彭世康，張永俊，劉桂賢，杜軒宇，劉祥發(fā)

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

基于臺達NC311A 的連桿裂解槽電火花加工機床集成控制系統(tǒng)研制

彭世康，張永俊，劉桂賢，杜軒宇，劉祥發(fā)

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

針對目前電火花加工機床數(shù)控系統(tǒng)與脈沖電源獨立運作、集成性不足的問題，設(shè)計了基于臺達NC311A的電火花加工機床集成控制系統(tǒng)。采用數(shù)控系統(tǒng)本身的插補來實現(xiàn)機床的運動控制，用NC311A上的SOFT模塊實現(xiàn)對脈沖電源等的控制?；贔PGA設(shè)計了一臺直流斬波電源，開發(fā)了人機交互界面，實現(xiàn)了電源與機床控制系統(tǒng)的實時通信。重點介紹了臺達NC311A上SOFT模塊的使用及通信方式、電源的設(shè)計方案及實驗驗證。

電火花加工；脈沖電源；FPGA；臺達數(shù)控系統(tǒng)；Modbus協(xié)議

通常，電火花加工機床主要由主機、脈沖電源、運動控制系統(tǒng)、工作液凈化及循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。其中，運動控制系統(tǒng)可由數(shù)控系統(tǒng)或PLC等構(gòu)成，而脈沖電源的作用在于產(chǎn)生高頻脈沖信號，使電極絲放電以蝕除金屬。

脈沖電源是電火花加工機床的能量來源，其輸出電壓和輸出電流的特性直接影響著加工工件的表面粗糙度、工件和工具電極的損耗及加工過程的穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)，關(guān)系著電火花加工的工藝水平和生產(chǎn)效率。

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的。相對于傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動型控制芯片，F(xiàn)PGA芯片可提高控制器電路設(shè)計的集成度，提高電源控制器設(shè)計的靈活性和電源系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度[1-3]，所以脈沖電源可使用FPGA作為處理器。

針對目前電火花加工機床集成性不足的問題，本文基于臺達NC311A設(shè)計了一套連桿裂解槽電火花線切割加工機床的集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對運動控制與電源控制等的高度集成。并對臺達NC311A上SOFT模塊的使用和實現(xiàn)集成控制的方式、電源的設(shè)計方案，以及使用本系統(tǒng)實現(xiàn)的連桿裂解槽加工實驗進行了介紹。

1 控制系統(tǒng)原理分析

該系統(tǒng)為NC311A數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)產(chǎn)物，可分為三個部分：運動控制部分、變頻器部分及脈沖電源控制部分。NC311A數(shù)控裝置包括插補計算中心（CPU）及MLC（可編程控制器），二者緊密配合。該系統(tǒng)的運動控制部分通過數(shù)控系統(tǒng)本身的插補來實現(xiàn)，變頻器控制通過MLC的控制來實現(xiàn)，電源的控制則通過系統(tǒng)中的SOFT模塊來實現(xiàn)。通過三者的協(xié)調(diào)工作，可實現(xiàn)對連桿裂解槽電火花線切割加工機床的集成控制，系統(tǒng)控制框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 臺達NC311A的SOFT模塊

2.1 模塊的功能

SOFT模塊是實現(xiàn)NC311A數(shù)控裝置對脈沖電源控制的樞紐環(huán)節(jié)，是NC311A數(shù)控裝置的一個特殊功能。該功能為取代實體第二面板功能，或滿足用戶其他特殊功能而增設(shè)。通過CNC SOFT軟件進行畫面開發(fā)，可在顯示屏上顯示第二面板的功能，按下相對應(yīng)的功能鍵即可透過軟件面板實現(xiàn)與實際第二面板相同的功能；也可應(yīng)使用者需求對特殊控制功能進行開發(fā)，達到功能擴充的目的。

NC311A數(shù)控系統(tǒng)首先可作為運動控制模塊，實現(xiàn)復(fù)雜的插補，從而得到高精度的運動軌跡；其次，使用SOFT群組功能可實現(xiàn)對諸如特種加工電源等的控制。二者的集中控制可實現(xiàn)在特種加工電源出現(xiàn)故障時，運動插補立即停止，達到智能化效果（圖2、圖3）。

圖2 NC311A的SOFT模塊

圖3 SOFT模塊的人機界面

SOFT功能實際上可認為是一個類似觸摸屏的功能模塊。其目的是為了豐富數(shù)控系統(tǒng)的功能，它不僅能控制CNC內(nèi)部的M、T、D等寄存器和I/O口，還能通過RS485接口與下位機進行實時通信。

