（航空宇航制造工程专业论文）单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 电火花成型是特种加工技术的一个重要分支，主要是解决各种难加工材料和复杂形 状零件的加工问题，应用领域涉及机械、宇航、航空、电子等部门，以前电火花成型机 床的控制主要以手动为主。 数控电火花成型是随着计算机科学的发展而发展起来的新兴技术，结合了计算机数 控和电火花成型加工的特点，克服了电火花成型d h i 中力h i 精度和加工效率低，操作复 杂等缺点，其应用前景非常广阔。 基于此种情况，j 本文对单轴电火花成型机床数控系统进行了研究与开发，主要做了 以下几方面的工作。 1 设计了位置测量反馈系统，提高了整个数控系统的加工精度。 2 设计了伺服驱动系统，保证了整个錾控系统的控制精度。 3 提出了一种新的基于w i n d o w s 平台的实时控制技术，利用w i n d o w s 丰富的资 源在保证加工任务按时完成的情况下，实现在线监测、故障诊断等多任务。 4 研究了单轴电火花成型机床数控系统的抗干扰技术，从抑制和消除于扰的角度 出发，在系统硬件和软件的设计上提出了具体的要求和方案，并且使其得到具体的实现。 f 关键词】 电火花成型数笺实时控制抗干扰 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 a b s t r a c t e l e c t r i cn i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) i sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fn o n t r a d i t i o n a l m a c h i n i n gf i e l d ，w h i c h c o v e r sf i e l d so f m e c h a n i c a i n d u s t r y ，a v i a t i o n ， a s t r o n a v i g a t i o n ，e l e c t r o n i c a li n d u s t r y t h em a i no b j e c t so fe d ma r em a t e r i a l s w h i c ha r ed i f i c u tt om a c h i n ea n d w o r k p i e c e sw i t hc o m p l i c a t e ds u r f a c e e d mt o o l s a r ec o n t r o l l e dm a i n l yb yh a n db e f o r e w i t ht h ea d v a n c e m e n to fc o m p ul e ts c i e n c e e d mw i t hc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) ，a sak i n do fn e wt e c h n o l o g y ，h a sh a dar a p i dd e v e l o p m e n t w h i c hc o m b i n e d e d mw i t h c n c ，i m p r o v e d m a c h i n e e f f i c i e n c y a n dp r e c i s i o no f w o r k p i e c e sa n d f a c i l i t a t eo p e r a t i o n i t s p r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o ni s v e r yg r e a t ， b a s e do na b o v et h i n g s ，c n cs y s t e mo f s i n g l ea x i se d mt o o lw a ss t u d i e da n d d e v e l o p e d t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ： l ，t h ep o s i t i o nf e e d b a c k s y s t e mw a sd e v i s e df o rt h es a k eo fi m p r o v i n gt h e m a c h i n ep r e c i s i o no ft h ew h o ec n cs y s t e m ， 2 s e r v o c o n t r o ls y s t e mw a sd e v i s e di no r d e rt oa s s u r et h ec o n t r o ld r e c i s i o n o ft h ew h o l ec n cs y s t e m ， 3 u s i n gt h er i c hr e s o u r c eo fw i n d o w s ，an e wt e c h n o l o g yo fr e a l t i m ec 。