CN101722474A - Elid磨削电解电流的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种ELID磨削过程中电解电流的控制装置和方法。包括计算机主机，脉冲信号发生卡、数据采集卡、与门驱动电路、脉冲电源和霍尔传感器。控制方法是脉冲信号发生卡生成的脉冲通过与门叠加电路去驱动脉冲电源，数据采集卡通过霍尔传感器和脉冲卡采集电流和脉冲信号，脉冲电源连接电极和铸铁基砂轮对其进行在线电解修整。本发明利用大脉冲实现电解作用的周期性开启和关闭控制磨削过程中电解电流的大小，从而控制氧化膜状态，使之维持在设定的目标值附近，保证磨削过程稳定进行。

Description

ELID磨削电解电流的控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种在ELID磨削过程中电解电流的控制装置和方法。

背景技术

在线电解修整(Electrolytic In-process Dressing，简称ELID)磨削技术是在磨削过程中利用非线性的电解修整作用和砂轮表面生成的氧化膜对电解的抑制作用的动态平衡，对金属基砂轮进行连续修整，使砂轮磨粒获得恒定的突出量，从而实现可控、稳定、最佳的磨削过程。

在ELID磨削过程中，氧化膜的状态(主要是成膜厚度和致密性)，直接关系到磨削加工的效率和加工质量。磨削过程中理想的氧化膜状态应该是既能根据磨削过程的需要使磨料始终保持有一定出刃高度，从而保持金属基砂轮在磨削过程中的锐利性，同时又能够保证砂轮不至于过快消耗，能够充分发挥超硬磨料的磨削能力。因此，在磨削过程中对氧化膜状态的监测和控制是十分必要的。实验表明电解电流的大小与氧化膜的状态关系密切，因而可以用电解电流的大小来表征氧化膜的状态。除去磨削参数，氧化膜状态主要取决于金属结合剂特性、电解液性能和脉冲电源参数。在磨削过程中很难对金属结合剂特性和电解液的性能进行有效控制，而脉冲电源参数则比较容易实现实时调整，因此可以通过在磨削过程中调整脉冲电源的输出参数来控制氧化膜的状态。而目前大多数电源的输出脉冲参数只能在磨削前设定，不能根据需要实时改变，从而造成了磨削过程中氧化膜的状态不稳定，影响磨削过程。磨削参数与磨削效率和加工质量密切相关，因而磨削过程中不宜改变已规划好的磨削工艺参数。调整电解参数如电压或占空比可以改变电解强度从而控制氧化膜状态，但同时会直接引起电解电流的变化，从而导致氧化膜状态的表征失去了基准。因此有必要设计一种新的电解电流控制方法，使之与磨削过程相适应，维持稳定的磨削过程。

发明内容

本发明的目的在于是提供一种ELID磨削电解电流的控制装置和方法。在电解过程中保持占空比和电解电压恒定，从而可以实时监测电解电流(氧化膜状态)；通过电解作用的周期性开启和关闭即间歇电解来调节电解强度，从而达到控制氧化膜状态，使之维持在设定的范围之内。

本发明提供的一种ELID磨削电解电流的控制装置包括计算机主机，脉冲信号发生卡、数据采集卡、与门驱动电路、脉冲电源和霍尔传感器；第一脉冲信号发生卡、第二脉冲信号发生卡和数据采集卡安装在计算机主机内，计算机主机连接与门驱动电路，与门驱动电路连接脉冲电源，霍尔传感器分别连接数据采集卡、在线电解修整电极、铸铁砂轮和数据采集卡。

所述的脉冲信号发生卡可以用脉冲生成电路、单片机或定时器代替，生成控制脉冲。

本发明提供的一种ELID磨削电解电流的控制方法包括的步骤：脉冲信号发生卡生成的脉冲通过与门叠加电路去驱动脉冲电源，数据采集卡通过霍尔传感器和脉冲卡采集电流和脉冲信号，脉冲电源连接电极和铸铁基砂轮对其进行在线电解修整。利用大、小两路脉冲的叠加产生控制脉冲，其中小脉冲控制电解，大脉冲控制控制电解强度。

具体的步骤：

1)打开脉冲电源，调解电源开路电压，一般为90V，通过计算机编程将第一块脉冲信号发生卡的占空比设置成固定值，一般为5us∶5us，第二块脉冲信号发生卡的周期一般为0.01s，不宜过大，而占空比根据采集的电流信号，通过模糊控制算法调节。

2)氧化膜状态不同，砂轮对工件的去除作用不同，因此可以根据磨削需求设定好目标电解电流。当需要大的材料去除率时，设定目标电解电流为较大值，如3A，对应着氧化膜较薄的状态；当需要对工件进行研磨抛光时，设定目标电解电流为较小值，如1A，对应着氧化膜较厚的状态。

3)利用采集卡采集霍尔传感器输出的电解电流和第二个脉冲卡的脉冲信号，通过对脉冲信号高、低电平的判断对电流信号进行截取，即只保留与脉冲高电平相对应的电流信号，并将这些数据点求和，再进行平均，由此计算出此时平均电解电流的大小。

