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MS-WEDM 工作液智能控製係統裝置研製

2017-4-5 來源：四川理工學院作者：郭翠霞，劉康，謝文玲，楊大誌，

摘要：根據（jù）高速走絲（sī）電火花線切割機（jī）床（具有多次切割功能）的加工特點，研製工（gōng）作液智能控製係統裝置。該（gāi）裝置由STC89C52RC單片機、工作液電導率信（xìn）號采集器、電磁閥和繼電（diàn）器等組成。闡述了控製裝置的結構與功能、硬件控製方案、機床信號轉換電（diàn）路和報警電路等。該裝置可（kě）直接安裝在現有的（de）高速走絲電火（huǒ）花線切割機床（chuáng）上，通用性好，且控製可靠（kào）性高，能夠滿足高速走絲電火（huǒ）花線切割機床對工作液智能控製的要求。

關鍵詞：中走絲電（diàn）火花線切割（gē）機（jī）床；工（gōng）作液控製技術；STC89C52RC單片機

多次切割技術在我國高速走絲電火花線切割機床已成功地運用，以（yǐ）低的成本改善了切割加工表麵的精度和質（zhì）量[1]。多次切割技術[2]對工件實施多（duō）次（cì）切割，即第一次高速切割成形；第（dì）二次精修，保證（zhèng）加工尺寸精度；第三次及以上拋磨修光，提高工件表麵質量，俗稱（chēng）“中走絲電火花線切割機床”。但是，現MS-WEDM 仍存在切割精度（dù）忽高忽低、保持性（xìng）差等缺陷，其主要影響因素有電極絲換向、振（zhèn）動引起電極絲空間位置發生變化、工作液性（xìng）能發生變化等，它（tā）們嚴重影響了加工放電效果[3-5]。結合（hé）高速走絲（sī）電火花線切割機床（具有多次切割功（gōng）能）加工特點（diǎn），在大量、相關研究的基礎上，研製出一套適合我國 MS-WEDM 工作液的智能控製係統，其加工穩定性得到提高（gāo），它的研製具有實際應用意義。

1.裝置的結構與功能

工作液控製裝置結構示意（yì）如圖 1 所示，裝置由（yóu）1 個自吸水泵（bèng）、1 個過濾器、1 個球閥和 6 個（gè）電（diàn）磁水閥（電磁水閥帶單向功能）以（yǐ）及 2 個儲液箱（分別（bié）是粗加工（gōng）液箱和精加工液箱）組成。工作液通過進（jìn）液電磁閥（9 或 10），流經過濾器 13 至自吸水泵 1，從自吸水泵 1 流出的工作液有一部分經過泄壓（yā）回路（球閥 3、泄壓電磁閥 7 和泄壓（yā）電磁閥 8）回流到對應的（de）工作（zuò）箱中，另一部分經過工作液電導（dǎo）率采集器和上、下絲臂供液管流（liú）到工作台液槽上（shàng）參與電火花（huā）放電加工，工（gōng）作液最終經過回液電磁（cí）閥（fá）（5 或 6）回到對應的工（gōng）作液儲液箱中。

圖1 控製裝置結構示意圖

工作液智能控製係統在接通電源後，首先進行開機自檢，即區分出具體的粗工作液箱和精工作液箱（xiāng）。其具體控製流程為（wéi）

1）自吸水泵 1 啟動，進液電磁閥 10、泄壓電磁閥 8 和回液電磁閥 6 開，工作（zuò）液電（diàn）導率采集器 2 開始（shǐ）采集（jí）儲液箱 12 的電導率信（xìn）號，經（jīng）過 A/D 轉（zhuǎn）換後，發送至單片（piàn）機計算並保存。

2）自吸水泵 1 保持工作狀態，在相繼關閉進液電磁閥（fá） 10、泄壓（yā）電磁閥（fá） 8 和回液電磁閥 6 的同時，進液電磁閥 9、泄壓（yā）電磁閥 7 和（hé）回液電磁閥 5 也相應的開啟，此時電導率采（cǎi）集裝置 2 開始采集儲液箱11 的電導率（lǜ），將（jiāng）此信號發送至單片（piàn）機，並與之前儲液箱 12 的電導率進行比較，從而區（qū）分出具體的粗、精工作液箱。

3）完成開機自（zì）檢後，控製（zhì）係統關閉自吸水泵 1及所有的電磁閥，係統待機，等待（dài）接收機床加工信號。係統一旦檢測到機（jī）床的加工信號，如機床開始粗加工，係統就（jiù）會接收到粗加工信號，使粗（cū）加工（gōng）工作液的供給、泄壓和回液管路相應的電磁閥打開；如機床（chuáng）半精或精加工時（shí），係統就會接收到相應的信（xìn）號，並（bìng）立即關閉粗加工工作液的相應供給、泄壓（yā）和回液（yè）管路（lù）的電磁閥，打開精加工工作液供給、泄壓和回液管路的電磁閥。控製係統能夠滿足在第一次切割時提供粗加工工作液，第二次及以上（shàng）切割時提（tí）供精加工工作液的加工要（yào）求，同時提（tí）高了工作液的使用壽命。

