【论文-控制设计】基于运动控制卡电火花成形机床数控系统研究.pdf

电加工与模具) 2 0 0 9 年第2 期 设 计 研 究 基于运动控 制卡 电火花成形机床数控 系统研 究 阳吉勋 ， 秦 宝荣 (浙江工业大学机械制造及 自动化教育部重点实验室 ， 浙江杭州 3 1 0 0 1 4) 摘要 ：对基 于运动控 制卡 的电火花 成形 机床 数控 系统进 行 了研 究， 简单介 绍 了该数控 系统 的 硬件 组成和放 电间隙状 态监 测 的 实现 方 法 ， 以 Wi n d o w s 操 作 系统 为数控 系统 的软 件 开发 平 台， 运 用 L a b Wi n d o ws C VI 开发 了基于运动控制卡的电火花成形机床数控 系统， 具有较 强的可操作性和 实用性 。 关键词 ： 运动控制卡； 数控系统 ； 状态监测； 电火花加工 中图分类 号 ： T G 6 6 1 De v e l o p i n g o f EDM Nu me r i c a l Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n M o t i o n Co n t r o l Bo a r d Ya n g J i x u n， Qi n B a o r o n g (Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4， Ch i n a) Ab s t r a c t ：Th e NC s y s t e m o f EDM wa s b ui l t o n t he mo t i o n c o n t r o l c a r d h a s b e e n s t u d i e dTh e b a s i c p r i nc i p l e o f t h e EDM i s br i e f l y i n t r o d u c e dThe S y s t e m S Ha r d wa r e Co mp o s e s a n d r e a l i z e me t h o d of t h e s p a r k g a p c o n di t i o n mo ni t o r h a v e b e e n i n t r o d u c e d i n t hi s a r t i c l e Ta k e W i n d o ws o p e r a t i n g s y s t e rn a s n u me r i c a l c o n t r o l s y s t e m S s o f t w a r e d e v e l o p me n t p l a t f o r mUs e L a b Wi n d o ws C VI e mp o l d e r t he n u me r i c a l c o nt r o l s y s t e m o f EDM ba s e d o n t h e mot i o n c o nt r o l c a r dTh e NC s y s t e m h a s s t r o n g f e a s i b i l i t y a n d u s a bi l i t y Ke y wo r ds ：mo t i o n c o n t r o l c a r d； NC s y s t e m ； c o n d i t i o n mo ni t o r i n g； EDM 目前 ， 以 P C机 为 核 心 的控 制 系 统 已 广 泛被 工 业 控 制 领 域 所 接 受 。采 用 P C机 在 W i n d o ws 操 作 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 i 一1 4 基 金项 目： 浙 江省科技攻关重点项 目( 2 0 0 6 C 2 1 0 4 0 ) 第一作者简介：阳吉勋，男 ，1 9 8 3年生 ， 硕士研究生。 址 址 址 址 址 址 JI L 系统下通用的数控系统 ， 已成为数控系统发展的潮 流 。基 于 P C机的数 控 系统一 般 可 以分为 4种结 构形式 ： P C连接 NC型、 N C嵌入 P C型 、 P C嵌入 NC型和全软件 N C型。其 中运动控制卡嵌入 P C 机 的技术较 成熟 ， 应 用较普遍 ， 是 开放式数控 系统发 炭黑长期 稳定悬 浮 ， 有 利于 改善加 工表面 粗糙 度。 由此 可见 ， 微 细液 态 添加 剂 电火 花加 工 是一 种 极有前景的光整加工技术。