MS-WEDM工作液智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

郭翠霞，劉 康，楊大志，李 歡

（1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，自貢643000；2.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，自貢643000；3.人工智能四川省重點實驗室，自貢643000）

我國高速走絲電火花線切割機(jī)床成功地采用了多次切割技術(shù)，能有效地改善加工工藝水平。多次切割技術(shù)[1]是對工件實施多次切割，即第一次高速切割成形，俗稱“粗加工”，第二次及以上提高形狀精度和工件表面質(zhì)量，俗稱“精加工”。業(yè)界將這種具有多次切割功能的高速走絲電火花線切割機(jī)床稱為中走絲電火花線切割機(jī)床MS-WEDM（medium-speed wire cut electrical discharge machining）。目前，MS-WEDM仍存在加工精度穩(wěn)定性差的缺陷[2]。工作液是放電介質(zhì)，高頻電壓擊穿絕緣工作液并形成放電通道，局部瞬間高溫（10000℃以上）熔化和氣化金屬，完成金屬切割加工后，工作液又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。因此工作液電導(dǎo)率的大?。ń殡娦阅埽O大的影響放電效果[3-4]。

根據(jù)MS-WEDM機(jī)床多次切割的特點，文獻(xiàn)[5-6]研究了工作液智能交換控制系統(tǒng)，即采用2套工作液供給系統(tǒng)滿足粗、精加工需求。本文將在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上[6]研究該裝置的系統(tǒng)控制思路，即研究工作液智能控制系統(tǒng)的控制流程，并對控制程序編譯。

1 工作液智能控制系統(tǒng)方案

MS-WEDM工作液智能控制裝置如文獻(xiàn)[5-6]所示，與傳統(tǒng)的高速走絲電火花線切割機(jī)床的工作液供給系統(tǒng)相比，該工作液供給裝置分別有粗、精加工2個工作液槽，并形成粗加工和精加工2個工作液回路。單片機(jī)采集工作液電導(dǎo)率，并根據(jù)電導(dǎo)率值判斷粗、精工作液箱；單片機(jī)根據(jù)機(jī)床信號判別加工狀態(tài)（粗加工或精加工），當(dāng)機(jī)床加工信號為一次切割或多次切割中第一次（粗加工）時，系統(tǒng)控制粗加工工作液供給回路工作，供給粗加工工作液；當(dāng)機(jī)床加工信號為第二次及以上時（精加工），系統(tǒng)控制切換工作液回路，提供精加工工作液。系統(tǒng)控制相應(yīng)電磁閥的開與閉，實現(xiàn)粗、精加工時工作液供給系統(tǒng)的智能交換，滿足粗、精加工的工藝要求。

工作液智能控制系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)由信號輸入回路、單片機(jī)和執(zhí)行元件三部分構(gòu)成。輸入回路有工作液電導(dǎo)率信號、溫度傳感器信號、加工狀態(tài)信號等；單片機(jī)為STC89C58RD+；執(zhí)行元件有繼電器、電磁閥等。電導(dǎo)電極和溫度探頭分別對工作液的電導(dǎo)特性和溫度進(jìn)行采集，采集到的2個信號進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)部處理，發(fā)出相應(yīng)控制電磁閥的信號。單片機(jī)將采集到的工作液電導(dǎo)率和溫度信號經(jīng)過處理最后顯示在串口屏上面。

圖1 工作液智能控制系統(tǒng)方案Fig.1 Solutions of the working liquid intelligent control system

2 工作液智能控制流程

工作液智能控制流程如圖2所示。工作液智能控制系統(tǒng)要完成系統(tǒng)開機(jī)自檢，對工作液電導(dǎo)率進(jìn)行實時采集，并自動判別具體粗、精工作液箱。自檢完成后，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，即等待機(jī)床加工信號。當(dāng)機(jī)床開始加工時，系統(tǒng)立即開啟水泵，然后根據(jù)相應(yīng)的機(jī)床加工狀態(tài)，開啟/關(guān)閉相應(yīng)電磁閥。

