（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

微細(xì)電火花加工是利用正負(fù)極之間的脈沖火花放電的電腐蝕現(xiàn)象來進(jìn)行加工的特種加工方法，因其適用于任何難切削導(dǎo)電材料、無明顯宏觀作用力、非接觸加工的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用[1-2]。與傳統(tǒng)電火花加工相同，其加工過程中主要存在5種不同的放電狀態(tài)，分別為開路、火花放電、過渡電弧放電、穩(wěn)定電弧放電和短路，不同的間隙放電狀態(tài)有截然不同的加工特性。微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別技術(shù)實(shí)質(zhì)上是指在加工過程中判別不同的脈沖放電狀態(tài)，尤其是從正常放電狀態(tài)識(shí)別出異常放電狀態(tài)，為后續(xù)的間隙調(diào)整和控制提供依據(jù)，盡量避免產(chǎn)生異常放電的情況，從而提高加工精度和加工效率[3]。與傳統(tǒng)電火花加工相比，微細(xì)電火花加工放電能量低，放電頻率高，加工過程的隨機(jī)性大，因此微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的識(shí)別有更高的難度。

傳統(tǒng)的微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別技術(shù)主要是通過檢測(cè)間隙電壓信號(hào)達(dá)到識(shí)別的目的，通過比較檢測(cè)到的間隙電壓與不同放電狀態(tài)下的電壓，對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行辨別，最常用的識(shí)別方法為平均電壓識(shí)別法[4]。除此之外，還檢測(cè)放電脈沖中是否包含高頻分量、射頻信號(hào)、聲頻信號(hào)來識(shí)別放電狀態(tài)[5]。但是平均電壓識(shí)別法的閾值受多種因素影響，需實(shí)時(shí)調(diào)整[6]，高頻分量檢測(cè)法的電路復(fù)雜[7]，射頻信號(hào)與聲頻信號(hào)檢測(cè)法受到環(huán)境因素的影響較大[8]。隨著人工智能化技術(shù)的日益成熟，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，將其運(yùn)用到微細(xì)電火花加工的放電狀態(tài)識(shí)別上，也取得了良好的效果。目前普遍采用的方法有：基于模糊邏輯理論的檢測(cè)法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)法等?；谀：壿嬂碚摰臋z測(cè)法增加了系統(tǒng)的適應(yīng)性，但是會(huì)受到操作人員水平的限制[9]。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)法需要根據(jù)特定情況選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)加工條件改變時(shí)，由于要重新設(shè)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以會(huì)降低辨別效果[10]。

由于電火花加工放電頻率高，所以對(duì)于加工信號(hào)的實(shí)時(shí)采集是放電狀態(tài)高效率、高精度檢測(cè)的前提。針對(duì)此問題，學(xué)者劉軍智[11]開發(fā)了雙通道寬帶同步數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)系統(tǒng)，Rubini等[12]印度學(xué)者開發(fā)了基于ARM的高速采集系統(tǒng)。如今的方法多數(shù)是利用電路搭建硬件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)放電狀態(tài)的識(shí)別，此種方法響應(yīng)速度快，但是功能不易變化[13]，而且較復(fù)雜的電路容易受到外界因素的干擾。

針對(duì)此問題，天津大學(xué)學(xué)者王志強(qiáng)提出利用LabVIEW軟件進(jìn)行基于擊穿延時(shí)的放電狀態(tài)識(shí)別、基于脈沖平均電壓放電狀態(tài)識(shí)別、基于放電平均電壓放電狀態(tài)識(shí)別、基于擊穿電壓放電狀態(tài)識(shí)別4種方法[14]，但由于火花放電和電弧放電電壓差別不大，因此基于電壓的識(shí)別方法存在一定的誤差，同時(shí)有大量研究表明電弧放電也存在擊穿延時(shí)，因此基于擊穿延時(shí)的放電狀態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確性較低[15]。針對(duì)這些不足，本文對(duì)放電狀態(tài)特性進(jìn)行分析，同時(shí)提出根據(jù)放電狀態(tài)的特性的不同對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別的方法，從而實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的高效率、高精度識(shí)別。

試驗(yàn)及方法

1 信號(hào)的表示方法

信號(hào)的表示主要分為3種方法：時(shí)域表示法、頻域表示法和時(shí)頻表示法。時(shí)域表示法為信號(hào)的某些信息隨時(shí)間變化的規(guī)律，信號(hào)的信息可以為峰值、均值、方差、概率密度等；頻域表示法為信號(hào)在各個(gè)頻率上的能量分布，可以表示為頻譜、能量譜或者相位譜，典型的分析工具為快速傅里葉變換；時(shí)頻表示法為信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律，典型的分析工具為小波變換。

