基于PIC单片机的WEDM-HS电极丝节能加工技术研究

杨 奕 高 毅 范 念 余晓永

(贵阳学院机电系 贵州 贵阳 550005)

高速走丝电火花钱切割机床（以下简称WEDM-HS），其高频脉冲电源供电一极接工件，另一极接电极丝，工作时电极之间的火花放点蚀除金属，就能够依靠连续不断的脉冲放电切割出加工所需尺寸和形状。对于WEDM-HS而言，电极丝损耗是一项评估机床加工质量和加工效率的重要指标。如果要降低电极丝的损耗，就必须对WEDM-HS脉冲电源的输出电流质量进行调整，以期减少电极丝放电过程中对正离子对电极丝的影响作用，从而达到减少电极丝的非正常损耗，并提高WEDM-HS连续加工能力的目的[1]。

因WEDM-HS电源主要为晶体管构成的，输出的电流较小，脉冲宽度较窄，一般采用电源的正极接工件，负极接电极丝，所以电火花线切割加工是一次成型加工，中途不能转换规整。但是从实际加工的情况来看，电极丝在加工的过程中，因为电源输出的波形脉宽脉间不可调、前后沿不陡峭等问题，往往会造成电极丝非正常断丝，降低WEDM-HS的加工效率。因此，本文采用PIC16F877单片机为主要处理部件，利用其PWM工作模式配合单片机外部中断功能来实现满足设计要求的波形输出，藉此解决提WEDM-HS工作效率和减少极丝断丝等关键问题。

1 设计思路

针对传统晶体管电流的缺点，本文采用了PIC单片机来对其进行改进，以期实现电路结构简单、输出电流波形规整、脉宽脉间较宽且数字可调。在设计的过程中，考虑到WEDMHS现有的操作面板和程序使用习惯等，根据PIC单片机数字化的特点，利用其CCP1和CCP2管脚触发的特点，对PWM工作模式进行了设定，使得很方便的从CCP引脚上获得不同占空比宽度的矩形脉冲信号，能够进行输出频率信号的合理调整和有序变化。

在设计中，本文是按照下列步骤来实现设置PWM信号调制的。

第一步：设定 PWM 周期。PWM 周期=[（PR2）+1]·4·Tosc·（TMR2 预分频比）。

Tosc为单片机时钟振荡周期，本设计采用4MHz晶体振荡器，故Tosc=0.25us为一固定值，TMR2预分频比在本文中设为1：4，因此，在设定或者调整PWM周期时，唯一需要确定的参数即为PR2，通过程序向周期寄存器PR2写入特定值就可达到调整周期的目的。

第二步：当前周期下根据占空比对脉宽进行设定。

PWM脉宽=[CCPR1L：CCP1CON＜5：4＞]·Tosc·（TMR2 预分频比）

用变量（1/n）表示高电平占空比，则有：

PWM脉宽/周期=（1/n）=[CCPR1L：CCP1CON ＜5：4＞ ]/（[（PR2）+1]·4）

所以：[CCPR1L：CCPR2CON＜5：4＞]=[（PR2）+1]·4/n

PWM脉宽的值完全由 [CCPR1L：CCP1CON<5：4>]这10位值确定。

为了设定的方便，本文将低2位CCP1CON<5：4>直接设定为<0：0>，这样只需设定高8位CCPR1L就可完成对脉宽的设定和调整。在设定过程中将4[(PR2)+1]/n得到的10位值按二进制右移2位即可得到CCPR1L的8位设定值。

如图1所示，本文用单片机PIC16F877来改进主控电路，实现PWM波形的输出，按键S7，S6分别用于增加/减小PWM周期，按键S5，S4分别用于增加/减小PWM脉宽。将此按键电路与8/3编码器配合，单片机对8/3编码器的输出信号进行判读，从而知道是哪个按键按下，立即进行相应的处理。

图1 主控电路图

2 波形测试

在实验室测量改进电路输出的参数和波形，经过分析、验证后，接入到电火花线切割机床脉冲电源，调节输出电流波形的脉宽和脉间，进行各类常见工件的切割实验，以验证改进电路的正确性。表1为实验室测得输出电流波形数据。

表1 实验数据

实验数据表明，输出电流波形的最大脉宽调节范围能从248.0us至12us，这个时候的占空比控制在23.1%～25%；最小脉宽的调节范围为96.0us至4.00us，占空比则在7.7%～10.0%范围内变化。从输出的电流波形来看，通过该改进电路获到输出的控制信号稳定、波形振动小，前后沿陡峭，并可以实现对脉间脉宽数字调节特别是前后沿的灵活控制。我们测试信号的脉冲宽度最小为4.00us，最大为248us；脉冲间隔是在脉冲宽度的基础上按占空比来设定的[2]。

3 切割实验

在上述设计、实验完成后，将电路接入到DK7725快走丝数控电火花线切割机床中去，做切割实验，验证是否能够达到减少极丝损耗和提高加工效率的要求。

切割实验采用福斯特DK7725的快走丝数控电火花线切割机床及配套控制柜，DX-1乳化皂，光明牌极丝直径φ0.18mm，切割材料为Cr12。每次加工时尽量保证电极丝、工作液、运丝速度都保持一致，电极丝宽度200mm，丝速8m/s。取40mm、90mm、250mm三种厚度的工件切割加工，结果如表2所示。

表2 切割实验结果

从表2中对40mm、90mm和250mm铬钢的切割情况表明，一共对三种不同厚度的工件，分别作了四组切割实验。对厚度为40mm的工件，加工效率控制在 51.5～53.4mm2/min，电极丝损耗控制在 21751～22773mm2/0.01mm；对厚度为90mm的工件，加工效率控制在66.0～70.3mm2/min， 电极丝损 耗 控 制在 22104～24080mm2/0.01mm；对厚度为250mm的工件，加工效率控制在41.4～47.2mm2/min，电极丝损耗控制在23542～24775mm2/0.01mm。

图3为在机床中调试该电源过程中，进行的各类常规件加工实物（非标件）。

图3 部分工件

4 总结

上述实验结果表明，本文对高速走私电火花线切割机床脉冲电源的改进设计，使得其输出电流的脉宽脉间较大并符合实际加工要求，减少了因输出电流不规整而造成的电极丝非正常损耗，提高了机床连续加工的能力。通过在线切割机床中实际使用情况来看，改进后的电源工作性能稳定性也较之前大有提高。

［1］彭树生，庄志洪，赵惠昌.PIC单片机原理及应用[M].机械出版社，2001，1，1：224-226.

［2］高毅.基于电火花线切割机床脉冲电源的主控电路改进研究[J].贵阳学院学报：自然科学版，2009（4）.