電火花線切割加工能耗數(shù)據(jù)采集及其特征分析

賴旭偉，賈苛珍，鄭 軍

(浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，杭州310023)

環(huán)境和能源問題已成為全球性的重要問題，減少工業(yè)加工過程中的能耗是制造業(yè)的重要課題。《中國(guó)制造2025》更是明確地將“綠色制造”列入五大工程之一，指出要加大先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)力度［1］。美國(guó)能源部在分析制造業(yè)加工過程能耗狀況的基礎(chǔ)上，建立了制造工業(yè)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃來(lái)提高制造過程中的能源利用率［2］。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外科研人員展開了制造業(yè)加工過程中提高能源利用率的相關(guān)研究，以達(dá)到節(jié)能減排目的［3］，如:Gutowski和Wolf等［4-5］從熱力學(xué)角度研究了鑄造過程中各種加工工藝的能量消耗特性，并對(duì)能耗進(jìn)行了評(píng)估;Eberspaecher等［6］對(duì)制造過程中的能耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)、評(píng)估、優(yōu)化和建模仿真等研究，提出了制造過程能耗預(yù)測(cè)模型;Dornflou和Cao等［7-8］在研究制造過程資源利用的基礎(chǔ)上，建立了制造過程資源利用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);杜彥斌等［9］對(duì)制造系統(tǒng)的碳排放動(dòng)態(tài)特性及優(yōu)化進(jìn)行了研究，提出了機(jī)械制造系統(tǒng)碳排放動(dòng)態(tài)特性模型和面向機(jī)械加工工藝的低碳優(yōu)化方法。然而，針對(duì)電火花線切割機(jī)床能耗的研究卻相對(duì)較少。電火花線切割機(jī)床是一種非傳統(tǒng)的非接觸式加工方法，加工時(shí)通過電極絲與工件之間的放電產(chǎn)生高溫，達(dá)到熔化切割工件的目的。電火花線切割加工具有能加工難加工材料和精密復(fù)雜零件以及表面成形精度高等特點(diǎn);同時(shí)可以節(jié)省大量的原材料，材料利用率高，在中國(guó)制造業(yè)中占有重要地位［10］。但是，電火花線切割加工效率低、能耗大是阻礙電火花線切割加工發(fā)展的主要問題［11］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工及機(jī)電控制研究所于2000年提出了兩級(jí)結(jié)構(gòu)PWM控制節(jié)能式脈沖電源，有效地將電能利用率提高到70%左右［12］;Ho等研究了對(duì)火花放電的監(jiān)測(cè)和控制，在提高能量利用率的基礎(chǔ)上提高加工效率［13］。電火花線切割能耗主要由設(shè)備本身、工藝參數(shù)、加工工藝、工件材料、電參數(shù)等共同決定，因此針對(duì)電火花線切割加工過程的整體能耗研究非常必要。

1 電火花線切割加工特征

電火花線切割機(jī)床在加工過程中，通過脈沖電源向電極絲發(fā)射脈沖電能，電極絲與工件之間形成電場(chǎng)，隨著工件與電極絲的接近，電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)二者之間距離最近的一點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，電子由電極絲向工件高速運(yùn)動(dòng)，擊穿電極間的絕緣層，產(chǎn)生等離子通道，等離子通道的高溫融化電極，達(dá)到切割的目的［14］。在整個(gè)加工過程中，數(shù)控柜始終處于運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置以及人機(jī)信息交換控制［15］。根據(jù)線切割的加工原理，加工過程中有五部分參與加工、產(chǎn)生能耗:即運(yùn)絲系統(tǒng)、工作液系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、脈沖電源。這幾部分在數(shù)控柜的控制下完成整個(gè)加工。在加工過程中，根據(jù)加工環(huán)境的不同，其他輔助設(shè)施如照明設(shè)施等也會(huì)產(chǎn)生能耗。數(shù)控柜以及電路系統(tǒng)在整個(gè)作業(yè)過程中能耗穩(wěn)定。運(yùn)絲系統(tǒng)主要通過電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)絲筒的快速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電極絲的往復(fù)走絲，根據(jù)實(shí)際加工需要，可設(shè)置不同的絲速，此部分能耗受相應(yīng)工藝參數(shù)影響。工作液系統(tǒng)通過水泵向整個(gè)加工平臺(tái)提供工作液，實(shí)現(xiàn)冷卻、提供介質(zhì)以及沖洗工件的作用，整個(gè)加工過程中水泵的功率整體無(wú)波動(dòng)，始終維持在一定值，該部分在加工過程中能耗相對(duì)穩(wěn)定。進(jìn)給系統(tǒng)包括X進(jìn)給、Y進(jìn)給及錐度方向上的進(jìn)給。進(jìn)給速度可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置，在進(jìn)給時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的加工軌跡，不同方向上的電機(jī)以相應(yīng)的速度配合進(jìn)給，形成各種復(fù)雜的加工路徑，該部分能耗受加工參數(shù)影響。脈沖電源在加工時(shí)向電極絲提供脈沖能源，脈沖特性較為復(fù)雜，在加工過程中受脈間距、脈寬、跟蹤、限速等電參數(shù)影響較大，同時(shí)與具體加工工件的材料也有一定的關(guān)系［16］。

