（机械制造及其自动化专业论文）电火花线切割数控系统掉电保护功能的研究与实现.pdf

摘要 摘要 作为特种加工方式中的重要分支之一，电火花线切割机机床上加工的都是 高硬度、高强度的新型材料，以制造高精密零件。零件在电火花线切割机床上进 行精加工之前，一般已经经过多道加工工序，其切割加工的表面粗糙度很高， 而且切割速度很慢。加工一个零件需要几个小时或者几天，一旦在加工过程中 出现掉电情况而没有具体的保护措施，再次上电时候需要重新加工，不仅影响 了表面粗糙度，降低了加工效率而且提高了成本。由此可知，对加工过程实现 全状态记忆，实现可恢复加工是遵循于实际需要的，因此，开发线切割机床的 断电保护功能是十分有必要的。 一个完善的电火花线切割系统应该能够实现对掉电时刻的加工状态进行保 存，并在重新上电后对断点处的加工状态信息进行恢复，以指导机床进行下一 步动作。本文在研究各种能够实现数控系统的掉电保护方案的基础上，开发了 电火花线切割系统的掉电保护功能模块，其主要研究工作如下： 根据课题的研究背景确立了课题目标，研究和分析了现阶段的掉电保护实 施方案，决定了本课题研究的主要内容，并对电火花线切割机床的掉电保护功 能的实现进行了系统的总体设计。 在电火花线切割数控系统的工控机功能设计中，实现了系统的插补计算模 块，与单片机的串行通讯接口模块以及掉电保护功能模块。 在单片机系统的硬件电路和软件程序设计中，需要进行片外存储器的扩展， 检测电源情况发现掉电立即通知单片机进入中断，接收工控机的插补脉冲数据 进行实时存储，并在掉电的时刻，迅速转移片内r a m 的数据，然后在重新上电 时，验证数据的正确性，根据工控机的请求，将断点信息完整地传送并恢复。 在步进电机的控制要求下，对其进行转速和转向的控制进行了总体设计， 采用驱动芯片以提高驱动脉冲信号设计硬件电路，利用c 语言完成电机的驱动 程序编程。 关键词：电火花线切割；掉电保护；电源监测；扩展存储器；上电恢复 a b s t r a c t w e d ma l sa ni m p o r t a n tb r a n c h o fo n eo ft h es p e c i a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，i to r e n p r o c e s s e sh i g h h a r d n e s s ，h i g hs t r e n g t ho fn e wm a t e r i a l s ，m a n u f a c t u r i n gh i g h p r e c i s i o np a r t s b e f o r ef i n i s h i n gi nw e d m m a c h i n e ，t h ep a r t sg e n e r a l l yt h r o u g h m u l t i 。c h a n n e lp r o c e s s i n g ，t h ec u t t i n go ft h es u r f a c er o u g h n e s si sh i g h ，a n dt h ec u t t i n g s p e e dl ss l o w - ap a r ti nt h ep r o c e s st h a tr e q u i r e saf e wh o u r so rd a y s ，p o w e r - d o w n s i t u a t i o nw i t h o u ts p e c i f i cp r o t e c t i o nw i l ln o ta f f e c tt h es u r f a c e r o u g h n e s s ，a n dr e d u c e s t h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n di m p r o v e c o s t t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s s i n gt oa c h i e v ef u l l s t a t em e m o r ya n dr e c o v e r a b l e p r o c e s s i n gc o n f o r m i n ga r en e e d e d ，t h ep o w e r o f f p r o t e c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fw e d mi sv e r y n e c e s s a r y a ni m p r o v e dw e d m s y s t e mc a r lb ea c h i e v e dt os a v et h ep r o c e s s i n gs t a t eo f t h e p o w e r - d o w nt i m ea n dt ob er e s t o r e da f t e rp o w e r o np r o c e s s i n