4）控製係統（tǒng）能夠（gòu）實（shí）時監測工（gōng）作液（yè）電導率值。一（yī）旦工作液電導率超過（guò）其設定值，係統在保證（zhèng）不（bú）影響機床正常加工（gōng）的狀態下，發出相應的（de）報警信號，提醒操作人員更換粗工作液（yè）箱（xiāng）的工作液。

整個工作液智（zhì）能控製係統設計采用模塊化（huà）思想。硬件係統以單片機為控製核心，設計有電源模塊、信號采集模塊（kuài）、控製模塊和執（zhí）行模塊。軟件係統（tǒng）程序包括各模塊初始化程序、A/D 模塊 TLC2543 轉換程序設計、溫度傳感器程序、串口屏顯示程（chéng）序、自動換擋檢測程序、電磁閥程（chéng）序、中斷信號程序和串口上位機程序等。各軟件係統模（mó）塊分別用 C51 語言編寫、編譯和調試，運用主（zhǔ）控程序 Main（）來調用各模塊程序，從而完成對整個裝置的控製。

2.硬件電路設計

工作液智能控製係統硬件電路框架如圖 2 所示（shì）。係（xì）統由（yóu）信號輸入回路、單片（piàn）機和執行元件三部分構成。輸入回（huí）路包括工作液電導率信號采集（jí）電路，機床控製櫃發出的（de）工（gōng）作液粗、精（jīng）加工轉（zhuǎn）換信號和工作液控製（zhì）係統啟動信號；控（kòng）製芯片（piàn）為STC89C58RD+；執行元件包括報警裝置、繼電器（qì）、電磁閥和水泵等。該裝置器件的選擇主要參考與（yǔ）單片機兼容、可控製的原則。

圖（tú） 2硬件（jiàn）設（shè）計方案

係統首先開機自檢，自動判（pàn）別具體的粗、精工作液箱。自檢完畢，控製係統處於待機狀態，等待機床加（jiā）工信（xìn）號。當機床發出加工（gōng）信號時，控製係統立即啟動水泵，並根據機床的加工狀態，開啟相應的電磁閥，同時對工作液（yè）電導率進行實時采（cǎi）集。工作液的電導（dǎo）率一（yī）旦超過設定值，則蜂鳴器報警，液晶顯示相應的警示符號。此時，係統（tǒng）仍會保持工作液供給，不會影響正常加工。待機床完成（chéng）加（jiā）工，工作液控製係統自動關閉（bì）水（shuǐ）泵及相應（yīng）電磁閥。

2.1 工作液電導率（lǜ）信號采集器

工作液導電性是靠離子的（de）遷移（yí）來完成的（de）。電導率的檢（jiǎn）測受到溫度、電極常數和交流頻率等因素（sù）的影響。為（wéi）了（le）能精確測量工作液電導（dǎo）率值，減（jiǎn）小極化效應、電容效應、溫（wēn）度效應和“漏電壓”幹擾（rǎo）帶來測量誤差，係統采用測量線性度較好的分壓法對（duì）工作液電導率（lǜ）測量。電導率傳感器采用電極常數 K=10的兩極式鉑黑電極，基材為（wéi）玻璃，外殼為不鏽鋼，測量範圍為 10~20000 μs/cm，具有防水、抗汙（wū）染能力強的優（yōu）點。電極驅動電壓為±5 V 的方波，其頻率為1000 Hz。工作液電（diàn）導率采集器由驅動電壓發（fā）生電路、電導率（lǜ）電（diàn）極接線電（diàn）路、變量程電路、信號放大調理電路、基準（zhǔn）穩壓電路（lù）、A/D 轉換電路、溫度傳感器電路和單片（piàn）機等（děng）組成。

2.2 控製（zhì）芯片和電源

控製芯片選用宏晶科技直插型的工業（yè）級STC89C52RC。該芯片價格低廉、性價比較高；工作電壓為 3.3～5.5 V，工作頻率為 0～40 MHz，片上已集成 512 B 的 RAM；工作溫度為-40～85 ℃。

控製係統板采用 11.0592 MHz 晶（jīng）振。單片機引腳 P0.0~P0.5 端口用於控製電導（dǎo）率信號采集器的自動量程電路；P3.0 和 P3.1 端口與串口液晶屏（píng）相連，用於顯示；P3.1 和（hé） P3.2 端（duān）口接機床來的信號線，用於接收（shōu）機床加工狀態的信號；P2 端口控（kòng）製自吸水泵和電磁閥等（děng）。

