基於數字化編碼--播放體係結構的電火花線切割加工數控係統-刀（dāo）具網-數控機床市場網（wǎng）

您現在的位置：數控係統網> 加工與維修>基於數字化（huà）編碼--播放體係結構的電火花線切割加工數控係統

基於（yú）數字化編碼--播放體係結構的電火（huǒ）花線切割加工（gōng）數控係統

2018-4-2 來源：上海交通大學機（jī）械與動力工程學（xué）院作者：鄭君民，陶（táo）旭牧野，陳默，陳昊，奚學程，趙

摘要:借鑒（jiàn）網絡音視頻製作與播放模式，提出了一種基（jī）於“數字化編碼一播（bō）放”的新概念靈巧數控係統的體係架構及係統實現方法。該係統采用客（kè）戶端/服務（wù）器模式，將複雜軌跡運動數字化，即插補過程與（yǔ）機床（chuáng）運動（dòng）控製分離，以異步運行模式取代傳統的同（tóng）步運行模（mó）式。編碼器負責將複雜運動軌跡通過插補算法進行數字（zì）化，生成（chéng）運（yùn）動比特流文（wén）件，而直接控製機床（chuáng）運動的數控終端則從服務器端下載運動比特流直接進行播（bō）放，實現機床的運動。該（gāi）架構在大大簡化控製係統終端的同時，顯著提高了係統（tǒng）的實時性。此外，一個服務器還可連接多個數控係統終端，同時加工不同的零件。利用該架構（gòu）構建的（de）線切割數控係統證明了基於數字化編（biān）碼一播放架構的數（shù）控係統原理的可（kě）行性。

關鍵詞:電火花線切割加工;數控係統 ;編碼器一播放器架構;客戶端（duān）/服務器;運動比特流

電火花（huā）線切割加工廣（guǎng）泛（fàn）應用於難切削材料、模具、精密（mì）器件等（děng）加工領域。數控係統是電火花線切割機床的（de）核心部件，也是決定線切割係（xì）統加工性能及未來自動（dòng）化、智能化、網絡化的最重要的核（hé）心技術的載體。

由於計算機技（jì）術（shù）的飛速發展，電火花線切割數控係（xì）統正向（xiàng）著智能化、網絡化、集成化及高柔性化（huà）的方向發展。純軟件型(PC+實時通訊（xùn）接口（kǒu）卡)的開放式數控係（xì）統（tǒng）因其繼承了現代計算機技術的特點，擁有高計算性能、高靈活（huó）性與低硬件（jiàn）成木等優勢，獲得了越來越廣泛的應用。國內外研究（jiū）機構（gòu）也對基於PC的數控係統及其相關技術開（kāi）展了深入的研究開發，並給出了不同的係統原型，如:基於實時（shí）以太網的開放式電火花線切割加工數控係統（tǒng）、基（jī）於FPGA Nioses II的單向走絲線切割數控係統、基於PCI總線的往複走絲線切割數控係（xì）統（tǒng）、基於Linux的微細電火（huǒ）花加工數控（kòng）係統l、基於EPL傳輸技術的Linux開放式實時數控係統、基於組件技術的開放式數控係統等。

目前國產的單向走絲和往複走絲電火花線切割機床普遍采用了國產數控係統。其體係架構的（de）核（hé）心部分—插補原理與運動控製機製發源於早期的數控係統。在此機製下，插補與運動控製同步進行，即在每（měi）個（gè）進（jìn）給周期，首先完成插（chā）補運算，獲得各運動（dòng）軸的進給增量，然後將各運動軸的（de）增量送給對（duì）應的步進電機，從而馭動工作台做出相應的運動。每套數控係統須配備針（zhēn）對G代碼的解釋器，還需做大量的語法語義解析和處理功能。隨著數控係統功（gōng）能的不斷擴充，線切（qiē）割數控係統變得越來越複雜。此外，在生產線上，由多台機床組成的柔（róu）性製造單元或自動化（huà）生（shēng）產線需多台設備協調同步工作，然而現有（yǒu）的（de）生產方式是由多個單獨（dú）運行的數控係統控製加工，很難實現相互配合（hé）。

從數控係統發展的大趨勢來看，通用（yòng）數控係統（tǒng）越來越複雜。然而，線切（qiē）割（gē）的（de）加工模（mó）式是相對固定的，功能也較單一。傳（chuán）統體係架構的通用數控係統（tǒng）相對於線切割的加工工藝而（ér）言有著過多的（de）冗餘，使數控電火花線切割機床成木偏高，不適合線切割機床的實際需求。