2 數(shù)控電火花線切割加工過程數(shù)據(jù)采集平臺(tái)構(gòu)建

2.1 加工過程能耗檢測(cè)原理

圖1 能耗檢測(cè)原理Fig.1 Principle of energy consumption detection

能耗檢測(cè)原理如圖1所示?，F(xiàn)有的電火花線切割機(jī)床加工多采用集中式供電方式，即機(jī)床的總電源唯一。電能由電源處經(jīng)過唯一的通道傳入機(jī)床，在機(jī)床內(nèi)部根據(jù)機(jī)床自身的電路系統(tǒng)分散式工作。在對(duì)這類供電電源唯一的機(jī)床進(jìn)行能耗檢測(cè)時(shí)，可通過硬件設(shè)備對(duì)其供電處的電流和電壓值進(jìn)行檢測(cè)，并通過LabVIEW編程對(duì)所得電流電壓值進(jìn)行處理，即可得到整個(gè)加工過程中的實(shí)時(shí)總功率以及整個(gè)加工的總能耗，最后通過MySQL保存所采集的數(shù)據(jù)。其中電流信號(hào)的采集是通過電壓采集板卡采集電流傳感器處的電壓信號(hào)，再通過公式運(yùn)算，利用LabVIEW程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電流值，此種方案相較于直接使用電流數(shù)據(jù)采集卡更加實(shí)惠。

2.2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控電火花線切割機(jī)床能耗采集平臺(tái)的硬件系統(tǒng)以及相關(guān)電路包括電能信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電能信號(hào)采集系統(tǒng)兩部分。其中電能信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由原邊電阻、傳感器、采樣電阻、傳感器電源、連接電路組成。電能信號(hào)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集板卡和電腦組成。平臺(tái)電路原理如圖2所示。

圖2 平臺(tái)電路示意Fig.2 Platform circuit schematic

圖2 中硬件可分為電流信號(hào)采集和電壓信號(hào)采集兩部分。其中電流信號(hào)采集部分中，導(dǎo)線一端通過插頭直接與電源連接，導(dǎo)線按電流方向穿過電流傳感器(LA)內(nèi)部，另一端與機(jī)床連接。電壓信號(hào)采集部分中的電壓傳感器(LV)上引腳部分通過原邊電阻R1分別與電源和接地端相連。其中采樣電阻RM與電流(電壓)傳感器M端口連接，采樣電阻的前端與數(shù)據(jù)采集板卡的偶數(shù)端口相連，采樣電阻的后端與數(shù)據(jù)采集板卡的奇數(shù)端口相連。傳感器由傳感器電源統(tǒng)一供電，傳感器電源型號(hào)根據(jù)傳感器型號(hào)而定。

根據(jù)機(jī)床具體的電流、電壓性能參數(shù)的不同，所需的電壓、電流傳感器也不同。鑒于中國(guó)的工業(yè)用電電壓為380 V，因此硬件中的電壓傳感器應(yīng)具備如下性能:測(cè)量最大電壓值為537 V，數(shù)據(jù)采集速度大于2 000次/s。電流傳感器應(yīng)具備如下性能:測(cè)量最大電流值大于 Ppc/380/槡3/0.9，數(shù)據(jù)采集速度大于2 000次/s，精度大于1%。其中Ppc為機(jī)床的功率容量，根據(jù)機(jī)床不同其值也不同。因此，可測(cè)電流范圍根據(jù)功率容量而發(fā)生變化，可測(cè)電流范圍根據(jù)可測(cè)最大電流而定。

