CN106124944A - 一种金属‑陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种金属‑陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法与装置，涉及金属‑陶瓷功能梯度材料微细电火花加工放电检测技术，目的是为了实现对所述放电状态的准确实时检测。所述方法为：检测电极与工件之间的放电电压；将放电电压分别转化为三个数字信号；根据每个放电脉冲内三个数字信号的上升沿数量判断放电脉冲的放电状态。所述装置的电阻分压模块用于采集放电间隙的两极电压，并进行分压，运算放大器分压模块进一步分压，高速电压比较器模块将两级分压后的信号转化成三个数字信号，ARM单片机处理模块采集三个数字信号的信息，给出放电状态。本发明能够快速准确的实现放电状态实时检测，适用于金属‑陶瓷功能梯度材料微细电火花加工。

Description

一种金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测 方法与装置

技术领域

本发明涉及金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测技术，属于电火花加工领域。

背景技术

随着微小零件在生产和生活中各个领域的广泛应用，微细加工技术也变得越来越重要。在微细加工技术中，微细电火花加工技术由于其非接触加工的优点占有重要地位。该技术主要依靠工件和电极之间连续的脉冲放电蚀除材料，突破了材料硬度对加工的限制。也正因此，微细电火花加工技术成为了超硬材料如陶瓷材料微小零件加工的重要手段之一。

在微细电火花加工过程中，放电状态的好坏，直接影响加工的速度和质量。因此，有效的放电检测技术是高效高质微细电火花加工强有力的保障。

由于微细电火花加工过程是复杂多变的，通过直接测量的方法来获取加工间隙十分困难，而加工间隙大小与间隙电压值成正比，因此，用间隙平均电压来表征加工间隙大小是评估微细电火花加工间隙状态好坏的最常用手段。

与上述手段对应的放电间隙检测方法则是平均电压检测法。目前，该方法已被广泛应用到微细电火花加工的放电检测中。通过估算与经验得知，在工具、工件材料、工作液介质及脉冲参数等确定的情况下，当放电加工过程稳定进行时，其间隙电压平均值应处于一个区间中，如超出了这个范围，加工过程则处于非正常加工状态。

平均电压检测法的优点是电路实现简单、实用性强，但对短路脉冲或稳定电弧放电脉冲的反应灵敏度较低，并且不能实时的检测出每一个脉冲的放电状态。

金属-陶瓷功能梯度材料是为解决极大热应力问题而制备的一种新型复合材料，特征是组成和结构沿特定方向由金属成分向陶瓷成分梯度变化。由于金属-陶瓷功能梯度材料成分梯度变化的特点，使该材料除了具备金属材料和陶瓷材料的优点外，还能解决传统复合材料中在界面处参数失配问题，在诸多领域得到应用。同时，将该材料的结构特点和辅助电极法的优点相结合，完全可以实现该材料的微细电火花加工。

然而，由于金属-陶瓷功能梯度材料同时含有金属成分、金属基复合材料成分和陶瓷成分，加工过程中放电状态异常复杂。采用传统的平均电压检测法，无法实现对放电状态准确和实时的检测，进而不能为伺服和脉冲电源的控制提供准确的控制信息，有时还会严重影响了金属-陶瓷功能梯度材料加工效率和质量。

鉴于此，有针对性地开展金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法与装置的研究，不但可以丰富电火花加工的内涵，而且对提升我国金属-陶瓷功能梯度材料的加工和应用水平意义重大。

发明内容

本发明的目的是为了在金属-陶瓷功能梯度材料的微细电火花加工过程中，实现对放电状态准确和实时的检测，提供一种金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法与装置。

本发明所述的一种金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法为：

步骤一、检测电极与工件之间的放电电压，所述放电电压为模拟信号；

步骤二、将所述模拟信号分别转化为三个数字信号Th、Tm和Tl，其中，

数字信号Th：以Vh作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

数字信号Tm：以Vm作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

数字信号Tl：以Vl作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

并且Vh＞Vm＞Vl；

步骤三、根据每个放电脉冲内，三个数字信号Th、Tm和Tl的上升沿数量来判断该放电脉冲的放电状态，实现放电检测。

实现上述方法的装置包括电阻分压模块1、运算放大器分压模块2、电压跟随器模块3、高速电压比较器模块4和ARM单片机处理模块5；

电阻分压模块1的两个输入端分别与电火花机床放电间隙的两极相连，运算放大器分压模块2的输入端与电阻分压模块1的输出端相连，电压跟随器模块3的输入端与运算放大器分压模块2的输出端相连，高速电压比较器模块4的三个输入端分别与电压跟随器模块3的三个输出端相连，ARM单片机处理模块5的三个信号采集端口与高速电压比较器模块4的三个输出端口相连。

本发明所述的方法通过对放电波形三个电压阈值信号的采集与处理，充分利用每个放电状态的三个比较阈值的上升沿和中间阈值的低电平持续时间等有用信息，解决了传统的平均电压检测法无法实现精确和实时的放电检测问题，真正实现了金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工的实时放电检测，为伺服控制和脉冲控制提供精确信息。

本发明所述的装置通过简单地电阻分压，运放分压，电压比价器及ARM单片机，将四种放电波形模拟信号转化成与之对应的数字信号，并可以以通过检测Rh、Rm、Rl的数量对各种放电状态进行检测，实现了金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测，有益效果主要包括：

1、利用电阻分压模块和运算放大器分压模块进行两级分压，可以对较高的间隙电压进行稳定的分压。

2、通过采集比较器电压阈值的上升沿和时间特征，快速准确的实现金属-陶瓷功能梯度材料的放电状态的实时检测。

3、采用ARM单片机对放电状态进行检测和处理，检测程序易于编写和维护，检测系统的柔性较大。

附图说明

图1为实施方式一所述方法的原理示意图，其中U表示放电曲线，a为该放电曲线中的正常放电波形，b为该放电曲线中的拉弧放电波形，c为该放电曲线中的不完全放电波形，d为该放电曲线中的长脉冲放电波形；

图2为实施方式四中正常放电状态的放电波形及对应的三个数字信号波形的检测结果；

图3为实施方式四中拉弧放电状态的放电波形及对应的三个数字信号波形的检测结果；

图4为实施方式四中不完全放电状态的放电波形及对应的三个数字信号波形的检测结果；

图5为实施方式四中长脉冲放电状态的放电波形及对应的三个数字信号波形的检测结果；

图6为实施方式四中正常放电状态的最终检测结果；

图7为实施方式四中拉弧放电状态的最终检测结果；

图8为实施方式四中只考虑三个数字信号的上升沿的情况下，不完全放电状态和长脉冲放电状态的最终检测结果；

图9为实施方式四中考虑了三个数字信号的上升沿和数字信号Tm中低电平持续时间的情况下，不完全放电状态和长脉冲放电状态的最终检测结果；

图10为实施方式五所述装置的结构示意图，其中6表示电极，7表示工件；

图11为实施方式七中检测模块的工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法为：

步骤一、检测电极与工件之间的放电电压，所述放电电压为模拟信号；

步骤二、将所述模拟信号分别转化为三个数字信号Th、Tm和Tl，其中，

数字信号Th：以Vh作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

数字信号Tm：以Vm作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

数字信号Tl：以Vl作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

并且Vh＞Vm＞Vl；

步骤三、根据每个放电脉冲内，三个数字信号Th、Tm和Tl的上升沿数量来判断放电状态，实现放电检测。

如图1所示，Vh、Vm和Vl代表三个依次降低的电压值，图中最上方的曲线表示检测到的实际放电曲线，横坐标为时间，纵坐标为电压，且放电曲线和三个数字信号均采用同一个横坐标。金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工时放电状态主要分为四种放电状态：正常放电、拉弧放电、不完全放电、以及长脉冲放电。

以Vh作为阈值，将放电曲线转化成数字信号Th，即放电曲线中，电压值高于Vh的部分为1，电压值低于Vh的部分为0，转化后得到数字信号Th；

同理，将放电曲线转化成数字信号Tm和数字信号Tl。

根据图1可以看出，四种放电状态的一个放电脉冲内，上升沿Rh、上升沿Rm、和上升沿Rl的数量是不同的，因此，可以根据一个放电脉冲内三种上升沿的种类和数量来判断放电状态。一个放电脉冲的放电状态检测完毕后，对上升沿Rh、上升沿Rm、和上升沿Rl的数量清零，然后重复步骤一至三，进行下一个放电脉冲的放电状态检测。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述方法的进一步限定，本实施方式中，步骤三判断放电状态的方法为：

