紀(jì)仁杰, 劉永紅, 吳寶貴， 李小朋, 蔡寶平, 江 兆

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

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基于LabVIEW的電火花放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

紀(jì)仁杰, 劉永紅, 吳寶貴， 李小朋, 蔡寶平, 江 兆

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

針對(duì)學(xué)生在特種加工實(shí)驗(yàn)課中難以理解和區(qū)分各種電火花放電狀態(tài)的問(wèn)題,利用LabVIEW軟件,以放電電流和放電電壓為主要檢測(cè)參數(shù),開(kāi)發(fā)了電火花放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用該平臺(tái)對(duì)實(shí)際電火花放電加工進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果表明,所開(kāi)發(fā)的電火花放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠及時(shí)判斷各種放電狀態(tài),并在程序界面中予以直觀顯示，便于學(xué)生對(duì)電火花加工原理的認(rèn)識(shí)和理解,可以激發(fā)學(xué)生的積極性,有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

電火花狀態(tài)檢測(cè);實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；LabVIEW

電火花加工是利用電極和工件之間的脈沖性火花放電產(chǎn)生的局部、瞬時(shí)高溫來(lái)蝕除工件材料,加工過(guò)程中工件和電極之間沒(méi)有直接接觸和宏觀機(jī)械力,被廣泛應(yīng)用于航空航天、模具制造、儀器儀表、生物醫(yī)學(xué)機(jī)械、電機(jī)、電器以及汽車(chē)制造等領(lǐng)域,取得了較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。然而,由于電火花加工放電頻率高,放電加工過(guò)程中有開(kāi)路、正常放電、短路、過(guò)渡電弧和穩(wěn)定電弧等多種放電狀態(tài)[5-7],且影響放電狀態(tài)的因素很多,其隨機(jī)性也很強(qiáng),學(xué)生在特種加工實(shí)驗(yàn)課上很難理解和區(qū)分各種放電狀態(tài),影響了學(xué)生對(duì)其加工原理的理解。

LabVIEW是由美國(guó)NI公司推出的一種圖形化編程語(yǔ)言,使程序員脫離了繁重的編寫(xiě)代碼,具有程序直觀、編程效率高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于各種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[8-13]?；诖?本文利用LabVIEW軟件,以放電電流和放電電壓為主要檢測(cè)參數(shù),開(kāi)發(fā)出了電火花放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠及時(shí)判斷并直觀顯示各種放電狀態(tài),有利于學(xué)生對(duì)電火花加工原理的認(rèn)識(shí)和理解,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)平臺(tái))的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)以及輸入輸出設(shè)備,其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電火花放電電壓和電流信號(hào)的模擬量通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存,然后由程序處理判斷輸出圖像與電火花放電狀態(tài),并保存數(shù)據(jù)。采集卡采用NI 9203和NI 9205。NI Compact DAQ 8槽以太網(wǎng)機(jī)箱(型號(hào)NI cDAQ-9188)。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、警示等模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于采集放電電壓和放電電流,波形顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示采集到的放電電壓和電流波形,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊用于統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)各種放電狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù),分析模塊根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)分析加工間隙整體的放電狀態(tài),警示模塊主要用于長(zhǎng)時(shí)間空載的提示以及長(zhǎng)時(shí)間電弧放電的報(bào)警。

圖2 放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖,用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)出的該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面如圖3所示。該界面主要包括波形顯示、狀態(tài)顯示、加工控制及放電電流設(shè)定等模塊。波形顯示模塊將采集卡采集到的放電電流和電壓數(shù)據(jù)予以實(shí)時(shí)顯示,便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生對(duì)放電狀況的實(shí)時(shí)觀測(cè)。狀態(tài)顯示模塊將采集到的放電電流與電壓數(shù)據(jù)通過(guò)一定的判斷后給出間隙整體的放電狀態(tài)。加工控制模塊用于選擇合適的放電脈寬和脈沖間隔。放電電流設(shè)定模塊用于設(shè)定放電過(guò)程中的電流幅值。輸出模塊用于輸出設(shè)定的脈沖寬度、脈沖間隔以及電流幅值。

圖3 放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的程序如圖4所示,主要包括采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、狀態(tài)判斷模塊以及信號(hào)輸出模塊等。采集模塊接收采集卡的電壓與電流信號(hào),并將這些信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與狀態(tài)判斷模塊。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用NI公司的采集卡NI9203與NI9205,前者用于采集電流,后者用于采集電壓,只要在計(jì)算機(jī)上安裝NI-cDAQmx采集卡驅(qū)動(dòng)軟件,就可以在LabVIEW中的DAQ子函數(shù)庫(kù)中直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊把采集模塊的電壓與電流信號(hào)以文本格式存儲(chǔ)下來(lái),該模塊涉及文件I/O模塊的操作,通過(guò)4個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置,可把文件名轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)文件的路徑連接到寫(xiě)入電子表格的路徑節(jié)點(diǎn)上,最后生成txt格式的文件。

