（机械电子工程专业论文）电火花微小孔加工状态分析及电源研究.pdf

摘要 微细电火花加工作为一种重要的微细加工方法，以其非接触加工、容易实现高深 宽比和能加工微三维结构的特点越来越受到人们的重视。目前，微细电火花加工技术 在航空航天、医学、模具、微电子器件、生物技术、微型传感器和微型电器制造等方 面都得到了广泛的应用。电火花微细加工与常规电火花加工相比有其独特的技术要 求，能够产生高频、微能的电源是实现微细电火花加工的一项关键技术，对电源的输 出控制同电火花加工中的伺服进给控制样，都依据于对放电间隙的状态判断。 微细电火花加工对脉冲微能、高频的要求使加工波形严重畸变，由于常规的一些 放电间隙状态检测方法多是仅靠单一的电压信号进行状态识别，因此这些方法不再适 用于电火花微细加工。基于对加工中间隙电压和电流互补性的认识，本文提出同时利 用加工中的电压和电流两种信号，并根据二者之间的相互关系制定模糊控制规则和进 行模糊判决，克服了畸变信号造成的不确定性因素的影响，准确的将采样信号划归相 应的状态区间，然后根据神经网络的模式识别技术与分类功能，将每一采样点的状态 值映射成相应的状态矢量，最后通过对状态矢量的统计分析，得出一组脉冲所处的加 工状态。由于采用了神经网络的模式t 别与分类技术，从而避免了庞大的工艺数据 库，只需简单的特征样本学习就可以实现分类，简单易行，达到了稳定准确的检测目 的。进而可以提高电源和伺服控制的可靠性，改善系统的整体性能。 在实现状态识别的基础上，提出了包括间隙状态检测电路和电源参数调节电路的 微能电源系统的设计方案，文中详细说明了电源的组成结构、工作原理、控制策略以 及参数设计方法。根据电火花高压击穿低压放电的特点，采用高频开关电源技术设计 了两路输出的直流电源，一路提供可调的击穿电压，一路提供可调的放电电流。 关键词：微细电火花加工；状态识别：模糊逻辑；神经网络；微能脉冲电源；开关电 源；p w m 控制 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , m i c r o e d mh a sf o u n di t s w i d ea p p l i c a t i o n si ni n d u s t r yf o ri t su n t o u c h e dm a c h i n i n gp r o c e s s m a c h i n i n gs u r f a c ew i 廿l h i g ha s p e c tr a t i oe a s i l ya n dh i 曲c a p a b i l i t y i nm a c h i n i n gm i c r o3 ds t r u c t u r e c o m p a r e d w i t hn o r m a le d m i nm i c r o e d mt h ee l e c t r i c a lp o w e ru s e dh a st ob es m a l lf o rm i c r o m a c h i n i n g ，s a y1 0 - 7 _ 1 0 1 6 j ，a n d t h ef r e q u e n c yo f d i s c h a r g i n gp u l s e sh a st ob eh i g h ，a sh i g ha s u p t o1m h zo re v e nh i g h e r t h u s ，t h eg a ps t a t ed i s t i n g u i s h i n gm e t h o dw i t hh i g h e rr e l i a b i l i t y a n dt h em i c r o e n e r g yp u l s eg e n e r a t o ra r ep r o p o s e di nm i c r o e d m sk e yt e c h n o l o g i e s h i g hf r e q u e n c ya n d s m a l le l e c t r i c p o w e ro fm i c r o e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( m i c r o e d m l c a u s et h ew a v e f o r i l l so fv o l t a g ea n dc u r r e n t h i g h l y d i s t o r t e d ，t h u s i n d i s t i n g u i s h a b l eb y t h e c o m m o n l y u s e de d md i s t i n g u i s h i n g m e t h o d s u p o n s u c h k n o w l e d g e o f t h i s ，an e wm e t h o d i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h e r et