基於數字化編碼-播放體係結（jié）構的電火花線切割（gē）加工數（shù）控係統-刀具網-數控機床市場網

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基於數字化編碼-播放體係結構的（de）電（diàn）火花線切（qiē）割加工數控係統

2017-2-7 來源：上（shàng）海（hǎi）交通（tōng）大學機械與動力工程學院作者：鄭君民，陶旭（xù）牧野，陳默，陳昊，奚學程

摘要：借（jiè）鑒網絡音視頻製（zhì）作與播放模式，提出了一種基於“數字化編碼-播放”的新概念靈巧數控係統的體係（xì）架構及係（xì）統（tǒng）實現方（fāng）法。該係統采用客戶端/服務器模式，將複雜軌跡運動數字化，即插補（bǔ）過程與機床運動控製分離，以異步運行模式取代傳統的同步運行模式（shì）。編碼（mǎ）器負責（zé）將複雜運動軌跡通過插補算法進行數字化，生成運動比特流文件（jiàn），而直接控製機床運動的（de）數控終端則（zé）從服務器端下載運動比特流（liú）直（zhí）接進行（háng）播放，實現機床的運動。該架（jià）構在大大簡化控製係統終端的（de）同時，顯（xiǎn）著提高了係統的實時性（xìng）。此外，一個服務器還可連接多個數控係統終端，同時加工不同的（de）零件。利用該架構構建的（de）線切割（gē）數控係統證明了基於（yú）數字化編碼-播放架構的數控係統原理的可行性。

關鍵詞：電火花線切割加工（gōng）；數控係統；編碼器-播放器架構；客戶（hù）端/服務器；運動比特流

電火花線切割加工廣泛應用於難切削（xuē）材料、模具、精密器件等（děng）加工（gōng）領（lǐng）域。數控係統是（shì）電（diàn）火花線切（qiē）割機床（chuáng）的（de）核（hé）心部件，也是決定線切割係統加工性能及未來自動化、智能化、網絡化的（de）最重要的核心技術的載（zǎi）體。

由於計算機技術（shù）的飛速發展，電火（huǒ）花線切割數控係統正向著智能化、網絡化、集成化及高柔性化的方（fāng）向發（fā）展[2]。純軟件型（PC+實時通訊接口卡）的開放式數控係統因其（qí）繼承了現代計（jì）算機技術的特（tè）點，擁有高計算性能、高（gāo）靈活性與低硬件成本等優勢（shì），獲得了越來越廣泛（fàn）的應用。國內外研究機構也對基（jī）於PC 的數控係統及其相關技術開展了深入的研究開發，並（bìng）給出了不同的係統原型，如：基於實（shí）時以太網的開放式電火花線切割加工數控係統[3]、基於FPGA NiosesⅡ的單向走絲線切割數控係統[4]、基於PCI 總線的往複走絲線切割數控係統[5]、基於Linux的微（wēi）細電火花加工數控係統[6]、基於（yú）EPL 傳輸技術的Linux 開放式實（shí）時數控係統[7]、基於組件技術的（de）開放式數控係統[8]等。

目前國（guó）產的單向走（zǒu）絲和往複走絲電（diàn）火花線切割機床普遍采用了國產數控係統。其體係架構的核心部分———插補原理與運動控製機製發源於早期的數控係統（tǒng）。在此機製下，插補（bǔ）與運動控製同步進行，即在每個進給周期，首先完（wán）成插補運算，獲得（dé）各運動軸的進給增（zēng）量，然後將各運動軸的增量送給對應的步進電（diàn）機，從而（ér）驅動工作台做出相應的運動。每套數控係統須配備針對G 代碼的解釋器，還需做大量的語法語義解析和處理功能。隨著數控係統（tǒng）功能的不（bú）斷擴充，線切割數控（kòng）係統變得越來越複雜。此外，在生（shēng）產線上，由多台機床組成的柔性製造（zào）單元或自動化生產線需（xū）多台設備協調同步工作，然而現有的生產方式是由（yóu）多個單獨運行的數控係統控製加工，很難實（shí）現相互配合。

