基于DSP的線切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的研制

王甫茂

WANG Fu-mao

（四川宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644003）

0 引言

隨著制造技術(shù)的日新月異和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，電火花線切割技術(shù)己成為機(jī)械制造領(lǐng)域中一種重要的加工技術(shù)，它是通過兩電極間脈沖放電，用電蝕原理對(duì)工件進(jìn)行加工。線切割加工具有無切削力，工件材料硬度對(duì)可加工性影響不大等優(yōu)點(diǎn)，因此能適合各種特殊性能的材料和各種復(fù)雜表面及微細(xì)、精密、薄壁以及低剛性零件，所以廣泛應(yīng)用于航空、電子、電器、汽車、家電、輕工等領(lǐng)域，特別是在模具加工行業(yè)，得到了廣泛的應(yīng)用。[1~3]

目前國(guó)外生產(chǎn)和使用的絕大多數(shù)為高速快走絲電火花線切割機(jī)床，而我國(guó)生產(chǎn)和使用的則主要為慢速單向走絲電火花線切割機(jī)床。兩者相比，除了采用的工藝不同外，無論在精度、功能、自動(dòng)化程度、可靠性、加工穩(wěn)定性和加工工藝指標(biāo)方面，還是在外觀等方面，后者較前者線切割機(jī)床平均明顯低一個(gè)檔次。而目前國(guó)產(chǎn)線切割放電加工機(jī)床CNC控制器基本上是單CPU框架，在此種框架下所有控制器模塊統(tǒng)一于單CPU執(zhí)行時(shí)，而且操作系統(tǒng)是DOS，控制器發(fā)展受到極大限制，目前國(guó)產(chǎn)線切割放電加工CNC控制器有下列幾項(xiàng)缺點(diǎn)[2~5]：

l）單CPU控制器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控發(fā)展難度大。

2）單CPU控制器受限于插值運(yùn)算時(shí)間太長(zhǎng)（約5-10ms），難以做到斷線抑制。

3）軟件各模塊耦合性強(qiáng)難以發(fā)展開放式人機(jī)界面。

4）缺乏智能型監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控使得機(jī)器維護(hù)困難。

5）缺乏自動(dòng)多重加工、自動(dòng)隅角加工智能型加工等自動(dòng)化功能。

對(duì)于智能型加工控制等自動(dòng)化功能與遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能開發(fā)必須要一支持網(wǎng)絡(luò)與實(shí)時(shí)控制操作系統(tǒng)，目前國(guó)產(chǎn)線切割放電加工單CPU控制器在系統(tǒng)發(fā)展上彈性受到限制，對(duì)于線切割機(jī)而言，實(shí)時(shí)控制要求有運(yùn)動(dòng)控制、輸入輸出控制模塊、放電狀況監(jiān)控與斷線抑制模塊或放電電源控制模塊，在單CPU與Windows平臺(tái)下開發(fā)各模塊功能會(huì)直接影響實(shí)時(shí)控制性能，而且難以各別開發(fā)測(cè)試，Windows操作系統(tǒng)上以此種單CPU直接控制框架開發(fā)第二代線切割控制器較為困難且限制新功能的研發(fā)。因此采用PC與DSP結(jié)合的多CPU控器最能符合新一代網(wǎng)絡(luò)控制器需求，DSP負(fù)責(zé)及時(shí)控制與信號(hào)檢測(cè)。例如：運(yùn)動(dòng)控制、輸入輸出控制、操作模式管理、圖像信號(hào)處理或與加工有關(guān)的放電狀況監(jiān)控與斷線控制，可依據(jù)系統(tǒng)需要采取分布式控制，而具有Windows操作系統(tǒng)的PC則為系統(tǒng)主要中心部份。