h ef u z z yl o g i cr u l e sa r e u s e dt oc o m b i n et h ec o m p l e m e n t a r ys i g n a l sf r o mv o l t a g ea n dc u r r e n tt a k e na st h et w o i n p u t st ot h ef u z z ys y s t e ma n d d e d u c eav a l u ei nar a n g er e p r e s e n t i n gt h ed i s c h a r g i n gs t a t e o ft h es a m p l i n gp o i n t l e a r n i n gv e c t o rq u a n t i f i c a t i o n ( l v q ) n e u r a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r ei s a d o p t e d t oc o n v e r tt h i sv a l u eo ft h es a m p l i n gp o i n td e d u c e df r o mt h ef u z z ys y s t e mt ot h e c o r r e s p o n d i n gd i s c h a r g i n gs t a t ev e c t o r a f t e rt h es t a t i s t i c a lg e n e r a l i z a t i o no f t h ep o i n t si na s e to fp u l s e s ，t h er a t i ob e t w e e nt h ee l e m e n t si nt h ev e c t o rc l a r i f i e st h ed i s c h a r g i n gs t a t eo f t h eg a pb e t w e e ne l e c t r o d ea n dw o r k p i e c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di so p e r a t e d w e l l ，i m p o v i n g t h er e l i a b i l i t yo f t h es t a t ed i s c r i m i n a t i o na n dt h em a c h i n i n g p e r f o r m a n c e b a s e do nt h ei d e n t i f i c a t i o no fd i s c h a r g i n gg a p ，t h ep u l s ep o w e rs u p p l yc o n f i g u r a t i o ni s p r e s e n t e di nt h ep a p e r , w h i c hh a st h em o n i t o r i n gc i r c u i tf o rg a pv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t h e d i s c h a r g i n gp a r a m e t e r sr e g u l a t o r t h ec i r c u i tt o p o l o g y , o p e r a t i o np r i n c i p l e c o n t r o ls c h e m e a n d p a r a m e t e r sd e s i g na r ed i s c u s s e di nd e t a i l k e yw o r d s ：m i c r o e d m ；i d e n t i f i c a t i o no fd i s c h a r g i n gg a p ；m i r oe n e r g yp u l s ep o w e r ； f u z z yl o g i c ；n e u r a ln e t w o r k ；s w i t c h i n gp o w e r ；p w mc o n t r o l i i 乜火花微小孔加。r 状态分析度 乜源研究 1 绪论 1 1 电火花微细加工 电火花加工( e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n g ，e d m ) 是利用火花放电腐蚀金属以实现金 属切削的加工方法。苏联学者拉扎连柯夫妇1 9 4 3 年在研究电火花对金属的腐蚀作用时 发明了电火花加工技术。由于其在难切削材料、特殊及复杂性形状零件的加工上有着巨 大的优势，得到了迅速发展。2 0 世纪6 0 年代起，人们开始利用电火花加工在化纤喷丝 板上进行微细孔的加工试验，并获得成功。