一个放电脉冲内，如果三个数字信号Th、Tm和Tl中包含一个上升沿Rh、一个上升沿Rm、和一个上升沿Rl，则该放电脉冲的放电状态为正常放电状态；

一个放电脉冲内，如果三个数字信号Th、Tm和Tl中只包含一个上升沿Rm和一个上升沿Rl、或只包含一个上升沿Rl，则该放电脉冲的放电状态为拉弧放电状态；

一个放电脉冲内，如果三个数字信号Th、Tm和Tl中只包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm，则该放电脉冲的放电状态为不完全放电状态或长脉冲放电状态。

如图1所示，正常放电状态充电较充分，放电也充分，在一个放电脉冲内，数字信号Th包含一个上升沿Rh，数字信号Tm包含一个上升沿Rm，数字信号Tl包含一个上升沿Rl；

拉弧放电状态充电不充分，但放电充分，在一个放电脉冲内，数字信号Th中无上升沿Rh，对于上升沿Rm和上升沿Rl的状态有两种，一种是同时包含一个上升沿Rm和一个Rl，另一种是只包含一个上升沿Rl。

不完全放电和长脉冲放电两种状态充电充分，但放电不充分，这两种状态都是包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述方法的进一步限定，本实施方式中，Tx为不完全放电状态和长脉冲放电状态两种放电状态对应的数字信号Tm在一个放电脉冲内低电平的持续时间，T为时间阈值；

一个放电脉冲内，当三个数字信号Th、Tm和Tl中只包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm时，如果Tx＜T，则该放电脉冲的放电状态为不完全放电状态，否则该放电脉冲的放电状态为长脉冲放电状态。

如图1所示，不完全放电状态和长脉冲放电状态的区别是Tx的值不同，对于不完全放电状态，Tx值较小，对于长脉冲放电状态，Tx值较大。因此，根据经验先设定好阈值T，将Tx与T进行比较，根据比较结果判断该脉冲的放电状态是不完全放电状态和长脉冲放电状态中的哪一种。

采用本实施方式所述的方法，能够准确的检测出每一个放电脉冲属于四种放电状态中的哪一种。

具体实施方式四：结合图2至9说明本实施方式，本实施方式采用实施方式一至三所述方法对金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工放电状态进行检测，检测结果如图2至图9所示。

图2至图4显示了四种放电状态的放电波形(即放电曲线)和三个数字信号Th、Tm和Tl的检测结果，图2至图4中，从上至下依次为放电波形、数字信号Th的波形、数字信号Tm的波形和数字信号Tl的波形。

图2中的椭圆内为正常放电状态的放电波形(即放电曲线)和三个数字信号Th、Tm和Tl的检测结果，在一个放电脉冲内，同时包含三个上升沿Rh、Rm和Rl。

图3中的椭圆内显示了拉弧放电状态的放电波形和三个数字信号Th、Tm和Tl的检测结果，在该拉弧放电状态的一个放电脉冲内，只包含一个上升沿Rl。

图4中的椭圆内显示了不完全放电状态的放电波形和三个数字信号Th、Tm和Tl的检测结果，在不完全放电状态的一个放电脉冲内，包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm。

图5中的椭圆内显示了长脉冲放电状态的放电波形和三个数字信号Th、Tm和Tl的检测结果，在长脉冲放电的一个放电脉冲内，包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm，但该图中数字信号Tml中低电平的持续时间明显长于图4中的数字信号Tml中低电平的持续时间。

图6至图9显示了金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工放电状态的最终检测结果。

图6显示了正常放电状态的检测结果，图中下方的数字信号为正常脉冲测试信号Th；

图7显示了拉弧放电状态的检测结果，图中下方的数字信号为拉弧脉冲测试信号Tm；

图8显示了不完全放电状态和长脉冲放电状态的检测结果，图中下方的数字信号为不完全放电状态和长脉冲放电状态测试信号Th，该图只考虑了三个数字信号的上升沿；

图9显示了不完全放电状态和长脉冲放电状态的检测结果，图中下方的数字信号为长脉冲测试信号，该图不仅考虑了三个数字信号的上升沿，还考虑了数字信号Tm中低电平的持续时间。

