CN109702280A - 一种小型电火花加工装置的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型电火花加工装置的控制系统，包括PC机，控制系统包括放电状态检测模块、比较模块、放大驱动模块、执行机构模块、虚拟控制平台和脉冲电源，放电状态检测模块通过AD模块硬件电路进行放电电压的取样，正确识别机床的放电状态，获得此时的机床放电的电压值，并且给虚拟控制平台提供信息，虚拟控制平台根据所获得的信息来控制脉冲电源的电参数，同时经过比较模块将设定值与放电状态检测模块所测的机床放电的电压值进行比较，进而判断放电状态，再根据放电状态信息来调节进给与后退，放大驱动模块根据比较模块的放电状态信息控制执行机构来调节机床，再采集放电状态形成闭环控制；本发明能对加工装置良好控制、检测和测试。

Description

一种小型电火花加工装置的控制系统

技术领域

本发明属于电火花加工装置技术领域，特别涉及一种小型电火花加工装置的控制系统。

背景技术

随着制造技术的发展，机械制造已经发展成一门科学，它向精度、成本和效率提出越来越高的要求，因此一种崭新的快速制造模式正在悄悄的形成。电火花加工是一种发展较为成熟、应用较为广泛的特种加工方法，它基于工具电极和工件之间的脉冲性火花放电的电蚀原理来去除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定要求。控制装置是电火花加工装置必不可少的组成部分，良好的控制系统是能否实现电火花加工的关键。目前的电火花加工装置的控制系统大都功能简单，操作不够简单，系统不够人性化。

基于以上原因，需要小型电火花加工装置的控制系统，使功能更加全面，通过本申请的技术方案可以很好地克服上述缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是克服背景技术中指出的缺陷，提供一种小型电火花加工装置的控制系统，来达到对加工装置的良好控制、检测和测试。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种小型电火花加工装置的控制系统，包括PC机，所述控制系统包括放电状态检测模块、比较模块、放大驱动模块、执行机构模块、虚拟控制平台和脉冲电源，所述放电状态检测模块通过AD模块硬件电路进行放电电压的取样，正确识别机床的放电状态，获得此时的机床放电的电压值，并且给虚拟控制平台提供信息，虚拟控制平台根据所获得的信息来控制脉冲电源的电参数，同时经过比较模块将设定值与放电状态检测模块所测的机床放电的电压值进行比较，进而判断放电状态，再根据放电状态信息来调节进给与后退，放大驱动模块根据比较模块的放电状态信息控制执行机构来调节机床，虚拟控制平台再采集放电状态形成闭环控制。

优选的，所述放大驱动模块采用JK402M式步进电机驱动器，将比较模块得到的放电状态信息放大，来驱动执行机构模块。

优选的，所述执行机构模块采用森创公司生产的42BYG两相混合式步进电机，所述42BYG两相混合式步进电机采用24V直流电压驱动、静态相电流为1.5A，只需对所述42BYG两相混合式步进电机两相绕组进行通电就能转动。

优选的，所述虚拟控制平台采用LABVIEW编程，LABVIEW通过RS232串口通讯连接有52系列单片机。

优选的，所述虚拟控制平台采用LABVIEW编程，虚拟控制平台能直接从LABVIEW软件中调用通信功能模块。

优选的，所述LABVIEW能将放电状态检测模块所检测到的电压值信号做数据处理，判断放电状态。

优选的，所述52系列单片机采用AT89S52单片机，LABVIEW作为上位机，AT89S52单片机作为下位机。

优选的，所述LABVIEW的软件设计，工作界面包括输入模块、开关模块与显示模块，输入模块包括工作液温度上限值、电压检测次数设定值、加工参数和通信串口设置；所述开关模块包括X、Y、Z轴点动，X、Y、Z轴靠模，连续加工按钮与停止按钮；所述显示模块包括工作液温度值和放电状态显示。

优选的，所述X、Y、Z轴靠模是通过电极与工件之间的相互短路，单片机根据此时的位置坐标判定就是工件的位置，通过X、Y、Z轴三个方向进行靠模把工件的空间坐标确定，同时设定此时的位置坐标为初始坐标，通过LABVIEW控制界面上的X、Y、Z轴点动按钮移动X、Y、Z轴，将主轴移动到所需加工的位置，进行下一步连续加工操作。