基於（yú）以（yǐ）上問題，本文提出了一（yī）種與傳（chuán）統數（shù）控係統發展趨勢完全（quán）相反（fǎn）的發展思路，並試圖（tú）將線切割數控係統做得更加簡單，甚至是簡單到極致。有鑒於網絡音頻的製作（zuò）與播放方法，本文提出了一種基於“編碼器一播放器”體係架構的數控係統思路，並基於該體係架構實現了（le）線切割數控係統的原型。

1、係統架構及（jí）其工作原理

1.1 與傳統體係架構的區別

圖（tú）1是傳（chuán）統線切割數控架構的示（shì）意圖，插（chā）補（bǔ）計算（suàn）與運動控製同步運行，兩者間存在嚴格的時間周期關係。圖2是編碼器一（yī）播放器架構的示意圖，借鑒了數字音頻（pín）技術，利用現有計算（suàn）機網絡，編碼器端負責遠程雲計算，播放器端成為加（jiā）工現場（chǎng）的數控終端，使插補計算與運動控製異步（bù）運行，並實現“一對多”的網絡節點工作模式。上述2種數控係統的運（yùn）行方式（shì）分別是（shì）同（tóng）步（bù）與異步兩種方式。傳統的線切割數控係統中，功能模塊間主（zhǔ）要通過各數據緩衝區實現數據的傳遞，屬（shǔ）於同步的工作方式。為保證加工過（guò）程的連（lián）續（xù）性，譯碼、速度處理、插補計（jì）算模塊同步進行，插（chā）補計算（suàn）又與運動控製模塊同步運行，各（gè）模塊（kuài）間存在著嚴格的時間周期的限定關係（xì），以保證數據流暢地傳遞（dì）。而實際上，隻有運動控製模（mó）塊需嚴格按時間周期執行，因為這直（zhí）接影響到工件（jiàn）的（de）加工質量。若能提供一種工作機製，提前完成插補，將插補計算與運動控製模塊之（zhī）間的緊密（mì）聯係斷開，加工時隻需該結果以特定編（biān）碼格（gé）式，源源不斷地為運動控製模塊提供控（kòng）製運動的數據流，即可得到異步的工作（zuò）方式。

圖1 傳統線切割數控體係架構示意圖

圖2 編（biān）碼器一播放器（qì）體係架構示意圖

異步運行的數控係統具有其獨特的（de）優勢。首先，插補不受運動（dòng）控製周期的影響且無實時性要求，運動控製也不受插（chā）補計算（suàn）時間（jiān）的約束（shù），既可高效（xiào）完成更為複雜的（de）插補算法，又可更靈活實時地進行運動控製。而在同（tóng）步方式下（xià），由於要考（kǎo）慮插補計算的耗時以及該耗時的不均勻性，導致運動控製周期的延長，最終降低了整個係統的實時性能。第二，傳統的同步架（jià）構中，插補與運動控製這兩（liǎng）個任務的同步執行是（shì）通過對CPU的分時占用來實現的（de），因此在異步（bù）架構中（zhōng），將插（chā）補任務隔離出（chū）去（qù）後，運動控製任務的實時性能將會發生顯著提高，大大降低了對（duì）複雜（zá）實時操作係統（tǒng）的性能依賴。第二，由於已得到（dào）了經過編碼的插補結果文件，對於一（yī）個重複性的加工任務，每次運行時再也不用重新解釋代碼和插補計算，直接運行結果文件中的數據即可，不僅節約時間，也提高了整個線切割數控係統的運行效率，簡化了在線運行的數控係統的設計複雜性（xìng），降低了其成本。

1.2 “編碼器一播放器”型異步架構的提出

自（zì）300年前的自動演（yǎn）奏樂器誕生以來.作為承載音樂的記錄與播放處（chù）理方式經曆了模擬、數字及網絡多媒體時代的重大變革，適應（yīng）了互（hù）聯網時代的發展潮流，並（bìng）取得了巨大成功。現代的數字音頻技（jì）術中，首先，編碼器端完成數（shù）字化處理，包括采樣、量化與（yǔ）壓縮編碼;第二步，網絡傳輸，即文件以特定的格式在網絡上流式（shì）傳輸;第二步，播（bō）放器在線解碼播放。

