纪仁杰, 刘永红, 吴宝贵， 李小朋, 蔡宝平, 江 兆

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)



基于LabVIEW的电火花放电状态检测实验平台开发

纪仁杰, 刘永红, 吴宝贵， 李小朋, 蔡宝平, 江 兆

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)

针对学生在特种加工实验课中难以理解和区分各种电火花放电状态的问题,利用LabVIEW软件,以放电电流和放电电压为主要检测参数,开发了电火花放电状态检测实验平台。采用该平台对实际电火花放电加工进行了检测,结果表明,所开发的电火花放电状态检测实验平台能够及时判断各种放电状态,并在程序界面中予以直观显示，便于学生对电火花加工原理的认识和理解,可以激发学生的积极性,有效地提高了学生的学习效率和实验教学效果。

电火花状态检测;实验平台；LabVIEW

电火花加工是利用电极和工件之间的脉冲性火花放电产生的局部、瞬时高温来蚀除工件材料,加工过程中工件和电极之间没有直接接触和宏观机械力,被广泛应用于航空航天、模具制造、仪器仪表、生物医学机械、电机、电器以及汽车制造等领域,取得了较大的社会和经济效益[1-4]。然而,由于电火花加工放电频率高,放电加工过程中有开路、正常放电、短路、过渡电弧和稳定电弧等多种放电状态[5-7],且影响放电状态的因素很多,其随机性也很强,学生在特种加工实验课上很难理解和区分各种放电状态,影响了学生对其加工原理的理解。

LabVIEW是由美国NI公司推出的一种图形化编程语言,使程序员脱离了繁重的编写代码,具有程序直观、编程效率高等优点,被广泛用于各种实验平台的开发[8-13]。基于此,本文利用LabVIEW软件,以放电电流和放电电压为主要检测参数,开发出了电火花放电状态检测实验平台。该平台能够及时判断并直观显示各种放电状态,有利于学生对电火花加工原理的认识和理解,提高了实验教学效果。

1 放电状态检测实验平台的设计

放电状态检测实验平台(以下简称实验平台)的设计主要包括硬件设计、结构设计和界面设计。该实验平台采用的硬件主要包括数据采集卡、PC机以及输入输出设备,其硬件系统结构如图1所示。电火花放电电压和电流信号的模拟量通过数据采集卡转化为数字量并传输到计算机内存,然后由程序处理判断输出图像与电火花放电状态,并保存数据。采集卡采用NI 9203和NI 9205。NI Compact DAQ 8槽以太网机箱(型号NI cDAQ-9188)。

图1 硬件系统结构流程图

该实验平台结构框图如图2所示,主要包括数据采集、波形显示、数据统计、分析、警示等模块。数据采集模块用于采集放电电压和放电电流,波形显示模块用于实时显示采集到的放电电压和电流波形,数据统计模块用于统计一段时间内各种放电状态出现的次数,分析模块根据数据统计模块统计的数据来分析加工间隙整体的放电状态,警示模块主要用于长时间空载的提示以及长时间电弧放电的报警。

图2 放电状态检测实验平台结构框图

根据该实验平台结构框图,用LabVIEW软件设计出的该实验平台界面如图3所示。该界面主要包括波形显示、状态显示、加工控制及放电电流设定等模块。波形显示模块将采集卡采集到的放电电流和电压数据予以实时显示,便于实验过程中学生对放电状况的实时观测。状态显示模块将采集到的放电电流与电压数据通过一定的判断后给出间隙整体的放电状态。加工控制模块用于选择合适的放电脉宽和脉冲间隔。放电电流设定模块用于设定放电过程中的电流幅值。输出模块用于输出设定的脉冲宽度、脉冲间隔以及电流幅值。

图3 放电状态检测实验平台界面

该实验平台界面的程序如图4所示,主要包括采集模块、数据存储模块、状态判断模块以及信号输出模块等。采集模块接收采集卡的电压与电流信号,并将这些信号发送给数据存储模块与状态判断模块。该实验平台使用NI公司的采集卡NI9203与NI9205,前者用于采集电流,后者用于采集电压,只要在计算机上安装NI-cDAQmx采集卡驱动软件,就可以在LabVIEW中的DAQ子函数库中直接调用驱动程序。

数据存储模块把采集模块的电压与电流信号以文本格式存储下来,该模块涉及文件I/O模块的操作,通过4个节点的设置,可把文件名转换为存储文件的路径连接到写入电子表格的路径节点上,最后生成txt格式的文件。

状态判断模块把采集模块输送的电压、电流信号进行处理,判断目前间隙的放电状态并通过状态指示灯给予显示。本实验平台采用基于LabVIEW软件的检测方法。通过比较5种放电状态的电压最大值发现，空载电压的最大值最大而电流基本接近于零,短路状态的电压最大值最小。因此设定一个电流门限值与一个电压门限值,平均电流小于电流门限值的脉冲为空载状态,平均电压小于电压门限值的脉冲为短路状态,据此可先判断出空载以及短路状态。再利用高频分量检测法检测其余放电状态的高频分量,正常火花放电的波形中有大量的高频分量,经过滤波，整流、积分后幅值最大；过渡电弧的高频分量较少,经过滤波、整压流积分后幅值较小,幅值处于两者之间的放电状态为稳定电弧。基于此可判断出5种火花放电状态,其判断流程如图5所示。

图4 放电状态检测实验平台程序框图

图5 放电状态判断程序流程图

信号输出模块用于输出所设定的电火花放电脉冲,实现加工的自动控制。

2 放电状态检测实验平台的测试

采用实际放电信号对所开发的平台进行测试。放电参数:脉冲宽度500 μs,脉冲间隔400 μs,峰值电压150 V,峰值电流50 A。将实际的放电电压与电流信号输入给平台,开始运行程序后观察电压与电流的波形,同时观察状态指示灯,通过对比波形特征与状态指示灯,来确定程序是否正常运行,同时在适当的情况下记录程序的运行情况。图6为平台在不同时刻的运行结果。由图6可以看出,所开发的放电状态检测平台可根据电火花放电的电压与电流信号判断出实际的火花放电状态,并及时给出相应的提示。

3 结束语

本文基于LabVIEW软件开发了电火花放电状态检测实验平台,该实验平台能够及时判断出各种放电状态,并在程序界面中予以直观显示。该实验平台使学生在学习抽象放电原理的同时,可以直观看到放电状态,便于学生深刻认识和理解电火花放电加工的各种状态和加工机理,激发学生的学习兴趣,改善教学效果。

图6 实验平台不同时刻的运行状态

References)

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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

中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201305)；山东省高等学校教学改革项目(2012018)

纪仁杰(1982—)，男，山东胶州，博士，副教授，研究方向为电火花加工、虚拟仪器的开发与设计.

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

TG661；G484

A

1002-4956(2015)2- 0073- 04

仪器设备研制与应用