n t r o l b a s e do nw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d ，b yw h i c ht h eo n 一1 i n ee x a m i n i n 口 a n dd i a g n o s i so fm a l f u n c t i o nc a nb e r e a l i z e da tt h es a m et i m et h ew o r kc a nb e c o m p l e t e do nt i m e 4 t h et e c h n o l o g yo fa n t i j a m m i n gf o rc n cs y s t e mo fs i n g l ea x i se d mt o o lw a s s t u d i e d m a n yc o n c r e t ea n t i j a m m i n gp r o j e c t sh a db e e np r e s e n t e di nh a t dm o d u l e s a n ds o f tm o d u l e sf r o mt h ea s p e c to fa n t i j a m m i n ga n dh a db e e np u t i n t od r a t i c e k e yw o r d s e d m ，c n c ，r e a l t i m ec o n t r o l ，a n t i j a m m i n g i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 机床数控系统概述 第一章绪论 机床数控系统是微电子技术同传统机械技术相结合的产物。是根据机械加工工艺的 要求，使计算机对整个加工过程进行信息处理与控制，实现生产过程自动化的系统。它 较好地解决了复杂、精密、多品种、中小批量机械零件加工的问题。 现代数控系统一般是由计算机数控装置、主轴控制系统及进给伺服系统组成。通常 称为c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统。 数控系统的核心部分是计算机数控装置。它由硬件和软件组成，硬件的主体是计算 机，主要包括c p u 、存储器、键盘、c r t 、输入输出接口和位置控制等部分。高档计算机 数控系统常采用多c p u 计算机结构，各个c p u 之间协调工作，共同完成数控功能。软件 由管理软件和控制软件组成，管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软 件主要包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等程序。 1 2 机床数控系统分类 机床数控系统按驱动系统的不同方式分为以下几类： 1 开环控制( o p e nl o o pc o n t r 0 1 ) 机床数控系统 这类机床数控系统不带位置检测反馈装置，c n c 装置输出的指令脉冲经驱动电路的 功率放大，驱动步进电机转动，再经传动机构带动工作台移动。这类机床数控系统工作 比较稳定，反应比较快，调试方便，维修简单，但控制精度比较低。具体框图见图卜l 。 指令脉冲r 1 广 广 叫墨垫皇望r 叫兰兰兰竺r - 竺! 三竺皇i 图卜l 开环控制框图 2 闭环控制( c l o s e dl o o pc o n t r 0 1 ) 机床数控系统 这类机床数控系统带有位置检测反馈装置，位置检测反馈装置安装在机床的工作台 上，用以检测机床工作台的实际位置，并与c n c 装置的指令位置进行比较，用差值进行 控制，这类机床数控系统工作稳定，控制精度高。具体框图见图卜2 。 第1 页 兰塑皇盔垄盛型垫塞塑笙墨丝堕堕型苎互垄一 图卜2 闭环控制框图 3 半闭环控制( s e m i c l o s e dl o o pc o n t r 0 1 ) 秽蛛数控系统 将位置检测反馈装置安装在电机的端头或丝杠的端头，形成半闭环控制机床数控系 统，由于环路不包括丝杠、螺母副及工作台，其控制精度不如闭环控制机床数控系统， 但它调试比较方便。具体框图见图卜3 。 图卜3 半闭环控制框图 4 开环补偿型控制( o p e nl o o pc o n t r o lw i t hc o m p e n s a t i o n ) 机床数控系统 这类机床数控系统是在开环控制的基础上附加一校正环节，既保留了开环控制的优 点，又较好地解决丢步或过冲问题，提高了开环控制精度。具体框图见图卜4 。 指 图卜4 开环补偿型控制框图 第2 页 垦堕堕堕塑堕垦壁望亘、上堂堡鲨苎 5 - 半闭环补偿型( s e m i c l o s e dl o o pc o n t r 。1 w i t hc o m p e n s a t i o n ) 机床数控系统 图卜j 半闭环补偿型框图 机床数控系统按照加工方式分成以下几类： l 金属切削类，如车床、钻床、铣床和磨床数控系统等。 2 金属成型类，如折弯机、弯管机数控系统等。 ：霎竺竺工鲞，翟譬切割机床、电火花加工机床及激光切割机数控系统等。 4 其它类，如火焰机床、三坐标测量机数控系统等。 。 1 3 机床数控系统的发展 丁的篓亏次兰主金苎兰雾：。