gs t a t u si n f 0 腑a t i o no f t h eb r e a k p o i n tg u i d e st h em a c h i n en e x t a c t i o n o nt h eb a s i so ft h e s t u d yo ft h e v a r l o u sc n cs y s t e mp o w e r - d o w np r o t e c t i o np r o g r a m ，t h ea r t i c l ed e v e l o p m e n tt h e w e d m s y s t e mw i t has e to fp o w e r d o w np r o t e c t i o nf u n c t i o n ，i t sm a i nr e s e a r c hw o r k a l ea sf o l l o w s ： s u b j e c to b j e c t i v e sa r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d r e s e a 】h a n da n a l y s i sa t t h i s s t a g eo ft h ep o w e r - d o w np r o t e c t i o n i m p l e m e m a t i o np l a n ， d e t e m l n e st h em a i nc o n t e n to ft h i sr e s e a r c hp r o j e c t ，a n dd o e st h eo v e r a l ld e s i 明o f t h ew e d m s y s t e m i nt h ef u n c t i o n a ld e s i g no ft h ew e d m i n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o nm o d u l e ，a n dl o w e r s y s t e mh o s tc o m p u t e r ，i ti n c l u d et h e t h em a c h i n e ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c em o d u l ea n dp o w e r d o w n p r o t e c t i o nm o d u l e t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n gi nt h el o 、rm a c h i n e n e e d sf o r t h ee x p a n s i o no f o f f - c h i pm e m o r y ，t h ed e t e c t i o np o w e rd o w n ：i m m e d i a t e l vn o t i f yt h e l o w e rm a c h i n et oe n t e rt h e i n t e r r u p t ，r e c e i v ei n t e r p o l a t i o np u l s ed a t ai nr e a l t i m e s t o r a g e ，t r a n s f e rd a t eo n 。c h i pr a ma tt h ep o w e rd o w n t i m e ，a n dt h e nr e - p o w e ro n v e n f yt h ea c c u r a c yo ft h ed a t ar e q u e s t e d b yt h eh o s tc o m p u t e r ，r e c o v e r yt h e b r e a k p o i n ti n f o r m a t i o n i i a b s t r a c t b yt h er e q u e s to ft h es t e p p e rm o t o rc o n t r o l ，i t ss p e e da n ds t e e r i n gc o n t r o lf o rt h e o v e r a l ld e s i g n ，t h ed r i v e rc h i p st oi m p r o v et h ed r i v ep u l s es i g n a ld e s i g nt h eh a r d w a r e c i r c u i t ，c o m p l e t e dam o t o r - d r i v e np r o g r a m m i n gu s i n gcl a n g u a g e k e yw o r d s ：w e d m ；p o w e r - d o w np r o t e c t i o n ；p o w e rs u p p l ym o n i t o r i n g ；e x t e n d e d m e m o r yc h i p ；p o w e r - o nr e c o v e r y i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电火花线切割加工的原理和工艺特点 电火花线切割加工( w i r ec u te l e c t r o d i s c h a r g em a c h i n e ) ，常见为w e d m ， 也可称之为线切割，与传统加工相比，线切割加工主要应用于常规加工方法无 法加工的领域，属于特种加工中的重要部分，是一门新兴加工工艺方法。