胡星志,遲關(guān)心,陳小前

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),湖南長沙 410073;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150001)

微細(xì)電火花加工作為一種非接觸式加工技術(shù),在微細(xì)加工領(lǐng)域具有非常獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中,微細(xì)電火花加工存在低效、低穩(wěn)定性等問題,如電極反拷加工時(shí),常發(fā)現(xiàn)放電不連續(xù),導(dǎo)致電極加工效率低。目前對(duì)間隙狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別方面缺乏深入的理論與應(yīng)用研究,未能對(duì)微細(xì)電火花加工的穩(wěn)定控制提供足夠的理論指導(dǎo)[1]。因此,本文考慮從微細(xì)電火花加工的理論和實(shí)際電極反拷的問題入手,通過對(duì)電壓波形和識(shí)別算法的研究,得出可靠的頻譜特征識(shí)別方法,達(dá)到放電間隙狀態(tài)有效識(shí)別的目的。

1 間隙電壓波形特征分析

為分析微細(xì)電火花間隙電壓波形的特征,進(jìn)行電極反拷加工實(shí)驗(yàn),采用自主研發(fā)的微細(xì)電火花加工設(shè)備進(jìn)行微細(xì)電極的手動(dòng)制作。選用初始直徑0.5 mm左右的銅電極,設(shè)定合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù),得到的微細(xì)電極直徑為97μm,長度約為6mm。

實(shí)驗(yàn)中,對(duì)間隙電壓100 ms采樣波形、1 ms采樣波形和示波器采集的波形進(jìn)行對(duì)比分析。脈寬5 μs,脈間 10μs,無高壓,電壓 80 V,電流1檔,電容 8檔,伺服速度3 000。反拷過程中電極轉(zhuǎn)速按高速、中速、低速、零改變,記錄每次改變后的電壓波形。

(1)間隙電壓100 ms的采樣波形,呈現(xiàn)多個(gè)波形疊加的情形(圖1)?？梢钥闯?電極不轉(zhuǎn)或低速時(shí)放電狀態(tài)好,而高速或中速時(shí)由于電極存在一定的偏心量,在電極旋轉(zhuǎn)時(shí),導(dǎo)致放電不連續(xù),空載時(shí)間長。

圖1 轉(zhuǎn)速改變時(shí)100 ms采樣波形

(2)為了更細(xì)化地分析間隙電壓的特征,縮短間隙電壓的采樣時(shí)間,利用1 ms采樣波形,將圖1中波形的局部特征清晰反映出來。

圖2中波形體現(xiàn)一定的周期性,且轉(zhuǎn)速逐漸變慢時(shí),電壓波形的波動(dòng)變小,趨于一個(gè)穩(wěn)定值附近變化,說明放電特性變好。特別是圖2d波形,此時(shí)的放電狀態(tài)良好且穩(wěn)定。

圖2 轉(zhuǎn)速改變時(shí)1m s采樣波形

(3)利用示波器采集到的波形進(jìn)行分析,見圖3。電極轉(zhuǎn)速變慢時(shí),間隙放電狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化,放電時(shí)間逐漸變長,間隙狀態(tài)變好。這是由于電極偏心引起的。

圖3 轉(zhuǎn)速改變時(shí)示波器采集的波形

同樣,通過實(shí)驗(yàn)得出了改變伺服速度時(shí),電壓波形具有一定的特征。當(dāng)伺服速度過快或過慢時(shí),間隙電壓波形會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng),放電狀態(tài)不穩(wěn)定。

綜上分析,間隙電壓波形可以表征間隙放電狀態(tài)的好壞。且間隙電壓的波形具有一定的周期性和頻譜特征,通過對(duì)它們的識(shí)別與分析,可得出間隙狀態(tài)的相關(guān)特性。

2 頻譜特征識(shí)別理論

2.1 頻譜特征識(shí)別方法的提出

不同間隙狀態(tài)具有相應(yīng)特征的電壓波形。考慮到間隙狀態(tài)包含多種放電特性,例如轉(zhuǎn)速特性、伺服特性、振動(dòng)特性等,間隙電壓信號(hào)是由一系列的不同頻率成分的信號(hào)分量疊加而成的。頻譜是信號(hào)在頻域上的重要特征,它反映了信號(hào)的頻率成分以及分布情況。信號(hào)的頻譜識(shí)別是信號(hào)分析的重要手段。

如果我們提取出間隙電壓信號(hào)中各分量的頻譜特征,就能識(shí)別出電火花間隙狀態(tài)的各種特性[2],如電極轉(zhuǎn)速的大小、伺服進(jìn)給的快慢、加工的穩(wěn)定性等,這些為自適應(yīng)控制提供了理論依據(jù)。利用頻譜特征進(jìn)行識(shí)別的思想,是一種新的間隙狀態(tài)識(shí)別方法。

