电火花小孔机作为一种高效、精密的加工设备被广泛应用于各种复杂零件的加工过程中。目前国内商用电火花小孔机数控系统多数采用工控机、运动控制卡或PLC等硬件设备不利于机床的功能拓展与升级。为解决这一问题本章以桌面式电火花小孔加工机床为基础分析电火花加工机床数控硬件平台的结构以及功能要求确定嵌入式数控硬件平台的结构方案及通讯方式并对设计硬件平台的关键技术进行分析。2.1数控系统硬件平台要求2.1.1机床本体结构电火花小孔加工机床是利用电火花放电蚀除原理来加工各种导电材料的小孔。例如在加工航空航天领域的发动机喷注盘、微细型槽等方面电火花加工有很大优势。它可以实现微米级别的加工精度加工出深径比大、孔径小、无毛刺的精密小孔。作为一种非接触式加工机床电火花小孔加工机床使用脉冲电源蚀除工件材料并依据电极丝与工件之间的实时电压进行主轴伺服控制因此对机床的本体结构、硬件系统以及数控系统具有很高的要求。传统的电火花小孔加工机床存在体积大、结构复杂、维修成本高、设备难以升级换代等问题其安装和升级维护较为困难。如图2-1所示针对上述传统电火花加工机床的局限性以及机床的工作特点本课题组研制了一款小型化、集成化的桌面式电火花小孔加工机床。机床本体结构由伺服传动机构、脉冲电源模块、限位与报警模块、工作液循环模块以及控制系统等构成。伺服传动机构由X-Y-Z三平动轴以及A-C双回转工作台组成五轴机械结构。平动轴均由伺服电机驱动精密滚动丝杠带动工作台进行定位。其中Z轴滑台设有旋转电主轴带动电极丝高速旋转同时进行往复运动实现不同深度的小孔加工并根据加工间隙的状态调整加工间隙实现高精度加工。A-C两旋转轴由伺服电机驱动转台实现对工件姿态的调整。驱动器通过内置电流环-速度环-位置环实现对旋转角度以及角速度的精密控制。机床本体参数见表2-1。工作液循环模块由水箱、水泵、过滤器、废液槽以及隔水板组成。工作液系统为加工过程提供保障通过抽水泵将工作台废水抽入过滤器经过有效过滤后将工作液中的杂质和废弃物得以去除保证了工作液的纯净度和稳定性从而延长了工作液的使用寿命避免了资源的浪费和环境的污染。防水板隔离工作液与电气元件保证了机床运行安全。限位与报警模块主要由各轴的限位传感器组成一旦机构运行至设定的极限位置限位传感器会立即触发警报。警报信号随后通过硬件电路迅速传送至控制系统。由控制系统及时处理各种警报情况。机床本体的运作需要配合相应的控制系统来实现既定目标。为确保高精度的加工效果控制器需实时读取加工间隙的状态以便精准判断并采取相应的控制策略。传统的PLC系统以其出色的实时性保障了电火花的加工精度。然而面对日益复杂的加工需求和多样化的硬件环境电火花小孔加工机床需要一种更为灵活、经济的数控系统解决方案。2.1.2硬件平台的性能要求在分析了电火花小孔加工机床的机械结构后进一步对其数控系统提出了相应的要求。数控系统作为电火花小孔机的核心对于实现小孔加工的精度、效率和稳定性具有重要意义。目前市场上主流的电火花小孔加工数控系统在硬件层面上仍然主要采用工控机和运动控制卡或PLC的形式例如SE-WK008数控电火花微孔加工机床。面对日益复杂的加工要求以及国外在关键技术领域对国内实行的技术封锁为实现在精度、可靠性、可维护性、实时性等方面的提升传统的数控系统在硬件和软件方面都亟需升级改造。在众多数控系统中嵌入式数控系统因其高性能、实时性强、体积小、功耗低等优势而备受关注。相比于传统的工控机和运动控制卡的方案嵌入式数控系统在实用性和通用性方面都有着更大的优势。电火花小孔加工机床整体结构框图如图2-2所示。在硬件架构层面机床本体作为执行机构负责实现具体的加工任务嵌入式硬件平台则作为中央处理单元承载并运行控制逻辑脉冲电源则是提供能量来源确保加工过程中的稳定放电。在此硬件基础之上软件层面则构建起了数控系统、软PLC 以及嵌入式内核与设备驱动等关键组件。数控系统通过精确的算法和逻辑实现对机床本体的运动控制、加工路径规划、人机交互、脉冲电源状态检测等任务软PLC则负责解析和执行控制指令确保加工过程的稳定性和精度嵌入式内核与设备驱动则负责管理与调度硬件资源实现软件与硬件之间的无缝对接。这一完整的软硬件架构共同构成了高效、稳定的电火花加工控制系统。根据上述机床功能分析以及对数控系统要求分析本文对嵌入式数控系统硬件平台提出以下要求1满足机床数控系统的基本功能需求。