由于 线切割加工是靠放电时的电热作用去除材料，加工过程中与被加工材料的力学 性能无关，而工具电极与工件表面之间不产生直接接触，因此没有机械切削力， 在加工过程中可以通过控制电参数等实现数字化控制，易于加工复杂形状的精 密工件，特别是在难加工材料方面有着传统切削无法比拟的优点，在模具制造、 成型刀具加工、精密微细机械等行业占有重要地位【2 j 。 1 1 1 电火花线切割加工的原理 电火花线切割加工的原理是采用连续移动的金属丝作为工具电极，使其和 工件之间留有o 0 1 m m 左右的放电间隙，两者之间构成正负电极，然后进行脉冲 性火花放电，对工件进行电腐蚀，并使用绝缘工作液对其进行清洗以保证间隙 持续放电，从而得到所要零件的形状。根据电极丝的运行速度，将电火花线切 割机床进行划分可以得到两大类型：一类称为快走丝电火花线切割机床( 即 w e d m h s ) ，电极丝主要进行高速往复运动，其速度一般在8 1 0 m s 之间，得 到加工工件的表面粗糙度较低，是我国研究出来的具有独立知识产权的的电火 花线切割加工模式，作为我国生产的主要机种在广泛应用中；国外生产的主要 为慢走丝线切割机床( w e d m l s ) ，其电极丝作低速单向运动，电极丝一次性 使用，加工精度非常高，走丝速度低于0 2 m sl 3 j 。 慢走丝电火花线切割机床典型结构如图1 1 所示，其加工过程是一个微变的 瞬态物理过程。采用电极丝为阳极，工件为阴极，机床工作时，在两者之间加 载一定的脉冲电压，使之形成一定范围的电场，该电场的强度是两者距离的反 比，是所施加电压的正比，因此可知，当两极间的距离不断减小时，两极间电 场强度也将持续增大，而在两极之间的距离最小处电场强度将为最大值，当电 第1 章绪论 极和工件之间的电场强度增大到一定程度时，将会从阴极发射出电子来，使电 离迅速由阴极向阳极伸展开来，形成放电通道。 图1 1 电火花线切割加工 该放电通道具有1 0 4 的数量级的高温，瞬时压强达到数十或上百个大气压。 被放电通道加热的阴极斑点使其附近的工件材料加热为过热金属。当放电通道 膨胀时，其压力在持续降低，于是部分过热金属被爆炸性地熔化或汽化，并在 爆炸力作用下被断断续续地抛出，这就是电火花加工的主要阶段，称之为放电 热蚀。而这一阶段的放电时间长短直接影响了电火花的加工效率，放电时间过 短，则金属没有吸收到足够热量，表面材料主要产生气化。若放电时间过长， 热量多数都被金属所传导，故产生的熔化相对更少，唯有放电时间充分合适， 才能达到最高热效率 4 1 。 电流脉冲结束后，放电通道迅速收缩并最终崩溃，产生的熔化金属被爆炸 力抛出，则全部放电腐蚀过程结束。为了确保电火花加工持续进行，脉冲电源 必须定期发出脉冲放电，同时两极之间应该由机床进给保持适当的放电间隙。 零件所要加工的轮廓，就可以在连续重复的高频脉冲放电和工作台的配合下得 到【5 】o 从电火花的加工原理我们可以知道，它实际上就是介质的击穿和通道形成 的过程，是能量的分配和热传递的过程，是电蚀产物的抛出和转移的过程，而 发声、发光及大波段的电磁辐射是线切割加工的显著特点。 1 1 2 电火花线切割加工的工艺特点 目前，电火花加工技术已广泛用于高熔点、高硬度、高强度、高脆性等新 2 第1 章绪论 材料的加工上，能够解决传统方法无法完成的一些复杂结构和工艺要求的零件 制造，在航空、原子能、仪器仪表、电机电器、精密机械等行业发挥着无可比 拟的重要作用l l j 。 电火花加工的工艺特点可以归纳为： ( 1 ) 加工时，工具电极与工件材料之间要维持一定的距离以形成放电通道， 所以两者之间不需要接触，因此没有宏观的机械作用力，不用考虑切屑力对加 工过程的影响。 ( 2 ) 不是利用机械能，而是利用电能进行零件的加工，便于实现加工过程 的自动化，智能化、相对减少了机械加工工序，加工周期短，劳动强度低，使 用维护方便。 ( 3 ) 使用数控设备精确控制脉冲放电的能量密度，可以达到微米级，甚至 亚微米级的加工精度，对模具和零件窄缝、窄槽等实现微细加工。 ( 4 ) 在电火花上线切割中不需要制造成形电极，采用钼丝、铜丝等金属丝 即可对淬火后的高硬度材料进行加工。 ( 5 ) 电火花线切割机床主要加工除盲：f l # b 的二维型面，如果完善系统使电 极丝能够作相应倾斜运动的功能后，还可以进行锥面的处理【6 j 。 对于电火花线切割加工来说，应用最广泛的在于模具冷加工，它可以切割 各种规格的凸模、凹模、固定板、卸料板等，另外在加工各种成形刀具中也有 重要应用，并涉及一些仪器仪表、电机电器等薄壳器件、导电材料、贵重金属 材料等加工领域。 