CN110632411B - 电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法，包括以下步骤：步骤一：获取工件几何图、毛坯信息、电参数；步骤二：依据时间节点划分切割事件；步骤三：瞬时电压、瞬时电流实时采集；步骤四：瞬时功率实时处理；步骤五：瞬时能耗实时处理；步骤六：瞬时电火花线切割加工能效获取；步骤七：能效判断；步骤八：节能优化。本发明能够结合工件信息、实时电压及电流获得加工能效，对加工能效进行在线监测。本发明同时结合加工能效判断是否优化电参数，以获得较为合适的加工工艺方案。
Description
【技术领域】
本发明涉及电火花线切割加工能效的技术领域，特别是电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法的技术领域。
【背景技术】
目前，随着经济的发展，环境资源日益遭到破坏，为实现经济的可持续发展，需要节约资源，实现可持续制造。2015年的《BP世界能源统计年鉴》指出，中国在2014年全年的电消耗为240.8百万吨油当量，占全球总电消耗的27.4％，增幅在15.7％。《中国能源统计年鉴2013》中指出中国制造业的电消耗为26822.46亿千瓦时，占工业用电消耗的80.46％。《绿色制造工程实施指南(2016-2020年)》强调了制造业发展对资源环境的影响的重要性。特别的，以利用化学能、电能以及机械能对材料进行加工的特种加工，在制造业中发挥了极其重要和不可替代的作用。数控电火花线切割属于特种加工中的一种，是一种直接利用电能进行材料加工的加工方法，线切割加工过程相对于其他传统材料去除过程是能源更为密集的加工方式。电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法，是实现线切割加工节能的基础和关键。
现有的材料去除率MRR和单位体积能耗SEC用于衡量电火花线切割加工效率，其中
(Qvolume为总材料去除体积、Δt为间隔时间)、
(Etotal为总能耗、Qvolume为总材料去除体积)。但是，由于融化的体积并不与切除面积线性相关，且被去除毛坯的不确定性，因此，需要用去除单位截面积所需要的能耗来衡量电火花线切割的加工能效。
数控电火花线切割机床的电流稳定在2.5A左右、具有树枝状的火花放电效果的电火花线切割加工过程称为正常加工。而加工过程中出现的短路、断丝、二次放电、电弧放电、抖丝等异常过程称为异常加工。通过采集电压信号、电流信号，可以处理获得功率，进一步处理可获得能耗、能效，从而可以通过能效判断电参数是否需要调整。电流不稳定、放电效果不理想的加工，能效不稳定且会有较高的瞬时能效。
针对电火花线切割批量加工零件，很有必要对加工工艺过程的能效进行在线监测，同时不断节能优化，以获得最佳电参数。同时，类似于现有的车辆排放等级等参数，加工能效同时可以作为衡量加工节能的标准，使得加工达到绿色要求。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法，能够结合工件信息、实时电压及电流获得加工能效，对加工能效进行在线监测。本发明同时结合加工能效判断是否优化电参数，以获得较为合适的加工工艺方案。
为实现上述目的，本发明提出了电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法，包括以下步骤：
步骤一：获取工件几何图、毛坯信息、电参数：所述毛坯信息包括毛坯尺寸、毛坯材质，毛坯尺寸包括毛坯长、宽、厚；
步骤二：依据时间节点划分切割事件：按照切割类型依据时间节点将加工过程划分为切割事件；
步骤三：瞬时电压、瞬时电流实时采集：通过电信号采集装置对电火花线切割机床进线端的瞬时电压、瞬时电流进行实时采集；
步骤四：瞬时功率实时处理：瞬时电压与瞬时电流求积，获得瞬时功率；
步骤五：瞬时能耗实时处理：事件A的瞬时能耗为EAi＝∫PAidt＝∫(UAi·IAi)dt，其中PAi为事件A的瞬时功率、UAi为事件A的瞬时电压、IAi为事件A的瞬时电流；
步骤六：瞬时电火花线切割加工能效获取：事件A的瞬时电火花线切割加工能效为
其中EEAi的单位为J/mm2、AAi为事件A的瞬时的工件加工面积、dAi为事件A的瞬时的工件厚度、vAi为事件A的运动速度、Δti为0.2s-0.5s；
步骤七：能效判断：与能效标准值比较，判断EEAi＜EEAs是否成立，其中EEAs为事件A的能效标准值；成立时，无需节能优化；不成立时，进行步骤八的节能优化；
步骤八：节能优化：调整电参数，再次加工。
作为优选，所述步骤一中的电参数包括速度v、脉间距Ps、脉宽Pw、峰值电流值IP。
作为优选，所述步骤二中的节时间点取切割始末时间、不同切割的转换时间，切割事件包括直线切割事件、圆弧切割事件、斜线切割事件、齿形切割事件、变厚度直线切割事件、变厚度圆弧切割事件、变厚度斜线切割事件、变厚度齿形切割事件。
作为优选，所述步骤三中的电信号采集装置包括电压传感器、电流传感器、数据采集板卡，电信号采集装置用于采集电压信号和电流信号。
作为优选，所述步骤七中的能效标准值为EEAs(dA,λm，λT)，其中dA为工件厚度、λm为材料系数、λT为机床系数，能效标准值为关于工件厚度、材料系数、机床系数的参数。
本发明的有益效果：本发明能够结合工件信息、实时电压及电流获得加工能效，对加工能效进行在线监测。本发明同时结合加工能效判断是否优化电参数，以获得较为合适的加工工艺方案。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法的方法原理图。