從數控係統發展的大趨勢來（lái）看，通用數控係統越來越複雜。然而，線切割的（de）加工模式是相對固（gù）定的，功能也較單一。傳統體係架構的（de）通用數控係統相對於線切割（gē）的加工工藝（yì）而言有著過多的冗餘，使（shǐ）數控電火花線切割機床成本偏高，不適合線切割（gē）機床的實際需（xū）求。

基於以上問題，本文提出了一種與傳統（tǒng）數控係統發展趨勢完全（quán）相反的發展思路，並試圖將線切割數（shù）控係統做得更加簡單，甚至是簡單到極（jí）致。有鑒於網（wǎng）絡音頻的製作與播放（fàng）方法，本文提出了一種基於“編碼器-播放器（qì）”體係架構的數（shù）控係統思路，並（bìng）基於該體係架構實現（xiàn）了線切割數控係（xì）統的原（yuán）型。

1.係統架構及其工作原理

1.1 與傳統（tǒng）體係架構的區別

圖1 是傳統（tǒng）線切（qiē）割數控架構的示意圖，插補計算與運動控製同步運行，兩者（zhě）間存在嚴格的時間周（zhōu）期關係。圖2 是編碼器-播放器架構的示意圖，借鑒了數字音頻技術，利用（yòng）現有計算（suàn）機（jī）網絡，編碼器端負責遠程雲計算，播放器端成為加工現場的數控終端（duān），使插（chā）補計算與運動控製異步運行，並實現“一對多”的網絡（luò）節點工作模式。上述（shù）2 種數控係統的運行（háng）方式分別（bié）是同（tóng）步與異步兩種方式。傳統的線切割（gē）數控係統中（zhōng），功能模塊間主要通過各數據緩（huǎn）衝區實現數據的傳遞，屬於同步的（de）工作方式。為保證加工（gōng）過程的（de）連續性，譯碼、速度處理、插補計算模塊同步進行，插補計算又與運（yùn）動控（kòng）製模塊同步運行，各模塊間存（cún）在著嚴（yán）格的時間周期的限定關係，以保（bǎo）證（zhèng）數據流暢地傳遞[9]。而實際上，隻有運動控製模塊需嚴格按時（shí）間周期執行，因為這直（zhí）接影響到工件的加工質量。若能提供一種工作機製，提前完成插補，將插補計算與運動控製模塊之間的緊（jǐn）密（mì）聯係斷開，加工時隻需（xū）該結果以特定編碼格式（shì），源源不斷地為運（yùn）動控製模塊提供控製運動的數據（jù）流，即可得（dé）到異步的工作方式。

圖2 編碼器-播（bō）放器體係架構示意圖

異步運行的數控（kòng）係（xì）統具有其獨特的優勢。首先（xiān），插補不受運動控製周期（qī）的影（yǐng）響且無實時性要求，運動（dòng）控製也不受插補計算（suàn）時間的約束，既（jì）可高效完成更為複雜的插補算法，又可更靈活實時地進行運動控製。而在同步方式下，由於要（yào）考（kǎo）慮插補計算的耗時以及該耗時的不均勻性，導致運動控製周期的延（yán）長，最終降低（dī）了整（zhěng）個係統的實時性能（néng）。第二，傳統的（de）同步架構中，插補與運動控製這兩個任務的同步執行是（shì）通過（guò）對CPU 的分時占用來實現的，因此在異步架構中，將插補任務隔離出去後，運動控製任務的實（shí）時性能將會發生顯著提（tí）高（gāo），大（dà）大降低了對複雜實時操作係統的性（xìng）能依賴。第三，由於已得到了經（jīng）過編碼的（de）插補結果文件，對於一個重複性（xìng）的加（jiā）工任（rèn）務，每次運行時再也（yě）不（bú）用重新（xīn）解釋代碼和（hé）插補計算，直接運行結果文件中的數（shù）據（jù）即可，不僅節約時間，也提高了整個線（xiàn）切割數控係統的運行效率，簡化了在線運（yùn）行的數控係統（tǒng）的設計複雜性，降（jiàng）低了其成本。

