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浙江工业大学硕士学位论文 电火花成形机床数控系统研究 摘要 电火花成形加工是特种加工技术的一个重要分支，主要适用于超硬导电材料的各种工 具、刀具以及模具的加工。随着生产发展和科技进步，对材料及零件的加工工艺提出了越 来越高的要求。在此研究背景下，本论文对电火花成形机床的数控系统进行了研究。 论文初步探讨了电火花加工理论及电火花成形加工过程中的影响因素，分析了国内 外电火花成形机床数控技术的研究现状及发展趋势。研究了开放式数控系统的体系结构， 结合开放式数控系统的最新发展，开发了基于p c 机的电火花成形机床数控系统。论文的 主要研究内容如下： 1 在分析和研究开放式数控系统体系结构的基础上，对电火花成形加工机床数控系 统进行了总体设计，主要包括数控系统控制方案及数控系统结构的设计。建立了基于p c 机的电火花成形机床数控系统及实验平台。 2 对电火花成形机床数控系统伺服控制进行了研究，在分析比较伺服控制方法的基础 上，设计了双闭环伺服控制系统。通过对各项性能指标的分析计算，利用控制器p t d 参数 的优化，对电火花成形加工过程进行实时控制。 3 对电火花成形加工过程中的放电间隙状态进行研究，结合本课题的实际情况，运 用间隙电压平均值检测法，设计了电火花成形机床的间隙放电状态检测与识别系统。根据 放电间隙状态对电火花成形加工过程进行控制，保证了加工过程的稳定。 4 对电火花成形加工数控系统的控制软件进行了研究，利用面向对象的编程语言及模 块化结构设计了电火花成形机床数控系统软件。经实验验证，该系统运行稳定。 关键词：电火花加工，数控系统，运动控制，伺服控制，放电状态 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nn u m er i c a lco n t r o ls y s t e m f o re d m a b s t r a c t e l e c t r i cd 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 f n o n - t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g f i e l d ，t h ee d m i su s e df o rm a c h i n i n g s u p e r - h a r dc o n d u c t i v em a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yf o rt h ec u t t i n g t o o lo rm o l df a b r i c a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，t h eu r g e n t r e q u i r e m e n t sf o rt h em a t e r i a l sa n dp a r t sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw e r ee v e r - i n c r e a s i n gp r o p o s e d t h e r e f o r et h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n dd e s i g nac n c s y s t e mo fe d mm a c h i n e i nt h i st h e s i s ，t h ep r o c e s s i n gp r i n c i p l eo fe d mw a sd i s c u s s e d ，t h ee f f e c t i v ef a c t o r so fe d m p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e d a n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fe d mc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya th o m ea n da b o a r d c o m b i n i n gt h el a t e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n ta b o u to p e nc n c s y s t e m d e v e l o pt h ee d mc n cs y s t e mb a s e do np c ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ea r c h i t e c t u r eo fo p e nc n c s y s t e m ，t h eo v e r a l l d e s i g n c n cs y s t e mc o n t r o lp r o g r a ma n dt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r