線切割機(jī)放電間隙控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用方案分析

1 前言

電火花加工與切削加工不同，屬于“非接觸加工”。電火花加工中，隨著放電間隙大小的變化影響電極與工件蝕除量的現(xiàn)象稱為問隙效應(yīng)。電火花加工中放電間隙的大小和狀態(tài)，對(duì)加工工藝指標(biāo)有著極其重要的作用。在加工過程中，直接測(cè)量?jī)蓸O間隙的距離是復(fù)雜和無(wú)必要的；又因?yàn)槟壳埃覈?guó)的數(shù)控機(jī)床仍然以工控機(jī)為主，工控機(jī)中提供了大量的ISA插槽；同時(shí)，ISA總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。基于以上考慮，本文對(duì)線切割機(jī)間隙控制板進(jìn)行了研制。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的線切割機(jī)放電間隙控制板的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。此結(jié)構(gòu)由采樣保持電路模塊、電壓信號(hào)比較模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)序控制模塊、信號(hào)處理模塊等部分組成。

圖1 控制板結(jié)構(gòu)圖

2．1 采樣保持電路

線切割加工中，直接測(cè)量電極間隙及其變化是很困難的，都是采用測(cè)量與放電間隙成比例關(guān)系的電參數(shù)來間接反映放電間隙的大小。設(shè)計(jì)采用間隙平均電壓電路和AD582采樣保持電路來進(jìn)行電壓信號(hào)采集，電路原理圖如圖2所示。

圖2 采樣保持電路原理圖

上圖中采用了AD582進(jìn)行采樣保持，AD582是由一個(gè)高性能的運(yùn)算放大器、低漏電阻的模擬開關(guān)和一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管集成的放大器共同組成。其中8腳為信號(hào)輸出端，12腳接信號(hào)觸發(fā)端，l腳和9腳為信號(hào)輸入端口。根據(jù)其引腳分布可知，當(dāng)12引腳接入高電平時(shí)，AD582工作于取樣工作狀態(tài)，這時(shí)開關(guān)閉合。取樣結(jié)束時(shí)，12腳引入的邏輯電平回到低電平，電路進(jìn)入保持狀態(tài)．這時(shí)候開關(guān)斷開。設(shè)計(jì)時(shí)12腳的觸發(fā)信號(hào)由時(shí)序控制模塊電路產(chǎn)生。

2．2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器的選擇對(duì)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器才能有效的對(duì)間隙進(jìn)行控制。而且A/D轉(zhuǎn)換器接在比較器后，所以此轉(zhuǎn)換器必須為雙極性，而且用一個(gè)8位的ADC就足夠了，如果用一個(gè)12位的ADC來對(duì)它進(jìn)行采樣．增加的分辨率將是多余的。因此，設(shè)計(jì)中選用集成逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器AD673。AD673轉(zhuǎn)換器的部分應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 AD673轉(zhuǎn)換器的部分應(yīng)用電路

圖中AD673的引腳AN-IN為模擬信號(hào)輸入端，引腳START，DATAENABLE則外接觸發(fā)器74LS123，由觸發(fā)器來控制A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。引腳DATAREADY與采樣保持器AD582的引腳IN+連接。保持采樣與轉(zhuǎn)換的一致性。

DATAREADY在AD673轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束期間是高電平，如圖3中的連接方式，使得AD673轉(zhuǎn)換器在開始轉(zhuǎn)換后AD582能夠維持在保持狀態(tài)；在AD673轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后，DATAREADY變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)AD582則進(jìn)入采樣狀態(tài)。A/D轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)也是依靠555和74L5123組合電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，這里由12、18、20引腳共同輸入邏輯控制信號(hào)。

2．3 D/A轉(zhuǎn)換器的選擇

DAC0832是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的一種芯片．這種是D/A轉(zhuǎn)換芯片屬于電流輸出型，如果需要輸出電壓，可以在DAC0832輸出端外接一個(gè)運(yùn)算放大器，即可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器，能完成數(shù)字量輸入到模擬量（電流）輸出的轉(zhuǎn)換。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1s，滿量程誤差為1LSB，參考電壓為（+lO - -10）V，供電電源為（+5 - +15）V，邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)XFER。

DAC0832可處于三種不同的工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。本控制板讓其工作于直通方式。其部分程序如下：

MOVE R0，#DATA ；建立數(shù)據(jù)存放地址指針

MOVE DPTR，**** ；建立D/A地址指針、

MOVE A，@R0 ；

MOVE @DPTR A ；向D/A傳送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

2．4 基于ISA總線電路板的ISA總線分析

基準(zhǔn)電壓信號(hào)可以由工控機(jī)輸入經(jīng)過ISA總線再通過D/A轉(zhuǎn)換等電路產(chǎn)生。所以，這里有必要對(duì)ISA總線進(jìn)行分析。