本平臺(tái)選用的數(shù)據(jù)采集板卡模擬輸入分辨率為16 bit，支持4路同步采樣模擬輸入，最高采樣率為100 000/s個(gè)數(shù)據(jù)，可接受電壓信號(hào)范圍為－10～10 V。硬件系統(tǒng)中的原邊電阻R1的作用是將輸入平臺(tái)的電壓降至傳感器可接受范圍之內(nèi)，其型號(hào)可根據(jù)具體的電壓傳感器的額定電壓選取。采樣電阻RM的型號(hào)根據(jù)數(shù)據(jù)采集板卡可接受的信號(hào)范圍而選取為100。

平臺(tái)采集到的電壓電流值是經(jīng)過原邊電阻以及采樣電阻降低之后的值，因此在程序中，需要通過對(duì)采集到的值乘以一定的倍數(shù)才能得到機(jī)床實(shí)際的電壓電流值。采集值與實(shí)際值之間的關(guān)系見式(1)和式(2)。

式(1)～(2)中:uin為機(jī)床實(shí)際電壓值;uout為設(shè)備采集到的電壓值;R1為原邊電阻阻值;RM為采樣電阻阻值;KN為傳感器的轉(zhuǎn)換率;Iin為機(jī)床實(shí)際電流值;Iout為設(shè)備采集到的電流值。

2.3 平臺(tái)軟件編程

本平臺(tái)采用LabVIEW進(jìn)行程序編寫。程序用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理以及保存，主要包括前面板的設(shè)計(jì)以及程序框圖的編寫。如圖3所示，程序部分的整個(gè)前面板分為輸入控制區(qū)和顯示區(qū)。界面的左側(cè)為輸入控制部分，包括:數(shù)據(jù)通道的選取，每個(gè)數(shù)據(jù)板卡有4組通道，設(shè)備供電為三相輸入，因此每個(gè)板卡需選取相應(yīng)的3組通道;有效信號(hào)的范圍設(shè)置，本平臺(tái)選用的數(shù)據(jù)板卡所接受的電壓信號(hào)范圍為－10～10 V;數(shù)據(jù)采集頻率、樣本讀取值以及數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)與停止。界面右側(cè)為顯示區(qū)，包括:總功率曲線圖，顯示整個(gè)加工過程的功率變化;分段功率曲線圖，用于查看某一時(shí)刻的功率特性;總能耗曲線圖、實(shí)時(shí)電流電壓波形圖，分別有3條曲線，每條曲線代表每個(gè)相線上的實(shí)時(shí)電流、電壓值。

圖3 系統(tǒng)程序前面板Fig.3 Program front panel

能耗采集程序流程以電流、電壓數(shù)據(jù)流的處理為導(dǎo)向，包括數(shù)據(jù)通道模塊以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，對(duì)采集到的電信號(hào)處理、相關(guān)功率和能耗的計(jì)算顯示和存儲(chǔ)，如圖4所示。

程序的編寫以while循環(huán)為主體。對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行分流以及顯示。通過for循環(huán)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行相乘并添加到空的數(shù)組生成實(shí)時(shí)功率，對(duì)生成的功率進(jìn)行積分并添加到空的數(shù)組中生成相應(yīng)的能耗值。同時(shí)通過數(shù)據(jù)庫(kù)板塊對(duì)功率及能耗值進(jìn)行儲(chǔ)存。

3 數(shù)控電火花線切割加工過程能耗特征分析

3.1 能耗測(cè)試方案

本次平臺(tái)的測(cè)試對(duì)象選取DK7740數(shù)控中走絲電火花線切割機(jī)床。該機(jī)床為單一電源供電，滿足平臺(tái)測(cè)試要求。該機(jī)床輸入電壓為三相380 V工業(yè)用電，功率容量為3 kVA，最大輸出電流為5.064 48 A。

