多轴运动控制卡在微细电火花加工控制系统中的应用

张 伟，郭钟宁，连海山，韩睿聪，何俊峰

（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

多轴运动控制卡在微细电火花加工控制系统中的应用

张 伟，郭钟宁，连海山，韩睿聪，何俊峰

（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

提出了一种基于PCI-7350多轴运动控制卡的微细电火花加工装置控制系统的组成方案。给出了加工装置的基本组成，介绍了多轴运动控制卡功能及软硬件的开放性。分析了控制系统的组成原理，详细介绍了控制系统设计方案和基本的硬件配置结构，以及此控制系统的软件设计方法和功能实现。通过该基于多轴运动控制卡的控制系统实现了电火花加工装置的实时控制与伺服控制。

多轴运动控制卡；微细电火花；控制系统

0 引言

随着航空航天、仪器仪表、化学纤维、精密模具、医疗器械等领域的发展，众多微细加工方法，如微细电火花加工、微细车铣削、微细电化学加工、激光加工、微细超声加工[1-5]等，得到长足发展及广泛应用。微细电火花加工技术具有加工材料范围广、非接触加工、无宏观切削力等特点，因而在微小尺度工件加工领域有着得天独厚的优势，尤其是在微细孔、轴加工以及微三维结构制作方面显示出了强大的优势。同时，也正是因为其在微小尺度范围内加工的特点，使得其加工过程难以用肉眼观察，所以在加工过程中，对其加工状态检测及运动控制的实时性要求很高。本文中采用多轴运动控制卡+PC机的控制模式，能够很好地完成微细电火花加工过程中的放电状态检测和加工轴伺服运动控制。

1 微细电火花加工装置的组成与结构

微细电火花加工装置由镶嵌陶瓷V型主轴系统、垂直进给机构、精密XY位移平台进给机构、微细工具电极加工模块、CCD观测系统、供液系统等部分组成。

为了实现工件在机床不同工位之间的灵活切换，实现共用精密平台以及减少定位误差，电火花加工装置采用立柱式基本结构。其中精密XY位移平台进给机构固定在水平旋转圆台上；微细工具电极加工模块固定在XY位移平台顶部；镶嵌陶瓷V型主轴系统固定在垂直进给机构上，保证主轴系统旋转主轴轴线与垂直进给机构移动方向一致；垂直进给机构固定在处于水平旋转圆台中心位置的方形立柱一面。为了减少机床离散电容对微细电火花加工过程产生的影响，机床床身、水平旋转圆台和中心立柱由大理石制作。工作时，垂直进给机构实现垂直方向进给运动，精密XY平台实现水平面内的进给运动，以上两者共同实现加工过程中的伺服运动。

2 PCI-7350运动控制卡简介

PCI-7350多轴运动控制卡是美国国家仪器有限公司(National Instruments Co.Ld.简称NI)生产的系列运动控制卡，使用CUP+DSPD的双处理器架构，可在多任务环境中实时控制8根轴的伺服运动，并且其硬件和软件有很高的开放性。

2.1 PCI-7350运动控制卡硬件开放性

PCI-7350运动控制卡可控制伺服电机与步进电机，可在使用PXI、PCI、CompactPCI等不同总线的机器上运行；可为独立轴提供相应的运动控制信号，数量最多能达8根；通过设置坐标空间完成轴的二维或者三维运动；每根轴都分配有专用的运动I/O端口，用于接收各种传感器的反馈信息，包括限位开关、原点开关、光电编码器、光栅等，此外每根轴还有通用I/O端口用于拓展应用。用户可以根据自己的需要搭建硬件设备。

2.2 PCI-7350运动控制卡软件开放性

PCI-7350运动控制卡支持多种开发语言，用户可以使用VB、C/C++、Labview等语言在Windows软件平台上设计用户专用界面与开发运动控制程序；运动控制卡提供包括S型加速、轨迹发生、坐标设定、位置抓取、电机状态读取等函数的库函数，以满足用户需求，缩短开发周期。本课题中采用的Labview开发语言同是NI公司所开发，是一种基于G语言（graphics language，图形化编程语言）的软件，它提供了一个直观、便捷、轻松的设计环境，简化了开发虚拟系统的操作过程，提高了编程效率。

3 控制系统的设计

电火花加工系统可以分为以下几个功能模块：脉冲电源、加工放电状态检查环节、工作液循环系统、加工控制系统。其中加工控制系统是整个加工系统的核心。在电火花加工过程中的运动包括V型主轴旋转运动、垂直进给机构垂直方向的直线运动和精密位移平台水平面内XY方向的运动。通过运动控制卡将各运动轴与加工放电检测环节连接起来，根据加工放电状态完成加工过程的伺服控制。

3.1 控制系统硬件组成

电火花加工装置的控制系统采用PC工控机+多轴运动控制卡的两级控制方式以提高加工系统的运动可靠性和快速响应能力，其硬件组成结构如图1所示。

图1 控制系统结构图

其中工控机作为上位机，主要根据输入指令进行计算、处理、逻辑判断和存储，实现加工过程中的系统实时在线人机交互、安全保护、监控管理以及数据采集处理与显示功能。在加工过程中，工控机根据从多功能运动控制卡上采集到的各轴信息以及从控制卡接线板卡通用I/O端口采集到的加工状态信号等现场数据进行逻辑计算，并产生相应的控制指令，传送到运动控制卡。运动控制卡是电火花加工控制系统的直接控制级，通过PCI标准总线与工控机相连，构成运动轴的伺服控制回路。同时运动控制卡还要完成加工过程中的加工状态电信号的数据采集与初步处理，并完成与工控机的实时通信。

