绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制系统及方法与流程

本发明属于电火花加工技术领域，涉及一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制系统及方法。

背景技术：

绝缘陶瓷涂层-金属材料具有优异抗热震性能，目前该材料已广泛用于航空航天领域。由于陶瓷涂层-金属多层结构材料的表层为脆性绝缘陶瓷涂层，底层为高硬度高熔点的高温合金或钛合金，且陶瓷涂层和金属的热物理及力学性能具有显著差异，传统的机械加工方法难以实现高效高质量的加工，如何实现陶瓷涂层-金属多层结构材料的加工已成为当今的研究热点问题也是难点问题。电火花加工方法可加工任何硬度的金属材料，并具有加工尺寸精度高、加工成本较低等优点，由于表层陶瓷涂层的绝缘特性，传统电火花加工方法无法对绝缘陶瓷涂层-金属材料实现一次加工成形。辅助电极电火花加工可实现气膜孔一次加工成形，目前电火花加工过程控制技术皆以金属为加工对象，通过对金属间隙放电状态的实时检测，并结合智能控制方法制定加工过程控制策略，以实现金属材料高效高质量加工。由于绝缘陶瓷涂层-金属材料的放电间隙包含陶瓷涂层和金属两种材料的放电状态，加工过程中受导电膜生成性能、加工材料类型和材料加工参数等影响，间隙放电状态又有所不同。与金属相比，绝缘陶瓷涂层-金属材料的间隙放电状态更为复杂。同时陶瓷涂层和金属两种材料的放电状态、电学和热物理性能的不同，两者间隙蚀除特性存在差异，因此绝缘陶瓷涂层-金属材料加工过程中，根据间隙放电状态对放电间隙进行实时调节的伺服控制策略也不同于金属。目前现有同时针对金属加工的伺服控制策略无法根据加工材料类型对放电间隙进行有效调节，难以实现绝缘陶瓷涂层-金属材料高效高质量的加工。

技术实现要素：

本发明为了解决现有电火花加工伺服控制系统以金属为加工对象，基于金属的伺服控制策略无法根据当前加工材料类型对绝缘陶瓷-金属材料放电间隙进行有效调节，存在加工稳定性较差、加工效率较低、孔径一致性较差、交界面分层微裂纹较大等问题，提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制系统及方法，以实现在加工过程中辨识材料类型，并根据材料类型在线调节绝缘陶瓷涂层或金属的浮动比较阈值，实现对陶瓷涂层和金属放电间隙的有效调节，提高绝缘陶瓷涂层-金属材料的电火花加工效率和质量。

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-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制系统，包括平均电压检测模块、脉冲电源参数自调整模块、pmac控制器、金属浮动比较阈值调整模块、陶瓷浮动比较阈值调整模块、金属模糊控制器、陶瓷模糊控制器、材料类型辨识器、基于脉宽检测的七阈值比较与击穿延时联合辨识放电状态检测装置和执行模块，其中：

