CN104741718B - 一种快走丝线切割控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快走丝线切割控制系统，包括基于单板机的控制器，所述控制器包括现场控制器和远程控制器；所述远程控制器向现场控制器发送加工代码，并接收来自现场控制器的加工进度信息。增加在传统单板机控制器的基础上增加了远程控制器，不仅具有加工的稳定和可靠性的优势，而且还具备了编控一体的功能。基于ARM的远程控制器体积小，携带方便。远程控制器和现场控制器之间除可以采用无线通讯方式传输代码，避免工人为传输加工代码频繁移动PC机，减轻工人的无效工作量。远程控制器和现场控制器可单独工作，增加加工灵活性，远程控制器可以显示加工过程，使加工更加直观，便于监控。采用51单片机控制步进电机，减少光耦隔离器，减少生产成本。

Description

一种快走丝线切割控制系统

技术领域

本发明涉及数控机床控制领域，具体涉及一种快走丝线切割控制系统。

背景技术

20世纪中期，苏联拉扎林科夫妇研究开关触电受到火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。线切割技术综合了精密加工、智能制造技术、敏捷制造技术等多方面先进制造技术，是关乎制造业竞争优势的重要课题。电火花线切割加工(WEDM)工作原理是利用移动的细金属丝作为工作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成型。这种方法特别适用于加工各种硬度不同、难以加工的材料(如钛合金、高温合金等)和形状结构复杂的工件，并且通过这种方法加工的工件具有很高的尺寸精度和表面光洁度，因此在航空航天制造业中得到了广泛的应用。

电火花线切割加工技术分为快走丝和慢走丝。快走丝是我国独创的线切割加工技术，80年代时高速走丝电火花线切割机成为中国数控机床市场中产量最大、普及最广的机床种类之一。90年代计算机的推广也使得线切割机得到了长足发展。目前高速走丝电火花线切割机仍为我国特有，它结构简单，价格低廉，适用于大厚度工件和大电流高速切割，能满足大多数场合的加工需求，但这类机床较慢速走丝电火花加工技术精度较低、稳定性较差。

快走丝系统正在日趋完善中，上海大量电子设备有限公司已成功开发生产了数字程序控制短程往返走丝系统,根据加工条件设定正向移动和反向移动的时间,以消除高速走丝的换向切割条纹,改善加工表面质量；北京阿奇工业电子有限公司根据高速走丝正向和反向移动张力不一的缺点,开发了新型的恒张力高速走丝机构；苏州沙迪克三光机电有限公司开发生产的机床可以稳定切割72°的锥形零件。以上种种均表明近几年来我国在电火花线切割机床领域已经有了较大的进步，而未来仍然有广阔的发展空间。

现有快走丝线切割控制器主要有两种：编控一体和单板机。编控一体系统利用PC机作为控制器，并且可以实现加工代码自动编程以及加工过程显示等功能，但是编控一体系统PC机一般运行windows98或者dos系统，其长时间运行往往导致可靠性和稳定性下降；单板机控制器利用单片机作为控制器，稳定性和可靠性比编控一体系统高，但是无法进行加工代码自动编程和加工过程显示。此外，现有单板机控制器只有底层控制器，传输加工代码时需要频繁移动PC机。

发明内容

本发明提供了一种快走丝线切割控制系统，具备两个控制器，增加了加工控制的灵活性。

本发明解决问题的技术方案为：

一种快走丝线切割控制系统，包括基于单板机的控制器，所述控制器包括现场控制器和远程控制器；所述远程控制器向现场控制器发送加工代码，并接收来自现场控制器的加工进度信息。

所述的远程控制器与现场控制器可相互独立工作，也可以联合工作。在本发明的控制系统中，增加了远程控制器，可以通过远程控制器和现场控制器输入加工代码，增加了操作的灵活性，而且现场控制器可以向远程控制器发送加工进度信息，便于远程监控。