eo f e d ma r ec a r r i e do u t t h ec n c s y s t e mo fe d m a n de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw e r ee s t a b l i s h e db a s e do np c 2 t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo fe d mw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ed u a lc l o s e d l o o ps e r v o c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nc o m p a r i s o no fs e r v oc o n t r o li nt h ea n a l y s i sm e t h o d b y a n a l y s i sa n dc a l c u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s u s i n go p t i m i z a t i o no f p i dc o n t r o l l e r p a r a m e t e r s a n df i n a l l ya c h i e v et h ea i mo fc o n t r o l l i n ge d m m a c h i n e 3 b ya n a l y s i st h ed i s c h a r g eg a po fe l e c t r i cs p a r km a c h i n i n gp r o c e s s i n g c o n d i t i o n c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h es u b j e c t t h ed i s c h a r g eg a pc h e c km e t h o dh a v eb e e n d e s i g n e db a s e do ng a pv o l t a g ec h e c km e t h o d t h es t a b i l i t yo ft h em a c h i n i n gp r o c e s sw a s e n s u r e d 4 a tl a s ti nt h i st h e s i s t h ee d mc n cs o f t w a r es y s t e mw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h ep a p e r p r o g r a m m e dt h es o f t w a r et a k i n ga d v a n t a g eo fo b je c t - o r i e n t e dl a n g u a g ea n dm o d u l a rs t r u c t u r et o d e s i g n i n gt h ew h o l ec n cs y s t e m t h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h es y s t e ma r es t a b l ea n dr e l i a b l e f o rm a c h i n i n g k e yw o r d s ：e d m ，c n cs y s t e m ，m o t i o nc o n t r o l ，s e r v o - c o n t r o l ，s p a r ks t a t e s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 名1 鹏砂眺叩岁肘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在，年解密后适用本授权书。 2 、不保刺 ( 请在以上相应方框内打“”) 善翥薹耋i 磁 导师签名：m 7 蓖 日期：纠年，月辑日 f 醐：呷 夕月石日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 数控技术作为现代制造技术的基础，它集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技 术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机 电技术于一体。数控技术水平的高低和数控机床拥有量的多少己成为衡量一个国家工业现 代化程度的重要标志。因此，发展数控技术，尤其是发展数控系统是振兴我国基础机械的 关键。专家们预言，机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争【1 1 。 