基于光信號(hào)的電火花線切割數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究*

劉長(zhǎng)紅，楊興鑫，陳榮東，彭紹湖，劉曉初，張永俊

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006；3.廣州大學(xué)電子與通信工程學(xué)院，廣州 510006；4.廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

0 引言

大型環(huán)狀零件（如輪胎模具）分塊切割目前采用普通線切割單槽順序切割或多機(jī)環(huán)繞切割，前者應(yīng)力分布不均、易變形且加工效率低，后者成本高、占地面積大，多槽同步電火花線切割新工藝的提出有望解決這一難題。張永俊等[1]發(fā)明了多工位同步加工電火花線切割機(jī)床，用于環(huán)形零件的分塊切割，實(shí)現(xiàn)了加工效率的大幅提升，但各工位之間電信號(hào)相互干擾[2]，還要進(jìn)一步解決多工位同步切割的解耦控制問(wèn)題，并已著手開展工位加工狀態(tài)的預(yù)測(cè)建模研究[3]。

為了進(jìn)一步提高加工質(zhì)量和加工效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用各種方法來(lái)研究放電規(guī)律，研究加工性能隨放電參數(shù)的變化情況[4]。根據(jù)放電效果的差異，可將脈沖分為空載脈沖、正常脈沖及非正常脈沖[5]，其中非正常脈沖包括過(guò)渡電弧、穩(wěn)定電弧及短路脈沖[6]。伍俊等[7]開發(fā)了基于數(shù)字電路的電火花線切割放電間隙檢測(cè)模塊，為智能加工控制系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。官樂(lè)樂(lè)等[8]設(shè)計(jì)了一種基于Zynq平臺(tái)的電火花放電狀態(tài)檢測(cè)與伺服控制系統(tǒng)，解決間隙放電狀態(tài)檢測(cè)可能受到加工過(guò)程中各種噪聲的干擾問(wèn)題。胡波等[9]基于極間阻抗變化的特性，設(shè)計(jì)出微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，識(shí)別出極間放電狀態(tài)，并根據(jù)加工控制策略輸出差分控制的信號(hào)。王彤等[10]利用PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為檢測(cè)系統(tǒng)的程序基礎(chǔ)，結(jié)合前期研究的電壓電流信號(hào)，進(jìn)行編程學(xué)習(xí)和訓(xùn)練得到合格的算法。Maradia U等[11]用高速攝像頭獲取成型電火花加工的火花圖像，對(duì)火花圖像和電信號(hào)給出了簡(jiǎn)單對(duì)比，但未對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析，沒(méi)有揭示其內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。Gurupavan H R等[12]也開始利用機(jī)器視覺系統(tǒng)來(lái)獲取電極加工狀態(tài)。本文研發(fā)了一種基于光信號(hào)的電火花線切割數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火花圖像與波形數(shù)據(jù)同步采集和處理，為建立利用火花圖像特征預(yù)測(cè)放電狀態(tài)的模型提供數(shù)據(jù)支撐，從而為多槽電火花線切割中解耦控制問(wèn)題提出解決方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于光信號(hào)的電火花線切割數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括機(jī)床硬件與控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及上位機(jī)控制程序模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中，機(jī)床硬件與控制模塊通過(guò)自行設(shè)計(jì)的STM32開發(fā)板控制脈沖電源、變頻器、水泵、絲筒等機(jī)床電器等；數(shù)據(jù)采集模塊由高速攝像頭通過(guò)時(shí)鐘線與NI數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的同步采集功能；上位機(jī)控制程序模塊通過(guò)LabVIEW開發(fā)的程序與界面，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的實(shí)時(shí)控制、采集數(shù)據(jù)的保存、回放及分析處理功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)搭建

2.1 機(jī)床硬件與控制模塊

為了實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)機(jī)床的實(shí)時(shí)控制功能，通過(guò)自主設(shè)計(jì)機(jī)床控制電路板，實(shí)現(xiàn)水泵、脈沖電源、絲筒及變頻器的控制，電路板實(shí)物圖如圖2所示。機(jī)床控制模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線實(shí)時(shí)地調(diào)整工件與工具電極的放電間隙，采集得到不同放電狀態(tài)的電流、電壓及電火花圖像，機(jī)床控制模塊的上位機(jī)界面如圖3所示。

圖2 控制電路板

圖3 機(jī)床控制模塊上位機(jī)界面

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

綜合考慮采集設(shè)備的采樣頻率、分辨率及響應(yīng)速度等因素，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊選用數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI6366，其具有8路同步模擬輸入，2 MS/s采樣頻率，16位分辨率等；選用的高速攝像機(jī)型號(hào)為Hispec，當(dāng)分辨率為512×512像素時(shí)，其幀率可達(dá)5 000 F/s，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與電火花光信號(hào)圖像的采集。

為了實(shí)現(xiàn)加工時(shí)電信號(hào)及電火花光信號(hào)圖像的同步采集，使高速攝像頭與數(shù)據(jù)采集卡共用同一時(shí)鐘源，以保證兩者始終處在同一時(shí)鐘周期。高速攝像頭采取電平觸發(fā)方式，與NI數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端口相連。當(dāng)NI數(shù)據(jù)采集卡接收到上位機(jī)控制程序的采集命令時(shí)，開始數(shù)據(jù)采集，并同步觸發(fā)高速攝像頭采集圖像信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與電火花圖像的同步采集。

