CN112404614A - 一种甚高频电火花加工放电状态检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甚高频电火花加工放电状态检测装置及方法，涉及电火花加工领域，其技术方案要点是：分压整流模块将甚高频极间交流电压脉冲信号分压至合适范围，并整流为单向甚高频脉冲信号；射频滤波模块，用将单向甚高频脉冲信号转换为平滑的直流信号；隔离运放模块将射频模拟端与数据采集端隔离；数据采集模块将平滑模拟信号转换为数字量后传输给状态判断模块；状态判断模块读取模数转换数值，并依据放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，同时对放电区间进行细分量化处理。本发明通过实现甚高频放电加工过程中的准确、实时放电状态检测，同时实现了放电区间的细分量化处理；其检测灵敏度高、无滞后性、实时性强。
Description
技术领域
本发明涉及电火花加工领域，更具体地说，它涉及一种甚高频电火花加工放电状态检测装置及方法。
背景技术
甚高频脉冲电源不同于传统的独立晶体管式或RC充放电式电源，属于一种新型的电火花加工电源，其放电频率可以达到甚高频(30MHz～300MHz)级别,波形为标准正弦波，脉冲宽度压缩至几纳秒，已经有研究证明：相对于传统电源，甚高频电源的加工表面质量有显著提高，重铸层、热影响区以及微裂纹等表面缺陷有显著改善。
放电状态检测是电火花脉冲电源中的关键技术，是实现高效、精密放电加工的保障。现有的电火花加工放电状态检测技术应用于传统的低频、单向放电加工，最高频率不超过10MHz，无法应用于甚高频放电加工中的状态检测，其主要原因是传统的平均电压法不能用于交流脉冲，而基于高速信号采样的数字处理方法对采样系统的要求过高，极大的增加了硬件及软件的开发难度与成本。
因此，如何研究设计一种可靠并易于实现的甚高频电火花加工放电状态检测装置及方法是我们目前急需解决的问题，保证甚高频放电加工方法的工程化应用。
发明内容
为解决现有电加工放电状态检测方法只能用于单向、低频放电加工以及系统复杂难以实现的问题，本发明的目的是提供一种甚高频电火花加工放电状态检测装置及方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，包括依次级联的甚高频脉冲源、分压整流模块、射频滤波模块、隔离运放模块、数据采集模块、状态判断单元；其中，
甚高频脉冲源，用于输出30MHz-300MHz的甚高频极间交流电压脉冲信号；
分压整流模块，用于将甚高频极间交流电压脉冲信号分压至合适范围，并整流为单向甚高频脉冲信号；
射频滤波模块，用于将单向甚高频脉冲信号转换为平滑的直流信号；
隔离运放模块，用于将射频模拟端与数据采集端隔离，以减小干扰来提高采样精度，并将直流信号隔离转换输入至数据采集模块；
数据采集模块，用于将平滑模拟信号转换为数字量后传输给状态判断模块；
状态判断模块，用于读取模数转换数值，并依据放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，同时对放电区间进行细分量化处理。
进一步的，所述分压整流模块包括分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3以及整流元件Z；分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3依次串联后，一端与甚高频脉冲源的电极端连接，另一端与甚高频脉冲源的工件端连接；整流元件Z与分压元件F2并联后，整流元件Z的两端与射频滤波模块连接，整流元件Z的A端连接于分压元件F1和分压元件F2的连接点，整流元件Z的B端连接于分压元件F3和分压元件F2的连接点；施加于电极端与工件端之间的甚高频加工脉冲经过分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3后，在分压元件F2两端得到降压正弦波，再经过整流元件Z的整流后形成单向电压脉冲。
进一步的，所述射频滤波模块包括多级串联的LC低通滤波器，级数根据响应速度和曲线平滑要求调节；电感L1一端与整流元件Z的A端连接，电感L1另一端与电容C1和电感L2连接；多级LC低通滤波器中的电感L1-LN依次串联后，一端与整流元件Z的A端连接，另一端与隔离运放IN+端连接；整流元件Z的B端与隔离运放IN-端连接；电容Cn一端连接于电感Ln与L(n+1)之间的连接点，另一端连接于整流元件Z的B端与隔离运放IN-端之间连接点。
进一步的，所述隔离运放模块采用隔离放大芯片将直流信号以1:1的比例进行转换。
进一步的，所述数据采集模块采用模数转换器ADS8681，采样速率最高1MSPS，精度16位。
进一步的，所述状态判断模块采用MCU或FPGA嵌入式处理器。
第二方面，提供了一种甚高频电火花加工放电状态检测方法，应用于第一方面所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，包括以下步骤：
将设定周期内的极间电压经过数字滤波处理后作为阈值判断以及极间放电状态判断的初始数据；
每次系统上电后使能加工前完成短路阈值在线设置，每次加工使能之初完成开路阈值在线设置；
