（机械电子工程专业论文）基于niosⅡ的慢走丝线切割数控系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 慢走丝线切割机床具有加工精度高、加工速度快、表面粗糙度小等优点。而 我国慢走丝线切割技术的发展相对滞后。随着我国航空航天制造产业的飞速发展 和模具行业的迅速崛起，开发具有自主知识、性能高的慢走丝线切割机床已经刻 不容缓。由于数控技术是慢走丝线切割机床的关键，故本文将s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术与数控技术相结合，开发可重构强、性能高、且易于升级 的慢走丝线切割数控系统。 本论文进行了慢走丝线切割数控系统的总体方案设计。通过对慢走丝线切割 机床国内外发展现状的分析，并结合本课题的具体要求以及数控技术的发展动态， 提出了采用s o p c 技术搭建慢走丝线切割数控系统的总体方案。该数控系统是以 n i o s l i 软核处理器为核心的片上双核系统，配合外围功能模块，实现数控系统的软 硬件开发。 本论文在确定了慢走丝线切割数控系统的总体方案后，首先进行了硬件电路 的设计。以f p g a 芯片e p 2 c 3 5 为核心，完成了n i o s l i 最小系统及其外围功能模 块电路的设计，主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、j t a g 接口电路、配置 电路、s d r a m 电路、n o r f l a s h 电路、n a n d f l a s h 电路、r s 4 8 5 通讯电路、r s 2 3 2 接口电路、以太网接口电路以及a d 转换电路的设计并提出了系统的硬件抗干扰 措施。接着进行了慢走丝线切割运动控制的研究。对梯形加减速算法进行了讨论； 对直线插补和圆弧插补算法进行了研究；阐述了白适应控制理论在慢走丝线切割 运动控制中的应用。然后进行了慢走丝线切割数控系统的软件设计。阐述了n i o s l i 系统的开发流程；对n i o s l i 双核处理器之间的通讯进行了研究；完成了l x c o s i i 操作系统在n i o s l i 处理器上的移植以及以太网传输模块的设计；对慢走丝线切割 数控系统进行了任务的划分，给出了系统任务的调度流程；并进行了基于触摸屏 的系统人机界面的设计。 本论文结合慢走丝线切割机床的加工原理以及控制要求，完成了基于n i o s l i 的慢走丝线切割数控系统大部分内容的研究与开发。系统运行稳定、可靠、基本 达到了预期的设计要求，且系统重构性强、易于升级，具有较大的应用前景。 关键词：慢走丝线切割机床，数控系统，n i o s l i ，e p 2 c 3 5 ，p c o s i i 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a ct t h el s w e d mp o s s e s s e sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hm a c h i n i n ga c c u r a c y , h i g h m a c h i n i n gs p e e da n ds m a l ls u r f a c er o u g h n e s s w h i l et h ed e v e l o p m e n to fl s w e d m t e c h n o l o g yi nc h i n ai sl a g g i n gb e h i n dr e l a t i v e l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f a e r o s p a c em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dt h er a p i dr i s eo ft h em o l di n d u s t r yi nc h i n a ，i ti s v e r yp r e s s i n gt od e v e l o pl s w e d mw i t hs e l f - k n o w l e d g ea n dh i g hp e r f o r m a n c e f o rt h e c n ct e c h n o l o g yi st h ek e yo fl s w e d m ，al s w e d mc n cs y s t e mw h i c hi s r e c o n f i g u r a b l e ，w i t hh i g h - p e r f o r m a n c ea n de a s yt ou p g r a d ew a sd e v e l o p e dw i t ht h e c o m b i n a t i o no fs o p c ( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g ya n dc n c t e c h n o l o g yi nt h i st h e s i s ，t h eo v e r