广东工业大学
硕士学位论文
高速走丝电火花线切割数控技术应用研究
姓名：罗智恒
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：郭钟宁
20040510
摘要
摘要
电火花线切割加工技术具有切削力小，容易加工复杂、精密和高硬度零件的特点，因而在模具制造、成型刀具加工、难加工材料及精密复杂零件的３ｕｑ－中占有重要的地位。高速走丝电火花线切割机床在我国的应用十分广泛，经过数十年的发展已经到达了比较成熟的水平，但是，目前高速走丝线切割机床的数控技术并不完善，而数控系统是机床的核心部分，其性能直接影响机床加工精度和稳定性，同时也决定了机床的使用范围和复杂零件的加工能力。随着开放式数控技术逐渐成为数控发展的主流，电火花线切割数控系统同样应该朝着开放式的方向发展，建立开放式的线切割数控系统有着十分重要的现实意义。
从这个角度出发，本文研究了高速走丝电火花线切割机床的数控系统，采用ＰＣ＋运动控制卡的模式，并设计和分析了该系统的软硬件结构。本文主要就数控系统中的三个部分进行了研究：首先，研究了数控系统的控制软件，包括根据３Ｂ代码生成相应的图形、数据处理、模拟仿真，与硬件设备通信及数控辅助功能等几个方面。其次，选择ＡＶＲ单片机作为运动控制卡核心并研究其相关的应用技术，主要包括扩展单片机外部数据存储器的方法，在不改变控制卡电路板的情况下实现几种ＲＡＭ芯片的互换；同时还就单片机驱动数控工作台、控制步进电机加减速的问题进行了研究。最后，研究了如何利用ＣＰＬＤ实现Ｐｃ与单片机之间通过ＩＳＡ总线进行数据传递，并设计出控制卡的电路，为整个数控系统提供了硬件基础，同时采取了一些抗干扰措施以提高系统的稳定性。
关键词：电火花线切割开放式结构数控系统ＡＶＲ单片机
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＴｈｅＷｉｒｅＥｌｅｃｔｒｉｃＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｃｈｉｎｉｎｇ（ＷＥＤＭ）ｓｈｏｗｓａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｍａｌｌ
ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ．ＳＯｉｔｉＳｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｐａｒｔｓｗｉｔｈｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅｓ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓ．Ｉｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｍｏｕｌｄｉｎｄｕｓｔｒｙ．ｔｏｏｌｉｎｄｕｓｔｒｙ．ａｎｄｓｐｅｃｉａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｆｉｅｌｄｅｔａ１．Ｗｉｒｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｉｓｃｈａｒｇｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｗｉｔｈｈｉｇｈｔｒａｖｅｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄ（ＷＥＤＭ—ＨＳ）ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓａｒｃｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎＣｈｉｎａ．Ｂｙｄｅｃａｄｅｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ，ｉｔｈａｓｒｅａｃｈｅｄａｍａｔｕｒｅｌｅｖｅｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅＮＣｐａｒｔ，ｗｈｉｃｈｉＳｔｈｅｃｏｒｅｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅＷＥＤＭ．ＨＳｎｅｅｄｓｔｏｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＮＣｗｉｌｌｄｉｒｅｃｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｉｔａｌｇＯｄｅｃｉｄｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｅｏｐｅｓａｎｄｍａｃｈｉｎｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｍｐｌｅｘｐａｒｔｓ，ｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄｏｎｉｔ．ＷｈｅｎｔｈｅＯｐｅｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒ０１ｉＳｂｅｃｏｍｉｎｇｔｈｅｆｕｔｕｒｅｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒＷＥＤＭｓｈｏｕｌｄｆｏｌｌｏｗｔｈｅｓｔｒｅａｍ．Ｓｏｉｔｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ａｎＯｐｅｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＷＥＤＭ．
ｓｉｇｉｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｂｕｉｌｄ
Ｆｒｏｍｔｈｉｓｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒＷＥＤＭ－ＨＳ．ＴｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｍｏｄｅｏｆＯＡＮＣｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉＳ“ＰＣｐｌｕｓＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＢｏａｒｄ”，ａｎｄｔｈｅｓｏｆｔａｎｄｈａｒｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｒｅｅｐａｒｔｓ：Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｄｒａｗｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｏｄｅ（３Ｂ），ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｏｔｈｅｒａｓｓｉｓｔａｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｅｔｃ．
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Ａｔｌａｓｔ，ｈｏｗｔｏｕｓｅＣＰＬＤｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＩＳＡｂｕｓ
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ｓｕｐｐｌｙａｈａｒｄｗａｒｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｔｏｔａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＷＥＤＭ，ｏｐｅｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＶＲ，ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
ＩＩ
第一章绪论
第一章绪论
１．１引言
电火花线切割加工技术ＷＥＤＭ（ＷｉｒｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｃｈｉｎｉｎｇ）自问世以来，得到了迅速的发展，逐步成为机械制造领域中的一个重要组成部分。高速走丝电火花线切割机床是通过线状工具电极，对工件进行脉冲性放电加工的。工作时脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝。电极丝由贮丝筒带动往复移动，通过控制工件的运动轨迹和速度，从而切割出符合技术要求的工件。由于其加工性能与被加工材料无关，而且在加工过程中无切削力，从而容易加工复杂、精密和高硬度的零件，特别是对薄壁、窄缝零件的加工更具有优势【１】。因此在模具制造、成型刀具加工、难加工材料及精密复杂零件的加工中占有重要的地位。
我国早在五十年代就开始对电火花线切割机床进行研究和应用。在低速走丝线切割机床诞生后不久，我国也自行研制出具有首创性的高速走丝线切割机床。数十年来，这种机床对我国的制造业发展做出了很大贡献。由于其价格低廉、性价比高，因而国内许多中小型企业和工厂的青睐，广泛应用于仪器仪表、家用电器、汽车和电机等行业，尤其在加工制造方面发挥了巨大作用。据统计，目前我国数控高速走丝线切割机床约有１０余万台，居世界第一位，２００２年国内线切割机床产量１．５万台，其中绝大部分是高速走丝的线切割机床【２】。
