紀仁杰, 劉永紅, 吳寶貴， 李小朋, 蔡寶平, 江 兆

(中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

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基于LabVIEW的電火花放電狀態(tài)檢測實驗平臺開發(fā)

紀仁杰, 劉永紅, 吳寶貴， 李小朋, 蔡寶平, 江 兆

(中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

針對學(xué)生在特種加工實驗課中難以理解和區(qū)分各種電火花放電狀態(tài)的問題,利用LabVIEW軟件,以放電電流和放電電壓為主要檢測參數(shù),開發(fā)了電火花放電狀態(tài)檢測實驗平臺。采用該平臺對實際電火花放電加工進行了檢測,結(jié)果表明,所開發(fā)的電火花放電狀態(tài)檢測實驗平臺能夠及時判斷各種放電狀態(tài),并在程序界面中予以直觀顯示，便于學(xué)生對電火花加工原理的認識和理解,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)效率和實驗教學(xué)效果。

電火花狀態(tài)檢測;實驗平臺；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、瞬時高溫來蝕除工件材料,加工過程中工件和電極之間沒有直接接觸和宏觀機械力,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)機械、電機、電器以及汽車制造等領(lǐng)域,取得了較大的社會和經(jīng)濟效益[1-4]。然而,由于電火花加工放電頻率高,放電加工過程中有開路、正常放電、短路、過渡電弧和穩(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,其隨機性也很強,學(xué)生在特種加工實驗課上很難理解和區(qū)分各種放電狀態(tài),影響了學(xué)生對其加工原理的理解。

LabVIEW是由美國NI公司推出的一種圖形化編程語言,使程序員脫離了繁重的編寫代碼,具有程序直觀、編程效率高等優(yōu)點,被廣泛用于各種實驗平臺的開發(fā)[8-13]。基于此,本文利用LabVIEW軟件,以放電電流和放電電壓為主要檢測參數(shù),開發(fā)出了電火花放電狀態(tài)檢測實驗平臺。該平臺能夠及時判斷并直觀顯示各種放電狀態(tài),有利于學(xué)生對電火花加工原理的認識和理解,提高了實驗教學(xué)效果。

1 放電狀態(tài)檢測實驗平臺的設(shè)計

放電狀態(tài)檢測實驗平臺(以下簡稱實驗平臺)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面設(shè)計。該實驗平臺采用的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集卡、PC機以及輸入輸出設(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的模擬量通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳輸?shù)接嬎銠C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)機箱(型號NI cDAQ-9188)。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

該實驗平臺結(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、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時顯示采集到的放電電壓和電流波形,數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊用于統(tǒng)計一段時間內(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)計模塊統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來分析加工間隙整體的放電狀態(tài),警示模塊主要用于長時間空載的提示以及長時間電弧放電的報警。

圖2 放電狀態(tài)檢測實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)該實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖,用LabVIEW軟件設(shè)計出的該實驗平臺界面如圖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)予以實時顯示,便于實驗過程中學(xué)生對放電狀況的實時觀測。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)檢測實驗平臺界面

該實驗平臺界面的程序如圖4所示,主要包括采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、狀態(tài)判斷模塊以及信號輸出模塊等。采集模塊接收采集卡的電壓與電流信號,并將這些信號發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊與狀態(tài)判斷模塊。該實驗平臺使用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,只要在計算機上安裝NI-cDAQmx采集卡驅(qū)動軟件,就可以在LabVIEW中的DAQ子函數(shù)庫中直接調(diào)用驅(qū)動程序。

數(shù)據(jù)存儲模塊把采集模塊的電壓與電流信號以文本格式存儲下來,該模塊涉及文件I/O模塊的操作,通過4個節(jié)點的設(shè)置,可把文件名轉(zhuǎn)換為存儲文件的路徑連接到寫入電子表格的路徑節(jié)點上,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、電流信號進行處理,判斷目前間隙的放電狀態(tài)并通過狀態(tài)指示燈給予顯示。本實驗平臺采用基于LabVIEW軟件的檢測方法。通過比較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)定一個電流門限值與一個電壓門限值,平均電流小于電流門限值的脈沖為空載狀態(tài),平均電壓小于電壓門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法檢測其余放電狀態(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)過濾波，整流、積分后幅值最大；過渡電弧的高頻分量較少,經(jīng)過濾波、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。基于此可判斷出5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)檢測實驗平臺程序框圖

圖5 放電狀態(tài)判斷程序流程圖

信號輸出模塊用于輸出所設(shè)定的電火花放電脈沖,實現(xiàn)加工的自動控制。

2 放電狀態(tài)檢測實驗平臺的測試

采用實際放電信號對所開發(fā)的平臺進行測試。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。將實際的放電電壓與電流信號輸入給平臺,開始運行程序后觀察電壓與電流的波形,同時觀察狀態(tài)指示燈,通過對比波形特征與狀態(tài)指示燈,來確定程序是否正常運行,同時在適當?shù)那闆r下記錄程序的運行情況。圖6為平臺在不同時刻的運行結(jié)果。由圖6可以看出,所開發(fā)的放電狀態(tài)檢測平臺可根據(jù)電火花放電的電壓與電流信號判斷出實際的火花放電狀態(tài),并及時給出相應(yīng)的提示。

3 結(jié)束語

本文基于LabVIEW軟件開發(fā)了電火花放電狀態(tài)檢測實驗平臺,該實驗平臺能夠及時判斷出各種放電狀態(tài),并在程序界面中予以直觀顯示。該實驗平臺使學(xué)生在學(xué)習(xí)抽象放電原理的同時,可以直觀看到放電狀態(tài),便于學(xué)生深刻認識和理解電火花放電加工的各種狀態(tài)和加工機理,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,改善教學(xué)效果。

圖6 實驗平臺不同時刻的運行狀態(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)檢測方法綜述[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,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,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)對加工穩(wěn)定性的影響[J].機械管理開發(fā),2010,25(1):48-49.

[8] 羅建,雷勇,黃昊,等.基于LabVIEW的遠程電機實驗臺的構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(3):122-125.

[9] 周雅,殷志鋒.LabVIEW環(huán)境下信號處理類課程信息化實驗仿真平臺[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(11):137-140.

[10] 李偉,陳國明,張傳榮,等.基于LabVIEW的ACFM網(wǎng)絡(luò)實驗平臺開發(fā)與測試[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):65-67,73.

[11] 鄭文培,蘇義腦,方太安,等.基于LabVIEW 的交流電磁場檢測試驗臺[J].石油機械,2012,40(10):22-25.

[12] 王芃,高震,董景新.一種物美價廉的基于LabVIEW的PID控制實驗裝置設(shè)計[J].實驗技術(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].計算機系統(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

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

紀仁杰(1982—)，男，山東膠州，博士，副教授，研究方向為電火花加工、虛擬儀器的開發(fā)與設(shè)計.

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