绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工的材料类型辨识装置及方法与流程

本发明属于电火花加工技术领域，涉及一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的材料类型辨识装置及方法。

背景技术：

在金属基体上涂覆绝缘陶瓷涂层可有效提高金属材料的耐高温、耐热冲击及耐热腐蚀性能，目前绝缘陶瓷涂层-金属材料广泛用于航空航天领域。由于陶瓷材料和金属的力学性能和热物理性能不同，传统机械加工方法无法实现高效高质量的加工，如何实现该材料上的高效高质量的加工为航空航天领域需攻克的关键技术之一。辅助电火花加工方法可实现该材料的一次加工成形，为绝缘陶瓷涂层-金属材料的高效高质量加工提供了一种可行的手段。但由于目前电火花加工过程控制系统无法在线自动辨识当前加工材料类型，并对当前加工材料类型进行加工控制，难以实现绝缘陶瓷涂层-金属材料的高效高质量一次加工成形。因此针对绝缘陶瓷-金属材料的电火花加工，需研究一种材料类型辨识方法，实现加工过程中根据当前材料类型的自动识别而改变加工过程控制策略，最终实现绝缘陶瓷涂层-金属的高质量电火花加工。

技术实现要素：

本发明为解决绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工中加工控制系统无法自动判别当前材料类型，导致相同加工过程控制下绝缘陶瓷涂层-金属材料的加工稳定性和加工质量较差，加工效率较低的问题，提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工的材料类型辨识装置及方法。本发明能够实现电火花加工过程材料类型的自动识别，提高绝缘陶瓷涂层-金属材料的电火花加工效率和加工质量。

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-金属材料电火花加工的材料类型辨识装置，包括间隙采样模块和主控模块，其中：

所述间隙采样模块包括间隙电压采样模块和间隙电流采样模块；

所述主控模块采用vhdl硬件语言编程，实现材料类型的辨识；

所述间隙采样模块通过间隙电压采样模块和间隙电流采样模块对放电间隙电压和电流信息的采样与阈值比较，并作为输入信号发送至主控模块，以实现放电状态的检测和材料类型的辨识。

一种绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工的材料类型辨识方法，包括如下步骤：

步骤一、通过脉宽检测的阈值比较和击穿延时联合辨识的放电状态检测方法，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测，并对陶瓷和金属火花放电进行实时统计；

步骤二、通过单因素实验对电火花加工过程中陶瓷加工阶段的陶瓷与金属火花放电相对率的差异性进行实验统计，建立陶瓷与金属火花放电率的材料类型判定准则，作为材料类型的区分依据；

步骤三、通过陶瓷与金属火花相对率的阈值设定，在主控模块中采用vhdl硬件语言编程，实现加工过程的材料类型区分。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明通过工艺实验研究和实验结果分析，分别对不同加工参数下陶瓷涂层加工阶段和金属加工阶段陶瓷与金属火花相对率进行统计，分别获取绝缘陶瓷涂层阶段和金属加工阶段的陶瓷与金属火花放电相对率的范围值，基于绝缘陶瓷涂层和金属加工阶段陶瓷与金属火花放电相对率范围值的差异性，建立材料类型判定依据，设定陶瓷与金属火花放电相对率阈值，实现加工过程中绝缘陶瓷涂层和金属的材料类型区分。本发明解决了电火花加工陶瓷涂层-金属材料时，由于无法对加工过程中材料类型进行在线辨识，其加工过程控制无法根据当前加工材料类型进行加工控制策略自调整，导致相同控制策略加工不同材料时具有不同的加工孔的尺寸和加工表面形貌，且存在加工稳定性较差、加工效率较低的技术难题。

2、本发明能在线区分加工过程中陶瓷和金属的材料类型，能为电火花的加工过程有效的控制提供依据，可为高效高质量绝缘陶瓷-金属材料电火花加工奠定基础。

附图说明

图1为材料类型辨识装置总体结构图；

图2为间隙电压采样电路原理图；

图3为间隙电流采样电路原理图；

图4为主控模块总体结构图；

图5为绝缘陶瓷加工阶段加工参数对陶瓷与金属火花放电相对率的影响；

图6为金属加工阶段加工参数对陶瓷与金属火花放电相对率的影响；

图7为基于陶瓷与金属火花放电相对率的材料类型辨识流程图。

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-金属材料电火花加工材料类型辨识装置，如图1所示，所述装置包括间隙采样模块和主控模块，主控模块基于fpga芯片构建，间隙采样模块包括间隙电压采样模块和间隙电流采样模块，该模块通过对放电间隙电压和电流信息的采样与阈值比较，并作为输入信号发送至fpga主控模块。主控模块采用vhdl硬件语言编程，实现材料类型的辨识。

本实施方式中，所述间隙电压采样模块用于对放电间隙的电压进行采样，如图2所示，由分压采样电路、电压钳位电路、电压跟随与阈值比较电路和光电隔离电路实现。电压采样原理为：使用二极管d2、电阻r2和电阻r3对放电间隙进行分压采样，并通过二极管d3和d4对采样电压进行电压钳位，确保后级电压跟随电路的稳定工作。钳位后电压通过电压跟随器a1输入至电压比较器a2进行阈值比较，最终阈值比较信号经光电隔离后输入到fpga主控模块，为后续间隙放电状态的辨识提供放电间隙的电压变化信息。

