线切割机控制系统设计.docx

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线切割机控制系统设计

线切割机控制系统设计

前言

数控切割技术经过多年的发展已经取得了很大的进步，无论是在系统硬件的实时性、稳定性，还是在控制理论及控制算法应用研究方面，都得到了极大的发展。

而线切割控制是塑性加工各类模具的最重要的加工手段之一，目前，逐点比较法线切割控制算法因其计算比较简单，插补误差也比较小，因而在线切割机控制系统中得到广泛应用。

通过一个学期的计算机控制技术的学习，我们对整个计算机控制技术有了一定的认识，此次课程设计主要是巩固和加强我们对课本知识所学的认识，把理论知识实际应用，来达到学以致用的目的。

在本次设计中，主要利用书本介绍的线性插补算法的思想，加以自我的认识和对整个设计系统的分析，对线性插补算法进行改进和优化，以适应工业生产中对加工精度要求不断提高的趋势。

1总体方案设计

系统总体框图如图1所示，主要有控制器、输入模块、显示模块、提示模块和电机驱动模块组成。

图1总体系统方框图

1.1总体方案原理分析

数控机床在加工曲线时，用折线逼近所要加工的曲线，常用的脉冲增量插补方法是逐点比较法，逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量。

但是逐点比较法每计算一次，只有一个坐标进给，不能两个坐标同时进给，因此，加工一条曲线或平行于坐标轴的直线时，阶梯现象比较明显，如插补运算一条与坐标轴成45度的斜线时，如图2所示。

图2插补切割示意图

如果我们改为X坐标、Y坐标同时进给一步，则在插补计算45度斜线时，进给方向与45度斜线方向完全一致，那么误差理论上为0。

但此方法并不适用与任何场合，因此，我们采用改进的插补方式，即在单独进给X坐标或Y坐标，或对X坐标、Y坐标同时进给则三种方式中选取误差最小的方向进给方案，在最大程度上减小误差。

本系统的设计采用89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I／O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，由X轴和Y轴两台步进电机进行两个方向的步进进给。

我们对单片机进行编程，通过键盘模块向单片机输入起点坐标和终点坐标，输入的结果通过液晶显示，然后对输入的数据通过一定的算法进行计算，选择最优的进给方案，最后通过驱动芯片来对步进电机的步进转动进给进行控制。

