第2节 应用方案
应用领域：
研发/自动化
正文：
一、系统架构
整个电火花放电加工系统示意如图1， 它主要由CNC运动控制器、EDM过程控制器、加工电源和机床组成。 其中，CNC控制器负责机床的运动和辅助控制，EDM过程控制器实现整个电火花放电加工工艺，加工电源提供加工能量，机床是运动、切削液、工件和电极等的载体。
研发/自动化
正文：
一、系统架构
整个电火花放电加工系统示意如图1， 它主要由CNC运动控制器、EDM过程控制器、加工电源和机床组成。 其中，CNC控制器负责机床的运动和辅助控制，EDM过程控制器实现整个电火花放电加工工艺，加工电源提供加工能量，机床是运动、切削液、工件和电极等的载体。
图1 EDM加工系统示意图
图2 EDM过程控制器框图
EDM过程控制器见图2。它由NI COMPACTRIO和ADVANTECH（研华）工控机通过TCP/IP连接而成的集控制管理一体化分布式系统，由下面三层组成：FPGA和各种NI cRIO-I/O模块组成的硬件层、Pentium 200MHz CPU和PharLap ETS(Embedded Tool Suite) 实时操作系统组成的实时控制层、由ADVANTECH工控机和MICROSOFT WINDOWS操作系统组成的监控管理层。
二、系统硬件设计
系统由高可靠性、强实时性的硬件层组成：cRIO-9103 , 后背板带3M FPGA（现场可编程门阵列）、时钟40MHZ的四槽I/O框架；cRIO-9221，输入电压+/-60V, 采样速率800KS/s 的12位模拟输入模块；cRIO-9263，16位、每通道100KS/S的模拟输出模块；cRIO-9425 ，32路 24V数字输入和计数器/定时器模块；cRIO-9476，32路24V数字输出模块。cRIO-9221第0通道以100KS/s的采样速率获得电火花放电间隙信息，经过存于cRIO后背板FPGA中的EDM伺服控制算法，判断当前工艺是处于开路、短路还是正常放电状态，并由cRIO-9476数字输出模块、cRIO-9263模拟输出模块通知调制加工电源电压、电流和波形加工电源和CNC采取相应的措施，等参数，调整机床的运动速度以保证稳定高效的加工过程。
系统由高可靠性、强实时性的硬件层组成：cRIO-9103 , 后背板带3M FPGA（现场可编程门阵列）、时钟40MHZ的四槽I/O框架；cRIO-9221，输入电压+/-60V, 采样速率800KS/s 的12位模拟输入模块；cRIO-9263，16位、每通道100KS/S的模拟输出模块；cRIO-9425 ，32路 24V数字输入和计数器/定时器模块；cRIO-9476，32路24V数字输出模块。cRIO-9221第0通道以100KS/s的采样速率获得电火花放电间隙信息，经过存于cRIO后背板FPGA中的EDM伺服控制算法，判断当前工艺是处于开路、短路还是正常放电状态，并由cRIO-9476数字输出模块、cRIO-9263模拟输出模块通知调制加工电源电压、电流和波形加工电源和CNC采取相应的措施，等参数，调整机床的运动速度以保证稳定高效的加工过程。
三、系统软件设计
FPGA层：四种状态机、多循环并行、四个中断的结构。状态3是初始化，状态0是监控，状态1是对刀，状态2是放电加工。程序启动时由状态3中的程序负责初始化，接着，FPGA软件在状态0、1、2中循环。并行的循环包括放电间隙电压电流采集循环，周期微秒级；EDM伺服控制循环，周期毫秒级；状态机循环，纳秒级周期。采用四个中断与实时控制层通讯：中断0和1负责放电间隙电压电流信息传送；中断2负责于加工电源的串行通讯；中断3负责FPGA的状态信息传送。
实时控制层：实时控制层由内载PharLap ETS实时操作系统的cRIO-9004嵌入式控制器组成。它通过cRIO的内部PCI总线与FPGA硬件层相连。本部分的程序由下述的线程组成：优先级最高、循环周期最短的接收来自FPGA中断并进行处理的线程；优先级次之、接受来自CNC的参数设定值线程，优先级再次之、循环周期毫秒级的、向WINDOWS客户即工控机管理层发送放电波形数据和状态信息的线程；正常优先级、从工控机管理层接受参数和命令信息的线程。后两者是通过TCP/IP协议与监控管理层通讯的。所有这些线程的运行是由PharLab ETS实时调度的。
