多軸運動控制卡在微細電火花加工控制系統(tǒng)中的應用

張 偉，郭鐘寧，連海山，韓睿聰，何俊峰

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

多軸運動控制卡在微細電火花加工控制系統(tǒng)中的應用

張 偉，郭鐘寧，連海山，韓睿聰，何俊峰

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

提出了一種基于PCI-7350多軸運動控制卡的微細電火花加工裝置控制系統(tǒng)的組成方案。給出了加工裝置的基本組成，介紹了多軸運動控制卡功能及軟硬件的開放性。分析了控制系統(tǒng)的組成原理，詳細介紹了控制系統(tǒng)設計方案和基本的硬件配置結構，以及此控制系統(tǒng)的軟件設計方法和功能實現(xiàn)。通過該基于多軸運動控制卡的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了電火花加工裝置的實時控制與伺服控制。

多軸運動控制卡；微細電火花；控制系統(tǒng)

0 引言

隨著航空航天、儀器儀表、化學纖維、精密模具、醫(yī)療器械等領域的發(fā)展，眾多微細加工方法，如微細電火花加工、微細車銑削、微細電化學加工、激光加工、微細超聲加工[1-5]等，得到長足發(fā)展及廣泛應用。微細電火花加工技術具有加工材料范圍廣、非接觸加工、無宏觀切削力等特點，因而在微小尺度工件加工領域有著得天獨厚的優(yōu)勢，尤其是在微細孔、軸加工以及微三維結構制作方面顯示出了強大的優(yōu)勢。同時，也正是因為其在微小尺度范圍內(nèi)加工的特點，使得其加工過程難以用肉眼觀察，所以在加工過程中，對其加工狀態(tài)檢測及運動控制的實時性要求很高。本文中采用多軸運動控制卡+PC機的控制模式，能夠很好地完成微細電火花加工過程中的放電狀態(tài)檢測和加工軸伺服運動控制。

1 微細電火花加工裝置的組成與結構

微細電火花加工裝置由鑲嵌陶瓷V型主軸系統(tǒng)、垂直進給機構、精密XY位移平臺進給機構、微細工具電極加工模塊、CCD觀測系統(tǒng)、供液系統(tǒng)等部分組成。

為了實現(xiàn)工件在機床不同工位之間的靈活切換，實現(xiàn)共用精密平臺以及減少定位誤差，電火花加工裝置采用立柱式基本結構。其中精密XY位移平臺進給機構固定在水平旋轉圓臺上；微細工具電極加工模塊固定在XY位移平臺頂部；鑲嵌陶瓷V型主軸系統(tǒng)固定在垂直進給機構上，保證主軸系統(tǒng)旋轉主軸軸線與垂直進給機構移動方向一致；垂直進給機構固定在處于水平旋轉圓臺中心位置的方形立柱一面。為了減少機床離散電容對微細電火花加工過程產(chǎn)生的影響，機床床身、水平旋轉圓臺和中心立柱由大理石制作。工作時，垂直進給機構實現(xiàn)垂直方向進給運動，精密XY平臺實現(xiàn)水平面內(nèi)的進給運動，以上兩者共同實現(xiàn)加工過程中的伺服運動。

2 PCI-7350運動控制卡簡介

PCI-7350多軸運動控制卡是美國國家儀器有限公司(National Instruments Co.Ld.簡稱NI)生產(chǎn)的系列運動控制卡，使用CUP+DSPD的雙處理器架構，可在多任務環(huán)境中實時控制8根軸的伺服運動，并且其硬件和軟件有很高的開放性。

2.1 PCI-7350運動控制卡硬件開放性

PCI-7350運動控制卡可控制伺服電機與步進電機，可在使用PXI、PCI、CompactPCI等不同總線的機器上運行；可為獨立軸提供相應的運動控制信號，數(shù)量最多能達8根；通過設置坐標空間完成軸的二維或者三維運動；每根軸都分配有專用的運動I/O端口，用于接收各種傳感器的反饋信息，包括限位開關、原點開關、光電編碼器、光柵等，此外每根軸還有通用I/O端口用于拓展應用。用戶可以根據(jù)自己的需要搭建硬件設備。

