CN213257561U - 一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，它包括脉冲电源、放电加工回路、主控模块、伺服***上位机、运动***，所述脉冲电源由脉冲发生器、光耦、MOSFET组成，与放电加工回路相连；所述主控模块由与放电加工回路相连的霍尔电流传感器、信号处理电路、高速AD模块和FPGA控制模块组成；所述伺服***上位机由用户界面、PID控制器及公式转换模块组成；所述运动***由运动控制卡和电机组成，运动控制卡与FPGA控制模块相连。该***能够精准鉴别电火花线切割细丝切割极间放电状态，不受放电频率变化以及脉间消电离差异对放电状态鉴别的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电火花线切割加工设备领域，具体是一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***。
背景技术
电火花线切割在进行加工时电极丝与工件分别与脉冲电源的正负极相连接，利用工件与电极丝间进行脉冲性电火花放电时产生的瞬时高温对工件材料进行蚀除加工。电火花线切割根据走丝方式和走丝速度的不同可以分为低速单向走丝电火花线切割和高速往复走丝电火花线切割两种形式。低速单向走丝电火花线切割的电极丝多采用黄铜丝，在进行加工时电极丝以0.03m/s-0.2m/s的速度单向运行，电极丝只能使用一次；高速往复走丝电火花线切割是我国的独创，其上的电极丝多采用钼丝，在加工过程中电极丝以10m/s-12m/s的速度高速往复运行，电极丝能够循环往复运行，由于其极高的性价比已被广泛的应用模具、汽车等加工制造领域。
电火花放电加工过程，实质上是工具电极与工件之间放电间隙调整与控制的过程。通过调整间隙使加工稳定进行，最终达到要求的加工尺寸与精度。要实现放电间隙的调整与控制，需检测实际间隙值的大小，但间隙值的测量对放电间隙的调整与控制并没有太大的意义。其原因在于随着加工过程的进行，加工介质的温度及介质中碎屑的浓度等在不断变化，致使加工介质的介电性能不稳定，把当前放电间隙值调整为稳定加工的间隙值，其他时刻并不一定能保证加工过程继续稳定进行。在目前以常规方法检测间隙值困难且意义不是太大的情况下，对间隙的调整控制主要是通过放电间隙的放电状态检测间接实现的。通过检测放电间隙电压、间隙电流等，间接地获取间隙值合适、偏大、偏小或为零等间隙状态信息，为间隙调整、控制提供参数依据。间隙放电状态的检测***是电火花线切割机床的重要组成部分，对放电状态的实时准确检测可为控制伺服进给和优化加工参数提供可靠的依据，利于实现高效、稳定的加工。
传统固定阈值平均电压检测法随着线切割电极丝丝径的减小对正常放电状态和短路状态不具有辨识度，但是对空载状态与正常放电状态和短路状态仍具有辨识度，因此传统固定阈值平均电压检测法只会将极间放电状态判断为空载和非空载，又因正常放电和短路难以分区，因此短路检测及短路回退失效。实际加工中，当某时刻放电状态为空载时，伺服***输出更多的进给脉冲，此后的加工状态呈现空载——正常加工——短路——深度短路——断丝，极大影响了加工稳定性及加工质量，大大增加了断丝风险。
针对传统固定阈值平均电压检测法所存在的缺点，本发明中提出了一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***。因不同状态的放电电流仍具有很好的辨识度，该***通过检测放电间隙电流来鉴别极间放电状态，避免了放电间隙电压检测法随丝径减小无法通过提高鉴别阈值准确识别极间放电状态的缺点，可以精准鉴别电火花线切割细丝切割极间放电状态。该***只在脉冲电源脉宽信号进行处理，因此不受放电频率变化以及脉间消电离差异对放电状态鉴别的影响。该***的用户界面可实时显示鉴别结果曲线、加工时间和进给速度，并对开关电机、启停加工、阈值及采样脉冲数设定等常用命令进行操作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，通过使用该***能够精准鉴别电火花线切割细丝切割极间放电状态，且不受放电频率变化以及脉间消电离差异对放电状态鉴别的影响，提高了加工稳定性和加工质量，并极大降低了断丝风险。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明中的高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征是：
