高速走丝电火花线切割数控技术应用研究
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摘要
电火花线切割加工技术具有切削力小，容易加工复杂、精密和高硬度零件的特点，因而在模具制造、成型刀具加工、难加工材料及精密复杂零件的加工中占有重要的地位。高速走丝电火花线切割机床在我国的应用十分广泛，经过数十年的发展已经到达了比较成熟的水平，但是，目前高速走丝线切割机床的数控技术并不完善，而数控系统是机床的核心部分，其性能直接影响机床加工精度和稳定性，同时也决定了机床的使用范围和复杂零件的加工能力。随着开放式数控技术逐渐成为数控发展的主流，电火花线切割数控系统同样应该朝着开放式的方向发展，建立开放式的线切割数控系统有着十分重要的现实意义。
从这个角度出发，本文研究了高速走丝电火花线切割机床的数控系统，采用PC+运动控制卡的模式，并设计和分析了该系统的软硬件结构。本文主要就数控系统中的三个部分进行了研究：首先，研究了数控系统的控制软件，包括根据3B代码生成相应的图形、数据处理、模拟仿真，与硬件设备通信及数控辅助功能等几个方面。其次，选择AVR单片机作为运动控制卡核心并研究其相关的应用技术，主要包括扩展单片机外部数据存储器的方法，在不改变控制卡电路板的情况下实现几种RAM芯片的互换；同时还就单片机驱动数控工作台、控制步进电机加减速的问题进行了研究。最后，研究了如何利用CPLD实现PC与单片机之间通过ISA总线进行数据传递，并设计出控制卡的电路，为整个数控系统提供了硬件基础，同时采取了一些抗干扰措施以提高系统的稳定性。
The Wire Electric Discharge Machining (WEDM) shows a relatively small cutting force compared to traditional machining, so it is suitable for the machining of parts with complex shapes, high precision and hardness. It plays an important role in mould industry, tool industry, and special machining field et al. Wire electric discharge machining with high travelling speed (WEDM-HS) machine tools are widely used in China. By decades of developments, it has reached a mature level. However, the NC part, which is the core module of the WEDM-HS needs to be improved. Because the performance of NC will direct affect the machining precision and stability, and it also decides the application scopes and machining ability of complex parts, much attention should be paid on it. When the Open Architecture Numerical Control is becoming the future of the numerical control technology, the numerical control system for WEDM should follow the stream. So it has important significance to build an Open Architecture Numerical Control s
ystem of WEDM.
From this point of view, this paper discusses the numerical control system for WEDM-HS. The construct mode of OANC system adopted in the research is "PC plus Motion Control Board", and the soft and hard structure of this system have been designed and analyzed. The research on numerical control system includes three parts:
First, the software of the system has been studied, including generating process drawing according to the machining code (3B), data processing, simulation of machining process, communication with hardware and other assistant functions of numerical control etc.
Second, selecting AVR microprocessor as the core of Motion Control Board and studying the relevant application technology, mainly consists of the methods to expand microprocessor exterior data memorizer, realizing the exchange of several kinds RAM CMOS chips without change the circuit board, some techniques how the microprocessor drives the numerical controlled worktable and how to control step motor to accelerate and decelerate etc.
At last, how to use CPLD to realize the data transmission through ISA bus between PC and microprocessor is investigated. A control board circuit to supply a hardware foundation for the total numerical control system is designed with anti-jamming measures improving the stability of the system.
从这个角度出发，本文研究了高速走丝电火花线切割机床的数控系统，采用PC+运动控制卡的模式，并设计和分析了该系统的软硬件结构。本文主要就数控系统中的三个部分进行了研究：首先，研究了数控系统的控制软件，包括根据3B代码生成相应的图形、数据处理、模拟仿真，与硬件设备通信及数控辅助功能等几个方面。其次，选择AVR单片机作为运动控制卡核心并研究其相关的应用技术，主要包括扩展单片机外部数据存储器的方法，在不改变控制卡电路板的情况下实现几种RAM芯片的互换；同时还就单片机驱动数控工作台、控制步进电机加减速的问题进行了研究。最后，研究了如何利用CPLD实现PC与单片机之间通过ISA总线进行数据传递，并设计出控制卡的电路，为整个数控系统提供了硬件基础，同时采取了一些抗干扰措施以提高系统的稳定性。
The Wire Electric Discharge Machining (WEDM) shows a relatively small cutting force compared to traditional machining, so it is suitable for the machining of parts with complex shapes, high precision and hardness. It plays an important role in mould industry, tool industry, and special machining field et al. Wire electric discharge machining with high travelling speed (WEDM-HS) machine tools are widely used in China. By decades of developments, it has reached a mature level. However, the NC part, which is the core module of the WEDM-HS needs to be improved. Because the performance of NC will direct affect the machining precision and stability, and it also decides the application scopes and machining ability of complex parts, much attention should be paid on it. When the Open Architecture Numerical Control is becoming the future of the numerical control technology, the numerical control system for WEDM should follow the stream. So it has important significance to build an Open Architecture Numerical Control s
ystem of WEDM.
