【《电火花加工控制系统硬件平台的设计与实验分析》9000字】

电火花加工控制系统硬件平台的设计与实验分析目录TOC\o"1-3"\h\u26653电火花加工控制系统硬件平台的设计与实验分析 1214711.1FPGA开发流程 294291.2硬件电路的实现 218411.2.1硬件电路实现方案 4272871.2.2硬件电路的干扰抑制设计与保护 10169991.3加工系统软件开发 1142541.4自适应控制算法的加工实验 19209821.1.1加工平台介绍与参数设置 19171921.1.2电火花打孔加工实验 22256821.1.3实验结果分析 25随着芯片技术的飞速发展，高性能，低功耗芯片的制作成本在不断降低的同时，处理速度还在飞速提升，使得数控系统也从软硬件定制逐渐向着开放式、柔性化、可剪裁的方向发展，但是由于电火花加工的特殊性和控制系统的复杂性，一般的数控软硬件很难满足加工的要求，所以必须建立适合电火花加工特性的数控硬件平台，在此平台上开发控制软件模块。图4-1电火花机床数控架构图完整的数控加工系统采用上下位机的架构形式，如图4-1所示，本章着重介绍了基于FPGA的加工控制系统中各模块的设计思路与方案，在此基础上，开发出了能实现加工放电控制的硬件平台，并利用VerilogHDL完成了系统软件的编写，最后通过仿真验证了加工系统具有了完整的逻辑功能。1.1FPGA开发流程在FPGA设计中，通过对需要设计的系统进行分离、细化，主要分为软件设计和硬件设计两部分，通过功能定义在设计前对系统需要实现功能模块进行划分，根据实际的要求对设计的原理、资源、结构、数据处理方式等进行均衡[59]，采用顶层设计的分析路线和设计方法，以逻辑单元为基础，对系统进行建模，然后通过VerilogHDL语言对各个模块进行程序编写与实现。每个小模块的设计完成后再组合在一起进行调试，验证系统功能。如图4-2所示为FPGA设计流程图，首先根据系统的需求创建好设计规范，在创建好设计规范后分为两部分，一个是硬件设计一个是软件设计，在两个设计都完成后再进行软硬件协同设计。图4-2开发流程图1.2硬件电路的实现电火花加工放电控制系统主要起到与上位机建立通讯，生成并控制加工波形，检测极间的电压电流值，控制伺服系统，以及储存加工算法的作用。电火花加工时对控制系统的要求极高，不仅要求控制系统能够实现的检测到极间状态，还要求控制系统能够根据上位机的设置及时的对极间状态做出合理的反应，特别是应用了自适应算法之后，会使得整个控制系统的计算量骤然增大，并且基于电火花加工的特点，对整个控制系统的采集数据能力、与上位机通讯的能力、抗干扰的能力都要求很高，所以设计合理的软硬件电路是实现电火花加工的关键一步。F（Field）P（Programmable）G（Gate）A（Array）是作为ASIC（专用集成电路）产品中的一种半定制化电路出现，其底层基础是在PAL（可编辑阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件。它即能避免定制化电路的种种缺陷，也克服了可编程器件门电路电路数量少的缺点[60]，还具备了并行运行得特点，计算速度也是一般电路器件不可比拟的。FPGA的结构主要包含以下七部分：①嵌入式块，②可配置逻辑块，③内嵌专用硬核，④底层内嵌功能单元，⑤布线资源，⑥数字时钟管理模块，⑦RAM可编程输入输出单元。目前主流的FPGA芯片主要由Xilink和Altera（已归属因特尔公司）两家公司生产。根据本研究的要求和实际情况，最终选择使用（Altera）Cyclone-Ⅲ系列EP3C16Q240C8N核心处理芯片（芯片具体性能见表4-1），既可满足课题以及电火花机床的要求还将成本控制到最低。