CN116275329A - 一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电加工机床技术领域，尤其涉及一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统及方法，包括：电极丝张力检测模块，根据张力传感器检测的性能参数，可实现张力的实时监测；放电状态检测模块，通过控制器与各个状态的特征值进行比对，确定当前放电状态；电极丝振动幅度检测模块，用于实时监测电极丝的振动幅度；以及PC机，用于将上述各模块的相关数据传输至PC机，进行汇总处理，并进行评估加工质量。本发明通过电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块，能够在线监测与评估加工工件的加工质量，判断加工工件的形状精度、表面粗糙度和切缝宽度，并在加工质量超出误差要求时进行预警。

Description

一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统及方法

技术领域

本发明涉及电加工机床技术领域，尤其涉及一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统及方法。

背景技术

电火花线切割加工是广泛应用于模具制造、特殊材料加工等领域的一种特种加工技术。随着对产品加工质量要求的不断提高，对电火花线切割加工过程监测与加工质量在线评估也提出了更高的要求。目前用于线切割加工产品质量检测的方法主要有：加工后测量、声发射监测加工过程、中间因素推测等。

加工后测量是指在加工完成后，对加工工件的表面粗糙度、形状精度、切缝宽度、材料去除率等加工质量进行全面的检测；声发射监测加工过程是利用声发射技术通过接收和分析工件的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法，可用于检测工件的材料去除率；中间因素推测主要是通过电极丝张力、电极丝振动幅度、放电状态、加工处的火花分布情况等因素来推测加工状态，从而预测加工质量。

电极丝张力的检测主要通过各种力传感器来进行张力测量，通过张判断电极丝振动情况及放电力的大小；电极丝振动幅度可以通过高速摄影进行在线检测，通过图像处理技术获取电极丝振动幅度的实时情况；放电状态一般通过射频技术进行检测，在线切割加工放电时，会产生一定频率的射频信号，通过射频信号的强度及具体频率，可以分辨加工时的放电情况；放电时的电火花状态也是通过高速摄影来获得，通过图像处理对实时图像进行锐化、二值化等操作，获得电火花的位置分布，从而判断加工时放电的均匀程度。

目前，加工后测量可以全面的检测加工质量，但因已完成加工较难进行补救。声发射监测加工过程将声发射技术应用于电火花加工过程的监测，但是由于声发射技术的原理限制，目前只能用于检测电火花加工过程中的材料去除。通过中间因素推测加工质量主要是通过检测电极丝张力、电极丝振动幅度、放电状态、加工处的火花分布等因素，再通过加工经验进行加工质量的预测，具有一定的不确定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统及方法，通过电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块，能够在线监测与评估加工工件的加工质量，判断加工工件的形状精度、表面粗糙度和切缝宽度，并在加工质量超出误差要求时进行预警。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统，包括：

电极丝张力检测模块，所述电极丝张力检测模块根据张力传感器检测的性能参数，可实现张力的实时监测；

放电状态检测模块，所述放电状态检测模块通过控制器与各个状态的特征值进行比对，确定当前放电状态；

电极丝振动幅度检测模块，所述电极丝振动幅度检测模块用于实时监测电极丝的振动幅度；以及

PC机，所述PC机分别与电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块电性连接，所述PC机用于将上述各模块的相关数据传输至PC机，进行汇总处理，并进行评估加工质量。

优选地，所述电极丝张力检测模块包括导向轮、张力传感器、以及缠绕在导向轮和张力传感器上的电极丝，所述张力传感器与放大、模数转换器电性连接。

通过采用上述技术方案：由张力传感器实时检测当前张力，并输出对应的电压值。电压信号经过放大、模数转换后被控制模块接收，根据张力传感器给出的性能参数，可实现张力的实时监测。

优选地，所述放电状态检测模块包括射频接收天线、滤波器和频谱分析仪，所述射频接收天线通过滤波器与频谱分析仪电性连接，所述频谱分析仪与控制器电性连接。

通过采用上述技术方案：通过射频接收天线接受线切割加工时放电产生的强烈射频信号，由于所接受的信号为复杂波形，对其进行滤波、放大、包络检波等处理，然后进行时域频域分析，即利用频谱分析仪对其特征值进行提取。首先在加工前对正常放电、开路和短路的波形进行分析，得到对应的特征值(峰值时间、峰值强度、平均值等)，将其存入控制器，在加工时，频谱分析仪将实时波形特征值传输给控制器，控制器将其与各个状态的特征值进行比对，确定当前放电状态。