随后电火花加工也逐步在光导纤维联接器微 细孔、喷墨打印机的出墨嘴、原子反应器控制阀的微细孔等微细孔类及轴类零件加工中 得到应用。9 0 年代后，随着微机电系统( m e m s ) 技术的蓬勃兴起和现代电力电子技 术的发展，尤其是线电极电火花磨削( w i r ee l e c t r i cd i s c h a r g eg r i n d i n g ，w e d g ) 技术的逐 步成熟与应用，成功的解决了微细电极的在线制作，使得微细电火花加工( m i c r o e d m ) 技术进入了实用化阶段，一些国际著名的电加工机床生产厂家相继推出了商品 化的微细电火花加工机床。如日本牧野公司采用电火花车削得到1 0 2 0 i - t m 、长5 0 0 9 m 的 电板，加工出直径为1 0 3 2 6 3 3 0 m 的小孔，工件为硬质合金，厚7 0 9 m ，加工时问 3 m i n ，电极车削时间9 m i n ，微精电源m f 4 就安装在主轴旁，电缆线很短。目前，瑞 j j 、荷兰、同本以及美国等国家在研究及应用电火花微细加工工艺上达到了较高的水 平。荷兰菲利普制造技术中心在厚度为2 0 9 m 的金属铂片上加工直径小至1 0 2 0 1 x m 的精 密微细i l ，孔边不规则尺寸小于o 2 9 m ，不圆度小于o 4 9 m ，满足电子显微镜的光栏部 件上微孔的要求。日本东京大学增泽隆久教授等已可加工出直径为1 0 2 5 9 m 的微细轴和 直径为1 0 5 l - t m 的微细孔川，代表了当前这一领域的世界前沿。随着微型机械的发展，微 纲电火花加工技术的研究还拓展到了3 维微细结构的加工中。日本松下公司角4 作出了分 度圆直径3 0 0 1 a m 、齿高5 0 h m 的微型齿轮及5 9 m 宽、1 5 0 9 m 长的微槽。美国o p t i m a t i o n 公司加工出微型气动、光学器件和高能激光光圈等，并将其应用到航空航天及医疗等微 型机械巾。在硅微细加工方面，微细电火花加工也显示出了良好的潜力，如可在 6 5 0 p , m 厚的硅片卜加工出3 0 1 a m 宽的窄线。 围内南京航空航天大学、哈尔工业大学、清华大学等在微细电火花加工方面也进行 了卓有成效的探索，用微细电火花技术已经可以制作1 0 1 2 9 m 的微细轴 6 】和加工出 0 1 9 9 m 的微细孔1 7 j ，接近当前的国际先进水平。 微细电火花加工技术所取得的研究成果，显示出其在微细轴、微细孔加工及微3 维 结构制作方面的潜力无疑是十分巨大的。现代制造技术发展的一大趋势就是寻求固有制 造技术的自身微细3 h i 极限，作为一种经济实用的微细加工技术，微细电火花加工技术 已经成为微细加工领域的热点研究内容之一，成为整个微型机械制造领域的一个重要研 究方向，具有重大的理论意义和实际应用前景，受到了国内外的广泛重视i l 一。 电火花微小扎加工状态分析发电源研究 1 2 电火花加工中的问隙状态识别技术 电火花加工是一 u 种极为复杂的随机过 程，整个电火花放电 加工过程是在空载、 火花放电、过渡电 弧、稳定电弧和短路 五种基本状态( 见图 “ l 一1 ) 的变化之中进 行的例。就单个脉 冲而言，也存在上述 状念之间的转化。伺 吲1 ，l 五种放电波形 f i g 1 一lg a pd j s c h a 曙ew a v e f o 肌s 服进给系统参数( 伺服电压，电极抬刀周期等) 、脉冲电源参数( 峰值电压，放电电 流，脉宽，脉间，极性，波形) 以及冲液参数( 工作液流量，压力，冲液方式) 等多种 因素都会影响整个放电加工过程的进行，而这许多因素综合的作用集中体现在放电间隙 的状态上。因此，放电间隙状态被认为是电火花加工中进行伺服进给控制和脉冲电源自 适应调整的基本依据，只有解决好放电间隙状态的检测和识别问题，才能对加工过程的 优劣及稳定性进行判定，从而实现对加工过程的优化和自动控制。 电火花加工是通过两极间的放电来完成的，而极间放电的持续稳定是通过调整放电 唰隙的大小来保证的。目前，用常规物理检测方法检测加工中的间隙值困难太大，因 此，对间隙的调整主要是通过检测间隙的放电状态而削接实现的，即通过检测间隙电 压、间隙电流或判别放电脉冲的有效性，阃接的获得问隙值适中、偏大、偏小或为零等 阻 i 隙状态信息为闻隙调整控制提供参考依据。下面简单介绍几种常用的间隙状态检测 以别方法盼2 6 1 。 1 间隙平均电压检测 这是目前对放电间隙状态进行检测普遍使用的方法。通过估算与经验得知，在工 具、工件材料、工作液介质及脉冲参数等确定的情况下，放电加工过程稳定进行时，其 削隙电压平均值应处于一个区间 n f 2 中，n 和h 。f 2 是分辨各种放电信号所设定 的门槛电压。而间隙电压平均值超出上限f 2 时，认为放电加工过程趋于空载加工状 态：间隙电压平均值低于下限以。n 时，认为加工过程趋于电弧放电或短路状态。对各 类型脉冲的数量通过逻辑电路进行统计，就可以知道此时的加工状态的好坏。这种方法 简单可靠，但是不能分离出电弧放电。为了识别电弧放电，必须考虑更多的波形特征参 数，参数的设置不仅需要大量的工艺实验，并且使检测电路非常复杂。随着放电频率的 增加，各种干扰严重，加工过程中间隙电压波形的变化情况极为复杂，间隙平均电压的 门槛值很难设定。 