专利名称：一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种数控机床控制系统，具体地说，是一种集加工控制、闭环 检测和监控功能于一体的快走丝电火花线切割机床控制系统。
背景技术：
线切割加工的基本原理是利用移动的细小金属导线(铜丝或钼丝)作电极，对工件 进行脉冲火花放电，通过计算机进给控制系统，配合一定浓度的水基乳化液进行冷却排 屑，就可以对工件进行图形加工。电火花线切割机床按走丝速度分为低速走丝方式(俗称 慢走丝)和高速走丝方式(俗称快走丝)，其中快走丝线切割机床与慢走丝线切割机床相 比，由于其在性能价格比上的优势，以及它固有的技术特点，近年来被越来越多的用户 所接受，是目前我国电加工行业的主导产品，是模具加工的主要设备。控制系统是快走 丝线切割机床的核心部件，直接影响线切割机床的稳定性、可靠性和所加工出来的模具 的各项指标。经过对现有快走丝线切割机床控制系统产品的调查和现有专利文件的检索 发现，目前市场上大部分产品都基于DOS操作系统，内置于PC机的PCI插槽或者ISA 插槽，同时靠光栅尺完成闭合检测，目前市场上缺乏基于Windows操作系统平台并能够 外置于PC的，同时集加工控制、闭环检测和监控功能于一体的产品。 发明内容
本实用新型的目的旨在为用户提供一种基于Windows操作系统平台并能够外置于 PC的，同时集加工控制、闭环检测和监控功能于一体的产品，基于Windows操作系统 平台能够保证线切割机床一次性完成代码段超过10万行的复杂切割文件的加工工作， 外置于PC机充分保障了 PC机主板电路免受外界电磁干扰和硬件损坏，利用简单的电路 实现闭合检测功能有效降低了控制系统的成本，监控功能则充分降低了操作工人的劳动 强度并提高了工作效率。
本实用新型的目的是这样实现的， 一种快走丝线切割机床控制系统，该系统包括基 于Windows操作系统平台的PC机(l)、快走丝线切割机床控制盒(2)、短信模块(3)、多 功能功放板(4)、线切割机床电气控制柜(5)和快走丝线切割机床(6)，其特征在于所述 快走丝线切割机床控制盒(2)由主控芯片(2-l)、串口电平转换电路(2-2)、机床电机驱动电 路(2-3)、多功能板接口(2-4)、掉电检测和数据保护电路(2-5)和PWM信号发生和放大电 路(2-6)组成，主控芯片(2-l)内部集成了两路串口通信模块，通过串口电平转换电路(2-2) 完成"TTL电平一RS232电平"的双向转换，其中一路用来完成主控芯片(2-l)和基于 Windows操作系统平台的PC机(1)之间的数据和指令传输，另一路用来完成主控芯片(2-1) 和短信模块(3)之间的指令和数据传输；所述快走丝线切割机床控制盒(2)通过标准的 RS232串口连接到基于Windows操作系统平台的PC机(1)上，短信模块(3)通过标准的 RS232串口连接到快走丝线切割机床控制盒(2)上；多功能功放板(4)和快走丝线切割机床控制盒(2)之间通过一根标准的并口线缆和20芯的排线连接，且所述多功能功放板(4)上 有定位孔，能够被内置到线切割机床电气控制柜(5)中。
多功能功放板(4)由机床电机驱动检测反馈电路(4-l)、控制盒接口(4-2)、将从机床内 变压器输出的18V交流电转12V直流电的电路(4-3)、工件与钼丝之间的间隙电压引入 端子(4-4)、电机驱动电压引入端子(4-5)以及X、 Y、 U和V电机驱动信号输出端子(4-6) 组成，控制盒接口(4-2)完成多功能功放板(4)和快走丝线切割机床控制盒(2)之间的连接， 机床电机驱动检测反馈电路(4-l)被用来实现电机驱动反馈检测功能，同时其通过控制盒 接口(4-2)把检测结果回传给主控芯片(2-l)。
掉电检测和数据保护电路(2-5)中不使用镍镉电池和锂电池电路，而只由电阻R3和 R4、陶瓷电容C1、钽电容CD5和电解电容CD7组成，CD7要求耐压值大于16V，容值 大于6800uf。
PWM信号发生和放大电路(2-6)是由主控芯片(2-l)和高速光耦U36组成的放大电 路，通过鼠标和键盘控制基于Windows操作系统平台的PC机(l)就可以直接产生峰值为 12V且脉宽和占空比可调的PWM脉冲信号源，所述PWM脉冲被线切割机床电气控制 柜(5)中进 一 歩放大后被用做线切割加工中所用的高频脉冲电源。
