CN110142470A - 绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源 - Google Patents

绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绝缘陶瓷涂层‑金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，所述参数自调整脉冲电源包括主控模块、间隙采样模块和功率放大模块，主控模块包括串口接收模块、参数调整信号输出模块、参数转换模块、脉冲发生模块、放电状态识别模块、放电状态统计模块和材料种类识别模块；间隙采样模块由间隙采样电路构成；所述功率放大模块由驱动和保护电路、功率放大回路构成。本发明利用优选的加工参数，通过制定的参数调整策略和输入的材料类型检测信号，实现电火花加工过程中针对绝缘陶瓷材料和金属材料类型进行参数实时调整，实现绝缘陶瓷涂层‑金属的每层材料均采用其最优的加工参数进行电火花加工，提高绝缘陶瓷涂层‑金属的电火花加工质量。

Description

绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源
技术领域
本发明属于电火花加工技术领域，涉及一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源。
背景技术
绝缘陶瓷涂层具有良好的隔热效果，可有效提高金属工件的工作温度，广泛应用于航空发动机领域。然而，绝缘陶瓷涂层-金属是多层结构材料，顶层的绝缘陶瓷涂层属于绝缘脆性材料，目前绝缘陶瓷涂层-金属的加工仍然存在加工质量差的问题。电火花加工是通过工具电极与工件之间的脉冲放电，利用电腐蚀现象来去除工件材料，加工过程中宏观作用力小，可加工绝缘陶瓷、高温合金、钛合金等难加工材料。但对于具有绝缘陶瓷涂层的工件，由于加工表面的绝缘性，传统的电火花加工方法无法进行加工。旋转电极内冲液辅助电极电火花加工方法可以实现热障涂层高温合金材料上小孔的一次加工成形，然而绝缘陶瓷涂层和高温合金基体具有不同的热物理性能，相同加工参数条件下两种材料具有不同的加工孔的尺寸和加工表面形貌。为了提高热障涂层高温合金小孔的加工质量，需要在加工过程中根据材料类型的改变实时转换加工参数。因此，需要研制一种针对绝缘陶瓷涂层金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，实现加工过程中根据当前加工的材料类型实时转换加工参数，实现绝缘陶瓷涂层-金属的高质量电火花加工。
发明内容
为了解决同一参数电火花加工绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料时，不同材料层具有不同的加工孔的尺寸和加工表面形貌的问题，本发明提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，实现电火花加工过程中，放电参数针对材料类型实时调整。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，包括基于可编程逻辑器件的主控模块、间隙采样模块和功率放大模块三部分，其中：
所述主控模块包括串口接收模块、参数调整信号输出模块、参数转换模块、脉冲发生模块、放电状态识别模块、放电状态统计模块和材料种类识别模块；
所述串口接收模块用于接收上位机发送的绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数转换模块；
所述参数调整信号输出模块用于根据脉冲电源的参数转换策略和材料类型检测信号向参数转换模块输出参数调整信号；
所述参数转换模块用于根据参数调整信号，将绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数输出到脉冲发生模块；
所述脉冲发生模块用于根据参数转换模块输入的放电参数，输出相应的放电波形至功率放大模块；
所述放电状态识别模块用于根据间隙采样模块输入的放电间隙电压信号和电流信号，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测，并将检测结果输出至放电状态统计模块；
所述放电状态统计模块用于根据放电状态识别模块输入的检测结果对陶瓷和金属火花放电状态进行实时统计，并将统计结果输出至材料种类识别模块和参数调整信号输出模块；
所述材料种类识别模块用于根据放电状态统计模块输入的统计结果实现材料种类的识别，并将材料类型检测信号输出到串口接收模块和参数调整信号输出模块；
所述间隙采样模块由间隙采样电路构成，所述间隙采样电路用于采集放电间隙电压阈值信号和电流阈值信号，并作为输入信号发送至放电识别模块；
所述功率放大模块由驱动和保护电路、功率放大回路构成；
所述驱动和保护电路用于加强主控模块的输出信号，使其可控制功率放大回路的高频开启和关断，实现放电间隙的脉冲放电加工；
所述功率放大回路用于将驱动电路的输出信号转换成所需电压、电流的脉冲波形，实现放电间隙的脉冲放电加工。
利用上述参数自调整脉冲电源实现绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整的方法，包括如下步骤：
步骤一、通过工艺实验研究和实验结果分析，分别对绝缘陶瓷涂层和金属材料进行参数优选，获得每种材料电火花加工最优的优选参数，为参数自调整脉冲电源提供所需的加工参数；
步骤二、通过对绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的放电波形分析，制定材料类型和放电状态的检测策略，设置材料种类和加工状态的判断阈值，采集放电间隙电压电流波形，通过统计分析，实现短路、火花、电弧、开路等放电状态识别信号和金属、陶瓷等材料类型识别信号的输出；