包括脉冲电源、放电加工回路、主控模块、伺服***上位机、运动***，所述放电加工回路负极为电极丝，正极为工件；所述脉冲电源由脉冲发生器、MOSFET、光耦组成；所述脉冲发生器输出脉冲信号，所述脉冲电源与放电加工回路相连；所述主控模块由依次相连的霍尔电流传感器、信号处理电路、高速AD模块和FPGA控制模块组成，FPGA控制模块接收经光耦隔离的来自脉冲发生器的同步信号，所述霍尔电流传感器与放电加工回路相连；所述伺服***上位机由公式转换模块、用户界面和PID控制器组成；所述运动***由运动控制卡、电机组成，实现切割轨迹运动及速度控制，所述运动控制卡与FPGA控制模块相连。通过使用该***能够精准鉴别电火花线切割细丝切割极间放电状态，且不受放电频率变化以及脉间消电离差异对放电状态鉴别的影响，提高了加工稳定性和加工质量并极大降低了断丝风险。
所述主控模块由霍尔电流传感器、信号处理电路、高速AD模块、FPGA控制模块集成在同一电路板上，使控制电路模块化，布线简洁、易操作。
所述主控模块中的霍尔电流传感器、信号处理电路、高速AD模块可以组成一个电流信号检测、处理、转换电路。
所述霍尔电流传感器采集放电加工极间放电电流信号并将其线性转换为模拟电压信号，经信号处理电路减法、放大和跟随处理后输出至高速AD模块将模拟信号转换为数字信号，并输入至FPGA控制模块进行存储和运算。
所述脉冲电源正负极与放电加工回路正负极相连，其脉冲发生器同步产生两路脉冲输出信号，一路输出信号作为MOSFET的驱动信号为放电加工提供高频脉冲，一路输出信号经光耦隔离后作为高速AD模块的启停信号。
所述脉冲发生器输出信号经光耦隔离后作为高速AD模块的启停信号，FPGA模块在50MHz采样时钟的上升沿从高速AD模块输出端口连续读取12位数据进行存储和运算，这样放电状态鉴别不会受放电频率变化以及脉间消电离差异的影响。
所述伺服***上位机中的用户界面可实时显示鉴别结果曲线、加工时间和进给速度，并对开关电机、启停加工、阈值及采样脉冲数设定等常用命令进行操作，PID控制器进行PID 调节。
所述伺服***控制运动***的进给方向和进给速度以实现高速往复走丝电火花线切割细丝切割的稳定加工。
本发明具有如下有益效果：
(1)该新型高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***通过检测放电间隙电流来鉴别极间放电状态，避免了放电间隙电压检测法随丝径减小无法通过提高鉴别阈值准确识别极间放电状态的缺点，可以精准鉴别电火花线切割细丝切割极间放电状态；
(2)该高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***中由于脉冲发生器输出信号经光耦合器进行光耦隔离后作为高速AD模块的启动信号，FPGA模块在50MHz采样时钟的上升沿从高速AD模块输出端口连续读取12位数据进行存储和运算，这样放电状态鉴别不会受放电频率变化以及脉间消电离差异的影响；
(3)该高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***中的伺服***控制工作台的进给方向和进给速度以保持一定的放电间隙以避免长时间的短路发生；
(4)该高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***中的用户界面可实时显示鉴别结果曲线、加工时间和进给速度，并对开关电机、启停加工、阈值及采样脉冲数设定等常用命令进行操作，具有操作简单、可视化等优点。
附图说明
图1为放电状态鉴别***框架图
图2为间隙电压测量示意图。
图3(a)为
丝径放电间隙电压对比图。
图3(b)为
丝径放电间隙电压对比图。
图3(c)为
丝径放电间隙电压对比图。
图4为鉴别逻辑图。
图5中的表1为电平状态及计数判断逻辑表。
图中：1-放电加工回路，101-电极丝，102-工件，2-脉冲电源，201-MOSFET驱动模块， 202-光耦，203-脉冲发生器，3-主控模块，301-霍尔电流传感器，302-处理电路，303-高速 AD模块，304-FPGA控制模块，305-光耦，4-伺服***上位机，401-公式转换模块，402-用户界面模块，403-PID模块，5-运动***，501-运动控制卡，502-电机，6-限流电阻，7-上进电块，8-上导轮，9-进电块与放电点间的电极丝等效电阻，10-电压探头1，11-电压探头2， 12-下导轮，13-下进电块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本案例以高速往复走丝电火花线切割细丝切割为例，采用传统固定阈值平均电压检测法和本发明基于放电电流检测的放电状态鉴别***进行加工采样分析作为对比。