本文对这一技术进行了 初步的研究 ， 但是在微细液态添加剂的浓度对加工 效果的影响、 添加剂使用寿命 以及 电参数和工艺参 数优化等方面的研究以及更大面积的实验研究还有 待进一步深入。 参考文献 ： 1 毛利 尚武 ， 齑藤畏男， 成宫久喜 。 等 粉 末混入加工液 I 二土为放 鼋仕上加工 J 鼋氟加工翠含懿 ， 1 9 9 1 ， 2 5 ( 4 9 ) ： 4 7 6 0 2 孟庆国， 赵万生 混粉电火 花镜 面加工试 验研究 j 机械工程 一 2 6一 学报， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 6 66 8 3 成宫久 喜， 毛利 尚武 粉末 混入加 工液 I 二上5放 鼋仕上 加工 j 龟氯加工技衍 ， 1 9 8 9 ， 1 3 ( 4 2 ) ： 1 41 9 4 杨大勇， 曹风国 ， 刘萍 ， 等 电火 花镜面加工电源研究 J 电加 工与模 具， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 5 66 0 5 何广敏， 赵万生 ， 郭永丰 ， 等 混气电火花镜面加工 的研究 J 制造技术与机床 。 2 0 0 0 ( 3 ) ： 4 3 4 5 6 赵万生 ， 孟 庆国， 刘维东， 等 混粉 电火 花镜面加工技术 的研究 和进展 J 中国机械工程， 2 0 0 1 ， 1 2 ( 4 ) ： 4 6 64 6 9 7 孟庆 国， 孟庚鑫， 赵万生， 添加剂对混粉电火花加工工作液的影 响 J 电加工与模具 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 1 92 1 【 8 吕战竹 混粉电火花加工机理及应用研究 D 大连 ： 大连理工 大学 。 2 0 0 5 ： 2 7 2 8 设 计 研 究 电加工与模具) 2 0 0 9 年第2 期 展的主流。基于 P C机 的数控 系统采用 的是标 准 P C硬件和操作系统 ， 因此容易进行模块化和开放式 的设计， 并可根据不同用户的不同要求 ， 迅速、 高效 、 低成本地构建面 向用户 的数控系统 ， 这种系统便于 用户的操作 、 维护和更新换代。本文所论述的数控 系统采用运动控制卡插入 P C机的方式， 由 P C机处 理非实时控制 部分 ， 运 动控 制卡处 理实 时控制 部 分 。 l 数控系统硬件构成 1 1 数 控 系统 硬件构 成 系统 的硬件构成如图 1所示 ， 伺服驱动系统采 用数字交流伺服电机驱动丝杠螺母机构运动。运动 控制卡是整个硬件的核心部分， 与 P C机构成主从 式 控制 结 构 ， 运 动控 制 卡 通 过 P C I 插槽 与 P C机 连 接。以 P C机作为信息处理平 台， 负责人机 交互 界 面的信息管理以及数控系统实时监控方面的工作 ， 例如输入输 出信息的管理、 控制指令 的发送、 系统状 态 的显示 、 运动 轨迹 规 划 、 电 源脉 冲 的监 控等 ； 运 动 控制 卡完成 运动 控 制 的所 有 细节 ， 其 中包 括 脉 冲 和 方 向信号 的输 出、 自动 升降速 的处理 、 原 点和 限位 等 信号的检测 以及根据指令的要求和传感器件的信号 进行相 应 的逻辑 和数 字 运算 ， 为 驱 动装 置 提 供正 确 的控制信号 ， 从而实现准确的运动控制和逻辑控制 ； D转换器是将间隙电压的模拟信号转换成计算机 可识别的数字信号 ， 使计算机 可根据 D的读值判 断间隙放电状态， 进而决策下一步的执行动作； 脉冲 电源的作用是把交流电转换成一定频率的单 向脉冲 电流， 以供给放电所需的能量来蚀除工件。 图 1 数控系统硬件图 1 2 间隙放电状态监测 电火花加工过程可分为空载、 火花放电、 不稳定 过渡电弧、 稳定 电弧和短路 5种基本放 电状 态 】 。 其中火花放电间隙状态的好坏直接影响到脉冲电能 的转换效果 ， 同时也是评判加工能否顺 利进行的主 要标准 ， 所 以间隙放 电状态监 测就显得相 当重要。 通常有 3种信号能反映电源 的放电状态 ， 分别为放 电电压、 放电电流及加工过程中的声频信号 ， 但因工 作现场环境影响， 声频信号提取和分析都很困难 ， 本 文采用提取电压和电流信号进行分析的方法来实现 放电状态检测。系统信号采集结构功能见图 2 。 图 2数 控 系 统信 号采 集 结 构 功 能 图 系统将放电电流、 电压信号通过数据采集卡采 入 P C机 ， 经过实时处理得 出放电状态 ， 作为主轴进 给和旋转控制的依据。