基于DSP的线切割机床数控系统的研制

王甫茂

WANG Fu-mao

（四川宜宾职业技术学院，宜宾 644003）

0 引言

随着制造技术的日新月异和工业生产的迅猛发展，电火花线切割技术己成为机械制造领域中一种重要的加工技术，它是通过两电极间脉冲放电，用电蚀原理对工件进行加工。线切割加工具有无切削力，工件材料硬度对可加工性影响不大等优点，因此能适合各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，所以广泛应用于航空、电子、电器、汽车、家电、轻工等领域，特别是在模具加工行业，得到了广泛的应用。[1~3]

目前国外生产和使用的绝大多数为高速快走丝电火花线切割机床，而我国生产和使用的则主要为慢速单向走丝电火花线切割机床。两者相比，除了采用的工艺不同外，无论在精度、功能、自动化程度、可靠性、加工稳定性和加工工艺指标方面，还是在外观等方面，后者较前者线切割机床平均明显低一个档次。而目前国产线切割放电加工机床CNC控制器基本上是单CPU框架，在此种框架下所有控制器模块统一于单CPU执行时，而且操作系统是DOS，控制器发展受到极大限制，目前国产线切割放电加工CNC控制器有下列几项缺点[2~5]：

l）单CPU控制器网络监控发展难度大。

2）单CPU控制器受限于插值运算时间太长（约5-10ms），难以做到断线抑制。

3）软件各模块耦合性强难以发展开放式人机界面。

4）缺乏智能型监控与远程监控使得机器维护困难。

5）缺乏自动多重加工、自动隅角加工智能型加工等自动化功能。

对于智能型加工控制等自动化功能与远程监控等功能开发必须要一支持网络与实时控制操作系统，目前国产线切割放电加工单CPU控制器在系统发展上弹性受到限制，对于线切割机而言，实时控制要求有运动控制、输入输出控制模块、放电状况监控与断线抑制模块或放电电源控制模块，在单CPU与Windows平台下开发各模块功能会直接影响实时控制性能，而且难以各别开发测试，Windows操作系统上以此种单CPU直接控制框架开发第二代线切割控制器较为困难且限制新功能的研发。因此采用PC与DSP结合的多CPU控器最能符合新一代网络控制器需求，DSP负责及时控制与信号检测。例如：运动控制、输入输出控制、操作模式管理、图像信号处理或与加工有关的放电状况监控与断线控制，可依据系统需要采取分布式控制，而具有Windows操作系统的PC则为系统主要中心部份。

1 多CPU线切割机床控制系统的组成

国产电火花线切割机床CNC控制器基本上都是在DOS系统基础上采用单CPU控制器，CNC控制器软件程序是在MS-DOS（微软公司操作系统）或PC-DOS（IBM公司操作系统）下利用C程序语言或汇编语言所开发而成，硬件框架包含CNC控制器与电源系统。基于DSP的CNC系统的多CPU控制器硬件框架如图1所示。控制系统硬件包含基于DSP控制板（PMC32-6000）、线切割机专用输出输入适配卡、电火花线切割机床（含有线切割液线电系统、输出输入系统与操作面板）。本文中利用线切割CNC控制器的工业级计算机PC卡置换成装配有基于DSP六轴运动控制卡、硬盘与Windows操作系统的计算机主机，进一步将其改装成多CPU的电火花线切割机床控制系统。

基于DSP控制卡具有专用位置控制与输入输出控制芯片，可连接128IN/128OUT远程串行传输，负责线切割五轴伺服系统的位置控置与伺服进给控制，线切割机专用输出输入适配卡具64IN/64OUT远程输入输出控制芯片可与基于DSP六轴运动控制板内控制芯片联机做信号传输与控制，此控制板负责工作台接点控制与伺服系统信号转接。

基于DSP线切割机CNC控制器软件接口，主要由人机接口模块（Man Machine Interface，MMI）、操作模块（Operation，OP）、机械逻辑控制模块（Machine Logic Control，MLC）、解释模块（Interpreter，INT）、运动模块（Motion，MOT）与通讯模块（Communication）等六大模块所组成。

利用机械逻辑控制接口模块与操作模块与运动控制模块的技术进行DSP端的模块软件集成。将模块分为dspmle.lib、dspmot.lib与dspop.lib三大模块，模块各自开发出函数库，最后将三大模块的函数集成到执行程序中。接着与PC端的MMI模块进行基于DSP的CNC控制系统软件的集成。基于DSP的CNC系统的多CPU控制器软件框架如图1所示。

图1 多CPU控制器软件框架

基于PC机操作系统利用Windows取代DOS，而传统控制系统框架使用windows作为运动控制系统的作业平台时，其实时性与安全性有其不足之处，因此开发出基于PC的开放式控制系统框架[6]。模块分割框架包含有操作模块、解释模块、运动模块、人机接口模块、机械逻辑控制接口模块与通讯模块等，基于DSP的CNC系统软件模块化框架，其中将解释模块、人机接口模块与通讯模块等置于PC端处理，以利用PC完整的开发环境及丰富的网络资源来进行模块开发与功能扩展。