如图1所示，本发明提出一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，包括放电加工回路1、脉冲电源2、主控模块3、伺服***上位机4、运动***5，所述放电加工回路1负极为电极丝101，正极为工件102；所述脉冲电源由MOSFET201、光耦202、脉冲发生器203组成，所述脉冲发生器203输出脉冲信号，所述脉冲电源201与放电加工回路1相连；所述主控模块3由依次相连的霍尔电流传感器301、信号处理电路302、高速AD 模块303、FPGA控制模块304组成，FPGA控制模块304接收经光耦305隔离后的来自脉冲发生器203的同步信号，所述霍尔电流传感器301与放电加工回路1相连，所述伺服***上位机4由公式转换模块401和用户界面402以及PID控制器403组成；所述运动***5由运动控制卡501和电机502组成，实现切割轨迹运动及速度控制，所述运动控制卡501与FPGA 控制模块304相连。出于功能模块化考虑，本***将霍尔传感器301、信号处理电路302、高速AD模块303、FPGA控制模块304整合到同一电路板上。
一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***的间隙电压测量示意图如图2所示，在电火花线切割加工中，放电间隙间电压无法直接测量，实际检测的放电间隙电压为工件102与上进电块7间的电压UAC，依据放电特性，极间可用电阻R3和稳压管D串联表示，并用两个电压探头分别测量UAC和UDC间的电压。图中R1为电源内阻、限流电阻及线路电阻的等效电阻6，R2为进电点与放电点间电极丝的等效电阻9，Ugap为极间维持电压。因BD段无电流流过，BD间电阻不会产生额外的电压信号，故UDC可以准确的反应极间放电电压。并由电路分析可知，无论正常放电还是短路，放电间隙的测量值与实际值始终存在差值IR2。常规
钼丝电阻约为0.7Ω/m，可忽略其对放电间隙电压的影响，因此UAC可相对准确的反应放电间隙电压值，并作为后续放电状态鉴别***的输入。但R2随电极丝101 丝径的减小而增大，
电阻为
的12.96倍，约为26Ω/m，因此R2的影响不容忽视。
本发明对传统固定阈值平均电压检测法进行分析，因电极丝电阻对高压信号影响不大，而低压信号会被明显非线性放大，故截取三种丝径加工过程中的正常放电和短路波形进行分析，如图3所示为不同丝径放电间隙电压对比图，加工过程中，三种不同丝径对应的正常放电和短路电压的测量值与极间实际电压均有不同程度的增大，丝径越小，测量值越大且与极间实际电压差值越小，且图3(b)中
丝径对应的二者电压差值仅为4V，且受实际加工材料属性、电介质物化性质影响，因此即使提高阈值电压，也难以准确区分出正常放电及短路状态，当丝径为图3(c)的
时，正常放电与短路的电压峰值增大至64V，因两者近乎相同，因此传统固定阈值平均电压检测法无法通过提高鉴别阈值准确识别。
本发明基于放电电流检测的放电状态鉴别***鉴别逻辑图进行分析。如图4所示，通道1-4分别为极间电压、电流、霍尔传感器以及脉冲发生器的输出信号，高速往复走丝电火花线切割由于走丝速度快，极间放电状态一般分为空载、带有击穿延时、击穿延时极短甚至无击穿延时的正常放电以及短路，故本***的目的是统计一定检测脉冲数目下的空载率(Φo)、正常放电率(Φn)和短路率(Φs)。Ih、Im和Il为用户界面设定的三个比较阈值。同步脉冲开启检测，高速AD采集到的数字量与三个预设阈值的比较结果决定Sl、Sm和Sh的电平状态，并由Num_l、Num_m和Num_h分别统计各高电平的个数。
基于放电电流检测的放电状态鉴别***电平状态及计数判断逻辑表分析如表1所示，设定检测脉冲数后，依据图4和表1的判断逻辑，(Num_l-Num_m)为空载状态的个数，(Num_m-Num_h)为正常放电状态的个数，Num_h为短路状态的个数。用户界面设定采样脉冲数后，Φo定义为(Num_l-Num_m)/Num_l，Φn定义为(Num_m-Num_h)/Num_l,Φs 定义为Num_h/Num_l。
本发明一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***工作原理如下：