所述平均电压检测模块用于实现放电间隙平均电压的实时检测；

所述脉冲电源参数自调整模块用于根据材料类型辨识标志mc实现陶瓷和金属加工电参数的转换；

所述pmac控制器由金属平均电压法伺服控制模块、陶瓷平均电压法伺服控制模块、伺服进给判定模块构成；

所述金属平均电压法伺服控制模块用于根据材料类型检测信号，调整金属加工时的金属伺服参考电压，并计算金属加工时伺服进给速率ym；

所述陶瓷平均电压法伺服控制模块用于根据材料类型检测信号，调整陶瓷加工时的陶瓷伺服参考电压，并计算陶瓷加工时伺服进给速率yc；

所述伺服进给判定模块用于根据材料类型辨识结果mt，金属平均电压伺服控制计算结果ym，陶瓷平均电压伺服控制计算结果yc和参数转换标志mc，进行伺服进给判断；

所述金属模糊控制器用于根据金属开路率和金属火花放电率进行模糊计算，并输出金属伺服参考电压vsm；

所述陶瓷模糊控制器用于根据陶瓷开路率和陶瓷低阻火花放电率进行模糊计算，并输出陶瓷伺服参考电压vsc；

所述金属浮动比较阈值调整模块用于根据材料类型辨识结果实时调整金属平均电压伺服控制的金属浮动比较阈值vrsm；

所述陶瓷浮动比较阈值调整模块用于根据材料类型辨识结果实时调整陶瓷平均电压伺服控制的和陶瓷浮动比较阈值vrsc；

所述材料类型辨识器用于根据放电状态辨识结果，对加工材料进行辨识，并输出陶瓷开路率陶瓷低阻火花放电率金属开路率和金属火花放电率

所述基于脉宽检测的七阈值比较与击穿延时联合辨识放电状态检测装置用于对绝缘陶瓷-金属材料加工时的对间隙放电状态进行辨识。

一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制方法，包括如下步骤：

步骤一、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，对绝缘陶瓷-金属材料加工时的对间隙放电状态进行辨识；

步骤二、对陶瓷火花放电和金属火花放电进行统计，在统计周期内根据陶瓷与金属火花放电相对率的材料类型辨识策略构建材料类型辨识器，实现辨识后各放电状态的统计和当前加工材料类型的区分；

步骤三、统计周期结束后，脉冲电源参数自调整模块根据材料类型标志mt进行加工参数自调整，同时材料类型辨识器将统计后陶瓷开路率和低阻火花放电率金属开路率和金属火花放电率分别送至陶瓷模糊控制器和金属模糊控制器，分别计算与输出陶瓷伺服参考电压vsc和金属伺服参考电压vsm；

步骤四、金属浮动比较阈值调整模块和陶瓷浮动比较阈值调整模块根据mt对输出的金属浮动比较阈值vrsm和陶瓷浮动比较阈值vrsc进行调整，陶瓷平均电压伺服控制模块则根据调整后vrsc和当前放电间隙平均电压va进行陶瓷平均电压法伺服控制，计算陶瓷的伺服进给速率yc；金属平均电压伺服控制模块则根据调整后vrsm和当前放电间隙平均电压va进行金属平均电压法伺服控制，计算金属的伺服进给速率ym；

步骤五、当ym或yc值计算完毕，伺服进给判定模块根据mt和参数转换标志mc，执行伺服控制判定，如mt＝1且mc＝1，则当前加工为陶瓷涂层且陶瓷涂层加工参数转换完毕，则执行模块转换为陶瓷涂层的伺服控制；反之，如mt＝0且mc＝1，当前加工为金属且金属加工参数转换完毕，则执行模块则转换为金属的伺服控制，其余条件下则保持当前伺服控制。

本发明通过对间隙放电状态的检测、材料类型的识别、陶瓷和金属模糊控制器的构建，实现对陶瓷与金属平均电压法伺服控制中浮动比较阈值的实时调控，通过伺服进给判定模块的构建，实现两种材料伺服控制的相互转换，进而在两种材料加工参数自调整下分别调节绝缘陶瓷涂层和金属的放电间隙，以改善其间隙放电状态，保证加工稳定性，提高热障涂层高温合金小孔的加工效率和加工质量。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明采用脉宽检测的阈值比较与击穿延时联合辨识的方法对绝缘陶瓷-金属材料加工时的间隙放电状态进行检测，并根据陶瓷与金属火花放电相对率的材料类型辨识策略，实现当前加工材料类型的区分，同时结合模糊控制方法，构建陶瓷模糊控制器和金属模糊控制器，别计算与输出陶瓷伺服参考电压和金属伺服参考电压，在线调整绝缘陶瓷涂层和金属的浮动比较阈值，最后伺服控制系统基于脉冲电源转换标志和材料类型辨识标志，实现基于当前加工材料类型，对绝缘陶瓷涂层伺服控制和金属伺服控制进行实时转换，实现绝缘陶瓷涂层和金属放电间隙的有效调节，提高绝缘陶瓷涂层-金属材料的加工效率和加工质量。

