一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法
【专利摘要】一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，属于电火花加工【技术领域】。以解决金属-陶瓷功能梯度材料由于其各层组分及结构特性不同，难以采用电火花在金属-陶瓷功能梯度材料上加工通孔及孔内部由于能量不匹配在不同的梯度层之间存在残余应力的现象，影响金属-陶瓷功能梯度材料零件性能和寿命的问题。利用金属-陶瓷功能梯度材料的自身结构特性及其电火花加工放电状态特性并根据功能梯度材料各层材料电火花加工放电状态的变化作为激发源，结合模糊控制理论建立金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工模糊控制器模型实现加工过程的实时反馈控制，按照加工材质的不同逐级自适应地进行能量匹配。用于金属-陶瓷功能梯度材料的加工控制。
【专利说明】一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种面向金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工的控制策略，属于电火花加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]1987年日本科学家新野正之、平井敏雄和渡边龙三首先提出了梯度化结合金属和超耐热陶瓷这一新奇想法，随后功能梯度材料迅速成为材料科学领域的研究热点，其中金属-陶瓷功能梯度材料的研究与需求最为广泛和迫切，其加工难度也极大。金属-陶瓷功能梯度材料由金属和陶瓷两相组成，一侧是纯陶瓷，另一侧是纯金属，在此之间材料组分比和物理性能沿厚度方向呈梯度变化。由于材料本身的新颖性和需求目标的多样性，目前国内外对金属-陶瓷功能梯度材料的研究主要集中在材料的设计和制备方面，而对其加工方法及其加工过程控制技术的研究则亟待研发。
[0003]电火花加工是一种无接触式加工技术且无明显宏观切削力，其依靠两极之间介质击穿形成的高能等离子体对工件表面进行轰击，使表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而实现材料的去除，因此电火花加工技术已被广泛应用在高硬度材料加工领域。尤其是近十几年来，研究人员冲破了长期以来认为电火花加工只能加工导电性材料的传统束缚，采用辅助电极法，使绝缘性材料的电火花加工成为可能，并由此积极开展了相关研究和试验，取得了长足进步。
[0004]电火花加工技术是利用电热效应实现材料的去除，在恒定加工参数的作用下进行电火花小孔加工，如果材料成分均匀则可以保证小孔加工的顺利进行。金属-陶瓷功能梯度材料为非均匀材料且不同组分材料的物理性质和力学性能均存在较大的差异，这样在梯度材料电火花加工小孔过程中必然出现加工状态不一致，甚至相同的加工参数无法适应不同梯度层的加工要求，导致金属-陶瓷功能梯度材料无法顺利加工，因此需要进行电火花加工自适应控制技术的研究，也就是需要根据电火花加工梯度材料的组分不同而进行能量匹配。
[0005]电火花加工控制技术一直是国内外电火花加工研究人员所关注的重点。高分辨率的放电状态检测技术以及高精度的伺服控制系统是电火花加工稳定、高效的重要保障。由于金属-陶瓷功能梯度材料为两相多层复合材料且材料金属层、梯度层与陶瓷层的性能各不相同，因此其特殊的组织结构也决定了其电火花加工控制策略的独特性。针对金属-陶瓷功能梯度材料的加工方法及其加工过程控制，现有技术中没有提出利用电火花加工方式来实现逐级自适应模糊控制的方案。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，以解决金属-陶瓷功能梯度材料由于其各层组分及结构特性不同，在梯度材料电火花加工小孔的过程中出现的各层的放电特性及去除机理的不同，在常规的加工过程中易出现无法加工贯穿孔的问题，及不同层之间采用相同的放电参数，由于各层导热系数差异使加工后的孔内部层间存在不同的残余应力影响金属-陶瓷功能梯度材料零件使用性能和使用寿命的问题。
[0007]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0008]一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，所述金属-陶瓷功能梯度材料是由金属层、梯度层和陶瓷层组成的多层复合功能梯度材料且开始加工第一层材料为导电金属层；所述控制方法利用模糊控制器模型来实现，模糊控制器模型以短路率及火花率为输入量，将脉间扩展及速度变化量为输出量，所述输入、输出量的隶属区间为:
[0009]短路率e [0,1];
[0010]火花率e [0,1];