电火花微小孔由t 状态分析及电源研究 经网络通过样本学习可以模拟这种非线性，而且神经网络对输入数据能够白适应，有较 强的容错能力，可以修i f 其自身的误差来改变对输入数据的响应。图1 3 是j y k a o 等 人研制的脉冲类型识别的b p 神经网络模型【7 ”。该神经网络模型由四层组成，其中有两 个隐含层。输入层的节只有两个，分别代表划隙电压、间隙电流两个输入参数：输出层 的节点有血个，分别代表要识别的五种间隙状态。通过训练样本建立起的神经网络可以 分辨不同的削隙放电状态。 以上方泫在常规电火花加工的间隙检测中得到了成功的应用。但是，与常规电火花 加工相比较( 不同频率时波形如图1 4 ) ，微细电火花加工需要的放电能量小，因而放 电脉冲频率高，使得加工波形严重畸变，检测误差大，环境干扰强，对于不很典型的波 形会出现误判或无法判断，放电状态的常规检测方法不再适用。因此，有必要对电火花 加工的间隙状态分析与识别技术作进一步的研究，扩大识别范围，提高判断的准确性和 可靠性。 图1 - 4 不l 司放电频率的加工波形比较 上：脉宽4 0 炉，脉间1 0 0 炉；。r ：脉宽】肛，脉间4 邺 f i g 1 4 e d m p u l s e sa td i 船r c n t 能q u e n c y u p ：o n4 0 肛，o f f1 0 0 陋；d o w n ：o n4 0 “s ，o f r1 0 0 “s 综上分析，在传统的放电状态检测与i 别( 如间隙平均电压检测、问隙峰值电压检 测和高频分量检测) 中，仅依靠于放电间隙的电压模拟信号，运用门槛电压的设置和高 频信号检测对各类脉冲进行识别，多靠硬件逻辑电路实现，其电路的复杂性随放电频率 的增加而增加，可靠性却随之下降。而目，电火花加工系统是基于高速多任务的微处理 器控制系统，因此这些传统的识别方法也不利于集成到整个系统中。而运用模糊理论及 神经网络等的智能识别技术，能更好的利用专家的经验和知识，通过建立智能模型，使 问隙状态检测变得更准确，更适于实时控制。但目前建立的智能模型的适用性和稳定性 还有待进步提高。 基于以上分析，本文提出同时利用加工中的电压和电流两种信号，并根据二者之间 的相互关系制定模糊控制规则和进行模糊判决，信号互补可以消除状态检测的不确定 性，判决结果送入l v q 神经网络作进一步识别与归类，将每一采集点的状态准确表达 b 火花微小孔加1 。状态分析发电源研究 出来，最后统计分析得出脉冲加工中的放电状态。 1 3 微能脉冲电源的国内外研究现状 电火花加工中工具电极不与工件直接接触，没有机械加工的切削力，因此特别适合 微细加工。电火花微细加工一般是指用棒状电极电火花加工或用线电极电火花磨削微 孔、微槽、窄缝、各种微小复杂形状及微细轴类零件。加工尺寸通常在数十微米以下， 加工单位( 每次加工的材料去除量) 只有l o 。1 0 。“m ，因此与常规的电火花加工相 比，有其自身的特点，还需要解决一系列的关键技术问题。其中，微能脉冲电源的设计 与研制就是实现微细电火花加工的关键技术之一。这是因为： l 微细加工的几何尺寸多在微米级，脉冲放电痕的大小形状不仅影响表面粗糙度的 微观几何误差，而且影响到加工的宏观几何形状尺寸；微细加工的放电间隙控制在数微 米，同样的为使放电屑顺利排出要求放电屑直径小于放电间隙。而电火花加工是靠工件 和电极之间的脉冲放电所产生的高温高压融化和汽化金属以使其被蚀除的，脉冲放电痕 和放电璃的火小主要取决于单个脉冲放电的能量，因此电火花微细加工中每个脉冲的放 电能量必须很小，一般应在1 0 。l o 。j 。 2 如上所述，电火花微细加工中放电间隙很小，使得工作液循环困难、加工条件恶 劣，很容易产生拉弧、短路等，降低脉冲利用率和加工效率。因此。要求电源的电参数 应能根据放电状态进行自适应调整。 可见，脉冲电源性能的优劣，直接影响放电加工的精度、速度、稳定性等。因此， 吸收国内外的成功经验，借用其它学科的成熟技术，根据微细加工的特殊要求，进行微 能可控脉冲电源研究在理论研究和工程应用上都有着十分重要的意义。 1 3 1r c 脉冲电源 源。 源。 电火花加工用脉冲电源按受放电间隙状态影响程度分为非独立式和独立式脉冲电 其中非独立式的典型代表是r c 弛张式脉冲电源，它是最早使用的电火花加工电 图1 5 是r c 弛张式脉冲电源的原理电路 削。开关k 丁j ：通时，直流电源e 经限流电阻r 向储能电容器c 充电，当c 上电压升至一定值 时，放电间隙被高压击穿，c 快速放电；当c 上 电压下降到放电熄灭电压时，停止放电，c 重新 充电。 圈1 5r c 驰张式脉冲电源 f i g 1 5 r cp u l s eg e n e r a c o r r c 电源结构简单、使用可靠特别是能够产生脉冲宽度很小的窄脉冲，理论的充放 电频率可达2 0 m h z 以上。目前，世界上的微细电火花加工用脉冲电源就多为弛张式 r c 电源。如：日本松下精机生产的m g - e d 8 2 w 是目前国际上功能最强的一种商品化 b 火花微小孔加1 。状态分析发电源研究 出来，最后统计分析得出脉冲加工中的放电状态。 