圖2 工作液智能控制流程Fig.2 Flow chart of the working liquid intelligent control system

按照圖2所示，單片機(jī)控制步驟為①上電復(fù)位；②初始化函數(shù)對硬件進(jìn)行初始化；③進(jìn)行開機(jī)自檢流程；④等待加工信號；⑤有加工信號即開啟指定繼電器控制的電磁閥；⑥主程序進(jìn)行工作液電導(dǎo)率和溫度的實時采集，并顯示在串口屏上；⑦不斷地檢測加工標(biāo)志位來判斷是否在加工；⑧加工結(jié)束信號出現(xiàn)，關(guān)閉電磁閥總開關(guān)，結(jié)束工作液的輸送；⑨結(jié)束加工，系統(tǒng)等待。

軟件系統(tǒng)程序包括各模塊初始化程序、溫度傳感器程序、A/D模塊TLC2543轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、串口屏顯示程序、自動換擋檢測程序及電磁閥程序等。各軟件系統(tǒng)模塊分別用C51語言編寫、編譯和調(diào)試，運用主控程序Main（）來調(diào)用各模塊程序。

2.1 初始化模塊設(shè)計

系統(tǒng)初始化主要完成的任務(wù)是使系統(tǒng)進(jìn)入初始化，為正常工作做好準(zhǔn)備。主要完成軟件初值的設(shè)定，微處理器內(nèi)存、I/O口、硬件電路的初始化。

在程序設(shè)計中，運用到了很多定時器中斷、I/O口中斷、A/D采樣中斷和數(shù)據(jù)串接通訊中斷等等，中斷是CPU中止正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去處理特殊事件的操作，是CPU與外圍設(shè)備進(jìn)行輸出/輸入的有效方法。故需要對T0、T1的工作方式、定時時間進(jìn)行初始化、對外部中斷和中斷控制初始化。

2.2 開機(jī)自檢程序流程

初始化完成后，必須進(jìn)行開機(jī)自檢，而開機(jī)自檢程序流程為①標(biāo)志位賦值（AB=1）；②發(fā)送字符到串口屏顯示自檢開始；③打開1號液箱，等待1 s使工作液到位；④開始數(shù)據(jù)采集（具體為10次）；⑤標(biāo)志位賦值（AB=2）；⑥等待1 s，1號液箱的工作液流回液箱；⑦打開2號液箱，等待1 s使工作液到位；⑧同樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（10次）；⑨比較1號液箱和2號液箱的電導(dǎo)率，自動判斷粗、精加工液箱；⑩關(guān)閉總開關(guān)，結(jié)束開機(jī)自檢。

2.3 工作液溫度采集子程序

溫度采集子程序主要是采集DS18B20的測量的工作液當(dāng)前的溫度值。DS18B20與單片機(jī)的連接采用外部電源供電模式[7]，單片機(jī)只需要與一個I/O端口相連就可以控制DS18B20，直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字碼方式串行輸出，大大簡化了傳感器與微處理器的接口，完成溫度采集。

單總線協(xié)議規(guī)定一條數(shù)據(jù)線傳輸串行數(shù)據(jù)，時序有嚴(yán)格的控制，對于DS18B20的程序設(shè)計，必須遵守單總線協(xié)議。DS18B20操作主要分初始化、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)。DS18B20出廠時配置為12位，最高位是符號位。單片機(jī)讀數(shù)據(jù)時每次讀2字節(jié)，共讀16位。讀完后，將其中的低11位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，然后乘以0.0625就獲得實際的溫度值；剩下的前5個數(shù)字是符號位，且同時變化，前5位為1時，讀取的溫度為負(fù)值；相反，前5位為0時，讀取的溫度為正值。

2.4 A/D模塊TLC2543驅(qū)動程序

系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的12位開關(guān)電容型逐次逼近數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC2543。硬件電路中TLC2543占用了4個單片機(jī)管腳，分別是時鐘CLOCK（P1^0）、輸入 D_IN（P1^1）、輸 出 D_OUT（P1^2）、片 選 _CS（P1^3）。TLC2543片內(nèi)集成了12路為外部模擬量輸入和3路為片內(nèi)自測電壓輸入，一共15路多路開關(guān)。在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC引腳都自動置高，轉(zhuǎn)換過程中由片內(nèi)時鐘系統(tǒng)提供時鐘，不用外部時鐘的接入。

