CN110988633A - 一种电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，包括以下步骤：搭建多功能监测装置，开启放电加工后，通过专用的高速摄像观测系统分别获得基准面放电情况和电极丝运动状态的录像；对放电情况的录像进行OpenCV图像处理后，通过质心法对火花中心点进行统计分析，得到放电点分布统计图；对电极丝运动状态的录像进行电极丝位置点分析，获得电极丝运动状态；通过电压高速采集卡系统获得放电波形，通过图像矩、分形维数、小波变换方法和支持向量机分类方法对放电波形进行分类，得到各类放电波形的百分比。本发明功能多样化，检测精度高，监测直观，可以用于指导选择最佳加工方法和加工参数，为电火花线切割的自适应调整提供了基础。

Description

一种电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法

技术领域

本发明属于电火花线切割技术领域，具体涉及一种电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法。

背景技术

随着航空航天、医疗器械、模具制造等高端制造领域的快速发展，对特殊的加工困难材料需求也随之不断增大。电火花线切割技术是对加工困难材料进行二次加工的关键技术，但是由于在加工过程中，对火花放电的过程仍不够清晰，因而现有电火花线切割机床无法自适应调整加工工艺，难以满足现代智能化制造的需求。适当的加工工艺参数是保证电火花线切割加工效率和工件表面质量的关键，而了解放电点分布、电极丝运动轨迹和放电状态识别是获得最佳加工工艺参数的基础。

电火花线切割的放电点分布统计的现有的方法，主要包括以下几种：1) 东华大学韩强采用电磁信号法检测放电点位置，将霍尔传感器嵌入在长方体铁氧体材料中组成传感器系统的方法，使原始微弱信号幅值增大了1000倍；2) 哈尔滨理工大学刘福利和吴海会分别采用分路电流法和电位差法来确定放电点的位置；3)清华大学韩福柱教授选择测量放电结束时而不是放电过程中的电位差来确定放电点的位置。

电火花线切割过程中放电状态的传统检测方法，主要包括以下几种：1) 哈尔滨工业大学兰起洪设计了一种基于平均电压法和浮动阈值复合检测的放电状态检测系统，并将该系统集成到脉冲电源中，取得了较好的效果；2)哈尔滨工业大学白基成教授通过设置间隙电压阈值、间隙电流阈值和频谱阈值的方法，实现对微细电火花放电波形的有效识别。但是传统的检测方法中主要依靠硬件识别，虽算法简单，但精度不高。

电火花线切割过程放电状态的智能检测方法，主要包括以下几种：1)哈尔滨理工大学郭一璀设计了基于学习向量量化神经网络的放电状态检测系统，得到高比例正常火花放电的工艺参数范围；2)中国台湾学者Yan提出一种基于自组织模糊控制策略的在线自适应控制系统，用来检测微细电火花线切割放电短路状态，并反馈控制伺服电压以降低放电短路率；3)上海交通大学蒋毅采用小波变换算法对脉冲电压进行处理，根据得到的低频系数确定放电状态。但是智能检测方法中，模糊逻辑和神经网络算法均属于黑箱处理方法，放电状态识别精度取决于样本数据库的完善程度，具有一定的局限性；而小波变化算法得到低频系数，算法比较单一，有待进一步改善。

为了简化测试的方法，同时获得精度高的放电状态，在专利 CN103331497A“记录电火花线切割窄缝中放电产物动态分布的方法”中，记录了一种在被切割工件表面建立观察视窗，两个光源在被切割平面的中位水平面与被切割平面呈45度角对称照明；然后在观察视窗正前方设置高速摄像机，其轴线与工件表面垂直；最后采用摄像记录电火花线切割进程中放电介质和放电产物的动态分布实况的方法。该方法具有一定的可操作性，但忽视了实际加工过程中的强烈眩光，该眩光会对拍摄图像造成不可避免的干扰，因此将难以在实际应用中实现。

综上所述，上述的方法均存在一定的局限性，而且基本只能对电火花线切割过程中的一种参数进行测定，因而有很必要研发一种可同时监测放电点、放电状态和电极丝运动状态这三种信号的方法，为获得放电点分布更均匀、获得高比例正常火花放电、减少电极丝异常运动状态的加工工艺参数范围提供研究基础，从而提高加工效率和工件表面质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种可同时监测放电点分布、放电状态和电极丝运动状态的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法。

