基于LabVIEW的電火花線切割放電位置采集系統(tǒng)

王 彤，吳海會(huì)，劉福利，王俊棋

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

電火花線切割加工（WEDM）是特殊的電火花加工（EDM）方法。它是用線狀電極（鉬絲或銅絲）靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割[1]。放電加工是一個(gè)微觀的物理過程，為了提高放電加工的穩(wěn)定性和加工效率，放電過程中放電位置點(diǎn)必須分布均勻[2]，因此，有必要對(duì)放電位置進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

目前，檢測(cè)電火花加工中放電點(diǎn)位置的方法有高速攝像機(jī)直接檢測(cè)法、聲波信號(hào)檢測(cè)法、電磁信號(hào)檢測(cè)法、電信號(hào)檢測(cè)法[3]。由于電火花的放電位置與流過工具電極或工件的電壓信號(hào)或電流信號(hào)有密切關(guān)系，并且電信號(hào)較容易獲取，檢測(cè)準(zhǔn)確度較高，因此，對(duì)于放電位置的檢測(cè)，電信號(hào)檢測(cè)法應(yīng)用較多。本文對(duì)分路電流法進(jìn)行分析并實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花線切割放電位置的檢測(cè)。

1 放電位置的分路電流法檢測(cè)原理

文獻(xiàn)[4]研究出分路電流法檢測(cè)電火花加工的放電位置，電火花線切割加工的放電位置檢測(cè)電路如圖1所示。Lw、Rw分別為導(dǎo)線的電感和電阻，Rc為導(dǎo)線與電極絲的接觸電阻，Lw、Rw、Rc均為常數(shù)，P 為放電點(diǎn)，Re1、Le1、Re2、Le2分別為 Q1與 P、Q2與 P 之間的電阻和電感。

圖1 分路電流法電路Fig.1 Principle of branch current method

根據(jù)分路電流法原理[4]可得支路電流i1、i2與電阻 Re1、Re2的關(guān)系式：

由于鉬絲電阻與其長(zhǎng)度成線性關(guān)系，即可以通過檢測(cè)兩分支的電流來確定放電位置，如式（3）所示。

式中：s為上導(dǎo)電塊與下導(dǎo)電塊間的距離；s2、s1分別為上、下導(dǎo)電塊與放電位置間的距離；b為下導(dǎo)電塊與工作臺(tái)面間的距離；x為放電位置距離工作臺(tái)面的距離。圖2為放電位置坐標(biāo)示意。

圖2 放電位置坐標(biāo)示意Fig.2 Establishment of the discharge point coordinates

2 放電位置檢測(cè)系統(tǒng)的搭建

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分包括電流傳感器、高速數(shù)據(jù)采集卡、元器件工作電源和導(dǎo)線等，檢測(cè)系統(tǒng)硬件的搭建示意如圖3所示。綜合考慮傳感器頻率響應(yīng)、靈敏度、線性范圍、穩(wěn)定性和精度5個(gè)指標(biāo)，選擇瑞士LEM公司的LTS6-NP多極電流傳感器，此外該傳感器測(cè)量范圍為0～±19.2 A，涵蓋中支路電流的范圍為0～16 A。傳感器的頻率響應(yīng)為200 kHz，大于極間加工最大脈沖頻率100 kHz，符合使用要求。根據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件的編寫語(yǔ)言，采用北京阿爾泰PCI-8002A同步高速數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡主要包括模擬輸入通道、信號(hào)調(diào)理電路、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換以及控制邏輯單元的時(shí)鐘、總線接口和控制器[5]。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集硬件搭建Fig.3 Block diagram of the signal-acquisition part under detecting system

在脈沖電源和導(dǎo)電塊之間分別連接電流傳感器，通過2個(gè)支路上的電流傳感器可檢測(cè)到支路電流i1和i2，將電流模擬信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)傳送給PC機(jī)的軟件平臺(tái)，通過LabVIEW的驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)顯示界面與數(shù)據(jù)采集卡的邏輯連接。