电火花线切割加工所采用的新技术和新工艺，与新型材料相结合，对其在 各行各业的应用范围进行了扩展，成为各种工业及生活产品制造的一种新兴加 工设备，为各种加工产品的制造试验提供了新方案，是促进先进制造技术水平 提高的一种有效手段【1j 。 1 2 电火花线切割加工的研究现状与发展趋势 在第一次产业革命的1 5 0 多年以后，传统的机械加工方法已不能满足越来 越多样化零件的制造要求，直到1 9 4 3 年，前苏联拉扎林柯夫妇研究开关触点遭 受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属溶 化、气化而被蚀除掉，开创和发明了电火花加工方法。1 9 6 0 年电火花线切割机 3 第1 章绪论 床在前苏联生产出来，而我国是第一个应用于工业生产的国家。经过近6 0 年的 发展，电火花线切割技术已经在各行各业得到了广泛的运用，最新型的线切割 加工机床突破传统的二维平面加工，具有了进行三维曲面加工的能力，实现了 复杂工件型面的精密切割【7 】。 1 2 1 电火花线切割加工国内外的研究现状 1 、国外研究现状 目前国外的单向走丝线切割加工技术发展的非常迅速，利用智能化的技术 手段，国内外的各研究人员和设备制造商在线切割机床的数控系统和机械系统 包括脉冲电源、主机结构、运丝系统等方面不断进行研究和开发，极大的提高 了机床的加工效率、切割精度以及表面质量【7 1 。 ( 1 ) 加工效率：总所周知，国外的低速走丝线切割机床加工精度较高，而 加工效率较低，一般维持在3 0 0 r a m 2 m i n 。而在最近的研究中，该速度记录已被 打破，可以达到4 0 0 5 0 0r a i n 2 m i n ，主要因为采用了新开发的窄脉宽高峰值电流 脉冲电源( t 6 0 0 a g s ) ，如日本沙迪克公司的a q 3 2 5 l 机床，在维持粗糙度仍然 小于0 8 微米的情况下，切割速度却大幅提高【8 】。 ( 2 ) 表面质量：影响加工零件表面质量的一个重要因素是工作液的类型。 电火花线切割工作液为绝缘液体，越难电解的话工件表面质量越高。而应用最 广泛的去离子水，仍然会受极少数离子影响而在工件表面产生“变质层”。近年 来，国外开发的a e 电源，其主要作用就是不断震荡水中的氢氧根离子，避免沉 积，提高工件表面质量p j 。 ( 3 ) 拐角精度：近年来国外为了提高拐角精度进行了很多研究，涉及走丝 轨迹、加工能量、脉冲电源性能等各个方面。例如s a n c h e zja 在充分考虑了切 割误差的情况下，优化了影响拐角精度的程序f lo ，1 1 】，m a g a r at 的研究结论证明 通过增加加工拐角的脉问来减小电极丝的振动从而提高加工精度1 1 2 1 。 ( 4 ) 机床结构：国外学者为机床结构的优化做出了很大的贡献，以最新的 研究成果来说，常用的机床闭环光栅尺为o 5 0 v a n ，为了提高对零件的检测精度， 瑞士夏米尔生产的a g i e c u tv e r t e x 慢走丝机床在结构上采用了吸震效果良 好的三点式结构，并将其各轴的光栅尺升级到o 0 5 1 m a ，在很大程度上提高了对 电极丝状态的检测能力【l3 | 。 ( 5 ) 细丝切割：对线切割机床来说，电极丝直径的大小直接关系到加工工 4 第1 章绪论 艺，比如一些电子、光学、钟表行业中的尖角外观，只有使用顶级的慢走丝线 切割机床，而通常这种机床使用的细丝一般为0 0 3 m m ，而电极丝越细，代表该 型号线切割机床的技术水平越高。日本沙迪克公司的最高制造水平体现为 0 0 2 m m 的极细电极丝，采用该电极丝加工出1 0 个齿，模数为0 2 2 的超微细的 最小齿轮，外径为0 0 2 6 4 m m ，内径为0 1 6 4 r a m 1 0 j 。 2 、国内研究现状 自从2 0 世纪5 0 年代初期电火花技术传入我国，就有学者开始研究该项技 术，但是慢走丝线切割技术相当复杂，在脉冲电源、检测控制、数控系统等各 方面都存在技术难题，国际上的企业又对关键技术严格保密，如高效加工表面 质量脉冲电源关键技术，放电状态控制研究等等，国外企业经过多年的摸索所 开发出来的运动控制系统，虽然知道其采用的是现代控制技术和数字化技术相 结合的原理，但由于缺少关键技术，国内企业却很难将其具体的运动控制功能 实现出来【5 】，因此我国基本没有自主生产慢走丝电火花线切割机床的厂家。目前， 我国所研发生产的电火花线切割机床各项指标与国际高端产品相比还有很大差 距。 1 9 6 5 年，张维良工程师发明了快走丝线切割机床，这是我国具有独立知识 产权的电火花线切割机床，虽然该机床可以加工较厚零件，切割速度快，有很 好的性价比，但由于其稳定性差，精度低且经常断丝，所以切割效率不高，因 此国内很多机构对其进行了升级改进，哈尔滨工业大学研究了电火花线切割机 床放电状态的间接检测方法【14 1 ，主要利用的是新兴的人工神经网络技术，对相 对应各种输入条件所产生的火花放电率及短路率进行检测，刘志东、刘其荣讨 论了凹凸拐角的多次切割工艺，总结出较有效的拐角切割方法【l 熨，南京航空航 天大学机电学院与苏州沙迪克三光机电有限公司进行校企合作，对多次切割技 术进行了研究，其试验成果显著，在经过四次切割后，工件表面粗糙度值r a 一 般可以达到1 0 2 9 m 9 j 。