量国为了革新飞机制造业中用于仿形机床上的靠模和样机加 纛霎娄妻曩篓篓掣新警竺景：一! ? 竺年，美国r a r s 。n s 公昌；蒹善矗主莩磊藉；：磊藉型 篡黧塑意竺篓警栋懒黼机屎轰赫燃箍_ 芸桌誓意鬃鬃篓慧二要! 三蹩、计算机技术、磊磊主淼爰蓑磊施 技术的发展r 机床数控系统得到了迅速的发展。 1 “、“”批刺疆 系统萎：耋紫管元件问世，数控系统中广泛釉晶体管和印刷板峨从而机床数控 系统进入第二代。 1 ”。“。“肌制l 麻烈琏 靠性篇纛翟嫠紫路由于其体积小，功耗f 氐，提高了数控系统的可 靠性，机床数控系统发展至屿；三代。 “”“水绷驯 第3 页 多直体统的具 系上 。 控台度数作精 床工赢机在得型装获 大用以 的再 ，度，制精度控高速行有高进具得筐 求获差要以的 又 ，环，动闭度驱半速本和 回基环返行闭 和进全度琢用 速闭 ，给半环进用| 圣的果全嫡坨觌有统件 具系元钆 一一一一 用位图采线框 兰塾皇盔垄盛型塑壁塑丝墨堑笪堕型量五垄一 随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机代替专用的硬接线装置，以控制软件 实现数控功能的计算机数控系统，使机床数控系统进入第四代。 1 9 7 4 年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。由于中大规模集 成电路的集成度和可靠性高、价格低廉，所咀微处理器数控系统得到了广泛的应用，机 床数控系统进入第五代。 近年来，随着个人计算机( p c ) 的飞速发展，基于p c 平台的数控系统得到了广泛 的应用，使机床数控系统进入第六代。 1 3 2 我国机床数控系统的发展 我国的机床数控行业起步于1 9 5 8 年，到6 0 年代末7 0 年代初，已经研制出一些晶 体管式数控系统，并用于生产。但由于历史原因，一直没有取得实质陛的成果。直到8 0 年代初，我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进的c n c 装置及主轴、伺服系 统的生产技术，并陆续投入生产，使我国机床数控系统在质量、性能及水平上有了一个 飞跃。 1 9 9 1 年以来，我国一方面从日、德、美等国购进数控系统，另一方面在积极开发、 设计、制造具有自主版权的中、高档数控系统，经过努力取得了可喜的成果。我国的数 控产品己覆盖了车、铣、钻、磨、加工中心及齿轮机床、折弯机、柔性制造单元等等， 品种多达3 0 0 多种。中、低档机床数控系统达到小批量生产的能力。 1 ，3 3 发展趋势 机床数控系统是在微电子、计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造等技术的 基础上发展起来的新型机床控制系统，它是现代机械制造业实现和发展柔性自动生产的 基础。随着柔性生产技术的进步发展，机床数控系统正朝着高速化、高精度、高可靠 性的方向发展。 另外，数控机床的控制功能日臻完善，主要表现为：第一，传统数控机床加工程序 的编制是脱离机床单独进行的：现代数控机床更多地采用“前台加工，后台编辑”的方 式进行不脱机编程。这种编程方式，增强了数控加工过程中的人机对话能力，提高了机 床的利用率。第二，新型的数控系统，装有小型工艺数据库，在程序自动编制过程中， 可以根据机床的性能、工件材料及加工要求，自动选择最佳刀具及切削用量，从而保证 了数控加工的经济| 生。第三，现代数控技术，注重提高数控机床的自动化水平和智能水 平。机床上装有各种监控、检坝4 装嚣，对诸如工件误差，刀具磨损或破损，加工越位， 操作失误等都能及时予以提示、报警或处理，甚至可以实现无人管理下的加工运行。第 四，为了满足柔性制造单元( f m c ) ，柔性制造系统( f m s ) ，以及进一步联网组成计算机 制造系统( c i m s ) 的需要。现代数控系统都设有高速远距离串行接口，根据丰几床使用的 第4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 格式要求，与同级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统具有d n c 接口，可以实现 几台数控机床的数据通信，还可以直接对数台机床进行控制。 1 4 单轴电火花成型机床数控系统研制与开发背景 电火花加工作为特种加工行业的一个分支，其应用领域日益扩大，已在机械、宇航、 航空、电子、仪器等部门用来解决各种难加工材料和复杂形状零件的加工。主要应用范 围包括：模具制造，如冲模、锻模、塑料模、拉伸模、压铸模等等；高温合金等难加工 材料零件的加工；微细精密零件的加工；各种成形刀具、样板、工具、量具等零件的加 工。可见，电火花加工技术已在我国国民经济各工业部门中占有重要的地位，电火花加 工通用设备和专用设备也在机械加工设备中占有一定的比例。 电火花成型机床系统是电火花加工设备中一个很大的分支。目前国内电火花成型机 床的控制多数是以手动为主，虽然国内也有厂家开发研制单轴电火花成型机床数控系 统，但其加工精度和加工效率难以令人满意。而国外电火花成型机床的数控系统是以三 轴或多轴为主。从性能价格比和市场需求情况来分析，单轴电火花成型机床数控系统在 国内市场的前景是比较广阔的。基于此种情况，南通威特机电有限公司和南航数控电加 工技术研究所联合研制与开发单轴电火花成型机床数控系统，并获得成功，作者参与了 该数控系统的研制与开发工作。 