传感器是将 电压和电流信号 转换成符合采集卡输入范围的电压信号。数据采集 卡负责把信号传人计算机。 1 3固高 G T一4 0 0一S V运 动控制 卡介绍 系统选 用 固高 公 司生产 的 G T一4 0 0一S V 运动 控制卡 ， 控制 卡 的核 心是 由 A DS P 2 1 8 1数 字 信号 处 理器 和 F P GA组成 ， A DS P 2 1 8 1的哈佛结 构和 MAC 单元非常适合完成复杂的运 动控制算法 ， 可以实现 高性能的控制运算。F P G A实现译码、 脉冲分配 、 定 时、 计数等功能。 控制卡还提供缓 冲区命令机制 ， 用户能先将部 分运动控制指令存放在运动控制卡内部开辟的循环 队列缓冲区内， 然后再发 出执行命令 。在运动控制 卡执行缓冲区存放的运 动指令的同时， 主机能继续 向缓冲区内下载运动指令 ， 这样一方面进一步降低 了对 主机通讯 的实 时性 要 求 ， 另 一 方 面运 动 控 制卡 通过预处理多段缓 冲区内的轨迹信息 】 ， 能获得 良 好的运动特性， 使轨迹更连贯 、 光滑。 2 数控系统软件结构设计 2 1 数 控 系统 框架介 绍 控制软件是整个数控 系统的核心 ， 根据电火 花加工工艺 以及控制系统的要求， 本文在 Wi n d o w d XP操作系统下采用 L a b Wi n d o w s C VI 软件开发 了 控制软件。数控系统的框架结构如图 3所示。 G T一4 0 0一S V控制卡可同步控制 4个运动轴， 实现多轴协调运 动。运动控制卡提供 C语言函数 库和 Wi n d o w s动态链接库。用户可将这些控制函 一 27 一 率 一 周 一 电加工与模具 2 0 0 9 年第2 期 设 计 研 究 数与 自己数控系统所需要的数据处理、 界面显示等 应用程 序集成 在一 起 ， 从 而开 发 出符合 自己需 要 的 控制软件。用户通过主机程序调用相应 的库 函数， 将运动控制卡相关参数和运动轨迹描述传递给运动 控制卡， 发 出运动控制命 令， 控制卡根据 主机 的要 求 ， 自动完成轨迹规划、 检测、 伺服刷新等运算 ， 计算 结 果将转 化成脉 冲 电压或 模拟 电压控制 伺服 电机运 动， 从而控制电火花机床运动。 用户 应用程序 软 输 敝 状 状 译 j 件 入 障 爪 态 码 补 n 界 输 诊 监 显 程 程 面 出 断 控 序 序 不 W i n d o w s 操作系统 设备驱动程序 运 动 拄 制F 系统 内核 I 驱 动 程 序 运动控制卡数控程序 上 位 机 下 位 机 图 3数控系统框架 图 2 2 数 控 系统 软件模块 组成 数 控 系统 的软件 部 分 主要 由预 处理 模 块 、 运动 控制模块 、 系 统监 控 模 块 以及 人 机 界 面 模 块 组 成 。 系统软件结构如图 4所示。 控 制卡 功能 的关 键 。根 据 系统 运 动需 要 ， 将 这 些 功 能集成 ， 使 之成为一个有机整体， 完成运动 轨迹控 制 。 系统监 控模块 包括监 控功能 和加 工过程 控制功 能。其 中监控功能在故障出现后可查明故障类型， 有利于缩短故障维修时间。加工控制功能主要是利 用计算机技术和检测技术 ， 对加工的全过程( 放电间 隙、 位置等) 进行检测。运用智能控制算法 ， 对伺服、 电极等进行智能控制 ， 保证加工的高效率和稳定性。 另外 运动控 制卡 还提供 多种 中断方式 与 多路 数 字 I O接 口， 通过编制应用软件来显示运动控制卡的状 态并进行 I 0处理。还可显示加工进程以及机床坐 标 等 。 人 机界面 模块包 括常用 的加工 操作 、 显示界 面 、 工艺参数设置_ 5 ( 轴速度设置、 插补运动设置及加速 度设置 ) 以及 脉 冲电源 参 数设 置 ( 最 大 电 流 、 脉 冲频 率、 脉冲宽度、 脉冲间隙及 占空比) 。其中脉冲宽度、 脉冲间隙等主要参数对加工过程的稳定性、 加工速 度 、 加 工表 面质量 、 加工精 度和 电极损耗 等技 术指标 有很 大 的影 响 。 3 结束 语 以固高 G T一4 0 0一S v 运 动 控制 卡 为核 心 ， 基 于通 用 P C搭 建了 一个 上下 位机 形 式 的开 放式 数 控 平 台 。系统采 用功能强 大 的运 动控 制卡完 成插补 计 算 、 速度控 制 及 位 置 控制 等任 务 。 以 P C机 实 现 友 好的人机界面以及增强的外部软件接口。采用基于 C OM 的模块式软件结构， 实践证明这种形式的系统 具有较强的控制性能 ， 适合构建各种通用及专用数 控系统 。 图 4系 统 软 件箔 构 图 预 处理模