近年来，随着电子技术、计算机技术和控制技术的高速发展，电加工机床的数控技术也不断地取得了长足的进步。传统的ＣＮＣ技术由于通用性差、通讯能力弱以及不便于扩展功能等缺点，已逐渐不适应现代制造业发展的要求。因此，目前数控技术正在向通用型开放式实时动态全闭环控制的模式发展，开放式的数控系统已逐渐成为新一代数控系统的主流。尽管我国的高速走丝电火花线切割机床与慢速走丝机床相比，在结构、工艺和数控技术等方面仍有一定差距，但是仍非常适合于加工中等精度和表面粗糙度的零件或模具。因此提高线切割加工设备的性能对加快我国制造业的发展有着重要意义。
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１．２开放式数控系统及国内外现状
１．２．１开放式数控系统及其分类
数控系统从１９５２年发明至今，经过数十年的发展，数控技术已经产生了巨大
变革。计算机技术的发展扩大了数控技术的应用范围，如今数控技术正向着开放式的方向发展，基于ＰＣ的开放式数控系统也已经成为各国重点研究的对象。１９８７年，美国提出了下一代控制器计划ＮＧＣ（ＮｅｘｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ／ＭａｃｈｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）和开放式系统体系结构标准ＳＯＳＡＳ（ＳｔａｎｄｅｒｓｏｆＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｙｓｔｅｍ），首次提出了开放式体系结构的概念。ＩＥＥＥ也对开放式系统作出了规定：一个开放式系统必须具备不同应用程序能很好地运行于不同供应商提供的不同平台上的能力、不同应用程序之间能够相互操作的能力
和一致的用户操作风格。
１９９２年欧盟２２家公司提出了对于自动化系统的开放式体系结构ＯＳＡＣＡ
ＷｉｔｈｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）及其组成部分。（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌｓ
ＯＳＡＣＡ也对开放式控制系统作出了完全符合ＩＥＥＥ所规定的定义：一个开放式的控制系统，由一组逻辑的、离散的组件组成，直接定义了在组件之间以及组件和实现平台的接口，允许不同的供应商提供的不同组件，并且这些组件可协调地运行于不同平台上，同时还提供给用户其他与控制系统相一致的接口。ＯＳＡＣＡ把开放式系统分为两个部分：应用软件和系统平台，如图１—１所示［３】。
应用软件
ＡＰＩ
Ｔ
系统软件系统平台
系统硬件
图１－１开放式系统体系结构
Ｆｉｇ．１?１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｏｐｅｎｓｙｓｔｅｍ
开放式的数控系统具有以下优势：①具有强大的适应性和灵活配置能力，能
弟一覃鞲论
适应各种设备，可灵活配置，随意集成。②控制软件具有及时扩展和联接功能，可以顺应新技术的发展，加入各种新功能。③不仅能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更新换代，而且能有效保护用户原有投资。④操作简单，维护方便。
⑤遵循统一的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性，部件具有互换性和互操作性【４】。
开放式是数控系统发展的必然趋势，因此各国的数控研究所都将其列为重要的研究课题，致力于开发下一代的基于开放式体系结构的控制器ＯＭＡＣ（ＯｐｅｎＭｏｄｕｌａｒＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ），并同时对相应的控制器编程接口ＡＰＩ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ）进行了研究【５】。
经过多年的发展，开放式系统已逐步成为数控技术的主流，其具有相互操作性、可移植性和互换性等的特点己渐渐为各厂家所重视。目前，开放式系统可分为三类：
（１）专用ＣＮＣ＋ＰＣ型。专用数控系统是厂商为特定的生产需求而制造的，把ＰＣ嵌入到机床中，使其具有一定的开发性。但是这种机床的扩展性和兼容性都比较差，很难更新换代或进行二次开发。而且，这种模式的开放性只局限于上位机，即ＰＣ部分，其专业的数控部分仍不能实现真正的开放性。
（２）运动控制卡＋ＰＣ型。这是近年来出现得较多的一种提法，即以ＰＣ作为硬件平台，由运动控制卡完成各种数控功能，如插补、采样和伺服控制等。ＰＣ机处理各种非实时任务，实时任务由运动控制卡来完成。美国ＤＥＬＴＡＴＡＵ公司生产的ＰＭＡＣ多轴运动控制卡是目前最为出色的控制卡，该卡本身具有ＤＳＰ芯片，能够同时开放包括通信端口、结构在内的大部分地址空间，辅以通用的ＤＬＬ与Ｐｃ紧密结合。另外，美国ＳＷＡＩ赛维Ｍ２００，ＡＢ公司的Ａｌｌｅｎ．Ｂｒａｄｌｅｙ９／ＰＣ，ＯｒｍｅｃＳｙｓｔｅｍ公司的Ｏｒｉｏｎ，德国ＰＡ公司的ＰＡ８０００，Ｉｎｄｒａｍａｔ公司的ＭＴＣ２０００以及日本ＧＥ．ＦＡＮＵＣ２１ｉＭＡ都属于这种类型∞１。