a l ls c h e m ed e s i g no ft h el s w e d mc n cs y s t e m w a sc a r r i e do u ti nt h i st h e s i s t h eo v e r a l ls c h e m eo ft ob u i l dal s - w e d mc n c s y s t e m w i t hs o p ct e c h n o l o g yw a sp r o p o s e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u si n t h ew o r l dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fs p e c i f i cr e q u i r e m e n t so ft h i ss u b j e c ta n dt h ec n c t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t s t h ec n cs y s t e mi sa no n - c h i pd u a l - c o r es y s t e mb a s e do nt h e n i o s l is o f tc o r ep r o c e s s o r , w h i c hr e a l i z e st h ed e v e l o p m e n t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f o rt h ec n c s y s t e mw i t ht h ep e r i p h e r a lf u n c t i o nm o d u l e s t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nw a sc a r r i e do u tf i r s ta f t e rt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h e l s - w e d mc n cs y s t e mw a sd e t e r m i n e di nt h i st h e s i s t h ed e s i g n so ft h em i n i m u m n i o s l is y s t e ma n di t s p e r i p h e r a lf u n c t i o nm o d u l ec i r c u i t sw e r ec o m p l e t e db a s e do n f p g ac h i pe p 2 c 3 5 ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n so fp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，c l o c k c i r c u i t ，j t a gi n t e r f a c ec i r c u i t ，c o n f i g u r a t i o nc i r c u i t ，s d r a mc i r c u i t ，n o r f l a s hc i r c u i t ， n a n d f l a s hc i r c u i t ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，r s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t ，e t h e r n e t i n t e r f a c ec i r c u i ta n da dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，a n dt h eh a r d w a r ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e s w e r ep u tf o r w a r dt o o t h e n ，t h es t u d yo fm o t i o nc o n t r o lf o rl s - w e d mw a sc a r r i e do u t t h et r a p e z o i d a la c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nm e t h o d sw e r ed i s c u s s e d ；t h el i n e a r i n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mw e r es t u d i e da n dt h ea p p l i c a t i o no f a d a p t i v ec o n t r o lt h e o r yi nt h em o t i o nc o n