一種往復走絲電火花線切割工具機放電位置採集系統的製作方法
2024-02-07 10:32:15 1
本發明涉及一種採集系統，具體地涉及一種往復走絲電火花線切割工具機放電位置採集系統。
背景技術：
電火花線切割加工技術理論上可以加工任何硬度的導電金屬材料，為加工難加工材料不可缺少的加工方法，與傳統加工方式相比在加工高硬度、難加工材料方面具有絕對優勢，同時因其工具機價格便宜、運行費用低等特點符合市場的需要。近年來，電火花線切割加工在實際生產中的應用越來越廣泛，尤其應用在航天、航空、汽車、電子、國防和民用各工業部門。隨著大錐度切割技術逐步完善，大厚度切割技術的突破，使往復走絲線切割工具機更具有一定的優勢，同時滿足了國內外客戶的需求，這類工具機的數量正以較快的速度增長，應用於各類中低檔模具製造和特殊零件加工，成為我國數控工具機中應用最廣泛的機種之一。
電火花線切割加工是利用脈衝放電的電腐蝕過程來蝕除金屬加工餘量，進而實現尺寸加工，電火花線切割技術作為一種精密加工技術，具有加工精度高、表面品質優和效率高的特點，但放電位置的集中可能導致電弧放電，降低工件的表面精度，甚至可能致使工件報廢，為保證加工穩定高效地進行，有必要對線切割放電位置進行準確的檢測，為進一步研究放電位置的分布對加工穩定性及工件表面質量提供有力的依據。在電火花線切割加工過程中，由於工件蝕除過程較為複雜、放電頻率高且不確定、電參數以及非電參數的影響等綜合多方面原因，對放電點位置很難直接觀察，對放電點位置檢測的精確性也比較難保證。目前，在線切割加工放電位置檢測方面的研究較少，現有的線切割放電位置檢測系統在標定線切割放電位置的穩定性和準確性上很難滿足實驗研究的需要。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明提供了一種往復走絲電火花線切割工具機放電位置採集系統，可對線切割加工過程中放電位置在線實時採集。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種往復走絲電火花線切割工具機放電位置採集系統，包括硬體系統和labview軟體開發平臺，所述硬體系統包括脈衝電源、脈衝加工供電電路、示波器、外部電源、支路一電流傳感器、支路二電流傳感器、信號調理電路、數據採集卡和pc機，所述支路一電流傳感器、支路二電流傳感器分別與信號調理電路、示波器串行連接，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器分別採集脈衝電源供電兩支路的電流，通過所述信號調理電路連接數據採集卡，所述數據採集卡通過pci接口連接所述pc機的主機，pc機嵌入有labview軟體開發平臺進行軟體編程，實現往復走絲電火花線切割工具機加工時對放電位置進行在線實時採集，所述的信號調理電路對信號濾波、轉換後導入數據採集卡，使得轉換後進入數據採集卡的電壓為0-5v，在數據採集卡的有效量程內，所述數據採集卡為基於32位pci總線的多通道採集板卡。
作為對本技術方案的進一步限定，所述脈衝加工供電電路包括支路一和支路二，所述支路一設置有支路一電流傳感器，支路二設置有支路二電流傳感器，根據脈衝電源與上、下導電塊之間的距離，所述支路一和支路二的導線均為長度90cm的銅導線，以減小導線長度對檢測精度的影響。
作為對本技術方案的進一步限定，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器使用單級5v工作電源，支路一電流傳感器和支路二電流傳感器的電源探針分別連接外部電源，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器的測量範圍應大於脈衝加工供電電路的電流範圍，頻率響應大於加工時的最大脈衝頻率(100khz)，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器分別通過屏蔽線與信號調理電路相連，防止外界信號幹擾，兩根屏蔽線長度均為40cm。