嵌入式数控系统的硬件平台必须能够满足机床数控系统的基本功能需求这些功能包括但不限于刀具补偿、速度规划、G代码文件的编译、穿透检测、插补计算、电机运动与脉冲电源控制、间隙状态反馈以及设备间通讯等多种任务。对于实现这些任务硬件平台需要具备足够的性能和可靠性。例如为了实现插补运算与运动控制的准确控制硬件平台需要具备强大的计算能力和高速数据处理能力2具备电火花加工设备的通用性、可移植性、满足实时性要求。电火花加工过程中产生的放电会产生较强的电磁干扰。这种干扰可能会影响数控系统中的电子设备导致其工作不稳定甚至发生故障。电火花加工设备通常配有主轴的高频往复运动或振动头的高频振动保证极间良好的工作状态例如本文需要升级改造的SE-WK008数控机床。电火花加工设备之间具有同等恶劣的工作环境以及对系统响应实时性有相似要求。因此本文开发嵌入式数控系统硬件平台要求其具备可移植性好、开放性好、实时性强、通用性好等特点便于适配多种电火花小孔加工设备。3具备开发视觉检测平台的能力。在航空航天以及民用领域众多精密零件对精度的要求越来越高对电火花加工小孔的位置要求也越来越高。例如在航空航天领域飞机发动机叶片顶盖气膜孔的加工因叶片外形铸造差异较大精度难以保证导致孔与孔之间位置关系难以稳定。目前是由人工调节叶片位置选择不同的加工程序进行加工并进行后续的分类与挑拣。该工艺方法加工效率低精度差。目前国内可以实现自动检测叶片小孔加工位置的方法有电极碰边检测法、三坐标测量法和激光扫描法。其中电极碰边检测法会影响工件边缘质量留有放电痕迹三坐标测量法无法应用于小尺寸零件激光扫描法的成本高、周期长。因此机床拟开发视觉检测小孔加工质量的功能。本文数控硬件平台要为其提供开发视觉检测功能的条件。4接口资源丰富适配多种脉冲电源。脉冲电源作为电火花加工中不可或缺的部分脉冲电源的性能和稳定性不仅直接关系到零件的加工效率也对电极损耗以及加工后表面质量有显著影响[57]。针对微机械精密制造的需要脉冲电源引入了多种拓扑结构和开关器件向着高效化、可控化、微细化发展。因此本文数控系统硬件平台需要提供足够的接口资源适配多种脉冲电源。信迈提供ARMFPGA数控控制器服务。
基于ARM+FPGA的电火花数控硬件平台总体设计（一）
电火花小孔机作为一种高效、精密的加工设备被广泛应用于各种复杂零件的加工过程中。目前国内商用电火花小孔机数控系统多数采用工控机、运动控制卡或PLC等硬件设备不利于机床的功能拓展与升级。为解决这一问题本章以桌面式电火花小孔加工机床为基础分析电火花加工机床数控硬件平台的结构以及功能要求确定嵌入式数控硬件平台的结构方案及通讯方式并对设计硬件平台的关键技术进行分析。2.1数控系统硬件平台要求2.1.1机床本体结构电火花小孔加工机床是利用电火花放电蚀除原理来加工各种导电材料的小孔。例如在加工航空航天领域的发动机喷注盘、微细型槽等方面电火花加工有很大优势。它可以实现微米级别的加工精度加工出深径比大、孔径小、无毛刺的精密小孔。作为一种非接触式加工机床电火花小孔加工机床使用脉冲电源蚀除工件材料并依据电极丝与工件之间的实时电压进行主轴伺服控制因此对机床的本体结构、硬件系统以及数控系统具有很高的要求。传统的电火花小孔加工机床存在体积大、结构复杂、维修成本高、设备难以升级换代等问题其安装和升级维护较为困难。如图2-1所示针对上述传统电火花加工机床的局限性以及机床的工作特点本课题组研制了一款小型化、集成化的桌面式电火花小孔加工机床。机床本体结构由伺服传动机构、脉冲电源模块、限位与报警模块、工作液循环模块以及控制系统等构成。伺服传动机构由X-Y-Z三平动轴以及A-C双回转工作台组成五轴机械结构。平动轴均由伺服电机驱动精密滚动丝杠带动工作台进行定位。其中Z轴滑台设有旋转电主轴带动电极丝高速旋转同时进行往复运动实现不同深度的小孔加工并根据加工间隙的状态调整加工间隙实现高精度加工。A-C两旋转轴由伺服电机驱动转台实现对工件姿态的调整。驱动器通过内置电流环-速度环-位置环实现对旋转角度以及角速度的精密控制。机床本体参数见表2-1。工作液循环模块由水箱、水泵、过滤器、废液槽以及隔水板组成。工作液系统为加工过程提供保障通过抽水泵将工作台废水抽入过滤器经过有效过滤后将工作液中的杂质和废弃物得以去除保证了工作液的纯净度和稳定性从而延长了工作液的使用寿命避免了资源的浪费和环境的污染。防水板隔离工作液与电气元件保证了机床运行安全。