作为优选，所述远程控制器包括：

第一输入模块，用于输入指令；

ARM处理器，运行有Linux系统，用于读取所述指令并以加工代码的形式进行输出；

第一通讯模块，用于发送所述加工代码和接收加工进度信息；

第一显示模块，用于处理所述加工进度信息并转换成图像；

所述现场控制器包括：

第二通讯模块，用于接收来自第一通讯模块的加工代码并向第一通讯模块发送加工进度信息；

第二输入模块，用于手动输入加工代码；

ARM微处理器；用于读取来自第二通讯模块或者第二输入模块的加工代码，并将加工代码转化成控制线切割机的控制信号；

第二显示模块，用于处理加工进度信息并转换成图像。

在上述优选方案中，集成了自动编程和远程显示的功能，单板机控制器体积小稳定性高，而且可以具备现有的编控一体系统PC机的功能。

作为优选，所述指令以图纸文件或者加工代码形式输入，所述图纸文件内的图形坐标信息经ARM处理器解析后转化为加工代码。

作为优选，所述第一通讯模块和第二通讯模块同时为无线通讯模块和有线通讯模块中的一个，或者所述第一通讯模块和第二通讯模块为无线通讯模块和有线通讯模块的集合。

所述远程控制器与现场控制器之间无线传输加工代码的过程与有线传输过程基本一样，只是在无线传输过程中需要对传输数据进行加密和解密以防传输错误。例如在ARM处理器上运行加密算法，ARM微处理器上运行解密算法。所述远程控制器还可通过无线通讯组态方式与多台现场控制器同时通讯，易于降低成本。

作为图纸文件的优选，所述图纸文件包括CAD图纸和现场绘制的图形。CAD图纸文件的格式为dxf，是一种CAD制图标准格式，解析该格式文件可得到图形坐标信息，根据该坐标信息可得到相应代码。用户现场画图时，加工代码自动编程模块记录用户画图过程中每段图形的坐标，根据坐标得到相应代码，根据坐标信息得到代码过程相当于现场控制系统中加工代码解析的逆过程，具体根据坐标按照代码格式生成相应字符串。

作为优选，所述ARM微处理器连接有用于控制步进电机的51单片机。ARM微处理通过串口把相序信号发送给51单片机，通过51单片机直接控制步进电机，51单片机具备强弱电隔离，减少光耦隔离器，减少生产成本。

作为优选，所述第一显示模块连接有VGA显示器，所述VGA显示器用于显示加工图形和加工进度。

作为优选，所述第二输入模块连接有用于键入代码的键盘，以及捕获键盘值并将键盘值输送给ARM微处理器的51单片机。通过键盘输入加工代码的过程由微控制器和51单片机共同完成。键盘优选矩阵键盘，用户按照加工代码格式依次在键盘上输入代码，51单片机捕捉用户输入的键盘值，并同时通过有线串口传输到ARM微处理器，ARM微处理器根据代码格式解析键盘值序列并获取最终的加工代码。

作为优选，所述第二显示模块连接有数码管。所述数码管用于显示基本的加工信息。

本发明的有益效果在于：

(1)增加在传统单板机控制器的基础上增加了远程控制器，不仅具有加工的稳定和可靠性的优势，而且还具备了编控一体的功能。基于ARM的远程控制器体积小，携带方便。

(2)远程控制器和现场控制器之间除了可以采用有线方式传输代码外，还可以采用无线通讯方式传输代码，避免工人为传输加工代码频繁移动PC机，减轻工人的无效工作量。

(3)远程控制器和现场控制器可单独工作，增加加工灵活性，远程控制器可以显示加工过程，使加工更加直观，便于监控。

(4)采用51单片机控制步进电机，减少光耦隔离器，减少生产成本。

附图说明

图1为本发明的线切割机控制系统的结构框图。

图2为本发明的现场控制器的原理图。

图3为本发明的线切割机控制系统的工作流程图。

图4为本发明的现场控制器补偿流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明的线切割机控制系统，分为远程控制器和现场控制器。

远程控制器包括ARM处理器，以及与ARM处理器连接的第一显示模块、加工代码自动编程模块和第一通讯模块。加工代码自动编程模块连接有第一输入模块，第一输入模块通过相应接口与鼠标、键盘和U盘连接。鼠标和键盘结合可以现场绘制需要加工的图形。U盘用于向第一输入模块输入CAD图纸，第一输入模块将CAD图纸传输给加工代码自动编程模块，加工代码自动编程模块内运行有自动编程算法，加工代码自动编程模块读取并解析CAD图纸可得到图形坐标信息，根据该坐标信息可得到相应加工代码。加工代码自动编程模块将加工代码传输给ARM处理器，ARM处理器再传输给第一通讯模块，第一通讯模块向外发送加工代码。