优选的，所述设定值包括上限电压和下限电压。

优选的，所述比较模块是将放电状态检测模块所测的机床放电的电压值与上限电压、下限电压进行比较，超过上限电压的是开路状态，低于下限电压的是短路状态，在两电压之间的波形再经过带通滤波器、整压、放大、积分函数，把所得积分值与上限电压、下限电压进行比较，超过上限电压的是正常火花放电，低于下限电压的是电弧放电，处于二者之间的是过渡电弧。

优选的，所述积分函数使用积分器来计算。

优选的，所述AD模块硬件电路部分包括AT89S52单片机、A/D模块ADC0809、D触发器74LS74、锁存器74LS373或非门74LS02、放电电压检测电路和温度信号测量电路，AD模块硬件电路首先进行放电电压的取样，再送入到PC机中作数据处理。

优选的，所述放电电压检测电路采用电阻分压检测法。

优选的，所述温度信号测量电路选用PT100作为直接测量仪器，PT100是一个热敏电阻，其阻值随着温度的变化而改变，PT100输出信号与温度之间呈线性函数关系，与PT100配合使用的仪器包括温度变送器，温度变送器将PT100的输出信号转化成0～5v的电压信号送入到ADC0809的模拟信号输入端。

本发明的有益效果：本发明解决了市场上小型电火花加工装置的控制系统功能简单，操作困难，系统不够人性化的问题。该控制系统在原来的基础上增加了放电检测功能，放电状态检测系统决定了电火花加工系统的精度，工作人员可以根据实时检测的放电状态对加工装置进行调节，使装置一直处于最佳的放电状态。使用LABVIEW软件，该软件易于编程、理解和修改，具有强大的人机交互设计能力、数据可视化分析能力；与电脑相连，将相关信号处理交给电脑，丰富和增强了传统仪器的功能。基于LABVIEW的放电状态检测方法，可以避免传统的复杂检测电路，可以大大简化检测电路，用数据处能力强大的计算机代替复杂的数字电路部分，且编程简单、易懂，极易被非专业编程人员所接受。采用52系列单片机，电脑可以通过中断的方式随时接受单片机所发送的温度测量信号和放电状态检测电压。

附图说明

图1为电火花加工装置控制系统的结构图；

图2为JK402M式步进电机驱动器；

图3为电火花放电时的电压波形图；

图4为单片机与RS232的接口电路；

图5为步进电机驱动器具体接口电路；

图6为ADC0809外围接口电路；；

图7为加工工件与电极相对位置确定的程序流程图；

图8为电火花放电加工控制流程图。

1、放电状态检测模块；2、比较模块；3、放大驱动模块；4、执行机构；5、虚拟控制平台；6、脉冲电源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，控制系统总体设计，小型电火花加工装置的控制系统包括放电状态检测、比较环节、放大驱动环节、执行机构、调节对象、虚拟控制平台、脉冲电源。

一种小型电火花加工装置的控制系统，还包括PC机，所述放电状态检测模块1通过AD模块硬件电路进行放电电压的取样，正确识别机床的放电状态，获得此时的机床放电的电压值，并且给虚拟控制平台5提供信息，虚拟控制平台5根据所获得的信息来控制脉冲电源6的电参数，同时经过比较模块2将设定值与放电状态检测模块1所测的机床放电的电压值进行比较，进而判断放电状态，再根据放电状态信息来调节进给与后退，放大驱动模块3根据比较模块2的放电状态信息控制执行机构4来调节机床，虚拟控制平台5再采集放电状态形成闭环控制。

放大驱动环节采用JK402M式步进电机驱动器，如图2所示，该驱动器采用光电隔离技术，将输入信号和功率放大信号隔离，提高抗干扰能力；该驱动器将比较环节得到的控制信号放大，来驱动执行机构。

执行机构采用森创公司生产的42BYG两相混合式步进电机，该步进电机采用24V直流电压驱动、静态相电流为1.5A，只需对步进电机两相绕组进行通电，步进电机就能转动。

放电状态检测方法采用一种基于LABVIEW软件的检测方法，该方法应用平均电压检测与高频分量检测相结合的方法进行检测。具体思想是：通过直流平均函数测量各种波形的单相全波整流电压平均值：

单向全波整流电压的平均值为

其中，U₀为单相整流后的平均电压，U为输入的电压值

将电压平均值与设定上限电压、下限电压进行比较，超过上限电压的是开路状态，低于下限电压的是短路状态。在两电压之间的波形再经过带通滤波器、整压、放大、积分函数，积分函数使用积分器来计算，把所得积分值与设定上限、下限值进行比较，超过上限值的是正常火花放电，低于下限值的是电弧放电，处于二者之间的是过渡电弧。电火花放电时的电压波形图如图3所示。