1 多CPU線切割機(jī)床控制系統(tǒng)的組成

國(guó)產(chǎn)電火花線切割機(jī)床CNC控制器基本上都是在DOS系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用單CPU控制器，CNC控制器軟件程序是在MS-DOS（微軟公司操作系統(tǒng)）或PC-DOS（IBM公司操作系統(tǒng)）下利用C程序語言或匯編語言所開發(fā)而成，硬件框架包含CNC控制器與電源系統(tǒng)?；贒SP的CNC系統(tǒng)的多CPU控制器硬件框架如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)硬件包含基于DSP控制板（PMC32-6000）、線切割機(jī)專用輸出輸入適配卡、電火花線切割機(jī)床（含有線切割液線電系統(tǒng)、輸出輸入系統(tǒng)與操作面板）。本文中利用線切割CNC控制器的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)PC卡置換成裝配有基于DSP六軸運(yùn)動(dòng)控制卡、硬盤與Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)主機(jī)，進(jìn)一步將其改裝成多CPU的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)。

基于DSP控制卡具有專用位置控制與輸入輸出控制芯片，可連接128IN/128OUT遠(yuǎn)程串行傳輸，負(fù)責(zé)線切割五軸伺服系統(tǒng)的位置控置與伺服進(jìn)給控制，線切割機(jī)專用輸出輸入適配卡具64IN/64OUT遠(yuǎn)程輸入輸出控制芯片可與基于DSP六軸運(yùn)動(dòng)控制板內(nèi)控制芯片聯(lián)機(jī)做信號(hào)傳輸與控制，此控制板負(fù)責(zé)工作臺(tái)接點(diǎn)控制與伺服系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)接。

基于DSP線切割機(jī)CNC控制器軟件接口，主要由人機(jī)接口模塊（Man Machine Interface，MMI）、操作模塊（Operation，OP）、機(jī)械邏輯控制模塊（Machine Logic Control，MLC）、解釋模塊（Interpreter，INT）、運(yùn)動(dòng)模塊（Motion，MOT）與通訊模塊（Communication）等六大模塊所組成。

利用機(jī)械邏輯控制接口模塊與操作模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊的技術(shù)進(jìn)行DSP端的模塊軟件集成。將模塊分為dspmle.lib、dspmot.lib與dspop.lib三大模塊，模塊各自開發(fā)出函數(shù)庫，最后將三大模塊的函數(shù)集成到執(zhí)行程序中。接著與PC端的MMI模塊進(jìn)行基于DSP的CNC控制系統(tǒng)軟件的集成?；贒SP的CNC系統(tǒng)的多CPU控制器軟件框架如圖1所示。

圖1 多CPU控制器軟件框架

基于PC機(jī)操作系統(tǒng)利用Windows取代DOS，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)框架使用windows作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的作業(yè)平臺(tái)時(shí)，其實(shí)時(shí)性與安全性有其不足之處，因此開發(fā)出基于PC的開放式控制系統(tǒng)框架[6]。模塊分割框架包含有操作模塊、解釋模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、人機(jī)接口模塊、機(jī)械邏輯控制接口模塊與通訊模塊等，基于DSP的CNC系統(tǒng)軟件模塊化框架，其中將解釋模塊、人機(jī)接口模塊與通訊模塊等置于PC端處理，以利用PC完整的開發(fā)環(huán)境及豐富的網(wǎng)絡(luò)資源來進(jìn)行模塊開發(fā)與功能擴(kuò)展。

將操作模塊、運(yùn)動(dòng)模塊與機(jī)械邏輯控制接口模塊等置于DSP端處理，以利用DSP所具備的強(qiáng)大的計(jì)算處理功能與實(shí)時(shí)性來進(jìn)行工作臺(tái)的控制。PC端與DSP端則是通過雙端內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此PC端與DSP端可單獨(dú)開發(fā)與測(cè)試，并且針對(duì)PC端與DSP端各項(xiàng)功能與模塊進(jìn)行集成。

設(shè)計(jì)人機(jī)接口時(shí)有幾項(xiàng)重要原則：l）設(shè)計(jì)用戶能夠很容易理解的圖像和背景；2）視覺表現(xiàn)和使用方法前后要有一致性；3）設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單形式為原則；4）運(yùn)用用戶熟悉的接口方式；5）盡量讓使用者自己操作控制；6）提供實(shí)時(shí)的反應(yīng)動(dòng)作。開放式人機(jī)接口除了包含上述的特性外，其最主要的特性就是可以隨硬件增減而做接口修改的功能。也就是除基本組件外，當(dāng)有任何新增特定的硬件組件時(shí)，開放式人機(jī)接口即可經(jīng)由用戶自行編制合適的人機(jī)接口來與新增的硬件組件搭配；當(dāng)組件移除時(shí)，用戶也可針對(duì)設(shè)定的接口組件進(jìn)行移除，新增、移除動(dòng)作是在不影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定性與完整性下，使系統(tǒng)更具擴(kuò)充性。本文中PC端的人機(jī)接口與DSP端之?dāng)?shù)據(jù)溝通皆通過PMC32-6000運(yùn)動(dòng)控制卡上的雙端口內(nèi)存來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而其接口只需通過接口驅(qū)動(dòng)程序（ITRI API），即可達(dá)成PC與DSP之間的溝通。