4)根据模糊控制算法，将当前电流与设定的目标电解电流间的误差E和误差变化率EC作为控制器的输入参数，将大脉冲占空比的调节量作为输出参数，来调节脉冲信号发生卡的占空比。如果此时的电解电流大于目标电解电流值，则此时控制器会加大第二脉冲信号发生卡的占空比使电解的强度增强，由于磨削作用一定，氧化膜就会变厚，电解电流也就会下降；如果此时电解电流小于目标电解电流值，则此时控制器会减小第二脉冲信号发生卡的占空比，使电解强度减弱，由于磨削作用一定，氧化膜就会减薄，电解电流也就会上升。

由于在磨削过程中对电解电流进行了控制，使其稳定在设定的目标附近，这样在磨削过程中电解成膜作用和磨削磨损作用就能达到平衡，氧化膜的状态也就恒定，从而保证磨削过程的稳定。

本发明的优点在于利用大小脉冲的叠加控制在ELID磨削过程中电解的周期性开启和关闭从而控制电解电流的大小。在电流控制过程中由于小脉冲的占空比和电解电压恒定，因而根据大脉冲对电解电流进行采集时，其基准也就没有改变，这就保证了采集的电解电流能与氧化膜的状态相对应。通过大脉冲占空比的调解就能改变电解作用的强度，使其与磨削作用相适应，维持砂轮在磨削过程中电解成膜和磨削磨损的平衡，电解电流大小和氧化膜的状态也就恒定，从而保证磨削过程的稳定。

附图说明

图1是本发明的装置的组成示意图框图。

图2是本发明的控制脉冲波形。

图3是在平面磨削中将电解电流控制在1A的电流和占空比变化曲线。

图4是本发明的控制程序框图。

图5是模糊控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

图中：1和2是脉冲信号发生卡，3是数据采集卡，4是计算机，5是与门驱动电路，6是脉冲电源，7是霍尔传感器，8是电极，9是铸铁砂轮，10是工件，11是工作台。

第一脉冲信号发生卡(AC6651，北京双诺测控有限公司)1、第二脉冲信号发生卡(AC6651，北京双诺测控有限公司)2和数据采集卡3安装在计算机主机4内，计算机主机4连接与门驱动电路5，驱动电路5连接脉冲电源6，霍尔传感器(LA28-NP，北京莱姆电子有限公司)7分别连接数据采集卡3、电极8、铸铁砂轮9和数据采集卡3。

所述的第一脉冲信号发生卡输出的是电解脉冲，用于铸铁砂轮的电解。

所述的第二脉冲信号发生卡输出的是控制脉冲，用于控制电解作用的强弱。

第一脉冲信号发生卡1产生一路脉冲，其占空比恒定，周期较小，一般为微秒量级，用于产生电解用的高频直流脉冲信号，称为小脉冲；第二脉冲信号发生卡2产生一路脉冲，其占空比可调，周期较大，约为毫秒量级，用它来控制电解作用的周期性开启和关闭，称为大脉冲。两路脉冲通过与门电路5进行叠加产生控制脉冲，如图2所示。控制脉冲在脉冲电源7内经过一个功率放大电路后去驱动V-MOS功率场效应管对整流滤波后的直流电压进行斩波从而得到一个和控制脉冲波形保持一致的脉冲输出，该脉冲即为电解修整中使用的脉冲。当大脉冲处于低电平状态时，电源输出为零，此时电解过程中断；当大脉冲处于高电平时，电源输出和小脉冲波形一致的脉冲，此时电解过程启动。只需要改变大脉冲的周期和占空比便可以调节在线电解过程占全磨削过程的时间份额，从而调整在线电解作用的平均强度。占空比越大，电解强度越大；占空比越小，电解强度越弱。同时由于在间歇电解过程中电源输出脉冲的幅值和小脉冲的参数都是固定不变的，因此无论大脉冲的占空比怎么调节，在任意时刻的电解过程中，加在两极间的脉冲均是幅值不变、周期和占空比均和小脉冲保持一致的一个直流脉冲。采集卡3同时采集由霍尔传感器7和第二脉冲信号发生卡2输出的电流和脉冲信号，并依据脉冲信号对电流进行触发采集，即只采集脉冲为高电平的信号，从而满足对电解电流进行实时监测的要求。

图4是本发明的控制程序框图。通过计算机编程让脉冲信号发生卡1、2生成大、小两路脉冲，通过与门叠加电路5驱动脉冲电源6内的V-MOS功率场效应管生成电解修整用的电解脉冲。霍尔传感器7采集电解过程中的电流信号和脉冲信号发生卡输出大脉冲信号一起传送到数据采集卡3中，通过计算机编程，对其进行触发采集，即只采集与大脉冲为高电平相对应的电流信号，再作平均求出当前的电解电流的大小。

