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電（diàn）火花數控插補（bǔ）器的設計

2018-4-4 來源：河南理工大學機械及工程動（dòng）力學（xué）院作者：劉石安劉建慧童景琳（lín）

摘要:論文分析了逐（zhú）點比較法可回退（tuì）的直線、圓弧插補算法，用硬件描述語言HDL編程，實現了插補算法硬件（jiàn）化，計算迅速，幾乎（hū）不消耗時（shí）間，完全（quán）能滿足數控係統的（de）實時性要求，已成功應用於電火花數控係統（tǒng）中。

關鍵詞: 電火花;數控（kòng）;插補

0、引言

電火花數控係統最主要（yào）的實時任務是插（chā）補運算、運動規劃和電火花加上間隙狀態檢測與控製。插補運算是為了精確計算出（chū）各個（gè）運動軸的移動量，確（què）保上具電極按預定（dìng）的（de）軌跡路線運（yùn）行;運動規劃是為了解決上具電極移動時可能存在的不平穩現象，比如空運行到（dào）放電加上時，間隙短路狀態到（dào）快速（sù）回退時，都（dōu）要有與電火花加上相適應（yīng）的變速方法（fǎ）;間隙狀態檢測與（yǔ）控製是電火花加上上藝本身要求的，是必須實時的。其中（zhōng）插補運算在每一個控製周期內都必須進行核算，它的實（shí）時性能直接影響（xiǎng）整機係（xì）統性（xìng）能.

目前數控係統主要有兩種方式，一是全軟件方式，一是軟件硬件結合方式。插補算法用軟件實現的（de）數控係統升級換代容易，但速度要慢一些，係統實時任務總數不能多，還需要實（shí）時操作係統支持;用（yòng）硬件設計插補器能獲得良好的實時性能，插補器運行時不占用微處理器時間，是並行運行的，在分時（shí）操作係統（tǒng）中也可以運行。目前插補器硬件化的研究也比較深入，多數用嵌入式（shì）係統實（shí）現，主要應用於數控銑削或雕銑。電火（huǒ）花加上（shàng）公藝很特別，放電時上具電極不能（néng）再進給，因此電火花數控（kòng）係統必須考慮軌（guǐ）跡可回退，必須研（yán）究軌跡可回退的插補算（suàn）法。

模具加上離不開電火（huǒ）花加上工藝，據統計有30%的模具加工工作（zuò）量是用電火花加上工藝完成的，許（xǔ）多國外的機床（chuáng）製（zhì）造商，如阿（ā）奇、夏米爾公司，把電火花加上和高速數控（kòng）銑削結合起來，組合成（chéng）新的上藝係統，降低單件成本，縮短生產流程時（shí）間，從而增強（qiáng）企業的（de）競爭力同。根據蘇州民風數（shù）控科技公司的市場調查表（biǎo）明，數控電火花機床的需求在增大（dà），工藝（yì）範圍在拓寬（kuān），如用多（duō）軸聯動數控電火花加工技術完成聚屏，金剛石刀具加（jiā）工的，由此可見（jiàn），電火花加上工藝潛（qián）能還在，優勢的（de）發揮取決（jué）於數控技術、智能技術（shù）和其它各（gè）項技術的研究與（yǔ）應用的深（shēn）化。

本文在Windows環境下生成了C語言的可回退的軟件插補器，運行時消耗時（shí）間比較（jiào）多，估計在150μs左右，再者電（diàn）腦操作係統又是分時（shí）的，也降低了電火花數控係統的實時性能，因此本文致力於插補器硬件化研究，用硬件描述語言（yán）HDL生成，在All era公司EP1C12Q240C8可編程輯器件中實現，在集（jí）成開發環境Quarlus 11 EDA具下開發硬件插補（bǔ）器控製軟件，本文的中心論述點就集（jí）中在可（kě）回退插補器的（de）計算方法及其硬件化方（fāng）麵。