表4-1芯片性能参数参数名称性能参数嵌入式储存器540kb18*18式乘法器56个逻辑元件数量(LE)15408配置模式AS、AP、PSJTAG、FPP逻辑数组块963LAB输入输出端数量160I/O最大工作频率315MHz工作电压1.15V-1.25V差模通道140个1.2.1硬件电路实现方案图4-3程序下载电路原理图FPGA芯片虽然品种不同，但程序烧录方式几乎都一样：使用专门的EPROM对FPGA进行配置，目前主流的方式是以下三种方式：1.PS模式：无源串行的程序配置方式。本方法连线最简单，而且与ConfigurationEPROM方式可以兼容，与并行配置相比，误操作的几率小，可靠性高，掉电后数据会消失。2.AS模式：上位机通过JTAG口向EP3C16Q240C8N下载程序，程序通过flashloader被下载到RAM存储器中，之后RAM中的程序还会被发送到flash中，即使电路板重启，程序还是不会消失。JTAG模式：下载器会将程序直接下载进芯片中的SRAM上，每次重启电路板需要重新下载程序。本课题采用的是AS和JTAG来实现程序的烧录和在线调试。本课题中的程序储存电路使用与Cyclone-Ⅲ相匹配的串行配置芯片——EPCS16S116N来实现对程序的固化，电路板每次连通电源时Cyclone-Ⅲ芯片会主动从EPCS16芯片中读取程序。图4-4电源电路原理图如图4-4，图中TA_P1为外部的电源接口。U12、U14、U15为低压稳压电路，通过与外围电容、电阻的配合，可以将电源端口输入的5V电压分别转化为2.5V和3.3V。本课题将模拟和数字电路的供电系统分隔开，使用了两套供电电路分别供电，当其中一套系统出现问题时不会影响到另一套电路。模拟电路使用的是±15V和+5V电源，数字电路部分使用的是+5V供电，其余各个模块电压等级如下表所示：表4-2供电电压等级表模块供电电压(V)FPGA芯片内核1.2PLL数字电路1.2PLL模拟电路2.5IO接口3.3(a)(b)图4-5电平转换电路原理图图4-5所示为电路板的双向电平转换电路。电平转换芯片采用的是TXS0108负责将其他器件输出的+5V电压转换为+3.3V，与EP3C16Q245C8N端口的+3.3V电压相匹配，保证在数据传输过程中的安全性和稳定性。本课题使用4个电平转换电路来实现电路中的电平转换功能。图4-6AD采样电路原理图如图4-6所示，课题中使用的AD7656芯片是16位同步采样双极ADC转换器，拥有6路双极性、低功耗、逐步逼近ADC，具有250KSPS通过率特性，拥有16位转换精度，可以很好的实现对加工过程中电压、电流的采样，并且为以后的控制算法升级留下了余地。图4-7串口通信模块电路原理图由于上位机与控制系统属于短距离通讯，而且对于数据收发的频率都没有很高的要求，Uart通讯方式完全可以满足课题要求。MAX488限摆率、无源收发器，可以实行RS422、RS485通讯标准，此芯片采用的是差分方式传输数据，在数据传输过程中可以避免其他元器件产生的电磁波对本芯片中信号造成的干扰。图4-8隔离电路原理图本课题中的隔离电路如上图所示，使用HCPL-2631光电耦合芯片和TLP521-4将模拟电路与数字电路隔离开，减少两者之间的信号干扰，提高在数据传输过程中的可靠性和准确性。图4-9差模电路原理图差模信号是将两个不同的量之间的区别用一个值来表示的信号，在数据传输中经常使用差模信号来屏蔽外界的干扰，本电路板与上位机通讯以及与主功率回路的通讯都使用的是差模信号。差模电路原理图如图4-9所示，U7与U42芯片负责单端信号与差模信号之间的转换。图4-10伺服电路原理图在伺服控制电路中需要通过定时器来设定伺服过程中加工电极的抬落频率，伺服控制电路硬件图如图4-10所示。周期抬刀电路采用NE555定时器来设定单个电极抬刀和落刀的时间，这个时间可以通过电容和电位器的配合进行调整，本课题将一个周期的时间设定为20ms。