MS-WEDM工作液智能控制系统装置研制

郭翠霞 ，刘 康 ，谢文玲 ，杨大志 ，张宏志

（1.四川理工学院，自贡 643000；2.人工智能四川省重点实验室，自贡 643000；3.过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，自贡 643000）

多次切割技术在我国高速走丝电火花线切割机床已成功地运用，以低的成本改善了切割加工表面的精度和质量[1]。多次切割技术[2]对工件实施多次切割，即第一次高速切割成形；第二次精修，保证加工尺寸精度；第三次及以上抛磨修光，提高工件表面质量，俗称“中走丝电火花线切割机床”。但是，现MS-WEDM仍存在切割精度忽高忽低、保持性差等缺陷，其主要影响因素有电极丝换向、振动引起电极丝空间位置发生变化、工作液性能发生变化等，它们严重影响了加工放电效果[3-5]。结合高速走丝电火花线切割机床（具有多次切割功能）加工特点，在大量、相关研究的基础上，研制出一套适合我国MSWEDM工作液的智能控制系统，其加工稳定性得到提高，它的研制具有实际应用意义。

1 装置的结构与功能

工作液控制装置结构示意如图1所示，装置由1个自吸水泵、1个过滤器、1个球阀和6个电磁水阀（电磁水阀带单向功能）以及2个储液箱（分别是粗加工液箱和精加工液箱）组成。工作液通过进液电磁阀（9或10），流经过滤器13至自吸水泵1，从自吸水泵1流出的工作液有一部分经过泄压回路（球阀3、泄压电磁阀7和泄压电磁阀8）回流到对应的工作箱中，另一部分经过工作液电导率采集器和上、下丝臂供液管流到工作台液槽上参与电火花放电加工，工作液最终经过回液电磁阀（5或6）回到对应的工作液储液箱中。

图1 控制装置结构示意Fig.1 Structure of control device

工作液智能控制系统在接通电源后，首先进行开机自检，即区分出具体的粗工作液箱和精工作液箱。其具体控制流程为

1）自吸水泵1启动，进液电磁阀10、泄压电磁阀8和回液电磁阀6开，工作液电导率采集器2开始采集储液箱12的电导率信号，经过A/D转换后，发送至单片机计算并保存。

2）自吸水泵1保持工作状态，在相继关闭进液电磁阀10、泄压电磁阀8和回液电磁阀6的同时，进液电磁阀9、泄压电磁阀7和回液电磁阀5也相应的开启，此时电导率采集装置2开始采集储液箱11的电导率，将此信号发送至单片机，并与之前储液箱12的电导率进行比较，从而区分出具体的粗、精工作液箱。

3）完成开机自检后，控制系统关闭自吸水泵1及所有的电磁阀，系统待机，等待接收机床加工信号。系统一旦检测到机床的加工信号，如机床开始粗加工，系统就会接收到粗加工信号，使粗加工工作液的供给、泄压和回液管路相应的电磁阀打开；如机床半精或精加工时，系统就会接收到相应的信号，并立即关闭粗加工工作液的相应供给、泄压和回液管路的电磁阀，打开精加工工作液供给、泄压和回液管路的电磁阀。控制系统能够满足在第一次切割时提供粗加工工作液，第二次及以上切割时提供精加工工作液的加工要求，同时提高了工作液的使用寿命。

4）控制系统能够实时监测工作液电导率值。一旦工作液电导率超过其设定值，系统在保证不影响机床正常加工的状态下，发出相应的报警信号，提醒操作人员更换粗工作液箱的工作液。

整个工作液智能控制系统设计采用模块化思想。硬件系统以单片机为控制核心，设计有电源模块、信号采集模块、控制模块和执行模块。软件系统程序包括各模块初始化程序、A/D模块TLC2543转换程序设计、温度传感器程序、串口屏显示程序、自动换挡检测程序、电磁阀程序、中断信号程序和串口上位机程序等。各软件系统模块分别用C51语言编写、编译和调试，运用主控程序Main（）来调用各模块程序，从而完成对整个装置的控制。

2 硬件电路设计

图2 硬件设计方案Fig.2 Design scheme of hardware

工作液智能控制系统硬件电路框架如图2所示。系统由信号输入回路、单片机和执行元件三部分构成。输入回路包括工作液电导率信号采集电路，机床控制柜发出的工作液粗、精加工转换信号和工作液控制系统启动信号；控制芯片为STC89C58RD+；执行元件包括报警装置、继电器、电磁阀和水泵等。该装置器件的选择主要参考与单片机兼容、可控制的原则。

系统首先开机自检，自动判别具体的粗、精工作液箱。自检完毕，控制系统处于待机状态，等待机床加工信号。当机床发出加工信号时，控制系统立即启动水泵，并根据机床的加工状态，开启相应的电磁阀，同时对工作液电导率进行实时采集。工作液的电导率一旦超过设定值，则蜂鸣器报警，液晶显示相应的警示符号。此时，系统仍会保持工作液供给，不会影响正常加工。待机床完成加工后，工作液控制系统自动关闭水泵及相应电磁阀。

