CN110142471B - 绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘陶瓷涂层‑金属电火花加工的异常放电状态检测装置和方法，所述异常放电状态检测装置包括电压波形采样电路、电流信号采样电路和统计判断模块，其中：电压波形采样电路用于为统计判断模块提供间隙电压采样信号；电流信号采样电路用于为统计判断模块提供间隙电流采样信号；统计判断模块通过对采集到的间隙电流、电压信号进行统计、分析，实现异常放电状态的判断。本发明通过对单个脉冲波形的击穿延时时间和电流波形下降沿时间进行统计和区分，来判别短路脉冲、非短路转短路脉冲、短路转非短路脉冲和电弧等异常放电状态，实现绝缘陶瓷涂层‑金属电火花加工异常放电状态的检测，提高绝缘陶瓷涂层‑金属电火花加工的加工质量。

Description

绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置和 方法

技术领域

本发明属于电火花加工技术领域，涉及一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置和方法。

背景技术

绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料广泛应用于发动机领域，如航空发动机高温合金涡轮叶片、机匣等工件表面喷涂有绝缘陶瓷涂层，以降低高温合金工件的使用温度。电火花加工是通过工具电极与工件之间的脉冲放电，利用电腐蚀现象来去除工件材料，加工过程中宏观作用力小，可加工绝缘陶瓷、高温合金、钛合金等难加工材料。电火花加工过程中存在电弧、短路等异常放电状态，异常放电降低了电能的利用率以及造成工件的加工表面烧伤等表面损伤。要消除电火花加工中的异常放电状态，需要对异常放电状态进行准确检测。然而，由于绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料的顶层材料具有绝缘性，电火花加工的放电间隙存在高阻状态，且高阻状态和低阻状态相互混合，导电材料的间隙放电状态检测方法无法实现绝缘材料放电状态的准确检测。对于绝缘陶瓷材料间隙放电状态的检测，哈尔滨工业大学进行了2阈值电压检测、电流检测和高频检测相结合的综合检测方法和4阈值电压检测方法的研究，但无法实现对绝缘陶瓷材料的间隙放电状态检测方法无法实现低阻电弧与高阻短路脉冲的区分，且无法实现短路转火花脉冲和火花转短路脉冲的判别，因此还需对绝缘陶瓷涂层-金属的异常放电状态检测技术进行研究。

发明内容

本发明为了解决绝缘陶瓷金属多层材料电火花加工时，放电间隙存在高阻放电状态，导致目前的检测方法无法准确对异常放电状态进行检测的问题，提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置和方法，实现异常放电状态的准确检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置，包括电压波形采样电路、电流信号采样电路和统计判断模块，其中：

所述电压波形采样电路用于为统计判断模块提供间隙电压采样信号，包括截波采样模块、阈值比较模块、光电隔离模块；

所述截波采样模块将间隙电压、电流波形降压处理，通过阈值比较模块确定信号所在的电压范围，输出电压阈值比较信号，再通过光电隔离模块实现与统计判断模块的隔离，防止信号干扰；

所述电流信号采样电路用于为统计判断模块提供间隙电流采样信号，包括电流传感器、光电隔离模块；

所述电流传感器检测间隙电流信号的有无，输出电流检测信号，通过光电隔离模块实现与统计判断模块的隔离；

所述统计判断模块通过对采集到的间隙电流、电压信号进行统计、分析，实现异常放电状态的判断，包括单个异常放电脉冲辨识模块、连续异常放电脉冲判断模块；

所述单个异常放电脉冲辨识模块用于判断单个脉冲是否为异常放电状态；

所述连续异常放电脉冲判断模块用于判断异常放电脉冲是否连续，实现对严重异常放电现象的判断；

所述单个异常放电脉冲辨识模块包括波形下降沿时间统计模块和击穿延时时间统计模块；

所述电流波形下降沿时间统计模块用于根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号进行脉间阶段和脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉间阶段对电流下降沿时间进行统计，在统计中考虑检测延时，用于判断短路、非短路转短路脉冲；

所述击穿延时时间统计模块用于根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号进行脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉宽阶段对击穿延时时间进行统计，在统计中考虑检测延时，用于判断电弧、短路或非短路转短路脉冲。