附图说明

图1为基于材料类型的电火花小孔加工模糊伺服控制系统框图；

图2为脉冲电源结构框图；

图3为陶瓷模糊控制器输入输出变量隶属函数；

图4为金属模糊控制器输入输出变量隶属函数；

图5为基于材料类型的模糊伺服控制程序流程图。

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-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制系统，如图1所示，所述系统包括平均电压检测模块、脉冲电源参数自调整模块、pmac控制器、金属浮动比较阈值调整模块、陶瓷浮动比较阈值调整模块、金属模糊控制器、陶瓷模糊控制器、材料类型辨识器、基于脉宽检测的七阈值比较与击穿延时联合辨识放电状态检测装置和执行模块，其中：

所述平均电压检测模块用于实现放电间隙平均电压的实时检测；

所述脉冲电源参数自调整模块用于根据材料类型辨识标志mc实现陶瓷和金属加工电参数的转换；

所述pmac控制器由金属平均电压法伺服控制模块、陶瓷平均电压法伺服控制模块、伺服进给判定模块构成；

所述金属平均电压法伺服控制模块用于根据材料类型检测信号，调整金属加工时的金属伺服参考电压，并计算金属加工时伺服进给速率ym；

所述陶瓷平均电压法伺服控制模块用于根据材料类型检测信号，调整陶瓷加工时的陶瓷伺服参考电压，并计算陶瓷加工时伺服进给速率yc；

所述伺服进给判定模块用于根据材料类型辨识结果mt，金属平均电压伺服控制计算结果ym，陶瓷平均电压伺服控制计算结果yc和参数转换标志mc，进行伺服进给判断；

所述金属模糊控制器用于根据金属开路率和金属火花放电率进行模糊计算，并输出金属伺服参考电压vsm；

所述陶瓷模糊控制器用于根据陶瓷开路率和陶瓷低阻火花放电率进行模糊计算，并输出陶瓷伺服参考电压vsc；

所述金属浮动比较阈值调整模块用于根据材料类型辨识结果实时调整金属平均电压伺服控制的金属浮动比较阈值vrsm；

所述陶瓷浮动比较阈值调整模块用于根据材料类型辨识结果实时调整陶瓷平均电压伺服控制的和陶瓷浮动比较阈值vrsc；

所述材料类型辨识器用于根据放电状态辨识结果，对加工材料进行辨识，并输出陶瓷开路率陶瓷低阻火花放电率金属开路率和金属火花放电率

所述基于脉宽检测的七阈值比较与击穿延时联合辨识放电状态检测装置用于对绝缘陶瓷-金属材料加工时的对间隙放电状态进行辨识。

如图2所示，所述脉冲电源参数自调整模块包括基于可编程逻辑器件的主控模块、间隙采样模块和功率放大模块三部分，其中：

所述主控模块包括串口接收模块、参数自调整模块(参数调整信号输出模块、参数转换模块)、脉冲发生模块、放电状态识别模块、放电统计模块和材料种类识别模块；

所述串口接收模块用于接收上位机发送的绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数转换模块；

所述参数调整信号输出模块用于根据脉冲电源的参数转换策略和材料类型检测信号向参数转换模块输出参数调整信号；

所述参数转换模块用于根据参数调整信号，将绝缘陶瓷和金属加工所需的放电参数输出到脉冲发生模块；

所述脉冲发生模块用于根据参数转换模块输入的放电参数，输出相应的放电波形至功率放大模块；

所述放电状态识别模块用于根据间隙采样模块输入的放电间隙电压阈值信号和电流阈值信号，对放电间隙中陶瓷和金属不同放电状态进行检测，并将检测结果输出至放电状态统计模块；

所述放电状态统计模块用于根据放电状态识别模块输入的检测结果对陶瓷和金属火花放电进行实时统计，并将统计结果输出至材料种类识别模块、参数调整信号输出模块和pmac控制器；