t r o lo fl s w e d mw a sd e s c r i b e d n e x t ，t h e s o f t w a r ed e s i g no ft h el s w e d mc n c s y s t e mw a sc a r r i e do u t t h en i o s l is y s t e m d e v e l o p m e n tp r o c e s sa se l a b o r a t e d ；t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h en i o s l id u a l c o r e p r o c e s s o rw a ss t u d i e d ；t h et r a n s p l a n t a t i o no ft h eg c o s i io p e r a t i n gs y s t e mt ot h e n i o s l ip r o c e s s o ra n dt h ed e s i g no ft h ee t h e r n e tt r a n s m i s s i o nm o d u l ew e r ec o m p l e t e d ； t h et a s k so ft h el s w e d mc n c s y s t e mw e r ed i v i d e da n dt h es c h e d u l i n gp r o c e s so ft h e i i i 重庆大学硕士学位论文 s y s t e m st a s k sw a sg i v e nt o o ；a n dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h es y s t e mb a s e do n t o u c hs c r e e nw a s d e s i g n e d t h em o s tc o n t e n to ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h el s - w e d mc n cs y s t e m b a s e do nn i o s l lw e r ec o m p l e t e di nt h i st h e s i sw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h ep r o c e s s i n g p r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h el s w e d m t h es y s t e mr u n ss t a b l y 、 r e l i a b l ya n da c h i e v e st h eb a s i ce x p e c t e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h es y s t e mh a ss t r o n g r e c o n f i g u r a t i o na n d i se a s yt ou p g r a d e ，w h i c hp o s s e s s e sl a r g ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s l s w e d m ，c n cs y s t e m ，n i o s l i ，e p 2 c 35 ，g c o s i i 1 绪论 1 绪论 1 1 电火花线切割机床概述 1 1 1 电火花线切割加工的原理、特点、分类及应用 电火花加工是在一定介质中，利用阴极和阳极( 工具电极与工件电极) 之间脉冲 性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工，从而达到一定形状、尺寸和表面粗 糙度要求的加工方法。电火花线切割是电火花加工的一种形式，它用一根长金属 丝做工具电极，并以一定的速度沿电极丝轴线方向移动，不断进入和离开切缝内 的放电区。加工时，脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝，并在电极丝与工件 切缝之间喷射液体介质：另外，安装工件的工作台，则由控制装置根据预定的切 割轨迹控制伺服电机驱动，从而加工出我们所需要的零件。 电火花线切割加工具有以下特点：加工与工件材料的力学性能无关，可以 加工任何硬脆韧及高熔点金属材料；加工过程与工件不直接接触，适宜加工低 刚度工件及微细加工，也利于加工各种复杂的零件及窄缝；不需要制作复杂的 成型工具电极，工件材料的预加工量少；只对工件进行图形加工，工件材料被 腐蚀量很少，余料还可以使用，有助于节省能量，提高加工效率；由于电极是 运动着的长金属丝，单位长度电极丝损耗较小，对加工精度影响小；自动化程 度高，操作使用方便，加工周期短，成本低，较安全；能获得较好的工艺效果。 由于电火花线切割有许多独特的优点，现在已在国内外得到广泛的应用，并 成为模具制造中的重要加工手段。