"FPGA硬件平臺(tái)均采用統(tǒng)一圖形語(yǔ)言LabVIEW編程，僅用兩個(gè)多月的時(shí)間就完成了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)，功能強(qiáng)大。"

挑戰(zhàn):
快速開發(fā)一種分布式的電火花放電加工EDM(Electrical Discharge Machining)過(guò)程控制器， 它將快速采樣（100KHz速率）和復(fù)雜EDM 伺服控制，實(shí)時(shí)放電過(guò)程監(jiān)控和高度穩(wěn)定可靠性等特點(diǎn)集成于一體。

解決方案:
應(yīng)用NI 的CompactRIO，以LabVIEW 為軟件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)一套EMD過(guò)程控制器。它采用cRIO 模塊和FPGA 進(jìn)行放電電壓/ 電流采集和EDM 伺服控制， 由cRIO 實(shí)時(shí)控制器負(fù)責(zé)與被控外設(shè)間的數(shù)據(jù)通訊以及FPGA 和WINDOWS 主機(jī)間的聯(lián)系紐帶，工控機(jī)作為HMI 和實(shí)時(shí)放電波形顯示。

傳統(tǒng)的電火花放電加工過(guò)程控制器是基于PC 機(jī)或者微控制器μC?；赑C 機(jī)的方案（國(guó)內(nèi)絕大部分EDM 廠家采用），存在實(shí)時(shí)性能較弱， 功能不強(qiáng)，穩(wěn)定性差等致命弱點(diǎn)；基于μC 的方案（Agie-Charmilles， Sodick等主流EDM系統(tǒng)及機(jī)床供應(yīng)商采用），將EDM過(guò)程控制和機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制集于一體的專用系統(tǒng)，存在開放性差、最終用戶沒(méi)法修改工藝、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。GE公司采用NIcRIO 開發(fā)的EDM獨(dú)立過(guò)程控制器克服了上述傳統(tǒng)控制器的不足之處，吸收了前述兩者EDM 的控制器優(yōu)點(diǎn)。

圖1 EDM 加工系統(tǒng)示意圖

EDM 過(guò)程控制器見圖2。它是由NICompactRIO和研華工控機(jī)通過(guò)TCP/IP連接而成的集控制管理一體化分布式系統(tǒng)，由三層組成：FPGA和各種NI cRIO-I/O 模塊組成的硬件層、Pentium200MHz CPU 和P h a r L a p E T S（Embedded ToolSuite） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組成的實(shí)時(shí)控制層、由Windows操作系統(tǒng)組成的監(jiān)控管理層。

圖2 EDM 過(guò)程控制器框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的硬件層組成：cRIO-9103 ， 后背板帶3M FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）、時(shí)鐘40MHZ的四槽I/O框架；cRIO-9221，輸入電壓+/-60V， 采樣速率800KS/s 的12 位模擬輸入模塊；cRIO-9263，16 位、每通道100KS/S 的模擬輸出模塊；cRIO-9425 ，32 路 24V 數(shù)字輸入和計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器模塊；cRIO-9476，32 路24V數(shù)字輸出模塊。cRIO-9221 以100KS/s 的采樣速率獲得電火花放電間隙信息，通過(guò)FPGA中的EDM伺服控制算法，判斷當(dāng)前工藝是處于開路、短路還是正常放電狀態(tài)，并由cRIO-9476數(shù)字輸出模塊、cRIO-9263模擬輸出模塊通知調(diào)制加工電源電壓、電流和波形加工電源和CNC采取相應(yīng)的措施，等參數(shù)，調(diào)整機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度以保證穩(wěn)定高效的加工過(guò)程。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA層：四種狀態(tài)機(jī)、多循環(huán)并行、四個(gè)中斷的結(jié)構(gòu)。狀態(tài)3 是初始化，狀態(tài)0 是監(jiān)控，狀態(tài)1 是對(duì)刀，狀態(tài)2 是放電加工。程序啟動(dòng)時(shí)由狀態(tài)3 中的程序負(fù)責(zé)初始化，接著，F(xiàn)PGA 軟件在狀態(tài)0、1、2中循環(huán)。并行的循環(huán)包括放電間隙電壓電流采集循環(huán)，周期微秒級(jí)；EDM伺服控制循環(huán)，周期毫秒級(jí)；狀態(tài)機(jī)循環(huán)，納秒級(jí)周期。采用四個(gè)中斷與實(shí)時(shí)控制層通訊：中斷0 和1 負(fù)責(zé)放電間隙電壓電流信息傳送；中斷2 負(fù)責(zé)于加工電源的串行通訊；中斷3 負(fù)責(zé)FPGA 的狀態(tài)信息傳送。

實(shí)時(shí)控制層：實(shí)時(shí)控制層由cRIO-9004 完成。共完成三個(gè)線程。優(yōu)先級(jí)最高、循環(huán)周期最短的接收來(lái)自FPGA 中斷并進(jìn)行處理的線程；優(yōu)先級(jí)次之、接受來(lái)自CNC的參數(shù)設(shè)定值線程，優(yōu)先級(jí)再次之、循環(huán)周期毫秒級(jí)的、向WINDOWS客戶即工控機(jī)管理層發(fā)送放電波形數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的線程；正常優(yōu)先級(jí)、從工控機(jī)管理層接受參數(shù)和命令信息的線程。后兩者通過(guò)TCP/IP協(xié)議與監(jiān)控管理層通訊的。

監(jiān)控管理層：本層的軟件主要包括兩個(gè)線程：一個(gè)是基于事件結(jié)構(gòu)、向?qū)崟r(shí)控制層發(fā)送設(shè)定參數(shù)和命令信息的線程；另一個(gè)是從實(shí)時(shí)控制層接收狀態(tài)信息和放電間隙電壓電流波形并把這些數(shù)據(jù)寫入文件的線程。監(jiān)控管理層通過(guò)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)控制層鏈接。它可隨時(shí)接入系統(tǒng)以監(jiān)控EDM過(guò)程、隨時(shí)斷開讓系統(tǒng)嵌入運(yùn)行，但這不影響實(shí)時(shí)控制層和FPGA 硬件層的正常工作。而且這個(gè)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)可位于工廠、辦公室或者其他遠(yuǎn)程地方進(jìn)行EDM過(guò)程監(jiān)控。在進(jìn)行EDM過(guò)程控制的同時(shí)，控制器實(shí)時(shí)地把微納秒級(jí)的放電間隙波形捕捉到，這樣既可以斷定每次電火花放電的好壞，操作者又可直觀看到放電間隙的狀況。傳統(tǒng)的基于PC機(jī)或者μC的EDM 控制器很難做到這一點(diǎn)。

結(jié)論：

利用LabVIEW 和CompactRIO 開發(fā)的EDM 過(guò)程控制器，與傳統(tǒng)的機(jī)加工方法相比，加工時(shí)間大為減少，刀具損耗費(fèi)用顯著降低。同時(shí)，這種控制器具有開發(fā)周期短： 一個(gè)三層的分布系統(tǒng)——WINDOWS平臺(tái)、微控制器μC平臺(tái)、FPGA硬件平臺(tái)均采用統(tǒng)一圖形語(yǔ)言LabVIEW編程， 僅用兩個(gè)多月的時(shí)間就完成了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)；功能強(qiáng)大：CompactRIO 集信號(hào)采集、在線檢測(cè)、智能控制、信息分析和顯示于一體；實(shí)時(shí)性強(qiáng)：FPGA讀寫I/O 操作可到25 納秒；高可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。