在上述3步中，編碼（mǎ）器是一個服務（wù）器，而播放器則是一個客戶端，“服務器一客戶端（duān）”的工作模式見圖3。若借鑒這種製（zhì）作與播放分離的方法，則會極大地簡化（huà）傳（chuán）統插（chā）補與位控的同步工作方式，從而為用戶帶來便捷;同時，由於一個服務器可連接多個輕量級的客戶端，方便用戶的（de）同時也節約了大量資源。木文的目的就是將這些網絡音頻技術帶來的便捷與優勢借鑒到線切割數控（kòng）係統當中。

自300年前的自動演奏樂器誕生以來.作（zuò）為承載音樂的記錄與播放處理（lǐ）方式經曆了模擬、數字及網絡多媒（méi）體時代的（de）重大變革，適應了互聯網時代的發展潮流，並取得了巨大成功（gōng）。現代的數字音頻技術中，首先，編碼器端完成數字化處理，包括采樣、量化與壓縮編碼;第二步，網絡傳輸，即文件以特定的格式在（zài）網（wǎng）絡上流式傳輸;第二步，播放器在線解碼播放。

在上述（shù）3步中，編碼器（qì）是一個服（fú）務器，而播放器則是一個客戶端，“服務器一客戶端（duān）”的工作模式見圖3。若借鑒這種製作與播放分離的方法，則會極大（dà）地（dì）簡化傳統插補與位控的同步工作方式，從而為用戶帶來便捷;同時，由（yóu）於一個服務器可連接多個輕（qīng）量級的客戶端，方便用戶的同（tóng）時也節約了大量資源。木文（wén）的目的就是將這些網（wǎng）絡（luò）音（yīn）頻（pín）技術帶來的便捷與優勢借鑒到線（xiàn）切割數控係（xì）統（tǒng）當中。

圖3 服務器一客戶端模式

1.3 係統的工作原理

借鑒上述數字音頻技術（shù），可將原控製器執行的複雜（zá）計算放（fàng）在編碼器端離線完成，編碼器端在計（jì）算得到一係列（liè）插補結果數據（jù），將其編碼壓縮製作成可播放（fàng）的比特流文件。其示意圖如圖2左側所（suǒ）示。

然後，在編碼器端與播放器端兩者間，應用流式傳輸技術與服務器一客（kè）戶端模式（shì），通過TCP/IP協議族的網絡傳輸機製（zhì）將兩者（zhě）隨時相連。這兩端的工作是一個異步（bù）的通訊過程，播放器是客戶端，編碼器是服（fú）務器。編碼器可隨時支持多台播放器的連接與在線播放，其工作模式如圖3所示。其中，可播放的比特流（liú）文件在傳輸過程中會被按（àn）順序分割成一係列大小固定的數據包按順序進行傳送。

最後，線切割機床控製器（qì）被精（jīng）簡為“播放器”，它負責一邊緩衝接收（shōu）可播（bō）放文（wén）件的一係列數據包，一邊按控製的（de）實時節拍（pāi）解碼（mǎ）播放，最終使得可播放的比特流（liú）文件經由播放器在機床各（gè）軸上按插補軌跡“播放”。其示意（yì）圖如圖2右側所示。

1.4 “編碼器一（yī）播放器”架構的優勢

在（zài）編碼（mǎ）器一播放器體係架構中（zhōng），編碼器端離線計算得到各個已被編碼的插補結（jié）果文（wén）件，然後保持對各個相應端口的監聽;各個播放器（qì）端在需要加工相應軌跡時，便在線選中（zhōng）所需的結果文件，通過網絡通訊方法.找到相應IP地址和端（duān）口後.在線“播放”。即一個服務器可連接多個數控係統終端，同時進行不（bú）同零件的加工。該架構具有以下優勢:

首先，在這種體係下，相當於多個傳統（tǒng）線切（qiē）割（gē）數控係統的負責譯碼、速度控製、插補計算的部（bù）分，被集成到（dào）一個編碼器端中（zhōng）被離線完成，節省了大量的設備資源，體（tǐ）現了（le）係統（tǒng）在整體規（guī）劃上的高效（xiào）性。第二（èr），機床的直接（jiē）控製器簡化成了一個播（bō）放器，將係統的簡潔性發揮到極致（zhì），使該控製器功能更（gèng）專一，運（yùn）動控製的性能得到提升。第二，在傳統架構中，所（suǒ）有（yǒu）功能模塊（kuài）運（yùn）行在同一環境下，一個模塊的差錯會影響到下一個模塊的工作，甚至發生錯誤的累積。而在新體係下（xià），係統相關的穩定性與可靠（kào）性得到（dào）了大幅提升（shēng），原因是插補及其（qí）前而的（de）功能模塊被完全從傳統（tǒng）係統中提取出來，待形成準確無誤的插補結果(即運動比（bǐ）特流文件)後，才會供給（gěi）各個播放器使用，達到了完全的異步工作狀態。第四，由於借鑒（jiàn）了網絡在線點播的技術，可實現一邊緩衝下載一邊播放（fàng）文件，因此，播放（fàng）器在任（rèn）意時刻選（xuǎn）中相應可播放的運動比特流文件(即編碼器端（duān）所計算得到的結果文件)後，即可立刻進入加（jiā）工狀態，係統運行得既靈活又（yòu）高效，充分體現了（le）時間上的快捷性。

2、係統功能的實現

2.1 本係統的組成（chéng）

本項目的總（zǒng）體架構就是“編碼器一播放器”體係（xì）(圖4)，區別於傳統的控（kòng）製器（qì），該係統分為編碼器端（duān）和播放器端兩部分。編碼器端包括參數設（shè）置界而、插補器、仿真器、編碼器、文件輸（shū）出、服務器6個主要模塊（kuài）。播放器端包（bāo）括客戶端、文件讀取、解碼器、播放器4個主要模塊。

2.2 各模塊（kuài）功能及相互（hù）關係

編碼器端的6個功能模塊（kuài）間的相互關係見圖5。參數設置界而主要用來輸入被（bèi）插補曲線的參數。插補（bǔ）器用於（yú）將設置好參數的理想曲線進行離散化插補計算。所用的插（chā）補算法為單位（wèi）弧長增量法，這是一種（zhǒng）以曲線弧長為參數的插補（bǔ）方法，在每個插補周期內，根據理想曲（qǔ）線的單（dān）位弧長增量投影到XY(或UV)坐標軸的增量大小，決定兩坐標軸各（gè）自是否進給（gěi）。仿真器擁有繪圖功能，用於將插補軌跡顯現在編碼器端的界麵上，起（qǐ）到仿真的作用，還可將插補軌跡與理想光滑軌跡作對比，以（yǐ）便檢（jiǎn）查插補軌跡的理想程（chéng）度（dù）。編碼器將插補結果中（zhōng）各軸的（de）每一步脈衝增量與方向進行比特流編碼（mǎ）。文件輸（shū）出模塊會將每一步的編碼結果全部寫（xiě）入文件，並保存。服務器模塊會為（wéi）各目（mù）標文件開啟相應的Socket接口，時刻監聽直至獲取各客戶端的連接.然後發送一係列大小固定的數據包直至將（jiāng）目標文件全部（bù）發送完成。

播放器端的4個功能模塊間的相互關（guān）係見圖6。客戶端用於從服務器按順（shùn）序依次（cì）下載組成目標文件的一係列數據包。文件讀取模塊按順序讀取已（yǐ）下載的數據包中的編碼，供解碼器及播放器使用。解（jiě）碼器（qì）將被編碼的脈衝增量解碼還原，得到帶有方向的脈衝（chōng）增量（liàng）。播放（fàng）器則（zé）將脈衝增量同時在虛（xū）擬界麵上和機床上（shàng）播放出來，從而完成加工（gōng）過程。

圖4 本係統宏觀組成與邏輯架構

圖5 編碼器端的各（gè）模塊邏輯關係

圖6 播放器端的各（gè）模塊邏輯關係

3、實驗驗證

3.1 實驗係統

圖7是實驗現場的設備組成（chéng），箭頭（tóu）方向指示了設備的（de）連接順序和數據與信號傳輸順序。首（shǒu）先，PC機是播放器，即負責（zé）運動控製的數控終端。其次，PC機與Arduino開發板通過工業實（shí）時以太（tài）網線連接，由Arduino開發板負責將播放器播放的每一組（zǔ）脈衝數據（jù）轉化為電信（xìn）號。Arduino通過4個針腳與XY兩主軸的步進（jìn）電機3動器相連，並將每組電信號發送給機床步進電機3動器。最後，步進電機馭動器控製機床主軸進給，從而完成加工。