1 1 1 电火花加工基本原理 电火花加工( e l e c t r os p a r ke r o s i o n ) 的研究与应用起源于2 0 世纪4 0 年代，又称放电 加工( e l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n g ) 和电蚀加工。它是一种利用两极间脉冲放电时产生的 电腐蚀现象，对材料进行加工的方法1 2 1 。在学术上它属于电物理加工范畴，是特种加工技 术中最重要的部分之一。 电火花加工时，如图1 1 所示，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作 液中，或将工作液充入放电间隙。工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离 时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集 中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使工件表面局部微 量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属 微粒，被工作液带走。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件 金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。 因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种 复杂的型面 3 1 。一般来说电火花加工机床主要由主机、脉冲电源、自动进给调节系统、工 作液净化及循环系统等几部分组成。主机主要包括：主轴头、床身、立柱工作台、工作液 槽等几部分。其中主轴头是伺服控制系统的执行机构，要求结构简单、传动链短、传动间 隙小、热变形小、具有足够的精度和钢度，以适应伺服控制系统的惯性小、灵敏度好、能 承受一定载荷的要求。随着数控技术的发展，步进电机、数控直流、交流电机的出现，广 泛使用电一机械式主轴头，其传动链短，可由电机直接带动丝杠。本课题的电火花成形加 l 浙江工业大学硕士学位论文 工机床采用伺服电机带动滚珠丝杠实现驱动部分。 液泵 图卜1电火花加工原理图 近年来，美国和日本都相继提出了许多新的加工概念和方法，推出了数控电火花加工 机床和加工中心，并逐步应用于实际生产中，如电火花加工c a d c 蝴软件、智能化控制 技术；电火花成形加工多种形式的检测技术；加工过程智能化和无人化控制；机床快速高 效精密闭环进给驱动系统等。由于在加工过程中引入了计算机控制，利用计算机技术对控 制系统实施优化，以及建立了综合参数自适应控制装置和数据库等，大大提高了生产率和 加工精度，为此实现电火花加工的数控化己是必然的趋势【l j 。 1 1 2 电火花加工分类及特点 按电极和工件相对运动方式和用途的不同，电火花加工大致可分为电火花穿孔成形加 工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、 电火花表面强化与刻字六大类【4 1 。前五类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状 或尺寸的加工方法；后者则属于表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。 电火花加工的突出优点是适合难切削材料的加工，电火花在加工过程中电极和工件几 乎没有物理接触，因此与它们的力学性能( 硬度、强度等) 无关：工件的可加工性更多的取 决于材料的导电性及其热学性能，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等。所以电 火花加工与传统切削加工必须用硬质刀具加工软质材料有明显的不同，电火花加工可以用 软的电极( 如紫铜) 等加工各种金属及合金材料、导电超硬材料( 如聚晶金刚石、立方氮 化硼、金属陶瓷等) 、特殊的热敏材料、半导体等材料【5 1 。目前这一工艺技术已经广泛应 用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料，用于加工模具等具有复杂表 面和有特殊要求的零部件，在民用和国防工业中获得越来越多的应用，已经成为切削加工 的重要补充和发展。 2 浙江工业大学硕士学位论文 电火花加工优点突出，也存在一些缺点。比如只能用于加工金属等导电材料，不能加 工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。加工速度一般比较慢，因此通常安排工艺时多采用切 削来去除大部分余量，然后再进行电火花加工，以求提高生产率。存在电极损耗，由于电 火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面， 影响成形精度。加工后的表面由无数小凹坑组成，粗中加工时较毛糙，且表面有一薄的变 质层。 总之，电火花成形加工虽然在加工速度、电极损耗、表面变质等方面存在许多待改进 的地方，但整个电火花成形加工是正在发展中的新工艺、新技术。它特有的功能，为各种 新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的改革与制造提供了新的加工 设备，为现代科学技术的发展和试验设计水平的提高提供了有效的手段【5 1 。 