2.2 傅里葉變換的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)間隙狀態(tài)頻譜特征的識(shí)別,利用了傅里葉變換,它是提取信號(hào)頻譜特征、進(jìn)行頻譜分析的重要手段。對(duì)于離散的周期信號(hào),采用離散傅里葉變換,其算法主要是DFT和FFT算法[3]。DFT算法是根據(jù)定義式進(jìn)行計(jì)算的直接算法,FFT算法是一種快速算法,二者計(jì)算結(jié)果是一致的,但FFT算法比DFT算法計(jì)算效率更高,且基于2的FFT算法計(jì)算效率比其他長度序列的高[4]。因此,頻譜特征識(shí)別程序采用FFT算法,采樣點(diǎn)數(shù)可取1 024。

2.2.1 FFT算法理論基礎(chǔ)

根據(jù)蝶式運(yùn)算定理,為計(jì)算偶數(shù)N點(diǎn)的離散傅里葉變換,可先計(jì)算兩個(gè) N/2點(diǎn)子序列,然后由蝶式運(yùn)算得出所需的結(jié)果。

進(jìn)行FFT計(jì)算前,需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行逆序重排,計(jì)算后輸出的結(jié)果是順序排列的。根據(jù)比特逆序規(guī)律和蝶式運(yùn)算定理,就可編寫相應(yīng)的FFT算法程序。

2.2.2 識(shí)別程序參數(shù)選擇

進(jìn)行離散傅里葉變換運(yùn)算時(shí),由于用到了抽樣與截?cái)嗟脑?會(huì)使頻譜分析產(chǎn)生誤差,如混疊效應(yīng)、截?cái)嘈?yīng)、柵欄效應(yīng)等。為減少上述問題引起的誤差,獲得較準(zhǔn)確的頻譜特征,主要考慮的參數(shù)有采樣頻率 fs和采樣點(diǎn)數(shù)N,參數(shù)選擇應(yīng)遵循相應(yīng)原則[6]。

由于實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床的轉(zhuǎn)速不大于4 000 r/m in,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速頻率不大于66.67 Hz;而伺服頻率一般不高,在十幾赫茲左右。因此,FFT識(shí)別程序的基本參數(shù)可取fs=200 Hz,N=1 024,其仿真結(jié)果見圖4。此時(shí)頻率分辨率最大可測(cè)為100 Hz,滿足測(cè)量范圍和精度要求。

3 識(shí)別程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

識(shí)別程序根據(jù)輸入的間隙電壓采樣序列,經(jīng)過快速傅里葉變換,提取出相關(guān)頻率分量頻譜的頻率值和幅值,來進(jìn)行分析與應(yīng)用。程序基于C++語言編寫,主要有兩個(gè)函數(shù)模塊:FFT處理和相關(guān)信號(hào)頻譜提取。

3.1 程序可行性驗(yàn)證

圖4 fs=200 Hz,N=1 024時(shí)仿真結(jié)果

對(duì)反拷過程中的間隙電壓進(jìn)行了采樣。采樣頻率 fs=200 Hz,存為長度1 024的數(shù)據(jù)文件,然后對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行離線處理。

數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Matlab7.0的FFT程序中,以判斷程序識(shí)別的準(zhǔn)確性,得到如圖5所示的頻譜特征。圖5中一階頻譜的頻率和幅值分別是52.54Hz、6.52,與實(shí)際電極轉(zhuǎn)速特性分析結(jié)果是一樣的。因此,該程序?qū)τ陔妷盒盘?hào)的頻譜特征識(shí)別是可行的,識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確。

圖5 Matlab離線處理所得頻譜

3.2 程序聯(lián)機(jī)調(diào)試

將FFT程序作為子程序?qū)氲綑C(jī)床的控制程序里進(jìn)行調(diào)試,程序運(yùn)行界面見圖6。為了識(shí)別間隙狀態(tài)的不同特性,考慮在不同條件下進(jìn)行電極反拷加工實(shí)驗(yàn)。

4 程序運(yùn)行結(jié)果分析

根據(jù)程序聯(lián)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),分析得出間隙狀態(tài)的相關(guān)特性,這里主要是電極轉(zhuǎn)速特性、伺服特性及其穩(wěn)定性等,以此為電極反拷加工的自適應(yīng)控制提供參考。

圖6 程序運(yùn)行界面

4.1 電極轉(zhuǎn)速特性分析

用銅鎢合金的反拷塊,反拷一個(gè)有一定偏心量的電極,保持較低的伺服進(jìn)給量。隨著加工放電的進(jìn)行,逐漸減小電極轉(zhuǎn)速。每次轉(zhuǎn)速改變后,記下相應(yīng)的程序識(shí)別結(jié)果。得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,其中一階頻譜可用于電極轉(zhuǎn)速特性的分析。

表1 轉(zhuǎn)速改變時(shí)程序運(yùn)行結(jié)果

各實(shí)驗(yàn)組電極轉(zhuǎn)速為3 714、3 150、2 388、1 746、1 230、468 r/m in,與實(shí)際電極轉(zhuǎn)速的改變是一致的。將6組數(shù)據(jù)的頻率值和幅值擬合成曲線,見圖7。隨著轉(zhuǎn)速的降低,頻率值也降低,但信號(hào)的幅值是增大的,即該信號(hào)作用效果增強(qiáng),這與實(shí)際情況是一致的。