根据开路阈值和短路阈值按照放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，同时对放电区间进行细分量化处理。
进一步的，所述放电状态判断方法具体为：
根据在线设定阈值对放电状态区间进行细分：
式中，Vp-w为数字处理后的极间电压；
为正常放电区间半数；
为正常放电区间的中位数；
根据z值大小判断出当前放电状态，并且在正常放电状态内，是接近于开路还是接近于短路，以及接近程度的大小。
进一步的，所述z值判断放电状态具体为：
当z≥1，判断放电状态处于完全开路状态；
当0＜z＜1，判断放电状态处于正常放电状态偏于开路；
当-1＜z≤0，判断放电状态处于正常放电状态偏于短路；
当z≤-1，判断放电状态处于完全短路状态。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过解决甚高频电源检测中的甚高频双极性脉冲的分压整流以及滤波问题，实现甚高频放电加工过程中的准确、实时放电状态检测，同时实现了放电区间的细分量化处理；其检测灵敏度高、无滞后性、实时性强。满足甚高频脉冲电源放电状态的检测要求，将有力助推甚高频放电加工技术的发展与应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中检测装置的工作原理图；
图2是本发明实施例2中状态识别方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，如图1所示，包括依次级联的甚高频脉冲源、分压整流模块、射频滤波模块、隔离运放模块、数据采集模块、状态判断单元；其中，甚高频脉冲源，用于输出30MHz-300MHz的甚高频极间交流电压脉冲信号。分压整流模块，用于将甚高频极间交流电压脉冲信号分压至合适范围，并整流为单向甚高频脉冲信号。射频滤波模块，用于将单向甚高频脉冲信号转换为平滑的直流信号。隔离运放模块，用于将射频模拟端与数据采集端隔离，以减小干扰来提高采样精度，并将直流信号隔离转换输入至数据采集模块。数据采集模块，用于将平滑模拟信号转换为数字量后传输给状态判断模块。状态判断模块，用于读取模数转换数值，并依据放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，够对放电区间进行细分量化，更精确的估计当前放电状态的趋势，为放电加工自适应伺服控制提供更精确地依据。
分压整流模块包括分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3以及整流元件Z；分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3依次串联后，一端与甚高频脉冲源的电极端连接，另一端与甚高频脉冲源的工件端连接；整流元件Z与分压元件F2并联后，整流元件Z的两端与射频滤波模块连接，整流元件Z的A端连接于分压元件F1和分压元件F2的连接点，整流元件Z的B端连接于分压元件F3和分压元件F2的连接点；施加于电极端与工件端之间的甚高频加工脉冲经过分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3后，在分压元件F2两端得到降压正弦波，再经过整流元件Z的整流后形成单向电压脉冲。
射频滤波模块包括多级串联的LC低通滤波器，级数根据响应速度和曲线平滑要求调节；电感L1一端与整流元件Z的A端连接，电感L1另一端与电容C1和电感L2连接；多级LC低通滤波器中的电感L1-LN依次串联后，一端与整流元件Z的A端连接，另一端与隔离运放IN+端连接；整流元件Z的B端与隔离运放IN-端连接；电容Cn一端连接于电感Ln与L(n+1)之间的连接点，另一端连接于整流元件Z的B端与隔离运放IN-端之间连接点。其中，n小于N，N为LC低通滤波器的级数。
在本实施例中，隔离运放模块采用隔离放大芯片将直流信号以1:1的比例进行转换。
在本实施例中，数据采集模块采用模数转换器ADS8681，采样速率最高1MSPS，精度16位。
在本实施例中，状态判断模块采用MCU或FPGA嵌入式处理器。
实施例2：一种甚高频电火花加工放电状态检测方法，应用于实施例1提供的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，如图2所示，包括以下步骤：
S101：将设定周期内的极间电压经过数字滤波处理后作为阈值判断以及极间放电状态判断的初始数据；
S102：每次系统上电后使能加工前完成短路阈值在线设置，每次加工使能之初完成开路阈值在线设置；具体的，状态判断所需上限电压阈值a在每一次加工启动之初自动完成设定。下限电压阈值b在每一次系统上电、加工启动之前自动完成设定。阈值不需手动设定，提高了阈值设置的合理性。
S103：根据开路阈值和短路阈值按照放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，同时对放电区间进行细分量化处理。
放电状态判断方法具体为：
根据在线设定阈值对放电状态区间进行细分：
式中，Vp-w为数字处理后的极间电压；
为正常放电区间半数；
为正常放电区间的中位数。根据z值大小判断出当前放电状态，并且在正常放电状态内，是接近于开路还是接近于短路，以及接近程度的大小。
z值判断放电状态具体为：