1 5 本论文研究的主要内容 1 单轴电火花成型机床数控系统的总体结构 2 单轴电火花成型机床数控系统硬件的关键技术 3 单轴电火花成型机床数控系统软件的关键技术 4 单轴电火花成型机床数控系统的抗干扰技术 第5 页 皇塑皇丝垄盛型垫壅垫笙墨堕堕堕型量堑垄 一 第二章单轴电火花成型机床数控系统的总体结构 2 1 概述 该数控系统实现了对单轴电火花成型机床的控制。它是一种高性能的基 于p c 平台的数控系统，能快速、连续、准确地跟踪工件的加工过程和加工状态，并利 用实时交互式的图形界面对加工过程和状态进行显示，还能根据每次采样的测量结果对 加工过程进行控制，更加快速地加工出精确度更高的合格产品。 该数控系统可以完成以下几种功能： 1 窗口编辑功能。该数控系统提供了基于w i n d o w s 9 5 环境下完美的窗口编辑界面， 包括加工深度、电流、脉宽、脉间、低压电流、高压电流、伺服稳定度、放电时间、 抬刀时间。具有跳段加工以及加工中更改参数的功能。操作者与控制系统之间采用键盘 交互式控制，加工、停止、暂停、继续等所有的控制均由键盘上的f l f 1 2 功能键完成， 使操作过程脱离了鼠标，为现场操作提供了方便。 2 加工过程的多种实时显示功能。在加工状态窗口中显示主轴运动时的x 、y 、z 的实时坐标值、当前加工深度、当前加工时间及加工过程中机床各部分的状态，并且具 有清零、公英制转换等功能。 3 存储工件加工程序以及加工工艺参数库，并且可以对加工程序和加工参数进行 修改、删除。 4 两段式加工功能以及z 轴锁定功能。 5 防积碳以及脉动冲浊功能。 6 自动诊断保护功能。能接受液面、液温、火警、积碳以及主轴限位传感器信号， 如果出现以上报警信号，系统会自动停止，并且在屏幕上显示报警信息。 7 智能编程功能。操作者可以根据菜单提示，依次输入加工深度、加工面积、加 工工艺、表面质量以及电极对参数，系统自动生成加工程序。 2 2 硬件总体结构 该数控系统采用i p c 系统直接对机床进行控制，在控制功能满足条件的情况下，整 体结构的设计更加灵活紧凑，大大提高了系统的可靠性以及产品的总体性能。 2 2 1 硬件结构框图 第6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 系统的硬件结构框图见图2 一l 。 图2 一l 系统硬件结构框图 第7 页 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 2 2 2 工作原理 该数控系统采用i s a 总线结构的工业控制计算机，通过计算机总线接口扩展槽上的 数控功能卡对电火花机床进行控制。该数控功能卡经过外部的输入输出接口板实现信号 的机内和机外隔离，一方面，间隙检测、手动输入、光栅反馈、各开关量等输入信号经 过外部接口板进入数控功能卡；另一方面，计算机根据接收到的输入信号发出输出控制 信号，输出控制信号通过直流伺服驱动电路和功率放大电路，作用于直流伺服电机以及 工具电极，驱动主轴运动和对工件进行放电加工。 该数控系统是个闭环控制系统，它具有两个反馈环，一个是直流电机测速反馈环， 另一个是光栅位置检测反馈环。具体控制方式见图2 - 2 。 脉了崞爵 图2 - 2 数控系统控制框图 2 2 3 工业控制计算机的选用 在该数控机床系统中，选用的计算机是工业控制计算机( i p c ) ，型号为i p c 一6 8 0 6 ， 主频为i 0 0m h z ，采用8 0 5 8 6 c p u 芯片和i s a 总线标准。选用工业控制计算机作为控制系 统的核心，是由于工业控制现场、车间环境等地方与办公室相比，条件相对恶劣，最常 见的是粉尘、辐射、电磁干扰和高温等。作为控制系统的核心部件，般计算机无法在 如此恶劣的条件下正常工作，工业控制计算机采用了以下措旖适应工业现场的要求。 1 电源装置采用特殊设计，可靠性高，除了能适应较宽的电压波动范围以外，还 可承受瞬间浪涌冲击，保证工业控制计算机在电网不稳定、电器干扰较大的环境中能可 靠运行。 2 采用高功率双冷风扇配置，方面解决了高温下的散热问题，另一方面使机箱 内始终保持空气正压，以减少粉尘侵入。 第8 页 南京航空航天大学硕士学位论文 3 机箱采用全钢结构标准和减震、加固压条装置，在机械震动较大的环境中仍能 可靠运行。键盘加有保护膜，防止键盘受到污损。 4 采用大母板结构，给用户留有尽可能多的插槽供i o 扩展用，加强了总线驱动 能力。 5 采用标准化部件，硬、软驱动器一般采用通用部件，元器件均采用高档产品并 且经严格测试。所有部件都经过老化试验，整机质量得到保证。 2 2 4 数控功能卡的设计 数控功能卡主要包括总线接口驱动部件、倍频和鉴相部件、计数器及接口扩展部件、 恒电流脉宽脉冲电源部件、a d 及d a 转换部件五部分。 1 总线接口驱动部件 由于数控功能卡与工业控制计算机是通过i s a 总线接口实现信号传输的，因此只要 将本数控功能卡直接插入计算机的扩展插槽中即可，但是由于计算机总线驱动负载的能 力有限，必须在总线上增加总线驱动器件才能驱动后级负载工作。在该数控功能卡上采 用具有三态功能的双向数据驱动器7 4 h c 2 4 5 。 外部直接输入的开关量信号( 如主轴上升、主轴下降、对刀、供液泵开启等) ，通 过数据收发器7 4 h c 2 4 4 ，使信号输入计算机的内部总线。 