CN105522238B - 基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脉冲序列分析的放电状态检测模块，包括：平均电压检测电路，峰值平均电压检测电路，状态判别电路，时钟发生电路，计数电路，锁存输出电路，并行输出接口电路和脉冲接口采样电路。与现有技术相比，本发明通过设计时钟发生电路和脉冲接口采用电路将时间序列上各种脉冲放电状态之间的相关性引入放电状态识别中，使检测结果更为准确和全面。同时，由于状态判别电路采用纳秒级的脉冲信号触发器来实现对放电状态的处理与识别，解决了对每一个脉冲进行放电状态识别的速度问题，从而去除传统处理电路中的低通滤波环节，提高了检测结果的实时性，同时也使检测电路更加可靠，更加简单。

Description

基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块

技术领域

本发明涉及电火花加工放电状态检测技术领域，尤其涉及一种放电间隙状态检测模块。

背景技术

电火花加工(EDM)技术，自20世纪40年代开创以来，历经半个多世纪的发展，以其加工不受材料硬度限制、无显著的切削力等独特优势，在模具制造、超硬材料加工等方面得到广泛应用，已成为先进制造技术领域不可或缺的重要组成部分。

要使电火花加工过程能够顺利地进行，必须对电火花加工的过程进行有效控制，如维持合适的放电间隙、自动调节脉冲电源的参数等。如果控制不当，加工中很容易产生开路、短路、拉弧等非正常状态，不仅严重影响电火花加工的效率和质量，甚至使加工无法正常进行下去。然而由于电火花加工的过程十分复杂，随机性强，影响因素多，要建立一个适应范围广、稳定性好、综合性能高的电火花加工过程控制系统是非常不易的。正是由于电火花加工过程控制的重要性和复杂性，使得它一直以来都是电火花加工技术的研究热点，各个时期的最先进控制技术基本上很快都被应用于电火花加工的过程控制，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、灰色控制、遗传算法控制、混合智能控制等。可以说，电火花加工加工设备的性能水平在很大程度上取决于其控制系统。

放电间隙状态检测技术是电火花加工过程控制的基础和关键，因为无论那种先进的控制技术，都要以间隙放电状态作为控制依据，如果不能实现对放电状态全面而准确的检测，再先进的控制技术都将毫无用武之地。同时，由于间隙各放电状态的存续时间短，变化频率高，影响因素多，要想对它进行准确检测是十分困难的。目前，在国内外电火花加工控制系统中常用的放电状态检测方法有平均电压法、高频检测法、击穿延时法、门槛电压法等，它们虽然也能在一定程度上反映出正确的放电状态，但也还存在着较大的局限，主要表现在以下两个方面：一是这些方法基本上是依据某一时刻的电流电压信号来进行状态识别的，没有考虑各放电状态在时序上的相关性，而从实验观察的情况可以发现，相邻的各种放电状态之间往往存在着较大的相关性，例如频繁的短路放电状态之后往往会造成出现电弧放电状态；二是受处理速度的影响，在技术实现上这些方法大都需要采用低通滤波环节，这样不仅造成检测结果的时间滞后，灵敏度降低，而且难以及时识别一些短暂的前兆性信号。这些都势必会影响放电状态检测结果的准确性、实时性和适用性，从而制约了电火花加工控制技术水平的提高。

因此，研制一种通用化的电火花放电间隙状态检测模块对于电火花加工设备开发过程中减少重复性劳动、缩短开发周期、提高设备性能等都具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于脉冲序列分析的电火花加工放电状态检测模块，能根据当前的电压及电流信号特征及前一时段放电状态，逐个脉冲地对各种放电状态进行识别，并对一段时间内的各种状态持续时间进行累计。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块，其特征在于，包括：平均电压检测电路，峰值平均电压检测电路，状态判别电路，时钟发生电路，计数电路，锁存输出电路，并行输出接口电路和脉冲接口采样电路；

