基于ARM9的电火花线切割机数控系统研究

烟台南山学院烟台南山学院毕业设计（论文）学院：计算机与电气自动化学院专业：电气工程及其自动化班级：电气工程09级学号：200902100238学生姓名：刘小刚指导教师：胡彩霞烟台南山学院教务处制基于ARM9的电火花线切割机数控系统研究摘要由于电火花线切割加工技术具有能适应多种硬度与形状的材料加工，加工精度高的特点，在成形刀具加工、模具制造、精密复杂零件和高硬度材料的加工等方面有较为广泛的应用，因此电火花线切割机床在我国有十分广泛的应用。在我国，高速走丝电火花线切割技术经过数十年的发展技术已经达到比较成熟的水平，但与国外慢走丝电火花线切割技术相比，无论从加工速度、精度、自动化程度、加工稳定性等工艺指标上看还是从外观上看，国内的技术水平明显低了一个档次。其主要原因在于国内线切割机床的脉冲电源和进给系统的控制水平不高，能否解决这两方面的难题将直接影响着国内线切割机床的发展前景。本文首先介绍了电火花线切割技术在国内外的发展现状与趋势，针对国内电火花线切割控制技术的不足，设计了全数字化智能型线切割脉冲电源，并基于ARM9处理器STM32设计了线切割机床的总体控制系统，用以改善现有线切割机床控制系统的不足。对于文中设计的智能型脉冲电源控制电路，本文利用Matlab/Simulink软件进行了电路仿真，为实际电路的搭建提供参考；文中还指出进给系统中用伺服电机代替步进电机的必要性，同样利用Simulink软件对伺服电机的控制系统展开了仿真研究，为伺服电机的软硬件平台开发提供参考。另外本文还从软硬件两个方面对所设计的线切割机床总体控制系统进行了比较详细的介绍，先是从硬件方面阐述了控制电路板的设计思路和各模块电路的原理，又从软件方面分别阐述了基于ARM9处理器STM32芯片的初始化设置、各电路模块的配置流程和实际应用。其中重点介绍了PWM脉冲信号的产生过程和脉冲电源电路的调试结果，验证了所设计的脉冲电源控制系统所能达到预期目标。关键词：电火花线切割，控制系统，脉冲电源，STM32第1章绪论1.1选题背景电火花线切割机属于电加工范畴，最早于1960年在苏联问世。前苏联拉扎林科夫妇在研究开关触点受火花放电而腐蚀损坏的现象及原因时，发现电火花产生的瞬时高温可以使金属局部熔化、氧化而被腐蚀掉，从而发明了电火花加工技术。线切割机适用材料多种多样，如高强度、高硬度、高韧性、高脆性和磁性材料，还能加工精密细小和形状复杂的零件。现有的电火花线切割机为了得到更广泛的发展，必须设法降低生产成本，缩短加工时间，提高产品的质量、产量及其经济性。本文提出的基于ARM9控制芯片的全新的电火花线切割机控制系统，正好满足现有的线切割机的改进思想，对提高线切割机的加工效率、质量和经济性具有重要意义。1.2国内外线切割机发展现状及趋势线切割机自从上世纪50年代末问世至今，每年都取得快速的发展，应用也越来越广。如今随着数控技术的日益成熟，线切割机床的发展迎来了更为广阔的前景。线切割机在我国及国外的发展方向有所不同，目前我国研制生产和使用的绝大多数为快速往复走丝的电火花线切割机，而国外研制生产和使用的主要为慢速单向走丝的电火花线切割机。两者相比起来，除了采用的工艺不同外，无论在加工速度、精度、功能、自动化程度、可靠性、稳定性和加工工艺指标，或者在外观等方面，前者都低于后者一个档次。从加工速度上来说，我国的电火花线切割机的最大加工速度一般为250mm2/min，而国外的低速线切割机床最大加工速度为500mm2/min；从尺寸精度及表面粗糙度上来说，我国线切割机床一般为5.0μm（国家标准），Ra0.5~0.8μm；而国外能达到1.0μm，Ra0.05μm。国外的电火花线切割加工技术已经达到比较高的水平，今后预计必将向高速化、高精度化及高自动化的方面发展，这也是近年来经济型机床的一个发展趋势。而我国的电火花线切割技术在未来几年甚至几十年都将会有大好的发展机会。伴随着十二五规划我国高端装备制造业将迎来发展的春天，信息化、智能化和绿色环保化将是我国线切割技术的发展方向。1.3本文研究的主要内容本文将基于ST（意法半导体）公司的ARM9芯片STM32开发全新的智能电火花线切割机控制系统，主要包括节能脉冲电源PWM波形的智能反馈控制系统软硬件设计和进给控制系统中步进电机等其他硬件电路的设计。全文主要内容分为如下六个章节：第一章为绪论，总结叙述了本课题的选题背景，国内外线切割机的发展现状及趋势，点明了本课题的主要研究工作。第二章提出了基于ARM9处理器的线切割控制系统的总体设计方案，特别是阐述了数字化脉冲电源的设计和进给系统中控制电机的选择与论证，并说明了设计方案要实现的功能和目的。第三章运用Matlab/Simulink软件对全数字化脉冲电源的设计电路和伺服电机的控制系统进行仿真研究，得到控制模型运行在较为理想状态下的控制参数。第四章简单叙述了所选微处理器的特性，对线切割控制系统的主要硬件电路模块进行分析介绍，并阐述了设计思路和注意事项。第五章阐述了线切割控制系统各软件模块驱动程序的开发并配以实例，其中重点叙述了PWM脉冲信号的生成。第六章总结研究成果，对所做的研究工作做进一步展望。第2章线切割控制系统的总体设计方案2.1电火花线切割机床加工原理电火花线切割机床加工是利用工具电极（钼丝）和工件两极之间脉冲放电时产生的电腐蚀现象对工件进行尺寸加工。电火花腐蚀主要原因：两电极在绝缘液体中靠近时，由于两电极的微观表面是凹凸不平，其电场分布不均匀离得最近凸点处的电场度最高，极间介质被击穿，形成放电通道，电流迅速上升。