稳定电火花自适应加工的方法、装置及系统与流程

本发明涉及电加工技术领域，更具体地，涉及一种稳定电火花自适应加工的方法、装置及系统。

背景技术：

随着电加工技术的发展，电火花加工因加工精度高及制造成本低等突出优点，已在生产中得到广泛的应用。电火花加工过程是一个弱稳态过程，如果加工过程中冲油或排屑状况恶劣，系统会进入不稳定状态且放电状态波动加大，从而导致工件表面烧伤、影响加工效率。因此，如何控制电火花加工是个关键问题。现有的电火花加工自适应控制方法主要是以放电状态为监测信号，通过自适应控制方式得到控制信号，从而根据控制信号对机床的抬刀周期进行调整，通过实现电火花加工的自适应控制来稳定电火花加工过程，以提高加工效率。

在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：由于是将放电状态作为监测信号，为了保险起见，实际检测的放电状态值较理论放电状态值会偏大。同时，在加工状态变化剧烈时检测到的放电状态值会较理论值在放电状态上升时偏大，下降时偏小，即存在检测误差。另外，加工过程还存在过程误差。上述两种误差以及误差的积累，会使实际得到的放电状态值变化幅度比理论放电状态值变化幅度剧烈得多。特别是在加工即将进入或已进入有害加工阶段时，误差的累计会造成控制信号发生偏离，在这时刻容易引起或加剧拉弧或短路脉冲的出现几率，即放电状态急剧加大，相应地，控制变量会急剧缩小，这会使放电状态急剧变小。相应地，会使控制变量急剧变大，形成恶性循环，发生震荡，使控制失效。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的稳定电火花自适应加工的方法、装置及系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种稳定电火花自适应加工的方法，该方法包括：

按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理；

根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数；

根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；

基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期。

根据本发明的第二方面，提供了一种稳定电火花自适应加工的装置，该装置包括：放电状态光滑处理模块、自适应控制模块及电火花加工机床；

放电状态光滑处理模块，用于按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理；

自适应控制模块，用于根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；

电火花加工机床，用于根据抬刀周期对上一抬刀周期进行修改，实现电火花加工的自适应控制。

根据本发明的第三方面，提供了一种稳定电火花自适应加工的系统，该系统包括：放电状态辨识单元、放电状态光滑处理单元、加工过程模型参数辨识单元、自适应控制器、抬刀周期计算单元及电火花加工机床；

放电状态辨识单元，用于采集加工过程中的间隙电压和间隙电流，根据采集到的间隙电压和间隙电流实时辨识放电状态，并将辨识出的放电状态值递给放电状态光滑处理单元。

放电状态光滑处理单元，用于按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理，将光滑处理后的放电状态值传递给自适应控制器及加工过程模型参数辨识单元；

加工过程模型参数辨识单元，用于对自适应控制器的加工过程模型参数进行辨识，将辨识后的加工过程模型参数传递给自适应控制器；

自适应控制器，用于根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；

抬刀周期计算单元，用于基于下一时刻的控制信号，获取抬刀周期，并将抬刀周期传递给电火花加工机床；

电火花加工机床，用于根据抬刀周期对上一抬刀周期进行修改，实现电火花加工的自适应控制。

本申请提出的技术方案带来的有益效果是：

通过按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理。根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数。根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号。基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期。由于可对实时辨识的放电状态进行光滑处理，使得控制信号的变化变缓，从而减少或避免了控制信号的剧烈变化而引发的拉弧现象，进而能够提高电火花加工自适应控制过程的稳定性。

另外，由于光滑函数模型中的光滑函数阶次较低，从而可使得自适应控制系统的整体稳定性能够保持在较好范围。最后，对每一时刻的放电状态值进行光滑处理后，能够在减少放电状态检测误差的同时，获得变化较为平缓的放电状态曲线。经过光滑处理的放电状态曲线延迟、相移均较小，且保持与原曲线的相似性，即能够立即将放电状态变化趋势反映出来，从而能够满足超前预测实时控制的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的一种稳定电火花自适应加工的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的一种稳定电火花自适应加工的方法流程示意图；