控制盒接口(4-2)由标准的25针并口插座Ul和两根标准的10针排线插座J2和J3 组成；快走丝线切割机床控制盒(2)通过机床电机驱动电路(2-3)和多功能板接口(2-4)与多 功能功放板(4)相连，所述多功能板接口(2-4)由标准的25针并口插座U9和标准的20针 的排线插座J8组成。
机床电机驱动检测反馈电路(4 -1)包括十六路电路原理相同的"电机驱动+检测反 馈"电路，每一路"电机驱动+检测反馈"电路由1个光耦、1个场效应管和单个电阻 阻值分别为2.4K欧姆、10K欧姆和330欧姆的阻排组成，快走丝线切割机床控制盒(2) 和多功能功放板(4)配合能够完成闭环控制。
图1是本实用新型快走丝线切割机床控制系统的结构示意图； 图2是快走丝线切割控制盒硬件电路的结构框图； 图3是多功能板硬件电路的结构框图4是控制盒上机床驱动电路接口和多功能板接口电路的原理图； 图5是多功能板上控制盒接口和机床电机驱动检测反馈电路的原理图； 图6是掉电检测和数据保护电路的原理图； 图7是PWM信号发生和放大电路的原理图；具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本使用新型做进一步详细的说明。图1是本实用新型快走丝线切割机床控制系统的结构示意图，是由基于Windows 操作系统平台的PC机(l)、快走丝线切割机床控制盒(2)、短信模块(3)、多功能功放板(4)、 线切割机床电气控制柜(5)和快走丝线切割机床(6)组成。快走丝线切割机床控制盒(2)通 过标准的RS232串口连接到基于Windows操作系统平台的PC机(1)上，基于Windows 操作系统平台的PC机(l)通过RS232串口向快走丝线切割机床控制盒(2)发送指令和数 据，并对快走丝线切割机床控制盒(2)返回来的数据进行分析和处理。在快走丝线切割机 床控制盒(2)和线切割机床电气控制柜(5)之间有一块多功能功放板(4)，快走丝线切割机 床控制盒(2)和多功能功放板(4)共同完成基于Windows操作系统平台的PC机(l)和线切 割机床电气控制柜(5)之间的命令解析和信号转换。快走丝线切割机床控制盒(2)上还可以 通过一根标准的RS232串口线连接一个短信模块(3)，快走丝线切割机床控制盒(2)可以 通过短信模块(3)，以短信或者电话的方式自动把线切割加工中的各种异常通知给操作人 员。
如图2所示，快走丝线切割机床控制盒(2)由主控芯片(2-l)、串口电平转换电路(2-2)、 机床驱动电路接口(2-3)、多功能板接口电路(2-4)、 PWM信号发生和放大电路(2-5)和掉 电检测和数据保护电路(2-6)组成。主控芯片(2-l)内部集成了FLASH、EEPROM和SRAM， 可以完成程序存储、数据存储和程序的动态运行。主控芯片(2-l)内部集成了两路串口通 信模块，通过两路串口电平转换电路(2-2)完成"TTL电平一RS232电平"的双向转换， 其中一路用来完成主控芯片(2-l)和基于Windows操作系统平台的PC机(l)之间的数据和 指令传输，另外一路用来完成主控芯片(2-l)和短信模块(3)之间的指令和数据传输。
如图2和图4所示，快走丝线切割机床控制盒(2)通过机床电机驱动电路(2-3)和多功 能板接口(2-4)与多功能功放板(4)相连。机床电机驱动电路(2-3)由四组光耦原件组成 U6、 UIO、 U13、 U16和U19五路光耦组成X组，用来隔离主控芯片(2-l)直接输出的用 来驱动机床X路电机的五路TTL电平信号；U7、 Ull、 U14、 U17和U20五路光耦组成 Y组，用来隔离主控芯片(2-l)直接输出的用来驱动机床Y路电机的五路TTL电平信号； U8、 U12和U15三路光耦组成U组，用来隔离主控芯片(2-l)直接输出的用来驱动机床 U路电机的三路TTL电平信号；U18、 U21和U22三路光耦组成V组，用来隔离主控芯 片(2-l)直接输出的用来驱动机床V路电机的三路TTL电平信号。图4中的X[4:0]、Y[4:0]、 U[2:0]和V[2:0]十六路信号是由主控芯片(2-l)的十六路I/O管脚直接输出的，符合TTL 电平的信号，四个排阻R65、 R66、 R67和R68完成光耦输入端和输出端的电流匹配。 多功能板接口(2-4)由标准的25针并口插座U9和标准的20针的排线插座J8功能组成。