我国电火花线切割机的年产量曾突破3 5 0 0 台、 年，而在生产实践中应用的约有3 0 万台。目前国内外的电火花线切割机床已占电 加工机床总数的6 0 以上。电火花线切割主要应用以下几个方面：模具加工。 冲裁模、挤压模、粉末冶金模、镶拼模、拉丝模等许多模具，不仅形状复杂，而 且硬度高，目前基本上都是采用电火花线切割加工。检测样板及成型刀具加工。 这类零件的材料硬度高、形状复杂、精度要求较高，用机械加工方法较难实现， 现在也都采用电火花线切害- r 3 m 工。异形孔、窄缝和稀有贵重金属加工。这类零 件要求切缝小、蚀除量小，用电火花线切割加工最合适。特殊零件加工。包括 汽车点火触头加工、超大厚度成型零件加工、复杂型材切薄片加工以及新产品试 割的零件加工，用数控电火花线切割可以获得理想的工艺、经济效果【l 2 】。 目前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：一类是快 走丝线切割机床( h s w e d m ) ；另一类是慢走丝线切割机床( l s w e d m ) 。其中国外 使用的主要是慢走丝线切割机床，而国内使用的主要是快走丝线切割机床。 重庆大学硕士学位论文 1 1 2 电火花线切割机床的发展历程 电火花成形不仅需要制作复杂的成形电极，而且材料浪费很大，还有电极损 耗等诸多问题。为了实现用一根简单的金属丝做工具电极来切割出复杂的零件， 苏联学者在1 9 5 5 年提出了电火花线切割机床方案，并于1 9 5 6 年制造出第一台电 气靠模仿形电火花线切割机床，1 9 5 8 年在苏联全国内公开。 为了改善电火花线切割的加工轨迹控制，捷克机械及自动化研究所于1 9 5 8 年 研制出光电控制的电火花线切割机床；苏联于1 9 6 5 年又研制出数字程序控制的电 火花线切割机床；我国也在1 9 6 4 年开发高速走丝电火花线切割机床的基础上于 1 9 6 9 年研制成数控高速走丝电火花线切割机床，曾在国际上形成了一个富有中国 特色的一类数控电火花线切割产品。 随着数控电火花线切割技术的产生和不断完善，电火花线切割技术的特点及 优越性越来越明显，并迅速在各个工业制造部门得到推广应用，逐步成为制造部 门一种必不可少的工艺手段。日本，瑞士等工业发达国家抓住机遇，并借助电子 技术的发展将电火花线切割技术推向一个迅速发展阶段。日本西部电机株式会社 1 9 7 2 年在国际博览会上首次展出了e w - 2 0 数控电火花线切割机床；1 9 7 7 年瑞士将 电火花线切割电源全部换成晶体管电源；1 9 8 0 年瑞士推出了电火花线切割机床附 加高速切割装置，并改进了电源及供液方式；1 9 8 2 年瑞士夏米尔公司研制出 f 4 3 2 d c n c 型精密高速电火花线切割机床，采用了自动穿丝装置及镀锌铜丝作为 电极丝。 到2 0 世纪8 0 年代初，电火花线切割的工艺水平已发展到相当高的地步。日 本此时的机床切割速度在1 0 0 m m 2 m i n 以上，是其1 9 7 4 年的3 倍多；加工精度也 从1 9 7 4 年的土0 0 2 m m 提高n 土o 0 0 5 m m ；全国年产量达到2 0 0 台。瑞士的机床切 割速度达8 0 m m 2 m i n ，重复精度为o 0 0 2 m m ，最大切割厚度达1 4 0 m m - 16 0 m m 。 我国的高速走丝电火花线切割机床因走丝速度快，排屑条件好，最大速度达到2 6 6 m i l l 2 m i n ；北方控制工程研究所于1 9 8 3 年就成功地切割出5 0 0 m m 厚的钢件和 6 1 0 m m 厚的材料。 2 0 世纪8 0 年代后期和9 0 年代，是电火花线切割技术不断完善和稳步发展时 期。目本为了提高加工精度，不仅采用了齿隙补偿和螺距补偿技术，而且用陶瓷 材料制作机床工作台面和夹具。为了克服电解变质层影响，日本和瑞士都先后开 发了无电解电源，如日本三菱公司的a e 电源、沙迪克公司的b s 电源、f a n u c 公司的a c 电源以及瑞士夏米尔的s i 电源等。为了改善加工表面质量，日本和瑞 士制造商都开发了窄脉宽高峰值电流的镜面加工电源，日本沙迪克公司和三菱公 司还采用了混粉镜面加工技术。为了满足现代工厂自动化生产需要，各制造厂商 不仅开发了自动穿丝装置，而且还开发了防断丝装置以及智能化软件系统；伺服 1 绪论 控制系统也采取了模糊控制技术。计算机控制技术也不断提高，从1 6 位机已逐步 上升到6 4 位机。伺服控制的增量也从l g m 上升到o 1 1 岬，日本沙迪克公司还采 用了直线电机驱动。这些努力，都进一步提高了电火花线切割加工的稳定性及自 动化程度，工艺水平也有突破性的进步。这个时期，电火花线切割的切割速度已 提高到3 2 5 m m 2 m i n ，最好表面粗糙度达r a 0 1 l a m 0 2 1 m a ，加工精度提高到 土0 0 0 3 m m ，慢走丝电火花线切割机也能切割3 5 0 m m - 4 0 0 m m 的超厚工件，而中国 则有2 0 0 0 m m 1 2 0 0 m m x 5 0 0 m m 和1 0 0 0 m m x 6 3 0 m m x l 0 0 0 m m 加工范围的超大型高 速走丝电火花线切割机上市【34 i 。 