2.1 工作液电导率信号采集器

工作液导电性是靠离子的迁移来完成的。电导率的检测受到温度、电极常数和交流频率等因素的影响。为了能精确测量工作液电导率值，减小极化效应、电容效应、温度效应和“漏电压”干扰带来测量误差，系统采用测量线性度较好的分压法对工作液电导率测量。电导率传感器采用电极常数K=10的两极式铂黑电极，基材为玻璃，外壳为不锈钢，测量范围为10~20000 μs/cm，具有防水、抗污染能力强的优点。电极驱动电压为±5 V的方波，其频率为1000 Hz。工作液电导率采集器由驱动电压发生电路、电导率电极接线电路、变量程电路、信号放大调理电路、基准稳压电路、A/D转换电路、温度传感器电路和单片机等组成。

2.2 控制芯片和电源

控制芯片选用宏晶科技直插型的工业级STC89C52RC。该芯片价格低廉、性价比较高；工作电压为 3.3～5.5 V，工作频率为 0～40 MHz，片上已集成512 B的RAM；工作温度为-40～85℃。

控制系统板采用11.0592 MHz晶振。单片机引脚P0.0~P0.5端口用于控制电导率信号采集器的自动量程电路；P3.0和P3.1端口与串口液晶屏相连，用于显示；P3.1和P3.2端口接机床来的信号线，用于接收机床加工状态的信号；P2端口控制自吸水泵和电磁阀等。

控制系统的电源采用明威生产的开关电源，型号为Q60-C，220 V/50 Hz交流电，4组输出分别为+15 V，-15 V，+5 V和-5 V，1个COM接口， 功率为60 W，能满足系统要求。

2.3 机床信号转换电路

机床信号转换电路，由7个线性光电耦合器PC817，3个2 kΩ电阻以及2个1 kΩ电阻构成，如图3所示。来自机床的加工信号一般有3组，分别为第一次加工信号net1，第二次加工信号net2，第三次及以上加工信号net3。

图3 机床加工信号转换电路Fig.3 Conversion circuit of machine tool processing signal

当机床处于不加工时，net1、net2和net3端口均处于高电平，所有光电耦合均处于截止状态。初始加工状态时，net1端口置低电平，net2和net3端口置高电平，此时光电耦合K3导通，B端口输出低电平信号，K4和K6导通，单片机P3.2端口得到一个下降沿信号，外部中断INT0开启，同时P1.7端口电平被置低，单片机监测到此时加工状态为第一次加工。依次类推，通过置net1，net2和net3端口不同的电平，单片机能检测出第二次加工，第三次或以上的加工状态。

2.4 蜂鸣器电路

为了避免干扰，蜂鸣器电路采用光电隔离，如图4所示。蜂鸣器为有源蜂鸣器，其控制口与单片机P2.6口相连，控制口为低电平时，蜂鸣器工作。

图4 蜂鸣器电路Fig.4 Buzzer circuit

2.5 执行器控制电路

自吸水泵控制电路如图5所示，单片机P2.0端口的控制信号控制线性光电耦合器PC817的开闭，通过三极管Q1的导通与截止来控制继电器K7的开闭。继电器最大耐压250 V，最大耐电流10 A。为了减少控制电路对单片机的干扰，在单片机与继电器之间进行隔离。

图5 自吸水泵控制电路Fig.5 Self-priming pump control circuit

各电磁阀控制电路如图6、7、8所示，S1和S2分别接工作液管路的进液电磁阀，S3和S4分别接工作液管路的泄压电磁阀，S5和S6分别接工作液管路的回液电磁阀。单片机通过对各继电器的控制即可实现工作液的智能控制。

图6 进液电磁阀控制电路Fig.6 Control circuit of liquid inlet solenoid valve

图7 泄压电磁阀控制电路Fig.7 Control circuit of pressure relief solenoid valve

图8 回液电磁阀控制电路Fig.8 Control circuit of liquid return solenoid valve

电磁阀控制电路的继电器为单刀双掷继电器。其线圈通断电分别通过单片机P2.1，P2.2，P2.3控制三极管Q1，Q2，Q3的导通与截止来实现的，低电平时导通。在继电器线圈上反向并联续流二极管1N4007，用于抑制和吸收线圈断电时反向电动势的作用。在三极管与单片机I/O口之间，用光电耦合器PC817隔离，避免三极管2N3904漏电流对单片机的影响。

2.6 样机制作

工作液智能控制系统的样机已制作完成，如图9所示。PCB板制成2块：信号板和控制板。信号板与控制板通过JTAG线连接，采用光电隔离，将单片机I/O口与三极管基极隔离，使信号板与控制板仅保持信号联系，而不直接发生电的联系，避免三极管漏电流对单片机的干扰。

图9 控制系统样机Fig.9 Prototype

3 结语

MS-WEDM工作液智能控制装置能够在线检测粗、精工作液槽的工作液电导率，并判断其能否满足粗、精加工要求；根据多次切割加工技术的特点，合理地控制粗、精加工工作液的交换，有效地提高加工精度和表面质量等工艺性指标，并提高加工稳定性。该装置结构简单，使用常用的元器件，成本低；可直接安装在现有的中走丝电火花线切割机床上，通用性好。

[1]刘志东.高速往复走丝电火花线切割的现状及发展[J].机械制造与自动化，2013，42（2）：1-6.

[2]刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工[M].5版.北京：机械工业出版社，2008.

[3]李明辉.杨振步.蒋文英.中走丝电火花线切割机的特点与发展趋势[J].航空制造技术，2011，54（8）：32-35.

[4]郭翠霞，刘康，谢文玲，等.工作液电导率对MSWEDM加工工艺性指标影响研究[J].机床与液压，2014，42（6）：77-79.

[5]魏为.提高高速往复走丝电火花线切割加工精度及稳定性试验研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.