該系統(tǒng)與下位機的通信采用類似于MODBUS協(xié)議的通信方式，其連接方式見圖4。該協(xié)議通信方式為主從應(yīng)答式，嚴格規(guī)定主、從設(shè)備的通信行為。而在此系統(tǒng)中，CNC SOFT群組為主站，脈沖電源的控制中心FPGA為從站。

圖4 NC311A與脈沖電源連接示意圖

2.2 報文格式

該系統(tǒng)報文幀格式為：以一個‘冒號’（ASCII十六進制為3A）起始、以‘回車-換行’（ASCII十六進制OD和OA）結(jié)束。在報文開始時便接收新幀，結(jié)束時停止接收。在該模式中，一個報文必須以ASCII的格式傳遞，其格式見表1。

表1 NC311A支持的報文幀格式

以03功能碼為例，當(dāng)報文幀為“: 010300020001F4”即ASCII碼 “3A 30 31 30 33 30 30 30 31 30 30 30 31 46 34 0D 0A”，表示讀取1號從站起始地址為2的一個地址。

2.3 模塊的畫面制作

SOFT模塊畫面的制造主要是為了實現(xiàn)該數(shù)控裝置對下位機的人機交互。在該模塊中，用戶可根據(jù)自己的需求繪制相關(guān)畫面，實現(xiàn)對下位機監(jiān)督與控制。其中讀寫的地址，該系統(tǒng)做出了相關(guān)規(guī)定，如表2所示，W開頭為字地址，B開頭為位地址。

表2 SOFT模塊與FPGA地址參照

根據(jù)以上地址規(guī)則及 CNC Soft模塊中的ScreenEditor軟件即可做出控制脈沖電源等的人機交互界面（圖3），包括電壓、電流、脈寬、脈間等的輸入與讀取。

3 電源設(shè)計

電源是基于FPGA制作的高頻率脈沖電火花線切割電源，本系統(tǒng)使用自己設(shè)計的脈沖電源，主要是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成化。FPGA內(nèi)部是由組合邏輯器件和時序邏輯器件組合而成的陣列，通過VHDL或Verilog言語對其進行邏輯編寫后，可實現(xiàn)幾乎所有的數(shù)字電路模型。在脈沖電源中使用了NIOS作為其處理中心，它具有靈活的可配置特性，可隨意添加處理器的外設(shè)，對系統(tǒng)的集成性貢獻巨大，主要用來實現(xiàn)通信等功能。

脈沖電火花加工電源的硬件邏輯見圖5。主電路的工作流程為：220 V交流電通過工頻變壓后得到75 V的電壓；然后，通過整流濾波得到穩(wěn)定的直流電；最后，F(xiàn)PGA通過驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)管進行斬波，從而得到可調(diào)節(jié)的脈沖信號。

圖5 電源系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)

控制電路以EP4C15F17C8型FPGA芯片為核心，反饋信號（電壓與電流）經(jīng)處理后形成FPGA可處理的信號。NC311A數(shù)控裝置通過RS485串口與FPGA控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，從而達到控制、讀取電源參數(shù)等功能。本文研制的脈沖電火花加工電源見圖6。為了豐富電源的功率參數(shù)，電源使用了八個斬波回路，即八個檔位，每并聯(lián)一個，回路中的電流就會加大，在恒壓條件下，會產(chǎn)生更大的功率。

圖6 脈沖電源實物圖

3.1 主電路設(shè)計

該電源采用直流斬波的方式來獲得脈沖，所以開關(guān)管的好壞對輸出有直接的影響。本文使用MOSFET管，它具有開關(guān)速度高、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)域（SOA）寬、轉(zhuǎn)換快速、堅固耐用、低導(dǎo)通阻抗和高效益等優(yōu)點。其型號為IRF640N，漏極電流最大值為18 A，大于設(shè)計的最大電流10 A；電壓最大值為200 V，大于系統(tǒng)電壓75 V；功率為150 W。

FPGA輸出端信號的電壓為3.3 V，電流值為幾十毫安，驅(qū)動能力較弱，無法滿足MOSFET開通關(guān)斷所需的功率要求。因此，設(shè)計了一個驅(qū)動電路用來對FPGA的輸出信號進行功率放大，進而驅(qū)動MOSFET的快速通斷，實現(xiàn)對主電路直流的斬波及輸出高頻脈沖，其中使用的驅(qū)動芯片為TPS2812。