计 算 机 总 线 接 口 控制总线 圣皇兰据k 三二二二二r 戛磊 驱动器j 厂1 一一“ 各器件单 元数据线 及读写口 开关量手 动输入 图2 - 3 总线接口驱动部件框图 另外，计算机在数据传递过程中需要对外部器件进行访问，必须给外部设备分配地 第9 页 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 址。本系统采用可编程逻辑器件g a l 2 2 v l o 作为地址分配器件，一方面，可以对设备的 地址通过编程进行加密，系统的安全性得到了保证，另一方面，可以减少计算机地址的 冗余量，如果用三八译码器等器件进行地址分配，地址会大量浪费。总线接口驱动部件 的具体框图见图23 。 2 倍频和鉴相部件 本系统采用长零位直线光栅作为位置检测部件，线纹数为5 0 m n m ，它是利用光栅的 莫尔条纹进行位置测量，光栅的最小分辨率是00 2 r r _ n 。由于系统要求的最小分辨率是 0 0 0 5 m m ，光栅输出信号必须经过四倍频细分电路处理。另外，由于机床主轴运动具有 方向性，还对光栅信号进行了鉴相处理，使计算机能够判别主轴运动的方向。 3 计数及接i z l 扩展部件 由于光栅输入的信号经过四倍频电路以后，每个脉冲间隔达到0 0 0 5 r 【l r a ，计算机要 获取机床主轴的位移量，需要外部设计计数电路，对光栅的脉冲信号进行计数，系统选 c 口8 位 图2 - 4 计数以及接口扩展部件框图 望三兰可赞堡尊蝥器8 2 5 3 对x 、y 、z 轴的运动进行计数。另外，用另一片8 2 5 3 和振荡 皇警耋差丝塾塑暮墅中誓孽掌。用8 2 5 5 可编程并行w o 芯片扩展系统的藉入输罐苫： 产生系统需要的报警、电机使能等控制信号。具体控制框图如图2 - 4 。一“ 4 恒电流脉宽脉冲电源部件( 等能脉冲电源部件) 第1 0 页 南京航空航天大学硕士学位论文 脉冲电源在电火花加工中起若非常重要的作用，它的作用是提供击穿放电间隙中加 工介质需要的电压，并且在间隙击穿后提供能量以蚀除材料，它的性能对加工效率、电 极损耗、加工工件质量等工艺指标起着决定性作用。随着新型电火花加工工艺的不断出 现，出现了许多特殊的脉冲电源，如微机控制的自适应脉冲电源，晶体管控制的r c 脉 冲电源，微细加工用的微能量脉冲电源，恒电流脉宽脉冲电源( 又称等能脉冲电源) 等 等。该数控系统采用恒电流脉宽脉冲电源，以前的恒电流脉宽脉冲电源是靠晶体管通断 来控制加工电流脉冲宽度。在该单轴电火花数控系统中，加工电流脉冲宽度由计算机进 行控制，使用户对加工电流脉冲宽度的控制更加方便，大大提高了脉冲电源的控制精度。 具体的脉冲电源框图见图2 - 5 。 可编 脉冲宽度。】工电压检测信暑 组合 逻辑门 程计 隙击穿检测信暑脉冲间隔。 电路 数器 图2 5 恒电流脉宽脉冲电源框图 5 a d 及d a 转换部件 在单轴电火花数控系统中，计算机发出数字信号，直流伺服电机及驱动电路接受模 拟信号；检测电路输出模拟信号，而计算机接受数字信号。因此需要在计算机与后级电 路之间提供数字量和模拟量之间的转换接口，即a d 、d a 转换电路。 在该数控系统中，a d 、d a 转换采用逐次比较式八位全m o sa d 转换器a d 0 8 0 4 和 八位d a 0 8 3 2 转换器来完成。它们的特点是价格便宜、接口简单、转换易于控制。另外 其转换速度、转换精度也完全可以满足系统的要求。 2 2 5 直流伺服驱动电路 该数控系统是通过计算机发出脉冲信号来控制直流伺服电机的，但这种脉冲信号驱 动不了直流伺服电机进行工作，必须经过直流伺服驱动部件驱动电机运转，实现计算机 的数控功能。 在数控系统中，伺服驱动电路是由前级放大电路、驱动信号发生器、方向控制电路、 第1 1 页 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 驱动信号放大器组成。具体框图见图2 - 6 。 电 测 驱 前级驱动方向 动 信 放大信号控制 号 放 电路发生器 电路 大 器 图2 - 6 直流伺服驱动电路框图 前级放大电路的功能主要是合成电机控制信号与测速反馈信号，并经过比例积分运 算和取绝对值运算电路，产生后继电路需要的控制参考电压信号。 驱动信号发生器的功能是将前级的控制参考电压信号转换为大小与脉冲宽度成正比 的脉冲驱动信号，脉冲驱动信号的频率保挣匣定。该数控系统采用定时计数器产生此脉 冲驱动信号。 方向控制电路的作用是控制直流伺服电机的转动方向，具体方式是通过晶体管开关 电路来实现的。 驱动信号放大器是以脉冲驱动信号为控制信号，通过改进的h 型( 也称桥式) 功 率放大电路来驱动直流伺服电机运动。 2 2 6 脉冲电源功率放大部件 在电火花成型机床数控系统中，数控系统除了控制机床主轴运动以外，还对放电加 工中的电流进行控制，因此在该系统中设计了一个脉冲电源功率放大电路。该电路中的 功率放大器件主要是m o s 场效应管，还设计了些过载保护电路和高低压隔离电路。 2 2 7 输入输出接口部件 电火花成型机床数控系统是利用计算机直接对机床进行控制，机床对工件进行放电 加工时放电电流和外部电源及功率部件对计算机的正常运行会造成严重于扰，甚至造成 计算机系统崩溃。所以在计算机与外围部件之间设计有输入输出接口部件，目的是将计 2 3 软件总体结构 第1 2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 1 橱i 谜 该单轴电火花成型机床数控系统软件是在w i n d o w s 9 5 操作平台上用v i s u a lc + 一工具 开发的一种实时控制软件。