浅谈单片机在快走丝电火花线切割机床上的应用

1、浅谈单片机在快走丝电火花线切割机床上的应用动力运行分厂 任显杰摘要: 本文在总结实践和参考大量文献的基础上提出了利用往复循环走丝方法, 以降低高速快走丝电火花线切割机床加工工件的表面粗糙度值; 并用单片机实现了相应的控制, 完成了控制线路电路板设计和制作, 利用控制电路对现有线割机床进行了改造。实践表明, 该控制系统电路输出控制信号稳定; 从实际效果上看, 可显著提高工件表面质量。关键词: 高速快走丝电火花线切割; 短循环; 单片机一、引言 目前我国生产和使用的绝大多数线切割机床为高速快走丝电火花线切割机床, 从快速走丝电火花线切割机床(简称线切割机床) 的加工实践中发现, 在电参数和运丝速度

2、不变的情况下, 缩短钼丝的长度, 使每一次循环时, 切割长度不超过钼丝的直径, 这样加工后工件表面不会出现竖直状条纹,加工精度和表面粗糙度明显变好。因此许多厂家相应地采取了很多方式对走丝过程进行循环控制, 如行程开关控制, 步进电机控制等, 但这些方法相应地增加了不少生产成本或设备改造成本。本文对机床的走丝方式进行了深入的研究, 为此提出了更经济更有效的高速快走丝线切割机床的短循环走丝控制方式。二、短循环换向控制方法 对于线切割机床的正常加工, 开机后贮丝筒先正转, 同时向B 点移动(向前), 当挡块压下行程开关B 时, 贮丝筒反转并向A 点移动(向后), 其运动是在两行程开关A、B 之间循环

3、的。如图1( a) 所示。在两行程开关A、B 之间, 增加一部分内循环,如图1( b) 所示: 开机后贮丝筒先正转并向前移动,运行一定距离后, 贮丝筒反转并向后移动。向前与向后移动的距离是不等的, 这样通过多次循环, 贮丝筒逐步移动到B 点。当挡块压下行程开关B 后,贮丝筒反转并采用同样的循环方式回到A 点, 为了方便, 我们把这一循环方式称为短循环。图1 短循环原理图三、短循环控制系统组成 线切割机床短循环换向控制系统的组成与现有线切割机床相类似, 其组成如图2 所示。换向控制系统的硬件部分, 主要包括AT89C2051 单片机、传感信号处理接口电路、输出接口、电路驱动模块等。在系统中, 开

4、机后前向通道将运丝电机换向信号和键盘开关信号等一系列信息, 经过整形与变换后输给单片机进行处理和判断, 贮丝筒先正转并向前移动, 运行一定时间后, 由单片机发出控制信号;后向通道将计算机发出的各种控制信号, 通过输出接口送到相应的驱动模块或控制电路中, 去控制相应的固定继电器组执行机构, 从而使走丝电机带动贮丝筒停止、反转并向后移动。短循环换向功能主要是利用软件来实现。图2 高速走丝线切割机床短循环走丝方式控制系统四、换向控制系统的软件设计 系统主程序主要内容有系统初始化, 检查各I/O状态, 如有异常, 执行报警操作, 并显示其错误代码,供操作者参考, 然后转入等待接受键盘命令状态。采用两个

5、外部中断, 在系统初始化时, 不对中断入口进行设置, 中断入口设置分别在正常加工程序和短循环加工程序进行。接受键盘命令后, 对其键值进行处理, 分析命令, 选择加工方法, 若命令无效, 转回等待接受键盘命令状态。由于正常加工和短循环加工是并联的选择项, 故本系统不会影响原有的正常加工功能。系统主程序工作流程如图3 所示。图3 系统主程序流程图4.1 短循环加工子程序结构 短循环加工程序流程图如图4 所示。在短循环加工子程序中, 系统进行INT1 中断入口设置, 再使电机正转, 贮丝筒向前( 向B) 移动。后继程序由两个选择项构成, 流程图的左侧部分完成贮丝筒向前( 如图4 中A 向B) 的短循

6、环运动, 右侧部分完成贮丝筒向后(B 向A) 的短循环运动。两种加工方法的选择是以行程开关是否压下为条件的: 一开始加工时, 先运行左侧部分短循环程序, 工作台带动贮丝筒由A 向B 运动; 当工作台运行到终止位时, 行程开关B 被压下, 进行一系列信号转换和控制后, 右侧部分短循环程序开始运行, 带动工作台带动贮丝筒由B 向A 运动, 同样的, 当工作台运行到A 点终止位时, 行程开关A 被压下, 进行一系列信号转换的控制后, 左侧部分短循环再一次开始运行, 周而复始, 从而实现线切割的循环加工。在加工的过程中, 根据常用的贮丝筒转动速度, 合理设置运行的时间t1、t2, 以控制贮丝筒每次移动