限位与报警模块主要由各轴的限位传感器组成一旦机构运行至设定的极限位置限位传感器会立即触发警报。警报信号随后通过硬件电路迅速传送至控制系统。由控制系统及时处理各种警报情况。机床本体的运作需要配合相应的控制系统来实现既定目标。为确保高精度的加工效果控制器需实时读取加工间隙的状态以便精准判断并采取相应的控制策略。传统的PLC系统以其出色的实时性保障了电火花的加工精度。然而面对日益复杂的加工需求和多样化的硬件环境电火花小孔加工机床需要一种更为灵活、经济的数控系统解决方案。2.1.2硬件平台的性能要求在分析了电火花小孔加工机床的机械结构后进一步对其数控系统提出了相应的要求。数控系统作为电火花小孔机的核心对于实现小孔加工的精度、效率和稳定性具有重要意义。目前市场上主流的电火花小孔加工数控系统在硬件层面上仍然主要采用工控机和运动控制卡或PLC的形式例如SE-WK008数控电火花微孔加工机床。面对日益复杂的加工要求以及国外在关键技术领域对国内实行的技术封锁为实现在精度、可靠性、可维护性、实时性等方面的提升传统的数控系统在硬件和软件方面都亟需升级改造。在众多数控系统中嵌入式数控系统因其高性能、实时性强、体积小、功耗低等优势而备受关注。相比于传统的工控机和运动控制卡的方案嵌入式数控系统在实用性和通用性方面都有着更大的优势。电火花小孔加工机床整体结构框图如图2-2所示。在硬件架构层面机床本体作为执行机构负责实现具体的加工任务嵌入式硬件平台则作为中央处理单元承载并运行控制逻辑脉冲电源则是提供能量来源确保加工过程中的稳定放电。在此硬件基础之上软件层面则构建起了数控系统、软PLC 以及嵌入式内核与设备驱动等关键组件。数控系统通过精确的算法和逻辑实现对机床本体的运动控制、加工路径规划、人机交互、脉冲电源状态检测等任务软PLC则负责解析和执行控制指令确保加工过程的稳定性和精度嵌入式内核与设备驱动则负责管理与调度硬件资源实现软件与硬件之间的无缝对接。这一完整的软硬件架构共同构成了高效、稳定的电火花加工控制系统。根据上述机床功能分析以及对数控系统要求分析本文对嵌入式数控系统硬件平台提出以下要求1满足机床数控系统的基本功能需求。嵌入式数控系统的硬件平台必须能够满足机床数控系统的基本功能需求这些功能包括但不限于刀具补偿、速度规划、G代码文件的编译、穿透检测、插补计算、电机运动与脉冲电源控制、间隙状态反馈以及设备间通讯等多种任务。对于实现这些任务硬件平台需要具备足够的性能和可靠性。例如为了实现插补运算与运动控制的准确控制硬件平台需要具备强大的计算能力和高速数据处理能力2具备电火花加工设备的通用性、可移植性、满足实时性要求。电火花加工过程中产生的放电会产生较强的电磁干扰。这种干扰可能会影响数控系统中的电子设备导致其工作不稳定甚至发生故障。电火花加工设备通常配有主轴的高频往复运动或振动头的高频振动保证极间良好的工作状态例如本文需要升级改造的SE-WK008数控机床。电火花加工设备之间具有同等恶劣的工作环境以及对系统响应实时性有相似要求。因此本文开发嵌入式数控系统硬件平台要求其具备可移植性好、开放性好、实时性强、通用性好等特点便于适配多种电火花小孔加工设备。3具备开发视觉检测平台的能力。在航空航天以及民用领域众多精密零件对精度的要求越来越高对电火花加工小孔的位置要求也越来越高。例如在航空航天领域飞机发动机叶片顶盖气膜孔的加工因叶片外形铸造差异较大精度难以保证导致孔与孔之间位置关系难以稳定。目前是由人工调节叶片位置选择不同的加工程序进行加工并进行后续的分类与挑拣。该工艺方法加工效率低精度差。目前国内可以实现自动检测叶片小孔加工位置的方法有电极碰边检测法、三坐标测量法和激光扫描法。其中电极碰边检测法会影响工件边缘质量留有放电痕迹三坐标测量法无法应用于小尺寸零件激光扫描法的成本高、周期长。因此机床拟开发视觉检测小孔加工质量的功能。本文数控硬件平台要为其提供开发视觉检测功能的条件。4接口资源丰富适配多种脉冲电源。脉冲电源作为电火花加工中不可或缺的部分脉冲电源的性能和稳定性不仅直接关系到零件的加工效率也对电极损耗以及加工后表面质量有显著影响[57]。针对微机械精密制造的需要脉冲电源引入了多种拓扑结构和开关器件向着高效化、可控化、微细化发展。因此本文数控系统硬件平台需要提供足够的接口资源适配多种脉冲电源。信迈提供ARMFPGA数控控制器服务。