在上位机设定电极抬刀时间UP和电极落刀时间DN，UP×20ms和DN×20ms加在一起构成完整的抬刀周期，即通过FPGA计算两个定时器设定的周期数来决定电极的落刀时间和抬刀时间。异常放电检测电路，使用LM311电压比较器来构成电压比较电路，再根据不同的加工状态（短路、过度放电和空载三种情况）来设定不同的加工阈值。由于电压比较芯片只能识别模拟信号，所以需要使用AD558芯片将设定好的加工电压阈值转变为模拟信号，再由其进行比较。这样可以使阈值电压能够在上位机中随时调节，即提升了加工的效果，也为以后的控制算法升级留出了空间。特殊放电处理：等能量脉冲放电电路。所谓等能量脉冲（简称等脉冲）是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。对于矩形波脉冲电流来说，由于每次放电过程的电流幅值基本相同，因而所谓等能量脉冲电源，也即意味着每个脉冲放电电流持续时间相等。因为放电间隙物理状态总是不断变化的，每个脉冲的击穿延时有长有短，随机性很大，各不相同，结果使实际放电的脉冲电流宽度发生变化，影响单个脉冲能量的放电凹坑大小不等，因而也就影响加工表面粗糙度微观上不均匀。等脉冲电源能自动保持脉冲电流宽度相等，用相同的脉冲能量进行加工，从而可以在保证一定表面粗糙度的情况下，进一步提高加工速度。图4-11等脉冲能量放电示意图获得等脉冲电流宽度的方法，是在间隙加上直流电压后，利用火花击穿信号（击穿后电压突然降低）来控制脉冲电源中的一个单稳态电路（本课题中使用74LS123D芯片来实现），令它开始延时，并以此作为脉冲电流的起始时间，再经单稳态电路延时之后，发出信号关断导通着的功放管，使它中断脉冲输出，切断火花通道，从而完成一次脉冲放电。同时触发另一个单稳态电路，使其经过一定的延时（即设定的脉冲间隔），发出下一个信号，使功放管再导通，开始第二个脉冲周期，这样所获得的极间放电电压和电流波形如图4-11所示，每次的脉冲电流宽度都相等，而电压脉宽则不一定相等。图4-12实际加工中的等能量放电电压波形1.2.2硬件电路的干扰抑制设计与保护由于上位机和下位机的电路十分复杂，在加工过程中也存在各式各样电磁干扰，会影响到加工过程的稳定性与安全性，本课题采用以下五种措施来抑制加工过程中的干扰：1.控制系统的电路板采用四层的结构：信号层-电源层-地线-信号层。这种四层式的结构在使用过程中对电路板的信号质量有很大的提升，中间两层对于信号层来说都是同一个电气平面，能起到非常好的电气隔离效果，是最常用的结构；2.在每个芯片的电源引脚都配置一个去偶电容，且距离越近越好；3.电路板与上位机、主电路等通过高速光电隔离器连接，实现电气隔离；1.输入输出接口全部使用以屏蔽双绞数据电缆传输的差分信号驱动连接。5.加宽电源线路，将数字地和模拟地用光耦芯片分隔开。图4-13硬件电路PCB图1.3加工系统软件开发图4-14加工控制系统模块图模块化是FPGA的基本设计思路。如图4-14，整个加工控制系统由通讯模块、AD采样模块、加工指令处理模块、放电时间控制模块、伺服模块、参数设定模块、异常放电处理模块、数据发送模块、周期抬刀模块构成，九大模块相互配合实现以下三种功能：1.接受并解码上位机发出的数控信号；2.采集极间电压、电流信号；3.放电脉冲信号的控制以及发送。1.Uart通讯模块：本文中的Uart串口通讯模块可以实现接收上位机发送的指令信号，并将接收到的指令信号发送到指令处理模块，当指令处理模块解码完成之后需要向上位机发送解码完成信号，这就要求Uart模块同时具有接收和发送的功能。完整的一帧指令数据包含一个数据位作为开始接收位、一个数据位是数据终止位，中间的八位数据是需要进行传输的数据。波特率设置为2400bps。