根據(jù)被測(cè)試對(duì)象電壓電流性能參數(shù)，選擇的電流傳感器和電壓傳感器具體參數(shù)如表1所示。

圖4 能耗采集程序流程示意Fig.4 Flow chart of energy consumption acquisition process

表1 傳感器參數(shù)Table 1 Parameters of sensor

根據(jù)表1傳感器的參數(shù)以及前文所述的數(shù)據(jù)采集卡的有效信號(hào)值范圍，確定所需原邊電阻R1可選取為22 kΩ。根據(jù)所選傳感器確定傳感器電源具備如下條件。

LV25-P對(duì)電源的要求:電壓輸入±15 V，最大電流消耗Imax=ISN+Ic=10+25=35 mA。

LA55-P對(duì)電源的要求:電壓輸入±15 V，最大電流消耗Imax=ISN+Ic=10+50=60 mA。

因此傳感器部分對(duì)電源的要求:電壓輸入±15 V，帶有0 V電勢(shì)點(diǎn)，最大電流消耗Imax=35×3+60×3=285 mA，Pmax=4.275 W。

根據(jù)式(1)和式(2)，以及 R1=22 kΩ，RM=100 Ω，可得 uin=176 uout，Iin=10 uout。因此，對(duì)相應(yīng)的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，如圖5所示。

圖5 電流、電壓參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameters of current and voltage

此外，針對(duì)數(shù)據(jù)需求可自行設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率等其他參數(shù)，如Minimum Value=－10.00、Maximum Value=10.00、Sample Rate=1 000 Hz、Samples to Read=100。

試驗(yàn)過程中采集的主要數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)電壓信號(hào)、實(shí)時(shí)功率等數(shù)據(jù)，通過對(duì)電壓、功率以及能耗數(shù)據(jù)的直接采集，可以較為直觀地對(duì)其進(jìn)行分析處理。本試驗(yàn)方案中的線切割對(duì)象如圖6所示，該工件材料為:Q235-A鋼，長(zhǎng)200 mm，寬70 mm，厚4 mm。加工路徑為沿Y軸正水平切割，加工距離為75 mm、實(shí)際切割70 mm(加工軌跡如圖6虛線所示，圖中單位均為mm)。

3.2 加工過程能量消耗特征分析

對(duì)平臺(tái)所采集的功率、能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，可以分析并得到面向DK7740在加工過程中的主要能量消耗情況及特性。

電火花線切割機(jī)床啟動(dòng)到加工之前的功率如圖7所示，在機(jī)床接通電源的瞬間，功率會(huì)產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)。機(jī)床正式啟動(dòng)時(shí)，功率瞬間可達(dá)到1 620 W。數(shù)控柜電腦啟動(dòng)時(shí)，總功率明顯上升，并保持穩(wěn)定。啟動(dòng)BMXP驅(qū)動(dòng)程序時(shí)功率會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。運(yùn)行工作液系統(tǒng)后，功率上升并保持穩(wěn)定。運(yùn)行送絲機(jī)構(gòu)后，功率上升并保持穩(wěn)定。當(dāng)開始正式加工時(shí)，功率出現(xiàn)瞬時(shí)波動(dòng)。隨著工件與電極絲距離的減少，二者之間逐漸形成通路，電流逐漸增加，此時(shí)功率逐漸增加，直到正式加工。根據(jù)以上所述，該能耗采集平臺(tái)能夠較為精確地采集到機(jī)床在加工過程中的細(xì)微功率變化，且能匹配相應(yīng)的加工狀態(tài)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得到，在機(jī)床進(jìn)行任何操作之前，機(jī)床功率保持穩(wěn)定狀態(tài)，其能耗特性穩(wěn)定。

圖6 試驗(yàn)工件尺寸Fig.6 Dimension figure of test workpiece

分析整個(gè)加工過程所獲得的功率曲線，如圖8所示，可以將整個(gè)加工過程劃分為基礎(chǔ)運(yùn)行、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、冷卻液系統(tǒng)、材料去除等主要過程。分析得到在短期加工過程中，線切割加工的材料去除能耗與其他輔助部分的能量消耗相對(duì)占比較少。在短期加工過程中，線切割材料去除能耗與材料類型、加工的軌跡以及加工時(shí)間、工件表面具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度。當(dāng)各類參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，其材料去除能耗也穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍內(nèi)，并維持微小波動(dòng)。