根据实施方式一至三所述的方法，能够从图2至图9的波形图中准确的判断出每个脉冲的放电状态。

具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式一所述方法的装置，该装置包括电阻分压模块1、运算放大器分压模块2、电压跟随器模块3、高速电压比较器模块4和ARM单片机处理模块5；

电阻分压模块1的两个输入端分别与电火花机床放电间隙的两极相连，运算放大器分压模块2的输入端与电阻分压模块1的输出端相连，电压跟随器模块3的输入端与运算放大器分压模块2的输出端相连，高速电压比较器模块4的三个输入端分别与电压跟随器模块3的三个输出端相连，ARM单片机处理模块5的三个信号采集端口与高速电压比较器模块4的三个输出端口相连。

电阻分压模块1用于实时采集电火花机床放电间隙的两极之间的电压(0-250V)该电压为模拟信号，并对该电压进行分压(即对该电压进行衰减)至运算放大器分压模块2能够处理的电压范围(0-10V)，然后将分压后的电压信号发送至运算放大器分压模块2；

运算放大器分压模块2对输入电压进一步分压，然后输出更低的电压(0-5V)给电压跟随器模块3，以保证高速电压比较器模块4能够在进行电压比较的同时不会因输入电压过高而不能正常工作；

电压跟随器模块3输出三路相同的信号给高速电压比较器模块4；

高速电压比较器模块4用于将输入的模拟信号转化为三个数字信号，具体为：将输入电压按照预先设定的三个阈值Vh、Vm和Vl分别转换为三个数字信号Th、Tm和Tl，并将转换得到的三个数字信号Th、Tm和Tl发送至ARM单片机处理模块5；

ARM单片机处理模块5对每个放电脉冲周期(电容C完成一次充电和放电过程为一个脉冲周期)内输入的三个数字信号Th、Tm和Tl进行采集，并通过高低电平检测程序检测三个数字信号中的上升沿数量，通过时间计时程序采集数字信号Tl中低电平的持续时间，根据采集结果给出每个放电脉冲的放电状态，实现对当前放电状态的实时检测。

具体实施方式六：结合图11说明本实施方式，本实施方式是对实现实施方式五所述装置的进一步限定，本实施方式中，所述ARM单片机处理模块5内嵌入检测模块，所述检测模块包括以下单元：

检测单元：检测三个数字信号Th、Tm和Tl在当前放电脉冲内的上升沿Rh、Rm、和Rl的数量；

第一判断单元：判断上升沿Rh、Rm、和Rl的数量是否都是1，如果是，则该放电脉冲为正常放电状态，并启动清零单元；否则，启动第二判断单元；

第二判断单元：判断上升沿Rh的数量和上升沿Rl的数量是否分别为0和1，如果是，则该放电脉冲为拉弧放电状态，并启动清零单元；否则，则该放电脉冲为其他放电状态，并启动清零单元；

清零单元：对上升沿Rh、Rm、和Rl的数量进行清零，然后启动检测单元。

本实施方式中，ARM单片机处理模块5通过不同的脉冲识别单元能够对当前脉冲的放电状态进行准确识别。所述的其他放电状态至少包括不完全放电状态和长脉冲放电状态。

具体实施方式七：结合图11说明本实施方式，本实施方式是对实现实施方式六所述装置的进一步限定，本实施方式中，所述检测模块还包括第三判断单元和第四判断单元，

检测单元还检测数字信号Tm在一个放电脉冲内的低电平持续时间Tx；

清零单元还对Tx的值进行清零；

当第二判断单元的判断结果为其他放电状态时，启动第三判断单元；

第三判断单元：判断是否同时满足Rh与Rm的数量均为1、并且Tx小于T，如果是，则该放电脉冲为不完全放电状态，并启动清零单元；否则，启动第四判断单元；

第四判断单元：判断是否同时满足Rh与Rm的数量均为1、并且Tx大于T，如果是，则该放电脉冲为长脉冲放电状态，并启动清零单元；否则，启动清零单元。

ARM单片机处理模块5采用本实施方式的检测模块，能够实时精确地识别出每一种放电波形及放电状态。

具体实施方式八：本实施方式是对实现实施方式五所述装置的进一步限定，本实施方式中，所述的高速电压比较器模块4采用输出延时在200纳秒以内的电压比较器实现。

具体实施方式九：本实施方式是对实现实施方式五和八所述装置的进一步限定，本实施方式中，所述的ARM单片机处理模块5采用时钟在50MHz以上的ARM单片机实现。

Claims (8)