通讯模块程序示意图如下所示：图4-15通讯模块程序示意图如图4-15，Uart串口完成一次程序的发送需要三个模块的配合，①FIFO模块：由于上位机只能接收串行数据，该模块会将发送到上位机的数据格式由并行转成串行，并按照发送顺序调整好。②波特率产生模块，将波特率设置为2400bps，即可满足本课题的需求。由于选用的晶振频率为50Mhz，会有比较快的时钟速度，需要对时钟进行分频。首先，为了避免滑码、误码等问题，串口通信所需的时钟信号计划为波特率的16倍，这样每位数据传输时都能够以16个时钟采样，计算分频系数：50MHz/(16*2400)=1302.08≈1302。③串口发送控制模块，当芯片没有与上位机进行数据传输时，使线路保持高电平；当模块获得发送指令时将高电平转变为低电平，维持一位数据的时间时16个时钟周期，然后将数据按照从低到高位的顺序传输，发送完八位数据后，再将线路转变为高电平，一帧数据的发送结束。发送模块的原理与接收模块基本相同。Uart程序仿真波形如下：图4-16Uart模块仿真波形(发送信号)从上图中可以看出tx线路电平信号的变化，这代表FPGA正在发送数据，证明了Uart模块可以实现发送功能。图4-17Uart模块仿真波形(接收信号)如图4-17，当Uart模块接收程序时，RX线路模拟的是上位机发送的数据，从DATAE中可以看出最后接收到的数据与发送的数据相同，仿真验证了本模块程序编写无误。2.数据处理模块该模块主要负责处理、分配数据的功能，该模块通过通讯模块，收到上位机发送过来的数据，再根据数据不同的含义传输到相对应的功能模块。3.加工波形设定模块和放电时间控制模块两个模块共同工作起到对脉冲参数在线设置的作用。首先需要把脉宽ON、脉间OFF等放电加工参数做成表格，以ROM表的形式作为数据库写入FPGA芯片中，在上位机发送加工参数后，通过FPGA内部查表的方式，从ROM表中提取出准确的数据，控制卡就可以依据查到的数据准确发出放电波形。放电脉宽和脉间的上位机代码与实际时间对比关系见表4-3。表4-3脉冲幅度设定表ON（脉宽）OFF（脉宽）上位机程序代码时长(μs)精加工代码时长(μs)上位机程序代码时长(μs)00110020020121013013622250129206222563250013030632500其次，在需要调整脉冲参数时，不能干扰到正常加工的进行；在参数不需要被调整的时候，则要保证参数不变，不会受到来自端口的状态的影响。本课题选用SN74ALS573锁存器来实现这一功能，只有在锁存信号触发时才会进行数据传输，保证了调整脉冲参数时的稳定性和可靠性。图4-18放电脉冲波形的仿真如图4-18所示，通过模拟数控系统发送的放电控制信号。控制芯片将根据接收到的脉间、脉宽、脉间的放大倍数以及加工电流的大小值等参数综合计算，最后得到正确的放电脉冲波形，并根据放电脉冲波形控制晶闸管的开关实现对电极放电的控制。1.极间电压、电流采样模块此模块主要负责对加工过程中的电压、电流进行采样。通过在FPGA芯片中编写程序来控制AD7656的CONVSTA/B/C端口来控制采样通道的开通与关断。采样通道控制图如图4-19所示。图4-19AD芯片采样通道控制图当CONVSTA/B/C电平信号被拉高时，AD芯片将进入到模数转换模式，在转换期间BUSY信号将一直处于上升沿状态，表示正在进行转换，转换时间大概会持续2μs左右。转换完成后，BUSY信号被拉低，主控芯片将从AD芯片提取转换完成的数据。由于只需要一块AD芯片就能满足本课题的需要，所以将CS信号直接与模拟地相连，强制置于低电平信号。而RD信号处于低电平时输出转换结果。这样设定可以从AD芯片输出端中并行提取转换完成的数据，完成采样。5.伺服模块在电火花机床进行加工时，极间容易出现电离屑等杂质，需要一定的脉冲间隔用来中断电离，排除极间的杂质。