1 3 微能脉冲电源的国内外研究现状 电火花加工中工具电极不与工件直接接触，没有机械加工的切削力，因此特别适合 微细加工。电火花微细加工一般是指用棒状电极电火花加工或用线电极电火花磨削微 孔、微槽、窄缝、各种微小复杂形状及微细轴类零件。加工尺寸通常在数十微米以下， 加工单位( 每次加工的材料去除量) 只有l o 。1 0 。“m ，因此与常规的电火花加工相 比，有其自身的特点，还需要解决一系列的关键技术问题。其中，微能脉冲电源的设计 与研制就是实现微细电火花加工的关键技术之一。这是因为： l 微细加工的几何尺寸多在微米级，脉冲放电痕的大小形状不仅影响表面粗糙度的 微观几何误差，而且影响到加工的宏观几何形状尺寸；微细加工的放电间隙控制在数微 米，同样的为使放电屑顺利排出要求放电屑直径小于放电间隙。而电火花加工是靠工件 和电极之间的脉冲放电所产生的高温高压融化和汽化金属以使其被蚀除的，脉冲放电痕 和放电璃的火小主要取决于单个脉冲放电的能量，因此电火花微细加工中每个脉冲的放 电能量必须很小，一般应在1 0 。l o 。j 。 2 如上所述，电火花微细加工中放电间隙很小，使得工作液循环困难、加工条件恶 劣，很容易产生拉弧、短路等，降低脉冲利用率和加工效率。因此。要求电源的电参数 应能根据放电状态进行自适应调整。 可见，脉冲电源性能的优劣，直接影响放电加工的精度、速度、稳定性等。因此， 吸收国内外的成功经验，借用其它学科的成熟技术，根据微细加工的特殊要求，进行微 能可控脉冲电源研究在理论研究和工程应用上都有着十分重要的意义。 1 3 1r c 脉冲电源 源。 源。 电火花加工用脉冲电源按受放电间隙状态影响程度分为非独立式和独立式脉冲电 其中非独立式的典型代表是r c 弛张式脉冲电源，它是最早使用的电火花加工电 图1 5 是r c 弛张式脉冲电源的原理电路 削。开关k 丁j ：通时，直流电源e 经限流电阻r 向储能电容器c 充电，当c 上电压升至一定值 时，放电间隙被高压击穿，c 快速放电；当c 上 电压下降到放电熄灭电压时，停止放电，c 重新 充电。 圈1 5r c 驰张式脉冲电源 f i g 1 5 r c p u l s eg e n e r a c o r r c 电源结构简单、使用可靠特别是能够产生脉冲宽度很小的窄脉冲，理论的充放 电频率可达2 0 m h z 以上。目前，世界上的微细电火花加工用脉冲电源就多为弛张式 r c 电源。如：日本松下精机生产的m g - e d 8 2 w 是目藿 电火花微小孔力工状态分析发电源研究 高精度微细电火花加工机床，它能稳定的加工出0 5 l m 的微细轴和0 5 i m 的微小孔， 表面粗糙度可达r 。o i “m ，该机床的脉冲电源采用的就是r c 微能驰张式电源，其最 小脉冲能量可达1 0 4 j ，是传统电火花加工电源能量的i 1 0 到l 1 0 0 吼清华大学李勇等 人门：发的一种微细电火花加工装置，实验加工出的微细轴和微小孔的最小直径分别小于 2 5 岬和5 0 m ，最大深宽比分别超过2 0 和l o ，其中采用的也是r c 脉冲电源，f 电压 6 0 1 2 0 v 无级可调，放电电容l o o 2 7 0 0 p f 分为6 级1 。 r c 脉冲电源用于微细加工存在两个主要缺点：没有消电离环节，经常发生电弧 性脉冲放电现象：脉冲能量不可控，脉冲放电能量的一致性羞。山东工业大学霍孟 友、义兴等人研制了一种新型r c 电火花精微加工脉冲电源】，克服了这两点不足。其 原理如图1 6 所示。 直 - 毒岳 检 测 流控 电帝0 源 c 牛丰 电 路 图1 6 新型r c 脉冲电源原理示意图 f i g ，1 - 6 a n e w p a i i e mr cp u j s ep o w e r f o r n n ee d m 可见，该电源系统主要由直流电源、充电限流电阻r i 、放电电流限流电阻r 2 、充 放电电容器c 、电容器c 充电控制开关管t l 、消电离控制开关管t 2 和检测控制电路组 成。电路中利用开关管t i 控制电容器c 的充电过程，使其充电电压保持一致，放电脉 冲能量大小基本恒定，保证了工件的加工表面质量：利用另一只丌关管t 2 控制放电通 道，使电弧性脉冲放电明显减小 检测控制电路通过检测电容器c 的充、放电电压， 进而控制开关管t l 和t 2 的开通和和关断。 r c 弛张式脉冲电源的单个脉冲放电能量为电容器c 储存的能量，可表示为： ，= 三( c + c ，) u 2 式中：辟0 一单个脉冲放电能量； c _ 一标称电容的容值； c 一离散电容的容值； ( ，一r c 电源的工作电压。 从式中可以看出，要降低单个脉冲的放电能量可以从降低电容值c 和电源工作电压值 u 两方面入手。一般认为，降低电容的容值是一种较为理想的选择，但电容的容值受整 个装置离散电容c 的影响，因此，降低电容的容值也是有限度的。这样，要降低单个 脉冲放电的能量就集中在能否降低u 上。据最新研究成果表明，用r c 电源作为脉冲电 乜火花微小孔加1 。状态分析及电源硼究 源时，其放电过程不存在火花维持电压( 2 0 3 0 v ) 。贵州大学敖明武等人用r c 电源 进行了超低压( 7 v ) 的电火花加工实验。