平均电压检测法：由电火花加工的电压波形可知，在稳定的加工过程中其平均电压应处于某一个区间内。设置不同的电压门槛，较简单的将空载与短路给检测出来。当平均电压超过某一个上限值(根据不同的加工条件，所设置的不同加工电压决定)时，就可以认为是空载；当平均电压低于某一下限值时，同样可以认为是短路。理论上还可以在上限值与下限值之间设置电压参考值，以区分正常放电、过渡电弧、稳定电弧。但是，电压采集电路并不是间隙电压的全部采集，而是通过分压电路采集低电压值，来反映间隙电压。导致所采集的正常放电、过渡电弧、稳定电弧平均电压很接近，再加上加工时外界干扰，极容易出现放电状态误判。

高频分量检测法：通过各种放电波形的高频分量不同，来进行分辨的一种间接方法。将各种波形通过一个带通滤波器，可以将五种状态大致分成三类：空载、开路、稳定电弧基本上没有高频分量，通过带通滤波器后，幅值为零；正常火花放电，存在大量的高频分量，经过带通滤波器、积分电路，幅值应该最大；过渡电弧存在少量的高频分量，经过带通滤波器、整压电路，幅值应该较小。但是不能很好的将空载、开路、稳定电弧给分辨出来，加上实现高频分量检测的电路极为复杂且不稳定。

虚拟控制平台，采用LABVIEW编程，LABVIEW通过RS232串口与52系列单片机通信，可以直接从LABVIEW软件中调用通信功能模块；放电状态检测电路所检测到的电压信号，也可以直接由LABVIEW对此信号做强大的数据处理，最后分辨出属于哪种放电状态。

52系列单片机采用AT89S52单片机，LABVIEW作为上位机，单片机作为下位机，二者之间通过RS232串口完成LABVIEW与单片机的相互通信。用LABVIEW设计小型电火花加工装置的操作界面，完成PC机对单片机发送操作指令(脉宽、脉间、工作液温度值上限、跳升高度、加工深度等指令)；以及对单片机发送上来的电压采集值进行实时处理、工作液温度值的显示；点击操作界面上的连续加工、暂停、X、Y、Z轴点动、X、Y、Z靠模按钮，可以实现加工装置的加工、暂停与X、Y、Z轴运动。

52单片机与RS232接口电路如图4所示，此硬件电路部分主要包括AT89S52单片机、MAX232芯片与RS232接口。利用单片机上的P3.0、P3.1构成的全双工异步串行口通过MAX232芯片，完成单片机与RS232的连接。

步进电机驱动器接口电路如图5所示，本设计所使用得是两相混合式步进电机，采用24V直流电压驱动、静态相电流为1.5A，而单片机的一般输入输出口驱动能力极弱，需步进电机驱动器JK402M作为桥接。此处采用共阳极接法，将CP+、U/D+连接到+5的工作电源上；FREE+、FREE-悬空；CP-、U/D-分别连接单片机的输入输出口P1.2～P1.7。步进电机驱动器的输出口A+、A-、B+、B-分别连接步进电机驱动接口的6、7、8、9上。

AD模块硬件电路如图6所示，该电路部分由单片机、A/D模块ADC0809、D触发器74LS74、锁存器74LS373、或非门74LS02、放电电压检测电路、温度信号测量电路构成，该电路首先进行放电电压的取样，再送入到计算机中做强大的数据处理；放电电压检测电路采用电阻分压检测法，将加工时的放电电压值通过一个整流桥(当加工极性发生改变时，所检测到的平均电压极性不变)，所得到的电压信号再通过一个电阻进行分压，从中取出0～5v电压信号送入到ADC0809的模拟信号输入端。温度信号测量电路选用PT100作为直接测量仪器，PT100是一个热敏电阻，其阻值随着温度的变化而改变，PT100输出信号与温度之间呈线性函数关系。PT100还需与温度变送器配合使用，将PT100的输出信号转化成0～5v的电压信号送入到ADC0809的模拟信号输入端。