伺服***控制工作台的进给方向和进给速度以保持一定的放电间隙，极间放电电流信号通过霍尔电流传感器301线性转换为模拟电压信号，经处理电路302处理后的模拟信号输至高速AD303，脉冲电源发生器203的输出信号作为MOSFET驱动模块201的驱动信号，并经光耦隔离后作为高速AD模块303的启动信号，即只对脉宽期间信号进行处理，该做法不受放电频率变化以及脉间消电离差异对放电状态鉴别的影响；FPGA控制模块304在50MHz 采样时钟的上升沿从高速AD模块303输出端口连续读取12位数据，并进行存储和运算，统计结果Num_l、Num_m和Num_h经RS232与上位机4通信，并利用计算机强大的数据处理能力分别计算出Φo、Φn和Φs；高放电概率蚀除量大，但微细电极丝加工切缝小，极间带液和排屑能力弱，进而影响加工的稳定性，故所设计的伺服***采用欠跟踪加工策略，即将Φn+Φs作为伺服控制***的输入量以避免长时间的短路发生；将PID比较量定义为目标概率。目标概率与输入量的差值经PID模块403后输出实际进给脉冲频率，由FPGA控制模块 304经运动控制卡501后控制电机502的实际进给速度。基于此框架，用户界面402可实时显示鉴别结果曲线、加工时间和进给速度，并对开关电机、启停加工、阈值及采样脉冲数设定等常用命令进行操作。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于，它包括主控模块(3)、伺服***上位机(4)、运动***(5)，所述主控模块(3)由依次相连的霍尔电流传感器(301)、信号处理电路(302)、高速AD模块(303)、FPGA控制模块(304)组成，FPGA控制模块(304)接收经光耦(305)隔离后的来自脉冲发生器(203)的同步信号，所述霍尔电流传感器(301)与放电加工回路(1)相连，所述伺服***上位机(4)由公式转换模块(401)、用户界面(402)和PID控制器(403)组成，所述运动***(5)由运动控制卡(501)、电机(502)组成，实现切割轨迹运动及速度控制，所述运动控制卡(501)与FPGA控制模块(304)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于：所述主控模块由霍尔电流传感器(301)、信号处理电路(302)、高速AD模块(303)、FPGA控制模块(304)集成在同一电路板上，使控制电路模块化，布线简洁、易操作。
3.根据权利要求1所述的一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于：所述主控模块中的霍尔电流传感器(301)、信号处理电路(302)、高速AD模块(303)可以组成一个电流信号检测、处理和转换电路。
4.根据权利要求3所述的一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于：所述霍尔电流传感器(301)采集放电加工极间放电电流信号并将其线性转换为模拟电压信号，经信号处理电路(302)处理后输出至高速AD模块(303)，高速AD模块(303)将模拟信号转换为数字信号输入至FPGA控制模块(304)进行存储和运算。
5.根据权利要求1所述的一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于：所述脉冲发生器(203)同步产生两路脉冲输出信号，一路输出信号作为MOSFET驱动模块(201)的驱动信号为放电加工提供高频脉冲，一路输出信号经光耦(305)隔离后作为高速AD模块(303)的启动信号。
6.根据权利要求4或5所述的一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于：所述脉冲发生器(203)输出信号经光耦隔离后作为高速AD模块(303)的启动信号，FPGA控制模块(304)在50MHz采样时钟的上升沿从高速AD模块(303)输出端口连续读取12位数据进行存储和运算，避免放电状态鉴别会受放电频率变化和脉间消电离差异的影响。
7.根据权利要求1所述的一种高速往复走丝电火花线切割细丝切割放电状态鉴别***，其特征在于：所述伺服***上位机(4)中的用户界面(402)为使用LABVIEW编写的操作界面，可实时显示放电状态鉴别结果曲线、加工时间和进给速度，并对开关电机、启停加工、阈值及采样脉冲数设定常用命令进行操作，PID控制器(403)进行PID调节。
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