3.2 NIOSⅡ軟核設(shè)計

NIOSⅡ作為處理器核心，定義了各外設(shè)功能模塊，并實現(xiàn)與NC311A的數(shù)據(jù)交流。軟核設(shè)計就是在接收到人機界面發(fā)送的數(shù)據(jù)請求后，通過NiosⅡ?qū)崿F(xiàn)對該數(shù)據(jù)的接收、處理，實現(xiàn)人機界面要求的功能后，回復(fù)給人機界面的過程。人機交互模塊是用戶與設(shè)備進行交流的模塊，包括用戶命令的下達，以及設(shè)備運行狀況的顯示等。

在NiosⅡ軟件設(shè)計中，首先進行的是串口初始化，波特率的設(shè)置，核心是數(shù)據(jù)的接收方式，數(shù)據(jù)的處理及返回程序的編寫。該報文幀在接收到數(shù)據(jù)（ASCII碼）時必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進制進行處理；數(shù)據(jù)發(fā)送時必須先將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼再發(fā)送。在程序中變換的方法為：把二個ASCII碼對應(yīng)的字符，高位乘以十六，加上低位的值即可得到對應(yīng)的十進制；使用A/16、A%16（A為該十進制）的方式提取高四位、低四位，高四位先轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換后四位。當(dāng)所得結(jié)果小于10，則加上0X30；大于10則加上0X37，即可得到對應(yīng)的ASCII碼。

4 實驗驗證

為了驗證裝置的可行性與穩(wěn)定性，經(jīng)過對已有機床的修改，控制系統(tǒng)改為集成了脈沖電源控制的NC311A數(shù)控裝置，進行了連桿裂解槽的加工實驗。該機床主要有二個平臺：一是對中平臺，由伺服電機直接驅(qū)動絲杠從而控制平臺找到連桿大頭的中心位置；二是加工平臺，由伺服電機驅(qū)動左右牙絲杠實現(xiàn)兩立桿的雙向同步進給（圖7）。

圖7 加工平臺實物圖

4.1 實驗準備

機床使用臺達ECMA-C10604RS型伺服電機，其擁有20 bit的絕對式編碼器，完全符合實驗精度要求。連桿材料為C70S6，鉬絲直徑為0.12 mm，加工深度為0.5 mm。影響裂解槽寬窄的主要參數(shù)有：脈間倍數(shù)、電流、脈寬、走絲速度及進給速度等。由于線切割的槽一般為U型槽，所以除了加工深度，裂解槽寬度是裂解槽好壞的一個重要因素。為了研究各要素對裂解槽寬度的影響，設(shè)計了五因素四水平的正交試驗，其因素水平見表3。

表3 因素水平表

4.2 實驗結(jié)果與分析

本次實驗以槽寬為評價標(biāo)準，每個水平均進行三次取平均值，實驗結(jié)果見表4。通過極差分析（表5）可知上述參數(shù)的影響大小依次為：電流檔位＞進給速度＞脈寬＞走絲變頻器頻率＞脈間倍數(shù)。因此，電流對槽寬的影響最大。

5 結(jié)束語

表4 正交試驗結(jié)果

表5 極差分析

使用臺達NC311A數(shù)控裝置實現(xiàn)了對連桿裂解槽電火花線切割加工機床的高度集成控制，并通過實驗證明利用NC311A數(shù)控系統(tǒng)的SOFT模塊，可實現(xiàn)對電源的控制及電源參數(shù)的顯示，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)本身的插補功能，研制的線切割機床集成控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)穩(wěn)定、有效的加工。

[1] 李琪.電火花加工脈沖電源及其在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 劉嘉，盧振洋，殷樹言，等.電焊機的數(shù)字化[J].焊接學(xué)報，2002，23（1）：88-92.

[3] 劉桂賢，張永俊，羅紅平，等.基于SOPC技術(shù)的脈沖電解加工電源的研究[J].電加工與模具，2015（5）：27-30.

Development of EDM Integrated Control System Based on Delta NC311A

PENG Shikang，ZHANG Yongjun，LIU Guixian，DU Xuanyu，LIU Xiangfa
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Aiming at the problem that the NC system and the pulsed power supply operate independently and integratedly，the integrated control system of electro-discharge machines based on Delta NC311A is designed.Using the CNC system itself to achieve the interpolation of the movement of the machine，with NC311A SOFT module on the control pulse power.Based on FPGA，a DC chopper power supply is designed，and the human-machine interface of power supply is developed to realize real-time communication between power supply and machine tool control system.This paper mainly introduces the use of SOFT module on Delta NC311A and the design of communication mode，power supply and related experiment.

EDM；pulse power supply；FPGA；Delta numerical control system；Modbus protocol

TG661

A

1009－279X（2017）02－0058-04

2017-01-24

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（51275098）

彭世康，男，1992年生，碩士研究生。