1 2 数控系统的发展历史及趋势 1 2 1 数控系统的发展历史 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上， 在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台试验性数控系统。从此，数控系统的发展日新月异， 到今天已经历经了两个阶段共六代：1 9 5 2 - 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代， 即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ；第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 。自 1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段，这是第四代数 控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数控；2 0 世纪9 0 年代开始后基于p c 的 数控( p c n c ) 开始得到迅速发展。9 0 年代前的c n c 系统，主要是标准的数控装置，从控制 软件开发上看，没有一个强有力的体系结构予以支撑，因而软件缺乏持久开发的能力，不 能进行高可靠性的软件扩展。 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提出 了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制 系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一代数控系统具有方便的网络功 能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。而对于传统数控系统，如 f a n u c o 系统、m i t s u b i s h i m 5 0 系统、s i e m e n s 8 1 0 系统等是专用的封闭体系结构的数控 系统，他们自成一体互不兼容，不能适应当前制造业迫切需求配呈灵活、功能扩展简便、 基于统一的规范和易于实现统一管理的发展需要。进入9 0 年代以来，随着计算机技术的飞 速发展，推动数控机床技术更快的更新换代，各种不同层次的开放式数控系统应运而生【6 1 。 3 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 数控系统的发展趋势 随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和 神经网络等控制原理，控制性能不断的得到提高。数控系统性能的提高促进了数控机床性 能向高精度、高速度、高柔性化方向发展。 为了满足市场和科学技术发展的需要；为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高 要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 开放式体系结构：世界上许多数控系统生产厂商利用p c 机丰富的软硬件资源开发 开放式体系结构的新一代数控系统。随着工业p c 机性能的快速发展，可靠性大为提高，发展 以工业p c 机为核心的通用数控系统，已成为国际研究的热点，是数控技术发展的最新潮流。 ( 2 ) 高速高精高效化：采用高速c p u 芯片的控制系统以及带有高分辨率绝对式检测元件 的交流数字伺服系统，使机床的速度、精度、效率大大提高。 ( 3 ) 柔性化软件化：数控系统采用模块化设计，功能尽量由软件实现，使其覆盖面大，可 裁剪性强，便于满足不同用户的需求。系统可随c p u 升级而升级，结构上不必变动。 ( 4 ) 智能化：新一代数控系统控制性能大大提高，在控制性能上向智能化发展。随着人 工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的 控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数 自动生成、运动参数动态补偿等功能，并具有故障诊断系统使自诊断和故障监控功能更趋 完善。 ( 5 ) 网络技术的应用：应用网络技术，可做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统 和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。总之，未来 的发展趋势是朝着开放式体系结构、高速高精高效化、柔性化软件化、智能化等方向发展。 1 3电火花成形加工数控技术发展概述 1 3 1国外电火花成形机床数控技术的研究现状及发展趋势 近年来，国外以瑞士夏米尔( c h a r m i l l s ) 公司、阿奇( a g i e ) 公司、日本沙迪克( s o d i c k ) 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 公司为代表，推出了各自功能强大的新型号多轴联动电火花成型数 控系统及机床，瑞士( c h a r m i l l s ) 公司推出的r o b o m i l l 2 0 0 电火花铣削机床，采用工件固定方 式，圆柱铜电极能在x 、y 、z 方向上移动，c 轴为旋转轴，最高转速为6 0 0 0 r p m ，配备了完 整的工艺数据库，可自动进行工艺参数的选择和优化。