随着航天、航空、汽车、军工、半导体等重要制造领域，尤其是精密模具制 造业的迅猛发展，对各类高、中、低档数控电火花线切割机床的需求量在不断提 高，市场竞争也日趋激烈，同时也刺激了线切割机床制造厂商对电火花线切割机 床性能及功能的提升，促进了数控电火花线切割技术的进一步发展。使得电火花 线切割加工已成为目前应用最为广泛的特种加工方法，并愈来愈引起人们的关注 和重视。 1 2 慢走丝线切割机床的研究现状 1 2 1 国外发展现状 由于起步比国内早，国外的电火花线切割机床相对于国内来讲，一直处于领 先地位。日本m i t s u b i s h i 公司、日本s o d i c k 公司、瑞士a g i e 公司以及瑞士c h a r m i l l e s 公司等是国外慢走丝线切割机床的代表性厂家，他们现在占据了大部分国际市场。 慢走丝线切割机床的张紧是用电机实现的，走丝是单向的，电极丝只使用一次， 从上而下运行，电极丝的抖动极小，走丝平稳，速度均匀，从而使电极丝的损耗 和振动不会影响表面粗糙度以及加工精度，因而在精密机械零件和精密模具的加 工场合应用十分广泛。随着各行业精密零件和模具需求量的日益增加，慢走丝线 切割机床技术得到了极快的发展，目前，国外慢走丝线切割机床技术呈如下趋势 发展【5 9 】： f 1 ) 力h i 速度及加工效率的提高 对于慢走丝线切割机床的发展，日本牧野公司提供了s u p e rs p a r ki i 选项功能。 s u p e rs p a r ki i 选项功能有两项，其中一项是r p r o c e s s 2c o n t r o l 功能，能够根据加 工的深度预测侧面扩大量，可以在一半加工深度到达前自动增强加工条件；另一 项是s p a r kj u m p 功能，在抬刀期间也可以放电，从而使放电区分散在电极的多个 地方，非常利于排屑。瑞士的a g i e 公司提出了一个以速度为核心的发展新理念。 该理念包括：快速加工、快速编程、快速安装、快速准备，其实质是尽可能地减 小加工工时以及辅助工时。随着n s 级大峰值电流脉冲电源技术以及控制、检测、 重庆大学硕士学位论文 抗干扰技术的发展，慢走丝电火花线切割机的加工效率也在不断提高。在使用标 准电极丝时，瑞士阿奇公司的p r o g r e s s 机床，d h m 效率可达3 5 0 5 0 0 m m 2 m i n ； 在切割3 0 0 m m 厚的工件时，日本三菱电机公司的f a v 系列机床加工效率为 1 7 0 m m 2 m i n ，这是十分意义的技术提升。瑞士阿奇夏米尔公司旗下的 r o b o f i l 2 0 3 0 s1 t w 机床可以使用0 2 0 0 0 2 m m 的电极丝进行自动双丝切换加 工，采用粗丝进行第一次切割，丝径为0 0 2 5 m m ，总体切割时间能够节省3 0 5 0 ， 极大地提高了加工效率。日本沙迪克公司称其穿丝时间为1 3 s ；日本三菱电机公司 称，当板厚为5 0 m m 时，其穿丝时间为1 0 s ，切丝、穿丝总时间为2 5 s 。这些发展 充分表现了提高机床的加工效率，永远是电火花加工机床不变的主题。 ( 2 ) j i l i 表面质量日臻完善 脉冲电源的性能对电火花加工的性能具有直接的决定作用，目前较先进的慢 走丝电火花线切割机采用的脉冲电源其脉宽只有几十n s ，峰值电流 1 0 0 0 a ，可以 形成气化蚀除，既提高了加工效率，也大大地提高了表面质量。而国外对这些高 精尖电源技术是严格保密的，无文章和专利可寻。在2 0 0 1 年第七届北京国际机床 展上，日本s o d i c k 公司推出了一款型号为a q 5 5 0 l 的慢走丝线切割机床，该机床 是用直线电机驱动的。该款机床的特点在于直线电机驱动与主轴无丝杠联接是同 一个零件，不存在反向间隙，可以准确地移动，能够实现高精度的位置控制以及 高精度的响应和跟踪，能防止断丝现象，可以保持最佳放电状态的稳定加工，线 切割加工中的表面条纹得到了克服，加工精度和放电效率也得到了极大的提高， 因而直线电机驱动是国外慢走丝线切割机床发展趋势一个极大的亮点。另外，拐 角加工技术的不断优化完善、机床结构精密度的不断提高以及多次切割以及细切 割丝等技术的应用，也极大地提高了线切割加工的表面质量。 ( 3 ) n 络技术的普及应用 网络技术在国外慢走丝线切割机床上已经得到了广泛的应用。以瑞士a g i e 公 司的a g i e v i s i o n 机床为例，该机床能够用网络遥控实现机床除开机以外的全部 功能，例如培训、咨询、c a d c a m 文件传递、维修服务等，获得的经济和社会效 益是十分显著的。 ( 4 ) 智能控制技术的应用 在电火花加工中，要培养精通工艺熟练的操作工人是十分困难的，因为影响 加工性能的因素是多样且复杂的。因此，如果l s w e d m 机床具有高性能的智能 化控制能力以及强大的专家系统，将能受到用户的极大欢迎。计算机软硬件技术、 网络技术、电力电子技术等相关技术的不断发展，极大地提高了电火花线切割加 工的1 9 动化程度，而人工智能技术如人工智能网络技术、模糊控制技术的诞生则 使电火花线切割加工走上了一个新的发展高度。目前，电火花线切割加工的人工 4 1 绪论 智能以及自动化技术的发展有了一个质的飞跃，原来是电火花线切割加工某项关 键技术的自动化、人工智能技术的应用，而现在则是整体电火花线切割加工的自 动化、人工智能技术的应用。 ( 5 ) 基于可重构思想的控制系统的模块化和集成化发展 2 0 世纪末，得益于计算机技术的迅猛发展，不断出现具有各种控制功能的集 成化和模块化的控制卡，例如，美国g a l i l 公司的系列化多轴联动伺服控制卡。 国外先进的慢走丝线切割机床c n c 系统都采用了这些技术，如高速度的3 2 位微 处理器或多片c p u 模块化技术，能够对不同任务进行并行处理，极大地简化了原 来庞大的数控系统，使数控系统体积更小，性能更稳定，维修更换更方便，极大 地推动了慢走丝线切割机床c n c 系统的快速发展。 1 2 2 国内发展现状 我国慢走丝线切割机床的研制与生产起步比较晚，是上世纪8 0 年代才开始的。 因为不像国外有比较长时间积累的基础，并且国外电子业和制造业的发展十分迅 猛，从而导致了国内的慢走丝线切割机在许多方面都比国外的慢走丝线切割机落 后，特别是在加工精度方面，其加工精度比国外相差一个数量级。国内现在主要 有苏州沙迪克三光机电有限公司、苏州电加工机床研究所、北京阿奇工业电子有 限公司、汉川机床股份有限公司，这些企业研制的慢走丝线切割机床加工精度一 般在土3 岬，d hq - _ 效率1 2 0 15 0 m m 2 m i n ，加工表面粗糙度r a 0 3 9 m 1 0 j 。 1 3 研究课题的提出及研究内容 1 3 1 研究课题的提出及意义 目前，国内使用的主要是高速走丝线切割机床，其d hq - - 速度快，有利于改善 排屑条件，适合于大厚度和大电流高速切割，加工性能价格比优异，在很多对加 工精度要求不高的情况下，国内的快走丝线切割机床就能充分体现出其加工速度 快的优势。但是，由于走丝速度快，并且加工用的金属丝是反复利用，使得金属 丝不能固定，并且金属丝直径在反复使用后会发生变化，加工精度低、加工稳定 性差、自动化程度相对慢走丝线切割机相比还有很大的差距。慢走丝线切割机具 有加工精度高，加工速度快，表面粗糙度小等优点，随着对产品性能和n q - _ 精度 要求的不断提高，快走丝线切割机床已经不能满足加工精度的要求。 在国内实施的“改进快走丝机，发展慢走丝机”的战略指导下，很多国内有实力 的企业在慢走丝线切割机方面都加大了研发力度，在自动编程、数控系统、机床 制造、加工工艺等方面进行了研究，取得了一定的成果。从国内的一些厂家生产 的慢走丝线切割机来看，比如苏州三光、台湾庆鸿、北京阿奇夏米尔等厂家的慢 走丝机，在主要技术和零部件上仍需借鉴国外的技术、引进国外零部件生产。目 重庆大学硕士学位论文 前在产品性能、精度、稳定性、电源、数控系统性能等方面和国外相比还有很大 的差距。 随着我国航空航天制造产业的飞速发展和模具行业的迅速崛起，国内高速走 丝线切割机加工精度低从而不能满足生产发展需要成为了当前的主要矛盾。然而， 目前我国高精度的慢走丝电火花线切割机床通常主要由从国外进口，各个生产厂 商对一些关键技术是严格保密的，因而大力发展慢走丝线切割机床己经刻不容缓， 开发具有自主知识产权的高精度慢走丝电火花线切割机床已经成为共识。然而慢 走丝电火花线切割机床从理论设计到实际生产都十分复杂，它代表了加工制造业 的最高领域，因此在很多方面都还没有完善。而数控系统是线切割加工的重要环 节，其稳定性、可靠性、控制精度、自动化程度都直接影响到工艺指标和操作人 员的工作强度。但由于慢走丝线切割加工工艺的特殊性和复杂性，其数控技术的 发展相对滞后。因此，对慢走丝线切割机床数控系统的开发成为了当务之急【1 1 。1 3 j 。 本文旨在研制一种精度高、可靠性强、成本低、可重构且易于升级的慢走丝 线切割数控系统，对于开发具有自主知识产权、性能高的慢走丝线切割机床具有 极大的意义。 1 3 2 论文的研究内容 课题主要是在n i o s l i 处理器平台上开发慢走丝线切割数控系统。在目前还没 此类系统商业化的情况下，自主设计开发这样一套数控系统，有很多工作要做。 本文着重从慢走丝切割机数控系统的总体方案设计、系统硬件设计、线切割运动 控制的研究以及系统软件设计等方面进行了探讨。论文的主要研究内容及主要工 作安排如下： 第一章简要阐述电火花线切割机的原理、加工特点、应用范围及主要分类， 描述电火花线切割机床的发展历程；重点分析慢走丝线切割机床的国内外发展现 状；指出国内慢走丝线切割机床的不足及研究方向并提出本课题的研究意义。 第二章为慢走丝线切割机床数控系统的总体方案设计部分。首先阐述慢走丝 线切割机床的组成并提出本文要设计的慢走丝线切割数控系统的需求；接着分析 慢走丝线切割数控系统的技术动态，对s o p c 技术及n i o s l i 软核进行概述；最后 提出系统的总体方案。 第三章为基于n i o s l i 的慢走丝线切割数控系统的硬件电路设计部分。首先提 出系统的总体硬件结构；接着对n i o s l i 处理器的外围电路进行设计；然后进行人 机接口电路、系统通讯电路以及a d 转换电路的设计；最后提出系统的硬件抗干 扰措施。 第四章进行慢走丝线切割运动控制的研究。首先进行梯形加减速算法的研究； 接着对直线插补和圆弧插补算法进行了探讨；最后阐述白适应控制理论在慢走丝 6 1 绪论 线切割运动控制中的应用。 第五章阐述系统的软件设计内容。首先描述n i o s l i 系统的开发流程并对n i o s l i 双核处理器之间的通讯进行研究；接着进行i t c o s i i 操作系统的在n i o s l i 处理器 上的移植以及以太网传输模块的设计；最后进行系统人机界面的设计。 