MS-WEDM 工作液智能控制系统装置研制
2017-4-5 来源：四川理工学院 作者： 郭翠霞 ，刘康 ，谢文玲 ，杨大志 ，
摘要：根据高速走丝电火花线切割机床（具有多次切割功能）的加工特点，研制工作液智能控制系统装置。 该装置由STC89C52RC单片机、工作液电导率信号采集器、电磁阀和继电器等组成。 阐述了控制装置的结构与功能、硬件控制方案、机床信号转换电路和报警电路等。 该装置可直接安装在现有的高速走丝电火花线切割机床上，通用性好，且控制可靠性高，能够满足高速走丝电火花线切割机床对工作液智能控制的要求。
关键词：中走丝电火花线切割机床；工作液控制技术；STC89C52RC单片机
多次切割技术在我国高速走丝电火花线切割机床已成功地运用，以低的成本改善了切割加工表面的精度和质量[1]。 多次切割技术[2]对工件实施多次切割，即第一次高速切割成形；第二次精修，保证加工尺寸精度；第三次及以上抛磨修光，提高工件表面质量，俗称“中走丝电火花线切割机床”。 但是，现MS-WEDM 仍存在切割精度忽高忽低、 保持性差等缺陷，其主要影响因素有电极丝换向、振动引起电极丝空间位置发生变化、 工作液性能发生变化等，它们严重影响了加工放电效果[3-5]。结合高速走丝电火花线切割机床（具有多次切割功能）加工特点，在大量、相关研究的基础上，研制出一套适合我国 MS-WEDM 工作液的智能控制系统 ，其加工稳定性得到提高，它的研制具有实际应用意义。
1.装置的结构与功能
工作液控制装置结构示意如图 1 所示，装置由1 个 自吸水泵 、1 个 过滤器 、1 个 球阀和 6 个 电磁水阀（电磁水阀带单向功能）以及 2 个储液箱（分别是粗加工液箱和精加工液箱）组成。 工作液通过进液电磁阀（9 或 10），流经过滤器 13 至自吸水泵 1，从自吸水泵 1 流出的工作液有一部分经过泄压回路（ 球阀 3、 泄 压电磁阀 7 和 泄压电磁阀 8） 回 流到对应的工作箱中，另一部分经过工作液电导率采集器和上、下丝臂供液管流到工作台液槽上参与电火花放电加工，工作液最终经过回液电磁阀（5 或 6）回到对应的工作液储液箱中。
图1 控制装置结构示意图
工作液智能控制系统在接通电源后，首先进行开机自检，即区分出具体的粗工作液箱和精工作液箱。 其具体控制流程为
1）自 吸水泵 1 启 动 ，进液电磁阀 10、 泄 压电磁阀 8 和回液电磁阀 6 开，工作液电导率采集器 2 开始采集储液箱 12 的电导率信号，经过 A/D 转换后，发送至单片机计算并保存。
2）自吸水泵 1 保 持工作状态 ，在相继关闭进液电磁阀 10、 泄压电磁阀 8 和回液电磁阀 6 的同时，进液电磁阀 9、 泄压电磁阀 7 和回液电磁阀 5 也相应的开启，此时电导率采集装置 2 开始采集储液箱11 的 电导率 ，将此信号发送至单片机 ，并与之前储液箱 12 的电导率进行比较，从而区分出具体的粗、精工作液箱。
3） 完成开机自检后 ，控制系统关闭自吸水泵 1及所有的电磁阀，系统待机，等待接收机床加工信号。 系统一旦检测到机床的加工信号，如机床开始粗加工，系统就会接收到粗加工信号，使粗加工工作液的供给、泄压和回液管路相应的电磁阀打开；如机床半精或精加工时，系统就会接收到相应的信号，并立即关闭粗加工工作液的相应供给、泄压和回液管路的电磁阀，打开精加工工作液供给、泄压和回液管路的电磁阀。 控制系统能够满足在第一次切割时提供粗加工工作液， 第二次及以上切割时提供精加工工作液的加工要求，同时提高了工作液的使用寿命。
4）控制系统能够实时监测工作液电导率值。 一旦工作液电导率超过其设定值，系统在保证不影响机床正常加工的状态下， 发出相应的报警信号，提醒操作人员更换粗工作液箱的工作液。
整个工作液智能控制系统设计采用模块化思想。 硬件系统以单片机为控制核心，设计有电源模块、信号采集模块、控制模块和执行模块。 软件系统程序包括各模块初始化程序、A/D 模块 TLC2543 转换程序设计、温度传感器程序、串口屏显示程序、自动换挡检测程序、电磁阀程序、中断信号程序和串口上位机程序等。 各软件系统模块分别用 C51 语言编写、编译和调试，运用主控程序 Main（）来调用各模块程序，从而完成对整个装置的控制。
2.硬件电路设计
工作液智能控制系统硬件电路框架如图 2 所示。 系统由信号输入回路、单片机和执行元件三部分构成。 输入回路包括工作液电导率信号采集电路，机床控制柜发出的工作液粗、精加工转换信号和 工 作液控制系统启动信号 ； 控 制 芯 片 为STC89C58RD+；执 行元件包括报警装置、继电器、电磁阀和水泵等。 该装置器件的选择主要参考与单片机兼容、可控制的原则。
图 2硬件设计方案
系统首先开机自检，自动判别具体的粗、精工作液箱。 自检完毕，控制系统处于待机状态，等待机床加工信号。 当机床发出加工信号时，控制系统立即启动水泵，并根据机床的加工状态，开启相应的电磁阀，同时对工作液电导率进行实时采集。 工作液的电导率一旦超过设定值，则蜂鸣器报警，液晶显示相应的警示符号。 此时，系统仍会保持工作液供给，不会影响正常加工。 待机床完成加工，工作液控制系统自动关闭水泵及相应电磁阀。