其c a d c a m 系统根据零件的几何 图形信息生成加工程序，电极损耗由数控系统通过综合算法给出并加以控制和补偿，必要 4 浙江工业大学硕士学位论文 时可以自动更换电极。加工精度为o o l m m ，表面粗糙度能达到足0 1 j u r a ，能加工的窄槽 最小为1 1 m m 。 由于电火花加工过程具有复杂的随机性，传统的理论对其研究进展缓慢。人工智能 技术的兴起，使数控系统的研究和开发更深入地进行，使专家系统越来越受到人们的重视， 它不但能提高自动化程度，而且能保证工艺路线的实施，改善人机关系等。国外专家十分 重视这方面的研究，具有较高的水平，而且注意开发各种不同功能的专家系统。例如：瑞 士夏米尔公司r o b o f o r m 3 5n c e d m 具有p r o g 删一e ，e r t ，可根据加工要求选择最 佳加工工艺；p i l o t e x p e r t 3 具有新的实时火花分析系统，从采样至控制的周期缩短，伺 服没有死区，回退的加速度和速度提高，加工中不断优化脉冲间隔和拉刀，不用冲液也可 进行最佳加工( 快速拾刀) ，能保证长期无人操作，是一种具备适应控制的专家系统，加工 效率与传统电火花机床相比可提高3 0 。p o w e r - c o n t r o l e x p e r t ，在粗加工时能使 放电能量( 电流) 自动与工件的几何形状相适应，在精加工时能准确控制间隙，由于新的火 花分析系统速度为微秒级，故可完全消除危险的放电状态。m i c r o m a c h i n i n g e x p e r t 可以较高的效率加工微细零件，在小型接插件及微型机械加工中广泛应用，其加工表面粗 糙度可达足0 1 t m ，瑞士阿奇公司a g i em o n d o s t a r2 0 ( 5 0 ) ，具有i e p 专家系统，能对电 极、工件的装夹误差进行自动测量和补偿，保证了多腔加工的位置精度。加工时通过a c e a c o ，能实时优化选择各种加工参数，调整放电能量和进给速度，达到稳定、高速、高质 量加工的目的。日本s o d i c k 公司推出了n f ( 神经模糊) 数控电源，它不必输入复杂的n c 代码， 能自动选择加工参数，并可根据加工状态自动进行调节，使得当今电加工机床成为一般操 作人员也能使用好的机床，解决了电火花加工系统中工艺参数设置长期来依赖操作人员水 平的问题。 在电火花加工过程的自适应控制方面，三菱电机公司开发的a u t om a g i c 型w e d m 机床 具有很强的自适应控制功能8 1 1 9 1 。其高速化适应控制功能在上下异型切割、安装座孔切割、 各种型孔切割等复杂形状的加工中，自动地大幅度提高加工速度。最佳加工条件生成( t m ) 功能在不用工作液喷嘴时自动决定加工条件，使高精度的加工能更简单的实施。高精度适 应控制( c m ) 功能可使转角的加工精度较传统方法提高3 倍。其自动穿丝功能使穿丝时间大 为缩短，矽o 2 m m 的电极丝在切割5 0 r a m 厚钢板时的剪断及再接时间仅为1 0 s 。 比利时的l a u w e r s 和k r u t h 等人对c a d c a m 技术在电火花加工领域中的应用进行了研 究，在瑞士夏米尔公司的数控机床上开发了电火花加工的c a d c a p p c a m 集成系统f i o l 。 5 浙江工业大学硕士学位论文 采用了基于制造特征以及这些特征之间关系的工件描述进行c a d 造型，基于工件特征描述 的c a p p 可以产生经过优化的加工工艺，c a m 模块产生刀具路径和刀位文件，后置处理部 分把刀位文件转换成几何尺寸数控程序以及工艺数控程序【l 】。 1 3 2 我国电火花成形机床数控技术的研究现状及发展趋势 电火花成形a n ：i ：作为电加工技术的重要分支，也是发展历史比较长和成熟的电加工技 术，在模具工业、国防工业和精微制造中占有重要的地位。改革开放以来，通过引进先进 技术和合作生产，尤其是引进数控技术和先进的自动控制技术之后，我国的电火花加工设 备和工艺得到了长足的进步，但与世界先进国家相比还有很大差距【l l 】。 我国的机床数控行业起步于1 9 5 8 年，n 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，一直没有取得实质性的成果。直n 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，取得了可喜的成果。我国的数控产品已覆 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。 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。 