本实施方式中，所述间隙电流采样模块用于对放电间隙的电流进行采样，由电流采样电路、电压放大电路、电压钳位电路、电压跟随与阈值比较电路、光电隔离电路实现。电流采样原理为：通过霍尔传感器将间隙电流变化转换为电压变化，并经线性放大器a1对转换电压进行线性放大，以提高后续阈值比较的精度。采用二极管d3和d4对放大电压进行电压钳位，以保证后级电压跟随和阈值比较电路稳定运行。钳位后电压通过电压比较器a3进行阈值比较，最终阈值比较信号经光电耦合器输入到fpga主控模块，为后续放电状态的辨识提供放电间隙的电流变化信息。

本实施方式中，所述主控模块用于实现材料类型的辨识，如图4所示，由串口通讯电路、晶振电路、系统程序配置电路和系统供电电路实现，其中：所述串口通讯电路以max3232芯片构建，用于实现pc机和fpga间的电平转换，实现标准rs-232通讯；所述晶振电路采用50mhz有源晶振搭建时钟电路实现，用于为系统提供系统时钟，所述系统程序配置电路采用epcs16n配置芯片搭建，用于实现fpga的jtag和as程序下载模式；所述系统供电电路采用ams降压芯片实现，用于为fpga提供3.3v、2.5v和1.2v的芯片电压。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式以所述装置实现绝缘陶瓷涂层-金属材料电火花加工材料类型辨识的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、通过脉宽检测的阈值比较和击穿延时联合辨识的放电状态检测方法，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测，并对陶瓷和金属火花放电进行实时统计；

步骤二、通过单因素实验对电火花加工过程中陶瓷加工阶段的陶瓷与金属火花放电相对率的差异性进行实验统计，建立陶瓷与金属火花放电率的材料类型判定准则，作为材料类型的区分依据；

步骤三、通过陶瓷与金属火花相对率的阈值设定，在主控模块中采用vhdl硬件语言编程，实现加工过程的材料类型区分。

本实施方式中，通过脉宽检测的阈值比较和击穿延时联合辨识的放电状态检测方法，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测的方法如下：

(1)通过1路电流阈值比较器(间隙电流采样模块中的电压比较器a2)判断当前放电间隙是否处于放电或开路阶段，同时通过6路电压阈值比较器(间隙电压采样模块中的电压比较器a3)检测当前放电状态下的间隙电压幅值变化。

(2)基于放电间隙中电压和电流变化信息，判别当前放电脉冲是否存在击穿延时，联合阈值比较结果，建立表1所示各放电状态的逻辑运算判据；

表1放电状态逻辑判据

表1中，t1为火花放电击穿延时标志；t2为超高阻火花放电击穿延时标志；t3为高阻火花放电击穿延时标志；t4为低阻火花放电击穿延时标志，vref1为第1路电压阈值比较器输出电平；vref2为第2路电压阈值比较器输出电平；vref3为第3路电压阈值比较器输出电平；vref4为第4路电压阈值比较器输出电平；vref5为第5路电压阈值比较器输出电平；vref6为第6路电压阈值比较器输出电平；vref7为放电间隙电流经电压转换后第7路电压阈值比较器输出电平。

(3)在fpga主控模块中，采用vhdl语言硬件编程，检测绝缘陶瓷涂层-金属材料放电间隙中：开路、超高阻火花放电、高阻火花放电、低阻火花放电、超高阻短路、高阻短路、低阻短路、火花放电、稳定电弧放电和短路放电状态。

本实施方式中，对陶瓷和金属火花放电进行实时统计的方法如下：

基于放电状态检测方法，对陶瓷超高阻火花放电、高阻火花放电、低阻火花放电和金属火花放电以统计周期50ms循环统计，并通过fpga主控模块以式(1)计算统计周期内陶瓷涂层火花放电相对率与金属火花放电相对率：

式中：nshrd、nhrd、nlrd、tspark分别为统计周期内超高阻火花放电、高阻火花放电、低阻火花放电和金属火花放电统计时间；分别为统计周期内陶瓷涂层火花放电相对率和金属火花放电相对率。

本实施方式中，通过单因素实验对电火花加工过程中陶瓷加工阶段的陶瓷与金属火花放电相对率的差异性进行实验统计的方法如下：

以典型绝缘陶瓷涂层-金属材料热障涂层高温合金为例，具体通过单因素实验，研究加工参数对绝缘陶瓷涂层加工阶段和金属加工阶段，陶瓷与金属火花放电相对率的影响规律，分别确定绝缘陶瓷涂层加工阶段和金属加工阶段的陶瓷与金属火花放电相对率的变化范围，分别如式(2)和(3)所示：

统计式(2)和金属加工阶段火花放电特征统计式(3)制定材料类型辨识策略，其辨识判据如式(4)所示：

式中：x为陶瓷火花放电相对率设定阈值。

本实施方式中，实现加工过程的材料类型区的方法如下：

(1)在fpga主控模块中采用vhdl硬件语言编程，基于脉宽检测的阈值比较与击穿延时联合辨识的放电状态检测方法对放电间隙中陶瓷及金属火花放电进行辨识，提取陶瓷与金属火花放电状态，对其进行实时统计，并根据式(1)计算陶瓷和金属的火花放电相对率；

(2)当统计周期结束，以当前陶瓷和金属火花放电相对率值与材料类型判据式(4)进行比较，如满足材料类型判据，则当前放电间隙以绝缘陶瓷涂层的材料蚀除为主，则材料类型标志位置‘1’，反之则表明当前放电间隙以金属的材料蚀除为主，则材料类型标志位置‘0’。