线切割机控制系统设计

目录前言 (1)1总体方案设计 (1)1.1总体方案原理分析 (2)1.2 算法分析 (2)2方案分析与电路设计 (4)2.1控制器模块设计 (4)2.2 步进电机模块设计 (4)2.3蜂鸣器模块设计 (4)2.4键盘模块设计 (5)2.5显示模块设计 (5)3软件设计 (6)3.1算法流程图及系统流程图 (7)4小结与体会 (9)参考文献 (10)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(X e，Y e)。

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X m/Y m=X e/Y e 即X m/Y m -X e/Y e=0现在我们定义直线插补的偏差判别式为F m=X m/Y m -X e/Y e若F m=0，表明点m在OA直线上，若F m>0，表明点m在OA直线段的上方，即点m’处，若F m<0，表明点m在OA直线段的下方，即m’’处。

如图3所示。

当F m>=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(X m+1,Y m+1)则该点的偏差为F m+1=F m- Y e(1)当F m <0时，表明点在OA下方，应沿+Y轴方向进给，进给后的坐标为(X m+1,Y m+1) 图3 m点分布示意图则该点的偏差为F m+1=F m+ X e(2)若用对X坐标、Y坐标同时进给方式时,进给后的坐标为(X m+1,Y m+1)则该点的偏差为F m+1=F m+ X e - Y e(3)我们在单片机编程时判断(1)、(2)、(3)中F m+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(X i，Y i)，则偏差为F i=X i2 +Y i2-R是已知的，下一步有3三种走法：(1)：走-X，则新的偏差为F i+1=(X i-+1)2+ Y i2-R=F i-2X i+1(2)：走+Y，则新的偏差为F i+1=X i2+(Y i+1)2-R=F i+2Y i +1(3)：走-X 轴和+Y轴各走一步，则新的偏差为F i+1=(X i-+1)2+(Y i+1)2-R=F i-2X i +2Y i +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7 51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8 51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9 算法设计实现流程图图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。

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书参考文献[1] 于海生. 计算机控制技术.北京：机械工业出版社，2007[2] 刘懿俊. 电火花线切割基于mega 128单片机下位控制软件研究[J]. 广东省机械研究所，2009[3] 郭磊. 基于ARM的嵌入式线切割系统设计与实现[D].南昌大学，2008[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[6] 贾杏，任海东. 一种数控线切割机床的改造设计[J]. 河南工业职业技术学院，200810。