实验证明，只要适当的选择工作电压和电容 大小，用r c 电源完全可以实现超低放电能量( 1 0 一7 j 以下) 的电火花加工【6 】o 又综合独 立式脉冲电源易于控制的优点，敖明武等人设计了一种微能脉冲电源，用于加工实验， 已经加工出0 1 2 m 的微细轴和0 2 5 肛m 的微细孔。陔电源电路原理框图如图1 7 所示。 幽1 - 7 微能电源腺理框蚓 f i g 1 7 b l o c k d i a g r a mo f m i c r oe n e r g yp u l s cp o w e r 整个电路以一个p i c 单片机为核心，包括了工作电压调节单元、晶体管脉冲产生逻 辑及功放、放电状态检测电路、与上位机的接口电路等部分。通过可调变压器对整流前 的交流电压进行调节，电源工作电压在5 2 5 0 v 之间连续可调。脉冲产生逻辑设计采用 了c p l d 器件代替分离的数字电路，功放和驱动分别选用了高速功率m o s f e t 开关和 m o s f e t 专用驱动芯片t p s 2 8 1 2 。放电状态检测电路用于对加工时的放电状态进行实时 检测，将采集到的电压和电流信号经a d 转换后送入上位机，通过上位机判断后进行伺 服进给或回退。设计了双口r a m 和串口两种实现上下位机通讯的接口方式。通过接口 电路，上位机可以把要设置的参数( 主要包括脉宽、脉间、电容、加工极性等信息) 传 给下位机；下位机可以将采集到的加工状态信息传给上位机。 1 3 2 独立式晶体管脉冲电源 独立式脉冲电源的特点是放电脉冲的发生与间隙状态无关，而是由置于直流电源和 加_ r ：间隙间的开关元件控制，其基本电路如图l 一8 所示。脉冲发生器控制功率级的导通 和关断，实现电火花加工击穿延迟、击穿放电、消电离三个状态的循环往复。功率级包 括丌关元件k 和限流器z ( 如电阻、电感) 采用不同的开关元件就形成了不同种类 的独立式电源。以晶体管为丌关元件的独立式脉冲电源因其脉冲参数容易调节、脉冲波 电火化薹譬耋三! 喜鸶蕈雾冀毫霎孽莲 薹藿，蠢霎零嚣霎囊鋈薹羹登霉妻羹萋耋孽蒌| | 薹囊。 薹墓蠹耋羹奏冀露薹雾蠢辇蠢荔鋈 委薹姜璧薯；霎一囊蓍蓬萋藿囊； s 洲s ；! 茎i i ；蓉 萋蠢：蠹孓珊羹薹羹i ；l j ! 薹擎搿鄙蘸 薹娄喜囊：霪；霉真荔羹羹萋萋囊篓i 薹纂薹要羹囊鬟二羹豁犁薹囊首些姜囊 篓霎鐾；豢丽；茎墓羹羹囊薹。委誉 霎霎鬟薹；萎藿霞蹩夔嚣鎏妻奏薹。羹 秦；鏊 种方式 化的过程中，影响最为深刻，时效也最为长久。当然具体的激励手 段的组合方式，会因为各个国家和地区政治、经济、文化制度、价 值观念的差异而有所区别 。 ( 四) 经理监督激励成本的增大。境外企业经理监督激励成本 的增大，主要是由以下两个方面的原因引起的：一是在跨国公司的 股权构成方面，它是由母公司通过控股、参股子公司形成的一个股 份公司体系，在这个体系中，所有权被层层分解，形成一条纵向延 伸的“产权链”：自然人对母公司的投资形成原始产权，母公司本 身的法人财产权是派生产权：母公司向子公司或其他企业投资就在 子公司或被投资企业中形成再派生产权，由此跨国公司中存在股东 ( 自然人和法人 母公司一一子公司三个基本层次，跨国公司 的所有权安排则由剩余控制权和剩余索取权在这三者之间的分配 关系给定。但是由予在母公司层面，自然人和法人股东依据其股权 分享剩余索取权，另外由于跨国公司规模庞大，单个或少数股东无 力掌握股权，加之随着跨国公司迅速发展所导致的规模的进步扩 大，使得跨国公司的股权更为分散，股东实际上失去了对跨国公司 的控制权，从而决定了境外企业的经理实际控制公司的理由，提高 u 火托微小孔加t 状态分析发电源研宄 冲电源引，采用了晶体管可控的r c 脉冲放电形式。脉冲发生器采用c p l d 可编程逻辑 器件( m a c h 2 1 1 ) 实现，大火减少了脉冲电源电子器件的数量，使最小脉宽减小到 5 0 n s 。该电源脉冲峰值电流的范围为3 0 1 0 5 8 m a 。 综上可知，采用r c 驰张式电源和独立式晶体管脉冲电源都已经实现了微小能量的 放电加工。前者电路相对简单，可实现更小的单脉冲能量输出；后者可控性更好，能获 得更高的加工效率。两者结合的t - r c 脉冲电源用于微细加工效果更好，但设计和控制 更加复杂。 1 4 本文的主要研究内容 1 介绍电火花微细加工的特点，对电火花微细加工与常规电火花加工进行比较，分 析说明电火花微细加工状态检测识别的技术要求，提出新的状态识别方法。 2 详细介绍根据间隙电压和电流的互补性特点设计的模糊逻辑推理系统及其在 m a t l a b 卜的具体实现，并分析了隶属度函数形式的选择和参数的设置。 3 介绍l v q 神经网络的结构特点和学习规则，利用i q 实现对模糊输出状态值的 归类，完成状态区间到状态矢量的转化。 4 利用统计方法进行数据分析，提出以各类型脉冲出现比例的相对关系进行状态分 类的原则。 5 通过深入分析各种e d m 电源和微细电火花加工的特点，提出包括间隙状态检测 环节和电源参数调整环节的电源系统整体设计方案，并进行了初步设计，设计了具有高 压击穿和低压放电两路输出的高低压复合直流电源及相应的脉冲逻辑产生电路。 