电火花小孔加工间隙状态检测及伺服控制系统研究

发布时间：2020-08-28 21:13

　　电火花加工技术是特种加工领域的一个重要研究方向,获得了许多国家的重视,并广泛应用于航空航天、医学、微电子器件等方面。但是如何实现稳定和高效的加工一直是人们努力研究的方向。电火花加工间隙状态的检测及伺服控制技术是制约电火花高效稳定加工的重要因素,因此研制出高精度间隙状态检测系统及适应能力强的伺服控制系统对于保障电火花加工性能具有重要的意义。本文基于实验分析了电火花加工中各种间隙状态的特征,研究了电火花加工过程中各种间隙状态下电压、电流和频率变化规律,以此制定了可将间隙状态区分为开路、火花放电、电弧放电、短路、脉间等五种间隙状态的辨识原则:电压高代表开路状态;电压中、频率高则代表火花放电状态,电压中、频率低则代表电弧放电状态;电压为低、电流高则代表短路状态,电压低、电流低则代表脉间状态。进而对间隙状态检测系统中各模块进行了设计,重点对火花放电和电弧放电区分模块进行了设计,搭建了可以准确识别五种间隙状态的新型间隙状态检测系统。对自适应伺服控制系统进行了总体设计。通过对晶体管电源模块、间隙平均电压检测模块和基于ARM的间隙状态概率统计模块进行设计,完成了伺服控制系统的硬件搭建。将电火花加工间隙简化后建立其数学模型,确定了基于增量式PID的控制算法,并开发了上位机控制平台。使用Simulink建立了电火花加工间隙的仿真模型,并通过设定不同的PID参数对间隙的进行了仿真分析,确定了合适的PID参数调节范围。进行了间隙状态检测的实验研究。通过实验验证间隙状态检测系统在RC脉冲电源模式和晶体管电源模式下的准确性,并在各种脉宽的晶体管电源模式下采用间隙状态检测装置进行实验,分析了检测延迟时间和脉宽的关系。通过单因素实验,分析了供电电压、峰值电流、材料对电火花放电状态变化的影响规律。通过实验研究不同PID参数下加工速度与加工深度的关系,确定不同加工深度下的最优PID,制定了自适应PID伺服控制策略,通过实验证明了自适应PID伺服控制系统相比于无PID调节的控制系统能显著提升加工速度。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP273;TG661
【部分图文】：

间隙状态,超声波检测,传导系数

日本三菱电机公司的金井、广井和中野三人共同研究了用超声波检测电火花加工间隙状态的方法[28]，他们用图1-4 所示的装置研究了电火花加工间隙的超声波传导系数。通过改变加工间隙距离、吹入间隙的气泡含量以及金属粉末的浓度对超声波传导系数进行测试[29]。实验发现，在一定的间隙大小内超声波传导系数受间隙距离和间隙粉末浓度的影响很小，但是当往间隙之间吹入气泡之后，流量在 0~50ml/mm 之间的超声波传导系数会迅速降低为原先的一半左右。在正常的火花放电过程中，气泡浓度会逐渐增加，间隙传导系数也会相应下降，但抬刀之后，气泡会被排出间隙而使间隙传导系数恢复到接近初始值[30]。加工间隙间的超声波传导系数随着加工能量的增大会迅速下降，而峰值电流对加工能量的影响最为显著，所以加工间隙之间的超声波传导系数可以作为衡量系统是否处于稳定加工状态的指标。实验证明，加工间隙的大小和平均间隙电压都不能直接反映间隙的污染程度，而超声波传导系数却可以作为衡量间隙污染程度的指标[31]。所以这种检测方法对于改进系统的伺服控制和提高加工性能有显著的意义。图 1-4 间隙状态超声波检测法

模糊逻辑控制,多输入

图 1-8 多输入模糊逻辑控制系统滨工业大学的李刚博士对比了多种伺服机构的性能和缺点，电机的自适应 PID 伺服控制系统[41]，如图 1-9 所示，并搭建 1-10 所示，加工出的微细槽宽度可以达到 22μm。该伺服系精度高、响应快等优点，有效的降低了工具电极相对损耗率。对本课题有很大的参考价值。

原理图,控制系统,原理图,损耗率

图 1-8 多输入模糊逻辑控制系统哈尔滨工业大学的李刚博士对比了多种伺服机构的性能和缺点，最后直线电机的自适应 PID 伺服控制系统[41]，如图 1-9 所示，并搭建了实如图 1-10 所示，加工出的微细槽宽度可以达到 22μm。该伺服系统具高、精度高、响应快等优点，有效的降低了工具电极相对损耗率，提效率。对本课题有很大的参考价值。

【参考文献】