作為對本技術方案的進一步限定，所述的labview軟體開發平臺包括硬體驅動和管理模塊一、硬體驅動和管理模塊二、數據轉換模塊、數字濾波模塊、閾值篩選模塊、函數擬合模塊、位置標定模塊、數據存儲模塊、歷史數據訪問模塊、用戶交互界面，所述示波器與pc機通過rs232串口連接或通過usb設備埠連接，示波器接收信號調理電路輸出的電信號，通過所述硬體驅動和管理模塊二傳輸到pc機，示波器採集的電流經過閾值篩選模塊、函數擬合模塊、位置標定模塊，根據電流值計算出放電位置，通過數據存儲模塊對電流和放電位置進行數據存儲，所述硬體驅動和管理模塊一用於驅動數據採集卡的數據傳輸，數據依次通過所述數據轉換模塊、數字濾波模塊、閾值篩選模塊、函數擬合模塊、位置標定模塊，實現電信號數值還原、濾波、有效放電信號的篩選、線切割放電位置標定函數的擬合、線切割放電位置的數值顯示、波形顯示以及數據的存儲，所述數字濾波模塊為自製的採樣數為10的均值濾波模塊，先去掉兩個異常值再進行均值平滑濾波。
作為對本技術方案的進一步限定，所述用戶交互界面包括參數設置面板、標定函數擬合面板、控制面板、數值與波形顯示面板，所述參數設置面板用於初始化採樣頻率、觸發類型、觸發方向、採集方式和標定係數的設置，所述標定函數擬合面板用於根據薄板高度、支路一的電流和支路二的電流擬合線切割放電位置標定函數，所述控制面板用於控制觸發的開始、採集的暫停和停止、數據保存、歷史數據調用，所述數值與波形顯示面板用於顯示電流和放電位置的數值、電流和放電位置的波形，還能夠通過所述控制面板的按鈕進行暫停、局部放大觀察和截取波形。
作為對本技術方案的進一步限定，所述閾值篩選模塊用於實現脈衝電流脈寬上升沿的判定，實現對脈寬後沿的採集，一般採集脈寬2/3處的電流值，並濾除放電加工時的短路電流信號和開路電流信號，採集有效放電信號，根據實際加工採用的峰值電流為8a時，篩選電流閾值為1-3.5a，選用的峰值電流為12a時，篩選電流閾值為1.5-5a，選用的峰值電流為16a時，篩選電流閾值為2-7a，選用的峰值電流為20a時，篩選電流閾值為3-9a，選用的峰值電流為24a時，篩選電流閾值為3.5-10a，選用的峰值電流為28a時，篩選電流閾值為4-12a，選用的峰值電流為32a時，篩選電流閾值為4.5-14a。
作為對本技術方案的進一步限定，所述函數擬合模塊用於建立放電位置與支路一、支路二的電流之間的關係，所述位置標定模塊用於將採集到的支路一、支路二的電流轉換為放電位置，放電位置與支路一、支路二的電流之間的關係推導如下，
(1)
其中，r1=re1+rc+rω，r2=re2+rc+rω，l1=le1+lw，l2=le2+lω，脈衝電流i0通過支路一和支路二分別與電極絲連接，支路一和支路二的導線電感均為lω，導線電阻均為rω，rc為導線與電極絲的接觸電阻，lω、rω、rc由導線及電極材料決定，均為常量，re1為放電位置與上導電塊之間的電極絲電阻，re2為放電位置與下導電塊之間的電極絲電阻，le1為放電位置與上導電塊之間的電極絲電感，le2為放電位置與下導電塊之間的電極絲電感，
i1+i2=i0(2)
其中i0為階躍函數，，其中a為常數，
根據微分定理和線性定理對(1)、(2)式作拉普拉斯變換並查表解得，
(3)
式中，t=l/r，r=r1+r2，l=l1+l2，
同理，
(4)
當t→∞時，
(5)
(6)
簡化得，
(7)
(8)
將支路一和支路二的電流作差i1-i2，該電流差與放電位置兩邊的電極絲長度差成線性關係，因此該電流差與放電位置距離工作檯的高度成線性關係(即標定函數)，可以通過檢測兩支路的電流來確定放電位置，
i1-i2=kx+b(9)
式中，x為放電位置距離工作檯的高度，k、b是標定係數，為定值，結合實驗可以通過所述函數擬合模塊擬合出k、b的值，實驗過程中設置不同的高度x，根據不同x的對應的i1-i2數值進行最小二乘法擬合，得出放電位置的標定函數的係數，所述位置標定模塊用於通過放電位置標定函數根據採集的i1-i2數值計算出放電位置x。
該發明的有益之處是：本發明提供了一種往復走絲電火花線切割工具機放電位置採集系統，通過電流傳感器採集放電加工過程中支路一和支路而的電流信號，通過信號調理電路處理後，一方面通過數據採集卡a/d轉換後進入pc機的主機箱，另一方面通過示波器連接pc機，最終在labview軟體開發平臺上顯示示波器採集的支路一和支路二的電流、數據採集卡採集的支路一和支路二的電流及放電位置，示波器採集的電流用於實時監測數據採集卡採集電流信號的精確性。通過信號調理電路對信號濾波並結合數字濾波模塊對a/d轉換後的數據濾波使採集的有效放電的電信號更加穩定精確，通過設定多個標定位置進行標定函數的擬合，所述函數擬合模塊和位置標定模塊同時在一個程序框圖裡編寫，函數擬合模塊擬合出的標定函數直接運用於位置標定模塊，簡化了操作人員的實驗步驟，節省了佔用的內存空間，減小了人為誤差。
附圖說明
圖1為本發明的硬體系統接線示意圖。
圖2為本發明的硬體系統流程圖。