本发明这种电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，包括以下步骤：

1)装置搭建：在垂直和平行电火花线切割机床的工件切割基准面上分别设置专用的高速摄像观测系统，并在电火花线切割机床连接数字示波器和高速采集卡；

2)数据获取与分析：开启放电加工后，通过专用的高速摄像观测系统分别获得基准面的放电情况的录像和电极丝运动状态的录像；对基准面的放电情况的录像先进行OpenCV图像处理后，采用质心法对火花中心点进行统计分析，得到放电点分布统计图；对电极丝运动状态的录像中电极丝位置点进行分析，获得电极丝的加工过程的运动状态；通过电压高速采集卡系统获得放电波形，通过图像矩、分形维数、小波变换方法和支持向量机分类方法对放电波形进行分类，得到各类放电波形的百分比。

所述步骤1)中，高速摄像观测系统的设置具体包括以下步骤：1-1将工件固定在电火花线切割加工机床的工件移动平台上，再接着调节电火花线切割加工机床，使电极丝与工件的待切割面相切；然后在工件移动平台的边缘外围设置玻璃挡板；1-2开启电源，通过电火花线切割在工件表面切割一个基准面，并在工件的基准面上建立观察视窗；1-3在玻璃挡板的外侧，将一个高速摄像观测系统的摄像头轴线垂直于工件待切割基准面放置，摄像头靠近玻璃挡板；1-4将另一个高速摄像观测系统的摄像头轴线平行于工件待切割基准面放置，且摄像机的镜头正对电极丝上的观察点，摄像头靠近玻璃挡板；将两个高速摄像观测系统分别与PC机连接。

所述步骤1-1中的玻璃挡板为亚克力玻璃挡板；步骤1-2中的观察视窗包括夹具和高温玻璃，所述的高温玻璃通过夹具与工件基准面固定，所述的夹具位于远离电极丝的工件和高温玻璃的一侧，高温玻璃用以确保观测过程的放电间隙与实际加工过程一致；步骤1-4中，电极丝上共有A和B2个观察点，观察点 A位于高于工件顶部1mm处，电极丝的观察点B位于高于工件顶部0.2mm处；步骤1-3中，高速摄像观测系统由滤光片和高速摄像机组成，在高速摄像机的调焦透镜上增加一个滤光片，然后将调焦透镜与摄像机机体进行螺纹联接，滤光片透光率约为0.1％；滤光片可以避免慢走丝线切割放电过程中伴随的等离子喷射引起的强烈眩光造成的图像干扰现象。

所述的步骤1)中，高速采集卡系统由数字示波器和高速采集卡组成，所述的数字示波器和高速采集卡对应的接头都分别与工件和电极丝相连接，且高速采集卡的数据输出端与PC机进行连接；数字示波器的高精度差分探头的带宽在 100MHz以上。

所述步骤2)中，所述的线切割放电加工开始之前，先将高速摄像观测系统各种拍摄参数设置好；放电加工过程稳定后，开启高速摄像观测系统，进行录像，线切割过程的录像时间为1s，电极丝运动状态的录像时间为2s；高速采集卡系统在放电加工开始时进行数据采集；高速摄像观测系统和高速采集卡系统采集的录像和放电波数据均传送至PC机。

所述步骤2)中，在PC机上对基准面的放电情况的录像数据处理方法，具体包括以下步骤：2-1-1将视频逐帧转换成图像，将彩色图像转换为灰色图像； 2-1-2将所得灰色图像进行图像二值化处理，然后将图像进行去噪处理；2-1-3 分析去噪后的图像，对放电火花进行中心识别，再然后采用质心法计算火花中心坐标，得到火花位置的绝对和相对分布，从而得到放电点分布统计图。

所述步骤2-1-2中，灰色图像进行图像二值化处理的阈值为0.16。

所述步骤4)中，在PC机上对电极丝运动状态的录像数据的具体处理方法，包括以下步骤：2-2-1将视频逐帧转换成图像，将彩色图像转换为灰色图像；4-2-2 将所得灰色图像进行图像二值化处理，然后将图像进行去噪处理；2-2-3以电极丝开始线切割前的A、B点位置分别为原点坐标，然后分别计算去噪图片中，电极丝在A点和B点的坐标，通过分析A点和B点的坐标的位置变化，得到线切割过程中电极丝的挠曲变形、振动幅值和频率。