2.2 采集系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.2.1 檢測(cè)系統(tǒng)前面板

LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的一款基于圖像化編程環(huán)境的軟件開發(fā)工具，主要用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的編程[6]，虛擬儀器的載體是計(jì)算機(jī)，此外還由虛擬儀器開發(fā)軟件和硬件構(gòu)成[7]。本文采用虛擬儀器軟件LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，電火花放電位置采集程序的前面板如圖4所示，程序界面上各輸入控件用來初始化采樣頻率、觸發(fā)方式、采集方式等采集參數(shù)，界面上的k、c是根據(jù)不同的機(jī)床輸入的不同的標(biāo)定參數(shù)。采集過程中能夠?qū)崿F(xiàn)開始、數(shù)據(jù)保存、暫停、運(yùn)行子程序和停止，通過歷史數(shù)據(jù)按鈕能夠調(diào)用已保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)觀察。

圖4 放電位置檢測(cè)系統(tǒng)前面板Fig.4 Front panel of the discharge location detecting

2.2.2 硬件驅(qū)動(dòng)和管理模塊

硬件驅(qū)動(dòng)和管理程序的主要任務(wù)包括創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象、初始化設(shè)備AD、啟動(dòng)A/D設(shè)備、讀取A/D數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)、停止讀取數(shù)據(jù)、更改參數(shù)設(shè)置和釋放數(shù)據(jù)采集卡等，從而保證數(shù)據(jù)采集程序的完整性，采集卡驅(qū)動(dòng)程序的工作流程如圖5所示，信號(hào)經(jīng)過圖示流程，以二進(jìn)制數(shù)形式被LabVIEW程序采集。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Flow chart of the data-processing system

2.2.3 放電位置采集程序

電流傳感器輸出的電壓信號(hào)以二進(jìn)制數(shù)形式被系統(tǒng)采集，為了便于數(shù)據(jù)處理，需要將數(shù)據(jù)還原為十進(jìn)制數(shù)的電流信號(hào)。放電點(diǎn)位置采集程序主要由三部分構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)脈沖電流脈寬上升沿判定及其后沿采集、閾值法對(duì)放電過程中無(wú)效信號(hào)的濾除和放電位置的計(jì)算3個(gè)功能。

3 放電位置采集系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)

試驗(yàn)在蘇州沙迪克三光公司制造的DK7740高速走絲線切割機(jī)床上進(jìn)行，采用變截面切割試驗(yàn)來驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性[8]，工件為截面厚度為20 mm、40 mm、20 mm且寬度均為12 mm的模具鋼，用虎鉗固定，如圖6所示。按表1中的加工參數(shù)對(duì)工件進(jìn)行加工，精加工過程中運(yùn)用搭建的采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集放電位置，采集的放電位置點(diǎn)如圖7所示。

圖6 變截面工件Fig.6 Variable cross-section workpiece

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Calibration experiment parameter

圖7 變截面切割放電位置Fig.7 Discharge position of variable cross-section cutting

可見，檢測(cè)到的放電點(diǎn)分布圖像輪廓和工件輪廓基本相同，并且采集的放電位置點(diǎn)圖像與工件厚度誤差小于3.3 mm，滿足實(shí)驗(yàn)檢測(cè)精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了分路電流法檢測(cè)原理，基于Lab-VIEW開發(fā)平臺(tái)搭建了硬件采集系統(tǒng)，并編寫了軟件模塊程序，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)放電位置。信號(hào)處理邏輯結(jié)構(gòu)清晰、運(yùn)算快捷、通過變截面切割實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的精度，放電位置的采集為提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量及后續(xù)優(yōu)選加工參數(shù)提供了新的思路。

[1]劉晉春，趙家齊，趙萬(wàn)生.特種加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]韓強(qiáng)，趙萬(wàn)生，狄士春.電磁信號(hào)檢測(cè)法在電火花加工放電點(diǎn)測(cè)量中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，1999（1）：23-25.

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[6]陸家龍.基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[7]劉福利.基于分路電流法的電火花線切割放電點(diǎn)分布均勻性研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.