（３）纯软件型。即把硬件功能软化，由ＰＣ完成各种实时和非实时任务，ＰＣ接口与物理驱动接口由一块接口板连接。这种类型的系统要求必须制定好各个功能模块的标准和数据交换的协议，对软件的开发要求较高，而且还要求硬件有高可靠性。由于存在着软件的实时性、标准统一性和稳定性等问题，因而这种系统存在一定的缺点。
鉴于电火花线切割机床在机械制造领域内的重要位置，发展开放式结构的线
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切割数控系统有着十分重要的意义。图１－２是一种开放式结构的线切割数控系统模型嘲。在该模型中，系统的编程模块以ＰＣ为硬件平台，使用Ｗｉｎｄｏｗｓ或Ｕｎｉｘ（Ｌｉｎｕｘ）操作系统，完成参数输入和数控编程等非实时任务，实现在线管理和与其他系统间的通讯，并提供人机界面。ＮＣ控制器负责插补、伺服及Ｉ／Ｏ控制等实时功能。运动模块，放电控制模块与输入输出模块等则执行实际操作任务。
—————－■－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｌｏｗ
…一一◆００ｅｒａｌｉｏｎｃｏｄｅｄｅｖｅｌ００ｍｅｎｔｆｌｏｗ
图１－２典型的嵌入式开放体系线切割数控系统的结构形式
Ｆｉｇ．１—２ＴｙｐｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄＯＭＡＷＥＤＭＣＮＣｓｙｓｔｅｍ
第一章绪论
１．２．２国内外线切割数控系统现状
近年来，国外的慢走丝电火花线切割数控系统发展的非常快，其工艺指标已经达到了相当高的水平，既使是对形状复杂的零件的加工，生产率最高也达到３００ｒａｍ２／ｒａｉｎ；尺寸精度可以达±５ｕｍ～土２ｕＩｌｌ以上：加工表面粗糙度达０．３¨ｍ。
目前，国外慢走丝线切割机床当前主要有三个大趋势，即高速化、高精度化与高自动化。日本三菱公司是制造电火花线切割的著名厂家之一，该厂制造的线切割机采用多任务作业的６４位ＣＰＵ的高性能数控系统，使得复杂的高精度加工与简单操作得到有机的统一；使用ＥＳＰＥＲ（ＥａｓｙＳｉｍｐｌｅＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｂｙＥｘｐｅｒｔＳｙｓｔｅｍ），即简易编程专家系统，建立起独特的编程操作界面，结合专家系统数据库，根据工件的加工目标自动确定最佳工艺路线并完成加工过程，而强大的图形显示功能则可以容易地监视工作程序，采用３Ｄ画面检查加工程序，从而提高工作可操作性；加工过程的监测通过对加工位置的观察和加工速度的实时检测，则能够轻松地确定每一步的切割质量１９，１０】。
瑞士阿奇（ＡＧＩＥ）公司生产的低速走丝线切割机床采用采用ＰｅｎｔｉｕｍＭＭＸ工控机控制系统和多ＣＰＵ分离控制系统，提高了系统的处理能力和可靠性。伺服系统采用了ＡＧＩＥ最新的Ｐ删直流调速系统，具有很强的系统保护功能和错误自检功能。脉冲电源和放电回路的控制全部使用ＡＧＩＥ最先进的技术，能够获得最高的加工速度和最好的光洁度。系统软件和用户程序的存储采用了１０Ｇ以上硬盘，给用户提供足够大的存储空间。软件系统基于Ｗｉｎｄｏｗｓ９８环境，图形化界面，具有实时多任务系统，使用ＩＳＯ代码编程，能实现ｘ、Ｙ、ｕ、ｖ、ｚ五轴数控。北京阿奇夏米尔工业电子有限公司生产的高速走丝线切割机床，采用数控电源柜采用。一体化设计，控制使用５８６工控机，具有四轴联动、上下异形切割功能。编程系统采用采用绘图式全自动编程，ＣＡＤ／ＣＡＭ集成于系统软件中，可生成ＩＳＯ、３Ｂ或４Ｂ格式程序，适应不同用户的要求。机床的ＣＲＴ显示具有智能化的用户友好界面，具有加工轨迹、数据实时跟踪显示，可预先模拟显示加工程序。
台湾的机械工业研究所的线切割机床采用基于Ｐｃ的线切割机专用控制器软件，具有友好的图形操作人机接口，以方便使用者的操作应用。同时强化ＮＣ程序解译能力，发展智能型补偿偏移算法则，规划产生切割路径功能，配合１ｕｍ精密定位能力的ｘ，Ｙ，ｕ，Ｖ，ｚ五轴同动控制功能，达到线切割曲面加工能力。
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另外还开发了基于Ｐｃ的线切割切割机专用ＥＰＣＩ０６Ｘ６轴运动控制板、专用的ＷＩＯＳＴ输出与输入控制及伺服信号传输与转接板、线切割机专用ＨＡＲＤＫＥＹ操
作面板：系统能够提供２５６点Ｉ／Ｏ控制成机床的各个动作，如线张力、线速度透过ＭＬＣ可编程逻辑Ｉ／Ｏ控制，从而完水系统，放电系统，自动穿线动作控制。
目前国内使用得比较多的线切割控制系统是苏州开拓电子技术有限公司开发的ＹＨ线切割控制系统。该系统建立在ＤＯＳ平台上，采用双ＣＰＵ结构，加工时可以同机编程：系统采用ＩＳＯ指令，兼容３Ｂ代码；最多可以实现五轴控制。该控制卡最突出的优点是稳定可靠，抗干扰能力强，但是该卡使用ＩＳＡ总线，在ＤＯＳ平台运行，速度较慢，编程软件资源也并非十分丰富，而且控制卡每次能接收的指令数量不多，从而限制了其应用。