步骤三、通过加工工艺实验和测试分析，制定脉冲电源的参数调整策略，设置参数转换的脉冲个数阈值，根据制定的参数调整策略和优选的加工参数，以材料类型检测信号、间隙波形检测信号和放电参数数据为输入，脉冲波形信号为输出，实现电火花加工过程中针对不同材料的参数实时调整输出。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的脉冲电源利用优选的加工参数，通过制定的参数调整策略和输入的材料类型检测信号，实现电火花加工过程中针对绝缘陶瓷材料和金属材料类型进行参数实时调整，实现绝缘陶瓷涂层-金属的每层材料均采用其最优的加工参数进行电火花加工，提高绝缘陶瓷涂层-金属的电火花加工质量。
2、本发明通过工艺实验研究和实验结果分析，对每种材料电火花加工参数进行优选，为参数自调整脉冲电源提供所需的加工参数。根据对间隙电压、电流波形分析，制定脉冲电源的参数调整策略，实现脉冲电源放电参数的最优控制。
3、本发明解决了绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工中不同材料层具有不同加工精度和加工质量的问题。
附图说明
图1为参数自调整脉冲电源总体结构。
图2为脉冲电源的参数调整策略。
图3为脉冲电源程序总体结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，如图1和3所示，所述参数自调整脉冲电源为晶体管脉冲电源，包括基于可编程逻辑器件的主控模块、间隙采样模块和功率放大模块三部分，其中：
所述主控模块包括串口接收模块、参数调整信号输出模块、参数转换模块、脉冲发生模块、放电状态识别模块、放电状态统计模块和材料种类识别模块；
所述串口接收模块用于接收上位机发送的绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数转换模块；
所述参数调整信号输出模块用于根据脉冲电源的参数转换策略和材料类型检测信号向参数转换模块输出参数调整信号；
所述参数转换模块用于根据参数调整信号，将绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数输出到脉冲发生模块；
所述脉冲发生模块用于根据参数转换模块输入的放电参数，输出相应的放电波形至功率放大模块；
所述放电状态识别模块用于根据间隙采样模块输入的放电间隙电压信号和电流信号，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测，并将检测结果输出至放电统计模块；
所述放电状态统计模块用于根据放电状态识别模块输入的检测结果对陶瓷和金属火花放电状态进行实时统计，并将统计结果输出至材料种类识别模块和参数调整信号输出模块；
所述材料种类识别模块用于根据放电状态统计模块输入的统计结果实现材料种类的识别，并将材料类型检测信号输出到串口接收模块和参数调整信号输出模块；
所述间隙采样模块由间隙采样电路构成，所述间隙采样电路用于采集放电间隙电压阈值信号和电流阈值信号，并作为输入信号发送至放电识别模块；
所述功率放大模块由驱动和保护电路、功率放大回路构成；
所述驱动和保护电路用于加强主控模块的输出信号，使其可控制功率放大回路的高频开启和关断；
所述功率放大回路用于将驱动电路的输出信号转换成所需电压、电流的脉冲波形，实现放电间隙的脉冲放电加工。
具体实施方式二：本发明提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工参数自调整方法，其设计包括：（1）通过工艺实验优选的加工参数，为参数自调整脉冲电源提供所需的加工参数；（2）通过对间隙电压、电流波形分析，制定参数调整策略；（3）进行参数自调整脉冲电源的硬件电路设计和主控程序设计，实现脉冲波形针对材料类型的参数自调整输出。
本发明中，电火花加工参数的优选步骤为：利用正交试验分析方法，分别研究加工参数对绝缘陶瓷涂层和金属基体加工性能的影响，利用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等测试分析仪对加工表面形貌和各性能指标进行测试分析。利用实验结果的信噪比分析方法降低实验结果波动对加工性能的影响，并利用灰关联分析方法将各层材料的多个性能指标的信噪比分析结果转换为单一的综合性能指标，进行各层材料的综合性能指标的参数优选。
本发明中，通过对间隙电压、电流波形分析，进行参数调整策略的制定。加工金属的放电参数向加工绝缘陶瓷放电参数转换需要一定的转换时间，如果根据放电状态实时改变放电参数，由于存在高阻脉冲、低阻脉冲混合波形，则电参数改变过于频繁，加工金属的放电参数作用于绝缘陶瓷涂层的脉冲个数增加，导致绝缘陶瓷涂层易发生表面损伤。因此制定的参数调整策略如图2所示：当输入的单个放电脉冲为绝缘陶瓷涂层的放电脉冲，则在单个脉冲内将电参数转换为加工绝缘陶瓷涂层的加工参数；当输入的单个放电脉冲为加工金属材料的放电脉冲，电参数暂时保持不变，只有当加工金属材料的放电脉冲个数达到所设置的阈值后才将电参数转换为加工金属的加工参数。
本发明中，脉冲电源的硬件电路设计包括：设计的脉冲电源由主控模块、间隙采样模块和功率放大模块3部分组成，加工时上位机数控软件通过串口通信将加工参数发送到主控模块，主控模块可由FPGA或CPLD为主控芯片构建而成，主控模块根据加工参数调制PWM波形，通过MOSFET驱动和保护电路控制功率放大回路的高频开启和关断，实现放电间隙的脉冲放电加工。同时加工过程中间隙采样模块实时检测放电间隙的电压、电流变化信息，并反馈至主控模块。主控模块对间隙放电状态进行辨识、统计、识别材料类型，根据当前加工材料类型进行加工电参数自调整，实现放电能量的实时切换。
本发明中，脉冲电源的主控程序设计通过VHDL硬件描述语言进行编写，包括：串口接收模块、参数调整信号输出模块、参数转换模块和脉冲发生模块。串口接收模块接收上位机发送的绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成并行数据发送给参数在线调整模块；参数调整信号输出模块根据脉冲电源的参数转换策略和材料类型信号向参数转换模块输出参数调整信号；参数转换模块根据参数调整信号，将相应的存储器中的加工参数输出到脉冲发生模块；根据参数转换模块输入的放电参数，脉冲发生模块输出相应的放电波形。