所述的步骤2-2-3中，A点和B点的坐标所在的面垂直于工件的基准面。

所述步骤4)中，在PC机上对放电波形数据的具体处理方法，包括以下步骤：2-3-1根据脉冲宽度，对放电波形进行分割，得到单个放电波形图，并进行图像重构；24-3-2采用图像矩和分形维数法获取单个放电波形的特征值；2-3-3 结合人工识别的各类波形的样本库，采用小波变换算法和支持向量机分类方法，对每个放电波形进行分类，放电波形种类包括：开路、火花放电、电弧放电、过渡电弧和短路；2-3-4对放电波形进行统计，输出电极丝加工工件时各类波形的百分比；即达到对放电状态的识别。

所述步骤2-3-2中，特征值包括最大值、最小值、平均值和标准差。

本发明的有益效果：1)本发明的方法可同时监测放电点、放电状态和电极丝运动状态这三种信号，可为探求使得放电点分布更均匀、获得高比例正常火花放电、减少电极丝异常运动状态的加工工艺参数范围提供研究基础，从而提高加工效率和工件表面质量。2)本发明的方法是一种自动化、效率高、监测直观、准确可靠、功能多样化的监测方法，在线监测电火花线切割加工过程，为电火花线切割的自适应调整提供基础，达到提高加工效率和工件表面质量的目的。

附图说明

图1实施例1中的装置示意图；

图2实施例1中观察视窗的示意图；

图3实施例1中线切割过程的流程图；

图4实施例1中电极丝观测点的示意图；

图5实施例1中数据处理的方法图；

图6实施例1中放电波形数据处理过程的流程图；

图7实施例1中获得的放电点分布图；

图8实施例1中获得的电极丝运动轨迹图；

图9实施例1中获得到放电状态图；

其中：1-电极丝，2-电极丝固定支架，3-工件，4-运动平台，5-观察视窗，6-玻璃挡板，7-工作台，8-高速摄像观测系统，9-数字示波器，10-高速采集卡，11-PC 机，12-夹具，13-高温玻璃。

具体实施方式

实施例1

1监测装置的搭建

监测装置的搭建如图1所示，包括有电火花线切割加工机床的操作平台，其操作平台由运动平台4和工作台7构成，运动平台4安装于工作台7上，接着将待切割工件3固定于运动平台4上，再接着调节电火花线切割加工机床，使电极丝1与工件3的待切割面相切；然后在工作台7装置的边缘的外围，设置玻璃挡板6；将一个高速摄像观测系统8的摄像头轴线垂直于工件待切割面放置，摄像头靠近玻璃挡板6；将另一个高速摄像观测系统8的摄像头轴线平行于工件3待切割面放置，且将摄像机镜头对准电极丝的观测点A和B，摄像头靠近玻璃挡板6；将两个高速摄像观测系统分别与PC机11连接；数字示波器9 和高速采集卡10对应接头都分别与工件与电极丝连接，高速采集卡10的数据输出端与PC机11相连。

其中：

电火花线切割机床为沙迪克慢走丝线切割机床。

玻璃挡板6为亚克力玻璃板。

高速摄像观测系统由滤光片和高速摄像机组成，在高速摄像机的调焦透镜上增加一个滤光片，然后将调焦透镜与摄像机机体进行螺纹联接，所述光学滤光片透光率约为0.1％，滤光片可避免慢走丝线切割放电过程中伴随的等离子喷射引起的强烈眩光造成的图像干扰现象；高速摄像机型号为IDT-NX3.2，其帧率为8000帧/秒。

所述的数字示波器9和高速采集卡10与脉冲电源的连接关系，如图1中所示，数字示波器9和高速采集卡10的对应接头都分别与工件和电极丝相连，且高速采集卡10的数据输出端与PC机连接，实现数据传输。所述数字示波器9 的高精度差分探头的带宽应在100MHz以上。