如图3所示，多功能功放板(4)由机床电机驱动检测反馈电路(4-l)、控制盒接口(4-2)、 由机床内变压器输出的18V交流电转12V直流电的电路(4-3)、工件与钼丝之间的间隙 电压引入端子(4-4)、电机驱动电压引入端子(4-5)和X、 Y、 U和V电机驱动信号输出端 子(4-6)组成。控制盒接口(4-2)完成多功能功放板(4)和快走丝线切割机床控制盒(2)之间的连接，机床电机驱动检测反馈电路(4-l)完成电机驱动反馈检测功能并通过控制盒接口 (4-2)把检测结果回传给主控芯片(2-l)。
如图2、图3、图4和图5所示，多功能功放板(4)通过控制盒接口(4-2)与快走丝线 切割机床控制盒(2)连接，控制盒接口(4-2)由标准的25针并口插座Ul和两个标准的10 针排线插座J2和J3组成。机床电机驱动检测反馈电路(4-l)包括十六路电路原理相同的
"电机驱动+检测反馈"电路。这里，我们以快走丝线切割机床(6)的X路电机的第一相 的驱动和检测反馈流程来说明如何通过快走丝线切割机床控制盒(2)和多功能功放板(4) 之间的配合完成XO电机是否"缺相"的检测过程。快走丝线切割机床控制盒(2)的主控 芯片(2-l)输出的信号X0为TTL电平信号，如果此时XO为高电平，即为5V，则型号为 TPL521的光耦U6在串联了 1K欧姆的电阻之后，其输入端的电流约为3.5mA，光耦处 于线性放大区。光耦U6的输出端XG0连接到多功能板接口(2-4)的U9的第1管脚，当 使用并口线缆连接多功能板(4)和线切割控制盒(2)时，多功能板接口(2-4)的U9的第1管 脚和控制盒接口(4-2)的Ul的第l管脚物理和电气上相连，光耦U6的输出端XGO连接 到型号为IRF640的场效应管Ql的第1脚。当光耦U6处于线性放大区时，光耦U6输 出端的电压、470欧姆电阻电压和Ql场效应管1、 3脚之间的电压之和为12V，经过理 论分析和实验测试，此时场效应管Ql导通，Q1场效应管2脚(漏极)的电压近似于3脚(源 极)的电压，近似于"地"。而场效应管Q1的2脚直接连接到机床X电机的第一相eX0。 这样，如果主控芯片(2-l)输出信号XO为5V高电平，则机床X电机的第一相eXO为OV 低电平。从图5可以得知，当eXO为低时，光耦U2输入端的电流约为30/2.4k= 12mA， 此时光耦导通，光耦输出端rXO点的电压和330欧电阻上所承载的电压之和为5V，而 流过330欧电阻的电流为12mA左右，所以rXO的电压为(5 - 330*0.012) = 1.04V左右。 从图3和图4可以看到，rX0连接到控制盒接口(4-2)的J2后的第2脚后，经过排线连接 到多功能板接口(2-4)的J8的第1管脚上，直接接到主控芯片(2-l)的I/O管脚上，主控芯 片通过读取该I/O管脚的电压值"判定"rXO为"0"，即低电平。与此相反的是，如果 线切割控制盒(2)的主控芯片(2-l)输出的信号X0输出为低电平，即0V，则通过上面的分 析过程我们可以得知，机床电机驱动电路(2-3)中的光耦U6的输入端无电流，光耦不导 通，则U6的输出端也不导通。从图5上看，Ql场效应管的1脚上没有电压，Ql场效 应管也不导通，Ql的2脚(eX0)点的电压、光耦U2输入端的电压和2.4K电阻上的电压 之和为30V，则通过对光耦特性分析可以得知，光耦U2输入端的压降在1.5V左右，流 过光耦U2的电流为1.2mA左右，此时通过计算可以得出Ql的2脚(eXO)点的电压约为 26V左右。此时，光耦U2"不导通"，光耦U2输出端的电流为lmA左右，所以rXO的 电压约为(5 -330*0.001) = 4.7V。主控芯片通过读取该I/O管脚的电压值"判定"rXO为