2.2 PCI-7350運動控制卡軟件開放性

PCI-7350運動控制卡支持多種開發(fā)語言，用戶可以使用VB、C/C++、Labview等語言在Windows軟件平臺上設計用戶專用界面與開發(fā)運動控制程序；運動控制卡提供包括S型加速、軌跡發(fā)生、坐標設定、位置抓取、電機狀態(tài)讀取等函數(shù)的庫函數(shù)，以滿足用戶需求，縮短開發(fā)周期。本課題中采用的Labview開發(fā)語言同是NI公司所開發(fā)，是一種基于G語言（graphics language，圖形化編程語言）的軟件，它提供了一個直觀、便捷、輕松的設計環(huán)境，簡化了開發(fā)虛擬系統(tǒng)的操作過程，提高了編程效率。

3 控制系統(tǒng)的設計

電火花加工系統(tǒng)可以分為以下幾個功能模塊：脈沖電源、加工放電狀態(tài)檢查環(huán)節(jié)、工作液循環(huán)系統(tǒng)、加工控制系統(tǒng)。其中加工控制系統(tǒng)是整個加工系統(tǒng)的核心。在電火花加工過程中的運動包括V型主軸旋轉運動、垂直進給機構垂直方向的直線運動和精密位移平臺水平面內(nèi)XY方向的運動。通過運動控制卡將各運動軸與加工放電檢測環(huán)節(jié)連接起來，根據(jù)加工放電狀態(tài)完成加工過程的伺服控制。

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

電火花加工裝置的控制系統(tǒng)采用PC工控機+多軸運動控制卡的兩級控制方式以提高加工系統(tǒng)的運動可靠性和快速響應能力，其硬件組成結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

其中工控機作為上位機，主要根據(jù)輸入指令進行計算、處理、邏輯判斷和存儲，實現(xiàn)加工過程中的系統(tǒng)實時在線人機交互、安全保護、監(jiān)控管理以及數(shù)據(jù)采集處理與顯示功能。在加工過程中，工控機根據(jù)從多功能運動控制卡上采集到的各軸信息以及從控制卡接線板卡通用I/O端口采集到的加工狀態(tài)信號等現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行邏輯計算，并產(chǎn)生相應的控制指令，傳送到運動控制卡。運動控制卡是電火花加工控制系統(tǒng)的直接控制級，通過PCI標準總線與工控機相連，構成運動軸的伺服控制回路。同時運動控制卡還要完成加工過程中的加工狀態(tài)電信號的數(shù)據(jù)采集與初步處理，并完成與工控機的實時通信。

3.2 加工伺服控制策略

微細電火花加工主要應用于微細軸、孔加工以及微三維結構制作等領域。其中微細電極的制作是保證得到質(zhì)量良好的微細孔與微三維結構的關鍵技術。在制作微細電極時，一般采用塊電極反拷法。使用該種方法制作電極時，由于工具電極與旋轉主軸軸線存在偏心，在工具電極隨主軸做旋轉時，其將會繞著主軸線做偏擺運動，造成工具電極與塊電極之間發(fā)生周期性放電加工，這樣會使得工具電極與塊電極之間產(chǎn)生周期性的放電與開路狀態(tài)[6-7]。在加工過程中，電火花加工產(chǎn)生的去除物質(zhì)如果不能隨加工液及時排出，會使得工具電極與塊電極之間產(chǎn)生短路現(xiàn)象。由于上述現(xiàn)象，如果在加工過程中采取不合適的伺服進給控制策略，則伺服進給系統(tǒng)將產(chǎn)生頻繁的開路-短路-開路-短路的伺服震蕩現(xiàn)象。為此，本文采取了如下伺服進給策略。

（1）采用旋轉電極的方式，在加工過程中減少了穩(wěn)定電弧放電現(xiàn)象的產(chǎn)生，通過電火花加工可以消除工具電極的偏心，同時有利于加工過程中產(chǎn)生的廢屑排除。

在加工過程中檢測間隙平均電壓時，設定進給參數(shù)ψ1和回退參數(shù)ψ2。ψ1可以理解為在加工過程中間隙檢測電路在規(guī)定的時間內(nèi)對間隙平均電壓進行檢測得到的超出伺服參考電壓的次數(shù)與總的檢測次數(shù)的比值超出ψ1時，則執(zhí)行伺服進給指令。同理，ψ2可以理解為在加工過程中間隙平均電壓小于伺服參考電壓的次數(shù)與總的次數(shù)的比值小于ψ2，則執(zhí)行伺服回退指令。ψ1和ψ2值可根據(jù)加工狀態(tài)隨時進行調(diào)整。