【具体实施方式】
参阅图1，本发明，包括以下步骤：
步骤一：获取工件几何图、毛坯信息、电参数：所述毛坯信息包括毛坯尺寸、毛坯材质，毛坯尺寸包括毛坯长、宽、厚；
步骤二：依据时间节点划分切割事件：按照切割类型依据时间节点将加工过程划分为切割事件；
步骤三：瞬时电压、瞬时电流实时采集：通过电信号采集装置对电火花线切割机床进线端的瞬时电压、瞬时电流进行实时采集；
步骤四：瞬时功率实时处理：瞬时电压与瞬时电流求积，获得瞬时功率；
步骤五：瞬时能耗实时处理：事件A的瞬时能耗为EAi＝∫PAidt＝∫(UAi·IAi)dt，其中PAi为事件A的瞬时功率、UAi为事件A的瞬时电压、IAi为事件A的瞬时电流；
步骤六：瞬时电火花线切割加工能效获取：事件A的瞬时电火花线切割加工能效为
其中EEAi的单位为J/mm2、AAi为事件A的瞬时的工件加工面积、dAi为事件A的瞬时的工件厚度、vAi为事件A的运动速度、Δti为0.2s-0.5s；
步骤七：能效判断：与能效标准值比较，判断EEAi＜EEAs是否成立，其中EEAs为事件A的能效标准值；成立时，无需节能优化；不成立时，进行步骤八的节能优化；
步骤八：节能优化：调整电参数，再次加工。
具体的，所述步骤一中的电参数包括速度v、脉间距Ps、脉宽Pw、峰值电流值IP。
具体的，所述步骤二中的节时间点取切割始末时间、不同切割的转换时间，切割事件包括直线切割事件、圆弧切割事件、斜线切割事件、齿形切割事件、变厚度直线切割事件、变厚度圆弧切割事件、变厚度斜线切割事件、变厚度齿形切割事件。
具体的，所述步骤三中的电信号采集装置包括电压传感器、电流传感器、数据采集板卡，电信号采集装置用于采集电压信号和电流信号。
具体的，所述步骤七中的能效标准值为EEAs(dA,λm，λT)，其中dA为工件厚度、λm为材料系数、λT为机床系数，能效标准值为关于工件厚度、材料系数、机床系数的参数。
本发明工作过程：
本发明电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法在工作过程中，结合附图进行说明。
电信号采集装置包括电压传感器、电流传感器、数据采集板卡，电信号采集装置用于采集电压信号和电流信号。电信号采集装置主要由原边电阻、传感器、采样电阻、传感器电源、连接电路、数据采集板卡、电脑组成。通过电压传感器、电流传感器监测到实时的电压、电流信号，通过一次处理获得功率信息，通过二次处理获得能耗信息，通过三次处理获得能效信息。如附图所示，几何图形为机械手，通过电火花线切割切割50*25*3mm的45号钢板而形成。预设电参数进行加工，提前将加工工艺过程根据时间节点划分成若干事件。本实例中，主要的事件有直线切割事件、圆弧切割事件、斜线切割事件、齿形切割事件，其中同一类事件的参数也有所不同。通过实际加工，实时能效获取并判断，在能效大于或等于该事件的能效标准值时，重新调整电参数；直至获得最优加工工艺方案。
能效标准值可以是关于工件厚度、材料系数、机床系数的参数，预先测得，亦可类似于排放等级的指标，对加工进行限制，使得加工更为绿色环保。
本发明，能够结合工件信息、实时电压及电流获得加工能效，对加工能效进行在线监测。本发明同时结合加工能效判断是否优化电参数，以获得较为合适的加工工艺方案。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.电火花线切割加工能效的在线监测及节能优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：获取工件几何图、毛坯信息、电参数：所述毛坯信息包括毛坯尺寸、毛坯材质，毛坯尺寸包括毛坯长、宽、厚；所述电参数包括速度v、脉间距Ps、脉宽Pw、峰值电流值IP；
步骤二：依据时间节点划分切割事件：按照切割类型依据时间节点将加工过程划分为切割事件；所述时间节 点取切割始末时间、不同切割的转换时间，切割事件包括直线切割事件、圆弧切割事件、斜线切割事件、齿形切割事件、变厚度直线切割事件、变厚度圆弧切割事件、变厚度斜线切割事件、变厚度齿形切割事件；
步骤三：瞬时电压、瞬时电流实时采集：通过电信号采集装置对电火花线切割机床进线端的瞬时电压、瞬时电流进行实时采集；所述电信号采集装置包括电压传感器、电流传感器、数据采集板卡，电信号采集装置用于采集电压信号和电流信号；
步骤四：瞬时功率实时处理：瞬时电压与瞬时电流求积，获得瞬时功率；
步骤五：瞬时能耗实时处理：事件A的瞬时能耗为EAi＝∫PAidt＝∫(UAi·IAi)dt，其中PAi为事件A的瞬时功率、UAi为事件A的瞬时电压、IAi为事件A的瞬时电流；
步骤六：瞬时电火花线切割加工能效获取：事件A的瞬时电火花线切割加工能效为
其中EEAi的单位为J/mm2、AAi为事件A的瞬时的工件加工面积、dAi为事件A的瞬时的工件厚度、vAi为事件A的运动速度、Δti为0.2s-0.5s；
步骤七：能效判断：与能效标准值比较，判断EEAi＜EEAs是否成立，其中EEAs为事件A的能效标准值；成立时，无需节能优化；不成立时，进行步骤八的节能优化；所述能效标准值为EEAs(dA,λm，λT)，其中dA为工件厚度、λm为材料系数、λT为机床系数，能效标准值为关于工件厚度、材料系数、机床系数的参数；
步骤八：节能优化：调整电参数，再次加工。
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