在頻域中，傅里葉變換具有較好的局部化能力，特別是對(duì)于那些頻率成分比較簡(jiǎn)單的確定性信號(hào)，傅里葉變換很容易把信號(hào)表示成各頻率成分的疊加和的形式，但在時(shí)域中，傅里葉變換沒有局部化能力，無法從信號(hào)f（t）的傅里葉變換F（ω）中看出f（t）在任一時(shí)間點(diǎn)附近的性態(tài)。

因此，合理地選用各種表示方法，可以更全面地得到信號(hào)的特性。

2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)設(shè)備采用課題組自主研制的三軸數(shù)控微細(xì)電火花加工機(jī)床，如圖1所示。

針對(duì)電火花放電頻率高的特點(diǎn)，本文基于數(shù)據(jù)采集卡PCI-1714和計(jì)算機(jī)建立了高速采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。將電火花加工機(jī)床與檢測(cè)電路相連，通過檢測(cè)電路引出間隙兩端的原始信號(hào)，傳感器將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換至數(shù)據(jù)采集卡輸入范圍內(nèi)，再通過數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置信號(hào)采集為兩個(gè)通道，每個(gè)通道各提供一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，將電壓信號(hào)和電流信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)中后，利用Labview軟件進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的分析處理。

試驗(yàn)中固定的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)所用電參數(shù)如表2所示。

在電火花加工機(jī)床兩端施加矩形波脈沖，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為10MHz，利用高速采集系統(tǒng)采集放電狀態(tài)從開路、火花、過渡電弧、穩(wěn)定電弧到短路各個(gè)狀態(tài)下的電壓、電流波形，如圖3所示。不同的放電狀態(tài)具有不同的特性，通過分析各放電狀態(tài)的特性可以更好地區(qū)分放電狀態(tài)。

圖1 微細(xì)電火花加工機(jī)床Fig.1 Tool of micro EDM

圖2 高速采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 High-speed acquisition system structure

微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)特性分析

1 伏安特性

微細(xì)電火花加工是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，加工過程中主要存在5種放電狀態(tài)，分別是開路、火花放電、過渡電弧放電、穩(wěn)定電弧放電、短路。但是，由于過渡電弧放電是火花放電向穩(wěn)定電弧放電轉(zhuǎn)變時(shí)的一種過渡的過程，因此本文不研究過渡電弧，只對(duì)開路、火花放電、穩(wěn)定電弧放電、短路這4種放電狀態(tài)進(jìn)行研究。

根據(jù)上文中的各放電狀態(tài)的電壓和電流波形繪制微細(xì)電火花放電狀態(tài)的伏安特性曲線，如圖4所示。

伏安特性曲線中由O到A的過程為：在電極與工件兩端施加60V的電壓，兩極之間立即形成一個(gè)電場(chǎng)，使得兩極之間電壓增大，電流為零或有微弱電流通過。此時(shí)（A處）的放電狀態(tài)為開路狀態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的ab階段。當(dāng)放電狀態(tài)為開路時(shí)，電極與工件的距離較大，加工尚未開始，因此較多的開路脈沖會(huì)嚴(yán)重降低加工效率，因此需盡量減少開路脈沖的存在。

伏安特性曲線中由A到B的過程為：極間場(chǎng)強(qiáng)增大，陰極表面發(fā)生場(chǎng)致電子發(fā)射，電子在高速運(yùn)動(dòng)中與工作液中的分子產(chǎn)生碰撞電離，形成電子和正離子，導(dǎo)致帶電粒子雪崩式增多，使得極間工作液擊穿形成放電通道[15]，這個(gè)過程十分迅速，極間電壓由擊穿電壓迅速下降至維持電壓，極間電流迅速上升。形成放電通道后，通道和正負(fù)極表面放電點(diǎn)的瞬時(shí)高溫使得工作液熱分解以及金屬電極材料熔化，達(dá)到拋出蝕除的目的。此時(shí)（B處）的放電狀態(tài)為火花放電，對(duì)應(yīng)圖3中的bc階段。當(dāng)放電狀態(tài)為火花放電時(shí)，電極與工件的距離適中，工件蝕除速度快、精度高，是微細(xì)電火花加工過程中希望一直保持的放電狀態(tài)。

表1 試驗(yàn)中固定的試驗(yàn)參數(shù)

表2 試驗(yàn)中的電參數(shù)