2切割基准面

根据步骤1中搭建的装置，将电极丝1与工件3的待切割面相切，然后开启放电加工，运动平台4带动工件3进行平行于待切割面的方向移动，在工件3 表面上切割出一个基准面；然后在基准面的表面建立观察视窗。所述的观察视窗由高温玻璃13和夹具12组成，具体如图2所示，夹具将高温玻璃13与工件 3的基准面进行固定，夹具12在工件3与高温玻璃13远离电极丝1一侧的方向。

3放电加工过程

放电加工过程如图3和图4所示，具体如下：

调节电火花线切割加工机床，使电极丝1与工件3基准面和高温玻璃13都相切，并用夹具12在远离电极丝1的一侧进行固定。

调节两个高速摄像观测系统的位置和焦距，确保能拍摄到清晰的视频。

在电极丝1上高于工件3上方的位置1mm和0.2mm，设置两个观察点A和 B，并将观测观察点的高速摄像观测系统对准该位置，并记录电火花线切割开始时，观察点的位置。

开启放电加工，运动平台4带动工件3进行平行于待切割面的方向移动，进行电火花线切割，放电加工开始时，通过数字示波器9和高速采集卡10收集放电加工过程中的放电波形，并将放电波形数据传送至PC机；线切割超过5mm，切割过程稳定，开启两个高速摄像观测系统，一个记录基准面的放电现象的录像，另一个记录两个电极丝观察点运动的录像，拍摄时长分别为1s和2s，并将记录的录像传送PC机。

4数据处理

获取的数据处理图如图6所示，具体如下：

4-1放电点数据处理

4-1-1将视频逐帧转换成图像，将彩色图像转换为灰色图像；

4-1-2将所得灰色图像进行图像二值化处理，灰色图像进行图像二值化处理的阈值为0.16，然后将图像进行去噪处理；(4-1-1和4-1-2为OpenCV图像处理)

4-1-3分析去噪后的图像，对放电火花进行中心识别，再然后采用质心法计算火花中心坐标，得到火花位置的绝对和相对分布，从而得到放电点分布统计图，如图7所示。

4-2电极丝的运动数据处理

4-2-1将视频逐帧转换成图像，将彩色图像转换为灰色图像；

4-2-2将所得灰色图像进行图像二值化处理，然后将图像进行去噪处理；

4-2-3以电极丝开始线切割前的A、B点位置分别为原点坐标，然后分别计算去噪图片中，电极丝在A点和B点的坐标，通过分析A点和B点的坐标的位置变化，得到线切割过程中电极丝的挠曲变形、振动幅值和频率，如图8所示。

4-3放电波形的数据处理

放电波形数据的处理如图6所示，具体如下：

4-3-1根据脉冲宽度，对放电波形进行分割，得到单个放电波形图，并进行图像重构；

4-3-2采用图像矩和分形维数法获取单个放电波形的特征值(包括最大值、最小值、平均值和标准差)；

4-3-3结合人工识别的各类波形的样本库，采用小波变换算法和支持向量机分类方法，对每个放电波形进行分类，放电波形种类包括：开路、火花放电、电弧放电、过渡电弧和短路；

4-3-4对放电波形进行统计，输出电极丝1加工工件3时各类波形的百分比；即达到对放电状态的识别，如图9所示，从图中可知：开路2.3％，正常火花放电84.7％，电弧放电7.5％，过渡电弧2.5％和短路3％。

以上所述，仅是本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本领域的技术人员应该了解本发明并未作任何形式上的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，包括以下步骤：

1)装置搭建：在垂直和平行线切割机床的工件切割基准面上分别设置高速摄像观测系统，并在电火花线切割机床上连接高速采集卡系统；

2)数据获取与分析：开启放电加工后，通过高速摄像观测系统分别获得基准面的放电情况的录像和电极丝运动状态的录像；对基准面的放电情况的录像先进行OpenCV图像处理后，采用质心法对火花中心点进行统计分析，得到放电点分布统计图；对电极丝运动状态的录像中的电极丝位置进行分析，获得电极丝的线切割过程的运动状态；通过高速采集卡系统获得放电波形，通过图像矩、分形维数、小波变换方法和支持向量机分类方法对放电波形进行分类，得到各类放电波形的百分比。

