基于LabVIEW和CompactRIO开发的EDM过程控制器

"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。"

挑战:
快速开发一种分布式的电火花放电加工EDM(Electrical Discharge Machining)过程控制器， 它将快速采样（100KHz速率）和复杂EDM 伺服控制，实时放电过程监控和高度稳定可靠性等特点集成于一体。

解决方案:
应用NI 的CompactRIO，以LabVIEW 为软件开发平台，开发一套EMD过程控制器。它采用cRIO 模块和FPGA 进行放电电压/ 电流采集和EDM 伺服控制， 由cRIO 实时控制器负责与被控外设间的数据通讯以及FPGA 和WINDOWS 主机间的联系纽带，工控机作为HMI 和实时放电波形显示。

传统的电火花放电加工过程控制器是基于PC 机或者微控制器μC。基于PC 机的方案（国内绝大部分EDM 厂家采用），存在实时性能较弱， 功能不强，稳定性差等致命弱点；基于μC 的方案（Agie-Charmilles， Sodick等主流EDM系统及机床供应商采用），将EDM过程控制和机床运动控制集于一体的专用系统，存在开放性差、最终用户没法修改工艺、维护困难等缺点。GE公司采用NIcRIO 开发的EDM独立过程控制器克服了上述传统控制器的不足之处，吸收了前述两者EDM 的控制器优点。

图1 EDM 加工系统示意图

EDM 过程控制器见图2。它是由NICompactRIO和研华工控机通过TCP/IP连接而成的集控制管理一体化分布式系统，由三层组成：FPGA和各种NI cRIO-I/O 模块组成的硬件层、Pentium200MHz CPU 和P h a r L a p E T S（Embedded ToolSuite） 实时操作系统组成的实时控制层、由Windows操作系统组成的监控管理层。

图2 EDM 过程控制器框图

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 以100KS/s 的采样速率获得电火花放电间隙信息，通过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cRIO-9004 完成。共完成三个线程。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。后两者通过TCP/IP协议与监控管理层通讯的。

监控管理层：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。监控管理层通过以太网与实时控制层链接。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。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。

结论：

利用LabVIEW 和CompactRIO 开发的EDM 过程控制器，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——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。