图3为本发明实施例的一种放电状态曲线的对比示意图；

图4为本发明实施例的一种光滑处理前的加工效果示意图；

图5为本发明实施例的一种光滑处理前的加工效果示意图；

图6为本发明实施例的一种光滑处理后的加工效果示意图；

图7为本发明实施例的一种光滑处理后的加工效果示意图；

图8为本发明实施例的一种稳定电火花自适应加工的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时，产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM(Electrical Discharge Machining，电火花加工)。

其中，电火花加工过程是一个弱稳态过程，即在有效加工阶段其线性特性例如均值、方差或能量谱等均在一个很小的范围内波动。如果加工过程中出现冲油或排屑状况恶劣的等情况，则会出现有害加工并损害工件。有害加工的出现，会使电火花加工自适应控制系统进入不稳定状态。相应地，放电状态波动加大会烧伤被加工的工件表面，从而影响加工效率。

为了避免有害加工的出现，有效的方法是通过改变加工过程中的伺服参数，在不影响加工精度的前提下，使加工从有害加工阶段重新回到有效加工阶段。或者，通过提前改变伺服参数，避免加工进入有害加工阶段。为达到这一目的，可建立有效的闭环控制系统。该控制系统能够根据加工过程中的放电状态值，实时改变伺服参数，从而使得加工过程维持在有效加工阶段，并提高加工效率。

为了描述电火花加工的极间放电状态，可对电火花加工的极间放电状态进行定义。考虑到电火花加工机床的拉弧保护功能，可采用稳态拉弧率和短路比率之和，即有害脉冲出现的几率，来反映不同加工状况所对应的极间放电状态。同时，在本实施例中按照实际情形可对比率作适当的改动，重新定义如下，极间放电状态＝(短路数+稳态拉弧数)/(火花放电数+瞬态拉弧数+短路数+稳态拉弧数+开路数)。上述计算过程可如下公式(1)所示：

r＝(τ_short+τ_stab.arc)/(τ_spark+τ_tran.arc+τ_stab.arc+τ_short+τ_open) (1)

其中，r为极间放电状态。τ_spark为单位时间内火花脉冲的采样累计数量，τ_tran.arc为单位时间内瞬态拉弧脉冲的采样累计数量，τ_stab.arc为单位时间内稳态拉弧脉冲的采样累计数量，τ_short为单位时间内短路脉冲的采样累计数量，τ_open为单位时间内开路脉冲的采样累计数量。

针对出现有害加工的问题，现有的电火花加工自适应控制方法主要是以放电状态为监测信号，通过自适应控制方式得到控制信号，从而根据控制信号对机床的抬刀周期进行调整，通过实现电火花加工的自适应控制来稳定电火花加工过程，以提高加工效率。

由于是将放电状态作为监测信号，为了保险起见，实际检测的放电状态值较理论放电状态值会偏大，即存在检测误差。另外，加工过程还存在过程误差。上述两种误差以及误差的积累，会使实际得到的放电状态值变化幅度比理论放电状态值变化幅度剧烈得多。特别是在加工即将进入或已进入有害加工阶段时，误差的累计会造成控制信号发生偏离，在这时刻容易引起或加剧拉弧或短路脉冲的出现几率，即放电状态急剧加大，相应地，控制变量会急剧缩小，这会使放电状态急剧变小。相应地，会使控制变量急剧变大，形成恶性循环，发生震荡，使控制失效。

针对现有技术中的问题，本实施例提供了一种稳定电火花自适应加工的方法。参见图1，该方法包括：101、按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理；102、根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数；103、根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；104、基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期。

本发明实施例提供的方法，通过按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理。根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数。根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号。基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期。由于可对实时辨识的放电状态进行光滑处理，使得控制信号的变化变缓，从而减少或避免了控制信号的剧烈变化而引发的拉弧现象，进而能够提高电火花加工自适应控制过程的稳定性。