将操作模块、运动模块与机械逻辑控制接口模块等置于DSP端处理，以利用DSP所具备的强大的计算处理功能与实时性来进行工作台的控制。PC端与DSP端则是通过双端内存进行数据传输，因此PC端与DSP端可单独开发与测试，并且针对PC端与DSP端各项功能与模块进行集成。

设计人机接口时有几项重要原则：l）设计用户能够很容易理解的图像和背景；2）视觉表现和使用方法前后要有一致性；3）设计以简单形式为原则；4）运用用户熟悉的接口方式；5）尽量让使用者自己操作控制；6）提供实时的反应动作。开放式人机接口除了包含上述的特性外，其最主要的特性就是可以随硬件增减而做接口修改的功能。也就是除基本组件外，当有任何新增特定的硬件组件时，开放式人机接口即可经由用户自行编制合适的人机接口来与新增的硬件组件搭配；当组件移除时，用户也可针对设定的接口组件进行移除，新增、移除动作是在不影响原系统的稳定性与完整性下，使系统更具扩充性。本文中PC端的人机接口与DSP端之数据沟通皆通过PMC32-6000运动控制卡上的双端口内存来进行数据交换。而其接口只需通过接口驱动程序（ITRI API），即可达成PC与DSP之间的沟通。

2 多CPU控制系统的硬件集成

参考日本Fanuc公司所开发的线切割控制器界面，设计出电火花线切割机床系统的人机接口，MMI软件框架，其中包含有主界面、位置坐标显示界面、程序加载与加工参数设定界面、故障诊断、加工监控，报警，手动功能模式与MDI单节运动命令输入等界面。

硬件则是将CNC控制器内的工业级计算机与控制器内的线切割机专用输出输入适配卡、操作面板的连接扁平电缆移除。接着通过转接板将控制器内的线切割机专用输出输入适配卡的SCSIⅡ68Pins信号线与个人计算机内的PMC32-6000运动控制卡的SCSIⅡ100PinS信号线对接；控制器内的线切割机专用输出输入适配卡上Remote的DB9Pins的信号线接至个人计算机内的PMC32-6000运动控制卡的RIO0输入端；控制器内的线切割机专用输出输入适配卡上的间隙电压信号DB25Pins信号线接到个人计算机内的PMC32-6000运动控制卡的ADC输入端；控制器内的Control Panel上的RemoteDB9PinS的信号线连接至个人计算机内的PMC32-6000运动控制卡的RIOI输入端，最后将控制器的屏幕信号线连接至个人计算机上。如图2所示，为硬件集成后的实际情形。

3 结论

综上所述本文对电火花线切割机床进行了基于DSP的CNC控制器的基础开发。经过操作功能与加工实验的试验，试验结果显示本文所开发的基于DSP的CNC控制器能够实现电火花线切割机床的基本操作功能与实际放电加工，并且将国产的电火花线切割机床CNC控制器提高到多CPU、Windows操作系统与基于DSP电控系统新的发展框架上。

1）进行了适用于Windows操作系统与多CPU框架下的逻辑控制器的基础开发，基于DSP的CNC控制系统成功地应用于国产电火花线切割机床。

图2 基于DSP的CNC控制系统硬件集成图

2）使用Windows操作系统来开发CNC控制器并以多CPU的框架来进行线切割机床模块化的分割，在集成时能够有效的达到模块化分工的目的，基于DSP控制系统可符合线切割机对于实时控制的需求。

3）将国内的以DOS为操作系统的电火花线切割机床CNC控制器，提升至以Windows为操作系统的电火花线切割机床CNC控制器，将专用型控制器改成开放式控制器，易于实现开发远程监控与智能型加工等功能。

[1]陈德忠.我国电加工机床行业概况[J].制造技术与机床.1998：5.

[2]张学仁.数控电火花线切割加工技术.第一版[M].黑龙江,哈尔滨工业大学出版社.2002.

[3]汪学.高速走丝电火花线切割高效率低损耗加工技术研究[D].广东工业大学.2003.

[4]程新江.高速走丝气中电火花线切割精加工机理研究[D].哈尔滨理工大学.2004.

[5]S.Di，W.Zhao，J.Ma，G.Chi，Z.Kong and Y.Dong，"An EDM-CNC System Based on the Open System Architecture"，Proceedings of the International Symposium for Electro-Machining（ISEM-12），1998，243-252.

[6]黄河，王甫茂，赵秀粉等.PC-based开放式数控系统体系结构的研究[J].机械设计与制造，2009（6）：191-193.