但是只依靠放电脉冲间隔是远远不够的，还需要对电极进行伺服控制，加快消电离速度，电极伺服运动如图4-20所示。伺服进给(b)伺服回退图4-20电极的伺服运动示意图在上位机设定好伺服电压值之后，FPGA芯片将AD7656采集到的极间电压值与之相比较，并将比较结果反馈给上位机的伺服系统，再由上位机控制伺服电机依据结果做出反应，这样不仅大大加快了加工速度也使加工效果得到了保证。图4-21伺服控制流程图图4-22极间电压电流采样模块和伺服控制模块的联合仿真如图4-22所示，ad_cs片选信号和adrest复位信号在正常工作状态下会保持低电平，CONVST转换信号（即TR端口）以500μs为周期在低电平与高电平之间转换，每当ad_busy信号被拉低时代表着一次模数转换已经完成，与此同时ad_rd信号会从高电平变成低电平，FPGA芯片开始读取采样数据。仿真中VIN信号模拟的是AD7656芯片采集到的加工过程中的电压值，SV信号是模拟的上位机伺服控制信号，SIG信号是FPGA反馈给上位机的伺服控制信号。如图4-22所示，当采集到的极间电压信号发生变化时，反馈给上位机的伺服信号也会随之改变，验证了本模块程序的准确性。6.周期抬刀模块在正常加工状态下，加工系统一般都通过伺服系统来消除极间的加工碎屑，当遇到极间排屑不佳等状况导致了极间出现非正常的状态(短路、拉弧等)，一般会设定周期抬刀模块来加快消电离和排除加工碎屑。在本课题中，周期抬刀的参数UP(抬刀时间)和DN(落刀时间)由上位机设定，通过串口通讯模块发送到数据处理模块，数据处理模块将UP和DN代表的数值分配给周期抬刀模块，UP和DN构成一个完成的抬刀周期，电极在UP时段停止放电加工，在DN时段继续放电。下图为加工控制系统程序的总体RTL视图，将各个功能模块连接之后，即可实现对放电脉冲的控制。图4-23RTL总体视图图4-24正在工作的加工控制系统图4-24所示为加工放电控制系统的电路板实物，充分考虑控制电路与数控系统及放电功率板接口兼容性问题。放电控制系统接受数控系统发出的放电控制指令，且按照这一系列指令进行正确放电及伺服加工，同时判断加工电极穿透加工工件的发生时刻。硬件电路发出与接收信号均使用差分信号进行传输，提高了系统可靠性。1.4自适应控制算法的加工实验在电火花加工过程中，随着加工的深入，由于加工碎屑不能被及时消解，极间状态会越来越不稳定，短路、放电不充分等现象都有可能影响加工效果，降低加工效率。为了解决这些为问题需要对本课题中提出的控制器进行电火花加工实验。在本章中将利用上一章中建立的自校正控制器进行打孔加工实验，来展现自适应算法在电火花成型机床上应用的效果。1.1.1加工平台介绍与参数设置（1）实验机床：电火花加工实验所使用的的电火花加工机床为北京市电加工研究所开发的特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床（如图4-25所示，机床性能指标如表4-4所示），本课题将基于FPGA的加工控制系统搭载到机床的数控系统中。该机床的用户操作界面基于Linux系统开发而成，操作界面较为简练，可以实时更改加工参数，支持多种加工方式。图4-25电火花成形机床表4-4机床性能表机械性能指标X轴行程≥500mmY轴行程≥400mmZ轴行程≥350mm定位精度≤5μm各轴最大移动速度≥1500mm/min装夹电极最大重量5kg加工性能指标脉冲电源最大加工电流100A最佳表面粗糙度≤0.1μm(模具钢)≤0.2μm(钛合金)最高加工效率≥1000mm3/min(模具钢)≥400mm3/min(钛合金)最小电极损耗≤0.1%实验材料与设置：电火花加工实验分别使用0.6mm、1.0mm、1.6mm直径的电极对不同厚度的工件进行打孔加工；加工电极采用在电火花加工中比较常见的黄铜电极，加工件材料选择碳素钢；内冲液选择纯净水，能够有效的提高放电率，使加工碎屑对加工的干扰降到最小；具体实验参数设置如下表所示：表4-5加工参数设定范围名称设定值伺服电压SV0V-130V脉间宽度倍率1倍-10倍脉间OFF2μs-250μs脉宽ON1μs-2500μs加工控制系统准确性验证：首先将设定好程序的加工控制系统电路板用RS232串口线与上位机连接，通过上位机设定脉宽脉间数据并采集脉宽脉间波形，验证加工控制系统设计的准确性。