电火化微小扎加t 状态分析发电源研究 2 模糊判别的实现 2 1 理论基础 模糊逻辑理论是美国扎德教授于1 9 6 5 年提出的。它的数学基础是区别于传统的集 合沦的模糊集合论。模糊逻辑擅长处理自然语言和模糊不确定的信息，它可应用于非线 性、时变和无法定义的系统。一个模糊逻辑系统的基本结构框图如图2 1 所示，包括模 糊规则库、模糊推理、模糊化和反模糊化4 个基本部分【2 8 2 9 1 。 图2 - 1模糊逻辑系统基本结构框图 f i g 2 一lf u z z ys y s t e m 2 1 1 模糊化 模糊化的作用是将输入的精确量转化成语言变量值，并将语言变量值化为某适当论 域上的模糊了集。 1 模糊子集与隶属函数 设集合a 是给定论域u 上的集合。把u 中属于集合4 的元素用l 表示；不属于集 合a 的元素用0 表示，这样u 的每个元素就对应一个实数1 或0 ，这种对应就是一种映 射。记这个映射为z 。，则可写成z 。：u 寸 o ，1 ) ，、f 1 ，“a “一) c 一似) 2 1 0 ，“爿 称z 。( d ) 为的特征函数。它的定义域为【，值域为 0 ，1 ) 。 沦域u 上的普通集合彳可由其特征函数x 。( “) 唯一确定。艽。( “) 的值即是m u 对 4 的隶属程度，但是隶属程度只能取0 和l 两个值，它反映了绝对属于爿与u 绝对不 属于4 的两种极端情况。这种绝对的“非此即彼”有时并不能反映客观实际。模糊子 集打破普通集合中特征函数仅取0 和1 的限制，表现了“亦此亦彼”的模糊概念。 殴沦域为仉称映射 肛j ：u 寸 0 , 1 】 “寸p j ( “) 确定了u 的一个模糊( 予) 集彳。“j ( “) 称为j 的隶属函数。常把u j ( “) 简记为彳( “) b 火花微小孔加工状态分析及电源研究 h _ _ p _ _ _ _ _ - _ 一一一 “j ) 也表示元索“隶属于j 的程度，简称隶属度。模糊子集彳完全由其隶属度所刻 划。当彳( “) 仅取o 和1 两个值时，j 便是普通子集。 f 面是3 种常用的隶属函数： 1 ) i 角形隶属函数 f ( “一拉) ( 6 球) ，口s “ 6 ( “) = ( “一c ) ( 6 一c ) ，6 s 村 c io ，其它 2 ) 梯形隶属函数 p ( “) = ( “一口) ( 6 一口) ，口s “ 6 1 6 “c ( d 一“) ( d f ) ，c 。 0盯6 j ) 角形 1 ) t r i a n g i e c od6cd“ 2 ) 梯形 2 ) 1 h d e z o i d ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) o口h 3 ) 高斯形 3 ) g a u s s i a n 图2 2隶属函数 f 嘻2 2m e m b e r s h i p f u n c t i o n 2 语言变量及其模糊子集 模糊系统的语言变量是指其输入变量和输出变量，它给出的不是数值，而是自然语 占，这是表达规则的需要。比如，可以为语言变量赋值为“大”、“中”、“小”或 “商”、“中”、“低”或“快”、“中”、“慢”。如果变量有正负性，可取值“正 大”、“正中”、“正小”、“正零”、“负零”、“负小”、“负中”和“负大”。 一般来说，要制定更细致的控制规则，就要取更多的语言变量值，但相应的控制规则也 更复杂，制定起来会比较困难。 模糊的语言+ 变量值是对应语占变量论域上的模糊子集，模糊子集是由其隶属函数刻 划的，因此选择语言变量值的同时就是要确定刻划它的隶属函数。确定语言变量值的隶 属函数时，应注意：1 ) 隶属函数的形状能反映变量的实际变化；2 ) 论域中任一点对各 电火花微小孔加工状态分析及电源研究 模糊子集( 即语言变量值) 的隶属度的最大值都不能太小；3 ) 各模糊子集间的相互影 n 向( 可用任两个模糊子集的交集中的最大隶属度的最大值来衡量) 。 2 1 2 模糊规则库 模糊规则庠由具有多输入、单输出形式的若干条模糊“如果一则”规则的总和所组 成： r ( ”：如果x i 为f 1 。，且，且为f 则，为g ( 2 4 ) 式中，x ( 。，x 。) 7 u u 。和y 矿均为语言变量，分别为模糊逻辑系统的 输入与输出；r 。和g 分别为u 和矿上的模糊集合。设m 为模糊规则库中所包含的的 模糊“如果一则”规则的总数，则式中l = 1 ，2 ，m 。 这些模糊“如果一则”规则能够很方便的表示和利用专家的知识和经验，因此基于 号家知识和实际操作经验是获得模糊规则的最简便的途径。但是在许多情况下，这种方 法提供的规则有限，很难对系统进行全面的描述，基于量测数据的学习算法是获得规则 的第二种途径。这种方法比较客观，其主要步骤是：先确定规则的数目和隶属函数的形 式，再根据量测的数据来估计和调整隶属函数中的参数，从而得到模糊规则库。 如果规则的来源是专家，砰和的隶属函数应该由提供规则的专家来决定。反 之如果规则是从数据信息中获得的，则需先决定一和p 的函数形式，然后再解决 参数估计阿题，即根据量测数据求出肛，和p 一的参数，最后建立起模糊规则库。 2 1 - 3 模糊推理 在模糊推理中，应根据模糊逻辑法则把模糊规则库中的模糊“如果一则”规则转换 成某种映射，即将u = ，x u 。