From this point of view, this paper discusses the numerical control system for WEDM-HS. The construct mode of OANC system adopted in the research is "PC plus Motion Control Board", and the soft and hard structure of this system have been designed and analyzed. The research on numerical control system includes three parts:
First, the software of the system has been studied, including generating process drawing according to the machining code (3B), data processing, simulation of machining process, communication with hardware and other assistant functions of numerical control etc.
Second, selecting AVR microprocessor as the core of Motion Control Board and studying the relevant application technology, mainly consists of the methods to expand microprocessor exterior data memorizer, realizing the exchange of several kinds RAM CMOS chips without change the circuit board, some techniques how the microprocessor drives the numerical controlled worktable and how to control step motor to accelerate and decelerate etc.
At last, how to use CPLD to realize the data transmission through ISA bus between PC and microprocessor is investigated. A control board circuit to supply a hardware foundation for the total numerical control system is designed with anti-jamming measures improving the stability of the system.
引文
1．王至尧．电火花线切割工艺．北京：原子能出版社，1987．2．
2．甘屹，齐从谦．WEDM数控系统的特点、发展与创新．电加工与模具，2003，(2)：5～10．
3．戴君，时宁．开放式数控系统的体系结构探讨．机械工程师，2000，(7)：22～24．
4．王正兵，任傯．开放式体系结构——数控系统发展的潮流．制造技术与机床，2002．(1)：42．
5. Clark E Bailo and C. Jerry Yen. Open modular architecture controls at GM Powertrain-Technology and Implementation SPIE Vol.2912. 0-8194-2314-9(1997):52-63.
6．郭艳玲，赵万生．数控发展的趋势——开放式体系结构数控系统．东北林业大学学报，2000，V28(5)：148～150．
7．朱同兴．国内外数控技术发展动向．兵工自动化，2001，V20(3)：10～12．
8. M.-Y. Yang, J. H. Park. A study on an open architecture CNC system with a NURBS interpolator for WEDM. Int. JAdv Manuf Technol (2002) 19: 664～668.
9．宋昌才．由三菱电火花线切割(WEDM)看电加工机床的发展，新技术新工艺，2002，(5)：6～8．
10．沈洪．CIMT2001电火花机床评述．制造技术与机床，2001，(6)：12～17．
11．朱国锋，李明奇，熊光耀等。Linux下的开放式WEDM数控系统．电加工与模具，2002，(1)：24～26．
12．裴景玉，胡德金．微细电火花机床实时数字控制系统．制造技术与机床，2001，(4)：13～14．
13．郇极，尹旭峰．在开放式多用途数控系统上实现四坐标锥度线切割控制系统．机械工业自动化，1998，(4)：42～46．
14．包仕荪，倪益华．数控电火花线切割DNC实验系统开发．机电工程，2001，V18(5)：213～215．
15．朱国锋，李明辉．开放式WEDM数控系统研究与开发．2001年中国机械工程学会年会，2001：158～160．
16．杨海明，沙志宏，傅建中．基于Windows数字I／O卡控制步进电机程序实现．组合机床与自动化加工技术，2003，(5)：33～36．
17．白建华，黄海峰．开放式CNC与现代运动控制技术的发展．机电工程，2001，V18(4)：1～4．
18．李爱平，张建国．NC嵌入PC型开放式数控系统的研究．组合机床与自动化加工技术，2001，(12)：31～33．
19．伍俊，李明辉．浅谈高速走丝电火花线切割加工技术的发展趋势．电加工与模具，2000，(2)：1～4．
20. Koren, Y., Zbigniew, pasek. J. et al. Real-time open control architectures and system performance. Annals of CIRP, 1996, 45(1): 377～380.
21．李明辉．电火花线切割技术的研究现状及发展趋势．模具技术，2002，(6)：49～52．
22. Hernandez, Oscar. On-line intelligent adaptive controller for manufacturing operations based on an open architecture. Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering. 1998.42(2).153～168.
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24．史旭明，曹光宇．基于PC的开放性数控系统在Intranet中的应用．组合机床与自动化加工技术，2001，(1)：26～29．
25．徐击水，李毅．基于VB和DLL的硬件端口控制方法．计算机工程，1999，(7)75～77．
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28．廖效果，刘又午．数字技术．武汉：湖北科学技术出版社，2000：119～122．
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38．陈卫兵．MCS96系列单片机扩展大容量FLASHRAM的改进．微电子技术，2002，V30(4)：59～61．
39．北京斯达特机电科技发展有限公司资料．http://www.startsh.com
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46．李广军，王厚军．实用接口技术．成都：电子科技大学出版社．1998．
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52．黄正谨．CPLD系统设计技术入门与应用．北京：电子工业出版社，2002
53．周立功等．CPLD快速入门与实战。
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