所述材料种类识别模块用于根据放电状态统计模块输入的统计结果实现材料种类的识别，并将材料类型检测信号输出到串口接收模块、参数调整信号输出模块和和pmac控制器；

所述间隙采样模块由间隙采样电路构成，所述间隙采样电路用于采集放电间隙电压阈值信号和电流阈值信号，并作为输入信号发送至放电识别模块；

所述功率放大模块由驱动和保护电路、功率放大回路构成；

所述驱动和保护电路用于根据输入的放电波形控制功率放大回路的高频开启和关断，实现放电间隙的脉冲放电加工；

所述功率放大回路用于提供工具电极和工件间的放电能量。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工材料辨识的模糊伺服控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、基于脉宽检测的七阈值比较与击穿延时联合辨识的放电状态检测方法，对绝缘陶瓷-金属材料加工时的间隙放电状态进行辨识。

本步骤中，通过间隙电压采样电路和间隙电流采样电路采集放电间隙的电压电流变化信息，并通过基于cpld或fpga的脉冲电源主控模块，判别当前放电状态是否存在击穿延时，基于放电间隙中电压和电流变化信息，通过击穿延时和阈值比较的联合逻辑运算，辨识绝缘陶瓷和金属放电间隙的开路、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状态。

步骤二、对陶瓷火花放电和金属火花放电进行统计，在统计周期内根据陶瓷与金属火花放电相对率的材料类型辨识策略构建材料类型辨识器，实现辨识后各放电状态的统计和当前加工材料类型的区分。

本步骤中，对陶瓷火花放电和金属火花放电进行统计的具体实施步骤如下：在主控模块内以vhdl语言编程以式(1)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一定统计周期循环统计，并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。

本步骤中，材料类型辨识器的构建方法如下：材料类型辨识根据材料类型辨识判据式(2)实现：

式中：x为陶瓷火花放电相对率设定阈值。

加工过程中fpga主控模块通过和的统计，并对材料类型辨识判据式进行vhdl语言编程，并预先设定陶瓷火花放电相对率阈值，实现加工过程中绝缘陶瓷和金属的在线辨识。

本步骤中，陶瓷火花放电相对率与金属火花放电相对率的变化范围分别如式(3)和(4)所示：

步骤三、统计周期结束后，脉冲电源参数自调整模块根据材料类型标志mt进行加工参数自调整，同时材料类型辨识器将统计后陶瓷开路率和低阻火花放电率金属开路率和金属火花放电率分别送至陶瓷模糊控制器和金属模糊控制器，分别计算与输出陶瓷伺服参考电压vsc和金属伺服参考电压vsm。

本步骤中，脉冲电源参数自调整模块根据材料类型标志mt进行加工参数自调整的具体实施步骤如下：fpga主控模块通过材料辨识输出标志mt进行绝缘陶瓷涂层和金属的加工参数切换，当mt＝1，则表明加工为绝缘陶瓷，主控模块向功率放大模块发送陶瓷电参数；反之mt＝0，则当前加工材料为金属，主控模块向功率放大模块发送金属加工电参数。

本步骤中，陶瓷模糊控制器和金属模糊控制器的构建均分别按照输入变量和输出变量的模糊化、模糊推理规则及运算和反模糊化三个步骤实现。

本步骤中，对于金属模糊控制器，选用金属开路率和火花放电率作为输入变量，选用金属伺服参考电压作为输出变量，金属模糊控制器输入变量统计方法依据式(5)实现：

式中：no、nd、na、n分别为统计周期内开路、金属火花放电、稳定电弧放电、短路统计时间；分别为统计周期内金属开路率、金属火花放电率。

本步骤中，对于陶瓷模糊控制器以陶瓷开路率和低阻火花放电率作为陶瓷模糊控制器的输入变量，陶瓷伺服参考电压作为输出变量，陶瓷模糊控制器输入变量统计方法依据式(6)实现：