一种利用上述装置实现绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测的方法，包括如下步骤：

步骤一、通过间隙波形采样电路，采集与放电间隙同步的间隙电压、电流脉冲信号；

步骤二、利用电流波形下降沿时间统计模块统计单个脉冲波形的电流波形下降沿时间，并将统计结果与阈值比较模块设置的时间阈值相比较，对短路脉冲、非短路转短路脉冲等异常放电脉冲进行判断；

步骤三、利用击穿延时时间统计模块统计单个脉冲波形的击穿延时时间，并将统计结果与阈值比较模块设置的时间阈值相比较，对电弧放电脉冲、短路脉冲或非短路转短路脉冲等异常放电状态进行判断；

步骤四、利用异常放电脉冲判别模块，根据步骤二和步骤三得到的单个异常放电脉冲判断结果进行连续异常放电脉冲的判断，输出异常放电信号。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明通过对单个脉冲波形的击穿延时时间和电流波形下降沿时间进行统计和区分，来判别短路脉冲、非短路转短路脉冲、短路转非短路脉冲和电弧等异常放电状态，实现绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工异常放电状态的检测，提高绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的加工质量。

附图说明

图1为绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置的硬件电路框图。

图2为绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测方法的流程图。

图3为单个异常放电脉冲辨识流程图。

图4为连续异常放电脉冲判断模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置，如图1所示，所述异常放电状态检测装置包括电压波形采样电路、电流信号采样电路和统计判断模块，其中：

所述电压波形采样电路用于为统计判断模块提供间隙电压采样信号，包括截波采样模块、阈值比较模块、光电隔离模块；

所述截波采样模块将间隙电压、电流波形降压处理，通过阈值比较模块确定信号所在的电压范围，输出电压阈值比较信号，再通过光电隔离模块实现与统计判断模块的隔离，防止信号干扰；

所述电流信号采样电路用于为统计判断模块提供间隙电流采样信号，包括电流传感器、光电隔离模块；

所述电流传感器检测间隙电流信号的有无，输出电流检测信号，通过光电隔离模块实现与统计判断模块的隔离；

所述统计判断模块通过对采集到的间隙电流、电压信号进行统计、分析，实现异常放电状态的判断，包括单个异常放电脉冲辨识模块、连续异常放电脉冲判断模块；

所述单个异常放电脉冲辨识模块用于判断单个脉冲是否为异常放电状态；

所述连续异常放电脉冲判断模块用于判断异常放电脉冲是否连续，实现对严重异常放电现象的判断；

所述单个异常放电脉冲辨识模块包括波形下降沿时间统计模块和击穿延时时间统计模块；

所述电流波形下降沿时间统计模块用于根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号进行脉间阶段和脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉间阶段对电流下降沿时间进行统计，在统计中考虑检测延时，用于判断短路、非短路转短路脉冲；

所述击穿延时时间统计模块用于根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号进行脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉宽阶段对击穿延时时间进行统计，在统计中考虑检测延时，用于判断电弧、短路或非短路转短路脉冲。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工异常放电状态检测方法，如图2所示，所述方法包括如下步骤：统计单个脉冲波形的击穿延时时间和电流波形下降沿时间，并将统计结果与设置的时间阈值相比较，对绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工的异常放电脉冲进行判断，并根据单个异常放电脉冲判断结果进行连续异常放电脉冲的判断。

本实施方式中，所述单个脉冲波形的电流波形下降沿时间统计方法如下：根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号，进行脉间阶段和脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉间阶段进行电流下降沿时间统计，在统计中考虑检测延时。

本实施方式中，对电流波形下降沿时间的统计用于判断短路或短路转非短路脉冲，对击穿延时时间的统计用于判断电弧、短路或非短路转短路脉冲。如图3所示，具体判断方法为：当单个电流脉冲波形的下降沿时间超过所设置的时间阈值，则认为该脉冲为短路或短路转非短路脉冲；当击穿延时时间在所设置的时间阈值之内时，则认为该脉冲为电弧、短路或非短路转短路脉冲。两种统计判断结果进行逻辑或，即该脉冲只要有一种统计结果为异常放电脉冲，则认为该脉冲为异常放电脉冲。此外，对击穿延时时间与电流波形下降沿时间统计所设置的时间阈值不同，且时间阈值根据脉冲参数的变化而变化。