当z≥1，判断放电状态处于完全开路状态；
当0＜z＜1，判断放电状态处于正常放电状态偏于开路；
当-1＜z≤0，判断放电状态处于正常放电状态偏于短路；
当z≤-1，判断放电状态处于完全短路状态。
工作原理：本发明通过解决甚高频电源检测中的甚高频双极性脉冲的分压整流以及滤波问题，实现甚高频放电加工过程中的准确、实时放电状态检测，同时实现了放电区间的细分量化处理；其检测灵敏度高、无滞后性、实时性强。满足甚高频脉冲电源放电状态的检测要求，将有力助推甚高频放电加工技术的发展与应用。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，包括依次级联的甚高频脉冲源、分压整流模块、射频滤波模块、隔离运放模块、数据采集模块、状态判断单元；其中，
甚高频脉冲源，用于输出30MHz-300MHz的甚高频极间交流电压脉冲信号；
分压整流模块，用于将甚高频极间交流电压脉冲信号分压至合适范围，并整流为单向甚高频脉冲信号；
射频滤波模块，用于将单向甚高频脉冲信号转换为平滑的直流信号；
隔离运放模块，用于将射频模拟端与数据采集端隔离，以减小干扰来提高采样精度，并将直流信号隔离转换输入至数据采集模块；
数据采集模块，用于将平滑模拟信号转换为数字量后传输给状态判断模块；
状态判断模块，用于读取模数转换数值，并依据放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，同时对放电区间进行细分量化处理。
2.根据权利要求1所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，所述分压整流模块包括分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3以及整流元件Z；分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3依次串联后，一端与甚高频脉冲源的电极端连接，另一端与甚高频脉冲源的工件端连接；整流元件Z与分压元件F2并联后，整流元件Z的两端与射频滤波模块连接，整流元件Z的A端连接于分压元件F1和分压元件F2的连接点，整流元件Z的B端连接于分压元件F3和分压元件F2的连接点；施加于电极端与工件端之间的甚高频加工脉冲经过分压元件F1、分压元件F2、分压元件F3后，在分压元件F2两端得到降压正弦波，再经过整流元件Z的整流后形成单向电压脉冲。
3.根据权利要求2所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，所述射频滤波模块包括多级串联的LC低通滤波器，级数根据响应速度和曲线平滑要求调节；电感L1一端与整流元件Z的A端连接，电感L1另一端与电容C1和电感L2连接；多级LC低通滤波器中的电感L1-LN依次串联后，一端与整流元件Z的A端连接，另一端与隔离运放IN+端连接；整流元件Z的B端与隔离运放IN-端连接；电容Cn一端连接于电感Ln与L(n+1)之间的连接点，另一端连接于整流元件Z的B端与隔离运放IN-端之间连接点。
4.根据权利要求1所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，所述隔离运放模块采用隔离放大芯片将直流信号以1:1的比例进行转换。
5.根据权利要求1所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，所述数据采集模块采用模数转换器ADS8681，采样速率最高1MSPS，精度16位。
6.根据权利要求1所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，所述状态判断模块采用MCU或FPGA嵌入式处理器。
7.一种甚高频电火花加工放电状态检测方法，应用于权利要求1-6任意一项所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测装置，其特征是，包括以下步骤：
将设定周期内的极间电压经过数字滤波处理后作为阈值判断以及极间放电状态判断的初始数据；
每次系统上电后使能加工前完成短路阈值在线设置，每次加工使能之初完成开路阈值在线设置；
根据开路阈值和短路阈值按照放电状态判断方法对开路、正常放电状态、短路状态进行判别，同时对放电区间进行细分量化处理。
8.根据权利要求7所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测方法，其特征是，所述放电状态判断方法具体为：
根据在线设定阈值对放电状态区间进行细分：
式中，Vp-w为数字处理后的极间电压；
为正常放电区间半数；
为正常放电区间的中位数；
根据z值大小判断出当前放电状态，并且在正常放电状态内，是接近于开路还是接近于短路，以及接近程度的大小。
9.根据权利要求1所述的一种甚高频电火花加工放电状态检测方法，其特征是，所述z值判断放电状态具体为：
当z≥1，判断放电状态处于完全开路状态；
当0＜z＜1，判断放电状态处于正常放电状态偏于开路；
当-1＜z≤0，判断放电状态处于正常放电状态偏于短路；
当z≤-1，判断放电状态处于完全短路状态。
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