CN115870568A - 基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统及方法，属于电火花机床的伺服控制技术领域，本发明首先通过比较电路对采集的电火花放电加工间隙的电压和电流信号与参考电压比较，获取电压信号和电流信号的阈值比较结果；然后基于可编程化系统单芯片(PSoC)设计了电路，对阈值比较结果进行滤波和进一步抓取波形，对加工过程中放电脉冲的状态精准识别和计数，为机床伺服控制提供参数，进而降低加工过程中的速度波动、提升加工效率。

Description

基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统及方法

技术领域

本发明涉及电火花机床的伺服控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统及方法。

背景技术

电火花线切割的加工过程中，极间放电状态是评价加工质量的重要指标。我们需要对级间状态进行检测和识别，为机床的控制提供参考。级间状态检测识别的普遍方法为通过模拟或数字电路采样、调制极间波形并设置阈值区分放电状态。

常用的一类识别方法为间隙平均脉宽电压法，如图1所示，采样开关S与电源脉冲同步，智能采集到脉宽时间的电压脉冲信号，通过的(即被采样的)脉宽电压脉冲信号经RC电路滤波后将其平均值贮存在电容C的两端，由于在脉冲间隔期间采样开关是断开的，电容C的两端将一直保持这一电压数值。这样在电容C两端的电压将始终反映一段时间内的平均脉宽电压的大小，即实现了平均脉宽电压的检测。调节电阻R或电容C的大小可改变平均脉宽电压的取样长度(时间常数)，因此该电路既可作一段时间内平均脉宽电压的检测，也可作瞬时(单个)脉宽电压的检测。该方法的不足之处为对于单个脉冲的分辨能力不强，不适用于更加精确的伺服控制算法。

另外一类方法为使用迟滞比较器(又称滞回比较器)对级间脉冲信号进行调理，再对调理脉冲信号进行计算处理。迟滞比较器的原理为：对于给定的上升沿阈值和下降沿阈值，当待测电压超过上升沿阈值后，迟滞比较器内部产生一个高电平脉冲信号，当检测到低于下降沿阈值时，高电平脉冲信号切换为低电平脉冲信号，由此产生此段时间内的有效脉冲信号。根据短路、正常、空载三种放电状态的区别，调整相应的电阻值，由此得到不同放电状态下的脉冲信号。但是在电源高频开关过程以及环境中其他干扰因素的影响下，迟滞比较器会出现少量的误判脉冲。

因此，提供一种能够精准识别和计数电火花加工过程中放电脉冲状态的系统，进而提高识别电火花加工的放电状态是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统及方法，本发明基于可编程化系统单芯片(PSoC)设计了电路，通过对加工过程中放电脉冲的状态精准识别和计数，进而判别电火花加工的放电状态，为机床伺服控制提供参数，降低加工过程中的速度波动、提升加工效率。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，包括脉冲电源、分压隔离电路、电流采集单元、比较电路、处理电路和计数单元；

其中，所述分压隔离电路和所述电流采集单元分别与所述脉冲电源连接，所述分压隔离电路和所述电流采集单元的输出端与所述比较电路输入端连接，所述处理电路的输入端与所述比较电路输出端连接，所述计数单元的输入端与所述处理电路的输出端连接，所述计数单元的输入端与所述处理电路连接；

所述分压隔离电路用于获取所述脉冲电源的电压脉冲信号，并输入到所述比较电路；

所述电流采集单元用于采集所述脉冲电源的电流脉冲信号，并输入到所述比较电路；

所述比较电路的输入端还与所述处理电路连接，所述比较电路读取处理电路输出的参考电压，用于将所述分压隔离电路和所述电流采集单元输入的电压脉冲信号和电流脉冲信号与所述参考电压进行比较，并将所述比较结果输入到所述处理电路；