1.2 “編碼器-播放器（qì）”型異步架（jià）構的提出

自300 年前的自（zì）動演奏樂器誕生以來，作為承載音樂的記錄與播放處理方式經曆了模（mó）擬、數字（zì）及網絡多媒（méi）體時代的重大變（biàn）革，適應了互（hù）聯網時代的發展潮流，並取得了巨大成（chéng）功。現代的（de）數字音（yīn）頻技術中，首先，編碼器端完成數字化處理，包括采樣、量化與壓縮編碼；第二步，網絡傳輸，即文件以（yǐ）特（tè）定的格式在（zài）網絡上（shàng）流式傳輸；第三步，播放器在線解碼播放。

在上述3 步中，編碼器是一個服務器，而播放器則是一個客戶端，“服務器-客（kè）戶端” 的（de）工作模式見圖3。若借鑒（jiàn）這種製（zhì）作與播放（fàng）分離的方法，則（zé）會極大（dà）地簡化傳統插補與（yǔ）位控的同步工作（zuò）方式（shì），從而為用戶帶來便捷；同時，由於一個服務器可連接（jiē）多個輕量級的（de）客戶端，方便用戶（hù）的同時也節約了大量資源。本文的目的就是將這些網（wǎng）絡音頻技術帶來（lái）的便捷與優勢借鑒到線切割數控係統當中。

圖3 服（fú）務器-客戶端模式

1.3 係統的工作原（yuán）理

借鑒上（shàng）述數字音頻技術（shù），可將原控製器執行的複雜計算放在編碼（mǎ）器端離線完成，編碼器端在（zài）計（jì）算得到一係列插補結果數據，將其編碼壓縮製作成可播放的比特（tè）流文件。其示意圖如圖2 左側（cè）所示。然後，在編（biān）碼器端與播放器端（duān）兩者間，應用流式傳輸技術與服務器-客戶（hù）端模式，通過TCP/IP 協（xié）議族的網（wǎng）絡傳（chuán）輸機製將兩者隨時相連（lián）。這兩端的工（gōng）作是一個異步的通訊（xùn）過（guò）程，播（bō）放器是客（kè）戶端，編碼器是服務器。編碼器可隨時支持（chí）多台播放器的連接與在線（xiàn）播放，其工（gōng）作模（mó）式如圖3 所示。其中，可播放的比特流文件在傳輸過程中會被按順（shùn）序分割成一係列大小固定的數據包按順序進行傳送。最後，線切割機床控製器被精簡為“播放器”，它負責（zé）一邊緩衝接收可播放文件的一係列數據包，一邊按控製（zhì）的實時節拍解碼播放，最終使得可播放的比特流文件（jiàn）經由播放器在機（jī）床各軸上按插補軌（guǐ）跡“播放”。其示意圖如圖2 右側所示。

1.4 “編碼器-播放器”架構的優勢

在編碼器-播放器體係架構中，編碼（mǎ）器端離線計算（suàn）得到各個已被編碼的插補結果文件，然後保持對（duì）各個相應端口的監聽；各個播放器端在需要加（jiā）工相應軌跡時（shí），便在線選（xuǎn）中所需（xū）的結（jié）果文件，通過網絡通訊方法，找到相應IP 地址和端口後（hòu），在（zài）線“播放”。即一個服務器可（kě）連接多個數控係統終端，同時進行不同零件的加工。該（gāi）架構具有以下優勢：首先，在這種體係（xì）下，相當於多個傳統線切割數控係統的負責譯碼、速度控（kòng）製、插補計算的部分，被集成到一個編碼器端中被離線完成，節省了大量的設備資源，體現了係統在整（zhěng）體規劃上（shàng）的高效性。第二，機床的直接控製器（qì）簡化成（chéng）了一個播放器，將係統的簡潔性發揮到極致，使（shǐ）該控製器功能更專（zhuān）一，運動控製的性能得到提升（shēng）。第三，在傳統架構中，所有功能模塊運行在同一（yī）環境下（xià），一個模（mó）塊的差錯會影響到下一個模塊的工作，甚至（zhì）發（fā）生錯誤的累積。而（ér）在新體係下，係統相關的穩定性與可靠性（xìng）得（dé）到了（le）大幅提升，原因是插補及其前麵的功能模（mó）塊被完全從傳統係統中提取出來，待形成準確無誤的插補結果（即運動（dòng）比特流文件（jiàn））後，才會供給各個播放器使用（yòng），達到了完（wán）全的異步工作狀態。第（dì）四，由於借鑒了網絡在線點播的技術，可實現一邊（biān）緩衝下載一邊播放文件，因此（cǐ），播放器在任意時刻選中相應可（kě）播放的（de）運動比（bǐ）特流文件（即編碼器端所計算得到的結果文件）後，即可立刻進入加工狀態，係統運行得既靈活又高效，充分體現（xiàn）了時間上的快捷性。