选用w i n d o w s 9 $ 作为软件的开发平台是因为在它下面开发的 程序有着友好精美的g u i 外观、方便的即插即用、快速稳定的性能以及卓越的3 2 位软 件环境。采用v i s u a lc + + 工具，是因为它具有友好的可视化界面，强大的函数类库，用 它编制程序具有效率高，开发周期短，程序维护简单方便等优点。 该数控系统软件采用前后台型软件结构。整个软件系统分为两部分，即前台程序和 后台程序。前台程序是一个实时中断程序，承担几乎全部的实时功能，实现与机床动作 直接相关的功能，诸如机床控制信号以及加工电参数的扫描等功能。后台程序是一个循 环执行程序，一些实时性要求不高的功能，诸如输入、各状态显示、存储以及管理监控 等均由后台程序承担。在后台背景程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断定 时插入，两者密切配合。如图2 - 7 所示，程序一经启动，经过一段初始化程序后便进入 背景程序。同时开始定时中断，每隔一定时间间隔发生一次中断，执行一次实时中断程 序。如此循环往复，共同完成数控系统的全部功能。 定时中断程序 图2 7 前后台软件结构 第1 3 页 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 过与机床的接口输出，实现辅助控制。通过这个过程的不断更迭，从而实现了零件加工 的自动控制。 2 3 2 软件结构与主要功能 系统的软件结构框图如图2 - 8 。 图2 - 8 系统软件结构框图 2 初始化功能：在数控系统上电后自动对有关的接口设置工作状态、有关寄存器 或存储单元设置常数或清零。 2 系统管理功能：系统管理功能是本系统的主要功能，输入程序、数据处理程序 以及文件操作等均由它来管理。 3 输入数据处理功能：输入数据一般指键盘或开关量输入。输入数据处理一般包 括公英制转换、开关功能分析等。 4 诊断处理功能：诊断程序可以在系统工作过程中，随时发现系统故障，并能指 不故障类型，或在维修中查找有关部件的工作状态，判别其是否正常，对于不正常的部 第1 4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 件给以显示，便于维修人员及时处理。 5 各显示功能：它们为操作者提供了友好的人机界面。包括零件程序显示、参数 显示、工具电极位置显示、机床状态显示等。 第1 5 页 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 第三章单轴电火花成型机床数控系统 硬件的关键技术 3 1 位置测量反馈系统 3 1 1 概述 几千年来，人们一直对长度和长度的计量方法进行研究，随着近代工业和科学技术 的发展，对测量提出了新的要求：高精度、大量程和数字化。特别是测量的数字化，使 位景测量达到了新的水平。三十多年来，世界多国都在发展数字测量技术。到目前为止， 人们广泛应用的是计量光栅、感应同步器和磁栅测量技术。数控系统发展的结果是闭环 系统取代了开环系统，数字测量装置成为闭环数控系统必不可少的组成部分一位置测 量反馈系统。 最早用在数控机床上的测量装置是计量光栅，它虽然结构简单，精度却很高，所以 在长度和角度的数字测量、运动的比较测量和误差补偿，以及数控机床与精密机械的位 置反馈测量方面都获得了广泛的应用。它是数控机床位置测量系统中应用最广的装置。 在该电火花数控系统中，采用的是带零位的计量长光栅。 3 1 2 位置测量反馈系统的设计 该单轴电火花数控系统采用的是5 0 线带绝对零点的直线光栅，它的最小分辨率为 o 0 2 r a m ，而系统要求的最小分辨率为0 0 0 5 r 1 1 1 1 1 ，因此，必须对信号进行细分处理；另 外r 系统还要对主轴的运动方向作出判断以及根据数控系统的要求，对零位信号进行处 理。所以在采用光栅作为位置测量器件时，对测量反馈信号必须进行后置处理，包括方 向判别、倍频和绝对零点的处理。 1 方向判别电路的设计 目前，光栅传感器的输出信号通常有两种： 第二种是相位依次相差9 0 。的四路正弦波信号。 输出，它是一个脉宽略窄于光栅栅距的矩形波。 号的光栅传感器。 第一种是相位差为9 0 。的两路方波信号； 除此之外，还有一个绝对零位脉冲信号 该数控系统采用的是具有第一种输出信 在实际工作中，机床主轴的运动方向不是固定的，系统根据光栅副相对位置的变化 第1 6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 不能判别主轴运动的方向。必须利用光栅传感器两路相位差9 0 。的输出信号。具体的方 向判别电路如图3 一l 。图中s 和c 为光栅传感器输出相位差9 0 。的两路方波信号，电路 的工作原理如图3 - 1 。 s c s c r 厂 厂 厂h 厂 厂 厂 h 厂 厂 厂厂 厂 厂 厂 正向移动 随&随 &睦 &睦& 图3 - i 方向判别电路原理框图 负向移动 当光栅副的标尺光栅作正向移动时，c 超前s 詈。s 方波信号经微分电路产生的脉 冲与c 方波信号的高电平在逻辑与门1 中相与，从而获得脉冲输出。