MS-WEDM工作液智能控制系统设计与实现

郭翠霞，刘 康，杨大志，李 欢

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

我国高速走丝电火花线切割机床成功地采用了多次切割技术，能有效地改善加工工艺水平。多次切割技术[1]是对工件实施多次切割，即第一次高速切割成形，俗称“粗加工”，第二次及以上提高形状精度和工件表面质量，俗称“精加工”。业界将这种具有多次切割功能的高速走丝电火花线切割机床称为中走丝电火花线切割机床MS-WEDM（medium-speed wire cut electrical discharge machining）。目前，MS-WEDM仍存在加工精度稳定性差的缺陷[2]。工作液是放电介质，高频电压击穿绝缘工作液并形成放电通道，局部瞬间高温（10000℃以上）熔化和气化金属，完成金属切割加工后，工作液又恢复绝缘状态。因此工作液电导率的大小（介电性能）极大的影响放电效果[3-4]。

根据MS-WEDM机床多次切割的特点，文献[5-6]研究了工作液智能交换控制系统，即采用2套工作液供给系统满足粗、精加工需求。本文将在硬件电路设计的基础上[6]研究该装置的系统控制思路，即研究工作液智能控制系统的控制流程，并对控制程序编译。

1 工作液智能控制系统方案

MS-WEDM工作液智能控制装置如文献[5-6]所示，与传统的高速走丝电火花线切割机床的工作液供给系统相比，该工作液供给装置分别有粗、精加工2个工作液槽，并形成粗加工和精加工2个工作液回路。单片机采集工作液电导率，并根据电导率值判断粗、精工作液箱；单片机根据机床信号判别加工状态（粗加工或精加工），当机床加工信号为一次切割或多次切割中第一次（粗加工）时，系统控制粗加工工作液供给回路工作，供给粗加工工作液；当机床加工信号为第二次及以上时（精加工），系统控制切换工作液回路，提供精加工工作液。系统控制相应电磁阀的开与闭，实现粗、精加工时工作液供给系统的智能交换，满足粗、精加工的工艺要求。

工作液智能控制系统方案如图1所示，系统由信号输入回路、单片机和执行元件三部分构成。输入回路有工作液电导率信号、温度传感器信号、加工状态信号等；单片机为STC89C58RD+；执行元件有继电器、电磁阀等。电导电极和温度探头分别对工作液的电导特性和温度进行采集，采集到的2个信号进行单片机内部处理，发出相应控制电磁阀的信号。单片机将采集到的工作液电导率和温度信号经过处理最后显示在串口屏上面。

图1 工作液智能控制系统方案Fig.1 Solutions of the working liquid intelligent control system

2 工作液智能控制流程

工作液智能控制流程如图2所示。工作液智能控制系统要完成系统开机自检，对工作液电导率进行实时采集，并自动判别具体粗、精工作液箱。自检完成后，系统处于待机状态，即等待机床加工信号。当机床开始加工时，系统立即开启水泵，然后根据相应的机床加工状态，开启/关闭相应电磁阀。

图2 工作液智能控制流程Fig.2 Flow chart of the working liquid intelligent control system

按照图2所示，单片机控制步骤为①上电复位；②初始化函数对硬件进行初始化；③进行开机自检流程；④等待加工信号；⑤有加工信号即开启指定继电器控制的电磁阀；⑥主程序进行工作液电导率和温度的实时采集，并显示在串口屏上；⑦不断地检测加工标志位来判断是否在加工；⑧加工结束信号出现，关闭电磁阀总开关，结束工作液的输送；⑨结束加工，系统等待。

软件系统程序包括各模块初始化程序、温度传感器程序、A/D模块TLC2543转换程序设计、串口屏显示程序、自动换挡检测程序及电磁阀程序等。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。

2.1 初始化模块设计

系统初始化主要完成的任务是使系统进入初始化，为正常工作做好准备。主要完成软件初值的设定，微处理器内存、I/O口、硬件电路的初始化。

在程序设计中，运用到了很多定时器中断、I/O口中断、A/D采样中断和数据串接通讯中断等等，中断是CPU中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作，是CPU与外围设备进行输出/输入的有效方法。故需要对T0、T1的工作方式、定时时间进行初始化、对外部中断和中断控制初始化。

2.2 开机自检程序流程

初始化完成后，必须进行开机自检，而开机自检程序流程为①标志位赋值（AB=1）；②发送字符到串口屏显示自检开始；③打开1号液箱，等待1 s使工作液到位；④开始数据采集（具体为10次）；⑤标志位赋值（AB=2）；⑥等待1 s，1号液箱的工作液流回液箱；⑦打开2号液箱，等待1 s使工作液到位；⑧同样进行数据采集（10次）；⑨比较1号液箱和2号液箱的电导率，自动判断粗、精加工液箱；⑩关闭总开关，结束开机自检。