圖3為本發明的labview軟體開發平臺結構框圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明進行進一步詳述。
一種往復走絲電火花線切割工具機放電位置採集系統，包括硬體系統和labview軟體開發平臺，所述硬體系統包括脈衝電源、脈衝加工供電電路、示波器、外部電源、支路一電流傳感器、支路二電流傳感器、信號調理電路、數據採集卡和pc機，所述支路一電流傳感器、支路二電流傳感器分別與信號調理電路、示波器串行連接，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器分別採集脈衝電源供電兩支路的電流，通過所述信號調理電路連接數據採集卡，所述數據採集卡通過pci接口連接所述pc機的主機，pc機嵌入有labview軟體開發平臺進行軟體編程，實現往復走絲電火花線切割工具機加工時對放電位置進行在線實時採集，所述的信號調理電路對信號濾波、轉換後導入數據採集卡，使得轉換後進入數據採集卡的電壓為0-5v，在數據採集卡的有效量程內，所述數據採集卡為基於32位pci總線的多通道採集板卡。
作為對本技術方案的進一步限定，所述脈衝加工供電電路包括支路一和支路二，所述支路一設置有支路一電流傳感器，支路二設置有支路二電流傳感器，根據脈衝電源與上、下導電塊之間的距離，所述支路一和支路二的導線均為長度90cm的銅導線，以減小導線長度對檢測精度的影響。
作為對本技術方案的進一步限定，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器使用單級5v工作電源，支路一電流傳感器和支路二電流傳感器的電源探針分別連接外部電源，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器的測量範圍應大於脈衝加工供電電路的電流範圍，頻率響應大於加工時的最大脈衝頻率(100khz)，所述支路一電流傳感器和支路二電流傳感器分別通過屏蔽線與信號調理電路相連，防止外界信號幹擾，兩根屏蔽線長度均為40cm。
作為對本技術方案的進一步限定，所述的labview軟體開發平臺包括硬體驅動和管理模塊一、硬體驅動和管理模塊二、數據轉換模塊、數字濾波模塊、閾值篩選模塊、函數擬合模塊、位置標定模塊、數據存儲模塊、歷史數據訪問模塊、用戶交互界面，所述示波器與pc機通過rs232串口連接或通過usb設備埠連接，示波器接收信號調理電路輸出的電信號，通過所述硬體驅動和管理模塊二傳輸到pc機，示波器採集的電流經過閾值篩選模塊、函數擬合模塊、位置標定模塊，根據電流值計算出放電位置，通過數據存儲模塊對電流和放電位置進行數據存儲，所述硬體驅動和管理模塊一用於驅動數據採集卡的數據傳輸，數據依次通過所述數據轉換模塊、數字濾波模塊、閾值篩選模塊、函數擬合模塊、位置標定模塊，實現電信號數值還原、濾波、有效放電信號的篩選、線切割放電位置標定函數的擬合、線切割放電位置的數值顯示、波形顯示以及數據的存儲，所述數字濾波模塊為自製的採樣數為10的均值濾波模塊，先去掉兩個異常值再進行均值平滑濾波。
作為對本技術方案的進一步限定，所述用戶交互界面包括參數設置面板、標定函數擬合面板、控制面板、數值與波形顯示面板，所述參數設置面板用於初始化採樣頻率、觸發類型、觸發方向、採集方式和標定係數的設置，所述標定函數擬合面板用於根據薄板高度、支路一的電流和支路二的電流擬合線切割放電位置標定函數，所述控制面板用於控制觸發的開始、採集的暫停和停止、數據保存、歷史數據調用，所述數值與波形顯示面板用於顯示電流和放電位置的數值、電流和放電位置的波形，還能夠通過所述控制面板的按鈕進行暫停、局部放大觀察和截取波形。
作為對本技術方案的進一步限定，所述閾值篩選模塊用於實現脈衝電流脈寬上升沿的判定，實現對脈寬後沿的採集，一般採集脈寬2/3處的電流值，並濾除放電加工時的短路電流信號和開路電流信號，採集有效放電信號，根據實際加工採用的峰值電流為8a時，篩選電流閾值為1-3.5a，選用的峰值電流為12a時，篩選電流閾值為1.5-5a，選用的峰值電流為16a時，篩選電流閾值為2-7a，選用的峰值電流為20a時，篩選電流閾值為3-9a，選用的峰值電流為24a時，篩選電流閾值為3.5-10a，選用的峰值電流為28a時，篩選電流閾值為4-12a，選用的峰值電流為32a時，篩選電流閾值為4.5-14a。
作為對本技術方案的進一步限定，所述函數擬合模塊用於建立放電位置與支路一、支路二的電流之間的關係，所述位置標定模塊用於將採集到的支路一、支路二的電流轉換為放電位置，放電位置與支路一、支路二的電流之間的關係推導如下，