"1"，即为高电平。在线切割加工过程中，由于各种原因场效应管和光耦是损坏率比较 高的器件，导致某一路电机"缺相"现象发生，进而导致所切割的工件"报废"。快走丝线切割机床控制盒(2)和多功能功放板(4)配合使用就可以实现闭环检测，一定程度上避 免"缺相"所带来的损失。以线切割机床(6)的X路电机的第一相的驱动和检测反馈流程 来说明，如果机床电机驱动电路(2-3)中的光耦U6、场效应管Ql或者机床电机驱动检测 反馈电路(4-l)中的光耦Ul三个器件屮的任何一个损坏，则都会导致单片机检测到的rXO 信号不改变，在这种情况下，主控芯片(2-l)将停止当前切割，并通过串口线给基于 Windows操作系统平台的PC机(l)发出"警告"信息，用户可以自行检测光耦和场效应 管并修复机床。
如图2和图6所示，掉电检测和数据保护电路(2-5)包括电阻R3和R4、陶瓷电容 Cl、钽电容CD5和电解电容CD7。快走丝线切割机床控制盒(2)的主控芯片(2-l)工作在 5V电压，我们使用12V直流稳压电源给快走丝线切割机床控制盒(2)供电，板上设有12V 转换5V的电路。图6中POWEROFF的管脚直接连接到主控芯片(2-l)的一根外部中断 管脚，该中断类型为"电平中断"，即当电压从3V瞬间降低到2.8V以下时中断产生。 快走丝线切割机床控制盒(2)正常工作时，POWEROFF管脚的电压值为12V的直流电压 经过R3和R4分压值，即3V,当系统意外断电时候，12V电压瞬间消失，POWEROFF 的电平瞬间从3V降低到0V,主控芯片(2-l)内部产生中断，此时，主控芯片(2-l)进入中 断调用程序，进行当前加工坐标、文件名和加工数据保存。陶瓷电容Cl用来消除 POWEROFF电平瞬间从3V降低到0V时信号的波动和毛刺，有利于主控芯片(2-l)对掉 电现象进行准备判断。当系统断电且12V消失时，12V转换5V的电路停止输出5V电 压，主控芯片(2-l)的供电由电解电容CD7来负责，这里我们使用的是耐压值为16V，容 值为6800uf的大电容，经过理论分析和实验验证，电容CD7上存储的电量足够主控芯 片(2-l)响应中断程序并完成数据保存工作。由于传统的掉电数据保护机制中使用镍镉电 池和锂电池电路，而镍镉电池和锂电池需要充电电路和放电电路，且使用寿命一般不超 过2年，维护成本较高，当镍镉电池和锂电池性能下降时，现场切割数据容易丢失。我 们在图6中釆用的掉电检测和数据保护机制，可以保证使用电解电容代替镍镉电池和锂 电池电路，通常情况下电解电容的使用寿命超过20年，且参数特性基本不改变，这不 仅大大降低了使用和维护成本，且数据保存机制更加安全可靠。
如图2、图4、图5和图7所示，快走丝线切割机床控制盒(2)上有PWM信号发生 和放大电路(2-6)，主控芯片(2-l)内部有PWM信号发生电路，可以产生脉宽和占空比可 调的PWM脉冲信号。脉冲信号峰值输出为5V,经过高速光耦U36组成的放大电路放 大后变成峰值信号为12V且频率和占空比可调的PWM脉冲信号，该信号通过多功能板 接口(2-4)和控制盒接口(4-2)连接后输出到线切割机床电气控制柜(5)中，线切割机床用户 可以进一步放大到峰值为80-120V且脉宽和占空比可调的"高频脉冲电源"，做为切割 用的高频脉冲电源，利用这种方法产生的"高频脉冲电源"的脉宽和间隔比连续可调， 用户在基于Windows操作系统平台的PC机(l)上可以通过鼠标和键盘设置"高频脉冲电
8源"的脉宽和占空比，并通过串口将命令发送到主控芯片(2-l)上，主控芯片(2-l)接到命 令后进行运算最终产生用户所需的"高频脉冲电源"。
权利要求1、一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，该系统包括基于Windows操作系统平台的PC机(1)、快走丝线切割机床控制盒(2)、短信模块(3)、多功能功放板(4)、线切割机床电气控制柜(5)和快走丝线切割机床(6)，其特征在于所述快走丝线切割机床控制盒(2)由主控芯片(2-1)、串口电平转换电路(2-2)、机床电机驱动电路(2-3)、多功能板接口(2-4)、掉电检测和数据保护电路(2-5)和PWM信号发生和放大电路(2-6)组成，主控芯片(2-1)内部集成了两路串口通信模块，通过串口电平转换电路(2-2)完成“TTL电平—RS232电平”的双向转换，其中一路用来完成主控芯片(2-1)和基于Windows操作系统平台的PC机(1)之间的数据和指令传输，另一路用来完成主控芯片(2-1)和短信模块(3)之间的指令和数据传输；所述快走丝线切割机床控制盒(2)通过标准的RS232串口连接到基于Windows操作系统平台的PC机(1)上，短信模块(3)通过标准的RS232串口连接到快走丝线切割机床控制盒(2)上；多功能功放板(4)和快走丝线切割机床控制盒(2)之间通过一根标准的并口线缆和20芯的排线连接，且所述多功能功放板(4)上有定位孔，能够被内置到线切割机床电气控制柜(5)中。
