一种型腔电火花加工工作液成分监测系统的制作方法

本发明涉及型腔电火花加工技术领域，特别是涉及一种型腔电火花加工工作液成分监测系统。

背景技术：

型腔电火花加工是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。要保证加工过程的正常实现首先必须使工具电极和工作液加工表面之间经常保持一定的放电间隙，其次火花放电必须是瞬时的脉冲放电。而且火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液等混合有机液体介质。液体介质又称工作液，它必须有较高的绝缘强度，以有利于产生脉冲性的火花放电。同时液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并对电极和工件表面有较好的冷却作用。

在型腔电火花加工过程中工具和工件电极间的介质经过电离、击穿、形成放电通道后，为加工提供的电能转变成动能，动能通过碰撞后又转变成热能。于是在通道内、正负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。通道内高温首先把工作液介质汽化，进而热裂分解气化，如煤油等碳氢化合物工作液高温后裂解为氢气、二氧化碳、某些烃类气体和游离碳等。这些分解产物溶解在工作液中导致工作液的成份发生变化，因此需要对工作液的成份进行实时监测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种型腔电火花加工工作液成分监测系统，实现对电火花加工工作液中混合气体成分的分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种型腔电火花加工工作液成分监测系统，包括混合气样品制备单元、检测器气路单元、嵌入式控制单元和计算机数据处理单元；所述混合气样品制备单元包括依次连接的工作液抽样接口、脱气装置和混合气样品进样装置，所述脱气装置和混合气样品进样装置分别与嵌入式控制单元相连；所述混合气样品进样装置还与所述检测器气路单元相连；所述检测器气路单元分别与所述嵌入式控制单元和计算机数据处理单元相连；所述嵌入式控制单元和计算机数据处理单元之间通过现场总线相连。

所述工作液抽样接口为双向工作液的抽样接口机构，由蚀除颗粒滤网、电动三通阀门和储液油箱实现，用于对型腔电加工工作液的抽样及成分分析结束后的回排，实现工作液的循环使用。

所述检测器气路单元包括依次连接的进样口、CO₂检测器、色谱柱箱和氧化锆检测器；所述进样口的输入端还连接有气路控制元件的输出端，所述气路控制元件的输入端与载气相连。

所述氧化锆检测器通过信号衰减模块与计算机数据处理单元相连。

所述氧化锆检测器的氧化锆管插入陶瓷管内，陶瓷管外为加热炉装置，在加热炉装置中装有Pt100温度传感器。

所述CO₂检测器包括红外气体传感器和红外光源配套元件；所述红外气体传感器上有两个滤光片，其中一个滤光片只允许CO₂分子能够吸收的波长为4.26μm的红外光通过，用于检测CO₂的浓度；另外一个滤光片构成4.00μm滤光片通道，用于检测气室内除了CO₂以外其它混合气体的浓度变化情况。

所述嵌入式控制单元采用总线通信的方式与计算机数据处理单元进行双向信息交互，采用模数转换及数字量接口方式与检测器气路单元相连，采用数字量接口及功率驱动单元与混合气样品制备单元相连。

所述嵌入式控制单元通过温度闭环系统对混合气样品制备单元和检测器气路单元的温度进行控制。

所述嵌入式控制单元接收脱气装置中液体量和脱气量的信息，并根据相关信息经过计算处理后控制相应的阀门的开关及开度状态保证恒定体积工作液的脱气量，确保电火花加工工作液成分分析的准确。

所述计算机数据处理单元采用相关的色谱工作站软件及工作液成分分析软件实现对型腔电火花加工工作液成分及加工间隙状态和加工效果的分析及评判。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可以实现对电火花加工工作液中混合气体成分的分析，在此基础上判断电火花加工间隙及加工状态的评估与预判，保证了不同工况下型腔电火花加工过程的稳定性及提高加工效率和加工效果。

附图说明

图1是本发明的监控系统总体结构示意图；

图2是本发明的嵌入式控制单元结构示意图；

图3是本发明的氧化锆检测器结构示意图；

图4是本发明CO₂检测器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种型腔电火花加工工作液成分监测系统，包括混合气样品制备单元、检测器气路单元、嵌入式控制单元和计算机数据处理单元；所述混合气样品制备单元包括依次连接的工作液抽样接口、脱气装置和混合气样品进样装置，所述脱气装置和混合气样品进样装置分别与嵌入式控制单元相连；所述混合气样品进样装置还与所述检测器气路单元相连；所述检测器气路单元分别与所述嵌入式控制单元和计算机数据处理单元相连；所述嵌入式控制单元和计算机数据处理单元之间通过现场总线相连。