1.一种金属-陶瓷功能梯度材料微细电火花加工实时放电检测方法，其特征在于，该方法为：

步骤一、检测电极与工件之间的放电电压，所述放电电压为模拟信号；

步骤二、将所述模拟信号分别转化为三个数字信号Th、Tm和Tl，其中，

数字信号Th：以Vh作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

数字信号Tm：以Vm作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

数字信号Tl：以Vl作为阈值电压，将所述模拟信号转化成的数字信号；

并且Vh＞Vm＞Vl；

步骤三、根据每个放电脉冲内，三个数字信号Th、Tm和Tl的上升沿数量来判断该放电脉冲的放电状态，实现放电检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三判断放电状态的方法为：

一个放电脉冲内，如果三个数字信号Th、Tm和Tl中包含一个上升沿Rh、一个上升沿Rm和一个上升沿Rl，则该放电脉冲的放电状态为正常放电状态；

一个放电脉冲内，如果三个数字信号Th、Tm和Tl中只包含一个上升沿Rm和一个上升沿Rl、或只包含一个上升沿Rl，则该放电脉冲的放电状态为拉弧放电状态；

一个放电脉冲内，如果三个数字信号Th、Tm和Tl中只包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm，则该放电脉冲的放电状态为不完全放电状态或长脉冲放电状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，Tx为不完全放电状态和长脉冲放电状态两种放电状态对应的数字信号Tm在一个放电脉冲内低电平的持续时间，T为时间阈值；

一个放电脉冲内，当三个数字信号Th、Tm和Tl中只包含一个上升沿Rh和一个上升沿Rm时，如果Tx＜T，则该放电脉冲的放电状态为不完全放电状态，否则该放电脉冲的放电状态为长脉冲放电状态。

4.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，该装置包括电阻分压模块(1)、运算放大器分压模块(2)、电压跟随器模块(3)、高速电压比较器模块(4)和ARM单片机处理模块(5)，电阻分压模块(1)的两个输入端分别与电火花机床放电间隙的两极相连，运算放大器分压模块(2)的输入端与电阻分压模块(1)的输出端相连，电压跟随器模块(3)的输入端与运算放大器分压模块(2)的输出端相连，高速电压比较器模块(4)的三个输入端分别与电压跟随器模块(3)的三个输出端相连，ARM单片机处理模块(5)的三个信号采集端口与高速电压比较器模块(4)的三个输出端口相连。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述ARM单片机处理模块(5)内嵌入检测模块，所述检测模块包括以下单元：

检测单元：检测三个数字信号Th、Tm和Tl在当前放电脉冲内的上升沿Rh、Rm和Rl的数量；

第一判断单元：判断上升沿Rh、Rm和Rl的数量是否都是1，如果是，则该放电脉冲为正常放电状态，并启动清零单元；否则，启动第二判断单元；

第二判断单元：判断上升沿Rh的数量和上升沿Rl的数量是否分别为0和1，如果是，则该放电脉冲为拉弧放电状态，并启动清零单元；否则，则该放电脉冲为其他放电状态，并启动清零单元；

清零单元：对上升沿Rh、Rm、和Rl的数量进行清零，然后启动检测单元。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测模块还包括第三判断单元和第四判断单元，

检测单元还检测数字信号Tm在一个放电脉冲内的低电平持续时间Tx；

清零单元还对Tx的值进行清零；

当第二判断单元的判断结果为其他放电状态时，启动第三判断单元；

第三判断单元：判断是否同时满足Rh与Rm的数量均为1、并且Tx小于T，如果是，则该放电脉冲为不完全放电状态，并启动清零单元；否则，启动第四判断单元；

第四判断单元：判断是否同时满足Rh与Rm的数量均为1、并且Tx大于T，如果是，则该放电脉冲为长脉冲放电状态，并启动清零单元；否则，启动清零单元。

7.根据权利要求4、5或6所述的装置，其特征在于，所述的高速电压比较器模块(4)采用输出延时在200纳秒以内的电压比较器实现。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的ARM单片机处理模块(5)采用时钟在50MHz以上的ARM单片机实现。