监控管理层：监控管理层是一台装有MICROSOFT WINDOWS2000操作系统的ADVANTECH工控机组成。本层的软件主要包括两个线程：一个是基于事件结构、向实时控制层发送设定参数和命令信息的线程；另一个是从实时控制层接收状态信息和放电间隙电压电流波形并把这些数据写入文件的线程。监控管理层是通过ETHERNET与实时控制层链接的。它可随时接入系统以监控EDM过程、随时断开让系统嵌入运行，但这不影响实时控制层和FPGA硬件层的正常工作。而且这个监控管理计算机可位于工厂、办公室或者其他远程地方进行EDM过程监控。图3是监控管理层捕获到的EDM放电间隙电压波形实例。在进行EDM过程控制的同时，控制器实时地把微纳秒级的放电间隙波形捕捉到，这样既可以断定每次电火花放电的好坏，操作者又可直观看到放电间隙的状况。传统的基于PC机或者µC的EDM控制器很难做到这一点。
FPGA层：四种状态机、多循环并行、四个中断的结构。状态3是初始化，状态0是监控，状态1是对刀，状态2是放电加工。程序启动时由状态3中的程序负责初始化，接着，FPGA软件在状态0、1、2中循环。并行的循环包括放电间隙电压电流采集循环，周期微秒级；EDM伺服控制循环，周期毫秒级；状态机循环，纳秒级周期。采用四个中断与实时控制层通讯：中断0和1负责放电间隙电压电流信息传送；中断2负责于加工电源的串行通讯；中断3负责FPGA的状态信息传送。
实时控制层：实时控制层由内载PharLap ETS实时操作系统的cRIO-9004嵌入式控制器组成。它通过cRIO的内部PCI总线与FPGA硬件层相连。本部分的程序由下述的线程组成：优先级最高、循环周期最短的接收来自FPGA中断并进行处理的线程；优先级次之、接受来自CNC的参数设定值线程，优先级再次之、循环周期毫秒级的、向WINDOWS客户即工控机管理层发送放电波形数据和状态信息的线程；正常优先级、从工控机管理层接受参数和命令信息的线程。后两者是通过TCP/IP协议与监控管理层通讯的。所有这些线程的运行是由PharLab ETS实时调度的。
监控管理层：监控管理层是一台装有MICROSOFT WINDOWS2000操作系统的ADVANTECH工控机组成。本层的软件主要包括两个线程：一个是基于事件结构、向实时控制层发送设定参数和命令信息的线程；另一个是从实时控制层接收状态信息和放电间隙电压电流波形并把这些数据写入文件的线程。监控管理层是通过ETHERNET与实时控制层链接的。它可随时接入系统以监控EDM过程、随时断开让系统嵌入运行，但这不影响实时控制层和FPGA硬件层的正常工作。而且这个监控管理计算机可位于工厂、办公室或者其他远程地方进行EDM过程监控。图3是监控管理层捕获到的EDM放电间隙电压波形实例。在进行EDM过程控制的同时，控制器实时地把微纳秒级的放电间隙波形捕捉到，这样既可以断定每次电火花放电的好坏，操作者又可直观看到放电间隙的状况。传统的基于PC机或者µC的EDM控制器很难做到这一点。
四、 结论：
我们利用美国国家仪器公司的LabVIEW和CompactRIO开发的EDM过程控制器，用于通用电气飞机发动机某零件的加工，与传统的机加工方法相比，加工时间大为减少，刀具损耗费用显著降低。 同时，这种控制器具有开发周期短： 一个三层的分布系统――MICROSOFT WINDOWS平台、微控制器µC平台、FPGA硬件平台均采用统一图形语言LabVIEW编程, 仅用两个多月的时间就完成了整个系统的开发；功能强大：CompactRIO集信号采集、在线检测、智能控制、信息分析和显示于一体；实时性强：FPGA读写I/O操作可到25纳秒；高可靠性和稳定性等优点。
我们利用美国国家仪器公司的LabVIEW和CompactRIO开发的EDM过程控制器，用于通用电气飞机发动机某零件的加工，与传统的机加工方法相比，加工时间大为减少，刀具损耗费用显著降低。 同时，这种控制器具有开发周期短： 一个三层的分布系统――MICROSOFT WINDOWS平台、微控制器µC平台、FPGA硬件平台均采用统一图形语言LabVIEW编程, 仅用两个多月的时间就完成了整个系统的开发；功能强大：CompactRIO集信号采集、在线检测、智能控制、信息分析和显示于一体；实时性强：FPGA读写I/O操作可到25纳秒；高可靠性和稳定性等优点。
图3 放电间隙电压波形实例
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