(1)
其中，r1=re1+rc+rω，r2=re2+rc+rω，l1=le1+lw，l2=le2+lω，脈衝電流i0通過支路一和支路二分別與電極絲連接，支路一和支路二的導線電感均為lω，導線電阻均為rω，rc為導線與電極絲的接觸電阻，lω、rω、rc由導線及電極材料決定，均為常量，re1為放電位置與上導電塊之間的電極絲電阻，re2為放電位置與下導電塊之間的電極絲電阻，le1為放電位置與上導電塊之間的電極絲電感，le2為放電位置與下導電塊之間的電極絲電感，
i1+i2=i0(2)
其中i0為階躍函數，，其中a為常數，
根據微分定理和線性定理對(1)、(2)式作拉普拉斯變換並查表解得，
(3)
式中，t=l/r，r=r1+r2，l=l1+l2，
同理，
(4)
當t→∞時，
(5)
(6)
簡化得，
(7)
(8)
將支路一和支路二的電流作差i1-i2，該電流差與放電位置兩邊的電極絲長度差成線性關係，因此該電流差與放電位置距離工作檯的高度成線性關係(即標定函數)，可以通過檢測兩支路的電流來確定放電位置，
i1-i2=kx+b(9)
式中，x為放電位置距離工作檯的高度，k、b是標定係數，為定值，結合實驗可以通過所述函數擬合模塊擬合出k、b的值，實驗過程中設置不同的高度x，根據不同x的對應的i1-i2數值進行最小二乘法擬合，得出放電位置的標定函數的係數，所述位置標定模塊用於通過放電位置標定函數根據採集的i1-i2數值計算出放電位置x。
在本發明的一個具體實施例中，所述外部電源為5v直流穩壓電源，所述支路一連接上導電塊，支路二連接下導電塊，所述支路一電流傳感器、支路二電流傳感器與外部電源間的導線長度相等，根據要採集的電流值大小，電流傳感器的有效量程應大於0-14a，所選的電流傳感器為瑞士lem公司生產的lts6-np多級電流傳感器，測量範圍為-19.2a-19.2a。支路一電流傳感器、支路二電流傳感器採集的電信號進入信號調理電路，將脈衝信號中通過傳感器形成的部分高頻震蕩波濾掉，並將電壓轉換為0-5v進入數據採集卡，經過信號調理電路進入示波器的電信號只進行濾波處理，不進行大小轉換。
所述的數據採集卡的工作電壓為5v，可以通過pc機的pci接口獲得，不需要額外電源供電。在進行標定函數擬合時，要將工件放置於距離工作檯不同的高度，這裡選擇的高度為0mm、40mm、80mm、120mm和160mm，也可以根據實際線架高度選擇其他的位置高度，這裡的工件為厚度2mm的薄板，材料為冷作模具鋼cr12mov。所述示波器型號為tektronix泰克數字示波器tds2012c，實驗過程中選擇脈衝觸發。
硬體驅動和管理模塊一、硬體驅動和管理模塊二的主要任務包括創建設備對象、初始化設備a/d、啟動a/d設備、讀取a/d數據，實現外界硬體的驅動，以二進位的形式被labview程序採集。
對標定函數進行最小二乘法擬合通過函數擬合模塊進行，在後面板選擇線性擬合控制項，該控制項的x輸入端連接工件的五個位置高度所創建的數組，該控制項的y輸入端連接分別在五個位置高度採集的電流差所創建的數組，其中數組中的電流差與x輸入端連接的五個位置高度依次對應。該控制項的輸出端輸出擬合函數的斜率、截距，以及xy圖，xy圖顯示擬合的直線，斜率和截距用於位置標定模塊中進行位置標定，放電位置根據式(10)進行計算。通過示波器和數據採集卡採集的電流值均經過位置標定模塊計算後在數值與波形顯示面板上顯示放電位置的數值和點，要說明的是在進行函數擬合時加工的工件為2mm厚的薄板，運用位置標定模塊進行放電位置採集時的工件為任意厚度的工件，
(10)
通過位置標定模塊能夠根據支路一電流和支路二電流的差值計算出放電位置，並將數值和放電位置點顯示在所述的數值與波形顯示面板，可以通過控制面板上的按鈕控制數據存儲模塊進行存儲。數值與波形顯示面板上顯示的內容有：通過數據採集卡採集的支路一電流和支路二電流的數值和波形顯示、放電位置數值和放電位置波形顯示，對示波器輸入的電流進行數值和波形顯示、放電位置數值和放電位置波形顯示，其中放電位置的波形以點的形式顯示，為了便於對比觀察，通過數據採集卡採集的電流與示波器採集的電流波形顯示在同一個波形圖上，示波器與數據採集卡同時採集電流以保證數據的精確性，一般情況下以示波器採集的電流值為準，要求通過數據採集卡採集的放電位置誤差低於±0.1mm。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。