圖7 轉(zhuǎn)速特性頻譜分析

4.2 伺服特性分析

采用偏心量小的銅電極,進(jìn)行反拷實(shí)驗(yàn),以分析電源參數(shù)與伺服速度對(duì)間隙狀態(tài)的影響。隨著加工放電的進(jìn)行,改變電流、電容大小,同時(shí)調(diào)整伺服速度,運(yùn)行結(jié)果見表2。

表2 伺服改變時(shí)程序運(yùn)行結(jié)果

對(duì)表2中各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:

(1)開始階段1～5:電極有一定的偏心量,造成較大的短路,且平均電壓不高,因而間隙狀態(tài)差,伺服特性不穩(wěn)定。

(2)正常階段6～9:電極偏心量較小,放電時(shí)間長,材料蝕除穩(wěn)定,因而間隙狀態(tài)好,伺服穩(wěn)定性好。

(3)伺服速度變慢后10～13:此時(shí)平均電壓較大,放電波形存在著一定的振蕩,電極間歇放電,間隙狀態(tài)較差,伺服特性不穩(wěn)定。

(4)高電壓14:平均電壓達(dá)到272.4 V,處于開路,此次加工結(jié)束。

根據(jù)表2,平均電壓穩(wěn)定在174 V左右時(shí),間隙狀態(tài)好且加工穩(wěn)定。當(dāng)減緩伺服速度時(shí),電壓變得很不穩(wěn)定,間隙狀態(tài)較差。

圖8是對(duì)頻譜特征的分析,所識(shí)別的伺服頻率與真實(shí)伺服速度的變化是完全一致的,即也有3個(gè)變化階段;且隨著加工的進(jìn)行,伺服逐漸變慢。根據(jù)所識(shí)別的間隙電壓波形的幅值,可分析伺服的穩(wěn)定性。當(dāng)幅值偏大時(shí),說明加工過程中波形出現(xiàn)較大震蕩,存在伺服不穩(wěn)定問題。

5 識(shí)別方法應(yīng)用探索

微細(xì)電火花間隙狀態(tài)特點(diǎn)是類似的(如微小孔加工),其間隙電壓波形也存在一定的特征,這些特征反映了放電間隙狀態(tài)。進(jìn)行微孔加工的實(shí)驗(yàn),以探討該識(shí)別方法的更多應(yīng)用。

圖8 伺服特性頻譜分析

利用圖1設(shè)備,采用直徑0.5 mm的銅電極進(jìn)行微孔加工,加工深度為5 mm,只改變伺服速度,而電源參數(shù)不變。程序運(yùn)行結(jié)果見表3。

表3 伺服改變時(shí)程序運(yùn)行結(jié)果

(1)開始加工1～3:由于間隙狀態(tài)不好,放電狀態(tài)差。

(2)正常放電階段4～6:隨著電極與孔間隙狀態(tài)的改善,并且伺服速度較適宜,這一階段的間隙狀態(tài)好,加工穩(wěn)定性較好。

(3)減緩伺服速度時(shí)7～10:幅值變大,電壓波形出現(xiàn)一定振蕩,引起伺服特性不穩(wěn)定,此時(shí)伺服速度不合適,間隙狀態(tài)較差。

(4)提高伺服速度時(shí)11～14:平均電壓較低,加工效率不高,但伺服特性較前者穩(wěn)定,放電間隙狀態(tài)較好。

微孔加工時(shí),一般不考慮轉(zhuǎn)速特性,一階頻譜表示了伺服特性。圖9中間隙狀態(tài)頻譜特征很有規(guī)律,不但伺服頻率隨伺服速度呈現(xiàn)3個(gè)變化階段,而且每次改變伺服速度時(shí),幅值都會(huì)出現(xiàn)較大變化,這與實(shí)際微孔蝕除時(shí)的伺服變化是一致的;隨著加工的進(jìn)行,幅值又逐漸降低了。伺服速度為50時(shí),間隙狀態(tài)良好。

由此可見,合適的伺服速度對(duì)微孔加工很重要,頻譜特征識(shí)別方法對(duì)微孔加工間隙狀態(tài)的識(shí)別也同樣適用,可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖9 對(duì)微孔加工進(jìn)行頻譜分析

6 結(jié)語

不同間隙的電壓波形具有不同的頻譜特征,本文提出了一種新的間隙狀態(tài)識(shí)別方法,進(jìn)行間隙狀態(tài)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別。設(shè)計(jì)的FFT識(shí)別程序,在電火花設(shè)備上得到了初步應(yīng)用。進(jìn)一步完善識(shí)別程序,將是下一步的工作,以實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花間隙狀態(tài)準(zhǔn)確、高效和穩(wěn)定的識(shí)別。

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