s 的反相信号产生 第1 7 页 a b 1 2 一一一兰塑皇丝垄盛型盟堕塑笙墨堑盟婴趔量堑垄 的脉冲与c 方波信号的低电平相与，逻辑与门2 输出低电平。同理，当光栅副作负向移 动时，s 超前。等。于是逻辑与门2 输出脉冲，逻辑与门1 输出低电平。与门1 或与门 2 输出的脉冲信号分别控制计数器的加减记数脉冲，计数器的输出状态可以正确反映光 栅副的相对移动状态。 这个方向判别电路除了可以辨别光栅运动方向以外，最大的优点是它对干扰信号不 敏感。如果s 输入端受到干扰，干扰脉冲在电路中将同时产生两个微分脉冲，一个对应 它的上升沿，个对应它的下降沿。如果此时c 处于高电平状态，则与门1 和与门2 将 先后备输出一个脉冲，从而使计数器的输出状态正负抵消，如果c 处于低电平状态，则 与门1 和与门2 将都没有脉冲输出，计数器的输出状态将保持不变。 与门1 和与门2 的脉冲输入端s 经常处于低电平状态，从c 输入端进入的干扰脉冲 将不会影响计数器。 2 ，倍频电路的设计 牛 至矗 嚼辟 c 图3 - 2 四倍频鉴相电路原理框图 第1 8 页 南京航空航天大学硕士学位论文 位置反馈的分辨率虽然可以米用更小的栅距实现，但是这种方法在技术上难点较 多，在经济上是不合算的。如细光栅刻剖困难，费用将成倍增加；栅距越小，信号因光 栅副间隙的变化而引起的变化更加严重；对光栅传感器有很高的刻线密度要求，在高精 度的测量中，获得更高分辨率的光学系统和机械结构的要求愈严格；光栅传感器的极限 运动速度将降低。 因此，必须采用电子技术提高光栅的分辨率，在该数控系统中设计了一个四倍频电 路，彻底解决了以上的缺陷。四倍频技术的基本原理是正余弦信号组合技术。 它的原理是通过四相光电元件获得四路相位差依次为9 0 。的正弦信号，结合前面的 方向判别电路，典型电路原理框图如图3 - 2 。 光栅传感器输出的两路正向信号和反向信号分别经过微分电路得到四个相位差为 9 0 。的脉冲信号。当c 超前s 詈相角，即光栅副的标尺光栅作正向运动时，正向或门输 出的脉冲信号频率是光栅传感器输出的脉冲信号频率的四倍，负向或门输出是低电平： 反之，标尺光栅作反向运动时，即s 超前c 三相角，负向或门输出的脉冲信号频率是 光栅传感器输出的脉冲信号频率的四倍，正向或门输出是低电平。 采用这种电路后，使光栅的分辨率从原来的0 0 2 r a m 提高到现在的0 0 0 5 f m ，而月 这种电路对光栅传感器没有附加的要求，可直接与光栅的输出相连接。 3 绝对零点的处理设计 光栅测量系统在一般情况下都是增量式测量系统，即它的测量零位( 原点) 是任意的， 没有绝对零点，因而这种钡口量方式的使用范围受到限制。第一，不能实现停电记忆，满 足不了现代数控机床的要求；第二，不能进行误差补偿以进一步提高坐标精度。 为了克服上述缺点，在该数控系统中采用带绝对零点的增量式直线光栅作为位置反 馈部件。在该数控系统中相应地设计了一个对光栅原始零位信号进行处理的电路。 图3 - 3 零位脉冲信号产生的原理框图 冲 第1 9 页 s c z 正 负 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 由光栅零位标记得到的原始零位信号是一个三角形的电压波形，三角波过零处的宽 度小于一个主光栅的栅距，为了适应光栅信号的倍频数，在某一长度范围内只能出现一 个零位脉冲，同时要保证零位脉冲信号与记数脉冲同步，不能直接采用光栅传感器输出 的原始零位信号作零位脉冲信号。必须适当选取倍频的某一个方波与原始零位信号整形 后的方波相与，以宽度为9 0 。的方波作为选通条件。零位脉冲信号的产生电路是根据这 个要求设计的。具体电路原理框图见图3 3 。 其中，z 为光栅的原始零位信号；s 、c 为光栅的两路输出信号；正向、负向信号为 光栅经过四倍频鉴向处理后的输出信号。 在该数控系统中采用了光栅信号的后置处理以后，位置反馈环节的功能得到了加 强和完善，完全达到数控系统要求的技术指标。 3 2 数控脉冲电源 3 2 1 概述 在单轴电火花数控系统的研制与开发过程中，加工用脉冲电源的设计起着很重要的 作用，这是该数控系统不同于其它机床数控系统的方面之。脉冲电源性能的好坏直接 影响着加工的各项工艺指标加工速度、加工精度、表面粗糙度和工具电极损耗等。 纵观我国电火花加工的发展过程，几次工艺指标的跃进和应用范围的扩大，脉冲电源的 革新都起了决定性的作用。 5 0 年代初，我国开始应用电火花加工，相继研制出系列的电火花加工用脉冲电 源。5 0 年代初至6 0 年代初，生产中应用的是r c 型电路和r l c 型电路的弛张式脉冲电源。 其主要优点是结构简单，使用可靠；缺点是加工速度低，工具电极损耗大，加工精度差 以及输出功率受到限制等。主要用来加工小型冲模、小型型腔模等。 5 0 年代后期，鉴于弛张式脉冲电源的局限性及加工大、中型型腔模的需要，在1 9 5 9 年研制成1 5 k w 脉冲发电机。这种脉冲电源的优点是加工速度高，工具电极损耗小，为 较大的型腔模具提供了有效的粗、中加工装置；缺点是不能进行精加工，运转时的振动 和噪声太大。 1 9 6 4 年和1 9 6 5 年我国分别研制成功单闸流管和双闸流管脉冲电源。它们的特点是 加工速度高，加工精度也高：主要缺点是脉冲宽度的加大受到一定的限制，不能方便地 用于型腔模具的加工。 6 0 年代末至7 0 年代，我国研制成几种独立式晶闸管脉冲电源，作用和特点与脉冲 发电机类似，但运转时没有振动和大的噪声。