2.係統功能的實現（xiàn）

2.1 本係統的組成（chéng）

本（běn）項目的總體架構就是“編碼器-播放器”體係（圖4），區別（bié）於傳（chuán）統的控製器，該係統分為編碼（mǎ）器端和播放器端（duān）兩（liǎng）部分。編碼器端包括參數（shù）設置界麵、插補器（qì）、仿真器、編碼器、文件輸出、服務器6 個主要模塊。播放器端包括客戶端、文件讀取、解碼器、播放器4 個主要模塊。

2.2 各模塊功能及相互關係

編碼器端（duān）的6 個功（gōng）能模塊（kuài）間的（de）相互關係見圖5。參數設置界麵主要用來輸入被插補曲線的參數。插補器用於將設置好參數的理想曲（qǔ）線（xiàn）進行離（lí）散化插補計算。所用的插補（bǔ）算法為單位弧長增量（liàng）法，這是一種以曲線弧長為參數的插（chā）補方法（fǎ），在每個插補周期內，根據理想曲線的單位（wèi）弧長增量投（tóu）影到XY（或UV）坐標軸的增量大小，決定兩坐（zuò）標軸各自是否進給[10]。仿真器擁有繪圖功（gōng）能，用於將插補軌跡顯現（xiàn）在編（biān）碼器端的界麵上，起到仿真的作（zuò）用，還可將插補軌跡與理想光滑軌跡作對比，以便檢查插補軌跡的理想程度。編碼器將（jiāng）插補結果中（zhōng）各軸的（de）每（měi）一步脈衝增量與方向進行比特流編碼。文件輸出模塊會將每一步（bù）的編（biān）碼結果全部（bù）寫入文（wén）件，並保存。服務器（qì）模塊會為各目標文件開啟相應的（de）Socket 接口，時刻監聽直至獲取各客戶端的連接，然後發送一（yī）係列大小固定的數據包直至將目標（biāo）文件全部發送完成。播放器端的（de）4 個功能模（mó）塊間（jiān）的（de）相互關係見圖6。客戶端用於從服務器按順序依次下（xià）載組成目標文件的（de）一係（xì）列數據包。文件讀取模（mó）塊（kuài）按順序讀取已下載的數據包中的編碼，供解碼器（qì）及播放器使用。解（jiě）碼器將被編碼的脈衝增量解碼（mǎ）還原（yuán），得到帶有方向的脈（mò）衝增量。播放器則將脈衝增量同時在虛擬界（jiè）麵上和機床上播放出來，從（cóng）而完成加工過程。

圖4 本係統宏觀組成（chéng）與邏輯架構

3.實驗驗證

3.1 實驗係統

圖7 是實（shí）驗現場的設（shè）備組成（chéng），箭（jiàn）頭方向指示了設備的連（lián）接順序和數據與信號傳輸順序。首先，PC機是（shì）播放器，即負責運（yùn）動控製的數（shù）控終端。其次，PC機與Arduino 開發板通過工業實（shí）時以（yǐ）太網線連接，由Arduino 開發板負責（zé）將播放器播放的每（měi）一組脈衝數（shù）據轉化為（wéi）電信號。Arduino 通過4 個針腳與XY 兩（liǎng）主軸的（de）步進電機驅動器相（xiàng）連（lián），並將每（měi）組電信號發送給機床步進電機驅動器。最後，步進電機驅動器控製機床主軸進（jìn）給，從而完成加（jiā）工（gōng）。