其中，所述嵌入式控制单元采用总线通信的方式与计算机数据处理单元进行双向信息交互，采用模数转换及数字量接口方式与检测器气路单元相连，采用数字量接口及功率驱动单元与混合气样品制备单元相连。计算机数据处理单元由PCI板卡及串行总线与氧化锆检测器及嵌入式控制单元进行信息交互。采用相关的色谱工作站软件及工作液成分分析软件实现对型腔电火花加工工作液成分及加工间隙状态和加工效果的分析及评判。

本发明针对型腔电火花加工中矿油型和煤油工作液为基础，结合色谱分析技术，通过型腔电火花加工过程采用顶空进样方法定期进样，以色谱技术定量分析结合质谱技术定性分析的方法，建立起不同工作液中成份含量与加工稳定性及加工效率及加工效果的关系数据。利用数理统计及概率论的方法对数据进行分析和建模，为日后型腔电火花加工放电状态检测装置、加工间隙状态和加工质量分析及高效环保的高速合成型电火花加工工作液提供基础。

如图1所示一种型腔电火花加工工作液成分监测系统，包括由工作液抽样及回排循环回路构成的混合气样品制备单元，由脱气后样品气与载气进样分析回路和检测器电信号采集及监测分析所需气回路构成的检测器气路单元，嵌入式控制单元和装有分析监测软件的计算机数据处理单元。其中，混合气样品制备单元中的工作液抽样接口采用双向工作液的抽样接口机构，包括蚀除颗粒滤网、电动三通阀门和储液油箱，用于对型腔电加工工作液的抽样及成分分析结束后的回排，实现工作液的循环使用。所述检测器气路单元包括依次连接的进样口、CO₂检测器、色谱柱箱和氧化锆检测器；所述进样口的输入端还连接有气路控制元件的输出端，所述气路控制元件的输入端与载气相连。

如图2所示的嵌入式控制单元，主要实现系统中气路和工作液回路与处理器之间各种状态信息的双向互通，为电火花加工工作液中气组分分析的准确提供基础。

所述嵌入式控制单元的处理器可以采用ARM9系列STM32F103ZET6作为MCU，控制协调各模块运作，并对采集数据进行处理及存储以及与上位机的通信等。

如图2所示，该嵌入式控制单元针对CO₂检测信号，Pt100温度采集和工作液缸液体量及脱气量检测与MCU之间通过A/D转换传输信息。AD转换采用8通道14位精度元器件，转换速率16kHz。MCU与测控计算机通过232接口连接，采用Modbus总线协议将嵌入式控制单元中的电火花加工工作液监测系统信息及状态传输到计算机的HMI中实时显示。

所述嵌入式控制单元针对系统中氧化锆检测器、色谱柱箱和定容顶空工作液缸的温度控制由MCU通过温度闭环系统及相关控制算法实现，保证工作温度的控制精度。定容顶空工作液缸的脱气装置中液体量、脱气量信息通过传感器及转换电路后送入AD，转换成数字量送与MCU；MCU根据相关信息经过计算处理后控制相应的阀门的开关及开度状态保证恒定体积工作液的脱气量，确保电火花加工工作液成分分析的准确。

由于系统中检测工作液体中混合气每种组分的高浓度范围所对应的氧化锆检测器输出的电压信号峰值超出了PCI信号采集卡的量程，因此采用检测器输出峰值转换单元将气体组分高浓度区间的输出电压信号进行衰减(即通过在氧化锆检测器和计算机数据处理单元之间设置信号衰减模块)，峰值转换单元受嵌入式控制单元控制，其中的AD转换对检测器的输出电压峰值进行采集，依据峰值电压的区间控制所需的衰减系数。

如图3所示，氧化锆检测器的氧化锆管插入陶瓷管内，陶瓷管外为加热炉装置，在加热炉中装有Pt100温度传感器。通过电阻加热丝及Pt100构成温度控制系统的传感和执行机构，在MCU中采用恒温控制算法，让加热炉内温度长期稳定在700℃，保证氧化锆输出电动势与气体组分成分浓度测量准确。

如图4所示，CO₂红外检测器包括红外气体传感器和红外光源配套元件。红外气体传感器上有两个滤光片，其中一个通道只允许CO₂分子能够吸收的波长为4.26μm的红外光通过，所以到达此通道的光强反映了CO₂的浓度；通过另外一个4.00μm滤光片通道的光强则反映了气室内除了CO₂以外其它混合气体的浓度变化情况。

所述CO₂红外检测器对红外光源施加周期为1S，占空比为40％的直流脉冲信号，将混合气体从进气口送入气室。红外检测器将CO₂浓度转换成电压信号，通过信号前置电路将与CO₂浓度相关的电信号放大、滤波后送入AD转换成数字信号。在MCU中进行数字滤波后，采用现场总线将CO₂浓度量送入监控计算机，采用电火花加工工作液成分分析软件得到CO₂气体浓度。