采用慢進給快回退的方式進行伺服進給控制。正常加工時，保證電極向同一方向小位移低速進給；當需要電極回退時，進行大位移快速回退。其控制流程如圖2所示。

4 運動控制軟件設計

本課題選用的NI公司的PCI-7350運動控制卡由于其可靠性高、軟硬件高度開放性得到了廣泛使用。它采用以32位的CPU和DSP為核心的雙處理器架構，用于實時控制，定制的FPGA讓其有更出色的表現(xiàn)。該運動控制卡的驅動軟件NI-Mo?tion提供了豐富的函數(shù)，用于運動控制、狀態(tài)監(jiān)測、信號處理等。PCI-7350控制卡可以通過其本身自帶的MAX軟件實現(xiàn)多種運動的基本操作及系統(tǒng)調(diào)試。采用同是NI公司開發(fā)的labview軟件編寫控制軟件，能夠更充分地發(fā)揮該運動控制卡的優(yōu)勢。

本文當中，工控機和PCI-7350多軸運動控制卡作為上下位機共同組成微細電火花加工裝置的控制系統(tǒng)，分擔完成整個系統(tǒng)的控制任務。因此運動控制軟件開發(fā)包括工控機和運動控制卡開發(fā)兩個部分。

4.1上位機控制軟件的開發(fā)

圖2 伺服控制流程圖

工控機作為微細電火花加工裝置控制系統(tǒng)的上位機，預裝Window2007操作系統(tǒng)，利用G語言Labview開發(fā)上位機控制系統(tǒng)，調(diào)用控制卡驅動軟件NI-Motion函數(shù)庫中的各類運動控制函數(shù)和參數(shù)設置功能函數(shù)，實現(xiàn)直觀方便快捷地開發(fā)上位機軟件。開發(fā)出來的系統(tǒng)具有人機交互、加工模式選擇、運動軸參數(shù)實時顯示、緊急停止、間隙電壓實時顯示等功能。由于開發(fā)工具Labview本身圖形化語言的特點，使上位機界面開發(fā)和其他功能集成變得簡便，從而讓整個開發(fā)過程更注重控制方面功能的實現(xiàn)。

4.2 下位機控制軟件的開發(fā)

下位機PCI-7350運動控制卡提供的函數(shù)庫，包含了豐富的運動控制指令和軌跡發(fā)生算法，為電火花加工裝置的運動控制系統(tǒng)開發(fā)提供了方便，對于下位機軟件的開發(fā)，充分利用了控制卡的開放性，主要包括通用I/O端口控制模塊、位置監(jiān)控模塊。通用I/O端口控制模塊可以通過設置通用端口控制函數(shù)參數(shù)，選擇可用端口地址與輸入與輸出電信號電壓范圍。位置監(jiān)控模塊可以通過設置控制卡內(nèi)部參數(shù)實現(xiàn)，用于實施提取各軸位置狀態(tài)，根據(jù)各軸上的位置傳感器輸出信號判斷軸是否達到位置極限。

5 結束語

本文中以PCI-7350多軸運動控制卡為核心對微細電火花加工裝置的硬件與軟件進行了設計，采用PC工控機+運動控制卡的硬件控制結構，利用圖形編程語言Labview開發(fā)了系統(tǒng)的控制程序，并設計了良好的人機交互界面。以多軸運動卡為核心的微細電火花控制系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、穩(wěn)定性強、實時能力強等優(yōu)點。

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Using Multi-Axis Controller in Control System of Micro-EDM Machine

ZHANG Wei，GUO Zhong-ning，LIAN Hai-shan，HAN Rui-cong，HE Jun-feng
（School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

A control system of micro-EDM equipment with programmable multi-axis controller named PCI-7350 was proposed.It introduces the design of the machine and he functions and opening of the PCI-7350 in the paper.And it is to analyze the basic theory of the control system.The overall design scheme and basic hardware configuration of the control system are presented in detail， then the software design method and function realization are following.With the control system real-time control and servo control are achieved.

programmable multi-axis controlle；micro electrical discharge machining；control system

TP23

：A

：1009－9492(2014)10－0034－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.009

張 偉，男，1986年生，河南人，碩士研究生。研究領域：微細特種加工。

(編輯：向 飛)

2014－04－04