斜率與變統計周期微細電火花脈沖識別系統

彭林發，李文斌，王燕青，楊勝強

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

微細電火花加工方法廣泛應用于航空航天領域微小孔槽、微細軸、微噴嘴、超精密彈性零件等關鍵零部件的加工，是無法替代的關鍵加工方法，并被逐漸推廣至兵器、微電子、生物醫學等國防與民用工業領域［1］。微細電火花加工時的放電狀態能直接反映加工情況，放電狀態的好壞直接影響到加工效率和表面粗糙度，因此對放電狀態的準確檢測非常有必要。

RC模式脈沖電源是電火花加工中應用最早、結構最簡單的脈沖電源，具有放電脈沖寬度小，加工精度較高，表面粗糙度好等優點，是幾乎所有的微細電火花機床和開展微細電火花加工研究所采用的脈沖電源［2］。雖然在晶體管式脈沖電源的放電狀態檢測上研究更加深入、實現方法多［3-7］，但在針對RC脈沖電源的放電狀態檢測方法上相對較少，且由于RC脈沖電源的放電電壓值不恒定、放電周期不固定等特點，使其放電狀態檢測更加困難。

平均電壓法是微細電火花加工最常見的算法，其邏輯簡單、易于實現，但缺乏針對性，且加工效率不高，不能實現對單個脈沖的識別［8-9］。文獻［10］利用NI采集卡使用閾值方法實現了對單個脈沖的識別，先采集一段波形獲取其最大電流值然后統計固定采樣時長內的電流脈沖個數以及電流峰值來判別各種狀態。因為需要提前設置電流的最大值，因此仍然需要調節電流閾值。文獻［11］通過電壓閾值來區分不同的狀態，但當改變脈沖電源的放電電壓時需要重新設定最大的電壓值。

針對RC脈沖電源放電周期不固定導致開路信息統計不準確問題和電壓檢測法中需要調節閾值等問題，提出一種基于變統計周期和斜率比值的脈沖識別方法。首先對采集的實驗數據分析與研究發現，可將放電狀態分為開路、短路、火花放電、電弧放電四種。如圖1所示，圖1（a）為電火花脈沖，圖1（b）為電弧脈沖，圖1（c）為短路，圖1（d）為開路。通過對實驗數據觀察與研究發現，RC脈沖電源充電過程中其曲線上升趨勢一致?；鸹ǚ烹娒}沖其斜率逐漸遞減最后趨于0；電弧放電脈沖其斜率也是先遞減但在斜率趨于0之前，電容就進行了放電；開路狀態時其斜率一直為0，電壓值大于0；短路狀態時其斜率也為0，但電壓值趨于0。故可使用斜率來區分火花放電脈沖和電弧放電脈沖，當斜率都為0時，通過當前電壓值是否大于0來區分短路狀態和開路狀態。通過變統計周期方法來解決開路信息統計不準確問題。

圖1 四種放電狀態Fig.1 Four Discharge States

本研究中使用PXIe-5111 示波器采集卡和LabVIEW 軟件，以間隙電壓為檢測參數，開發了微細電火花脈沖識別系統，接著通過理論計算分析了斜率比值法的可行性，最后進行了微細電火花磨削實驗來驗證該方法的有效性。結果表明能準確判別各類放電脈沖，提高了對開路信息統計的準確率，與理論分析一致斜率比值法可適用于不同的開路電壓情形。

2 脈沖識別系統

微細電火花脈沖識別系統的硬件主要包括PXIE-5111數據采集卡、嵌入式機箱、電壓探頭以及顯示器，實驗裝置，如圖2所示。利用NI-PXIE5111 示波器卡采集電火花放電間隙的電壓，經過AD轉換后存入采集卡的內存中，采集卡和計算機使用PCI接口進行數據傳輸。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental Device