7、的距离, 向前移动, 使t1 大于t2, 用延时的长短来控制贮丝筒向前向后移动距离的不同, 实现短循环工作。图4 短循环程序流程图4.2 中断服务程序设计 在这一控制系统中, 主要用到INT0、INT1、T0、T1四个中断, 四个中断均设为高优先级中断。接到中断请求时都将中断当前操作而转入中断服务程序。短循环加工子程序所对应的INT1 中断服务程序与在正常加工子程序所对应的INT0 中断服务程序是相互独立的, 工作时不相干扰。两者的中断服务存在较大区别: 在正常加工控制中, 用外部中断INT0。在中断程序服务程序中, 首先判断是否急停: 是, 转急停处理, 否, 读换向开关状态, 将此态与原态

8、进行比较:相同, 表示应换向, 调换向子程序, 相反, 做越位处理。运丝电机的运行方向, 在初始化时已根据换向开关的状态进行了设置, 以后每发生一次换向, 都将保存本次开关状态, 供下次换向处理。在短循环控制中, 用外部中断INT1。在短循环工作时, 由于t1 延时大于t2 延时, 行程开关一定是在延时为t1 的子程序运行时被压下的, 行程开关压下时应进行中断服务, 即外部中断INT1 应能对延时t1 的延时/计数子程序进行中断。考虑到AT89C2051内部对中断优先级排定的顺序, 即从高到低为INT0、T0、INT1、T1, 应使T1 用于延时t1 为的延时/计数子程序中, 使T0 用于延时

9、为的延时/计数子程序中,从而达到了外部中断INT1 能对延时为t1 的延时/计数子程序进行中断的功能。 在短循环加工程序的INT1 中断服务程序中, 首先判断是否急停。是, 转急停处理; 否, 读换向开关状态, 将此态与原态进行比较; 相同, 表示贮丝筒已达到行程开关的位置, 则将定时/计数器赋值为t1,返回延时子程序; 相反, 作越位处理。同样, 运丝电机的运行方向在初始化已根据换向的状态进行了设置, 以后每发生一次换向, 都将保存本次开关状态, 供下次换向处理用。 在短循环工作运行延时t1 的延时/计数子程序的过程中, 当行程开关压下时, INT1 对延时/计数子程序中断, 中断服务程序T

10、1 将赋值为t1, 返回延时子程序后, 由于计数值溢出, 延时结束, 贮丝筒停止转动, 转入条件语句, 运行后继程序。4.3 换向子程序设计 换向子程序要根据线切割机床的工作过程来设计, 其工作过程是: 首先启动运丝电机, 再启动冷却泵, 最后打开高频电源; 关机时, 顺序正好相反。在整个工作过程中, 运丝电机始终处于正反转状态。在换向时, 应先关断高频电源再换向, 以防止换向瞬间速度为零时进烧断钼丝; 同时在贮丝筒换向前, 应有一个延时制动的缓冲过程, 以减少反转对运丝机构的冲击。运丝电机的换向控制主要完成上述的操作步骤, 进行换向控制, 其基本过程是: 进入子程序, 首先关断高频, 然后切

11、断电机电源, 发出能耗控制信号, 经过一段时间延时后, 取消能耗控制,发出反向运转信号, 然后接通高频, 从而完成了一次换向的控制。 各过程控制顺序如图5 所示:图5 各过程控制顺序4.4 系统抗干扰措施 由于系统工作在高频电源和继电器频繁动作的环境中, 不可避免地要受到这些干扰源的影响。因此, 抗干扰设计很重要, 必须采取相应的抗干扰措施, 才能保证系统的稳定工作。4.4.1 电源方面 通过采用隔离变压器以及在初、次级之间加屏蔽层以减少其分布电容的办法来提高抗共模干扰能力。用滤除高次谐波, 来改善电源波形, 采取这些措施后, 可提高供电质量和可靠性。4.4.2 通道方面 在系统的前、后向通道

12、接口中, 采用光电耦合器来传递输入信号, 从而能有效地抑制尖锋脉冲及各种噪声。4.4.3 系统布线干扰设计 系统在布线时采用将接口电路地线分开的办法, 分别接电源端地线, 并尽可能增大接地面积。同时, 在印刷板关键位置和较大或较重要的芯片旁接去耦电容器等措施来提高系统的抗干扰能力。 由于运丝机构的换向开关以及按键在开合时,都不可避免地要产生一些抖动, 从而在信号的前后沿产生“毛刺”波形, 采取以下办法来克服: 在开关处用RC 滤波电路来滤除抖动; 用软件延时重读的办法来消除抖动。 为了防止在失控时造成程序“跑飞”, 有可能进入非程序区的问题, 采用在非程序区设置软件陷阱的手段、强迫程序进入初始

13、入口状态。 采用这些措施后, 就可大大提高整机的抗干扰性能, 确保了使系统稳定工作。五、结论 本文通过理论探索以及实验论证, 可以得出以下主要结论: (1)单片机可对线切割机床的走丝方式进行行之有效的控制, 提高了机床加工的稳定性。 (2)用单片机实现高速快走丝电火花线切割短循环走丝方式的控制, 比行程开关实现短循环走丝方式控制更快捷、准确; 而比步进电机实现短循环走丝方式的控制又更经济可行。参考文献: 1 张学仁. 数控电火花线切割加工技术M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2002.19. 2 程新江. 高速走丝气中电火花线切割精加工机理研究D. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2004.2022. 3 李明奇, 李明辉. 高速走丝电火花线切割加工质量控制系统框架及其关键技术J