2.3 上位機(jī)控制程序模塊

在PC端的上位機(jī)控制程序模塊，通過(guò)RS232協(xié)議與STM32開發(fā)板進(jìn)行串口通訊，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路，增大其驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的水泵、脈沖電源、絲筒及變頻器的實(shí)時(shí)控制。當(dāng)機(jī)床加工時(shí)，經(jīng)過(guò)電流環(huán)及采樣電路，NI6366數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電壓與電流數(shù)據(jù)，并通過(guò)高速USB傳送數(shù)據(jù)至上位機(jī)程序。同步地，高速攝像頭實(shí)時(shí)高速地采集電火花圖像，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)的采集功能。

基于上述工作原理，該控制程序模塊包含機(jī)床控制、數(shù)據(jù)采集與保存及數(shù)據(jù)分析3個(gè)部分，如圖4所示。

圖4 上位機(jī)控制程序結(jié)構(gòu)

對(duì)于電流及電壓信號(hào)的采集，通過(guò)LabVIEW軟件編程，上位機(jī)控制程序?qū)I數(shù)據(jù)采集卡采集電信號(hào)數(shù)據(jù)存放至tdms文件中，其核心程序如圖5所示。對(duì)于電火花圖像的采集，通過(guò)高速攝像頭廠家提供的Hispec軟件，將實(shí)時(shí)采集的電火花圖像以jpg文件格式按順序依次存放至指定文件夾。

圖5 電信號(hào)采集核心程序

上位機(jī)采集數(shù)據(jù)處理及分析界面如圖6所示，其可分為輸入?yún)^(qū)、控制區(qū)及顯示區(qū)。界面上側(cè)為輸入?yún)^(qū)，其輸入存放的采集文件路徑。界面的右下側(cè)為控制區(qū)，其通過(guò)點(diǎn)擊不同的按鈕實(shí)現(xiàn)不同采集數(shù)據(jù)幀的切換，其中包含數(shù)據(jù)幀自動(dòng)播放模式、手動(dòng)向前或向后播放模式。界面的中間及左下角部分為當(dāng)前數(shù)據(jù)的顯示，包括電流與電壓波形圖、電火花光信號(hào)圖像、采集脈沖的周期、脈寬與占空比的數(shù)值等。

圖6 上位機(jī)采集數(shù)據(jù)處理及分析界面

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為了測(cè)試本系統(tǒng)的性能，通過(guò)硬件與控制模塊，實(shí)時(shí)控制機(jī)床中電極絲與工件的放電間隙，獲取不同的放電狀態(tài)。然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集及保存模塊，實(shí)時(shí)采集不同放電狀態(tài)的電信號(hào)及電火花光信號(hào)圖像，并保存至采集文件中。最后通數(shù)據(jù)分析模塊，讀取并回放保存的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。其中采集得到空載脈沖、正常脈沖及非正常脈沖的電信號(hào)及電火花光信號(hào)圖像的數(shù)據(jù)如圖7～9所示。

圖7 空載脈沖采集數(shù)據(jù)

通過(guò)處理并分析，獲取電火花線切割機(jī)床加工過(guò)程中的不同放電狀態(tài)的電信號(hào)及電火花光信號(hào)圖像的數(shù)據(jù)。如圖7所示，在一個(gè)脈沖周期，其放電電壓始終維持在脈沖電源電壓，其放電電流接近0，則說(shuō)明此刻放電狀態(tài)為空載脈沖。通過(guò)觀察此刻的電火花圖像可知，圖像為全黑，對(duì)應(yīng)放電間隙狀態(tài)為空載。如圖8所示，在一個(gè)脈沖周期，其放電電壓從脈沖電源電壓下降至維持電壓，放電電流從0上升至維持電流，存在明顯的擊穿延時(shí)特性，說(shuō)明此時(shí)放電狀態(tài)為正常脈沖放電。圖像中的白色亮點(diǎn)即為產(chǎn)生火花，通過(guò)程序分析處理，對(duì)應(yīng)放電狀態(tài)為正常脈沖。如圖9所示，在一個(gè)脈沖周期中，其放電電壓始終保持在維持電壓左右，放電電流始終維持在維持電流左右，不存在擊穿延時(shí)特性，說(shuō)明此刻放電狀態(tài)為非正常脈沖放電。該圖像中存在耀眼的白色亮點(diǎn)，通過(guò)程序分析處理，對(duì)應(yīng)為非正常放電脈沖產(chǎn)生電火花。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)一致，說(shuō)明本文所搭建的系統(tǒng)能正常運(yùn)行，可為后續(xù)的利用火花圖像特征預(yù)測(cè)放電狀態(tài)的模型奠定基礎(chǔ)。

圖8 正常脈沖采集數(shù)據(jù)

圖9 非正常脈沖采集數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研發(fā)了一種基于放電火花光信號(hào)圖像的信息采集方法與控制系統(tǒng)，總結(jié)如下。

（1）根據(jù)電火花線切割機(jī)床加工時(shí)的電信號(hào)及電火花光信號(hào)圖像的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于光信號(hào)的電火花線切割數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案。

（2）基于上述的總體方案，綜合考慮采集的要求，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡、高速攝像頭進(jìn)行選型，并自行設(shè)計(jì)基于STM32的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)機(jī)床電器控制，搭建了數(shù)據(jù)采集的硬件平臺(tái)。

（3）基于LabVIEW軟件編程，完成了數(shù)據(jù)采集平臺(tái)中電信號(hào)與電火花光信號(hào)同步采集的功能，并實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的實(shí)時(shí)控制、采集數(shù)據(jù)的保存、回放及分析處理功能，為后續(xù)建立利用火花圖像特征預(yù)測(cè)放電狀態(tài)的模型奠定基礎(chǔ)。