脈沖識別系統主要實現對電火花加工過程中放電波形的顯示、存儲以及脈沖識別功能。根據上述要求，將LabVIEW程序分為顯示、連續存儲、文件拆分、脈沖識別四個模塊，如圖3 所示。顯示模塊可顯示采集的間隙電壓，用于觀察當前電火花間隙的放電狀態；連續存儲模塊可實現對波形的連續存儲；對于數個G大小的數據文件LabVIEW 并不能直接將其進行顯示，文件拆分模塊則用于對大型數據文件拆分，進而使數據文件能在LabVIEW或者Excel中打開與查看；脈沖識別模塊通過使用斜率比值法和變脈沖統計周期法對采集的數據進行脈沖識別與統計。

圖3 脈沖識別系統結構框圖Fig.3 Block Diagram of Pulse Discriminating System

2.1 顯示模塊

顯示模塊流程圖，如圖4所示。首先調用niScope Initialize函數進行設備初始化，接著調用niScope Configure Vertical函數對通道的垂直屬性設置以及niScope Configure Horizontal Timing 函數對水平屬性進行設置，然后使用niScope屬性節點對觸發模式進行設置，最后調用niScope Read函數開啟采集。當達到指定數量后，采集的數據才會流入到波形圖表中進行顯示，至此一次數據采集與顯示完成。通過將通道設置放入循環中，可實現對通道參數變化的監控與調整功能。

圖4 顯示模塊流程圖Fig.4 Flow Chart of Display Module

2.2 連續存儲模塊

在對采集數據進行存儲時，采樣率越高，波形就越準確，但需要存儲的數據也更多，兩者相互制約。為了解決上述問題，在程序中使用生產者消費者模型、TDMS文件以及niScope Fetch 2D I8函數等方法，實現了雙通道下以200MS/s 的采樣率進行連續存儲，能滿足微細電火花加工過程中對間隙電壓的記錄與存儲。

連續存儲模塊的流程圖，如圖5所示。首先使用軟件觸發方式讓NI采集卡進行連續采集并將數據存入內存中，接著使用隊列作為緩沖區，采用生產者消費者模型，采集數據作為“生產者”進入隊列，存儲數據作為“消費者”出隊列，以此來緩解采集速率與存儲速率不一致問題。

圖5 連續存儲模塊流程圖Fig.5 Flow Chart of Continuous Memory Module

生產者消費者模型的LabVIEW 程序，如圖6 所示。圖中上方為生產者循環，由于需要盡快從內存中提取數據，所以需將fetch函數的timeout變量設置為0，防止一旦采樣率過高循環內的延時將會導致內存數據的覆蓋，從而使程序報錯。圖中下方為消費者循環，其出隊列函數以數組為單位出隊列，然后再寫入TDMS文件中，因此隊列中所含元素數量實際為隊列中剩余數組的個數。通過將出隊列函數的超時參數設置為100ms，當隊列中數組個數為0 時，消費者循環將等待100ms。其次，使用二進制TDMS 文件進行存取能大大提高讀取速度。讀取函數使用niS‐cope Fetch 2D I8，其從內存中提取出的數據類型為INT8，該函數的優點在于單個數據點只占用一個字節，同時將通道的增益值gain和偏移量offset寫入TDMS文件的自定義標量屬性中，這樣就可大大減少數據的存儲量。

圖6 生產者消費者模型的LabVIEW程序Fig.6 LabVIEW Program of Producer Consumer Model

3 變統計周期

根據RC脈沖電源放電周期不固定的特點，將相鄰兩次脈沖放電的時長稱為一個脈沖統計周期（簡稱為統計周期）。由于可能存在充電過程中放電或者充電完成后未立即放電而有一個保持時間的情況，因此一個脈沖的統計周期是不固定的，將其稱為變統計周期，如圖7所示。將一個脈沖統計周期分為充電過程、保持過程和放電過程。由于放電過程的時長遠遠小于充電過程和保持過程的時長，因此，一個脈沖統計周期主要由充電過程和電壓保持過程的時長決定。