优选地，所述电极丝振动幅度检测模块包括相机，所述相机与PC机电性连接。

通过采用上述技术方案：由高速相机记录加工时电极丝的实时振动幅度，加工时，高速相机将实时监测照片传至PC机，安装在PC机内的图像处理程序调用对应文件夹内的实时图片进行锐化、二值化、灰度处理等处理，获得只有电极丝的清晰图片。通过标定，读取电极丝的振动幅度，并传送至控制器。

本发明还提供了一种电火花线切割加工质量在线监测与评估方法，包括以下步骤：

步骤1、通过电极丝张力检测模块将获得的实时张力值传至PC机，将实时数据与目标张力值进行对比，判断张力波动趋势，并通过历史数据的分析判断加工的形状精度，当张力平均值超过目标张力值的30％或峰值超出目标张力值的50％或超出目标张力值30％的数量高于目前数量的10％时，系统将判定形状精度不达标；

步骤2、通过放电状态检测模块将检测的实时波形及特征值传入控制器后，由控制器与开路、短路和正常放电的特征值进行比对，确定当前放电情况，异常放电会对加工的表面粗糙度造成不良影响，当异常放电的累积数量达到总数量的30％或连续异常放电达到理论总放电数的5％后，系统将判定表面粗糙度不达标；

步骤3、通过电极丝振动幅度检测模块将检测的振动幅度传输至控制器后，控制器保存数据后，对数据所在文件内的全部数据进行分析，求得其平均值、峰值、超出阈值数，当平均值超过预期切缝宽度的5％或峰值超出预期切缝宽度的30％或超出预期切缝宽度5％的数量高于目前数量的10％时，系统将判定切缝宽度不达标；当任意加工质量不达标时，系统进行警报，提示加工质量不达标。

通过采用上述技术方案：由上述各模块将相关数据传输至PC机，进行汇总处理，并评估加工质量，进行判断加工质量是否超过误差允许值，如果超过则进行预警提示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块，能够在线监测与评估加工工件的加工质量，判断加工工件的形状精度、表面粗糙度和切缝宽度，并在加工质量超出误差要求时进行预警。

2、本发明对加工质量进行了在线评估，并在加工质量不达标时进行预警，为加工质量的提升提供平台。

附图说明

图1为本发明系统的整体方框图；

图2为本发明系统中电极丝张力检测模块的方框图；

图3为本发明系统中放电状态检测模块的方框图；

图4为本发明系统中电极丝振动幅度检测模块的方框图；

图5为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明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的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。

参照图1-5，一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统，包括：

电极丝张力检测模块，所述电极丝张力检测模块根据张力传感器检测的性能参数，可实现张力的实时监测；

放电状态检测模块，所述放电状态检测模块通过控制器与各个状态的特征值进行比对，确定当前放电状态；

电极丝振动幅度检测模块，所述电极丝振动幅度检测模块用于实时监测电极丝的振动幅度；以及

PC机，所述PC机分别与电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块电性连接，所述PC机用于将上述各模块的相关数据传输至PC机，进行汇总处理，并进行评估加工质量。

具体的，参照图2，所述电极丝张力检测模块包括导向轮、张力传感器、以及缠绕在导向轮和张力传感器上的电极丝，所述张力传感器与放大、模数转换器电性连接。

本实施例中，由张力传感器实时检测当前张力，并输出对应的电压值。电压信号经过放大、模数转换后被控制模块接收，根据张力传感器给出的性能参数，可实现张力的实时监测。

具体的，参照图3，所述放电状态检测模块包括射频接收天线、滤波器和频谱分析仪，所述射频接收天线通过滤波器与频谱分析仪电性连接，所述频谱分析仪与控制器电性连接。

本实施例中，通过射频接收天线接受线切割加工时放电产生的强烈射频信号，一般加工产生的射频信号频率在1MHz～10MHz之间，将天线放置在加工区域附近的1～2m处，以保证接收信号的准确性。由于所接受的信号为复杂波形，对其进行滤波、放大、包络检波等处理，然后进行时域频域分析，即利用频谱分析仪对其特征值进行提取。首先在加工前对正常放电、开路和短路的波形进行分析，得到对应的特征值(峰值时间、峰值强度、平均值等)，将其存入控制器，在加工时，频谱分析仪将实时波形特征值传输给控制器，控制器将其与各个状态的特征值进行比对，确定当前放电状态。