上海大量电子设备有限公司申请的两个专利为短程往返 走丝和高耐磨导向装置，据此开发出能够进行多次切割的数控机床，多次生产 检测证明，该机床三次切割后表面粗糙度r a 在o 8 0 9 0 m 之间，尺寸误差在 0 0 0 6 m m 之间，现该线切割机床已经进行了商品化的生产与销售。 如今的发展热门放在往复式高速走丝电火花线切割，也称为“中走丝”线 切割机床，它引入了国际上精密模具加工设备的先进理念和多次切割技术，对 硬件系统升级，在提升机床精度的同时也提高了机床的稳定性，使得中走丝机 5 第1 章绪论 床在近来有了很广的应用范围。目前我国研发的中走丝线切割机床，经过四次 切割验证，工件表面粗糙度小于o 8 1 m a ，平均3 日- r ：效率为5 0 衄2 m i n ，机床工作 精度为0 0 0 5 m m ，已经接近了中档水平的慢走丝机床工艺指标【1 6 ，17 1 。 现阶段市场上的三特中走丝用的是慢走丝的高频电源，能够长时间保持精 度和光洁度，是一款性价比非常高的产品。设计和制造的工程师都是以前三光 制造慢走丝的工程师们，所以他们的电箱控制柜是国内领先的。而在机床的功 能、性能、技术指标、外观、质量等方面，我国电火花线切割加工领域有待发 展的关键技术仍然很多，研究机构和企业还需花时间和人力耐心探索。 1 2 2 电火花线切割加工的发展趋势 在第1 4 届全国特种加工学术会议上，代表们一致认为，为了进一步提高目 前生产的电火花线切割数控系统的可靠性和稳定性，国内的研究机构和生产厂 商应加强合作，努力开发出通用数控系统平台，并进行慢走丝线切割数控系统 的专业化生产。 总结我国电火花线切割机床历程，其发展趋势有以下几个方面： ( 1 ) 日本沙迪克公司最先将直线电机驱动应用于电火花线切割机床，由于 直线电机的定位精度高、响应速度快、移动误差小等优点，使电火花线切割加 工过程更为稳定，定位更为精确，从而很大程度上提高3 n - r ：精度【1 8 。2 0 1 。 ( 2 ) 伴随着人工智能、遗传算法、专家系统等智能控制理论及技术的发展， 电火花线切割领域也引进了智能控制系统，经历了一个从反馈控制到智能控制 的发展路程，智能控制大大提高了电火花线切割数控的自动化程度 2 1 1 。 ( 3 ) 在制造和工艺等方面的高新技术的应用，使得电火花线切割加工的精 度达到前所未有的高度，瑞士阿奇公司单向走丝线切割机床加工精度已达到 1 5 l x m ，加工表面粗糙度r a 0 1l a m ，加工速度己达到5 0 0 m m 2 m i n 以上，加工表 面变质层深度1 1 t m 2 。 ( 4 ) 随着计算机技术的发展，集成度越来越高，从而使得电火花线切割机 床控制高度模块化和集成化，如美国g a l i l 公司生产的系列化多轴联动伺服控 制卡。高速高效高集成度的模块单元及芯片替换原来庞大的数控系统，使其体 积更小，速度更快，运行更加稳定，从而促进了电火花线切i - t j ；d h 工技术的快速 发剐19 2 2 - 2 5 。 6 第1 章绪论 1 3 本课题的研究概况 1 3 1 课题研究的背景 电火花线切割应用十分广泛，与其他加工方法一样，在加工过程中不可避 免会发生意外情况，而其中一种严重现象就是发生机床掉电，以低速走丝电火 花线切割为例，该机床上加工的高精密模具等零件已经经过多道加工工序，最 后在线切割上做精加工，此时零件的表面粗糙度达到0 2 o 5 哪左右，其使用 材料多为高硬度合金，而且切割速度很慢，加工一个零件需要几个小时或者几 天，一旦在加工过程中出现掉电而没有具体的保护措施，再次上电时需要重新 加工，不仅降低了效率而且提高了成本，重新上电后无法回到断电点继续加工。 另外，断丝是线切割机床的常见情况，对电极丝更换时必须在断电的情况下进 行，若不能对机床状态控制执行有效的信息保存，将会使加工过程中断，再次 加工时需要重新回原点定位，不仅降低效率而且会留下接线痕迹，影响表面光 洁程度。由此可知，线切割机床的断电保护功能是十分有必要的，实现全状态 记忆，可恢复加工是遵循于实际需要的。 慢走丝机床以国外商家生产的类型为主，对其关键技术十分保密，各系统 模块不公开不透明，极大制约了我国先进制造技术的发展。以我校的科研实力， 依托校办企业江南电子仪器厂的技术平台，对慢走丝线切割机床关键技术进行 研究。为了即满足加工生产需要又有良好的可再次开发性能，实验室着重于研 究开放式的电火花线切割机床，师兄们分别对机床系统中的自动编程模块、间 隙控制模块、脉冲电源模块、运动控制模块等做了充分研究，得到了切实可行 的研究成果。本课题主要是对机床发生掉电等突发危机事件进行研究，采取相 应的应急措施，启动应急保护方案，即机床掉电保护模块的开发。 1 3 2 课题研究的内容 本课题目的是在南昌大学沈川硕士所研究的基于d x f 文件自动编程功能基 础上，开发出对电极丝所在加工位置进行记忆，上电后可定位到断点继续加工 的线切割数控系统的掉电保护功能模块，总体上可以分为工控机系统和单片机 系统、电动机驱动系统等三个部分来讨论，除常用的数控系统功能之外，涉及 到实现掉电保护的软硬件功能将是本课题的主要任务，硬件主要包括单片机的 断电检测电路、断电延时电路和控制电路，软件执行的功能主要是实现数据的 7 第1 章绪论 正确写入或完整读取。