所述处理电路对所述比较电路输出参考电压，并接收所述比较电路输入的比较结果进行进一步比较，并进行滤波处理，输出最终脉冲信号；

所述计数单元用于接收所述处理电路的输出的脉冲信号，并进行计数，完成对电火花加工过程中放电状态的识别。

优选的，所述电流采集模块为霍尔电流传感器。

优选的，处理电路为PSoC电路，用于调整输出给所述比较电路的参考电压。

优选的，所述比较电路包括空载电压比较器、短路电压比较器、正常放电电压比较器、电流比较器；

所述分压隔离电路将采集的电压脉冲信号分别发送给所述空载电压比较器、所述短路电压比较器、所述正常放电电压比较器，所述空载电压比较器用于将所述电压脉冲信号与空载参考电压进行比较并输出空载阈值比较结果，所述短路电压比较器用于将所述电压脉冲信号与短路参考电压进行比较并输出短路阈值比较结果，所述正常放电电压比较器用于将所述电压脉冲信号与正常放电参考电压进行比较并输出正常放电阈值比较结果；

所述电流采集单元将采集的电流脉冲信号输入所述电流比较器，所述电流比较器用于将所述电流脉冲信号与电流参考电压进行比较并输出电流阈值比较结果。

优选的，所述空载电压比较器、所述短路电压比较器、所述正常放电电压比较器和所述电流比较器均采用迟滞比较器。

优选的，所述处理电路包括逻辑处理单元、滤波单元和边缘检测单元；

所述逻辑处理单元用于将所述比较电路输入的电压比较脉冲和电流比较到脉冲进行逻辑处理后输入到所述滤波单元，所述滤波单元对经过逻辑处理的脉冲进行滤波处理，并入到所述边沿检测模块对波形进行进一步抓取，得到最终辨别脉冲。

所述计数单元包括空载脉冲计数单元、短路脉冲计数单元和正常脉冲计数单元；

所述空载脉冲计数单元、所述短路脉冲计数单元和所述正常脉冲计数单元分别连接所述处理单元的输出端。

另一方面，本发明还提供了一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别方法，包括以下步骤：

采集电火花放电加工间隙的电压脉冲信号和电流脉冲信号，将所述电压脉冲电压和所述电流脉冲信号输入至比较电路；

所述比较电路根据处理电路输出的参考电压对所述电压脉冲信号和所述电流脉冲信号进行判断，得到比较结果，并输入到处理电路；

所述处理电路接收所述比较结果，并对所述比较结果进行逻辑处理，并对所述逻辑处理后的比较结果进行滤波处理，然后对所述滤波处理后的比较结果进行进一步的波形抓取，得到最终辨别脉冲信号；

对所述最终辨别脉冲信号分别进行计数，得到空载脉冲数、短路脉冲数以及正常脉冲数。

所述比较电路中的参考电压的预设值通过处理电路调节。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统及方法，本发明首先通过比较电路对采集的电火花放电加工间隙的电压和电流信号与参考电压比较，获取电压信号和电流信号的阈值比较结果；然后基于可编程化系统单芯片(PSoC)设计了电路，对阈值比较结果进行滤波和进一步抓取波形，对加工过程中放电脉冲的状态精准识别和计数，为机床伺服控制提供参数，进而降低加工过程中的速度波动、提升加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中间隙平均脉宽电压法的电路原理图。

图2为本发明基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统的结构框架图。

图3为本发明中比较电路的结构框架图。

图4为本发明中比较电路的电路原理图。

图5为本发明中处理电路的原理图。

图6为本发明基于PSoC的电火花加工放电状态识别方法的流程图。

图7为本发明在电火花线切割机床上使用的简要示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，如图2所示，包括脉冲电源、分压隔离电路、电流采集单元、比较电路、处理电路和计数单元；

其中，分压隔离电路和电流采集单元分别与脉冲电源连接，分压隔离电路和电流采集单元的输出端与比较电路输入端连接，处理电路的输入端与比较电路输出端连接，计数单元的输入端与处理电路的输出端连接，计数单元的输入端与处理电路连接；

通过分压隔离电路采集脉冲电路输出的电火花加工放电过程中的电压脉冲信号，通过电流采集单元获取脉冲电路输出的电火花加工放电过程中的电流脉冲信号，本实施例中采用型号为HCS_LSP_25A的霍尔电流传感器采集得到电流信号。

比较电路的输入端还与处理电路连接，比较电路读取处理电路输出的参考电压，比较电路与控制终端连接，控制终端能够调节比较电路中存储的参考电压，分压隔离电路和电流采集单元输入的电压脉冲信号和电流脉冲信号通过比较电路与比较电路中存储的参考电压进行比较，获得电火花加工过程中，放电脉冲的阈值比较结果；