間隙控制板是基于ISA總線的，將其接入PC以后就要占據(jù)一些I/O空間，為了不使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生地址沖突而導(dǎo)致死機(jī)等現(xiàn)象，因此，必須了解PC內(nèi)部相關(guān)的I/O空間信息．例如哪些端口是計(jì)算機(jī)制造廠商為今后開發(fā)而保留的，哪些地址已分配給其他設(shè)備，哪些端口地址是空閑的。這些信息對(duì)于開發(fā)接口程序是十分必要的。

PC系列微機(jī)中，ISA總線支持的端口數(shù)目是1024個(gè)，其有效地址譯碼是A0-A9這10根地址線來表示I/O空間，其范圍是從000H-3FFH，其中前512個(gè)地址（000H-1FFH）被主板上的I/0接口使用，其余的512個(gè)地址（200H-3FFH）被插在計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽中的I/0通道使用，其中還有部分被通用外部設(shè)備使用。

在設(shè)計(jì)控制板時(shí)，凡是被PC系統(tǒng)占用了的端口地址都不能使用；對(duì)于計(jì)算機(jī)廠商聲明的保留地址，為了避免發(fā)生I/O端口地址重疊或沖突，也盡量不使用。因此，端口選擇只能選用沒有使用過的地址，通?？梢允褂?00H-31FH這段地址，這是PC系列微機(jī)留作實(shí)驗(yàn)卡用的地址。因此，我們選用300H作為控制卡的基地址。在控制板設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際需要，用到的部分信號(hào)線有：

* DO-D7 系統(tǒng)雙向總線信號(hào)；

* A0-A19 系統(tǒng)地址總線信號(hào)；

* AEN 地址允許信號(hào)；

* XFER I/O讀命令信號(hào)；

* IOW I/O寫命令信號(hào)。

設(shè)計(jì)中，ISA總線接D/A轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)信號(hào)電壓，同時(shí)為控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制信號(hào)等，不過電路中采用的雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器74LS245等的片選信號(hào)均由可編程邏輯器件GALl6V8產(chǎn)生。

3 間隙狀態(tài)控制程序

3．1 主程序結(jié)構(gòu)

主程序中程序初始化后等待中斷，中斷響應(yīng)后即可初始化各個(gè)參數(shù)和電壓給定值，初始化啟動(dòng)采樣，然后在原地等待定時(shí)器中斷響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這部分程序主要用匯編語(yǔ)言編寫，匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言相比，被編譯后代碼很小，編程簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度比C語(yǔ)言快得多。

3．2 程序的初始化

在軟件初始化的過程中，首先要關(guān)中斷，斷絕外部因素的影響：

SETB P3.2

SETB P3.3

設(shè)置各種標(biāo)志位，如：

MOV 42H，#00H ；O表示停止，1表示進(jìn)給分配存儲(chǔ)空間，并對(duì)存儲(chǔ)空間清零，如：

MOV 61H，#00H ；存儲(chǔ)本次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

MOV 62H，#00H ；存儲(chǔ)前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

。。.。。.

MOV 65H，#00H ；存儲(chǔ)平均值

然后對(duì)定時(shí)和中斷方式的初始化，如本系統(tǒng)中：

MOV TMOD．#1lH

MOV 1E． #8AH

針對(duì)數(shù)據(jù)處理的其它一些設(shè)定：

MOV 50H．#80H

MOV 5lH. #00H

讀入各種設(shè)定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如間隙加工過程中電壓數(shù)值的大小，進(jìn)給速度高低，啟動(dòng)間隙信號(hào)采樣與MD轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的基于ISA總線線切割間隙控制板，數(shù)據(jù)采集通過ISA總線插入工控機(jī)，即插即用，通過硬件電路設(shè)計(jì)采取相應(yīng)措施．使得抗干擾能力強(qiáng)。在對(duì)本控制板所做的初步實(shí)驗(yàn)中，加工過程穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，且系統(tǒng)控制精度達(dá)到了實(shí)際加工的要求。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：線切割技術(shù)在特種加工領(lǐng)域占有重要的地位。我國(guó)自主研發(fā)的高速線切割技術(shù)已經(jīng)成熟，但是由于其加工精度不高應(yīng)用受到限制；低速線切割由于其加工精度高而在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是國(guó)內(nèi)在低速線切割技術(shù)方面還不成熟，控制精度不高，尤其放電加工間隙狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制始終是一大難題。本課題對(duì)基于ISA的線切割間隙控制板的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制，同時(shí)控制精度得到了提高，降低成本，面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在應(yīng)用領(lǐng)域有所創(chuàng)新。

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