论文主要内容安排如下： 第二章，对现阶段中实现掉电保护的方案进行最优化评估，为线切割数控 系统实现掉电保护功能确定实施方案； 第三章，主要开发电火花线切割数控系统工控机的重要工作模块，如插补 计算模块、通讯接口模块、掉电保护接口模块等； 第四章，对实现电压监测、数据存储等相关电器元件进行选择，设计单片 机的掉电保护电路，并基于v c + + 开发软件实现掉电保护的功能，设计流程图， 编写程序并调试； 第五章，在系统中采用步进电机作为执行元件，利用硬软件实现对电机的 控制； 第六章，对本系统的不足之处予以总结并展望今后的研究方向。 1 4 本章小结 本章论述了电火花线切割的加工原理和工艺特点，讨论了国内外电火花线 切割技术的研究现状，展望了该技术今后的发展趋势，并根据课题的研究背景 提出了研究内容。 8 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 在上一章中，明确了本课题的目标是开发一款开放式的电火花线切割数控 系统掉电保护功能模块，要求该模块的设计能够保证掉电保护功能的实用性强， 使用性能稳定可靠。 2 1 数控系统的总体结构概述 本数控系统采用的结构模式如图2 1 所示，主要分为工控机和单片机两部 分。工控机即i p c ( 工业控制计算机) ，本系统中使用的是研华工控机，采用 w i n d o w s 作为操作系统进行管理，除此之外无其它硬件，它实现的主要功能是 图形显示、代码编译与预处理、参数设置、刀具补偿、仿真运行、与单片机的 通讯【2 6 1 。 图2 1 数控系统总体功能结构 系统中采用单片机8 9 c 5 1 及扩展的外围电路实现对步进电机的驱动控制， 主要实现方向控制、速度控制、与工控机通讯。这样即可以利用w i n d o w s 多任 务并行处理的程序管理能力和强大的计算能力，又可以利用8 9 c 5 1 的快速响应 能力实时控制，两者之间通过串行接口进行通讯【2 7 】，该全双工的通信方式，“接 收线 和“发送线”交叉连接，“接地线”上单片机直接相连，不使用其他信号 线，在软件编程中实现握手等功能。 9 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 本系统总体结构如图2 2 所示，为了增强抗干扰性，在单片机发出的信号之 后接光电隔离电路，由于单片机发出的信号电压为5 v ，伺服电机电压2 4 v ，所 以在隔离之后还需要功率放大电路对其信号进行放大以驱动伺服电机带动机床 主轴进行运动，由于普及型电火花均为开环控制，因此在本课题中不讨论位置 反馈系统。 图2 2 具有掉电保护功能的数控系统 2 2 数控系统掉电保护功能的实现步骤与结构安排 2 2 1 掉电保护功能的实现步骤 工控机由于功率较大，一旦断电则立即停止工作。在短时间掉电下的措施 可以采用u p s 电源进行切换后继续工作，此处考虑到普及型机床的经济性，将 不采用u p s 电源及其它硬件电路，主要在软件程序上实现掉电保护，包括将切 割轨迹保存在r o m 中，重新上电之后将3 hq - 断点所在位置核实并定位到轨迹程 序中，恢复上次掉电时候工作状态，选择继续加工或是放弃加工，并控制电机 进行进行下一步的机床操作。 单片机系统的功率较小，使用备份电池或者充电电容即可以对其延时工作， 供单片机维持小段时间，将片内r a m 中的实时加工状态保存至片外扩展存储 器。在电源正常供电后，将片外存储器中的加工数据重新提取，将其返回工控 机进行相关处理之后恢复机床的工作信息，为再次加工做准备。单片机系统掉 电保护的实现步骤如图2 3 所示。 1 0 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 对v c c 电压的实时状态进行监 测，使得机床发生意外情况时能够 及时预警 提供短暂的系统工作时间，将机 床加工状态信息等数据快速地保存 在扩展存储器中，并控制扩展存储 器在掉电上电的瞬间不会受脉冲干 扰而破坏数据 取存储器中的加工信息，以便实 现掉电前的加工状态，实现零件的 断点对接加工，提高工作效率 图2 3 掉电保护功能的实现步骤 2 2 2 掉电保护功能的结构安排 因此，工控机的掉电保护操作完全在软件程序中体现，在本课题中将其安 排在第三章讨论，而单片机系统的掉电保护功能的实现，应该由软件和硬件两 个部分组成，对实现掉电保护部分的系统总体设计如图2 4 所示。 工 控 机 系 统 鱼 片 机 系 统 自动编程 二二二割插补计算确定断点位置酬处理下一步加工l 一够号 么 掉电检测电路 刊掉电延时电路 刮 控制电路 泽j - j i 蹲 多 ；一一 一“一一 产生掉电信号 纠捕捉掉电信号 爿处理掉电信号 爿掉电信息恢复 图2 4 掉电保护功能实现的主要结构安排 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 2 3 数控系统掉电保护的功能描述 2 3 1 工控机系统插补模块的功能描述 1 、系统在自动编程模块得到电极丝的中心轨迹后，需要进行插补计算才能 得到起止点的位置坐标。 