2 多CPU控制系統(tǒng)的硬件集成

參考日本Fanuc公司所開發(fā)的線切割控制器界面，設(shè)計(jì)出電火花線切割機(jī)床系統(tǒng)的人機(jī)接口，MMI軟件框架，其中包含有主界面、位置坐標(biāo)顯示界面、程序加載與加工參數(shù)設(shè)定界面、故障診斷、加工監(jiān)控，報(bào)警，手動(dòng)功能模式與MDI單節(jié)運(yùn)動(dòng)命令輸入等界面。

硬件則是將CNC控制器內(nèi)的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)與控制器內(nèi)的線切割機(jī)專用輸出輸入適配卡、操作面板的連接扁平電纜移除。接著通過轉(zhuǎn)接板將控制器內(nèi)的線切割機(jī)專用輸出輸入適配卡的SCSIⅡ68Pins信號(hào)線與個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的PMC32-6000運(yùn)動(dòng)控制卡的SCSIⅡ100PinS信號(hào)線對(duì)接；控制器內(nèi)的線切割機(jī)專用輸出輸入適配卡上Remote的DB9Pins的信號(hào)線接至個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的PMC32-6000運(yùn)動(dòng)控制卡的RIO0輸入端；控制器內(nèi)的線切割機(jī)專用輸出輸入適配卡上的間隙電壓信號(hào)DB25Pins信號(hào)線接到個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的PMC32-6000運(yùn)動(dòng)控制卡的ADC輸入端；控制器內(nèi)的Control Panel上的RemoteDB9PinS的信號(hào)線連接至個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的PMC32-6000運(yùn)動(dòng)控制卡的RIOI輸入端，最后將控制器的屏幕信號(hào)線連接至個(gè)人計(jì)算機(jī)上。如圖2所示，為硬件集成后的實(shí)際情形。

3 結(jié)論

綜上所述本文對(duì)電火花線切割機(jī)床進(jìn)行了基于DSP的CNC控制器的基礎(chǔ)開發(fā)。經(jīng)過操作功能與加工實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示本文所開發(fā)的基于DSP的CNC控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電火花線切割機(jī)床的基本操作功能與實(shí)際放電加工，并且將國(guó)產(chǎn)的電火花線切割機(jī)床CNC控制器提高到多CPU、Windows操作系統(tǒng)與基于DSP電控系統(tǒng)新的發(fā)展框架上。

1）進(jìn)行了適用于Windows操作系統(tǒng)與多CPU框架下的邏輯控制器的基礎(chǔ)開發(fā)，基于DSP的CNC控制系統(tǒng)成功地應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)電火花線切割機(jī)床。

圖2 基于DSP的CNC控制系統(tǒng)硬件集成圖

2）使用Windows操作系統(tǒng)來開發(fā)CNC控制器并以多CPU的框架來進(jìn)行線切割機(jī)床模塊化的分割，在集成時(shí)能夠有效的達(dá)到模塊化分工的目的，基于DSP控制系統(tǒng)可符合線切割機(jī)對(duì)于實(shí)時(shí)控制的需求。

3）將國(guó)內(nèi)的以DOS為操作系統(tǒng)的電火花線切割機(jī)床CNC控制器，提升至以Windows為操作系統(tǒng)的電火花線切割機(jī)床CNC控制器，將專用型控制器改成開放式控制器，易于實(shí)現(xiàn)開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能型加工等功能。

[1]陳德忠.我國(guó)電加工機(jī)床行業(yè)概況[J].制造技術(shù)與機(jī)床.1998：5.

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[6]黃河，王甫茂，趙秀粉等.PC-based開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（6）：191-193.