圖7 一個脈沖統計周期Fig.7 One Pulse Statistical Period

根據RC電路的零輸入響應規律，當電容充電時長達到5RC時，其兩端電壓達99.33%，認為充電過程基本結束。理想情況下，當電容充電完畢后立即放電其加工效率較高，因此假設理想脈沖周期為5RC，記為T，沒有保持過程。如果在一個統計周期內包含保持過程且保持時長超過T，即當前脈沖統計周期總時長大于10RC，則認為該脈沖統計周期不僅包含一個放電脈沖還至少包含一個開路脈沖，開路脈沖的個數為保持過程時間除以T，并向下取整。同理，如果放電完畢但并未進行充電而是發生了短路，則計算低電壓的保持時間，如果其時長超過T，則認為至少包含一個短路脈沖，短路脈沖的個數為電壓保持時間除以T，并向上取整，即如果低電壓保持時長小于T則也認為包含一個短路脈沖。

4 斜率比值法

根據圖7可知，在RC脈沖電源充電過程中其斜率值由大變小，斜率計算公式如下：

式中：K—斜率；V1—前一個電壓采樣值；V2—后一個電壓采樣值；ΔV—兩個采樣點的電壓差值；Δt—兩個采樣點的時間間隔。RC電路充電過程電容兩端的電壓滿足方程：

式中：Vt—電容兩端的電壓；E—電源電壓；R—電阻；C—電容；t—充電時長。對公式進行求導可得：

將兩個斜率值進行相比可得：

式中：K1—前一個斜率值；

K2—后一個斜率值；

t1—前一個斜率值對應的充電時長；

t2—后一個斜率值對應的充電時長。

當t1為充電開始時刻，t2為電容充電量達99.33%時刻，即t1=0，t2=5RC時，代入公式得K1/K2=148.4。因此，當初始充電時刻的斜率值比上當前時刻的斜率值大于148.4時，可認為當前已經進入保持過程，然后根據充電過程的采樣點個數和當前采樣率計算出理想狀態周期T的大小。同理，當電容兩端電壓為68%時，t1=0，t2=RC，代入公式得K1/K2=2.7。由于消電離發生在充電過程中，如果充電過程時間較短，則消電離不完全，可能導致電弧脈沖的產生。因此，當初始充電時刻的斜率值比上放電時刻的斜率值小于2.7時，則認為當前脈沖是一個電弧脈沖。

上述為連續過程的計算公式，對于離散采樣值的斜率計算過程如下。將式（2）代入式（1），可得采樣值a點的斜率計算公式：

式中：Ka—充電過程中a處的斜率值；ΔVa—時間間隔Δt前后兩個電壓的差值。

從公式可以看出，斜率K值與電源電壓E、時間間隔Dt以及充電時長t1有關，但通過將a處的斜率值Ka和b處的斜率值Kb相比發現，斜率比值與電源電壓E無關，并將斜率比值記為P：

式中：ΔVb—b處時間間隔Δt的前后兩個電壓的差值。

可以發現斜率比值的離散計算式（6）和連續計算式（4）一致，因此可將斜率比值轉換為電壓差值的比值，簡化了計算過程且脈沖判別規則中不含電壓閾值，即上述脈沖判別規則適用于不同開路電壓的情況。

基于變脈沖統計周期和斜率比值的脈沖判別法，如圖8 所示。在一個脈沖統計波形中，首先判斷是否存在低電壓保持過程，如果存在則計算并統計短路個數，個數越多代表短路時長越長，接著判斷是否存在高電壓保持過程，如果有高電壓保持過程則計算并統計開路個數同時火花脈沖個數加1，如果不存在高電壓保持時間，則計算電壓差值的比值，如果兩者的比值小于等于2.7則電弧脈沖個數加1，否則火花脈沖個數加1，最后計算四類脈沖相應的占比。