第一显示模块连接有VGA显示器，通过VGA显示器可以直观地观察到加工图形和加工进度。第二显示模块连接有数码管。数码管也能显示一些加工信息，但是不够直观。

现场控制器包括ARM微处理器，以及与ARM微处理器连接的第二通讯模块、第二输入模块和第二显示模块。第二通讯模块与第一通讯模块通过有线或者无线的方式进行数据交换，第一通讯模块向第二通讯模块发送加工代码信息，第二通讯模块向第一通讯模块发送加工进度信息。

第二输入模块连接有51单片机和矩阵键盘，用户在矩阵键盘上输入代码，51单片机捕捉键盘值，并通过第二输入模块传送到ARM微处理器。ARM微处理器上还连接有控制步进电机的51单片机。采用51单片机控制步进电机，可以减少光耦隔离器，减少生产成本。

如图2所示，为现场控制器的原理图，其中ARM微处理器采用的是STM32处理器，该处理器使用的是32位ARMCortex内核，最大工作频率可达72MHz，和8/16位设备相比，该控制器提供了更高的代码效率。STM32处理器内置512KB的嵌入式Flash，可用于存储较多程序和加工参数。其有三种低功耗模式，休眠、停止和待机模式。断电之后使用一个5V锂电池对STM32处理器供电使其进入休眠模式，当上电之后使其进入加工模式，通过上述方法可以完成控制器断电保护的功能。STM32处理器具有11个定时器和5个UART接口，定时器可用于判断电极丝是否有短路以及当发生短路时用于产生脉冲让电极丝回退，UART接口包括键盘接口、数码管接口、无线通讯接口、51单片机接口和机床接口。

第二通讯模块采用无线通讯模块，具体采用“XBEE PRO 900HP”，输出功率为250mW，传输速率为200kbps，传输距离为1公里(无遮挡)。

远程控制器采用ARM11微处理器，利用3个USB接口即可与U盘、键盘和鼠标通讯。而linux系统自带VGA驱动，ARM11微处理器具有VGA总线。搭建远程控制器编程环境主要有以下步骤：

1)、在运行Linux系统的PC机上搭建嵌入式开发环境；

2)、根据UBoot源码和ARM11具体的芯片，剪裁编译源码，生成具体的bootloader，烧录到ARM11中；

3)、剪裁交叉编译Linux源码，烧录到ARM11中；

4)、交叉编译文件系统，烧录到ARM11。

加工代码自动编程模块基于QT开发，主要用于加工代码自动编程，用户可根据自己加工需要画出轨迹图，然后生成加工代码；也可直接读取CAD图纸，并且生成加工代码。该加工代码自动编程模块可直接通过串口(无线或者有线)发送代码给现场控制器，用户也可通过U盘读取加工代码经该系统发送代码到现场控制器。

如图3和图4所示，本发明加工流程如下：

1.加工代码的输入

加工代码的输入方式有两种，一种是从现场控制器中的键盘输入，另一种是通过远程控制器通过有线和无线两种方式将加工代码传输给现场控制器。

2.加工代码的解码

加工代码解码需要运行相应的解码算法，该解码算法运行在现场控制器的ARM微处理器中。加工代码为一定格式的字符串，ARM微处理需对其进行解码才能用于加工运算。现场控制器能够同时解析国际G代码和3B代码。传统单板机和编控一体系统只能通过3B代码进行轨迹加工，该种方式限制了线切割机的应用范围。

3.加工代码补偿

加工代码补偿需要运行相应的补偿算法，该补偿算法运行在ARM微处理器中。电极丝具有半径且电火花具有放电间隙，若不对加工代码进行补偿会导致实际得到的加工轨迹变大或者变小。

加工代码补偿具有圆角和尖角补偿两种方式，圆角补偿是指在两段加工代码之间加入过渡圆弧，这种补偿方式补偿算法简单，但是实际的轨迹拐角和期望轨迹不同；尖角补偿补偿算法较复杂，但是实际轨迹拐角为尖角。每种补偿方式都需考虑直线与圆相交，圆与直线相交，直线与直线相交和圆与圆相交等情况。