我国数控电火花技术己在逐渐缩小与国外的差距，目前代表我国电火花技术水平的数 控电火花机床功能相当丰富，例如，汉川机床厂的h c d 4 0 0 k c 精密数控电火花机床，采用 与哈工大合作研制的m d 2 1 系列电火花成形机数控系统，其主要特点为：1 x 、y 、z 三轴 数控，其中任一轴可作伺服轴，并能进行多种形式的平动加工；2 采用模糊控制技术，自 动对加工状态进行调整，以保持最佳加工状态；3 界面友好，操作简单方便；4 加工效率 高，电极损耗小( 最低为 以 ( 匹配条件)( 3 - 2 ) 以= 以( q 缈) 2 + ，珥( 形国) 2 ( 3 - 3 ) 七 式中厶一电机惯量， 堙m 2 以一转换到电机轴上的负载惯量， 堙m 2 q 一各旋转件角速度， r a d s 鸭一各直线运动件的质量，培 2 4 浙江工业大学硕十学位论文 r 一各直线运动件的速度， m s o 一伺服电机的角速度，t a d j ( 3 ) 加减速时扭矩 加减速扭矩限定在变频驱动系统最大输出扭矩的8 0 以内。可以参考一下公式 瓦。x 8 0 。= 2 t r n ( 十山) 1 6 0 t , + r 式中 l 。一与电机匹配的变频驱动系统的最大输出扭矩，n m 。一加减速晟大扭矩， n 卅 r 一快速行程时加减速时间常数，m s r 一快速行程时转换到电机轴上的载荷扭矩，n 卅 4 ) 连续过载时间 连续过载时间应限制在电机规定时间内 式中 ks k 五。一连续过载时间，r a i n 7 赢 电机规定过载时间，m i n ( 3 _ 4 ) ( 3 - 5 ) 综台考虑以上条件，本数控系统选用的是松f m s m d 0 4 2 p 1 u 伺服电机以及松下m i n a s a 4 系列a c 伺服驱动器。驱动器的型号是：m a d d t l 2 0 5 如图3 2 所示： 凹3 - 2 伺服电机和伺服驱动器 3l4 电火花成形加工脉冲电源瘦数控系统软件开发环境介绍 在电火花成形机床系统中，由于加工的特殊性，数控系统除了控制机床各轴运动以外， 还必须有一个脉冲电源，为t 具电极和工件之间提供合适的脉冲电流和电压，将工频交流 电转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极间隙放电所需要的能量来蚀除金属。电火 花加工机床脉冲电源对电火花加工的生产窄、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和 工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。在电火花加工的过程中，数控系统需要控制 脉冲电源参数如峰值电流、空载电压、脉宽、脉问等。 浙江工业大学硕士学位论文 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( 又称等能量脉冲电源) 等。近年来，无阻脉冲电源的研究成为电火花加工电源发展 的方向，在满足加工的条件下，由于减少了电阻损耗，将大大提高电能的利用率。 电火花成形加工用脉冲电源与电火花线切割加工用脉冲电源的原理是一样的，只是由 于加工条件和加工要求不同，对其又有特殊要求。电火花成形加工对加工精度、表面粗糙 度等工艺指标有较高的要求。为了满足电火花成形加工条件和工艺指标的需要，对电火花 成形脉冲电源提出如下要求： ( 1 ) 脉冲峰值电流要适当并便于调整。在实际加工中，由于受加工粗糙度的限制，放 电峰值电流不能太大。与此相反，放电峰值电流又不能太小，否则加工将不易稳定或者根 本无法加工。因此，电火花成形加工的放电峰值电流的变化范围不宜太大。 ( 2 ) 脉冲宽度要窄。在成形加工中，欲获得较高的加工精度和好的表面粗糙度，就要 控制单个脉冲的能量，使工件上的放电凹坑大小适当。脉冲宽度越窄，放电产生的热量被 局限在工件和电极丝间很小的范围内，工件表面上形成的放电凹坑就越小，可以获得较高 的精度和好的表面粗糙度。 ( 3 ) 有利于减少电极的损耗。在电火花成形加工中，电极的损耗会直接影响加工精度； 因此脉冲电源应具有电极低损耗的性能，以便保证一定的加工精度和维持长时间的稳定加 工。 ( 4 ) 脉冲前后沿要陡。加工中如果脉冲前沿不陡，则气化爆炸力不强，使金属蚀除量 少，同时单个脉冲放电能量也会有差别，造成加工表面粗糙度不均匀。 ( 5 ) 脉冲参数在较宽范围内可调。精加工时要求脉冲宽度窄、单个脉冲能量小，而粗、 中加工时，则要求脉冲宽度大、单个脉冲能量和电流幅值大，在加工大厚度工件时还要求 脉冲间隔大一些。因此，为了有一定的适应性，脉冲参数应在一定的范围内方便调节。除 此之外，还要求电源稳定可靠，易于制造和维修等。 对于电火花成形机床数控系统软件开发环境的选择，传统基于p c 的c n c 系统大多是在 d o s 平台上开发的，这些系统都充分利用了d o s 各方面的性能，甚至进行了必要的扩展。 但是由于d o s 系统本身的缺憾：它是单任务系统，对网络的支持比较有限，人机交互开发 复杂，这导致基于d o s 的数控系统的开发和维护都比较困难。相对来说，作为目前p c 机的 主流系统，w i n d o w s 系列操作系统优点明显，为快速开发开放式数控系统提供了很大的方 便，同时w i n d o w s 环境下的数控软件因为形象直观，操作简便而在市场竞争中占有优势。 浙江工业太学硕士学位论文 采用运行w i n d o w s 系统的微型计算机作为数控系统开发平台，是目前数控技术和产业发展 的方向和趋势。 为了提高电火花成形加工数控系统系统软件的开发效率，本文选用w i n d o w s x p 操作 系统为上位机操作系统以l a b w i n d o w s c v i 为，r 发工具开发上位机数控系统软件程序。 