圖3 各放電狀態(tài)的電壓和電流波形Fig.3 Voltage and current waveform of each discharge state

圖4 放電狀態(tài)的伏安特性曲線Fig.4 Volt-ampere characteristics of discharge states

伏安特性曲線中由B到C的過程為：火花放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物沒有及時(shí)排出放電區(qū)域，導(dǎo)致工作液中熱量較高，使得極間局部能量持續(xù)集中[16]，對(duì)應(yīng)圖3中的ce階段，其中包含火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)之間的過渡過程（cd）和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)（de）。當(dāng)處于過渡電弧過程時(shí)，放電狀態(tài)既可能恢復(fù)至正?；鸹ǚ烹姞顟B(tài)，又可能繼續(xù)惡化至穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)。但當(dāng)放電狀態(tài)為穩(wěn)定電弧放電時(shí)，電極和工件都極易燒傷，而且穩(wěn)定電弧一旦形成很難消除，是微細(xì)電火花加工中需要避免的放電狀態(tài)。

伏安特性曲線中由C到D的過程為：極間電壓降低到最小，極間電流上升到最大。此時(shí)（D處）的放電狀態(tài)為短路狀態(tài)，對(duì)應(yīng)圖3中的ef階段。當(dāng)放電狀態(tài)為短路時(shí)，電極與工件之間的距離較小，雖消耗能量但加工作用卻很小，同時(shí)對(duì)電源壽命造成很大的影響，因此需盡量避免短路脈沖的存在。

伏安特性曲線中由D到0的過程為：極間電壓降為零，極間電流也迅速降為零，意味著一次放電結(jié)束。但此后仍應(yīng)該有足夠的脈沖間隔，使得工作液中的帶電粒子充分中和以及工作液充分冷卻，使極間介質(zhì)恢復(fù)至放電前的絕緣強(qiáng)度，防止在同一位置持續(xù)放電而形成穩(wěn)定電弧放電，為下一次形成放電通道做好準(zhǔn)備。

因此，可以通過檢測(cè)間隙電壓信號(hào)達(dá)到識(shí)別的目的，通過比較檢測(cè)到的間隙電壓與不同放電狀態(tài)下的電壓，對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行辨別，最常用的檢測(cè)方法為門檻電壓檢測(cè)法。其原理為，確定兩個(gè)電壓閾值V1、V2，當(dāng)V＞V1時(shí)為開路，當(dāng)V2＜V＜V1時(shí)為火花放電或電弧放電，當(dāng)V＜V2時(shí)為短路或脈間。門檻電壓檢測(cè)法容易實(shí)現(xiàn)，但是火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)的電壓相差不大，無法通過此方法很好地區(qū)分。

2 頻率特性

通過小波變換，不僅可以得到電壓信號(hào)的頻率分量，而且可以知道各頻率分量出現(xiàn)的時(shí)間。因此，將微細(xì)電火花加工的電壓信號(hào)做小波變換，得到頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律，如圖5所示，其中顏色為藍(lán)色代表頻率的幅值較小，顏色為黃色代表頻率的幅值越大。從電壓的時(shí)頻圖中可以得出，放電狀態(tài)為火花放電狀態(tài)時(shí)和火花放電向電弧放電轉(zhuǎn)變的過程中，其頻率在0～5MHz范圍內(nèi)的幅值比其他狀態(tài)時(shí)要大。

從時(shí)頻圖中通過顏色深淺可以得到各放電狀態(tài)頻率幅值的大小關(guān)系，接下來結(jié)合頻域分析法可以得知各放電狀態(tài)頻率幅值的具體值。

由于開路和短路可以通過電壓大小很好的區(qū)分出來，火花放電、穩(wěn)定電弧放電的電壓值相差不大，不能通過門檻電壓法進(jìn)行很好的區(qū)分，因此頻域分析法只針對(duì)電壓值相差不大的火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)。由于頻域表示法只能得到頻率分量及其幅值，不能得到頻率出現(xiàn)的時(shí)間，因此將火花放電狀態(tài)、穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)分別做快速傅里葉變換。火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)的頻譜如圖6所示，火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)的能量譜圖如圖7所示。

圖5 各放電狀態(tài)的時(shí)頻圖Fig.5 Time-frequency diagram of each discharge state

圖6 火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)的頻譜圖Fig.6 Spectrogram of spark discharge and stable arc discharge

圖7 火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)的能量譜圖Fig.7 Energy spectra of spark discharge and stable arc discharge

圖8 火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)頻譜圖與能量譜圖的比較Fig.8 Comparison of spectrogram and energy spectra of spark discharge state and stable arc discharge state

無論從頻譜圖還是從能量譜圖中都可以發(fā)現(xiàn)，火花放電和穩(wěn)定電弧放電過程中都存在0～25MHz的頻率，但是火花放電狀態(tài)在頻率5MHz以下時(shí)幅值和能量密度較高且逐漸降低，在5～25MHz時(shí)幅值和能量密度較低且保持平穩(wěn)，而電弧放電的幅值和能量密度在0～25MHz整個(gè)過程中都一直較低且保持平穩(wěn)。