LABVIEW的软件设计，工作界面由输入模块(工作液温度上限值、电压检测次数设定值、加工参数、通信串口设置)、开关模块(X、Y、Z轴点动与X、Y、Z轴靠模、连续加工与停止按钮)与显示模块(工作液温度值、放电状态显示)三大部分组成，加工工件与电极相对位置确定的程序流程图如图7所示，靠模就是通过电极与工件之间的相互短路，告诉单片机此时的位置坐标就是工件的位置。可以通过X、Y、Z轴三个方向进行靠模，就可以把工件的空间坐标给确定下来，同时设定此时的位置坐标为初始坐标，这样就可以通过LABVIEW控制界面上的X、Y、Z轴点动按钮移动X、Y、Z轴，将主轴移动到所需加工的位置，进行下一步连续加工操作。

单片机的电火花加工控制流程图如图8所示，加工工件与电极相对位置确定好以后，就需要进行电火花的加工操作，点击基于LABVIEW电火花加工装置操作界面上的连续加工按钮，脉冲电源就开始工作，主轴头上的Z轴电机就开始正转，放电状态检测系统不断地判断是否到达加工工作点。若没有到达加工点，Z轴电机一直转动直到加工点到达为止。若到达加工工作点，Z轴电机停止转动，加工间隙之间开始放电加工，随着加工的进行，加工间隙会逐渐增大，导致放电加工的中断，需继续转动Z轴电机直到新的加工点重新放电。在加工放电的过程中可能发生短路、电弧现象时，Z轴反转退到所设置的抬刀高度后，Z轴正转到原来加工位置处重新加工放电。

图4的具体说明：图4为52单片机与RS232接口电路：RS232规定的逻辑电平“0”、“1”与单片机中所规定的逻辑电平不一致，这就需要通过一个MAX232转换芯片进行电平转换，才能满足电路的设计要求。此硬件电路部分主要包括AT89S52单片机、MAX232芯片与RS232接口。利用单片机上的P3.0、P3.1构成的全双工异步串行口通过MAX232芯片，完成单片机与RS232的连接。MAX232芯片引脚有三大部分组成，引脚1、2、3、4、5、6和的电解电容相连接，构成电荷泵电路，主要是产生工作电源；引脚7、8、9、10、11、12、13、14是两组数据通道，单片机将数据通过引脚10(T1IN)、11(T2IN)进行电平转换，再将转换好的数据从引脚7(T1OUT)、14(T2OUT)输出，传送到DB-9的接受引脚3(RXD)上；PC机将数据通过引脚8(R2IN)、13(R1IN)进行电平转换，再将转换好的数据从引脚9(R2OUT)、12(R1OUT)输出，传送到DB-9的接受引脚2(TXD)上。

图5的具体说明：图5为本设计所使用得是两相混合式步进电机，采用24V直流电压驱动、静态相电流为1.5A，而单片机的一般输入输出口驱动能力极弱，不能直接驱动步进电机的转动，需步进电机驱动器JK402M作为桥接。规定一个DB-9孔座的步进电机驱动接口。引脚1为光电开关TP850电源的正极，给单片机一个反馈信号告知步进电机的行踪(是否处于归零状态)，连接到单片机的P2.3、P2.4、P2.5口；引脚4接公共地端；引脚2、3是一个常闭限位开关的，常闭时引脚2、3上的工作电压约为0V，常开时引脚2、3上的工作电压约为12V，将其连接单片机的P2.0、P2.1、P2.2口与P2.6、P2.7、P3.5口上，以控制步进电机的正、负限位。

图6的具体说明：图6此处选用美国国家半导体公司生产的ADC0809模块，它逐渐逼近式8路模拟信号输入、8位数字量输出的AD转换器。IN0～IN7是模拟信号的输入端口；D0～D7是数字量输出端口；A、B、C与ALE是模拟通道选择控制端；EOC、START、CLK、OE是控制信号端。VCC、GND、VREF+、VREF-是电源输入端。ADC0809模块允许8路模拟信号进行A/D转换，但不能同时进行，需通过地址锁存器(74LS373)来选择模拟通道的转换。将锁存器的低输出端直接与ADC0809的A、B、C引脚相连接，P2.7口与单片机的写信号共同控制地址锁存的允许信号。74LS373是8输入、8输出的D触发器，OE端接低电平，LE端与单片机的ALE端相连接提供时钟脉冲信号；VCC、GND为电源端。74LS02是一片或非门芯片，输入端分别连接到单片机的P2.7、P3.6、P3.7端，经过或非门后连接ADC0809模块的OE、START、ALE端，在控制ADC0809模块OE端允许输出的同时，由P2.7口与单片机的读、写信号控制ADC0809锁存器地址的锁存与转换启动，把ALE与START短接，实现地址锁存与A/D转换启动的同时进行。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (15)