2 、掉电保护需要自带快速回退功能，在轨迹法线方向回退半个放电间隙， 以保证断点处不会有切痕，因此需要白带反向插补功能。 2 3 2 单片机系统的软硬件功能描述 1 、软件功能描述 ( 1 ) 有效地监测电源的状态，及时指示何时掉电，使单片机有足够的时间 来进行掉电处理； ( 2 ) 监测电源电压的下降过程，下降到一定程度时对数据进行存储并写保 护，防止电源电压变化过程中的误写操作。在恢复送电时，监测电源电压的回 升过程，在电压上升到一定值( 阀值电压) 之前，读保护存储器中的数据。 ( 3 ) 在掉电瞬间单片机能够依靠电池或电容延时工作一段时间，确保关键 数据转移完全。若使用的是外部r a m 存储器，则要用电池维持存储器为上电状 态以免数据丢失。 2 、硬件功能描述 ( 1 ) 在正常工作的主程序中开最高级中断，接收到掉电信号时，设置掉电 标志，转而执行掉电中断服务子程序。 ( 2 ) 在子程序中迅速提取片内r a m 中的插补数据存储到外部存储器中， 实现加工信息的可靠写入与完整保存； ( 3 ) 再次上电后，进行掉电信息的恢复，提取保护的数据传送到工控机进 行处理，以便对机床电机进行赋值，从断点处重新加工，保证加工零件的各项 精度指标。 2 3 3 步进电机系统的功能描述 重新上电后电极丝的走向由掉电保护模块所控制，所以需要重新搭接步进 电机系统，以执行上电后的回切功能。电极丝被偏移半个放电间隙之后，与工 件切割表面不再接触，因此步进电机可以采用较快的切割速度沿原路返回一段 加工轨迹，为再次起步做准备，实现工件掉电处的无痕连接。 12 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 2 4 掉电保护功能的具体实施方案 2 4 1 实现掉电保护功能的常用方案 目前，对数控系统实施掉电保护的方案主要有以下几种： l 、不间断电源u p s 和数据库 工程中的一些重要系统，经常采用双电源和u p s 共同工作的模式。平时外 电网给u p s 充电，当外网断电后，u p s 相当于大型蓄电池，提供动力，为机床 准备长时间的供电，若外网电源事故较小，能够很快排除，则系统在断电时期 没有受到影响。 若外网停电一时不能排除，需要长时间断电时，则可以通过这段充裕的时 间处理系统数据，在数据库中对其进行保存和相关操作，在外网电源恢复后重 启机床并执行数据处理。 这种方案不但对于防止系统电源的突然中断十分有效，而且很好地利用数 据库能解决长时间的断电停机的问题，然而u p s 电源昂贵且体积较大，在外网 电源故障不频繁的情况下使用，成本较高，数据库虽然功能升级容易，但需要 专业人员进行开发，这种模式通常适用于p c + d s p 结构，工程内容庞大且重要 的系统。此种方案在文章中不进行讨论。 2 、用e 2 p r o m 、f l a s hm e m o r y 保存断点数据 在线式可修改的r o m 器件如e 2 p r o m 、f l a s hm e m o r y 等，属于常用的掉 电不丢失的一类数据存储器，它不需要备用电源，能够对芯片中的数据永久保 存，所以不需要附加电路，为解决应用系统中参数的保存问题提供了一种可靠 方案，其特点是价格便宜，有显著的成本优势。但该存储器有自身特定的擦写 要求【l 引，与单片机的连接需要使用1 2 c 总线，编程专用性强，一般写入数据的速 度较慢，擦写时间为m s 单位，对于断电时需要快速保存数据的情况来说时间较 紧张，最大擦写次数为1 0 万1 0 0 万次不等，适用于数据保存量不大，对存取 速度要求不高，掉电不频繁的系统。基于e 2 p r o m 存储器a t 2 4 c 0 1 的掉电保护 软硬件设计将在第四章节中加以讨论。 3 、由带备份电池的r a m 组成的断电保护电路 随机存储器r a m 与r o m 元件的最大区别在于其由于断电而会将保存在芯 片内的数据丢失，所以使用r a m 来进行系统参数的掉电保护时，需要扩展备用 电源电路。基于r a m 的断电保护电路拥有所有访问设备里面读出和写入操作的 1 3 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 最快速度，使得它在对时间有特定要求的系统中应用有着独特优势。同时r a m 又具有使用简单，写入次数无限制的特点，增加备用电源后，能够象r o m 那样 长时间保存数据，价格便宜，是一个较好的电路实现方案1 2 8 】，对那些需要大容 量读取数据、高速、反复存取实时参数的系统用r a m 加掉电保护电路来实现 是很合适的方法，但没有通用的解决方案，主要缺点是实现功能所需要的元件 数目较多、电路的集成度较低、芯片的运行功耗较大。基于r a m 存储器6 2 6 4 的掉电保护软硬件设计将在第四章节中加以讨论。 4 、自带锂电池的n v r a m 芯片【2 9 j 掉电不丢失的数据存储器n v r a m ，在不考虑成本的情况下，是最适合掉电 保护使用的外部扩展存储器类型。以h k l 2 3 5 为例 2 9 】，它的修改读写以字为单 位，没有读写次数的限制，供电电压为5 v ，芯片自身功耗小于5 m v ，静态电流 小于2 0 u a ，属于一种微功耗产品。