1.2算法分析

我们在程序一开始先输入要切割的起点和终点，建立以起点为原点的坐标系，则起点定位O（0,0），终点定位A（Xe，Ye）。

假设终点在第一象限，现在我们通过逐点比较法直线插补来加工出线段OA，点m在直线OA上，为加工的动点，则有

Xm/Ym=Xe/Ye即Xm/Ym-Xe/Ye=0

现在我们定义直线插补的偏差判别式为Fm=Xm/Ym-Xe/Ye

若Fm=0，表明点m在OA直线上，若Fm>0，表明点m在OA直线段的上方，即点m’处，若Fm<0，表明点m在OA直线段的下方，即m’’处。

如图3所示。

若用单X坐标或Y坐标进给方式时

当Fm>=0时，表明点在OA上或上方，

应沿+X轴方向进给，进给后的坐标为（Xm+1,Ym+1）

则该点的偏差为

Fm+1=Fm-Ye

（1）

当Fm<0时，表明点在OA下方，

应沿+Y轴方向进给，进给后的坐标为（Xm+1,Ym+1）图3m点分布示意图

则该点的偏差为

Fm+1=Fm+Xe

（2）

若用对X坐标、Y坐标同时进给方式时,进给后的坐标为（Xm+1,Ym+1）

则该点的偏差为

Fm+1=Fm+Xe-Ye（3）

我们在单片机编程时判断

（1）、

（2）、（3）中Fm+1谁最小，最后判定此次进给方式选择那一种。

如果我我们要进行圆的切割，用逆圆插补技术则采用对X坐标、Y坐标同时进给方式时的优势或许将明显一些。

设动点为P（Xi，Yi），则偏差为Fi=Xi2+Yi2-R是已知的，下一步有3三种走法：

（1）：

走-X，则新的偏差为Fi+1=（Xi-+1）2+Yi2-R=Fi-2Xi+1

（2）：

走+Y，则新的偏差为Fi+1=Xi2+（Yi+1）2-R=Fi+2Yi+1

（3）：

走-X轴和+Y轴各走一步，则新的偏差为Fi+1=（Xi-+1）2+（Yi+1）2-R=Fi-2Xi+2Yi+1

则在一般情况下，我们可以发现用第三种进给方式应该有更小的偏差。

2方案分析与电路设计

2.1控制器模块设计

在本次设计中，采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。

AT89C51单片机是一款比较通用的单片机，性价比较高，管脚比较丰富，同时和其他单片机都很相近，资料容易收集，并且编程简单，最小系统设计方便。

为简化电路，本设计选用三片2764EPROM（8K48位）用来分别存放监控程序、各功能模块程序和常用零件加工程序，这样方便升级。

数据存储器RAM对实时控制系统而言，可靠性是第一位的，此处选用大容量静态RAM6264（8Km8位）一片。

2.2步进电机模块设计

步进电机我们选用常州苏杰机电有限公司的42BYGH404型四相六线式步进电机，此电机步距角为1.8deg，工作的环境温度在25~+40℃之间，温升为85K，绝缘电阻为500V，绝缘等级为B级，工作电压12V，电流0.4A，电阻为30Ω，电感为25mH，最大转矩为3200g.cm。

图4步进电机与驱动器连接图

2.3蜂鸣器模块设计

我们在设计中加入了一个蜂鸣器作为简单的语音提示，在键盘输入数据时，蜂鸣器“滴”响一声，表示数据已经输入，同时在数据输入错误时提供报警作用，同时在切割时做完成的长鸣提示。

由于蜂鸣器驱动所要电流不是很大，因此我们只用了一个三极管8550来放大电流，通过I/O口控制PNP的导通与截止，来控制蜂鸣器的响与不响。

图5为蜂鸣器的连接电路图。

图5蜂鸣器连接电路图

2.4键盘模块设计

在此次设计中，我们用键盘输入起点坐标和终点坐标，输入形式为：

（X，X），（X，X），“Y”（“Y”表示确定）。

若要修改输入的数值我们按“C”（“C”表示改变），然后按“B”（“B”表示删除）来删除前一个输入的数值，当按下“D”（“D”表示确认删除操作已完毕）时表明已删除错误值，等待再重新输入数据。

图6键盘模块设计图

2.5显示模块设计

为了更好的进行坐标的输入，我们对输入的坐标值进行显示，如果发现输入有错，可以进行更改。

同时液晶兼代对每一次的进给方式进行显示，方便我们对控制算法的实施进行了解。

液晶的连接我们采用8位并行数据传输方式，单片机通过I/O口来控制液晶上的三个使能管脚，使得数据的准确显示。

图751单片机与液晶连接图

2.6驱动芯片模块设计

在本次设计中采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片，此芯片是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，属于可控大功率器件。

此芯片的特点是：

高电压输出达到50V，输出有二个钳位二极管，并同时输入兼容各种类型的逻辑电路，因而应用比较广泛。

图851单片机与驱动器连接图

3软件设计

本设计的软件采用模块化设计，主要包括主模块、子程序和中断模块。

主模块完成初始化和监控，监控包括键盘管理、数据输入和显示管理，功能主模块包括直线插补、显示功能等子程序等模块。

3.1算法流程图及系统流程图

图10系统总流程图

4小结与体会

本设计采用51单片机及外部扩展模块实现对步进电机的转速控制，在硬件上采用了大功率的达林顿管的单极性驱动电路，解决了电机驱动的效率问题，在软件上也采用了较为合理的系统结构及算法，用软件编程完成了转速驱动及控制，实现了对转速的最优化调节，提高了单片机的使用效率。

应用单片机设计的线切割机控制系统，结构新颖合理、功能齐全、操作直观简便、控制平稳快速，与各种类型的线切割机床、高频电源和编程机都能很好的互联工作，可取代现有的数字控制器和单板机控制器。

如果目前我国的线切割机控制系统采用上述的改进后的逐点比较法，那么它在加工与坐标轴线成45度的斜线时与没有改进的逐点比较法比较，精度会大大提高，同样切割其它曲线在这些方面也有比较明显的进步。

综上所述，采用改进后的比较法可以提高工件的精度，改善工件的表面粗糙度和提高工件的加工效率，可以得到很好的经济效益和社会效益。

这次的课设，我投入了较多的精力来做，收获也是比较丰富的。

首先是把课本中的内容条理性的复习了一下，有目的的在学习了一些相关的知识点。

通过此次课程设计的实践学习，加深了我对理论知识的认识，同时还产生了自我的新思想，并在查资料的过程中也拓宽了自己的视野，了解了很多国内外先进的控制技术和设计方案。

再者，通过这次课程设计，也促进了我们的同学之间互相学习和帮助，通过理论知识的实际应用，增加了我对学习理论知识的积极性和趣味性，并培养了自我克服困难的毅力和精神,提高自我综合解决问题的能力。

参考文献

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机械工业出版社，2007

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[4]赵庆志,刘正陨,汪炜,高长水.基于差分插补理论的慢走丝线切割上下异型面工件新方法[J].南京航空航天大学学报，2006

[5]张健，王俊生.线切割机控制系统的设计[J].辽宁工学院.1999

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