控製係統的電源采用明威生（shēng）產（chǎn）的開關電源，型號為 Q60-C，220 V/50 Hz 交流電，4 組輸出分別為+15 V，-15 V，+5 V 和-5 V，1 個 COM 接口，功率為60 W，能（néng）滿足係統要求。

2.3 機床信號轉換電路

機床信（xìn）號轉換電路，由（yóu） 7 個（gè）線性光電耦合器PC817，3 個 2 kΩ 電阻以及 2 個 1 kΩ 電阻構成（chéng），如圖 3 所示（shì）。來自機床的加工信號一般有 3 組，分別為第一次加（jiā）工信號 net1，第二次加工信號 net2，第三次及以上加工信號 net3。

圖 3 機床加工信號轉換電路

當機床處於不加工時（shí），net1、net2 和 net3 端口均處於高電平，所有光電耦合均處於截止狀態。初始加工狀態時，net1 端口置低電平，net2 和（hé） net3 端口置高電平，此時光電耦（ǒu）合 K3 導通，B 端口輸出低電平信號，K4 和 K6 導通（tōng），單（dān）片機 P3.2 端口得到一個下降沿信號，外部中斷 INT0 開啟，同（tóng）時 P1.7 端口電（diàn）平被置低，單（dān）片機監測到此時加（jiā）工狀（zhuàng）態為第一次加工。依次（cì）類推，通過置 net1，net2 和 net3 端口不同的（de）電平，單片機能檢測出第二次加工，第（dì）三次或以上的加工狀態。

2.4 蜂鳴器電路

為了避（bì）免幹擾，蜂鳴（míng）器電路采用光電隔離，如圖 4 所示。蜂鳴器為有源蜂鳴器，其控製口與單片機 P2.6 口相連，控製口為低電平時，蜂鳴器工作。

圖 4 蜂鳴器電路

2.5 執行器控製（zhì）電路

自吸（xī）水泵控製（zhì）電路如圖 5 所示，單片機 P2.0 端口的控製信（xìn）號控製線性光電耦合器（qì） PC817 的開閉，通過三極管 Q1的導通與截止來（lái）控（kòng）製繼電器（qì） K7 的開閉。繼電器最大耐壓 250 V，最大（dà）耐電流 10 A。為了減少控（kòng）製電路對單片機的幹擾，在單片機與繼電器之間（jiān）進行隔離。

圖5 自吸水泵控製電路

各（gè）電磁閥控製電路如圖 6、7、8 所示，S1 和 S2分別接工作液管路的進液電（diàn）磁閥，S3 和 S4 分（fèn）別接工作液管路的泄（xiè）壓（yā）電（diàn）磁閥，S5 和 S6 分別接工作液管路的回液電磁閥。單片機通（tōng）過對各繼電器的控製即可實現工作液的智能（néng）控製。

圖（tú）6 進液電磁閥控製電路

圖7 泄（xiè）壓電磁閥控製電路

圖 8 回液電磁閥控（kòng）製電路

電磁（cí）閥控製（zhì）電路的繼電器為單刀雙擲繼電器。其線圈通斷電分別通過單片機 P2.1，P2.2，P2.3 控製三極管 Q1，Q2，Q3 的導通與截止來實現的（de），低電平時導通。在繼（jì）電器線圈上反向並聯續流二極管1N4007，用於抑製（zhì）和吸收線圈斷電時（shí）反向電動勢的作用。在三極管與單片機 I/O 口之間，用光電耦合器（qì）PC817 隔離，避免（miǎn）三極管 2N3904 漏電流對單片機的影響。

2.6 樣（yàng）機製作

工作液智能控製係統的樣（yàng）機已製作完成，如圖9 所示。 PCB 板製成 2 塊：信號板和控製板。信號板與控製（zhì）板通過 JTAG 線連接，采用光電隔離，將單片機 I/O 口與三極管基極隔離，使信號板與控製板僅保持信號（hào）聯係，而不直接發生電的聯係，避（bì）免三極管漏電流（liú）對單片（piàn）機的幹擾（rǎo）。

圖 9控製係統樣機

3.結（jié）語

MS-WEDM 工作液智能（néng）控製裝置能夠在線檢測粗、精工作液槽（cáo）的工作液（yè）電導率，並判斷其能否滿足粗、精加工要求；根（gēn）據多次切（qiē）割加工技術的特點，合理地控（kòng）製粗、精加工工作液（yè）的交換，有效地（dì）提高（gāo）加工精度和（hé）表麵質量等工藝性指標，並提高加（jiā）工穩（wěn）定性。該裝置結構簡單，使用常用（yòng）的元器件，成本（běn）低；可直接安裝在現有的中走絲電火花線切割機床上，通用性（xìng）好。

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