圖7 實驗係統實物圖

3.2 實驗一：小型圓形樣件加工實驗

該實驗中，在一塊厚度為1888 μm 的鋼板上切割了一個小型圓柱工件。機床（chuáng）各（gè）軸進給速度用每秒鍾進給的脈衝（chōng）當量（basic length unit，BLU）表示，本實（shí）驗進給速（sù）度為20 BLU/s。機床的單位脈衝當量為0.8 μm，本實驗切（qiē）割圓柱體直徑為5000 BLU，因此（cǐ），切割出的工件理想預期直（zhí）徑為4000 μm。實（shí）驗前，編碼器端已（yǐ）完成所有計算任務，得到（dào）了可播放文（wén）件。實驗過程中，播放器流暢而毫無差錯地緩衝接收了（le）來自編（biān）碼器端的可播放（fàng）文件的一係列數據包。為檢驗實（shí）驗效果（guǒ），分別（bié）測量了切（qiē）縫（féng）寬度、圓孔直徑及圓柱工（gōng）件（jiàn）直（zhí）徑（表1）。

表1 加（jiā）工結果的測量值μm

在整個加工過程中，數控係統穩定性優良，電極絲未發（fā）生短路，電火（huǒ）花均勻且強度適中，表現出了較高的加工效率。同時，加工出的圓柱工件側麵無明（míng）顯棱線，具有良好的表麵質量，且切（qiē）縫寬度穩定而均勻，切（qiē）割圓度良（liáng）好，具（jù）有較高的（de）尺寸精度。加工樣件見圖8。

圖8 圓柱樣件

3.3 實驗二：組合（hé）線型（xíng）樣件加工實驗

該（gāi）實驗中，金屬板材厚度為6725 μm，加工參數與實驗一相同。該工件的周長遠大於實驗一的圓形工件，編碼（mǎ）器端（duān）生成的可播放文件總大小為510 kb，整（zhěng）個試驗由播放器控製，令機床主（zhǔ）軸進（jìn）給65 000 餘組脈衝增量（liàng）。該工件的外形比實驗一更複（fù）雜，CAD設計圖紙（zhǐ）見圖9a，加工軌跡由8 個曲（qǔ）線段和2 個直線段組成，通過（guò）相切或相交關係組成封閉的葫蘆圖形。在（zài）整個加工過程中，數控終（zhōng）端穩定性良好，脈（mò）衝（chōng）數據傳送（sòng）與運動控製的實時性能（néng）優良，樣件邊緣兩曲線（xiàn）相切處過渡平滑，展（zhǎn）現出良好的加工效果（圖9b）。

圖9 組合線（xiàn）型樣（yàng）件

4.結語

本文在以Linux 為操作係統的（de）PC 上，利用Qt構建了一個基於編碼器-播放器體係的線切割數控係（xì）統原型，包括編碼器端和播放器端兩部分。編碼器端包括（kuò）人（rén）機交互界麵的開發、“插補-編碼-存儲-輸出”循環的構建、實時仿（fǎng）真畫麵的建立、編碼存儲方式的構建與實（shí）時體現、異（yì）步傳（chuán）輸服務器的建（jiàn）立等。播放器端包括客（kè）戶端的（de）建立、“讀取（qǔ）-解碼還原（yuán）-播放”循環的構建、電機的實時控製等（děng）。主要研究（jiū）成果為實現了精煉（liàn）高效的（de）異步運行方式及服務器-客戶端控製模式的線切割數控係統原型。

（1）編碼（mǎ）器端遠程（chéng）計算並輸出文件，同時執行插補仿真，以檢驗計算插補結（jié）果是否有不正常偏差。

（2）以客（kè）戶端/服務器結構，采用TCP/IP 協議族，借鑒網絡流媒體的流式傳輸技術（shù），播放器端以緩存的方（fāng）式，實時地按順序接收編碼器端的（de）比特流傳（chuán）輸。其中，服務器與客戶端是異步的工作方（fāng）式。

（3）播放器端實時解碼並播放（執行）插補文件。

最後（hòu），通（tōng）過樣件的切割實驗，驗證（zhèng）了基於編（biān）碼器-播放器架（jià）構的線切割數控係（xì）統原理的可行性。係統結構在簡（jiǎn）潔性與靈活性、運行的可靠性、時間上的快捷性（xìng）等方麵擁有顯著優勢，同（tóng）時具備很好的控製與加工精度。

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