摘 要：研究了面向模具制造系統(tǒng)的直接數字控制(DNC)電火花線切割系統(tǒng)的結構和實現(xiàn)方法，以提高系統(tǒng)的自動化水平、總體的生產效率和響應速度，為線切割DNC系統(tǒng)構成提供了一定的理論依據。
    關鍵詞：模具制造系統(tǒng) 線切割 DNC
1 引言
    模具制造水平是反映一個國家總體制造水平的重要標志之一。隨著國民經濟的發(fā)展，對模具的要求也越來越高。其中之一是在大市場的條件下，模具制造要適應快的特點，制造廠商對訂單的響應速度，可能決定其在市場上的成敗。而要提高響應速度，僅僅從提高設備臺數和單臺生產效率是不夠的，應從整體上提高模具制造系統(tǒng)的自動化水平和管理水平。
    在模具制造系統(tǒng)中，電火花線切割起到了重要作用。模具零件，特別是模具關鍵件(模具成形部分)很大部分是由線切割完成的，其工作量很大。因此構造與模具制造系統(tǒng)相匹配的、具有較高自動化水平和一定管理協(xié)調能力的直接數字控制(DNC)電火花線切割系統(tǒng)是很有意義的。
2 電火花線切割DNC系統(tǒng)的總體結構 
    電火花線切割機的數控系統(tǒng)已日臻完美。但目前仍有大量線切割機是一臺配一套控制系統(tǒng)，自動編程程度低，特別是早期的控制系統(tǒng)，用單板機控制，多用手工編程或計算機編程后用手工或穿孔帶輸入。較先進的線切割機配備了微機，利用微機較強大的圖形和數據處理功能進行繪圖、編程乃至控制。即使如此，大多也是獨臺使用。這對大量生產制造模具這種產品(多品種、小批量)的制造系統(tǒng)來說，反應慢、效率低，與要求高效的模具制造系統(tǒng)不相適應。 
    在規(guī)模稍大的模具制造廠(車間)，需要線切割加工的零件數量很大，往往配置了幾臺，甚至幾十臺各種規(guī)格的線切割機。因而漸漸地出現(xiàn)了群控系統(tǒng)的概念，但其僅僅是把自動編程系統(tǒng)與線切割機簡單連接，只是節(jié)省了編程和輸入的工作量。 
    為了提高反應能力和生產效率，應把多臺線切割機構成一套完整的DNC系統(tǒng)。這套DNC系統(tǒng)自身應具備較高的自動化水平和一定的計算機輔助管理水平，同時又保持單機的靈活性和系統(tǒng)的可重構性，并與模具制造系統(tǒng)的CAD構成一體化，即將模具CAD軟件產生的設計信息，快捷、安全地與DNC聯(lián)機，實現(xiàn)CAD/CAM的集成。
    圖1顯示了電火花線切割機DNC系統(tǒng)的總體結構。系統(tǒng)主機與數控系統(tǒng)計算機各行其職，又互聯(lián)，既保證控制系統(tǒng)的實時性，又保證線切割機的獨立性和可重構性，它體現(xiàn)了開放式體系結構的特點，從而使系統(tǒng)具有良好的可擴展性、可維護性、可移植性等特點，各層之間通過數據接口來實現(xiàn)其間的通訊。系統(tǒng)包括圖形處理功能，一方面接收如虛擬企業(yè)、企業(yè)聯(lián)盟、CAD中心等傳給的CAD信息，經數據交換格式(如IGES)處理后，通過自動編程系統(tǒng)生成控制程序；另一方面自身又能進行模具零件的設計并轉換成控制指令。編程系統(tǒng)也可直接編制程序。管理系統(tǒng)對若干天內的DNC工作做出計劃，使系統(tǒng)內的各種線切割機做到均衡負荷，并為管理人員和操作人員的工作進行提醒。
        
              圖1 電火花線切割機DNC系統(tǒng)的總體結構
3 線切割自動編程系統(tǒng) 
    要實現(xiàn)系統(tǒng)的CAD/CAM集成化，首先要解決圖形的輸入問題。Auto CAD圖形系統(tǒng)具有強大的圖形輸入和編輯功能，是目前微機上最活躍的CAD系統(tǒng)。基于Auto CAD環(huán)境的線切割自動編程系統(tǒng)具有良好的應用前景。自動編程系統(tǒng)的模塊結構如圖2所示。
       