处理电路对所述比较电路输出参考电压，并接收比较电路输入的比较结果进行进一步比较，并进行滤波处理，输出最终脉冲信号；

计数单元接收处理电路的输出的脉冲信号，并进行计数，完成对电火花加工过程中放电状态的识别。

如图3所示，比较电路包括空载电压比较器、短路电压比较器、正常放电电压比较器、电流比较器；

分压隔离电路将采集的电压脉冲信号分别发送给空载电压比较器、短路电压比较器、正常放电电压比较器，空载电压比较器用于将电压脉冲信号与空载参考电压进行比较并输出空载阈值比较结果，短路电压比较器用于将电压脉冲信号与短路参考电压进行比较并输出短路阈值比较结果，正常放电电压比较器用于将电压脉冲信号与正常放电参考电压进行比较并输出正常放电阈值比较结果；

电流采集单元将采集的电流脉冲信号输入电流比较器，电流比较器用于将电流脉冲信号与电流参考电压进行比较并输出电流阈值比较结果。

优选的，所述处理电路为PSoC电路，处理电路为PSoC电路，PSoC由于其可编程性可以方便调整输出给比较电路的参考电压。

优选的，空载电压比较器、短路电压比较器、正常放电电压比较器和电流比较器均可采用TP196110型号的迟滞比较器。

如图4所示，图中Vol_sensor为分压隔离电路采集的极间电压信号，V_ref1为可以调节的参考电压值(由PSoC内部的DAC(数字信号转换为模拟信号)产生或由控制终端认为设置)，Threshold_1为脉冲比较后的输出结果。在得到各个阈值比较结果后，将其输入处理电路，该电路能在电源高频开关过程以及环境中其他因素的干扰下，对迟滞比较器产生的误判脉冲与电流阈值脉冲进行比较并进行滤波处理，从而进一步提升脉冲鉴别的准确度。

优选的，处理电路包括逻辑处理单元、滤波单元和边缘检测单元；

如图5所示，图中，TH_1、TH_2、TH_3分别是空载、正常放电、短路三种极间状态的阈值比较结果，TH_6是电流阈值比较结果。将电压比较脉冲与电流比较脉冲进行相应的逻辑处理，然后利用滤波器(Glitch Filter_Normal)对误判脉冲进行过滤，最后通过边沿检测器(Edge Detector_1和Edge Detector_2)对波形进一步抓取，得到的最终辨别脉冲送入中断向量进行计数。isr_IDLE、isr_NORMAL、isr_SHORT分别是对应的中断计数向量，分别代表了空载脉冲数，正常脉冲数和短路脉冲数，至此就完成了对加工过程中放电脉冲的状态识别。

计数单元包括空载脉冲计数单元、短路脉冲计数单元和正常脉冲计数单元；空载脉冲计数单元、短路脉冲计数单元和正常脉冲计数单元分别连接处理单元的输出端。

另一方面，本发明还提供了一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别方法，如图6所示，包括以下步骤：

采集电火花放电加工间隙的电压脉冲信号和电流脉冲信号，将电压脉冲电压和电流脉冲信号输入至比较电路；

比较电路根据预先设置的参考电压对电压脉冲信号和电流脉冲信号进行判断，得到比较结果，并输入到处理电路；

处理电路接收比较结果，并对比较结果进行逻辑处理，并对逻辑处理后的比较结果进行滤波处理，然后对滤波处理后的比较结果进行进一步的波形抓取，得到最终辨别脉冲信号；

对最终辨别脉冲信号分别进行计数，得到空载脉冲数、短路脉冲数以及正常脉冲数。

比较电路中的参考电压的预设值通过处理电路调节。

选用苏州宝玛BM400C-C电火花线切割机床进行单脉冲识别电路的实验验证，使用TEK多通道高速示波器对加工过程中的极间原始状态波形及脉冲识别结果进行检验，以正常放电波形为例，通过示波器结果显示，极间放电过程中单脉冲识别正确，由PSoC的迟滞比较器端产生脉宽均匀、数量正确的识别脉冲，未发现误判脉冲的情况。使用嵌入式MCU对单位时间内的脉冲计数进行串口打印，与统计时间内电源发出脉冲数进行比对，如表1所示可以看出，在单位时间内三种脉冲数之和与电源脉冲总数基本一致，可以验证该方案的可行性。