2.3 工作液温度采集子程序

温度采集子程序主要是采集DS18B20的测量的工作液当前的温度值。DS18B20与单片机的连接采用外部电源供电模式[7]，单片机只需要与一个I/O端口相连就可以控制DS18B20，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，大大简化了传感器与微处理器的接口，完成温度采集。

单总线协议规定一条数据线传输串行数据，时序有严格的控制，对于DS18B20的程序设计，必须遵守单总线协议。DS18B20操作主要分初始化、写数据和读数据。DS18B20出厂时配置为12位，最高位是符号位。单片机读数据时每次读2字节，共读16位。读完后，将其中的低11位的二进制数转化为十进制数，然后乘以0.0625就获得实际的温度值；剩下的前5个数字是符号位，且同时变化，前5位为1时，读取的温度为负值；相反，前5位为0时，读取的温度为正值。

2.4 A/D模块TLC2543驱动程序

系统选用TI公司生产的12位开关电容型逐次逼近数模转换器TLC2543。硬件电路中TLC2543占用了4个单片机管脚，分别是时钟CLOCK（P1^0）、输入 D_IN（P1^1）、输 出 D_OUT（P1^2）、片 选 _CS（P1^3）。TLC2543片内集成了12路为外部模拟量输入和3路为片内自测电压输入，一共15路多路开关。在每次转换结束后，EOC引脚都自动置高，转换过程中由片内时钟系统提供时钟，不用外部时钟的接入。

其具体操作流程为①主程序发送通道号到TLC子程序中；②CS片选置高、EOC置高、时钟置0；③拉低片选CS=0；④通道port左移4位；⑤准备读取第一位数据；⑥通道0数据准备好，上升沿锁存进TLC2543，写进高位数据；⑦时钟CLOCK上升沿保持；⑧时钟CLOCK下降沿保持；⑨接收变量ad左移1位，将最低位空出，以便装入下一位数据；⑩循环12次接收完DATA_OUT的数据；11○转换结束片选CS置高，ad由于接收完移位，故多左移1位结束后要右移1位；12○返回ad的值到主程序；13○返回的值为0～4095，要转换成基准电压源的5 V对应的电压值公式为

2.5 Usart串口屏显示子程序

在程序驱动时，单片机首先初始化串口。由于CPU默认的115200的串口波特率，因此初始化程序就是初始化设置串口的波特率，其余参数均默认，按照采集系统的串口参数设置即可。再将一个BYTE发送到串口发送端，判断发送标示等待发送结束，结束后继续发送下一个字节。编写串口显示程序时，将显示界面分成固定不变与需刷新的两部分。将每个界面都分成SETUP（）和LOOP（）2个结构，在SETUP（）中完成界面以及各个变量的初始化，再在LOOP（）中循环刷新显示测量的数据。

串口屏对应的界面设计软件是GpuMaker V3.0 B1229。软件有串口命令、字符点阵、图像处理和帮助与说明4个菜单。界面设计程序主要在串口命令菜单下完成。设计好的界面直接通过“全部上传”按钮传到串口屏的存储芯片上。如图3所示，串口屏主显示界面分为3个区域、实时数据显示区域，系统报警值的设定区域和系统运行状态区域。

图3 串口屏显示界面Fig.3 Display interface of a serial port screen

2.6 自动换挡程序及电磁阀控制程序

为了使工作液电导率采集达到精度，硬件设计了2个量程，量程的切换使用的是CD4051模拟开关。自动切换量程的程序思路为只需判断电导率的切换阈值，在通过编程在每N次采集完成后（或者连续多少时间不在量程范围内）就自动跳到下一量程即可。

电磁阀的控制采用switch-case结构，将继电器使用的每种工况编译到程序中，出现什么样的工况自动调用函数，出现未知工况时，只需要在default中关掉继电器总开关。

3 结语

工作液智能控制系统的单片机应用程序由C语言编程。单片机C语言源程序经过编辑、编译生成目标程序.BIN和.HEX文件，然后下载到单片机内即可运行。该控制系统的调试C语言程序采用Keil51μVision2/DL。该系统采用模块化编程思想编写了A/D模块TLC2543转换程序设计，温度传感器程序，串口屏显示程序和自动换挡程序及电磁阀控制程序等，各模块分别运用C51语言编写、编译和调试，然后在主控程序Main（）来调用，这有利于程序的改写和系统升级。该控制程序已下载到单片机并已完成软、硬件调试。

[1]刘晋春，赵家齐，赵万生.特种加工[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]汤泉，彭海宁.“中走丝”电火花线切割机床的特点[J].电加工与模具，2010（4）：75-76.

[3]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（6）：77-79.

[4]陆霖琰.基于复合工作液的高速往复走丝电火花线切割加工研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[5]李克君.电火花线切割机床工作液的智能交换方法及装置[P].中国，CN1020078991A，2010-12-31.

[6]郭翠霞，刘康，谢文玲，等.电火花线切割机床工作液智能控制系统硬件设计[J].仪表技术与传感器，2014（4）：74-76.

[7]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.