                 圖2 自動編程系統(tǒng)的模塊結構 
    軟件包括系統(tǒng)功能(進行3B、4B、ISO代碼文件的編輯打印、系統(tǒng)參數的設置等)、代碼指令圖形逆轉換(用以檢查代碼指令的準確性)、代碼指令轉化、各專用零件的參數化設計、NC通信等。系統(tǒng)可接受模具設計軟件如UGⅡ的設計結果，根據圖形經縮放間隙后直接轉化為數控指令。 
    參數化建模針對專用零件如拋物線、漸開線零件及凸輪、齒輪等進行參數化設計。 
    圖3顯示的是系統(tǒng)界面上該模塊的下拉式菜單。
             
            圖3 系統(tǒng)界面及參數化設計的下拉式菜單 
    要實現(xiàn)線切割加工CAD/CAM集成化，還必須使CAD圖形轉化為NC機床能接受的指令。算法步驟如下： 
    (1)利用AutoCAD的offset命令生成刀具曲線。 
    (2)對CAD圖形元素按加工順序重新排序，算法是： 
    STEP1：選取加工首點和加工方向，在圖形數據庫中找到加工的第一個元素，并將其終點置為當前點，已找到的圖形元素設置已排序標志。 
    STEP2：搜索與當前點有關的圖形元素，如該圖形元素沒有被排序，則該元素為當前元素，當前元素的另一端點為當前點，同時將該元素設置已排序標志。 
    STEP3：重復STEP2，直到圖形已封閉或所有元素都已排序。 
    (3)對已排序的所有圖形元素生成NC指令 
    線切割機保留單獨控制器結構，以提高實時性和可靠性。計算機通過RS232串行口與線切割機控制器通訊口相連，可實時輸入線切割程序對機床進行控制，或通過機床的電報頭模擬紙帶輸入進行控制。同時，控制器可向計算機傳輸機床狀態(tài)信息，如斷絲、短路、加工開始、結束等，以實現(xiàn)計算機對多臺線切割機的管理和控制。實現(xiàn)計算機與線切割機的串行通訊，其原理框圖如圖4所示。
           
                  圖4 串行雙向數據傳輸原理圖
4 管理系統(tǒng) 
    管理系統(tǒng)具有如下功能： 
    (1)生成切割工藝參數庫，對切割電流、切割速度和脈沖頻率等參數提出意見。 
    (2)計算各零件的切割加工工時數，根據零件的加工厚度、路徑長度和工藝參數計算零件的加工時間。 
    (3)生成調度計劃。 
    按批次所限時間安排計劃，同時考慮各種規(guī)格設備的均衡及最大負荷。作業(yè)分配計劃按天。分配時要考慮：①從數量和品種上保證作業(yè)計劃的完成；②成批的產品盡可能集中生產；③由于生產技術準備等方面的原因，某些零件要在某天后才能加工；④某些產品要求在頭幾天內完成。 
    如對計劃內的每天同時計算，問題非常復雜。根據上述條件從第一天至最后一天逐天計算。 
    假定車間有m種規(guī)格的線切割機，用i表示(i=1,2,…,m)，加工n種產品，分別用j表示(j=1,2,…,n)。這些產品計劃量用dj表示。 
    用aij表示加工單位j種產品需要的第i類機床的臺時數，bik表示第k天內第i類設備的生產能力(臺時)。xjk表示第k天計劃生產j種產品的數量。
　　再根據前面的假定條件，如第5、8兩產品到后半段生產，第4號產品要求第二天前完成。則第二天的線性規(guī)劃模型為：
                
    滿足：
              
　　其意義是以第一天各種規(guī)格機床的生產能力總和為分母，生產各種產品需要的各類機床總臺時數為分子，計算出第一天的平均設備利用系數Z，并以Z為目標函數。
　　然后依次作出后續(xù)各天的線性規(guī)劃模型并求解，再根據具體情況對計算結果進行必要的調整。
　　(4)監(jiān)控加工情況，可對各臺線切割機加工情況進行跟蹤，實現(xiàn)故障報警、工件準備提示、加工結束提醒及加工量等的記錄、統(tǒng)計、計算。
5 控制系統(tǒng)
　　DNC系統(tǒng)采用主從計算機式結構。線切割機在從計算機的控制下能獨立工作，因此控制系統(tǒng)應具備常用數控電火花線切割機所具有的控制功能，在此不作詳細討論。除此之外，控制系統(tǒng)應能與主機雙向通訊，對監(jiān)控和管理提供信息。