3 2电火花成形机床实验平台的搭建 电火花成形加工数控实验平台的搭建分为机械结构部分和控制部分，根据数控系统的 总体设计以及系统的硬件结构图。本课题电火花成形机床实验平台如图3 - 3 所示： 图：3 - 3 实验平台实物目 3 3 小结 本章详细阐述了电火花成形加工数控系统硬件的构成，介绍了固高公司生产的 g t _ 4 0 0s v 运动控制卡的特点，根据课题的具体情况选择合适的伺服控制器及伺服电机。 按照数控系统总体设计的方案以及硬件结构图完成实验平台的措建，为后续的数控系统软 件编程与调试奠定基础。 浙江工业大学硕士学位论文 第4 章电火花成形机床数控系统软件设计 4 1 数控系统软件总体设计 为了建立一个具有开放式特征的电火花成形加工数控系统，必须对c n c 系统的功能进 行了全面细致的分析。在此基础上，按照开放式体系结构对模块化的要求，将c n c 系统中 一些功能独立、内聚力强、相互耦合较松散的功能模块抽象出来，找出其中的基本功能模 块。然后再对基本功能模块进行细化，找出其中包含的功能相对独立的子模块，并将各子 功能模块和无法细分的功能模块作为整个系统的功能单元【2 6 】。找出系统功能单元后再对其 属性和方法进行抽象。属性是该功能单元所要处理的信息量，方法是该功能单元处理这些 信息量的行为。抽象出属性和方法之后，利用面向对象技术对各个功能单元进行封装以形 成类。然后，根据具体开发要求，选择所需的类，并实例化出对象，按照对象间的关系模 型，建立具体的数控系统。如果在以后的应用中，用户还有新的应用需求，可以构造出新 的功能单元，并将新类添加到原有系统的对象间的关系模型中，从而便捷地建立起新的应 用系统，实现了系统软件的可重构性。图4 - 1 所示的是进行数控系统软件设计原理图。 图4 1数控系统软件设计原理图 浙江工业大学硕士学位论文 由对操作系统的结构和功能分析可知，在数控系统的运行过程中，总是在不断的进行 任务的切换和调度。数控系统的一种功能的实现往往被划分成几个任务的运行，因此为了 更好的对数控系统中的任务进行划分，应该对应用程序与任务的关系进行很好的理解2 7 1 。 图4 2 所示为一般数控系统中任务分解。 图4 2 数控系统基本控制软件组成图 在上面的结构模型中，运动控制卡实现实时速度控制及外部接口部件控制，完成电机 的位置和速度的实时控制、刀具补偿、插补运算、曲线轨迹计算、螺距补偿等工作，同时 具有逻辑控制功能。而p c 机则实现后台管理及人机界面接口，管理非实时、数控系统支撑 级的任务，如通讯控制、图形显示动态仿真等。p c 与运动控制卡间通过开放、可靠的通讯 来协调整个系统，这种结构能够实现人机界面的开放化和个性化。在此基础上，借助于开 放式运动控制卡所提供的可编程能力，能部分实现系统核心接口的开放。这种基于通用p c 和开放式运动控制卡结构的电火花成形加工数控系统，既保持传统数控系统的结构和功能 划分，使得数控系统向下兼容，同时可增加扩展模块加强各功能模块的集成化和可重组性， 扩展用户自定义功能【2 8 】。 4 1 1 数控系统软件结构形式 对系统进行功能分析，是设计开发每一个数控系统所必需的，但在针对具体的应用系 统开发要求建立类库和对象间的关系模型时，不同的系统会有不同的应用需求和特殊情 况，应根据具体的情况进行不同的处理。 数控系统是一个多任务的实时控制系统，即能对多个信息进行快速处理和响应。在数 控系统中，数控功能由多个功能模块的执行来实现。在许多情况下，某些功能模块必须同 时进行，这由具体的加工控制要求特点所决定的【2 9 1 。图4 3 显示了数控系统中各任务之间 的并行处理关系。 浙江工业大学硕士学位论文 图4 3 数控系统多任务并行处理关系图 数控系统能在同一时刻或者同一时间间隔内完成两种以上性质相同或者不相同的工 作。为此，在数控系统的软件设计中，常采用资源分时共享并行处理和资源重叠流水并行 处理两种技术。资源分时共享并行处理适用于单微处理机系统，主要采用对c p u 的分时共 享来解决多任务的并行处理，关键在于如何分配占用c p u 的时间，一般采用循环轮流与中 断优先相结合的方法来解决各任务对c p u 的合理占用。资源重叠流水并行处理是指在一段 时间间隔内处理两个或者多个任务，即时间重叠。不同的软件结构，对各任务的安排方式 也不同，管理方式也不尽相同。常见的数控软件结构形式有中断型结构和前后台型软件结 构。 ( 1 ) 中断型软件结构 中断型结构的系统软件除初始化程序外，将数控系统的各种功能模块分别安排在不同 级别的中断服务程序中，没有前后台程序之分。但是中断程序的优先级别有所不同，级别 高的中断程序可以打断级别低的终端程序3 0 1 。各个中断服务程序的优先级别与所执行任务 的重要程度密切相关。系统软件本身就是一个大的多重中断系统，通过各级中断服务程序 之间的通信来进行管理，通过设置标志来实现各任务之间的同步与通信。并行处理中的信 息交换，主要通过设立各种缓冲存储区来实现，各缓冲存储区的数据更新和变换是靠同步 信号指针来实现同步的。 ( 2 ) 前后台型软件结构 在这种软件结构中，前台程序是一个实时中断服务程序，承担了几乎全部的实时功能， 实现与机床运动直接相关的功能。如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等。后台程序 是一个循环执行程序，一些实时性不高的功能，如译码、数据处理等插补准备工作和管理 程序等均由后台程序承担，因此又称为背景程序。