"FPGA硬件平臺均采用統一圖形語言LabVIEW編程，僅用兩個多月的時間就完成了整個系統的開發，功能強大。"

挑戰:
快速開發一種分布式的電火花放電加工EDM(Electrical Discharge Machining)過程控制器， 它將快速采樣（100KHz速率）和復雜EDM 伺服控制，實時放電過程監控和高度穩定可靠性等特點集成于一體。

解決方案:
應用NI 的CompactRIO，以LabVIEW 為軟件開發平臺，開發一套EMD過程控制器。它采用cRIO 模塊和FPGA 進行放電電壓/ 電流采集和EDM 伺服控制， 由cRIO 實時控制器負責與被控外設間的數據通訊以及FPGA 和WINDOWS 主機間的聯系紐帶，工控機作為HMI 和實時放電波形顯示。

傳統的電火花放電加工過程控制器是基于PC 機或者微控制器μC?；赑C 機的方案（國內絕大部分EDM 廠家采用），存在實時性能較弱， 功能不強，穩定性差等致命弱點；基于μC 的方案（Agie-Charmilles， Sodick等主流EDM系統及機床供應商采用），將EDM過程控制和機床運動控制集于一體的專用系統，存在開放性差、最終用戶沒法修改工藝、維護困難等缺點。GE公司采用NIcRIO 開發的EDM獨立過程控制器克服了上述傳統控制器的不足之處，吸收了前述兩者EDM 的控制器優點。

圖1 EDM 加工系統示意圖

EDM 過程控制器見圖2。它是由NICompactRIO和研華工控機通過TCP/IP連接而成的集控制管理一體化分布式系統，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） 實時操作系統組成的實時控制層、由Windows操作系統組成的監控管理層。

圖2 EDM 過程控制器框圖

系統硬件設計

系統由高可靠性、強實時性的硬件層組成：cRIO-9103 ， 后背板帶3M FPGA（現場可編程門陣列）、時鐘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 數字輸入和計數器/ 定時器模塊；cRIO-9476，32 路24V數字輸出模塊。cRIO-9221 以100KS/s 的采樣速率獲得電火花放電間隙信息，通過FPGA中的EDM伺服控制算法，判斷當前工藝是處于開路、短路還是正常放電狀態，并由cRIO-9476數字輸出模塊、cRIO-9263模擬輸出模塊通知調制加工電源電壓、電流和波形加工電源和CNC采取相應的措施，等參數，調整機床的運動速度以保證穩定高效的加工過程。

系統軟件設計

FPGA層：四種狀態機、多循環并行、四個中斷的結構。狀態3 是初始化，狀態0 是監控，狀態1 是對刀，狀態2 是放電加工。程序啟動時由狀態3 中的程序負責初始化，接著，FPGA 軟件在狀態0、1、2中循環。并行的循環包括放電間隙電壓電流采集循環，周期微秒級；EDM伺服控制循環，周期毫秒級；狀態機循環，納秒級周期。采用四個中斷與實時控制層通訊：中斷0 和1 負責放電間隙電壓電流信息傳送；中斷2 負責于加工電源的串行通訊；中斷3 負責FPGA 的狀態信息傳送。

實時控制層：實時控制層由cRIO-9004 完成。共完成三個線程。優先級最高、循環周期最短的接收來自FPGA 中斷并進行處理的線程；優先級次之、接受來自CNC的參數設定值線程，優先級再次之、循環周期毫秒級的、向WINDOWS客戶即工控機管理層發送放電波形數據和狀態信息的線程；正常優先級、從工控機管理層接受參數和命令信息的線程。后兩者通過TCP/IP協議與監控管理層通訊的。

監控管理層：本層的軟件主要包括兩個線程：一個是基于事件結構、向實時控制層發送設定參數和命令信息的線程；另一個是從實時控制層接收狀態信息和放電間隙電壓電流波形并把這些數據寫入文件的線程。監控管理層通過以太網與實時控制層鏈接。它可隨時接入系統以監控EDM過程、隨時斷開讓系統嵌入運行，但這不影響實時控制層和FPGA 硬件層的正常工作。而且這個監控管理計算機可位于工廠、辦公室或者其他遠程地方進行EDM過程監控。在進行EDM過程控制的同時，控制器實時地把微納秒級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。傳統的基于PC機或者μC的EDM 控制器很難做到這一點。

結論：

利用LabVIEW 和CompactRIO 開發的EDM 過程控制器，與傳統的機加工方法相比，加工時間大為減少，刀具損耗費用顯著降低。同時，這種控制器具有開發周期短： 一個三層的分布系統——WINDOWS平臺、微控制器μC平臺、FPGA硬件平臺均采用統一圖形語言LabVIEW編程， 僅用兩個多月的時間就完成了整個系統的開發；功能強大：CompactRIO 集信號采集、在線檢測、智能控制、信息分析和顯示于一體；實時性強：FPGA讀寫I/O 操作可到25 納秒；高可靠性和穩定性等優點。