1.一种小型电火花加工装置的控制系统，包括PC机，其特征在于：所述控制系统包括放电状态检测模块（1）、比较模块（2）、放大驱动模块（3）、执行机构模块（4）、虚拟控制平台（5）和脉冲电源（6），所述放电状态检测模块（1）通过AD模块硬件电路进行放电电压的取样，正确识别机床的放电状态，获得此时的机床放电的电压值，并且给虚拟控制平台（5）提供信息，虚拟控制平台（5）根据所获得的信息来控制脉冲电源（6）的电参数，同时经过比较模块（2）将设定值与放电状态检测模块（1）所测的机床放电的电压值进行比较，进而判断放电状态，再根据放电状态信息来调节进给与后退，放大驱动模块（3）根据比较模块（2）的放电状态信息控制执行机构（4）来调节机床，虚拟控制平台（5）再采集放电状态形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述放大驱动模块（3）采用JK402M式步进电机驱动器，将比较模块（2）得到的放电状态信息放大，来驱动执行机构模块（4）。

3.根据权利要求2所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述执行机构模块（4）采用森创公司生产的42BYG两相混合式步进电机，所述42BYG两相混合式步进电机采用24V直流电压驱动、静态相电流为1.5A，只需对所述42BYG两相混合式步进电机两相绕组进行通电就能转动。

4.根据权利要求3所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述虚拟控制平台（5）采用LABVIEW编程，LABVIEW通过RS232串口通讯连接有52系列单片机。

5.根据权利要求3所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述虚拟控制平台（5）采用LABVIEW编程，虚拟控制平台（5）能直接从LABVIEW软件中调用通信功能模块。

6.根据权利要求4所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述LABVIEW能将放电状态检测模块（1）所检测到的电压值信号做数据处理，判断放电状态。

7.根据权利要求6所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述52系列单片机采用AT89S52单片机，LABVIEW作为上位机，AT89S52单片机作为下位机。

8.根据权利要求7所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述LABVIEW的软件设计，工作界面包括输入模块、开关模块与显示模块，输入模块包括工作液温度上限值、电压检测次数设定值、加工参数和通信串口设置；所述开关模块包括X、Y、Z轴点动，X、Y、Z轴靠模，连续加工按钮与停止按钮；所述显示模块包括工作液温度值和放电状态显示。

9.根据权利要求8所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述X、Y、Z轴靠模是通过电极与工件之间的相互短路，单片机根据此时的位置坐标判定就是工件的位置，通过X、Y、Z轴三个方向进行靠模把工件的空间坐标确定，同时设定此时的位置坐标为初始坐标，通过LABVIEW控制界面上的X、Y、Z轴点动按钮移动X、Y、Z轴，将主轴移动到所需加工的位置，进行下一步连续加工操作。

10.根据权利要求9所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述设定值包括上限电压和下限电压。

11.根据权利要求10所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述比较模块是将放电状态检测模块（1）所测的机床放电的电压值与上限电压、下限电压进行比较，超过上限电压的是开路状态，低于下限电压的是短路状态，在两电压之间的波形再经过带通滤波器、整压、放大、积分函数，把所得积分值与上限电压、下限电压进行比较，超过上限电压的是正常火花放电，低于下限电压的是电弧放电，处于二者之间的是过渡电弧。

12.根据权利要求11所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述积分函数使用积分器来计算。

13.根据权利要求12所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述AD模块硬件电路部分包括AT89S52单片机、A/D模块ADC0809、D触发器74LS74、锁存器74LS373或非门74LS02、放电电压检测电路和温度信号测量电路，AD模块硬件电路首先进行放电电压的取样，再送入到PC机中作数据处理。

14.根据权利要求13所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述放电电压检测电路采用电阻分压检测法。

15.根据权利要求14所述的一种小型电火花加工装置的控制系统，其特征在于：所述温度信号测量电路选用PT100作为直接测量仪器，PT100是一个热敏电阻，其阻值随着温度的变化而改变，PT100输出信号与温度之间呈线性函数关系，与PT100配合使用的仪器包括温度变送器，温度变送器将PT100的输出信号转化成0~5v的电压信号送入到ADC0809的模拟信号输入端。