上的模糊集合映射成矿上的模糊集合。因此，模糊推 理要解决如何表示式( 2 4 ) 中的模糊“如果一则”规则。 式( 2 - 4 ) 中的一条模糊“如果一则”规则可以表示成一个积空间u y 上的模糊 蕴涵f 砖一g ，为表达简洁，设e 。砰= j ，g = 茁。设u 上的模糊 集合爿为模糊推理的输入，采用s u p 一+ 合成运算，式( 2 4 ) 中的每条“如果则” 规则将对应于矿上的模糊集合曰，即 口，( y ) = s u p 。( ，【“j _ i ( x ，) 8 z ( 工) 】 ( 2 ，5 ) 式( 2 - 5 ) 中的+ 符号可以取“最小值”或“积”等运算。因此，式( 2 4 ) 中的一 条模糊“如果一则”规则可以有多种表达形式。常用的两种为： 】2 n 火花微小孔期状态分析敷l b 源埘 究 模糊蕴涵的最小值规则：j + i ( x ，y ) = m i n 舢j ( z ) ，p i ( y ) ) 模糊蕴涵的乘积规则：肛j + i ( x ，y ) = p j ( x ) 日( y ) 式( 2 - 6 ) 和式( 2 - 7 ) 中，j ( x ) = 砰。砰( z ) 的定义可采用最小值规则 p ，k ? ( 膏) = m i n p t f c ( x ) ，p - f ( x ) 或者采用乘积规则： h f ，。，- ( x ) 2 “f 二( 工) p ，：( z ) 模糊蕴涵的最小值规则和乘积规则可以满足多次直观推理准则， 合理的推理规则。 2 1 4 反模糊化 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 因此被认为是比较 反模糊化又称模糊判决，是将输出模糊子集转化为确定的点。判决方法很多，较常 用的有以下几种。 1 ) 最大隶属度法：在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素为判决结果，如果在 多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取它们的平均值作为判决结果。 o 乞m “i 【j ，) 2 ) 重心法：y = 上 一，百为待判决输出模糊集合，弘( f - 1 , 2 ，n ) 为论域元素。 j ( y 。) i = i 3 ) 中位数法：将描述输出模糊集合的隶属度函数曲线与横坐标围成的面积的均分点对 应的论域元素作为判决结果。 2 1 5 选择合理的模糊逻辑系统 山j 二模糊“如果一则”规则存在多种不同的形式，因而导致模糊推理具有不同的映 射方式。同样，模糊化和反模糊化也有不同的类型。若将这些不同类型合理的组合在一 起，就可能产生多种模糊逻辑系统。所选择的具有实用价值的模糊逻辑系统应该： 1 ) 符合实际。因为采用模糊逻辑系统的目的就是利用语言信息，应选用能够在一 定程度上反映实际系统特性的模糊逻辑系统； 2 ) 满足直观推理且益于计算； 3 ) 具有自适应性。 2 2 对间隙状态的判别 我们通过存放电间隙问并联一个分压电阻获得间隙电压信号，串联一个小电阻获得 1 3 l 乜火花微小孔加丁状态分析放电源研究 削隙电流信号，数字示波器每次采样个数为1 0 0 0 0 个。给出几组采样信号，如图2 3 所 示，每个图中都是上面为电压波形，f 面为电流波形。 ( 1 ) 脉宽：4 0 9 s ，脉问：1 0 0 9 s ：采样周期：o 4 9 s ( i ) p u l s eo n ：4 0 9 s ，p u l s eo f f l o o g s ；s a m p l i n gp e r i o d ：0 4 9 s ( 2 ) 脉宽：4 0 9 s ，脉间：4 0 “s ；采样周期：0 4 9 s ( 2 ) p u l s eo n ：4 0 9 s ，p u l s eo f f 4 0 p s ；s a m p l i n gp e r i o d ：o 4 9 s ( 3 ) 脉宽：2 9 s ，脉间：4 9 s ；采样周期：2 0 n s ( 3 ) p u l s eo n ；2 9 s ，p u l s eo f f , 4 | t s ；s a m p l i n gp e r i o d ：2 0 n s ( 4 ) 脉览：l g s ，脉间：4 9 s ；采样周期：i o n s ( 4 ) p u l s eo n ：1 s ，p u l s e 。仃4 u s ；s a m p l i n gp e r i o d ：1 0 n s 图2 - 3 间隙电压波形( 上) 和电流波形( 一f ) f i g 2 3d i s c h a r g i n gw a v e f o n n s ( u p ：v o l t a g e d o w n ：c u r r e n t ) 图2 3 ( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 放电脉冲频率依次增高，从中可以看出，频率较低时，如 图2 - 3 ( 1 ) ，波形比较规则，用电压信号就可以识别放电脉冲的类型；但是随着放电脉冲 频率的增高，波形受各种干扰的影响越来越明