在电场作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极形成火花放电，电子和离子在电场作用下高速运动时相互碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的轰击，使电极间隙内形成瞬时高温热源，通道中心温度达到10000度以上。以致局部金属材料熔化和气化【1】。2.2线切割机床控制系统的总体设计线切割机床的控制系统要求实时性高，控制精度高，能处理大量的数据，还要易于与PC上位机进行通讯，现有的单片机已经不能满足这些要求。ARM处理器相对于8位单片机具有速度更快，性能更强，资源更丰富等特性，比如在中断、AD、LCD控制器、DMA和存储系统等方面ARM处理器都具有独到的优势。本文采用ARM9芯片STM32作为线切割机床控制系统中最重要的两个部分——数控系统和脉冲电源的主处理器，配合主芯片的一些外围应用芯片和接口电路构成整个控制系统的硬件部分。线切割机床控制系统的总体结构框图如图2.1所示。图2.1线切割机床控制系统总体框图ARM9处理器作为主要控制单元，将负责线切割控制系统的绝大部分控制工作。线切割机床ARM9处理器串口通讯CAN总线PWM电源伺服电机数控系统Linux控制界面显示模块键盘除了输出PWM脉冲供电源和电机使用，ARM9处理器还需要执行显示任务、响应键盘的控制指令、进行串口和CAN总线的数据传输控制、处理数控系统中控制界面的命令以及同PC机进行数据交换。2.3数字化脉冲电源的设计方案本文提出了一种全新的基于ARM9处理器的高频脉冲电源设计方案，此脉冲电源不但PWM脉冲的脉宽和脉间可调，而且频率也能够连续自动调节。对PWM脉冲波形进行自动调节主要是为了控制加工时电极丝的电流大小，保证加工的精度和稳定性。当检测到的电极丝上的电流过大时，只要通过反馈控制系统（ARM控制）调节PWM脉冲的占空比或者PWM脉冲的频率，就能达到降低电极丝加工电流的目的，从而保证电极丝加工质量。数字化线切割高频脉冲电源的系统框图如图2.2所示。图2.2数字化线切割脉冲电源的系统框图基于ARM9处理器的数字化线切割高频脉冲电源的主要特点有【2】：1.直接采用RS232标准通讯接口与上位机通讯；2.系统集成了现场总线CAN总线和LIN总线，方便多台线切割机的集中控制；3.系统预留JATG编程接口，方便用户的系统升级和维护；4.通过ARM定时器直接产生PWM信号，提供线切割工作时需要的高频脉冲；5.同时集成了伺服电机的控制；100V+连接控制计算机差动放大电路IGBT输出电路床身及钼丝工件降压及光电隔离PWM光电隔离ARM9系统检流计隔离变压器100VG显示屏输入设置6.具有常规线切割机控制所需要的接口；7.提供4路AD接口，为线切割机的功能扩展和实现实时在线检测提供支持；8.具有SD卡接口，也可以通过该系统直接控制线切割机的工作；9.装备有2.9英寸的彩色屏，提供HMI（人机界面）的操作；10.PWM的脉宽和脉间的调整和PWM的分时分组操作，也可通过HMI实现；11.符合电加工行业标准设计；12.集高频脉冲电源，伺服驱动电源为一体；13.采用新型芯片过滤脉冲杂波可使丝耗降低30%；14.最大切割厚度可达1米以上；15.最大切割速度可达160mm2/min以上（需特定条件）；16.加工表面粗糙度Ra≤2.5μm。2.4线切割进给系统中电机的选择目前国内大部分线切割机床的进给系统都由步进电机控制，虽然控制精度却不高，但成本低、控制简单。步迸电机是一种将电脉冲信号换成相应角位移或直线位移的控制电动机。利用它可以组成一个简单实用的伺服系统，且不需要反馈环节，所以在开环数控系统中获得极其成功的应用。概括起来步进电机的主要使用特点如下：l、每个脉冲对应一个步距角；2、脉冲频率与电机转速成正比；3、脉冲频率变化太快，会引起失步或过冲；4、改变脉冲分配的相序即可改变电机旋转方向；交流伺服电机的应用难题在于其复杂的伺服控制系统（全闭环控制），其成本高，控制难度大。目前常用的伺服电机为永磁交流同步伺服电机(PMSM)，其矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能，并可进行大范围调速或定位控制，作为线切割机床进给系统的驱动电机大有潜力。由于步进电机应用已经比较成熟，又比伺服电机成本低，本文控制电机仍选择步进电机，但下文仍将进一步讨论交流永磁同步电机的全闭环伺服控制系统，为以后伺服电机的成熟应用打下基础。第3章脉冲电源与伺服电机的MATLAB仿真研究3.1MATLAB/Simulink简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。在其下提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。它为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。3.2数字化脉冲电源电路的仿真3.2.1脉冲电源的设计本文设计的脉冲电源控制电路原理如图3.1所示。220V、50Hz的交流电源经过一级变压器后输出110V、50Hz的交流电源，再经过二极管整流电路后得到线切割加工所需的直流电源。此直流电源经过电容的滤波后，通过限流电阻便可给工件及电极丝供电。电路中带正负极且电容值较大的钽电容作为充放电电容可以保持直流电源的稳定性。电极丝加工过程中通过电流互感器等检测元件，检测到加工瞬时电流和电压，经过A/D模数转换后送入ARM