圖7 DK7740初始加工過程的功率特性Fig.7 Power characteristics of the initial processing in DK7740

圖8 DK7740加工過程的功率、能耗曲線Fig.8 Power and energy consumption curve during processing of DK7740

加工過程中具體功率以及相應(yīng)的加工狀態(tài)見表2。

表2 加工過程數(shù)據(jù)Table 2 Processing data

根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試分析所獲得的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步分析線切割加工過程中輔助部分的能量消耗情況，其中冷卻液系統(tǒng)采用固定水泵供能，以相對(duì)穩(wěn)定的功率運(yùn)行。運(yùn)絲系統(tǒng)中功率的變化主要以絲速的設(shè)置為主。絲速的設(shè)置關(guān)系著加工質(zhì)量與加工速度，不同的絲速所產(chǎn)生的能耗不同。圖9中，分別是DK7740相應(yīng)的4個(gè)絲速檔位下運(yùn)絲系統(tǒng)的功率。通過分析可以得到，隨著絲速增加，該部分功率呈階梯狀上升，且換向周期逐漸縮短，換向時(shí)功率波動(dòng)也越大。因此隨著絲速的增加，整體能耗將增加。

圖9 DK7740運(yùn)絲機(jī)構(gòu)絲速與功率關(guān)系曲線Fig.9 Relation between wire speed and power of thread feeding mechanism of DK7740

進(jìn)給系統(tǒng)的作用主要是通過電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)的進(jìn)給實(shí)現(xiàn)各種軌跡的形成。其能耗與進(jìn)給速度以及實(shí)時(shí)的材料去除狀態(tài)有關(guān)。常見的加工軌跡有直線(水平、豎直)進(jìn)給、斜線進(jìn)給、圓弧進(jìn)給。其中直線進(jìn)給時(shí)只需要單一方向上的電機(jī)工作。斜線進(jìn)給時(shí)根據(jù)角度的不同，X、Y方向上的速度也不同，當(dāng)斜線傾角為45°時(shí)，X、Y方向上所提供的速度相同。圓弧進(jìn)給時(shí)，根據(jù)圓弧曲率的不同，X、Y方向上也需要以不同的速度進(jìn)給。整個(gè)進(jìn)給過程中功率根據(jù)不同的進(jìn)給需求而變化。圖10為3種常見特征進(jìn)給時(shí)的功率曲線。通過分析得到，工件的加工軌跡對(duì)能耗會(huì)產(chǎn)生一定的影響，且在同一加工限速下，單獨(dú)的X或Y方向進(jìn)給時(shí)能耗最低，斜線、弧線進(jìn)給的能耗相對(duì)較高。

圖10 DK7740不同進(jìn)給下的功率曲線Fig.10 Power curve of DK7740 under different feeds

4 結(jié)論

筆者從整體加工能耗的角度，提出了一種數(shù)控電火花線切割機(jī)床加工總能耗采集平臺(tái)，以及對(duì)它的實(shí)際應(yīng)用。通過具體的機(jī)床實(shí)例，有效地驗(yàn)證了平臺(tái)的可靠性。并通過對(duì)采集到的實(shí)際加工數(shù)據(jù)以及機(jī)床空運(yùn)行過程中的部分能耗進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:

1)電火花線切割加工的材料去除能耗與其他輔助部分的能量消耗相比占比較少。當(dāng)各類參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，其材料去除能耗也穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定范圍內(nèi)，并維持一定的微小波動(dòng)。

2)電火花線切割加工輔助運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)絲系統(tǒng)的能耗受絲速影響，且絲速越高，能耗越大。

3)進(jìn)給系統(tǒng)的能耗受加工軌跡特征影響，且單獨(dú)X、Y方向上的進(jìn)給時(shí)，能耗最低。

通過以上分析可以確定電火花線切割機(jī)床自身的能耗影響因素，尤其是針對(duì)特征進(jìn)給對(duì)能耗的影響，可以在設(shè)計(jì)加工階段起到減少能耗的作用。后續(xù)可以針對(duì)電火花線切割材料去除能耗的組成、影響因素及其優(yōu)化路徑等展開深入研究。

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