表1单脉冲识别电路验证

如图7所示，本发明的放电状态识别系统用于电火花切割机床时，将线切割电极丝5和待加工工件6之间的极间电压信号、霍尔元件(或其他电流传感器)测得的电路中电流信号输入脉冲识别电路1，脉冲识别电路即可输出放电脉冲的状态。将放电脉冲的状态输入工控机2中，工控机即可通过控制算法调节伺服速度，以保证加工的速度和稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，包括脉冲电源、分压隔离电路、电流采集单元、比较电路、处理电路和计数单元；所述分压隔离电路和所述电流采集单元分别与所述脉冲电源连接，所述分压隔离电路和所述电流采集单元的输出端与所述比较电路输入端连接，所述处理电路的输入端与所述比较电路输出端连接，所述计数单元的输入端与所述处理电路的输出端连接，所述计数单元的输入端与所述处理电路连接；

所述分压隔离电路用于获取所述脉冲电源的电压脉冲信号，并输入到所述比较电路；

所述电流采集单元用于采集所述脉冲电源的电流脉冲信号，并输入到所述比较电路；

所述比较电路的输入端还与所述处理电路连接，所述比较电路接收处理电路给出的参考电压，用于将所述分压隔离电路输入的电压脉冲信号和所述电流采集单元输入的电流脉冲信号与所述参考电压进行比较，并将所述比较结果输入到所述处理电路；

所述处理电路对所述比较电路输出参考电压，并接收对所述比较电路输入的比较结果进行进一步比较，并进行滤波处理，输出最终脉冲信号；

所述计数单元用于接收所述处理电路的输出的脉冲信号，并进行计数，完成对电火花加工过程中放电状态的识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，所述电流采集模块为霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，所述处理电路为PSoC电路，用于调整输出给所述比较电路的参考电压。

4.根据权利要求3所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，所述比较电路包括空载电压比较器、短路电压比较器、正常放电电压比较器、电流比较器；

所述分压隔离电路将采集的电压脉冲信号分别发送给所述空载电压比较器、所述短路电压比较器、所述正常放电电压比较器，所述空载电压比较器用于将所述电压脉冲信号与空载参考电压进行比较并输出空载阈值比较结果，所述短路电压比较器用于将所述电压脉冲信号与短路参考电压进行比较并输出短路阈值比较结果，所述正常放电电压比较器用于将所述电压脉冲信号与正常放电参考电压进行比较并输出正常放电阈值比较结果；

所述电流采集单元将采集的电流脉冲信号输入所述电流比较器，所述电流比较器用于将所述电流脉冲信号与电流参考电压进行比较并输出电流阈值比较结果。

5.根据权利要求4所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，所述空载电压比较器、所述短路电压比较器、所述正常放电电压比较器和所述电流比较器均采用迟滞比较器。

6.根据权利要求1所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，所述处理电路包括逻辑处理单元、滤波单元和边缘检测单元；

所述逻辑处理单元用于将所述比较电路输入的电压比较脉冲和电流比较到脉冲进行逻辑处理后输入到所述滤波单元，所述滤波单元对经过逻辑处理的脉冲进行滤波处理，并入到所述边沿检测模块对波形进行进一步抓取，得到最终辨别脉冲。

7.根据权利要求1所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别系统，其特征在于，所述计数单元包括空载脉冲计数单元、短路脉冲计数单元和正常脉冲计数单元；

所述空载脉冲计数单元、所述短路脉冲计数单元和所述正常脉冲计数单元分别连接所述处理单元的输出端。

8.一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集电火花放电加工间隙的电压脉冲信号和电流脉冲信号，将所述电压脉冲电压和所述电流脉冲信号输入至比较电路；

所述比较电路根据处理电路输出的参考电压对所述电压脉冲信号和所述电流脉冲信号进行判断，得到比较结果，并输入到处理电路；

所述处理电路接收所述比较结果，并对所述比较结果进行逻辑处理，并对所述逻辑处理后的比较结果进行滤波处理，然后对所述滤波处理后的比较结果进行进一步的波形抓取，得到最终辨别脉冲信号；

对所述最终辨别脉冲信号分别进行计数，得到空载脉冲数、短路脉冲数以及正常脉冲数。

9.根据权利要求8所述的一种基于PSoC的电火花加工放电状态识别方法，其特征在于，所述比较电路中的参考电压的预设值通过处理电路调节产生。

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