2.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤1)中，高速摄像观测系统的设置具体包括以下步骤：1-1将工件固定在线切割加工机床的运动平台上，在接着调节线切割加工机床，使电极丝与工件的待切割面相切；然后在操作平台的边缘外围设置玻璃挡板；1-2开启放电加工，通过电火花线切割在工件表面切割一个基准面，并在工件的基准面上建立观察视窗；1-3在玻璃挡板的外侧，将一个高速摄像观测系统的摄像头轴线垂直于工件待切割基准面放置，摄像头靠近玻璃挡板；将另一个高速摄像观测系统的摄像头轴线平行于工件待切割基准面放置，且摄像机的镜头正对电极丝上的观察点，摄像头靠近玻璃挡板；将两个高速摄像观测系统分别与PC机连接。

3.根据权利要求2所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤1-1中的玻璃挡板为亚克力玻璃挡板；步骤1-2中的观察视窗包括夹具和高温玻璃，所述的高温玻璃通过夹具与工件基准面固定，所述的夹具位于远离电极丝的工件和高温玻璃的一侧，高温玻璃用以确保观测过程的放电间隙与实际加工过程一致；步骤1-3中，电极丝上共有A和B 2个观察点，观察点A位于高于工件顶部1mm处，电极丝的观察点B位于高于工件顶部0.2mm处；高速摄像观测系统由滤光片和高速摄像机组成，在高速摄像机的调焦透镜上增加一个滤光片，然后将调焦透镜与摄像机机体进行螺纹联接，滤光片透光率约为0.1％。

4.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述的步骤1)中，高速采集卡系统由数字示波器和高速采集卡组成，所述的数字示波器和高速采集卡对应的接头都分别与工件和电极丝相连接，且高速采集卡的数据输出端与PC机相连接；数字示波器的高精度差分探头的带宽在100MHz以上。

5.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述的电火花线切割开始之前，先将高速摄像观测系统各种拍摄参数设置好；线切割过程稳定后，开启高速摄像观测系统，进行录像，线切割过程的录像时间为1s，电极丝运动状态的录像时间为2s；高速采集卡系统在线切割开始时进行数据采集；高速摄像观测系统和高速采集卡系统采集的录像和放电波数据均传送至PC机。

6.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤2)中，在PC机上对基准面的放电情况的录像数据处理方法，具体包括以下步骤：2-1-1将视频逐帧转换成图像，将彩色图像转换为灰色图像；2-1-2将所得灰色图像进行图像二值化处理，然后将图像进行去噪处理；2-1-3分析去噪后的图像，对放电火花进行中心识别，再然后采用质心法计算火花中心坐标，得到火花位置的绝对和相对分布，从而得到放电点分布统计图。

7.根据权利要求6所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤2-1-2中，灰色图像进行图像二值化处理的阈值为0.16。

8.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤2)中，在PC机上对电极丝运动状态的录像数据的具体处理方法，包括以下步骤：2-2-1将视频逐帧转换成图像，将彩色图像转换为灰色图像；2-2-2将所得灰色图像进行图像二值化处理，然后将图像进行去噪处理；2-2-3以电极丝开始线切割前的A、B点位置分别为原点坐标，建立坐标时A点和B点的坐标所在的面垂直于工件的基准面，然后分别计算去噪图片中，电极丝在A点和B点的坐标，然后通过分析A点和B点的坐标的位置变化，得到线切割过程中电极丝的挠曲变形、振动幅值和频率。

9.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤2)中，在PC机上对放电波形数据的具体处理方法，包括以下步骤：2-3-1根据脉冲宽度，对放电波形进行分割，得到单个放电波形图，并进行图像重构；2-3-2采用图像矩和分形维数法获取单个放电波形的特征值；2-3-3结合人工识别的各类波形的样本库，采用小波变换算法和支持向量机分类方法，对每个放电波形进行分类，放电波形种类包括：开路、火花放电、电弧放电、过渡电弧和短路；2-3-4对放电波形进行统计，输出电极丝加工工件时各类波形的百分比；即达到对放电状态的识别。

10.根据权利要求1所述的电火花线切割加工过程自适应调整的多功能监测方法，其特征在于，所述步骤2-3-2中，特征值包括最大值、最小值、平均值和标准差。

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