所述平均电压检测电路、峰值平均电压检测电路直接与间隙电压输入端连接；

所述状态判别电路根据间隙电压和间隙电流对间隙的放电状态：短路、开路、火花放电、电弧放电进行判别，并以开关量输出；

所述计数电路包括四个计数器，分别与状态判别电路的短路信号输出端、开路信号输出端、火花放电信号输出端、电弧放电信号输出端连接；

所述锁存输出电路包括四个锁存器，每个锁存器与相应的一个计数器连接；

所述并行输出接口电路与四个锁存器的输出端连接；

所述脉冲接口采用电路与各计数器、锁存器连接，用来将各计数器的计数值锁存在相应的锁存器中，并复位各计数器；

所述时钟发生电路和脉冲接口采用电路连接，且时钟发生电路为四个计数器提供时间信号。

作为上述方案的进一步说明，所述状态判别电路包括：

第一比较器，第二比较器，译码器，D触发器，第一与门和第二与门；

第一比较器用来比较间隙电压和参考电压，并把比较结果传输给译码器；

第二比较器用来比较间隙电流和参考电流，并把比较结果传输给译码器；

D触发器的复位端接译码器的脉冲间隔输出端，D触发器的触发脉冲端接译码器的开路输出端，D触发器的D端和Q端短接后接第二与门的输入端；

第一与门的两个输入端分别与D触发器的Q端和译码器的放电输出端连接；

第二与门的另一个输入端与译码器的放电输出端连接。

作为上述方案的进一步说明，所述脉冲接口采用电路为采样周期计数器。

作为上述方案的进一步说明，所述D触发器为纳秒级脉冲信号触发器。

与现有的放电状态检测技术相比，本发明提供的基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块具有以下有益效果：

一、通过设计时钟发生电路和脉冲接口采用电路将时间序列上各种脉冲放电状态之间的相关性引入放电状态识别中，使检测结果更为准确和全面。

二、采用纳秒级的脉冲信号触发器来实现对放电状态的处理与识别，解决了对每一个脉冲进行放电状态识别的速度问题，从而去除传统处理电路中的低通滤波环节，提高了检测结果的实时性，同时也使检测电路更加可靠，更加简单。

附图说明

图1所示为本发明提供的放电间隙状态检测模块电路图；

图2所示为状态判别电路结构图。

附图标记说明：

1、平均电压检测电路，2、峰值平均电压检测电路，3、状态判别电路，4、时钟发生电路，5、计数电路，6、锁存输出电路，7、并行输出接口电路，8、脉冲接口采样电路，9、开关量；

31、第一比较器，32、第二比较器，33、译码器，34、D触发器，35、第一与门，36、第二与门。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的实质，结合附图对本发明的具体实施方式说明如下。

如图1所示，基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块，包括：平均电压检测电路1，峰值平均电压检测电路2，状态判别电路3，时钟发生电路4，计数电路5，锁存输出电路6，并行输出接口电路7和脉冲接口采样电路8。

其中，所述平均电压检测电路1直接与间隙电压输入端连接，由分压电路和滤波电路构成，它的输出反应了一段时间内间隙电压的平均情况。

所述峰值平均电压检测电路2直接与间隙电压输入端连接，由肖特基二极管、分压电路和滤波电路构成，它的输出反应了一段时间内开路状态的平均情况。

所述状态判别电路3根据间隙电压和间隙电流对间隙的放电状态：短路s、开路o、火花放电e、电弧放电a进行实时判别，并以开关量9表示。

所述计数电路5包括四个计数器，分别用来统计短路s、开路o、火花放电e、电弧放电a四个状态的出现次数。

所述锁存输出电路6包括四个锁存器，每个锁存器与相应的一个计数器连接。

所述并行输出接口电路7与四个锁存器的输出端连接。

所述脉冲接口采用电路8为采样周期计数器，采样周期计数器输出周期的脉冲信号，该脉冲信号将各计数器的计数值锁存在相应的锁存器中，并复位各计数器。

所述时钟发生电路4和采样周期计数器连接，且时钟发生电路4为四个计数器提供时间信号。

时钟发生电路4、计数电路5是为了检测短路率、开路率、火花放电率和电弧放电率而设计的。在这里，以短路率的检测来说明它的工作原理。采样周期计数器输出周期的脉冲信号，该脉冲信号将各计数器的计数值锁存在相应的锁存器中，并复位各计数器。计数器10的启停受状态判别电路3短路信号输出端s的状态控制，当发生短路状态时，状态判别电路3输出的短路状态信号有效，计数器10开始对时钟发生电路产生的脉冲计数，而在其它状态时，短路信号无效，计数器10停止计数。因此计数器10的计数值反应了出现短路状态的时间。若在一个采样周期内，出现短路、开路、火花放电和电弧放电的时间分别为ts、to、te和ta，设T＝ts+to+te+ta,则短路率、开路率、火花放电率和电弧放电率分别为：φs＝ts/T、φo＝to/T、φe＝te/T和φa＝ta/T。由于周期采样计数器的启停受脉冲间隔状态信号的控制，当脉冲间隔状态信号输出有效时，停止计数，否则开始计数。因此，T等于采样周期计数器的最大计数值，是一个常数，ts、to、te、ta与φs、φo、φe、φa具有相同的含义。以数字量表示的短路率、开路率、火花放电率和电弧放电率被锁存到相应的锁存器后，可以通过并行输出接口电路7被上位系统读取。