其具體操作流程為①主程序發(fā)送通道號到TLC子程序中；②CS片選置高、EOC置高、時鐘置0；③拉低片選CS=0；④通道port左移4位；⑤準(zhǔn)備讀取第一位數(shù)據(jù)；⑥通道0數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，上升沿鎖存進(jìn)TLC2543，寫進(jìn)高位數(shù)據(jù)；⑦時鐘CLOCK上升沿保持；⑧時鐘CLOCK下降沿保持；⑨接收變量ad左移1位，將最低位空出，以便裝入下一位數(shù)據(jù)；⑩循環(huán)12次接收完DATA_OUT的數(shù)據(jù)；11○轉(zhuǎn)換結(jié)束片選CS置高，ad由于接收完移位，故多左移1位結(jié)束后要右移1位；12○返回ad的值到主程序；13○返回的值為0～4095，要轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓源的5 V對應(yīng)的電壓值公式為

2.5 Usart串口屏顯示子程序

在程序驅(qū)動時，單片機(jī)首先初始化串口。由于CPU默認(rèn)的115200的串口波特率，因此初始化程序就是初始化設(shè)置串口的波特率，其余參數(shù)均默認(rèn)，按照采集系統(tǒng)的串口參數(shù)設(shè)置即可。再將一個BYTE發(fā)送到串口發(fā)送端，判斷發(fā)送標(biāo)示等待發(fā)送結(jié)束，結(jié)束后繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)。編寫串口顯示程序時，將顯示界面分成固定不變與需刷新的兩部分。將每個界面都分成SETUP（）和LOOP（）2個結(jié)構(gòu)，在SETUP（）中完成界面以及各個變量的初始化，再在LOOP（）中循環(huán)刷新顯示測量的數(shù)據(jù)。

串口屏對應(yīng)的界面設(shè)計軟件是GpuMaker V3.0 B1229。軟件有串口命令、字符點陣、圖像處理和幫助與說明4個菜單。界面設(shè)計程序主要在串口命令菜單下完成。設(shè)計好的界面直接通過“全部上傳”按鈕傳到串口屏的存儲芯片上。如圖3所示，串口屏主顯示界面分為3個區(qū)域、實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，系統(tǒng)報警值的設(shè)定區(qū)域和系統(tǒng)運行狀態(tài)區(qū)域。

圖3 串口屏顯示界面Fig.3 Display interface of a serial port screen

2.6 自動換擋程序及電磁閥控制程序

為了使工作液電導(dǎo)率采集達(dá)到精度，硬件設(shè)計了2個量程，量程的切換使用的是CD4051模擬開關(guān)。自動切換量程的程序思路為只需判斷電導(dǎo)率的切換閾值，在通過編程在每N次采集完成后（或者連續(xù)多少時間不在量程范圍內(nèi)）就自動跳到下一量程即可。

電磁閥的控制采用switch-case結(jié)構(gòu)，將繼電器使用的每種工況編譯到程序中，出現(xiàn)什么樣的工況自動調(diào)用函數(shù)，出現(xiàn)未知工況時，只需要在default中關(guān)掉繼電器總開關(guān)。

3 結(jié)語

工作液智能控制系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用程序由C語言編程。單片機(jī)C語言源程序經(jīng)過編輯、編譯生成目標(biāo)程序.BIN和.HEX文件，然后下載到單片機(jī)內(nèi)即可運行。該控制系統(tǒng)的調(diào)試C語言程序采用Keil51μVision2/DL。該系統(tǒng)采用模塊化編程思想編寫了A/D模塊TLC2543轉(zhuǎn)換程序設(shè)計，溫度傳感器程序，串口屏顯示程序和自動換擋程序及電磁閥控制程序等，各模塊分別運用C51語言編寫、編譯和調(diào)試，然后在主控程序Main（）來調(diào)用，這有利于程序的改寫和系統(tǒng)升級。該控制程序已下載到單片機(jī)并已完成軟、硬件調(diào)試。

[1]劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]湯泉，彭海寧.“中走絲”電火花線切割機(jī)床的特點[J].電加工與模具，2010（4）：75-76.

[3]郭翠霞，劉康，謝文玲.等.工作液電導(dǎo)率對MSWEDM加工工藝性指標(biāo)影響研究[J].機(jī)床與液壓，2014（6）：77-79.

[4]陸霖琰.基于復(fù)合工作液的高速往復(fù)走絲電火花線切割加工研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[5]李克君.電火花線切割機(jī)床工作液的智能交換方法及裝置[P].中國，CN1020078991A，2010-12-31.

[6]郭翠霞，劉康，謝文玲，等.電火花線切割機(jī)床工作液智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（4）：74-76.

[7]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.