式中：noc、nshrd、nhrd、nlrd分别为统计周期内开路、超高阻火花放电、高阻火花放电、低阻火花放电统计时间；nshrs、nhrs、nlrs分别为统计周期内超高阻短路、高阻短路、低阻短路统计时间；分别为统计周期内陶瓷涂层开路率与低阻火花放电率。

本步骤中，所述陶瓷模糊控制器参数模糊化的具体实施步骤如下：输入变量陶瓷开路率和低阻火花放电率均为0到100％的百分数，陶瓷伺服参考电压的选取需考虑放电间隙不稳定调节区间，避免加工处于严重偏开路或偏短路而导致加工不稳定、加工失败的现象。在开路电压为100v时，陶瓷涂层的伺服参考电压调节范围为3～7v。陶瓷模糊控制器输入变量和输出变量的论域范围如式(7)所示。陶瓷模糊控制器输入变量与输出变量的隶属函数分别选用三角形和梯形隶属函数，如图3所示。

本步骤中，所述金属模糊控制器参数模糊化的具体实施步骤如下：金属开路率和金属火花放电率均为0到100％的百分数，在开路电压为100v时，对应金属伺服参考电压可调节范围为1～9v。陶瓷模糊控制器输入变量和输出变量的论域范围如式(8)所示。金属模糊控制器输入变量与输出变量的隶属函数分别选用三角形和梯形隶属函数，如图4所示。

本步骤中，金属模糊控制器和陶瓷模糊控制器模糊规则基于操作者积累的工艺经验所制定。其金属和陶瓷模糊规则控制表如表1和表2所示。对于所制定的模糊控制规则，采用“if...then...”语句进行描述。双输入单输出模糊控制器有如下语言规则：“ifmom＝nbandthenvsm＝pb”，可以描述为“如果高温合金加工期间金属开路率和金属火花放电率很低时，则说明当前放电间隙偏小引起偏短路状态，此时通过调节伺服参考电压增大放电间隙，改善间隙放电状态与排屑效果”。因此通过金属和陶瓷两个模糊控制器根据材料类型对放电间隙的实时调节，以提高加工稳定性，达到提高加工效率的目的。

表1电火花小孔加工陶瓷伺服参考电压模糊控制规则表

表2电火花小孔加工金属伺服参考电压模糊控制规则表

本步骤中，对于陶瓷伺服参考电压模糊控制规则建立后，陶瓷模糊控制器的模糊推理运算和反模糊化如下：

根据陶瓷模糊控制规则表，其表中控制规则可以表示成总的模糊关系r，如式(9)所示：

式中：ai、bj、cij分别是陶瓷开路率、低阻火花放电率和陶瓷伺服参考电压在论域x、y、z上的模糊子集，r的隶属函数如式(10)所示：

式中：x∈x，y∈y，z∈z；为模糊合成规则中r的隶属函数，为陶瓷开路率ai的隶属函数；为低阻火花放电率bj的隶属函数；为陶瓷伺服参考电压cij的隶属函数；n为模糊控制规则表行数，m为模糊控制规则表列数。

陶瓷开路率和低阻火花放电率分别取模糊子集ai和bi，根据模糊合成规则，输出变量cij如式(11)所示：

因此，可得输出变量c的隶属函数为：

实际加工过程中执行模块无法对模糊推理后的模糊量进行识别，需对其进行反模糊化处理。重心法能够综合考虑所有信息，并且计算量较小，可以提高控制系统的实时性，采用重心法对模糊量进行反模糊化计算，如式(13)所示：

式中，zi为论域元素，uc(zi)为对应元素的隶属度。

同样对于金属模糊控制器的模糊推理运算和反模糊化，和陶瓷模糊控制器流程一致。

步骤四、金属浮动比较阈值调整模块和陶瓷浮动比较阈值调整模块根据mt对输出的金属浮动比较阈值vrsm和陶瓷浮动比较阈值vrsc进行调整，陶瓷平均电压伺服控制模块则根据调整后vrsc和当前放电间隙平均电压va进行陶瓷平均电压法伺服控制，计算陶瓷的伺服进给速率yc；金属平均电压伺服控制模块则根据调整后vrsm和当前放电间隙平均电压va进行金属平均电压法伺服控制，计算金属的伺服进给速率ym。