在本模块中各计数器采用16位二进制计数器，采样周期计数器的最大计数值被设计为10000，时钟信号的频率有10MHz、1MHz、100KHz三种可通过跳线选择，相应的时间分辨率和采样周期分别为：0.1us/1ms、1us/10ms和10us/0.1s，可以根据实际加工时的电参数规准进行合理选择。

如图2所示，所述状态判别电路3包括：第一比较器31，第二比较器32，译码器33，D触发器34，第一与门35和第二与门36。第一比较器31用来比较间隙电压和参考电压Uref，并把比较结果传输给译码器33。第二比较器32用来比较间隙电流Iref和参考电流，并把比较结果传输给译码器33。D触发器34的复位端R接译码器33的脉冲间隔输出端，D触发器34的触发脉冲端CP接译码器33的开路输出端，D触发器34的D端和Q端短接后接第二与门36的输入端。第一与门35的两个输入端分别与D触发器34的Q端和译码器33的放电输出端连接；第二与门36的另一个输入端与译码器33的放电输出端连接。

这样，当出现脉冲间隔状态时，D触发器34被复位，Q＝0,D＝Q＝1。当发生电弧放电时，译码器33的“放电”输出有效，由于在此之前“开路”输出无效，即没有触发脉冲，D触发器状态保持不变，此时第一与门35被关闭，第二与门36被打开，“电弧放电”(即第二与门36的输出)有效；当发生火花放电时，先是“开路”输出有效，D触发器被触发，Q＝1,D＝Q＝0,此时第一与门35被打开，第二与门36被关闭，接着“放电”输出有效，经第一与门35使“火花放电”输出有效。由于D触发器34可以选用高速器件，因此即使火花放电的击穿延时很短(如几十纳秒)也可以被检测出来。

以上具体实施方式对本发明的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本发明的保护范围进行限制。显而易见地，在本发明实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块，其特征在于，包括：平均电压检测电路，峰值平均电压检测电路，状态判别电路，时钟发生电路，计数电路，锁存输出电路，并行输出接口电路和脉冲接口采样电路；

所述平均电压检测电路、峰值平均电压检测电路直接与间隙电压输入端连接；所述平均电压检测电路由分压电路和滤波电路构成，它的输出反应了一段时间内间隙电压的平均情况；所述峰值平均电压检测电路由肖特基二极管、分压电路和滤波电路构成，它的输出反应了一段时间内开路状态的平均情况；

所述状态判别电路根据间隙电压和间隙电流对间隙的放电状态：短路、开路、火花放电、电弧放电进行判别，并以开关量输出；

所述计数电路包括四个计数器，分别与状态判别电路的短路信号输出端、开路信号输出端、火花放电信号输出端、电弧放电信号输出端连接；

所述锁存输出电路包括四个锁存器，每个锁存器与相应的一个计数器连接；

所述并行输出接口电路与四个锁存器的输出端连接；

所述脉冲接口采样电路与各计数器、锁存器连接，用来将各计数器的计数值锁存在相应的锁存器中，并复位各计数器；

所述时钟发生电路和脉冲接口采样电路连接，且时钟发生电路为四个计数器提供时间信号。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块，其特征在于，所述状态判别电路包括：

第一比较器，第二比较器，译码器，D触发器，第一与门和第二与门；

第一比较器用来比较间隙电压和参考电压，并把比较结果传输给译码器；

第二比较器用来比较间隙电流和参考电流，并把比较结果传输给译码器；

D触发器的复位端接译码器的脉冲间隔输出端，D触发器的触发脉冲端接译码器的开路输出端，D触发器的D端和端短接后接第二与门的输入端；

第一与门的两个输入端分别与D触发器的Q端和译码器的放电输出端连接；

第二与门的另一个输入端与译码器的放电输出端连接。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块，其特征在于，所述脉冲接口采样电路为采样周期计数器。

4.根据权利要求2所述的基于脉冲序列分析的放电间隙状态检测模块，其特征在于，所述D触发器为纳秒级脉冲信号触发器。