王 彤，吳海會，劉福利，王俊棋

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，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）靠火花放電對工件進行切割[1]。放電加工是一個微觀的物理過程，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必須分布均勻[2]，因此，有必要對放電位置進行實時觀測。

目前，檢測電火花加工中放電點位置的方法有高速攝像機直接檢測法、聲波信號檢測法、電磁信號檢測法、電信號檢測法[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或電流信號有密切關(guān)系，并且電信號較容易獲取，檢測準確度較高，因此，對于放電位置的檢測，電信號檢測法應用較多。本文對分路電流法進行分析并實現(xiàn)對電火花線切割放電位置的檢測。

1 放電位置的分路電流法檢測原理

文獻[4]研究出分路電流法檢測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電路如圖1所示。Lw、Rw分別為導線的電感和電阻，Rc為導線與電極絲的接觸電阻，Lw、Rw、Rc均為常數(shù)，P 為放電點，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度成線性關(guān)系，即可以通過檢測兩分支的電流來確定放電位置，如式（3）所示。

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

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

2 放電位置檢測系統(tǒng)的搭建

2.1 檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

檢測系統(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線等，檢測系統(tǒng)硬件的搭建示意如圖3所示。綜合考慮傳感器頻率響應、靈敏度、線性范圍、穩(wěn)定性和精度5個指標，選擇瑞士LEM公司的LTS6-NP多極電流傳感器，此外該傳感器測量范圍為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)動軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件的編寫語言，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、信號調(diào)理電路、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換以及控制邏輯單元的時鐘、總線接口和控制器[5]。

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

在脈沖電源和導電塊之間分別連接電流傳感器，通過2個支路上的電流傳感器可檢測到支路電流i1和i2，將電流模擬信號輸送給數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號傳送給PC機的軟件平臺，通過LabVIEW的驅(qū)動模塊實現(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 檢測系統(tǒng)前面板

LabVIEW是美國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算機，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對數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)進行處理，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)不同的機床輸入的不同的標定參數(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)進行后續(xù)觀察。

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

2.2.2 硬件驅(qū)動和管理模塊

硬件驅(qū)動和管理程序的主要任務包括創(chuàng)建設(shè)備對象、初始化設(shè)備AD、啟動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)動程序的工作流程如圖5所示，信號經(jīng)過圖示流程，以二進制數(shù)形式被LabVIEW程序采集。

圖5 檢測系統(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以二進制數(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)還原為十進制數(shù)的電流信號。放電點位置采集程序主要由三部分構(gòu)成，分別實現(xiàn)脈沖電流脈寬上升沿判定及其后沿采集、閾值法對放電過程中無效信號的濾除和放電位置的計算3個功能。

3 放電位置采集系統(tǒng)的可靠性試驗

試驗在蘇州沙迪克三光公司制造的DK7740高速走絲線切割機床上進行，采用變截面切割試驗來驗證檢測系統(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)對工件進行加工，精加工過程中運用搭建的采集系統(tǒng)實時采集放電位置，采集的放電位置點如圖7所示。

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

表1 標定實驗參數(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，檢測到的放電點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圖像與工件厚度誤差小于3.3 mm，滿足實驗檢測精度要求。

4 結(jié)語

本文分析了分路電流法檢測原理，基于Lab-VIEW開發(fā)平臺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觀測放電位置。信號處理邏輯結(jié)構(gòu)清晰、運算快捷、通過變截面切割實驗驗證了檢測系統(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，趙萬生.特種加工[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]韓強，趙萬生，狄士春.電磁信號檢測法在電火花加工放電點測量中的應用[J].電測與儀表，1999（1）：23-25.

[3]M.Kunieda，H.Lojima.On-line detection of EDM spark locations by multiple connection of branched electric wires annals[J].CIRP，1990，39（1）：171-174.

[4]潘海彬，周哲，李伯全.LabVIEW下使用普通數(shù)據(jù)采集卡方法研究[J].微計算機信息，2007，23（28）：74-76.

[5]李士釗.基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計分析[J].通信電源技術(shù)，2016，33（3）：95-96.

[6]陸家龍.基于虛擬儀器的實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

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