另外，国内许多大学院校正在开展对开放式线切割数控系统的研究。上海交通大学开发了基于Ｌｉｎｕｘ下的开放式ＷＥＤＭ数控系统，该系统的执行效率、稳定性不弱于ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ，而且性能强大，稳定性和软件移植性好【１１］；另外，该校还以自行开发的ＩＳＡ控制卡为硬件基础，建立了基于开放式ＰＣ平台的微细电火花机床实时控制系统【１２】。北京航天航空大学开发了基于工控Ｐｃ和Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的多轴多通道开放式线切割数控系统，其核心硬件是８０４８６或以上的工控ＰＣ，可实现４坐标锥度的线切割【ｌ”。浙江大学进行了数控电火花线切割ＤＮＣ小型系统的开发，从而提高了设备的利用率【１４】。此外，以华中科技大学提出了基于软件芯片的开放式数控系统，研究了对数控系统软件的规范化和标准化的问题；同时该校还提出了基于现场总线技术的开放式数控系统，并进行了深入的研究。
１．３本课题研究概况
１．３．１课题来源
本课题受扬州伯异机床有限公司委托，开发基于ＰＣ的开放式高速走丝电火花线切割数控系统。扬州伯异机床有限公司是一家在电加工行业具有雄厚实力的企业，多年来一直致力与ＷＥＤＭ．ＨＳ的研究，具有较强的技术开发能力和实际生产经验，高速走丝电火花线切割机床是其核心产品之一。为了提高机床性能，增加市场上竞争力，扬州伯舁机床有限公司提出开发基于ＰＣ和现代操作系统的开
第一章绪论
放式数控系统。
１．３．２研究意义及研究目标
目前，我国电火花线切割机床的数量以每年超过一万台的速度增长，从中可以看出线切割机床的市场容量非常大。尽管高速走丝的线切割机床在我国的应用十分广泛，但是与低速走丝线切割机床相比，前者则显露出许多不足之处，如机床精度保持性较差，运丝系统不能保持恒张力切割，电柜控制可靠性较差，编程及内存不能满足用户方便的使用等问题，使得机床的加工精度和工件的表明粗糙度有限，远低于低速走丝线切割机床的水平。就我国目前的技术水平而言，要想在短时间内大幅度地提升高速走丝线切割机床的性能，使之能与低速走丝的线切割机床相媲美，难度是比较大的，同时也会相应的增加了机床的开发费用而导致成本的上升，从而降低了性价比，这样从技术和市场的角度来说都是不太现实的。
因此，发展高速走丝线切割机床的策略是以拥有良好的性价比为基础，适当的提高机床的加工精度和加工稳定性，从而增强机床的竞争力。而数控系统是机床的核心部分，其性能直接影响机床加工精度和稳定性，同时也决定了机床的使用范围和复杂零件的加工能力。目前国内大部分线切割的数控系统仍属于封闭式的，有些是以单片机为基础的，这样数控系统的功能受到了一定的限制，而且不能充分发挥Ｐｃ机的优点。所以提高线切割数控系统的性能对提高设备的利用率和生产效率都有重要意义。采用ＰＣ机与运动控制卡相结合的线切割数控系统是当前最为理想的方案。而运动控制卡是整个数控系统最重要的单元模块，数控系统的性能、精度在一定程度上依赖于运动控制单元的计算能力和控制能力。
本课题从这个角度出发，研究高速走丝线切割机床的数控系统，采用ＰＣ＋运动控制卡的模式开发系统，重点是研究基于单片机的运动控制卡及其相应接口板。在基于ＩＳＡ总线技术的基础上，开发适合线切割机床的运动控制卡，使之能与Ｐｃ机进行快速稳定的数据交换，实现插补运算、位置控制等任务。另外还要了解并克服现有的线切割控制器存在的缺陷，使机床能够在加工过程中具有更高的精度、稳定性以及抗干扰能力。
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１．３．３主要研究内容
根据研究目标，本文以实现开放式的电火花线切割数控系统、提高其数控技术为基础展开了研究工作。具体内容分为六个章节：第一章绪论，概述了电火花线切割数控技术的发展状况，以及课题的研究意义、目标和主要研究内容。第二章提出了系统总体设计方案，各个功能模块及开发平台的选择；第三章讨论了线切割数控系统的控制软件，主要包括根据３Ｂ代码生成相应的图形、数据处理、模拟仿真，与硬件设备通信及数控辅助功能等几个方面；第四章介绍了单片机控制数控工作台技术，包括单片机外围电路的扩展、步进电机的驱动以及加减速控制等；第五章阐述了通过ＩＳＡ总线实现ＰＣ与单片机之间的通信以及一些抗干扰的措施：第六章为总结，概括研究结果，并指出今后进一步在本研究方向进行研究工作的展望与设想。
第二章系统总体设计
第二章系统总体设计
随着计算机技术的迅速发展，稳定性和可靠性的不断提高，发展以工业ＰＣ机为核心的开放式数控系统，已经成为数控技术发展的主要潮流。高速电火花线切割机床在我国的应用十分广泛，但是目前大部分线切割机床的数控系统仍属于封闭式的，有些是以单板机为基础的；有些虽然也以ＰＣ机为基础，但是其数控系统仍是基于ＤＯＳ操作平台，由于ＤＯＳ系统没有丰富的图形资源、６４０Ｋ内存管理能力等限制了数控系统功能的扩展，使ＰＣ的优点及资源得不到充分利用［”］。因此，建立基于ＰＣ平台和现代操作系统的开放式数控系统已成为目前电火花线切割数控系统发展主流。
２．１系统总体方案