本实施方式中，如图4所示，连续异常放电脉冲的判断过程为：统计单个异常放电脉冲个数，并将其与电源输出的脉冲个数进行对比，当异常放电脉冲个数大于电源输出的脉冲个数时，处于连续异常放电状态，当异常放电脉冲个数小于等于电源输出的脉冲个数时连续的异常放电中断，并将统计的异常放电脉冲个数与所设置的阈值进行比较，来判断异常放电是否严重。

本实施方式中，绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工异常放电状态的检测方法通过异常放电状态检测装置来实现，异常放电状态检测装置包括硬件电路和程序设计。硬件电路包括间隙电压、电流波形采样电路、电压波形的采样电路和采样信号的统计判断电路。电流波形采样电路采集间隙电压、电流波形，并将其发送给统计判断电路。电压波形采样通过截波采样模块、阈值比较模块和光电隔离模块来实现，其中截波采样模块采用双二极管钳位电路，阈值比较模块采用电压比较器；电流波形的采样通过霍尔电流传感器和光电隔离模块来实现。统计判断电路采用CPLD、FPGA等可编程逻辑器模块，根据输入的间隙放电信号，通过硬件描述语言实现绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工异常放电信号的判别和输出。

Claims (4)

1.一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测装置，其特征在于所述异常放电状态检测装置包括电压波形采样电路、电流信号采样电路和统计判断模块，其中：

所述电压波形采样电路用于为统计判断模块提供间隙电压采样信号；

所述电压波形采样电路包括截波采样模块、阈值比较模块、光电隔离模块，截波采样模块将间隙电压、电流波形降压处理，通过阈值比较模块确定信号所在的电压范围，输出电压阈值比较信号，再通过光电隔离模块实现与统计判断模块的隔离，防止信号干扰；

所述电流信号采样电路用于为统计判断模块提供间隙电流采样信号；

所述电流信号采样电路包括电流传感器、光电隔离模块，电流传感器检测间隙电流信号的有无，输出电流检测信号，通过光电隔离模块实现与统计判断模块的隔离；

所述统计判断模块通过对采集到的间隙电流、电压信号进行统计、分析，实现异常放电状态的判断；

所述统计判断模块包括单个异常放电脉冲辨识模块、连续异常放电脉冲判断模块，所述单个异常放电脉冲辨识模块用于判断单个脉冲是否为异常放电状态；所述连续异常放电脉冲判断模块用于判断异常放电脉冲是否连续，实现对严重异常放电现象的判断；

所述单个异常放电脉冲辨识模块包括波形下降沿时间统计模块和击穿延时时间统计模块；所述波形下降沿时间统计模块用于根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号进行脉间阶段和脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉间阶段对电流下降沿时间进行统计，在统计中考虑检测延时，用于判断短路、非短路转短路脉冲；所述击穿延时时间统计模块用于根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号进行脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉宽阶段对击穿延时时间进行统计，在统计中考虑检测延时，用于判断电弧、短路或非短路转短路脉冲。

2.一种利用权利要求1所述装置实现绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、通过间隙波形采样电路，采集与放电间隙同步的间隙电压、电流脉冲信号；

步骤二、利用电流波形下降沿时间统计模块统计单个脉冲波形的电流波形下降沿时间，并将统计结果与阈值比较模块设置的时间阈值相比较，对异常放电脉冲进行判断；

步骤三、利用击穿延时时间统计模块统计单个脉冲波形的击穿延时时间，并将统计结果与阈值比较模块设置的时间阈值相比较，对异常放电状态进行判断；

步骤四、利用异常放电脉冲判别模块，根据步骤二和步骤三得到的单个异常放电脉冲判断结果进行连续异常放电脉冲的判断，输出异常放电信号。

3.根据权利要求2所述的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测的方法，其特征在于所述单个脉冲波形的电流波形下降沿时间统计方法如下：根据输入的与放电间隙同步的脉冲信号，进行脉间阶段和脉宽阶段的判断，在脉冲波形的脉间阶段进行电流下降沿时间统计，在统计中考虑检测延时。

4.根据权利要求2所述的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的异常放电状态检测的方法，其特征在于所述异常放电脉冲的判断方法为：当单个电流脉冲波形的下降沿时间超过所设置的时间阈值，则认为该脉冲为短路或短路转非短路脉冲；当击穿延时时间在所设置的时间阈值之内时，则认为该脉冲为电弧、短路或非短路转短路脉冲。

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