狀態(tài)判斷模塊把采集模塊輸送的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理,判斷目前間隙的放電狀態(tài)并通過(guò)狀態(tài)指示燈給予顯示。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于LabVIEW軟件的檢測(cè)方法。通過(guò)比較5種放電狀態(tài)的電壓最大值發(fā)現(xiàn)，空載電壓的最大值最大而電流基本接近于零,短路狀態(tài)的電壓最大值最小。因此設(shè)定一個(gè)電流門(mén)限值與一個(gè)電壓門(mén)限值,平均電流小于電流門(mén)限值的脈沖為空載狀態(tài),平均電壓小于電壓門(mén)限值的脈沖為短路狀態(tài),據(jù)此可先判斷出空載以及短路狀態(tài)。再利用高頻分量檢測(cè)法檢測(cè)其余放電狀態(tài)的高頻分量,正?；鸹ǚ烹姷牟ㄐ沃杏写罅康母哳l分量,經(jīng)過(guò)濾波，整流、積分后幅值最大；過(guò)渡電弧的高頻分量較少,經(jīng)過(guò)濾波、整壓流積分后幅值較小,幅值處于兩者之間的放電狀態(tài)為穩(wěn)定電弧?；诖丝膳袛喑?種火花放電狀態(tài),其判斷流程如圖5所示。

圖4 放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)程序框圖

圖5 放電狀態(tài)判斷程序流程圖

信號(hào)輸出模塊用于輸出所設(shè)定的電火花放電脈沖,實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)控制。

2 放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試

采用實(shí)際放電信號(hào)對(duì)所開(kāi)發(fā)的平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。放電參數(shù):脈沖寬度500 μs,脈沖間隔400 μs,峰值電壓150 V,峰值電流50 A。將實(shí)際的放電電壓與電流信號(hào)輸入給平臺(tái),開(kāi)始運(yùn)行程序后觀察電壓與電流的波形,同時(shí)觀察狀態(tài)指示燈,通過(guò)對(duì)比波形特征與狀態(tài)指示燈,來(lái)確定程序是否正常運(yùn)行,同時(shí)在適當(dāng)?shù)那闆r下記錄程序的運(yùn)行情況。圖6為平臺(tái)在不同時(shí)刻的運(yùn)行結(jié)果。由圖6可以看出,所開(kāi)發(fā)的放電狀態(tài)檢測(cè)平臺(tái)可根據(jù)電火花放電的電壓與電流信號(hào)判斷出實(shí)際的火花放電狀態(tài),并及時(shí)給出相應(yīng)的提示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了電火花放電狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠及時(shí)判斷出各種放電狀態(tài),并在程序界面中予以直觀顯示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使學(xué)生在學(xué)習(xí)抽象放電原理的同時(shí),可以直觀看到放電狀態(tài),便于學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)和理解電火花放電加工的各種狀態(tài)和加工機(jī)理,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,改善教學(xué)效果。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)

References)

[1] Harcuba P,Bacakova L,Strasky J,et al.Surface treatment by electric discharge machining of Ti-6Al-4V alloy for potential application in orthopaedics[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2012,7:96-105.

[2] Klocke F,Zeis M,Klink A,et al.Technological and economical comparison of roughing strategies via milling,sinking-EDM,wire-EDM and ECM for titanium- and nickel-based blisks[J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2013,6(3):198-203.

[3] Kumar S,Batra U.Surface modification of die steel materials by EDM method using tungsten powder-mixed dielectric[J].Journal of Manufacturing Processes，2012,14(1):35-40.

[4] Nguyen M D,Wong Y S,Rahman M.Profile error compensation in high precision 3D micro-EDM milling[J].Precision Engineering，2013,37(2):399-407.

[5] 王彤,張廣志.電火花間隙放電狀態(tài)檢測(cè)方法綜述[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,17(3):100-104.

[6] 賈振元,高升暉,王福吉,等.電火花加工中電參數(shù)對(duì)放電狀態(tài)影響規(guī)律及其建模[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,49(4):518-525.

[7] 楊晉平,曹明讓.電火花加工中電極間放電狀態(tài)對(duì)加工穩(wěn)定性的影響[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2010,25(1):48-49.

[8] 羅建,雷勇,黃昊,等.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(3):122-125.

[9] 周雅,殷志鋒.LabVIEW環(huán)境下信號(hào)處理類(lèi)課程信息化實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(11):137-140.

[10] 李偉,陳國(guó)明,張傳榮,等.基于LabVIEW的ACFM網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與測(cè)試[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(3):65-67,73.

[11] 鄭文培,蘇義腦,方太安,等.基于LabVIEW 的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)[J].石油機(jī)械,2012,40(10):22-25.

[12] 王芃,高震,董景新.一種物美價(jià)廉的基于LabVIEW的PID控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(1):107-109.

[13] 陳真,王延江,王釗.基于LabVIEW的鉆井井控仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(10):155-158.

Development of experimental platform for electrical discharge status detection based on LabVIEW

Ji Renjie, Liu Yonghong, Wu Baogui, Li Xiaopeng, Cai Baoping, Jiang Zhao

(College of Electromechanical Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

It is hard for the students to understand and distinguish the electrical discharge status during the non-traditional machining experiment,so the experimental platform for electrical discharge status detection,with the main detecting parameters of the discharge current and the discharge voltage,is developed based on LabVIEW.The actual electrical discharge is detected with the experimental platform.The results show that the platform can judge and display the discharge status timely,which can be easy for the students to understand the electrical discharge machanism, motivate the learning initiative,and enhance the learning efficiency and the teaching effect.

electrical discharge detection; experimental platform; LabVIEW

2014- 07- 19 修改日期：2014- 08- 29

中國(guó)石油大學(xué)(華東)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201305)；山東省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目(2012018)

紀(jì)仁杰(1982—)，男，山東膠州，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娀鸹庸ぁ⑻摂M儀器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì).

E-mail：jirenjie@upc.edu.cn; jirenjie@163.com

TG661；G484

A

1002-4956(2015)2- 0073- 04

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用