另外，由于光滑函数模型中的光滑函数阶次较低，从而可使得自适应控制系统的整体稳定性能够保持在较好范围。最后，对每一时刻的放电状态值进行光滑处理后，能够在减少放电状态检测误差的同时，获得变化较为平缓的放电状态曲线。经过光滑处理的放电状态曲线延迟、相移均较小，且保持与原曲线的相似性，即能够立即将放电状态变化趋势反映出来，从而能够满足超前预测实时控制的需求。

作为一种可选实施例，按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理之前，还包括：

确定光滑函数对应的阶次；

基于具有阶次的光滑函数，通过对光滑函数的零极点进行配置，得到对应的光滑函数模型。

作为一种可选实施例，按照光滑函数模型，对当前时间时刻的放电状态值作光滑处理，包括：

基于光滑函数模型对应的阶次，根据当前时刻之前预设时间段内的放电状态值及光滑处理后的放电状态值，通过光滑函数计算当前时刻光滑处理后的放电状态值。

作为一种可选实施例，根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数，包括：

根据当前时刻之前预设时间段内的控制信号及光滑处理后的放电状态值，通过递归最小二乘法在线辨识对应的加工过程模型参数。

作为一种可选实施例，自适应控制方式包括超前三步预测控制方式、超前两步预测控制方式、超前一步的最小方差预测控制方式、鲁棒性自适应控制方式或最小方差与参考模型耦合的自适应控制方式。

作为一种可选实施例，基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期，包括：

按照控制信号与抬刀周期之间的映射关系，将下一时刻的控制信号映射为电火花加工机床的下一抬刀周期。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。

基于上述图1对应实施例所提供的内容，本发明实施例提供了一种稳定电火花自适应加工的方法。参见图2，本实施例提供的方法流程包括：201、按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理；202、根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数；203、根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；204、按照控制信号与抬刀周期之间的映射关系，将下一时刻的控制信号映射为电火花加工机床的下一抬刀周期。

其中，201、按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理。

在执行本步骤之前，可以预先确定光滑函数模型。本实施例不对确定光滑函数模型的方式作具体限定，包括但不限于：确定光滑函数对应的阶次；基于具有阶次的光滑函数，通过对光滑函数的零极点进行配置，得到对应的光滑函数模型。其中，在确定光滑函数对应的阶次时，可按照设计低通滤波器最小阶次的设计方式来确定，本实施例对此不作具体限定。在确定光滑函数的阶次后，通过对光滑函数的零极点进行配置，可得到光滑函数模型。

本实施例不对按照光滑函数模型，对当前时间时刻的放电状态值作光滑处理的方式作具体限定，包括但不限于：基于光滑函数模型对应的阶次，根据当前时刻之前预设时间段内的放电状态值及光滑处理后的放电状态值，通过光滑函数计算当前时刻光滑处理后的放电状态值。

上述进行光滑处理的过程还可通过计数器触发，本实施例对此不作具体限定。其中，计数器对应的触发阈值需要大于光滑函数模型对应的阶次，本实施例不对触发阈值的数值作具体限定。

基于光滑函数模型，对每一时刻的放电状态值进行光滑处理，能够在减少放电状态检测误差的同时，获得变化较为平缓的放电状态曲线。另外，经过光滑处理的放电状态曲线延迟、相移均较小，能够立即将放电状态变化趋势反映出来，从而能够满足超前预测实时控制的需求。

相应地，光滑函数模型具有如下特点：

(1)光滑函数阶次较低，从而可使得自适应控制系统的整体稳定性能够保持在较好范围；

(2)放电状态曲线经过光滑处理之后造成的延迟、相移非常小，从而能够满足超前预测实时控制要求；

(3)放电状态曲线经过光滑处理后保持与原曲线的相似性，即当原始曲线出现突然变化的放电状态值时，光滑处理后的曲线能够立即将这个变化反映出来。

其中，202、根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数。

本实施例不对根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数的方式作具体限定，包括但不限于：根据当前时刻之前预设时间段内的控制信号及光滑处理后的放电状态值，通过递归最小二乘法在线辨识对应的加工过程模型参数。