第六章总结了论文完成的工作，并对课题作了展望。 重庆大学硕士学位论文 8 2 基于n i o s l i 的慢走丝线切割数控系统总体方案设计 2 基于n i o s l i 的慢走丝线切割数控系统总体方案设计 2 1 慢走丝线切割数控机床的组成 r ii ， m 图2 1 慢走丝电火花线切割数控机床的组成 f i g2 1t h ec o m p o s i t i o no fl o ws p e e dc n cw e d m 慢走丝线切割数控机床的组成如图2 1 所示，主要由以下几大部分组成【1 4 - 1 5 ： ( 1 ) 机床主机。机床主机主要由坐标工作台、走丝机构、丝架床身等组成，是 机床的基体。 ( 2 ) 机床电器。机床电器控制电路主要控制的内容有走丝控制、走丝换向控制、 工作台控制方式选择、限位控制、照明控制、工作液泵启动等，主要由各种继电 器实现控制功能。 ( 3 ) 数控系统。数控系统通常包括下列功能：编辑功能。程序输入、编辑功 能；程序校验功能等。有些控制系统还有自动编程功能等。轨迹控制。即精确 控制电极丝相对于工件的运动轨迹，以获得所需的形状和尺寸。加工控制。主 要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机构、工作液系统以及其他的机床操作 控制。此外，断电保护、断丝保护、短路自动回退、自动定中心、定端面、加工 结束自动关( 停) 机及安全控制和自动诊断功能也是一个重要的方面。 ( 4 ) 脉冲电源。在电火花加工中，脉冲电源的功能是将工频交流电流变换成某 种频率的单向脉冲电流，然后供给火花放电间隙所必需的能量，以蚀除金属。脉 冲电源会严重影响电火花加工的加工速度、表面质量、生产率、加工过程的稳定 性和工具电极损耗等技术经济指标，因而必须重视。脉冲电源应当达到满足下面 这些要求：脉脉冲宽度要尽量窄；冲峰值电流要尽量高；脉冲重复频率要尽量高； 要能够减少电极丝损耗；参数的调整要方便、适应性强。 ( 5 ) t 作液循环系统。工作液循环系统是线切割机床的重要组成部分，采用不 9 重庆大学硕士学位论文 同种类的工作液可以获得不同的工作速度， 液循环系统一般由工作液箱体、工作液泵、 管组成。 使最后的加工效果有较大差异。工作 过滤器、流量控制阀、进液管和回液 ( 6 ) 其他组成部分。主要包括工件夹具、专用夹具、特殊附件( 分度、回转装置 等) 、电极丝垂直度校正器、张力测力计、打穿丝孔装置、自动穿丝装置、自动去 芯装置以及导向器位置自动测量装置等辅助部分。 2 2 慢走丝线切割数控系统功能需求 本文研究的数控系统的要求以及要实现的一些主要技术指标和功能如下： ( 1 ) 系统要求：可重构、易升级、集成度高、触摸控制 ( 2 ) 主要技术指标： 最大生产率( 切割速度v w i ) 2 6 0 m m 2 m i n 加工工件的表面粗糙度r a o 3 m 切割精度- 4 - 0 0 0 3 m m 最大锥度士1 5 0 l o o m m 主轴行程( z 轴) 3 0 0 m m 工作台行程( x 轴、y 轴) 6 0 0 m m x 3 6 0 m m 辅助工作台行程( u 轴、v 轴) + 5 0 m m x 、y 、u 、v 、z 轴脉冲当量o 0 0 1 m m 数控轴平均移动速度0 7 0 0 m r n m i n 电极丝运行速度( 最大) 18 m m i n ( 3 ) 数控功能：要实现的数控功能如图2 2 所示： 图2 2 数控系统的功能 f i g2 2t h ef u n c t i o no fc n cs y s t e m 1 0 2 基于n i o s l i 的慢走丝线切割数控系统总体方案设计 2 3 数控系统体系结构的选择 目前，电火花线切割机发展的一个重要趋势就是采用开放式数控系统。开放 式数控系统的优点是选件范围广，能方便使用者为控制系统选择器件，并且具有 很强的扩展功能。飞速发展着的计算机技术，催生了各种各样开放式数控系统。 目前数控系统体系结构正朝着这样的方向发展：开放化、标准化与可重构化。根 据结构形式来分类，目前数控系统最主要的有以下四种【l6 】： ( 1 ) 传统的数控系统：这种体系结构的数控系统是专用的、封闭的，虽然能够 由用户进行人机界面的开发，但是对它的功能进行扩展、修改以及改编时，皆要 向系统供应商求助，而且要采用专门的开发工具，人力的耗费较多，如s i e m e n s 8 1 0 系统、f a n u c o 系统等； ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统：其基本结构为c n c + p c 主板，也就 是在传统的c n c 装置中插入一块p c 主板，其中，c n c 运行数控功能，而p c 板 则充当人机接口平台，实现非实时控制。f a n u c 8 1 i 系统、n u m l 0 6 0 系统、 s i e m e n s 8 4 0 d 系统、a b 9 3 6 0 系统都是这种典型的系统。这种体系结构的数控系 统已经具备一定的开放性，但是它的n c 部分的体系结构仍然是封闭的，用户无法 介入到数控系统的核心。