本步骤中，所述陶瓷浮动比较阈值调整模块根据mt对输出的金陶瓷浮动比较阈值vrsc进行调整的具体实施步骤如下：如材料类型辨识标志mt＝1，则当前加工为绝缘陶瓷涂层，陶瓷浮动比较阈值vrsc＝vsc；反之mt＝0，则vrsc保持不变。

本步骤中，所述金属浮动比较阈值调整模块根据mt对输出的金属浮动比较阈值vrsm进行调整具体实施步骤如下：如材料类型辨识标志mt＝0，则当前加工为金属，金属浮动比较阈值vrsm＝vsm；反之mt＝1，则vrsm保持不变。

本步骤中，所述陶瓷平均电压法伺服控制的具体实施步骤如下：陶瓷浮动比较阈值vrsc和平均电压检测输出的va进行比较，当va＞vrsc，则当前为开路状态，陶瓷平均电压法伺服控制计算输出陶瓷加工开路进给速率；当vcs≤va≤vrsm，陶瓷平均电压法伺服控制计算输出陶瓷工进进给速率；当va≤vcs，陶瓷平均电压法伺服控制计算输出陶瓷短路回退速率。

本步骤中，所述金属平均电压法伺服控制的具体实施步骤如下：金属浮动比较阈值vrsm和平均电压检测输出的va进行比较，当va＞vrsm则当前为开路状态，金属伺服控制计算输出开路进给速率，当vcs≤va≤vrsm，金属伺服控制计算输出加工进给速率，va≤vcs，金属伺服控制计算输出短路回退速率。

步骤五、当ym或yc值计算完毕，伺服进给判定模块根据mt和参数转换标志mc，执行伺服控制判定，如mt＝1且mc＝1，则当前加工为陶瓷涂层且陶瓷涂层加工参数转换完毕，则执行模块转换为陶瓷涂层的伺服控制；反之，如mt＝0且mc＝1，当前加工为金属且金属加工参数转换完毕，则执行模块则转换为金属的伺服控制，其余条件下则保持当前伺服控制。

具体实施方式三：如图5所示，本实施方式提供的基于材料类型的模糊伺服控制程序实现的具体实施步骤如下：

加工时控制系统对伺服参考电压、初始材料类型标志等变量进行初始化，保证系统稳定运行。在初始化主要变量后，对当前间隙放电状态进行检测，并对各放电状态时间进行统计。当到达统计周期后，计算统计周期内陶瓷与金属火花放电相对率，根据材料判定依据区分当前材料类型，并进行优选加工参数自调整。陶瓷模糊控制器和金属模糊控制器分别根据统计周期内陶瓷开路率和低阻火花放电率金属开路率和金属火花放电率进行模糊运算并输出陶瓷伺服参考电压vsc和金属伺服参考电压vsm。使用材料类型判别标志mt对金属浮动比较阈值vrsm和陶瓷浮动比较阈值vrsc进行调整判定，当mt为0时，则当前加工金属、调整vrsm值，同时金属平均电压法伺服控制基于vrsm值，计算当前金属的伺服进给。反之则调整vrsc值，计算陶瓷的伺服进给。当一次程序运算中金属或陶瓷伺服进给计算完毕，则根据参数转换标志mc和mt进行伺服进给转换的判断。当mt＝1且mc＝1时，则表明当前加工材料类型为陶瓷且陶瓷加工参数转换完毕，则执行模块转换为陶瓷加工的伺服进给。当mt＝0且mc＝1时，则表明当前加工材料类型为金属且金属加工参数转换完毕，则执行模块转换为金属加工的伺服进给。在mt＝0且mc＝0和其它条件下，则执行模块保持为当前伺服进给，通过上述流程，实现8ysz陶瓷涂层和金属两种伺服控制的相互转换，以实现8ysz陶瓷涂层和金属放电间隙的有效调节。