目前，国内外的开放式数控系统主要分为三类，即ＰＣ＋专用ＣＮＣ型、ＰＣ＋运动控制卡型及纯软件型。在这三种类型当中，ＰＣ＋运动控制卡的形式是被认为当前最符合数控技术发展潮流的、最有发展潜力的一种控制模式［１６，１７，１８］。基于ＰＣ与运动控制卡相结合的线切割数控系统是当前最为理想的方案，因此，本课题拟采用的基本结构如图２－１所示。
图２?１线切割数控系统框图
Ｆｉｇｕｒｅ２—１ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＮｃｓｙｓｔｅｍｏｆＷＥＤＭ
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从图２．１可以看出，本线切割数控系统由若干个子系统组成，主要包括：ＣＡＤ编程系统，网络通信系统，加工控制系统，电器控制系统等几个部分。而ＰＣ与运动控制卡是整个系统的核心部分。
ＰＣ在本系统中主要完成各种非实时性任务，包括ＣＡＤ编程，加工过程的调度以及与运动控制卡的数据交换等。ＣＡＤ编程系统用于加工零件的设计和输入，目前国内许多机构已开发出各种优秀的编程系统和软件。本数控系统的自动编程部分采用ＣＡＷＥＰ系统（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＷｉｒｅ－ＥＤＭＣＮＣＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｓｙｓｔｅｍ一计算机辅助线切割数控编程系统），该编程系统能够处理复杂和特殊的图形或曲线，并能自动生成相应的电火花线切割加工所需要的数控文件（如３Ｂ代码、Ｇ代码），同时还可接受其他的ＣＡＤ系统生成的图形文件（如ＤＸＦ文件），具有良好的开放性：而且界面亲切友好，容易操作，体现“以人为本”的原则。此外，ＰＣ还要实现与运动控制卡的通信，接口部分将经过处理的加工数据和参数传递给控制卡。
除ＰＣ外，运动控制卡是数控系统的另一重要组成部分，它以ＡＶＲ单片机为核心，主要完成系统内的各种数控功能，并对其他子系统进行控制，同时对放电参数进行采样，实时调整进给速度以达到稳定的加工状态，其硬件结构图如图２－２所示。
图２－２运动控制卡结构图
Ｆｉｇｕｒｅ２－２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄ
放电间隙检测电路是电火花线切割特有的组成部分，用于实时监控电极丝的
第二章系统总体设计
放电情况。由于线切割加工中电极丝与工件之间的间隙放电具有随机性和不确定性，放电间隙状态检测非常复杂，主要表现在脉冲电流电压波形的不规则性。因此如果没有准确地对间隙电压进行检测，则无法有效控制加工过程。线切割的加工状态有三种：空载、正常放电及短路。所以放电间隙的检测必须实现两个环节：（１）准确识别加工状态；（２）通过适当的参数来反映加工状态。开放式的线切割数控系统必须具有这个反馈环节，能够根据加工状态自动调整参数以达到理想的加工状态。目前，检测方法一般都采用平均电压法，其缺点是对放电间隙状态的检测不够准确，对放电的开路状态比较敏感，并且对正常放电和短路状态响应较差，难以进行准确的跟踪，因此加工的稳定性不高。
高频脉冲电源是线切割机床的核心组成部分之一。脉冲电源对切割速度、加工精度、加工稳定性以及电极损耗有着重要的影响。对脉冲电源的基本要求是：（１）效率高，损耗小。即对工件有最大的腐蚀率，而对电极有最小的损耗率：（２）脉冲电源的主要参数，如电流幅值、脉冲宽度、脉冲间隔等能在较大的范围内改变，以满足不同的加工要求，并且参数容易调节；（３）与机床控制系统配合良好（如换向断高频的控制）。国内高速走丝线切割机床的高频脉冲电源的脉冲发生器主要有这几种：集基耦合多谐振荡器、时基电路振荡器、单稳集成电路振荡器以及石英晶体多谐振荡器。
进给控制系统主要完成执行部件准确的位移，控制方向和速度。电器控制系统包括走丝控制、行程控制和工作液马达控制等，主要任务是中断处理、电器的驱动和状态的采样”５＇”】。网络通信是开放式系统中的一个重要部分，它能使系统与外界进行信息的交流，接受外来的参数优化，达到资源共享，为网络化制造和无人化操作提供基础。工艺数据库里则包含了电火花线切割加工的各种工艺参数，可提供最优化的参数设计，从而降低线切割操作的技术要求，同时也为开发专家系统提供了条件。
本线切割数控系统是基于开放式体系结构的，其优点体现在以下几方面：
（１）系统运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下，突破ＤＯＳ下单任务，图形系统差接１：７简单等弱点，可以实现多任务的处理，能够完成数据管理、编程、绘图、数控代码传输及加工状态显示等功能。各个功能模块之问可以通过专用的数据文件交换信息，并且可以方便地扩展新的模块来添加新功能，以满足不断发展的加工要求和标准。
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（２）各种自动编程软件，只要能够生成ＤＸＦ文件，或者能够生成３Ｂ格式或Ｇ代码数控文件的软件都可运行，而且与ＰＣ兼容的硬件标准配件随处可见。这样不但可以提高系统维护的容易性，而且操作者还可以根据实际情况的需要使用其他软件。