Claims (6)

1.一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，其特征在于所述参数自调整脉冲电源包括基于可编程逻辑器件的主控模块、间隙采样模块和功率放大模块三部分，其中：
所述主控模块包括串口接收模块、参数调整信号输出模块、参数转换模块、脉冲发生模块、放电状态识别模块、放电状态统计模块和材料种类识别模块；
所述串口接收模块用于接收上位机发送的绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数转换模块；
所述参数调整信号输出模块用于根据脉冲电源的参数转换策略和材料类型检测信号向参数转换模块输出参数调整信号；
所述参数转换模块用于根据参数调整信号，将绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数输出到脉冲发生模块；
所述脉冲发生模块用于根据参数转换模块输入的放电参数，输出相应的放电波形至功率放大模块；
所述放电状态辨识模块用于根据间隙采样模块输入的放电间隙电压信号和电流信号，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测，并将检测结果输出至放电统计模块；
所述放电状态统计模块用于根据放电识别模块输入的检测结果对陶瓷和金属火花放电状态进行实时统计，并将统计结果输出至材料种类识别模块和参数调整信号输出模块；
所述材料种类识别模块用于根据放电统计模块输入的统计结果实现材料种类的识别，并将材料类型检测信号输出到串口接收模块和参数调整信号输出模块；
所述间隙采样模块由间隙采样电路构成，所述间隙采样电路用于采集放电间隙电压阈值信号和电流阈值信号，并作为输入信号发送至放电识别模块；
所述功率放大模块由驱动和保护电路、功率放大回路构成；
所述驱动和保护电路用于加强主控模块的输出信号，使其控制功率放大回路的高频开启和关断；
所述功率放大回路用于将驱动电路的输出信号转换成所需电压、电流的脉冲波形，实现放电间隙的脉冲放电加工。
2.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，其特征在于所述参数自调整脉冲电源为晶体管脉冲电源。
3.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，其特征在于所述主控模块由FPGA或CPLD为主控芯片构建而成。
4.一种利用权利要求1-3任一权利要求所述参数自调整脉冲电源进行绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、通过工艺实验研究和实验结果分析，分别对绝缘陶瓷涂层和金属材料进行参数优选，获得每种材料电火花加工最优的优选参数，为参数自调整脉冲电源提供所需的加工参数；
步骤二、通过对绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的放电波形分析，制定材料类型和放电状态的检测策略，设置材料种类和加工状态的判断阈值，采集放电间隙电压电流波形，通过统计分析，实现放电状态识别信号和材料类型识别信号的输出；
步骤三、通过加工工艺实验和测试分析，制定脉冲电源的参数调整策略，设置参数转换的脉冲个数阈值，根据制定的参数调整策略和优选的加工参数，以材料类型检测信号、间隙波形检测信号和放电参数数据为输入，脉冲波形信号为输出，实现电火花加工过程中针对不同材料的参数实时调整输出。
5.根据权利要求4所述的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整方法，其特征在于所述电火花加工参数的优选步骤为：利用正交试验分析方法，分别研究加工参数对绝缘陶瓷涂层和金属基体加工性能的影响，利用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、超景深显微镜等测试分析仪对加工表面形貌和各性能指标进行测试分析；利用实验结果的信噪比分析方法降低实验结果波动对加工性能的影响，并利用灰关联分析方法将各层材料的多个性能指标的信噪比分析结果转换为单一的综合性能指标，进行各层材料的综合性能指标的参数优选。
6.根据权利要求4所述的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整方法，其特征在于所述参数调整策略如下：当输入的单个放电脉冲为绝缘陶瓷涂层的放电脉冲，则在单个脉冲内将电参数转换为加工绝缘陶瓷涂层的加工参数；当输入的单个放电脉冲为加工金属材料的放电脉冲，电参数暂时保持不变，只有当加工金属材料的放电脉冲个数达到所设置的阈值后才将电参数转换为加工金属的加工参数。
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