本课题设置了分别选取了脉宽20μs、脉间30μs，脉宽100μs、脉间100μs来验证加工放电控制系统硬件和软件设计的准确性，波形结果如图4-26所示。(a)脉宽20μs、脉间30μs(b)脉宽100μs、脉间100μs图4-26不同参数下的脉冲波形图实验准备：如图4-27所示为电火花机床结构示意图，主要由上位机、加工放电控制系统、伺服电机、脉冲电源、加工台构成。在实验开始之前将自适应控制程序通过quartus软件烧录到电路板中。每次实验时要将导向器固定在电极的同一位置，要保证每次加工高度的一致性和加工前电极的垂直性；打开水泵将加工液冲入到中空的加工电极中，最后清理工作台台面，尽可能的减少其他因素的影响。图4-27成型机床结构图1.1.2电火花打孔加工实验作为对比，首先使用机床自带的加工模式进行不同直径电极的打孔加工实验，试验参数的设置要与自适应控制算法实验的加工参数相同。本课题进行实验的主要目的是检验自适应控制器对加工稳定性和加工损耗的影响，所以加工计算时间只要求从电极接触工件开始放电，当加工件被打穿时停止计时。不同于电火花穿透检测实验，加工件是否完全穿透对本课题的试验结果不受小孔影响不大。而且为了加工结果尽量客观，尽量避免其他因素对本实验的干扰，相同直径的电极每次都在导向器的同一位置固定，目的是尽量减少电极抖动带来的误差影响。在实验开始时设定当前电极Z轴的机械定位，由于机床带有接触感知功能(即安装在Z轴上的加工电极触碰到加工件表面之后，数控系统会自动终止Z轴的移动并显示当前的坐标值)，在测定加工损耗时，先将机床设定到一个初始位置，记录下Z轴的坐标值。在机床开始加工后记录下接触感知时的Z轴坐标，加工结束后机床控制电极继续回退到Z轴的初始坐标即，然后再次控制Z轴进行接触感知，并记录下坐标值，由两次接触感知的坐标值可以推导出电极损耗的公式： (4-1)机床自带加工模式下分别使用0.6mm、1.0mm、1.6mm直径的电极加工不同厚度的碳素钢，最终的加工用时和电极损耗如表4-6所示。表4-6机床打孔加工效果（无控制器）电极直径/mm实验序号加工用时/s电极损耗/mm0.6110149211760312243499455151626824371115981074491395010105571.012807222346831816642036452757362476972948482135892878110261681.61360812309753334834293825404916313747388928379879410981037989将自适应控制器加入到系统程序中，然后分别用0.6mm、1.0mm、1.6mm进行打孔实验，每种规格的电极分别进行十次试验，如表4-7所示为每次加工的电极损耗程度与加工所用时长。表4-7机床打孔加工效果（自适应控制器）电极直径实验序号加工用时/s电极损耗/mm0.61804128140384364793657739675377853287638982361083401.011715421685331826141755351665561775871836081745791695910186621.61299722286743301714297705299726