现电火花线切割的数控及智能加工功 能a 具体实现是在通用p c 的总线扩展槽中插入多个专用的功能卡，功能卡可用来 实现加工轨迹生成、加工状态检测、电源参数控制、伺服进给控制等功能。一块功 能卡就是一个功能相对独立的模块，使用时可像p c 已有的功能卡一样插在p c 的总线槽中，并通过软件来进行控制。功能卡的基本结构如图2 2 。 l 系统总线l i 阽剽 电源线 l 一l 1 竺i斛 控制线 通磊吾1 信 c p u 一 部件 竺兰兰竺l 静 数据线 接 控制 _ r 翮 设 冈匿叵悃- 备 刨t 巫j 圊 电 路 功能卡 一叭、柚通h 司- 圈2 2 功能摸块的基本结构图 f i g m 2 - 2n i c h o f f i _ l i | n c f i o n a l m o d u l c f o r w i b d m 由图2 2 可知，功能模块是通过系统的开放式总线与p c 集成的。每个模块都有独立的 微处理器来进行数据处理，不占用p c 主机的资源，因此，整个加工系统是一个主从式的 多处理器结构的开放式系统。该系统硬件结构的优点是能充分保证系统高速运行和高稳定 性：同时，系统具有良好的开放性，可以添加新模块来实现新的功能，也可以对原有功能 模块进行升级，而无须对整个系统进行修改。 关键问题：作者分析了开放式数控系统硬件结构，对p c 系统总线和标准接口进行研究 口”，给出了利用数字太规模集成电路设计插补控制卡的实例，并就如何使用f p g a 建立p c i 硬件接口、基于p c i 接口应用电路的开放式设计等关键问题进行回答。 第二章开放式w e d m 数控系统结构 2 4 本开放式c n c 系统的特点 本文提出的基于多任务操作系统的电火花线切割开放式数控系统采用了图形学、计算 机技术和电子技术作为开放式数控系统建立的基础，开放性是该电火花线切割数控系统的 重要特点。电火花线切割机床数控系统的开放性将为电火花线切割机床在网络技术的支持 下以一定的策略集成到c i m s 中使之成为未来制造系统的一员提供有力保证。系统的开 放性体现在三个方面：( 1 ) 模块集成的开放性：( 2 ) 工艺优化库的可管理性；( 3 ) 控制 系统的开放性。 模块集成的开放性。整个电火花线切割开放式c n c 系统是在统一的平台用多个功 能模块来集成的。集成方式可采用基于开放式体系结构平台用标准接口或用公共界面将软 硬件功能模块集成在一起。不同的模块提供的功能不同，模块之间的通讯可通过专用数据 文件来传输。开放式数控系统可添加新模块来增加新功能，也可以对模块升级，以符合新 标准。模块化集成系统结构适合于规模中等系统设计优点在于结构清晰，信息流动明了， 易于设计。 对开放式数控系统提供支持的工艺库是易于管理的。工艺数据库中数据要不断地更 新，一些不再适用的数据将会删除或更改，新的数据将会增加，因此在工艺数据基础上建 立的工艺知识将会更新；另一方面，在构建系统时不可能把全部知识收集起来，知识需要 日积月累地形成，此外，机床应用中会出现一些新工艺，带来了新知识。对知识的更新有 的要求人工进行，有的可自动进行，但这些都需要一个开放的工艺知识库，一个能对知识 进行增删、修改的知识库是非常必要的 机床控制系统不再象传统的控制系统是封闭的，而是一个开放的可以人机交互的系 统。新一代的高速电火花线切割控制系统是基于高速计算机的控制系统，它是拥有标准的 软硬件接口，充分利用目前日益成熟的网络技术。它可咀与远端的电火花线切割控制系统 共享c d 忙 e ，c a m 资源，以及与其它的远程制造设备相联。这样的控制系统将使操作人 员可以实现远程在线查询机床的工作情况，并根据加工情况进行控制还可以和远端的知 识专家交流信息。 2 5 本章小结 本章在分析高速电火花线切割数控系统基础上，提出了电火花线切割开放式c n c 系统 的框架结构分析了系统的各个组成模块的功能以及系统的工作流程。提出了实现开放式 c n c 系统的软件和硬件结构的关键技术。本章为实现高速电火花线切割开放式c n c 系统 的提纲，电火花线切割c n c 系统的实现技术和研究成果将在后续章节中论述。 第三章w e d m 开放式c n c 主机软件系统 3 1 引言 w e d m 开放式c n c 主机软件系统应包括零件图形c a d 、自动编程生成n c 代码、以及 加3 - 代码送插补控制器等基本功能模块，如图3 - 1 所示。 图3 - lw e d mc n c 主机软件系统 f i g u r e 3 1w e d m c n cs o x v es y s t e mf o rp c 由于本软件系统实例基于w i n d o w s 系统，作者将解决w i n d o w s 下设备无关性图形的显示、 c a d c m 接口、软件系统实现机制、p c i 设备驱动程序的设计等问题，涉及到图形生成技