这类数控系统的功能虽然强大，但是结构复杂且价格昂 虫 贝o ( 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统：在这种数控系统中，p c 实现的功能 有文件管理、用户接口以及通信等，而数控系统的实时控制功能则由运动控制卡 来实现。运动控制卡的c p u 一般选用高速d s p ，因为d s p 运动控制以及p l c 控 制能力非常强大。运动控制卡能够单独使用，可以进行机床的时序逻辑控制以及 运动控制，因而其本身就是一个数控系统。目前这样的开放式数控系统应用十分 广泛，成为了主流，例如，如美国d e l t a t a u 公司的p m a c - n c 数控系统就是用p m a c 多轴运动控制卡来构造的。 ( 4 ) 全软件型开放式数控系统。这是一种很新的开放式体系结构的数控系统， 它可以为用户提供极大的灵活性和选择。在这种数控系统中，其c n c 的全部软件 都是装在p c 机中的，对于其硬件系统，则只有p c 机以及伺服驱动和外部i o 之 间的接口板卡。在这种数控系统中，p c 机除了能够完成一些非实时任务如文件管 理、人机接口，网络通讯等任务，还可以在实时操作系统的管理下，通过软件控 制的方式完成伺服进给控制、插补运算以及p l c 控制等实时性任务。用户可以利 用开放的c n c 内核在w i n d o w sn t 平台上开发各种功能，从而构建各种高性能的 数控系统。这种结构具有以下优点：极灵活的编辑处理、很强的软件通用性、数 控系统升级十分容易。与前面所述的三种数控系统相比，这种数控系统的性价比 最高，生命力最强。 重庆大学硕士学位论文 继网络技术之后，嵌入式技术作为一个新的技术得到了迅速的发展。嵌入式 系统的突出特征有：性能强、功耗低、体积小、可靠性高以及面向行业应用等， 目前已经在消费电子、军事、工业控制、网络通信等各个领域得到了广泛的应用。 在硬件上，嵌入式技术已经发展到s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 阶段。目前， s o c 有两种实现形式：一种是基于a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，专 用集成电路) 的s o c 和基于可编程逻辑器件的s o c ( s o p c ，s y s t e mo n a p r o g r a m m a b l ec h i p ) 。基于a s i c 的s o c 在性能较有优势，然而它需要投入较大的 前期资金而且开发难度较大。基于可编程逻辑器件的s o c ( s o p c ) 的设计快速灵活， 并且由于可编程逻辑器件在快速地发展，因而其性能也提高了很多。因此，s o p c 的应用越来越广泛。 s o p c 是a l t e r a 公司提出来的一种灵活、高效的s o c 解决平台。它将处理器、 存储器、i o 接口、外围接口模块等系统设计所需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，从而构建成一个可编程的片上系统。s o p c 技术的目标是在一块f p g a 中 实现一个完整的电子系统，从而使电路在以下各个方面都实现最优化：规模、体 积、可靠性、性能指标、功能、开发成本、上市周期、产品维护及其硬件升级等。 另外，a l t e r a 公司还推出了n i o s l i 软核处理器，它以i p 核的形式提供给嵌入式设 计者，其可配置特性给嵌入式系统设计带来了更大的灵活性，它为嵌入式系统的 设计提供了一种全新的思路，设计者可以根据系统需求的变化来调整嵌入式系统 的特性，以选择满足性能和成本的最佳方案【l m 。 鉴于嵌入式系统及s o p c 技术优点，把s o p c 解决方案应用于数控领域，设 计结构简单、灵活，个性化，体积小，性能高的嵌入式数控系统，从而提高数控 系统的可靠性和可用性，增强数控系统的开放性、扩展性、可重构性和可维护性， 具有极大的学术意义和实用价值。故本文选择s o p c 技术搭建嵌入式慢走丝线切 割数控系统。 2 4n i o s l i 处理器概述 n i o s l i 处理器是a l t e r a 公司在2 0 0 4 年推出的第二代软核c p u 。与第一代软核 c p u 相比，n i o s l i 性能更高，体积更小，用户的配置和使用更加灵活方便，同时 在占用的逻辑资源和性能上都有明显的改善，其最大处理能力是第一代软核的3 倍，最小的体积只有5 5 0 l e s 。n i o s l i 处理器是一个基于哈佛结构的通用的3 2 位r i s c 入式软核处理器。它有以下主要特尉2 1 。2 2 ： 具有3 2 位的指令集结构，3 2 位地址长度空间和3 2 位的数据字长； 具有3 2 位通用寄存器； 具有3 2 个有优先级的外部中断源； 1 2 2 基于n i o s l i 的慢走丝线切割数控系统总体方案设计 支持3 2 位单指令乘法，除法，产生3 2 位结果； 可以访问一系列的片上外设，具有访问片外设备和存储器的接口； 在集成开发环境( i d e ) 下，支持硬件调试； 可配置的指令和数据c a c h e ； 专用指令用来计算6 4 位或1 2 8 位乘积； 基于g n uc c + + 工具； 性能达到2 5 0 d m i p s 以上。 图2 3n i o s l