3.2 實驗一:小型圓形樣件加工實驗（yàn）

該實驗中，在一塊厚（hòu）度為1888 μm的（de）鋼板上切割了一個小型圓柱（zhù）工件。機床各（gè）軸（zhóu）進給速度用每秒鍾進給的脈衝（chōng）當量(basic length unit,BLU)表（biǎo）示，本實驗進給速度為20 BLU/s。機床（chuáng）的單位脈衝當量為0.8 μm，本實（shí）驗切割圓柱體直徑為5000 BLU，因此，切割出的工件（jiàn）理想預（yù）期直徑為4000 μm。實驗前（qián），編碼器端已完成所有計算任務，得到了可播放文件。實驗過程中，播（bō）放器流暢（chàng）而（ér）毫無差錯地緩衝接收了來自編碼器端的可（kě）播放文件的一係列數據包。為檢驗實驗效果，分別測量了切縫寬度、圓孔直徑及圓柱工件直徑(表1)。

表1 加工結果的測量值

圖7 實驗係統實物圖

在整個加工過程中，數控係統穩（wěn）定性優良，電極絲未發生短路（lù），電火花均勻且強度適中，表現出了較高的（de）加工效率。同時，加工出的圓柱（zhù）工件側而無明顯棱線，具有良好的表（biǎo）而質量，且切縫寬度穩定而均勻，切割圓（yuán）度良（liáng）好，具有較高的尺寸精度。加工樣件（jiàn）見圖8。

圖8 圓柱樣件

3.3 實驗二:組合線型樣件（jiàn）加工實驗（yàn）

該實驗中，金屬（shǔ）板材厚度為（wéi）6725 μm，加工參數與實驗一相同。該工件的周長遠大於實驗一的圓（yuán）形工件，編碼器端生成的可（kě）播放文件總大（dà）小為510 kb ,整個試驗由播放器控製，令機床（chuáng）主軸進給65 000餘組脈衝增量。該工件的外形比實驗一更複雜,CAD設計圖紙見圖（tú）9a，加工軌跡由8個曲線段和2個直線段組成，通過相切或相交關係組成封閉的葫蘆圖（tú）形。在整個加工過程中，數（shù）控終端穩定性良好，脈（mò）衝數據傳送與運動控（kòng）製的實時（shí）性能優良，樣件邊緣兩曲線相切處過（guò）渡平滑，展現（xiàn）出良好的加工效（xiào）果（guǒ）(圖9b)。

圖9 組合線型樣件

4、結語

本文在以Linux為操作係統的PC上，利用Qt構建了一個基於編碼器一播放器體係的線切（qiē）割數控係統原型，包括編（biān）碼器端和播放器端兩部分。編碼器端包括人機交互界而的開（kāi）發、“插補一編碼一（yī）存儲-輸出”循環的構建、實時仿真畫而的建立、編碼（mǎ）存儲方式的構建與實時體現、異（yì）步（bù）傳輸服務器的建立等。播放器端包括客戶端的建立、“讀取一解碼還原-播放（fàng）”循環的構建（jiàn）、電（diàn）機（jī）的實時控製等。

主要研究成果為實現了精（jīng）煉高效的異步運行方（fāng）式及（jí）服務器一客戶端控製模式的線切割數控係統原型。

(1) 編碼（mǎ）器端遠程計算並輸出文件，同時執行插補仿真，以檢（jiǎn）驗計算插補結（jié）果是否有不正常偏差。

(2) 以客戶端/服務器（qì）結構，采（cǎi）用TCP/IP協議族，借鑒網（wǎng）絡流媒體的流式傳輸技術，播放器端以緩存的方式，實時地按順序接收編碼器端的比特流傳輸。其中，服務器與客戶端是異步（bù）的工作方式。

(3) 播放器端實時解碼並播放(執行)插補文件。

最後，通（tōng）過樣件的切割實驗，驗證了基於編碼器一播放器架構的線切割數控係統原理的可行性。係統結構在簡（jiǎn）潔性與靈活性、運行的可靠性、時間上的快捷性等方而擁有顯著（zhe）優勢，同（tóng）時具備很好的控製與加工精度。

投稿箱：
如果（guǒ）您有機床行業、企業相（xiàng）關（guān）新（xīn）聞稿件發表，或進（jìn）行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推（tuī）薦

業界視點

| 更多

行（háng）業數據（jù）

| 更多

博文（wén）選萃

| 更多