具体的，参照图4，所述电极丝振动幅度检测模块包括相机，所述相机与PC机电性连接。

本实施例中，由高速相机记录加工时电极丝的实时振动幅度，电极丝的振动频率一般在10～30kHz之间，这就要求高速相机的帧率要在30kFPS左右，以保证记录数据的全面性。高速相机放置在防振平台上，并进行尺寸标定，防止高速相机振动导致数据偏差。加工时，高速相机将实时监测照片传至PC机，安装在PC机内的图像处理程序调用对应文件夹内的实时图片进行锐化、二值化、灰度处理等处理，获得只有电极丝的清晰图片。通过标定，读取电极丝的振动幅度，并传送至控制器。

参照图5，一种电火花线切割加工质量在线监测与评估方法，包括以下步骤：

步骤1、通过电极丝张力检测模块将获得的实时张力值传至PC机，将实时数据与目标张力值进行对比，判断张力波动趋势，并通过历史数据的分析判断加工的形状精度，当张力平均值超过目标张力值的30％或峰值超出目标张力值的50％或超出目标张力值30％的数量高于目前数量的10％时，系统将判定形状精度不达标；

步骤2、通过放电状态检测模块将检测的实时波形及特征值传入控制器后，由控制器与开路、短路和正常放电的特征值进行比对，确定当前放电情况，异常放电会对加工的表面粗糙度造成不良影响，当异常放电的累积数量达到总数量的30％或连续异常放电达到理论总放电数的5％后，系统将判定表面粗糙度不达标；

步骤3、通过电极丝振动幅度检测模块将检测的振动幅度传输至控制器后，控制器保存数据后，对数据所在文件内的全部数据进行分析，求得其平均值、峰值、超出阈值数，当平均值超过预期切缝宽度的5％或峰值超出预期切缝宽度的30％或超出预期切缝宽度5％的数量高于目前数量的10％时，系统将判定切缝宽度不达标；当任意加工质量不达标时，系统进行警报，提示加工质量不达标。

本实施例中，由上述各模块将相关数据传输至PC机，进行汇总处理，并评估加工质量，进行判断加工质量是否超过误差允许值，如果超过则进行预警提示。

综上所述，本发明通过电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块，能够在线监测与评估加工工件的加工质量，判断加工工件的形状精度、表面粗糙度和切缝宽度，并在加工质量超出误差要求时进行预警。

本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统，其特征在于，包括：

电极丝张力检测模块，所述电极丝张力检测模块根据张力传感器检测的性能参数，可实现张力的实时监测；

放电状态检测模块，所述放电状态检测模块通过控制器与各个状态的特征值进行比对，确定当前放电状态；

电极丝振动幅度检测模块，所述电极丝振动幅度检测模块用于实时监测电极丝的振动幅度；以及

PC机，所述PC机分别与电极丝张力检测模块、放电状态检测模块和电极丝振动幅度检测模块电性连接，所述PC机用于将上述各模块的相关数据传输至PC机，进行汇总处理，并进行评估加工质量。

2.根据权利要求1所述的一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统，其特征在于，所述电极丝张力检测模块包括导向轮、张力传感器、以及缠绕在导向轮和张力传感器上的电极丝，所述张力传感器与放大、模数转换器电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统，其特征在于，所述放电状态检测模块包括射频接收天线、滤波器和频谱分析仪，所述射频接收天线通过滤波器与频谱分析仪电性连接，所述频谱分析仪与控制器电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种电火花线切割加工质量在线监测与评估系统，其特征在于，所述电极丝振动幅度检测模块包括相机，所述相机与PC机电性连接。

5.一种电火花线切割加工质量在线监测与评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过电极丝张力检测模块将获得的实时张力值传至PC机，将实时数据与目标张力值进行对比，判断张力波动趋势，并通过历史数据的分析判断加工的形状精度，当张力平均值超过目标张力值的30％或峰值超出目标张力值的50％或超出目标张力值30％的数量高于目前数量的10％时，系统将判定形状精度不达标；

步骤2、通过放电状态检测模块将检测的实时波形及特征值传入控制器后，由控制器与开路、短路和正常放电的特征值进行比对，确定当前放电情况，异常放电会对加工的表面粗糙度造成不良影响，当异常放电的累积数量达到总数量的30％或连续异常放电达到理论总放电数的5％后，系统将判定表面粗糙度不达标；

步骤3、通过电极丝振动幅度检测模块将检测的振动幅度传输至控制器后，控制器保存数据后，对数据所在文件内的全部数据进行分析，求得其平均值、峰值、超出阈值数，当平均值超过预期切缝宽度的5％或峰值超出预期切缝宽度的30％或超出预期切缝宽度5％的数量高于目前数量的10％时，系统将判定切缝宽度不达标；当任意加工质量不达标时，系统进行警报，提示加工质量不达标。

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