在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输入，两者密切配合，共同完成零件的加工任务。当主程序启动时， 3 0 浙江工业大学硕士学位论文 经过一段初始化程序后便进入背景程序循环。同时开放定时中断，每隔一定时间间隔发生 一次中断，执行一次实时中断服务程序，执行完毕后返回背景程序，如此循环往复，共同 完成数控系统的全部功能。 本电火花成形机床数控软件系统是在w i n d o w s 操作系统下构建的，用户不可以直接修 改中断向量，其中断实现比较困难，所以本数控系统将采用前后台型软件结构。前台程序 是一个实时性中断程序，实现插补、与控制设备通信以及机床相关逻辑等实时性强的任务， 这部分任务由运动控制卡来实现。后台程序则实现宏观的管理和非实时性或者实时性较差 的任务，是一个循环程序，即背景程序。而这部分任务是由通用p c 的c p u 来完成。整个数 控软件以w i n d o w s x p 为操作平台，以l a b w i n d o w s c v i 为编程语言工具，采用面向对象和 模块化编程技术，将各功能模块封装成不同的类。设计了用户界面，利用动态链接库实现 对g t 4 0 0 s v 运动控制卡的直接控制。 4 2电火花成形机床数控系统工作过程 对电火花成形机床系统的工作过程的了解有助于对整个数控系统的全面了解。数控系 统基本工作过程一般可以分为以下几个方面： ( 1 ) 用户配置过程。首先，启动用户界面。在此环境下，一方面用户可以进行数控代 码的编辑、数控文件的管理和加工过程的运行控制；另一方面，用户还可以修改系统的配 置，选择系统的硬件类型( 如机床或控制装置的类型) ，选择功能模块，如插补、翻译和 启动程序模块等，以便完成满足用户需求的特定c n c 配置。 ( 2 ) 系统内核启动和配置。通过用户界面上的控制按钮，用户可以启动系统内核，为 即将开始的数控加工做好准备。当系统内核启动时，便按照用户的配置将适当的软、硬件 模块集成一体，以备完成系统的各种功能，并开始接受用户的操作命令。 ( 3 ) 系统加工过程。加工时，用户通过界面发出控制命令( 如编译、运行等) 给系统 内核，由内核识别命令的类型并运行相应的模块，控制机床的加工；同时，系统的一些状 态信息( 如电极位置、命令的执行情况等) 也会通过系统内部回送给用户界面，用于状态 检测和运行状态的显示等。 3 l 浙江工业大学硕士学位论文 图4 - 4 数控系统控制流程图 图4 4 是电火花成形机床数控系统的控制流程图。加工程序代码经过译码后，传送至 运动控制卡后转化为控制卡可以识别的数据流，运动控制卡通过控制函数的调用来实现控 制伺服电机的运动。 4 3电火花成形加工数控系统软件功能模块设计 基于上文对电火花成形机床数控系统的功能模块分析，本课题开发的电火花成形机 床数控系统软件的功能模块结构图如图4 5 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 图4 5 数控系统软件总体结构图 4 3 1 数控系统人机界面设计 数控系统的用户界面是人机交互的重要接口通道，对于基于p c 数控加工程序而言， 数控系统的好坏首先体现在人机交互界面上，通常所说的人机界面至少要具备以下几方面 的特点。 用户界面的可使用性：这是用户界面设计最重要也是最基本的目标。 ( 1 ) 使用简单性：用户界面应能够方便地处理各种经常进行的交互对话，力求操作简便； ( 2 ) 使用的术语应标准化：在输入输出说明里，同一术语的含义应完全一致； ( 3 ) 快速的系统响应：数控系统软件要求有较高的实时性，尤其在运动控制时，当用户 要求机床立刻停止加工时，数控系统必须能够迅速做出响应。 用户界面的复杂性：用户界面的规模和组织的复杂程度就是界面的复杂性。在完成预 定功能的前提下，应当使用户界面越简单越好。但这并不是说把数控系统所有必须的功能 3 3 浙江工业大学硕士学位论文 和界面都简单的罗列起来，而应该在力求简单的同时，做到条理清晰、结构分明、任务明 确，另外还要保证界面与界面之间的连贯性。 用户界面的可靠性：用户界面的可靠性指的是无故障使用的时间。用户界面的可靠性 应能保证用户能正确、可靠的使用系统，保证有关程序和数据的安全性。界面是人机交互 的重要部分，可以显示加工程序、坐标位置、故障信息、人机对话菜单、加工条件、伺服 电压、加工效率、工作液状况等。通过分析，系统将采用以下方式实现各种功能，设计主 加工界面，由于信息量大，因此将界面按功能切分为几部分。所有的操作都以此为背景， 在该界面中显示坐标、加工参数、加工代码、提示信息以进行加工控制；设置菜单以满足 文件等的操作需要，并且设置下拉菜单项，活动选项可以通过亮色区分，一些工艺参数的 设置等通过弹出对话框来实现。 本课题研究的电火花成形机床数控系统的主加工界面如下图4 - 6 所示。界面主要包含 机床坐标的实时显示；脉冲电源工作状态的监测；数控代码显示区；工件的加工进程；工 作台的点动操作。以及数控代码文件的操作区；电解液开关的控制。 系统状态字符结构定义： # d e f i n es t a t u s l o g i n _ s t r “请设置工艺参数 # d e f i n es t a t u s l o g o u t _ s t r “请登陆系统” # d e f i n es t a t u