需要说明的是，可预先对当前时刻之前预设时间段内的控制信号及光滑处理后的放电状态值进行存储，以便于本步骤对加工过程模型参数进行辨识，本实施例对此不作具体限定。

其中，203、根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号。

其中，自适应控制方式可以为超前三步预测控制方式、超前两步预测控制方式、超前一步的最小方差预测控制方式、鲁棒性自适应控制方式或最小方差与参考模型耦合的自适应控制方式，本实施例对此不作具体限定。

其中，204、按照控制信号与抬刀周期之间的映射关系，将下一时刻的控制信号映射为电火花加工机床的下一抬刀周期。

其中，映射关系可以为线性或非线性映射关系，也可以为分段函数映射关系，本实施例对此不作具体限定。需要说明的是，通过上述步骤201至步骤204的过程可循环对放电状态进行光滑处理，本实施例对此不作具体限定。经过光滑处理的放电状态曲线可如图3所示，在图3中，经过光滑后的放电状态与放电状态原始值相比，在变化程度上比较平缓。同时，当原始放电状态发生较大变化时，经过光滑处理的放电状态曲线能够立即将放电状态变化趋势反映出来。

基于上述电火花加工处理过程，现将现有技术所对应的加工效果与本发明提供的基于光滑处理的电火花加工控制方法所对应的加工效果进行比对。图4及图5为现有技术的加工效果图，从图4中可以看出，加工过程一直保持着一定放电状态波动的幅度。由于误差累积造成了放电状态波动幅度加剧，从而最终引起了拉弧状态加工终止。图5为图4中A区域的放大图，从图5中可以看出放电状态从较小突然变化为较大时，会使抬刀周期立即降到最低，从而通过改变抬刀频率改善排屑条件，使得放电状态值下降到合理范围内。这种突然由小变大然后再由大变小的放电状态趋势是由于放电状态误差引起的。若不对其进行抑制，当加工进行到16.8mm(图4中6000点左右)时，由于误差的累积，会使得放电状态变化幅度加剧，从而导致控制失效，自适应控制系统进入不稳定状态。最终，导致电火花自适应控制加工能力无法完全发挥出来。

图6为本发明实施例对应的加工效果图。从图6中可以看出，经过放电状态光滑处理后，即减少放电状态误差后，虽然在有效加工阶段放电状态波动较未光滑前要大，但放电状态波动幅度始终处于合理范围内，加工过程一直保持平稳。图7为图6中A区域的放大图，从图7中可以看出，放电状态值从较小突然变化到较大以及从较大突然变化到较小的变化幅度，比图5中要小。具体地，经过光滑处理后变化幅度不超过0.15，而未经过光滑处理时变化幅度超过0.15。同时，当加入光滑函数模型对放电状态进行光滑处理后，加工过程一直持续到28.7mm(图6中8000点左右)才出现放电状态变化幅度增大的情况。与此同时，变化幅度明显小于未经过光滑处理的变化幅度。此外，加工深度从16.7mm提高到了28.7mm，整体提高了75％。这说明光滑处理能够有效减少放电状态的误差，并提高自适应控制稳定性和加工能力。

本发明实施例提供的方法，通过按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理。根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数。根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号。按照控制信号与抬刀周期之间的映射关系，将下一时刻的控制信号映射为电火花加工机床的下一抬刀周期。由于可对实时辨识的放电状态进行光滑处理，使得控制信号的变化变缓，从而减少或避免了控制信号的剧烈变化而引发的拉弧现象，进而能够提高电火花加工自适应控制过程的稳定性。

另外，由于光滑函数模型中的光滑函数阶次较低，从而可使得自适应控制系统的整体稳定性能够保持在较好范围。最后，对每一时刻的放电状态值进行光滑处理后，能够在减少放电状态检测误差的同时，获得变化较为平缓的放电状态曲线。经过光滑处理的放电状态曲线延迟、相移均较小，且保持与原曲线的相似性，即能够立即将放电状态变化趋势反映出来，从而能够满足超前预测实时控制的需求。