4.快速校零

ARM微处理器中运行有相应的快速校零算法。快走丝线切割机在加工之前需对所加工图形进行封闭性检查，而该快速校零算法模拟实际加工过程可计算每段加工代码加工完毕后电极丝所在位置的坐标值，若执行完全部代码后计算得到的电极丝位置为原点即可说明该图形是封闭的。

5.加工图形

5.1.加工二维图形

加工图形过程涉及现场控制器和远程控制器。现场控制器用于发送加工指令给切割设备，并向远程控制器返回加工进度信息，VGA显示器显示出加工进度和加工图形。

执行加工流程如下：

1)首先需在底层微控制器中根据加工代码运行插补运算，把计算结果保存到加工缓冲区；

2)微控制器在中断程序中根据脉冲信号的频率产生步进电机所需的相序信号。传统线切割控制器根据该信号通过光耦隔离器(强弱电隔离)直接控制步进电机，这样不仅增加电路成本，还导致电路面积过大，携带不便；

3)通过串口把相序信号发送给51单片机，通过51单片机直接控制步进电机，51单片机具备强弱电隔离；

4)微控制器在加工的同时记录当前加工进度，并且把加工进度分别发送给数码管和远程控制器。

5.2.加工三维图形

加工三维图形与二维图形类似，重复步骤5.1即可。加工三维图形有等锥体和上下异形两种锥度加工方式。等锥体加工通过钼丝倾斜进行三维加工，最后得到的工件每个表面锥度相等；上下异形锥度加工通过四轴联动方式，根据上下表面加工轨迹设计出加工算法，并且在加工中实时对导轮半径进行补偿。

6.误差计算及补偿

ARM微处理器中运行有相应的误差算法和补偿算法，误差计算可在加工过程对每段代码计算理论值，根据该理论值对实际插补进行补偿消除加工误差。现有控制器加工代码过程没有误差消除，每段代码的误差会一直累积，导致最后加工误差巨大。

7.短路回退

现场控制器向线切割设备传输不同频率的脉冲信号，线切割设备根据脉冲信号频率进行加工，若脉冲信号消失，即频率为0时证明电极丝与工件发生短路，此时需要运行短路回退算法使电极丝按原加工轨迹回退一定距离，这样可使工件和电极丝分开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快走丝线切割控制系统，包括基于单板机的控制器，其特征在于，所述控制器包括现场控制器和远程控制器；所述远程控制器向现场控制器发送加工代码，并接收来自现场控制器的加工进度信息，远程控制器包括：

第一输入模块，用于输入指令；

ARM处理器，运行有Linux系统，用于读取所述指令并以加工代码的形式进行输出；

第一通讯模块，用于发送所述加工代码和接收加工进度信息；

第一显示模块，用于处理所述加工进度信息并转换成图像；

所述现场控制器包括：

第二通讯模块，用于接收来自第一通讯模块的加工代码并向第一通讯模块发送加工进度信息；

第二输入模块，用于手动输入加工代码；

ARM微处理器；用于读取来自第二通讯模块或者第二输入模块的加工代码，并将加工代码转化成控制线切割机的控制信号；

第二显示模块，用于处理加工进度信息并转换成图像。

2.如权利要求1所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述指令以图纸文件或者加工代码形式输入，所述图纸文件内的图形坐标信息经ARM处理器解析后转化为加工代码。

3.如权利要求1所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述第一通讯模块和第二通讯模块同时为无线通讯模块和有线通讯模块中的一个，或者所述第一通讯模块和第二通讯模块为无线通讯模块和有线通讯模块的集合。

4.如权利要求2所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述图纸文件包括CAD图纸和现场绘制的图形。

5.如权利要求1所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述ARM微处理器连接有用于控制步进电机的51单片机。

6.如权利要求1所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述第一显示模块连接有VGA显示器，所述VGA显示器用于显示加工图形和加工进度。

7.如权利要求1所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述第二输入模块连接有用于键入代码的键盘，以及捕获键盘值并将键盘值输送给ARM微处理器的51单片机。

8.如权利要求1所述的快走丝线切割控制系统，其特征在于，所述第二显示模块连接有数码管。