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1、华中科技大学硕士学位论文基于ARM的电火花线切割机控制系统的研究姓名：曾辉雄申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：叶春生2011-01-12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 电火花线切割机床在我国的应用十分广泛， 市场非常庞大， 这缘于电火花线切割加工技术具有加工精度高，能适应多种硬度与形状的材料加工的特点，在模具制造、成形刀具加工、高硬度材料和精密复杂零件的加工等方面得到了广泛的应用。高速走丝电火花线切割技术在我国经过数十年的发展技术已经达到比较成熟的水平，但相比于国外慢走丝电火花线切割技术无论从加工速度、精
2、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，国内水平明显低了一个档次。究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，这两方面难题能否解决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状况和发展趋势， 针对国内电火花线切割控制技术的不足，提出了全数字化智能型线切割脉冲电源的设计方案，并基于 ARM9 处理器 STM32 设计了线切割机床的总体控制系统， 旨于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，本文先利用 Matlab/Simulink 软件进行电路仿真，为实际电路的搭建提供了参考；文中还指出
3、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仿真研究，为今后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较为详细的介绍，先是从硬件方面阐述了几个控制电路板的设计思路和各模块电路的原理，再从软件方面分别阐述了 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能达到预期目标。 关键词：关键词：电火花线切割 控制系统 脉冲电源 STM32 仿真 Matlab/Simulink 华
4、 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract As its low grinding force, high precision and adapt to a wide variety of hardness and shape, Wire cut Electrical Discharge Machine(WEDM), which has great domestic market, is widely used in producing components with complex shape, high accurac
5、y and high degree of hardness. Hi-speed wire cut electrical discharge machine has become a mature technology with 10 years development, but the domestic level is significantly lower than abroad no matter in processing speed, accuracy, automotive level, processing stability or in external appearance.
6、 The reason is that pulse power source and feed system of domestic WEDM is in the low control level, which largely hinders the development. This paper introduces the development and tendency of WEDM at home and abroad. It provides a digitized intelligent WEDM pulse power source to solve the deficien
7、cy of domestic control technology. And this study designs an entire control system of WEDM based on ARM9 Control chip STM32 controller aimed to improve the current WEDM control system. To the digitized intelligent WEDM pulse power source inferred above, this study uses Matlab/Simulink to simulate th
8、e circuit helping with setting up the real circuit. This paper points out the necessity that servo-actuator replaces the stepper motor and use Matlab/Simulink to simulate the control system of servo-actuator to help develop the platform of software and hardware. In the other aspect, this paper compr
9、ehensively explains the WEDM control system in software and hardware. First, it represents the design principle of control circuits and modules in hardware. Secondly, it introduces the initialization of STM32 chip, the disposition of modules and the practical application in software. Among them, it
10、elaborates the generating process of PWM pulse signal and the debugging result of the circuit powered by pulse power source, which shows that the design can satisfy the target. Key word: Wire cut Electrical Discharge, control system, pulse power source, STM32, simulation, Matlab/Simulink 独创性声明独创性声明
11、本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文
12、。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打 “ ” ) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论绪论 1.1 引言引言 电火花线切割机（Wire cut Electrical Discharge Machining, 简称 WEDM）属于电加工范畴，是由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。基于此种加工
13、技术的线切割机于 1960 年在苏联问世。线切割机主要由机床、数控系统和高频电源这三部分组成。目前数控系统一般由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。线切割机应用广泛，适用材料多种多样，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性和磁性材料，还能加工精密细小和形状复杂的零件。 根据电极丝运行速度与加工质量的不同，电火花线切割机床通常分为三类12：第一类是高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS） ，这类线切割机床的电极丝作高速往复运动，加工速度较高，走丝速度通常为 810m/s，电极丝可重复使用。但电极丝易抖动且反向时易停顿，致使加工质量下降。WEDM-
14、HS 是我国生产和使用的主要类型，也是我国独创的一种电火花线切割加工模式。第二类是低速走丝电火花线切割机床（WEDM-LS） ，其电极丝作单向低速运动，走丝速度通常低于 0.2m/s，抖动小且加工质量较好；但是其加工速度较低，电极丝放电后不再重复使用，它是国外生产和使用的主要类型。第三类中速走丝电火花线切割机床，准确地讲应该叫“多速走丝”，是我国独创的。其原理是对工件作多次反复的切割，开头用较快丝筒速度、较强高频来切割，就如现在的快走丝线切割，最后一刀用较慢丝筒速度、较弱高频电流来修光，从而提高了加工光洁度；而且丝速降低后，导轮和轴承的抖动少了，加工精度也提高了。另外，第一刀以最快的速度切割，
15、后来的切割和修光的切割量都非常少，因此一般三刀切割的时间加起来也比快走丝一刀切割的时间要快。 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。为此，线切割机制造商正从以下几华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2个方面来努力34： 1. 提高 EDM 线切割机脉冲电源的效率，降低设备整体能量消耗。 2. 强调降低线切割电极丝的运行速度，开发新型放电加工工艺技术。 3. 提高粗加工的加工精度，减少修切次数。 4. 提高工作台进给控制系统的精度。 5. 开发机床数控系统上位机软件
16、界面。 以上方法对于提高加工效率是非常有效的。本文提出的基于 ARM 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分析国内外线切割机发展现状及趋势分析 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2502/mi