2.1 工作液电导率信号采集器
工作液导电性是靠离子的迁移来完成的。 电导率的检测受到温度、电极常数和交流频率等因素的影响。 为了能精确测量工作液电导率值，减小极化效应、电容效应、温度效应和“漏电压”干扰带来测量误差，系统采用测量线性度较好的分压法对工作液电导率测量。 电导率传感器采用电极常数 K=10的两极式铂黑电极，基材为玻璃，外壳为不锈钢，测量范围为 10~20000 μs/cm，具有防水、抗污染能力强的优点。 电极驱动电压为±5 V 的方波，其频率为1000 Hz。 工 作液电导率采集器由驱动电压发生电路、电导率电极接线电路、变量程电路、信号放大调理电路、基准稳压电路、A/D 转换电路、温度传感器电路和单片机等组成。
2.2 控制芯片和电源
控制芯片选用宏晶科技直插型的工业级STC89C52RC。 该芯片价格低廉 、性价比较高 ；工作电压为 3.3～5.5 V，工作频率为 0～40 MHz，片上已集成 512 B 的 RAM；工作温度为-40～85 ℃。
控制系统板采用 11.0592 MHz 晶振。 单片机引脚 P0.0~P0.5 端口用于控制电导率信号采集器的自动量程电路；P3.0 和 P3.1 端口与串口液晶屏相连，用于显示；P3.1 和 P3.2 端口接机床来的信号线，用于接收机床加工状态的信号；P2 端口控制自吸水泵和电磁阀等。
控制系统的电源采用明 威生产的开 关电源 ，型号为 Q60-C，220 V/50 Hz 交流电，4 组输出分别为+15 V，-15 V，+5 V 和-5 V，1 个 COM 接口， 功率为60 W，能满足系统要求。
2.3 机床信号转换电路
机床信号转换电路， 由 7 个线性光电耦合器PC817，3 个 2 kΩ 电 阻以及 2 个 1 kΩ 电 阻构成 ，如图 3 所示。 来自机床的加工信号一般有 3 组，分别为第一次加工信号 net1，第二次加工信号 net2，第三次及以上加工信号 net3。
图 3 机床加工信号转换电路
当机床处于不加工时，net1、net2 和 net3 端口均处于高电平，所有光电耦合均处于截止状态。 初始加工状态时，net1 端口置低电平，net2 和 net3 端口置高电平，此时光电耦合 K3 导通，B 端口输出低电平信号，K4 和 K6 导通， 单片机 P3.2 端口得到一个下降沿信号，外部中断 INT0 开启，同时 P1.7 端口电平被置低，单片机监测到此时加工状态为第一次加工。 依次类推，通过置 net1，net2 和 net3 端口不同的电平，单片机能检测出第二次加工，第三次或以上的加工状态。
2.4 蜂鸣器电路
为了避免干扰， 蜂鸣器电路采用光电隔离，如图 4 所示。 蜂鸣器为有源蜂鸣器，其控制口与单片机 P2.6 口相连，控制口为低电平时，蜂鸣器工作。
图 4 蜂鸣器电路
2.5 执行器控制电路
自吸水泵控制电路如图 5 所示，单片机 P2.0 端口的控制信号控制线性光电耦合器 PC817 的开闭，通过三极管 Q1的导通与截止来控制继电器 K7 的开闭。 继电器最大耐压 250 V，最大耐电流 10 A。 为了减少控制电路对单片机的干扰，在单片机与继电器之间进行隔离。
图5 自吸水泵控制电路
各电磁阀控制电路如图 6、7、8 所示，S1 和 S2分别接工作液管路的进液电磁阀，S3 和 S4 分别接工作液管路的泄压电磁阀，S5 和 S6 分别接工作液管路的回液电磁阀。 单片机通过对各继电器的控制即可实现工作液的智能控制。
图6 进液电磁阀控制电路
图7 泄压电磁阀控制电路
图 8 回液电磁阀控制电路
电磁阀控制电路的继电器为单刀双掷继电器。其线圈通断电分别通过单片机 P2.1，P2.2，P2.3 控制三极管 Q1，Q2，Q3 的导通与截止来实现的，低电平时 导 通 。 在 继 电 器 线 圈 上 反 向 并 联续流二极管1N4007，用于抑制和吸收线圈断电时反向电动势的作用。 在三极管与单片机 I/O 口之间，用光电耦合器PC817 隔离， 避免三极管 2N3904 漏电流对单片机的影响。
2.6 样机制作
工作液智能控制系统的样机已制作完成，如图9 所示。 PCB 板制成 2 块：信号板和控制板。 信号板与控制板通过 JTAG 线连接，采用光电隔离，将单片机 I/O 口与三极管基极隔离， 使信号板与控制板仅保持信号联系，而不直接发生电的联系，避免三极管漏电流对单片机的干扰。
图 9控制系统样机
3.结语
MS-WEDM 工作液智能控制装置能够在线检测粗、精工作液槽的工作液电导率，并判断其能否满足粗、精加工要求；根据多次切割加工技术的特点，合理地控制粗、精加工工作液的交换，有效地提高加工精度和表面质量等工艺性指标，并提高加工稳定性。 该装置结构简单，使用常用的元器件，成本低；可直接安装在现有的中走丝电火花线切割机床上，通用性好。
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