本发明实施例提供了一种稳定电火花自适应加工的装置，该装置用于执行上述图1或图2对应实施例中所提供的稳定电火花自适应加工的方法。该装置包括：放电状态光滑处理模块、自适应控制模块及电火花加工机床；

放电状态光滑处理模块，用于按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理；具体地，放电状态光滑处理模块用于执行上述图2对应的实施例中步骤201至步骤202中的过程。

自适应控制模块，用于根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；具体地，自适应控制模块用于执行上述图2对应的实施例中步骤203与步骤204中的过程。

电火花加工机床，用于根据抬刀周期对上一抬刀周期进行修改，实现电火花加工的自适应控制。

本发明实施例提供的装置，通过按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理。根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数。根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号。基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期。由于可对实时辨识的放电状态进行光滑处理，使得控制信号的变化变缓，从而减少或避免了控制信号的剧烈变化而引发的拉弧现象，进而能够提高电火花加工自适应控制过程的稳定性。

另外，由于光滑函数模型中的光滑函数阶次较低，从而可使得自适应控制系统的整体稳定性能够保持在较好范围。最后，对每一时刻的放电状态值进行光滑处理后，能够在减少放电状态检测误差的同时，获得变化较为平缓的放电状态曲线。经过光滑处理的放电状态曲线延迟、相移均较小，且保持与原曲线的相似性，即能够立即将放电状态变化趋势反映出来，从而能够满足超前预测实时控制的需求。

本发明实施例提供了一种稳定电火花自适应加工的系统，该系统用于执行上述图1或图2对应实施例中所提供的稳定电火花自适应加工的方法。参见图8，该系统包括放电状态辨识单元801、放电状态光滑处理单元802、加工过程模型参数辨识单元803、自适应控制器804、抬刀周期计算单元805及电火花加工机床806；

放电状态辨识单元801，用于采集加工过程中的间隙电压和间隙电流，根据采集到的间隙电压和间隙电流实时辨识放电状态，并将辨识出的放电状态值递给放电状态光滑处理单元802。

放电状态光滑处理单元802，用于按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理，将光滑处理后的放电状态值传递给自适应控制器804及加工过程模型参数辨识单元803；

加工过程模型参数辨识单元803，用于对自适应控制器804的加工过程模型参数进行辨识，将辨识后的加工过程模型参数传递给自适应控制器804；

自适应控制器804，用于根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号；

抬刀周期计算单元805，用于基于下一时刻的控制信号，获取抬刀周期，并将抬刀周期传递给电火花加工机床806；

电火花加工机床806，用于根据抬刀周期对上一抬刀周期进行修改，实现电火花加工的自适应控制。

需要说明的是，上述系统的处理过程可以基于VC++平台，或嵌入式系统等，本实施例对此不作具体限定，但视为同样有效。另外，运行过程中可按照多线程运行的方式，采用模块化编程使被控对象EDM改变抬刀周期。通过减小放电状态检测误差稳定控制变量的输出，按照稳定输出的控制变量改变抬刀周期，实现了对抬刀周期的自适应控制。

本发明实施例提供的系统，通过按照光滑函数模型，对当前时刻的放电状态值作光滑处理。根据光滑处理后的放电状态值，辨识对应的加工过程模型参数。根据光滑处理后的放电状态值及加工过程模型参数，按照自适应控制方式计算下一时刻的控制信号。基于下一时刻的控制信号，获取电火花加工机床的下一抬刀周期。由于可对实时辨识的放电状态进行光滑处理，使得控制信号的变化变缓，从而减少或避免了控制信号的剧烈变化而引发的拉弧现象，进而能够提高电火花加工自适应控制过程的稳定性。

另外，由于光滑函数模型中的光滑函数阶次较低，从而可使得自适应控制系统的整体稳定性能够保持在较好范围。最后，对每一时刻的放电状态值进行光滑处理后，能够在减少放电状态检测误差的同时，获得变化较为平缓的放电状态曲线。经过光滑处理的放电状态曲线延迟、相移均较小，且保持与原曲线的相似性，即能够立即将放电状态变化趋势反映出来，从而能够满足超前预测实时控制的需求。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。