圖8 脈沖判別流程圖Fig.8 Flow Chart of Pulse Discrimination

5 實驗

為了驗證變統計周期和斜率比值法的實用性和脈沖系別系統模塊的可用性，進行了微細電火花磨削加工實驗。

5.1 粗加工實驗

粗加工實驗中，RC 脈沖電源的電壓值為120V，限流電阻R為1000Ω，電容值C為68nF，加工材料為純鎢棒加工直徑為400Mm，介質為去離子水，采樣率為1Ms/s。根據電阻R和電容C計算出理想火花放電周期T=340Ms，與圖7中充電過程時間基本吻合，從而驗證了該脈沖電源符合RC電路的輸入響應規律，保證了變統計周期和斜率比值法的可行性。粗磨加工中，分別采用電壓閾值法和斜率比值法對少量放電脈沖波形進行統計，統計結果，如圖9所示。圖9（a）中共有8個脈沖，其中含1個電弧放電脈沖，2個開路脈沖，5個火花放電脈沖。這與四種狀態的統計信息是一致的，證明了所采用斜率比值法的正確性。從圖9（b）所統計的四種放電狀態信息看，在不使用變脈沖統計周期法的情況下，電壓閾值法不能很好的統計開路信息。

圖9 粗加工，少量脈沖統計結果Fig.9 Rough Machining，a Small Number of Pulse Statistical Results

粗加工，大量脈沖統計結果，如圖10所示。從圖10（a）統計信息可以看出放電脈沖主要以火花放電脈沖和開路脈沖為主且比例相當。圖中右側部分則為短路脈沖，介于兩者之間的密集區則為電弧放電脈沖。根據波形圖表中的數據點數進行估計，其中開路和電火花總比例大約為0.75，電弧率大約為0.045，短路率大約為0.20，與程序統計結果基本一致。

圖10 粗加工，大量脈沖統計結果Fig.10 Rough Machining，a Large Number of Pulse Statistical Results

電壓閾值法統計結果，如圖10（b）所示，從圖中可以看出電壓閾值法仍然未能很好統計開路信息，這與圖9 所示實驗結果一致。因此，在開路與火花放電脈沖相間出現的情況下，使用電壓閾值法未能很好的統計開路時間。

5.2 精加工實驗

精加工實驗中，RC 脈沖電源的電壓值為100V，限流電阻R為1000Ω，電容值C為570pF，加工材料為粗加工后的純鎢棒直徑為80Mm，介質為去離子水，采樣率為6Ms/s。

精加工中，分別采用電壓閾值法和斜率比值法對少量放電脈沖波形進行統計，統計結果，如圖11所示。圖11（a）共有19個脈沖，其中，含4個火花放電脈沖，15個開路脈沖。這與四種狀態的統計信息是一致的，驗證了理論分析的正確性，即斜率比值法不用調節電壓閾值，因此斜率比值法具有更強的適應性。電壓閾值法統計結果，如圖11（b）所示。使用電壓閾值法仍未能很好統計開路信息，且從粗磨到精磨加工時需要調節電壓閾值。精加工，大量脈沖統計結果，如圖12所示。從圖12（a）統計信息可以看出精加工中放電脈沖以開路狀態為主。與圖10 粗加工相比，在精加工中火花率有所下降，這與精加工條件相符。電壓閾值法統計結果，如圖12（d）所示。從圖中可以看出在精加工中，電壓閾值法的開路占比有所回升，但仍未能很好的統計開路信息，且需要調節電壓閾值。

圖11 精加工，少量脈沖統計結果Fig.11 Finish Machining，a Small Number of Pulse Statistical Results

圖12 精加工，大量脈沖統計結果Fig.12 Finish Machining，a Large Number of Pulse Statistical Results

因此基于斜率比值和變統計周期的脈沖識別方法具有有效性和可實用性，同時不需要調節電壓閾值且可準確統計開路信息，從而該方法提高了檢測精度和效率。

6 結語

主要針對脈沖電源放電周期不固定導致的脈沖識別系統中開路信息統計不準確問題和電壓閾值檢測法中需要設置與調節電壓閾值問題，這里提出了一種基于變統計周期和斜率比值的脈沖識別方法，在理論上分析了該方法的有效性并使用NI采集卡和LabVIEW 軟件開發了脈沖識別系統，用該系統進行了實驗驗證，結果表明：

該方法在微細電火花放電狀態檢測中具有可實用性，提高了檢測的效率和精度，解決了開路信息統計不準確問題和電壓閾值調節問題，試驗結果和理論分析具有良好的一致性。另外該脈沖識別系統也解決了采集和存儲速度不匹配問題，從而實現對采集數據的高速流盤。