7 0 年代初，研制成的晶体管独立式脉冲电 源可用于小型型腔模加工。 第2 0 页 南京航空航天大学硕士学位论文 7 0 年代初，国外采用“适应控制”、“最佳控制”、“逻辑控制”等新型脉冲电源来 改善电火花加工的性能，这类电源属于半独立式脉冲电源。我国后来也有了正式产品。 8 0 年代以来，随着数控技术、特别是计算机技术的发展，国外出现了数控( n c ) 脉冲电源，我国对这类电源进行了探索和研制。 在该数控系统中，加工脉冲电源是按照数控脉冲电源的思路进行设计的a 3 2 2 数控脉冲电源的设计 该数控系统的加工电源是数控脉冲电源，脉冲宽度和脉冲间隔的大小可由计算机人 为设定，具体放电能量的大小也是由计算机和外围的一些逻辑器件决定的。脉冲电源是 根据在脉冲放电的过程中每个脉冲放电能量相等的原则设计的，宏观上看是加工时电流 脉冲宽度恒定，所以此电源称为恒电流脉宽脉冲电源，也可称为等能电源，它的具体结 构如图2 5 ，下面主要研究的是该数控脉冲电源的控制方式。 该数控脉冲电源的主要控制信号为加工电压检测信号和间隙击穿检狈4 信号，加工电 压检测信号为高电平，表示加工电压加到系统上；为低电平表示电压未加上。间隙击穿 检测信号为高电平，表示工件与工具电极之间未放电击穿：为低电平表示工件与工具电 极之间已击穿放电。设计电源时通过加工电压检测信号和间隙击穿检测信号之间相互组 合实现系统需要的各种电源输出状态。 1 当加工电压检测信号是低电平而间隙击穿检测信号是高电平时，电源输出信号 是一个自检的等频方波信号，脉冲宽度和脉冲间隔的大小报据需要由计算机设定，该参 数一旦设定，加工中将不再改变。它的作用是在系统刚上电时，脉冲电源输出这个自检 信号来检测电源各部分工作是否正常，如果有器件工作不正常，输出的波形就与自检信 号不一致。 2 当加工电压检测信号和间隙击穿检测信号都是高电平时，电源输出信号为一个 恒定的高电平，表明系统己准备好，可以进行放电加工；否则，若是低电平或其它信号， 则表明脉冲电源部分有器件工作不正常。 3 当加工电压检测信号是高电平而间隙击穿检测信号是低电平时，电源输出信号 是一个等能的方波信号，等能信号的脉冲宽度和脉冲间隔的大小是由计算机设定的。与 等频信号不同的是等能信号的脉冲宽度和脉冲间隔的值在加工时可以根据具体情况由用 户自己改变。等能信号的输出表明系统己经进入了放电加工状态，等能信号的特点是脉 冲宽度和脉冲间隔的大小与加工准备时的设定值相对应，只要设定值不变，脉冲宽度和 脉冲间隔的大小也不变。由于等能信号是加工电流的控制信号，所以加工电流的脉冲宽 度和脉冲间隔也不变，从而实现了恒电流脉宽加工即等能加工。 采用等能数控脉冲电源的优点是结构简单，性能稳定，得到的加工工件精度高，表 面质量高，与其它非数控脉冲电源相比有着巨大的优越性。 第2 l 页 单轴电火花成型机床数控系统的研制与开发 3 3 伺服驱动系统 3 3 1 糊谜 在电火花成型机床数控系统中，伺服驱动系统的设计占着非常重要的地位，它直接 关系到被驱动部件的运动精度和闭环控制精度的好坏。前级控制信号必须通过伺服驱动 系统才能带动伺服电机运转，对主轴进行实时控制。伺服驱动系统如果设计不好，即使 前级控制信号非常精确，也无法保证最终的系统精度。 伺服驱动系统大体包括步进式伺服驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系 统。步进式伺服驱动主要的控制对象是步进电机；直流伺服驱动主要的控制对象是直流 伺服电机；交流伺服驱动主要的控制对象是交流伺服电机。在该数控系统中，由于整个 系统为一个闭环系统，所以步进式伺服驱动不适合本系统；后两种驱动方式则各有利弊。 直流伺服电机调速容易，尤其他励赢流伺服电机又具有较硬的机械特性，而且驱动 系统成本低廉，但缺点是直流电机转动惯量较大，而输出力矩则相对较小，它的动态性 能比较差。 交流伺服电机输出力矩大，动态性能好，缺点是成本比较昂贵。 在该数控系统中，考虑到成本以及电火花加工中负载非常小等多方面因素，采用直 流伺服电机驱动主轴运动，相应的伺服驱动系统采用直流伺服驱动系统。它包括前级放 大电路、驱动信号发生器、方向控制电路、驱动信号放大器。具体的结构如图2 - 6 ，下 面详细研究整个直流伺服驱动系统设计过程中各部分采用的关键技术。 3 3 2 直流伺服驱动系统的设计 1 主要元、部件的选择和设计依据 1 ) 驱动信号发生器 在该数控系统中，驱动信号发生器是由两个5 5 5 定时器组成。一个5 5 5 定时器设计 成多谐振荡器，产生频率约为0 7 k h z 的方波信号，它是脉宽调制的基准频率信号；另 一个设计成单稳态触发器，单稳态触发器的控制参考电压信号是需要进行脉宽调制的控 制电压，这样设计后，它的输出电压为频率恒定的脉冲信号，脉冲频率恒定为0 7 k h z ， 其脉冲宽度与控制参考电压的大小成正比，。 2 ) 驱动信号放大器 驱动信号放大器是伺服系统的一个重要组成部分，该数控系统采用了一种p _ l v m 晶体 管伺服放大器作为驱动信号放大器，它主要是由一个改进的桥式( h 型) 功率放大电路 编成。 第2 2 页 壹塞蓝至壁丕盔兰堕主堂篁堡塞一 p w m 晶体管伺服放大器在现代奇眭能伺服系统中的应用越来越普遍，同其他类型的 驱动信号放大器相比较具有以下优点： 与线性晶体管放大器相比较，p w 式放大器的晶体管工作在开、关状态，不是 饱和就是截止，因此，功率损耗低，效率高。 同晶闸管整流器相比，p