1、電火花數（shù）控插補器設計

軌跡可回退，是指放電加（jiā）工時工具電（diàn）極（jí）按原來路徑（jìng）相反的方向（xiàng），並沿原來前進時的腳步絲毫不差的沿途返回，係統選擇（zé）脈衝增量（liàng）法比較適宜，本文用逐點比較（jiào）法分析（xī）直線插補和圓弧插補:

1.1 直線插（chā）補器

在第二象限、第三和第四象限中的直線插補，由於與X軸或Y軸或y=x軸對稱，所以各（gè）個象限（xiàn）中的偏差計算方法都可以按第一象（xiàng）限計算方法處理，終點坐標取絕對值，隻是進給方向（xiàng）做適（shì）當調整即可，四個象限的可（kě）回退直線插補方法中的坐標進給和偏差計算，歸納起來如表（biǎo）1所示。

表1 直線插補

根據以上思路，本文用硬件描述語言HDL設計了可回退直線插補器，四個象限的直線插補均可生成（chéng），圖（tú）2表示了直線插補仿真波（bō）形，終點坐標為第四象限點E(xp,yp)=E(4,-3)，軌跡從（cóng）正向前進到中途拆返，再反向回退，最後回到直線（xiàn）起點的直線插（chā）補全過程（chéng）.

圖2 可回退直線插補仿真波形

1.2 圓弧插補器

圖3表示可回退圓弧插補示意圖，由於插補對象（xiàng）是圓，順（shùn）時針和（hé）逆（nì）時針互為反向，因此可回退圓弧插補（bǔ）偏差計算方法可（kě）以簡化，相應的計算原則是，當實際軌跡為順圓SR1時可回退（tuì）偏差判別式按逆圓弧計算，當實際軌跡為（wéi）逆圓NR1時可回退偏差判別式按順圓弧SR1計（jì）算。

圖3 四個象（xiàng）限（xiàn）的插補可回退圓弧插補

與直線插補相似，圓弧插（chā）補計算按坐標絕對值進行，進給方向的判定另（lìng）做（zuò）處理，那麽NR2,SR3,NR4都可以按第一象（xiàng）限順圓SR1來計算,SR2,NR3,SR4都可以（yǐ）按（àn）第一象限逆圓NR1來計算，主（zhǔ）要計算偏差值、進給方向、增或（huò）減JX ,JY，以及設（shè）置狀態標誌（zhì），如圖4所示（shì）。

圖4 可回退圓（yuán）弧插補程序流程圖

圓弧插補仿（fǎng）真波形如圖5所示，表示第一象限順圓圓弧插補仿真，起點坐（zuò）標為，終（zhōng）點坐標為（wéi）時，軌（guǐ）跡從正向前進到中途拆返，再（zài）反（fǎn）向回退，最後回（huí）到圓弧起點的插（chā）補全過程。

圖（tú）5 可回退圓弧（hú）插補仿真波形

2、結束語

(1)分析了逐點比較（jiào）法可回退的直線、圓弧插（chā）補算法，用硬件描（miáo）述語言HDL編程，實現了插補算（suàn）法硬件化。

(2)對硬件插補器模塊進行了功能仿真和時（shí）序仿真，圖2和圖5的時序仿真，說明了本文（wén）建立的硬件（jiàn）可（kě）回退插補器能夠正確的沿直線或圓弧軌跡插補前（qián）進，同時也能精確的沿原軌跡路（lù）線（xiàn）返回，此特征能（néng）充分滿足放（fàng）電（diàn）加上時上具電（diàn）極的進退需要，這是電火花數控技術的（de）基本要求。

(3)本文研製的（de）硬件插補器，運算速度快，每次運算消耗時間隻有1519個機器周期，即對於33.333MHz微處理器（qì），隻需時間0.5~0.7微秒（miǎo），因此具有良好的實時（shí）性。

(4)本文設計的（de）硬件化可回退插補器（qì），是在EP1C12Q240C8可編程邏輯器件（jiàn）中實現的，直線插（chā）補器占用100E個邏輯單元，圓弧插補器占用1367個邏輯單元，模塊工作頻率分別可達100MHz ,77MHz，說明占用（yòng）資源少，經濟性好，工作頻（pín）率高。

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