2、 根据权利要求1所述的一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，其中所述 多功能功放板(4)由机床电机驱动检测反馈电路(4-l)、控制盒接口(4-2)、将从机床内变压 器输出的18V交流电转12V直流电的电路(4-3)、工件与钼丝之间的间隙电压引入端子 (4-4)、电机驱动电压引入端子(4-5)以及X、 Y、 U和V电机驱动信号输出端子(4-6)组成， 控制盒接口(4-2)完成多功能功放板(4)和快走丝线切割机床控制盒(2)之间的连接，机床电 机驱动检测反馈电路(4-l)被用来实现电机驱动反馈检测功能，同时其通过控制盒接口 (4-2)把检测结果回传给主控芯片(2-l)。
3、 根据权利要求1所述的一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，其中掉电 检测和数据保护电路(2-5)中不使用镍镉电池和锂电池电路，而只由电阻R3和R4、陶瓷 电容C1 、钽电容CD5和电解电容CD7组成，CD7要求耐压值大于16V，容值大于6800uf。
4、 根据权利要求l所述的一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，其中PWM 信号发生和放大电路(2-6)是由主控芯片(2-l)和高速光耦U36组成的放大电路，通过鼠标 和键盘控制基于Windows操作系统平台的PC机(l)就可以直接产生峰值为12V且脉宽 和占空比可调的PWM脉冲信号源，所述PWM脉冲被线切割机床电气控制柜(5)进一步 放大后可以被用做线切割加工中所用的高频脉冲电源。
5、 根据权利要求2所述的一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，其中控制 盒接口(4-2)由标准的25针并口插座Ul和两根标准的10针排线插座J2和J3组成；快 走丝线切割机床控制盒(2)通过机床电机驱动电路(2-3)和多功能板接口 (2-4)与多功能功 放板(4)相连，所述多功能板接口(2-4)由标准的25针并口插座U9和标准的20针的排线 插座J8组成。
6、根据权利要求2或5所述的一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，其中 机床电机驱动检测反馈电路(4-l)包括十六路电路原理相同的"电机驱动+检测反馈"电 路，每一路"电机驱动+检测反馈"电路由1个光耦、1个场效应管和单个电阻阻值分 别为2.4K欧姆、10K欧姆和330欧姆的阻排组成，快走丝线切割机床控制盒(2)和多功 能功放板(4)配合能够完成闭环控制。
专利摘要一种基于Windows平台的快走丝线切割机床控制系统，属于电火花线切割特种加工领域。系统由Windows操作系统PC机、短信模块、线切割控制盒、多功能功放板和线切割机床电气控制柜组成。在PC机和机床电气控制柜之间有一个线切割控制盒和多功能板，线切割控制盒与PC之间通过标准的串口相连，多功能板通过20针排线和并口线连接到线切割控制盒，控制盒和多功能板共同完成PC机与机床控制柜之间的信号转换。通过串口外接短信模块后，控制盒可以实时发送加工状态信息。多功能板上设计有电机信号反馈检测电路，在不使用光栅尺的情况下实现闭环控制。Windows操作系统以及串口线缆的可靠性好、灵活性高和兼容性强等优势充分保证了系统的实用性。
文档编号B23H7/00GK201235435SQ20082012605
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者冯锡平, 岗 郭 申请人:北京南讯威达科技有限公司