不需要任何附加电路的：丈持，自身可以监视 电压，一旦电压下降，则写保护数据操作自动进行，并将所有的输出转变为高 阻状态。 当外部电源降低到3 v 左右时，芯片将切换v c c 至内部锂电池以上电状态继 续保存数据，若外部电源电压上升到3 v 左右时，芯片转而连接v c c 以保存数据， 若电源继续上升至超过4 5 v ，芯片写保护撤销，能够对其数据进行操作。 该芯片的集成电路完全满足掉电保护功能需要，但芯片价格相对昂贵，对 于经济性电火花切割机床来说成本较高。 论文将讨论分别以r o m 和r a m 为片外扩展存储器，构造单片机的掉电保 护电路，与工控机的软件程序相结合，对电火花机床产生紧急情况时刻的参数 和数据，如正在加工的程序段行号、电极丝所处断电点的x 、y 轴坐标等，采取 可靠的保护措施，并在重新上电后进行恢复并执行下一步处理。 2 4 2 掉电保护功能的软件实现方案 掉电处理软件的思路是保证不论掉电现象在单片机系统工作中的哪个环节 发生，都能有效的将数据和系统状态保存 3 0 1 。在电源正常后，系统能够恢复到 断电时的状态并继续工作，采取措施保障并验证所存储数据的完整性和正确性。 综合各种考虑方案之后，制定软件实施指导思想如下： 1 、工控机设计 ( 1 ) 没有u p s 电源的情况下，工控机在外电源掉电的瞬间即停止工作，如 1 4 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 果采用检测到掉电再存储程序的话时间完全来不及，因此在工控机正常工作时， 将程序和开机所设置的参数存储在r o m 中，而一些实时数据，在发送给单片机 的同时，也应该在i p c 的硬盘中划分区域进行存储； ( 2 ) 需要存储的信息包括【3 1 】：加工是否完成、当前加工段、当前段加工步 数、总加工步数、插补偏差、插补时x 轴、y 轴坐标等； 2 、单片机设计 ( 1 ) 为了提高掉电保护模块的实时性和可靠性，在进行软件程序设计时少 用或不用嵌套的方式，而尽量使用一个高速中断，另外可结合标志器来实现系 统功能【2 8 】； ( 2 ) 为了确保掉电信息恢复时所读取数据的准确性，在扩展存储器中使用 一块掉电保护专用区，当数据存入专用保护区后，每一段数据的前后端可安排 多个字节作为检验数据完整性的校验字【3 0 】； ( 3 ) 即使系统没有掉电，每一个主循环内仍进行一次断电处理子程序，以 保证掉电数据的实时性； ( 4 ) 掉电后应立即触发单片机进行对应的减功耗处理。 2 4 3 掉电保护功能的硬件实现方案 掉电保护电路应该在掉电时刻接通备用电源，一般可用电容或锂电池，但 仅有备用电源的电路是远远不够的，该模块还应具有这样的功能：在掉电时由 外部市电电源到备用电源及上电时由备用电源到市电电源的双向切换过程中， 能够有效地封锁存储器的片选信号和读写信号，以防电源电压跃变的干扰可能 使存储器在瞬间状态下处于读写状态，使保存的原始数据遭到破坏，以致上电 恢复时不能通过数据的完整性检测，使得掉电保护失效。下面分别就该模块硬 件的三个部分进行总体设计。 l 、掉电检测电路 在保护电路中主要利用比较器元件，当检测到系统电源即将断电( 即电源 下跌到一定程度) 时，比较器输出由高电平变为低电平，触发中断。这个电源 故障信号通过外部中断接口向单片机提出处理请求，c p u 立即响应，中断服务 的子程序将会把断点现场的有用数据送至单片机扩展存储器中进行保存，。并发 出响应信号给外部断电延时电路。 2 、掉电延时电路 1 5 第2 章掉电保护功能的系统总体设计 在保护电路中充分利用备份电源电路，发生掉电情况后，采用各份电源存 储中的电量为单片机系统供电，为系统工作争取时间，直到断电数据正确写入 存储器，若是r o m ，则任务完成，若存储器为r a m ，则需要只给r a m 供电以 保存数据。当外部电源供电恢复正常之后，微处理器仍然需要进行一段时间的 延时操作，以保证外围芯片电压已经达到正常，再从存储器中进行数据的读出 操作，将其送入单片机中，驱动伺服系统恢复机床断电前的工作状态。 3 、控制电路 控制电路主要是控制上电掉电过程中存储器的状态。其设计思路是保证在 外部电源正常供电时，机床执行操作，一旦遇到掉电情况，检测电路发现外围 电路的电压下降，单片机接收外部中断信号，完成数据保护。当电压继续到一 定的门限设定电压时，系统将禁止对存储器的写入，单片机进入断电工作方式。 当电源恢复电压上升时期，存储器仍然处于读保护状态，直至升高到一定值， 确保芯片已正常工作之后，才能允许操作。 2 5 本章小结 本章主要是对电火花线切割机床的掉电保护模块进行了总体设计。首先确 立了课题目标，并对现阶段的实施方案进行了研究和分析，决定本课题研究的 主要内容。为了实现目标功能，在现有的实验条件下，本章对硬件和软件部分 分别进行了总体设计。 1 6 第3 章工控机系统各模块接口设计 第3 章工控机系统各模块接口设计 由第二章的系统总体功能可知，电火花线切割机床的工控机部分执行了大 多数的管理、计算工作并输出控制信号，均采用v c + + 软件编程来完成，所以对 该部分的软件设计十分重要，分别由自动编程模块、插补运算模块、通信接口 模