（３）网络接口的扩展使数控系统能够充分利用丰富的网络资源，可以与远程的ＣＡＤ／ＣＡＭ资源实现共享，同时容易实现各种专家系统和自适应系统，同时，具有网络功能的机床可以互相联网，不仅能够实现基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ的远程控制和无人化操作，还可通过网络监视系统和机床的运行状况，以提高机床的质量和缩短维护时间，减少人力和物力的损耗，并且可根据加工情况与远程的专家交流信息［２３，２４１。
２．２关键技术
本文研究的开放式电火花线切割数控系统采用Ｐｃ＋运动控制卡模式，即运动控制卡插在ＰＣ的系统总线ＩＳＡ插槽中。ＰＣ是标准的符合开放式结构的系统，ＩＳＡ总线是工业标准结构总线，可以方便地扩展其他功能模块。由于ＰＣ的运算速度快和存储容量大，因此主要负责完成信息预处理工作。控制卡则负责各种实时性工作，如插补运算、电机控制等。本文从系统的软、硬件的结构出发，主要在三个方面进行了研究：即数控系统的控制软件，数控工作台的单片机控制以及通过ＩＳＡ总线实现ＰＣ与运动控制卡的通信。
（１）软件部分。数控系统的控制界面是在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上开发的。尽管Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的稳定性不如ＤＯＳ系统，但是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的开发环境有利于控制界面的设计，并且可以容易地开发出友好的人机交互界面。本课题开发的控制软件力求简洁明了、操作简便，其功能包括图形文件的输入、图形的基本编辑、数据输入／输出处理、机床参数设置、加工状态显示及工艺参数选择等几个方面的功能。重点研究了图形显示效果、加工仿真、数控代码的读取以及Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下的ＩＳＡ总线通信等关键问题。
（２）硬件部分。数控系统运动控制卡以单片机为基础，主要实现插补运算、加工状态检测、参数控制及电机进给控制等功能。控制卡通过ＩＳＡ总线与计算机集成，不占用ＰＣ资源，类似于主从式的多处理器结构的开放式数控系统。本文
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第二章系统总体设计
主要研究的几个关键问题是：单片机对数控工作台的控制、单片机外部数据存储器的扩展、通过ＣＰＬＤ实现与ＩＳＡ总线通信的接口电路以及运动控制卡的电路设计等。
２．３开发工具
在开放式线切割数控系统的开发过程中，所使用到的主要开发工具可以分为软件和硬件两大类。
２．３．１软件开发工具
（１）ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０：微软公司发布的开发工具，用于开发人机交互的控制界面应用程序。
（２）ＡＶＲ开发软件系列：主要包括ＩＣＣＡＶＲ６．２２和ＡＶＲＳｔｕｄｉ０４．０７。其中的ＩＣＣＡＶＲ用于开发ＡＴＭｅｇａｌ２８单片机的主控程序，并生成ｈｅｘ格式的文件供单片机执行调用；ＡＶＲＳｔｕｄｉｏ是单片机的调试工具，用于检验程序的正确性，并可以把程序下载到单片机中。
２．３．２硬件实验设备
（１）两轴数控工作平台。ｘ、Ｙ轴采用日本ＴＨＫ２００ｍｍ行程的滚珠丝杆，驱动二维运动。此中丝杆摩擦力较小。因此所需电机力矩也较小。电机是选用常州微特电机厂的４２ＢＹＧＨｌ０７型两相四拍步进电机（最大静力矩为２．８ｋｇ?ｃｉｎ，步距角为１．８。）。
（２）步进电机驱动器采用北京斯达特公司的ｓＨ一２Ｈ０４２Ｍｂ驱动器，能够在其内部实现步进电机的５细分控制，因此步距角变为Ｏ．３６。，从而可以模拟五相的步进电机。细分后电机旋转一周需要１０００个脉冲当量，通过丝杆转化成直线位移为６ｍｍ，由此得出脉冲当量为０．００６ｍｍ，可以满足精度要求。电机与驱动器实物图请见附录。
（３）相关的实验开发器：包括ＡＴＭｅｇａｌ２８单片机开发器以及ＣＰＬＤ实验开发器（见附录）。
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２．４本章小结
本章介绍了高速走丝线切割数控系统的整体设计方案，给出了系统以及运动控制卡的硬件结构框图，阐述了系统各个模块的功能作用。同时还提出了本文着重研究的关键问题。最后介绍了开发系统所用到的软件和硬件。
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第三章线切割数控系统的控制软件
第三章线切割数控系统的控制软件
由于在线切割数控编程系统ＣＡＷＥＰ中已经实现了绘制图形、数控代码生成等方面的功能，因此本线切割数控系统的控制软件，其功能主要包括图形文件的读取、与底层设备的通讯以及显示加工参数等几个方面，考虑到其结构不太复杂，运算任务有限，其侧重点在于界面的开发，升级方便，因此本文采用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ进行开发是比较合适的。
ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ是微软公司发布的一种可视化开发工具。以其实用、方便、快捷、开发周期短、广泛而强大的功能越来越被广大编程人员所信赖，广为流传。在ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ开发工具中提供了大量的控件（或称控制、组件）供编程人员使用，可以方便的利用这些组件中的属性、方法、语言等以事件驱动方式开发应用程序，还可以方便地与ＣＡＷＥＰ系统及其它Ｗｉｎｄｏｗｓ的应用程序通信。
３，１控制软件的功能模块
３．１．１功能设计
在本线切割数控系统中，由于编程系统并不直接访问硬件，因此需要开发一个控制软件，使之能够对底层设备进行直接控制，并实现数据的相互传递。该软件是建立在编程系统上的，并从后者当中获取数控代码。通过对数控代码进行相应的计算及处理，控制软件能够显示出零件的轮廓，并且能够对零件的加工进行模拟仿真，同时软件还具有基本的图形编辑功能，如旋转、平移等。图３－１是软件的功能模块图。
目前，国内数控机床使用的数控代码主要是ＩＳＯ代码和３Ｂ代码，而后者则是在线切割数控机床中广泛使用。因此为保证通用性，控制软件对这两种格式的数控代码进行了研究。通过对代码的逐行扫描，提取出图形关键点的坐标，再通过一系列的运算把代码当中的相对坐标转换成绝对坐标，并保存在相应数组中。数据处理的目的在于一方面可以为控制软件的图形绘制提供坐标参数，从而使ＶＢ
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可以快速地显示出图形轮廓，对于３Ｂ代码直接转换为绝对坐标还有助于减少其累积误差，以提高图形加工的精度；另一方面，由于运动控制卡上的数据存储器容量有限，因而导致了一些线切割控制器每次接收的数控代码不能超过一定的范围，为零件的加工带来了不便。而在本系统的插补运算中，对于直线插补只需要终点坐标，圆弧则只需要终点和圆心坐标，因此把数控代码直接转换成坐标数据，把代码中的一些关键字去掉，这样可以节省数据存储的空问，从而使得运动控制卡每次可以接收更多的数控代码。
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图３－１控制软件功能模块图
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控制软件的模拟仿真是以实时显示的方式在Ｐｃ的屏幕上模拟线切割加工的轨迹路线，为使用者提供直观的加工效果，从而不必开启机床就能对加工路径进行了解。我国的数控线切割机床一般采用逐点比较法进行插补运算，因此为力求正确反映加工的实际情况，本课题仿真算法也采用逐点比较法。另外，控制软件还提供了基本的图形编辑功能，包括图形的镜像、旋转以及平移等功能，这样使用者可以方便地实现图形的基本操作，而不必每次都切换到数控编程系统中修改图形，从而增强软件的可用性。同时还可在软件中直接输入３Ｂ代码，为使用者调试机床带来方便。
虽然ＶＢ语言是一种功能强大的开发工具，在用户界面、数据库、多媒体、网络编程等方面应用广泛：然而ＶＢ的硬件编程能力有限，它没有提供硬件读写端口、
第三章线切割数控系统的控制软件
控制中断等硬件控制函数，而在数控系统中，控制软件需要对ＩｓＡ设备进行读写操作，以实现数据的相互传递，因此数控系统针对ＶＢ功能的扩展进行了研究，使其具有操作硬件的能力‘２５１。在ｖＢ开发环境下通过间接访问的方法，实现硬件的操作（如访问ＩｓＡ设备），即ｖＢ调用其它编程语言（如汇编，从Ｃ／Ｃ＋＋等）写的底层驱动模块（一般封装成动态链接库ＤＬＬ！拘形式）实现【２“。在数控系统ＣＶＢｉ臣过调用动态链接库（ＤＬＬ）文件来实现对底层硬件端口的操作，从而使控制软件与运动控制卡之间可以相互交换数据。
３．１．２界面设计
在满足功能的前提下，控制软件的界面设计应尽量简洁、直观，给人以舒适感，提高其易用性。由于当前基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的界面风格使用非常广泛，而且控制软件也是运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作平台上的，考虑到用户使用习惯的一致性，本软件的界面设计采用类似于Ｗｉｎｄｏｗｓ风格。界面的设计如图３－２所示。
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图３－２控制软件界面设计
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菜单栏为下拉式菜单，包含若干项命令操作，包括文件的打开、关闭，参数的设置等。
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