3.2 加工伺服控制策略

微细电火花加工主要应用于微细轴、孔加工以及微三维结构制作等领域。其中微细电极的制作是保证得到质量良好的微细孔与微三维结构的关键技术。在制作微细电极时，一般采用块电极反拷法。使用该种方法制作电极时，由于工具电极与旋转主轴轴线存在偏心，在工具电极随主轴做旋转时，其将会绕着主轴线做偏摆运动，造成工具电极与块电极之间发生周期性放电加工，这样会使得工具电极与块电极之间产生周期性的放电与开路状态[6-7]。在加工过程中，电火花加工产生的去除物质如果不能随加工液及时排出，会使得工具电极与块电极之间产生短路现象。由于上述现象，如果在加工过程中采取不合适的伺服进给控制策略，则伺服进给系统将产生频繁的开路-短路-开路-短路的伺服震荡现象。为此，本文采取了如下伺服进给策略。

（1）采用旋转电极的方式，在加工过程中减少了稳定电弧放电现象的产生，通过电火花加工可以消除工具电极的偏心，同时有利于加工过程中产生的废屑排除。

在加工过程中检测间隙平均电压时，设定进给参数ψ1和回退参数ψ2。ψ1可以理解为在加工过程中间隙检测电路在规定的时间内对间隙平均电压进行检测得到的超出伺服参考电压的次数与总的检测次数的比值超出ψ1时，则执行伺服进给指令。同理，ψ2可以理解为在加工过程中间隙平均电压小于伺服参考电压的次数与总的次数的比值小于ψ2，则执行伺服回退指令。ψ1和ψ2值可根据加工状态随时进行调整。

采用慢进给快回退的方式进行伺服进给控制。正常加工时，保证电极向同一方向小位移低速进给；当需要电极回退时，进行大位移快速回退。其控制流程如图2所示。

4 运动控制软件设计

本课题选用的NI公司的PCI-7350运动控制卡由于其可靠性高、软硬件高度开放性得到了广泛使用。它采用以32位的CPU和DSP为核心的双处理器架构，用于实时控制，定制的FPGA让其有更出色的表现。该运动控制卡的驱动软件NI-Mo⁃tion提供了丰富的函数，用于运动控制、状态监测、信号处理等。PCI-7350控制卡可以通过其本身自带的MAX软件实现多种运动的基本操作及系统调试。采用同是NI公司开发的labview软件编写控制软件，能够更充分地发挥该运动控制卡的优势。

本文当中，工控机和PCI-7350多轴运动控制卡作为上下位机共同组成微细电火花加工装置的控制系统，分担完成整个系统的控制任务。因此运动控制软件开发包括工控机和运动控制卡开发两个部分。

4.1上位机控制软件的开发

图2 伺服控制流程图

工控机作为微细电火花加工装置控制系统的上位机，预装Window2007操作系统，利用G语言Labview开发上位机控制系统，调用控制卡驱动软件NI-Motion函数库中的各类运动控制函数和参数设置功能函数，实现直观方便快捷地开发上位机软件。开发出来的系统具有人机交互、加工模式选择、运动轴参数实时显示、紧急停止、间隙电压实时显示等功能。由于开发工具Labview本身图形化语言的特点，使上位机界面开发和其他功能集成变得简便，从而让整个开发过程更注重控制方面功能的实现。

4.2 下位机控制软件的开发

下位机PCI-7350运动控制卡提供的函数库，包含了丰富的运动控制指令和轨迹发生算法，为电火花加工装置的运动控制系统开发提供了方便，对于下位机软件的开发，充分利用了控制卡的开放性，主要包括通用I/O端口控制模块、位置监控模块。通用I/O端口控制模块可以通过设置通用端口控制函数参数，选择可用端口地址与输入与输出电信号电压范围。位置监控模块可以通过设置控制卡内部参数实现，用于实施提取各轴位置状态，根据各轴上的位置传感器输出信号判断轴是否达到位置极限。

5 结束语

本文中以PCI-7350多轴运动控制卡为核心对微细电火花加工装置的硬件与软件进行了设计，采用PC工控机+运动控制卡的硬件控制结构，利用图形编程语言Labview开发了系统的控制程序，并设计了良好的人机交互界面。以多轴运动卡为核心的微细电火花控制系统具有开发周期短、稳定性强、实时能力强等优点。

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［4］朱保国.脉冲电化学微细加工关键技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［5］王昆，朱荻，王明环.微米尺度线电极的电化学腐蚀法制备［J］.机械科学与技术，2006，25（9）：1073-1076.

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［7］耿春明.低刚度杆切向进给电火花磨削工艺及其刚度检测的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001.

Using Multi-Axis Controller in Control System of Micro-EDM Machine

ZHANG Wei，GUO Zhong-ning，LIAN Hai-shan，HAN Rui-cong，HE Jun-feng
（School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

A control system of micro-EDM equipment with programmable multi-axis controller named PCI-7350 was proposed.It introduces the design of the machine and he functions and opening of the PCI-7350 in the paper.And it is to analyze the basic theory of the control system.The overall design scheme and basic hardware configuration of the control system are presented in detail， then the software design method and function realization are following.With the control system real-time control and servo control are achieved.

programmable multi-axis controlle；micro electrical discharge machining；control system

TP23

：A

：1009－9492(2014)10－0034－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.009

张 伟，男，1986年生，河南人，硕士研究生。研究领域：微细特种加工。

(编辑：向 飞)

2014－04－04