為了便于進(jìn)一步觀察和分析，將火花放電和穩(wěn)定電弧放電的頻譜圖和能量譜圖分別放在同一個(gè)坐標(biāo)系中。如圖8所示從頻譜圖和能量譜圖中可以清楚地看出，在0～5MHz的頻率段中，幅值的整體趨勢(shì)大小為：火花放電狀態(tài)＞穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)，能量密度的整體趨勢(shì)大小為：火花放電狀態(tài)＞穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)；在5～25MHz頻率段中，火花放電和穩(wěn)定電弧放電的頻率幅值和能量密度趨于一致。

通過計(jì)算得到，在 0～5MHz的頻率段，火花放電和穩(wěn)定電弧放電頻率幅值的平均值分別為-21dB和-27dB，火花放電和穩(wěn)定電弧放電的能量密度的平均值分別為0.013J/Hz和0.0018J/Hz，與上文中火花放電狀態(tài)頻率幅值和能量密度分別大于穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)頻率幅值和能量密度的結(jié)論相同。因此，可以通過火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧放電狀態(tài)頻率特性的不同來進(jìn)行區(qū)分。

微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

初始化開路脈沖To=0，火花脈沖Tp=0，電弧脈沖Ta=0和短路脈沖Ts=0，通過上文研究的方法對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，具體實(shí)現(xiàn)的程序框圖如圖9所示。其中Tl為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)放電的時(shí)間的總和，即Tl=To+Tp+Ta+Ts，而Ko、Kp、Ka、Ks分別為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期3.2ms內(nèi)的開路率、火花率、電弧率、短路率。由于脈間與短路狀態(tài)電壓值接近而電流值相差很大，因此利用電流閾值剔除脈間波形，從而避免脈間被統(tǒng)計(jì)到短路脈沖中影響放電狀態(tài)識(shí)別精度。而且對(duì)于脈沖間隔時(shí)間的統(tǒng)計(jì)無任何意義，只會(huì)增大計(jì)算量，影響放電狀態(tài)識(shí)別效率。因此在統(tǒng)計(jì)過程中將脈間剔除。

采用LabVIEW進(jìn)行編程，首先根據(jù)電壓特性進(jìn)行判斷，分別提取U＞40，10＜U＜25，2＜U＜6 部 分 的波形；然后根據(jù)電流特性進(jìn)行判斷，在2＜U＜6的波形中把脈沖間隔從短路狀態(tài)中剔除，當(dāng)I＞0.3時(shí)為短路，當(dāng)I＜0.3時(shí)為脈間，因此只提取I＞0.3時(shí)的波形；接下來對(duì)電壓在10～25V之間的波形進(jìn)行快速傅里葉變換，根據(jù)頻率的幅值P進(jìn)行判斷，分別提取P＞-26和P＜-26的波形。若U＞40，則為開路狀態(tài)；若10＜U＜25且P＞-26，則為火花放電狀態(tài)；10＜U＜25且P＜-26，則為電弧放電狀態(tài)；若2＜U＜6且I＞0.3，則為短路狀態(tài)。在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，求得4種狀態(tài)分別持續(xù)的時(shí)間，將其相加得到總的放電時(shí)間，再分別求得一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的開路率、火花率、電弧率、短路率。運(yùn)行程序，其結(jié)果如圖10所示，可以看出，4種狀態(tài)的波形很好地區(qū)分出來，驗(yàn)證了此微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別方法的可行性。

圖9 放電狀態(tài)統(tǒng)計(jì)流程圖Fig.9 Flow chart of discharge status statistics

結(jié)論

（1）利用高速采集系統(tǒng)采集一個(gè)脈沖內(nèi)各放電狀態(tài)同時(shí)存在的電壓和電流波形，分析各放電狀態(tài)產(chǎn)生的原因。

（2）通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0～5MHz范圍內(nèi)，火花放電狀態(tài)頻率幅值和能量密度分別大于電弧放電頻率幅值和能量密度的規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別提供了依據(jù)。

（3）通過設(shè)置極間電壓閾值和極間電流閾值的方法，識(shí)別出開路狀態(tài)、短路狀態(tài)、脈沖間隔以及尚未區(qū)分的火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧狀態(tài)。通過設(shè)置頻譜閾值的方法進(jìn)一步區(qū)分火花放電狀態(tài)和穩(wěn)定電弧狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了放電狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別。

（4）將根據(jù)放電狀態(tài)特性進(jìn)行放電狀態(tài)識(shí)別的方法通過LabVIEW進(jìn)行編程，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了此微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別方法的可行性。

圖10 微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別方法可行性驗(yàn)證Fig.10 Accuracy verification of micro EDM state detection method

參 考 文 獻(xiàn)

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