在具体的ELID磨削过程中，将脉冲信号发生卡1的占空比设置成一固定值5us∶5us，第二脉冲信号发生卡2的周期恒定为0.01s，而占空比可调。根据磨削要求设定控制电流大小，比如需要对工件进行研磨抛光时，要将氧化膜控制在厚的状态下，对应的控制电流为1A左右。利用采集卡3采集霍尔传感器输出的电解电流和脉冲信号发生卡2的脉冲信号，通过对脉冲高低电平的判断对电流信号进行截取，并由此计算出此时真实的电解电流的大小，再将其与设定的目标电解电流值相比较，计算出电流的误差和误差变化率，输入模糊器，计算出大脉冲占空比调节量，调节第二脉冲信号发生卡2的占空比。如果此时的电解电流大于设定的目标电解电流值，则会加大第二脉冲信号发生卡2的占空比使电解的强度增强，让电解电流迅速下降；如果此时电解电流小于设定的目标电解电流值，则会减小第二脉冲信号发生卡的占空比，使电解强度减弱，在一定的磨削强度下砂轮上的氧化膜减薄，电解电流上升。这样就能将电解电流控制在设定的目标值附近，由于电解电流的大小表征了氧化膜的状态，也就使得氧化膜的状态稳定，维持一个稳定的磨削过程。

图3即为在平面磨削中将电流控制在1A左右(氧化膜厚的状态)的电解电流和大脉冲占空比随时间变化曲线，此时对应着氧化膜厚的状态，可以看出电解电流和占空比最终都达到稳定，波动范围很小，其中电解电流在小范围内周期性的波动是由于机床的横向进给造成的磨削面积的周期性变化。

Claims (8)

1.一种ELID磨削电解电流的控制装置，其特征在于它包括计算机主机，脉冲信号发生卡、数据采集卡、与门驱动电路、脉冲电源和霍尔传感器；第一脉冲信号发生卡、第二脉冲信号发生卡和数据采集卡安装在计算机主机内，计算机主机连接与门驱动电路，与门驱动电路连接脉冲电源，霍尔传感器分别连接数据采集卡、在线电解修整电极、铸铁砂轮和数据采集卡。

2.按照权利要求1所述的控制装置，其特征在于第一脉冲信号发生卡的占空比在控制过程中恒定。

3.按照权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于所述的第一脉冲信号发生卡的占空比为：5us∶5us。

4.按照权利要求1所述的控制装置，其特征在于第二脉冲信号发生卡的周期在控制过程中恒定。

5.按照权利要求1或4所述的控制装置，其特征在于第二脉冲信号发生卡的周期为0.01s。

6.按照权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述的脉冲信号发生卡可以用脉冲生成电路、单片机或定时器代替且可以不安装在计算机内，生成控制脉冲。

7.一种权利要求1所述的控制装置进行ELID磨削电解电流的控制方法，其特征在于包括的步骤：两块脉冲信号发生卡生成的大、小两路脉冲，并通过与门叠加电路去驱动脉冲电源，数据采集卡通过霍尔传感器和脉冲卡采集电流和脉冲信号，脉冲电源连接电极和铸铁基砂轮对其进行在线电解修整；利用大、小两路脉冲的叠加产生控制脉冲，其中小脉冲控制电解，大脉冲控制控制电解强度；

具体的步骤：

1)打开脉冲电源，调节电源开路电压，通过计算机编程将第一块脉冲信号发生卡的占空比设置成固定值，第二块脉冲信号发生卡的周期恒定，而占空比根据采集的电流信号，通过模糊控制算法调节；占空比调节范围为20％～100％；

2)根据磨削要求设定目标电解电流值，当需要较大的材料去除率时，将目标电解电流设置为较大值；当需要对工件进行研磨抛光时，将目标电解电流设置为较小值；

3)利用采集卡采集霍尔传感器输出的电解电流和第二个脉冲卡的脉冲信号，通过对脉冲信号高、低电平的判断对电流信号进行截取，即只保留与脉冲高电平相对应的电流信号，并将这些数据点求和，再进行平均，由此计算出此时平均电解电流的大小。

4)根据模糊控制算法，将当前电流与设定的目标电解电流间的误差E和误差变化率EC作为控制器的输入参数，将大脉冲占空比的调节量作为输出参数，调节脉冲信号发生卡的占空比，如果此时的电解电流大于设定的目标电解电流值，则此时控制器会加大第二脉冲信号发生卡的占空比使电解的强度增强；如果此时电解电流小于设定的目标电解电流值，则此时控制器会减小第二脉冲信号发生卡的占空比；

5)在磨削过程中对电解电流进行控制使其稳定在设定的目标值附近，在磨削过程中电解成膜作用和磨削磨损作用达到平衡，氧化膜的状态恒定，从而保证磨削过程的稳定。

8.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于步骤2)所述的大电流为3A，根据氧化膜的状态而定，氧化膜薄；小电流为1A，根据氧化膜的状态而定，氧化膜厚。

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