[0011]脉间扩展e [0.5，4];
[0012]速度变化量e [-2，2];
[0013]利用所述模糊控制器模型对金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工进行自适应模糊控制的过程为:设定初始的加工参数，开始对功能梯度材料进行电火花加工，同时通过放电检测模块检测放电加工过程的放电电压、电流参数，并对放电过程的放电状态进行统计；以短路率及火花率为输入量，通过短路率隶属函数(如图2)和火花率隶属函数(如图3)对输入量进行模糊化处理；利用工艺参数库作为推理规则进行推理，将脉间扩展及速度变化量为输出量，通过脉间扩展隶属函数(如图4)和速度变化量隶属函数(如图5)对输出量进行反模糊化处理，实现对加工过程的实时控制。
[0014]所述金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工放电状态特性是指:各层材料稳定加工时放电状态不同(当放电加工进行到下一层材料时会造成放电状态的突变而且各层材料稳定加工时放电状态存在明显的差异)。
[0015]所述工艺参数库是利用工艺实验建立金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工工艺数据库并作为神经网络的样本，进过学习训练得到的各层材料放电加工的最优电源参数及进给速度组合。
[0016]金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工模糊控制器模型是以梯度材料加工过程中2000个脉冲的放电统计的短路率及火花率为输入量，以脉间扩展及速度变化量为输出量，利用工艺参数库作为推理规则进行推理，实现对加工过程的实时控制。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]所述方法对功能梯度材料电火花加工各层放电状态的特点进行放电状态检测与统计，利用金属-陶瓷功能梯度材料的自身结构特性及其电火花加工放电状态特性并根据功能梯度材料各层材料电火花加工放电状态的变化作为激发源，结合模糊控制理论，将短路率和火花率为输入量，同时脉宽扩展及速度变化量为输出量，实现加工过程的实时反馈控制，并按照加工材质的不同逐级自适应地进行能量匹配，直至完成所要求尺寸的加工；所述自适应包括不同加工层间的自适应与相同层不同加工参数的自适应。实现对加工过程的实时控制，保证加工过程的稳定高效的进行，直至加工完成。
[0019]本发明首先针对金属-陶瓷功能梯度材料加工方法及其控制技术尚未成熟的实际情况，为了扩大功能梯度材料的应用领域开展了金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工控制技术的研究；其次针对金属-陶瓷功能梯度材料电火花小孔加工中由于材料本身结构特性所导致各层放电状态不一致及加工难度差别大的问题，充分研究梯度材料电火花加工放电状态特点，以梯度材料不同加工阶段放电状态的变化作为激发源并结合先进的模糊控制技术，发明一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制策略(方法)。
[0020]本发明的金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制策略为高效、稳定地实现金属-陶瓷功能梯度材料的电火花加工提供了保证；利用分层梯度材料电火花加工放电状态所独有的特点结合智能控制技术完成控制系统的搭建推动了自适应智能控制技术与工业加工技术的结合，同时丰富了电火花加工控制技术的内涵。
[0021]本发明利用梯度材料不同加工阶段放电状态的变化作为激发源对金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工过程进行实时反馈控制，可以根据加工材质的不同自适应的调整电源参数实现加工能量的自动匹配，克服了利用相同能量对不同材料进行电火花加工由于材料的蚀除机理不同导致的放电状态不稳定和陶瓷层难加工的问题。本发明利用神经网络对金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工工艺数据库进行了优化，可以进一步的提高所提出控制策略的有效性。
[0022]本发明方法具体地说是一种利用材料金属基和陶瓷基含量的梯度变化，以梯度材料不同加工阶段的放电状态变化作为激发源进行实时反馈控制，实现复合材料不同组分电火花加工能量匹配的一种电火花加工自适应控制策略。本发明针对金属-陶瓷功能梯度材料由于其各层组分及结构特性不同，导致在加工过程中各层火花放电对材料的蚀除机理不同及放电状态差别较大的特性；研究电火花加工金属-陶瓷功能梯度材料各层材料的放电状态，以梯度材料不同加工阶段放电状态的变化作为激发源并结合先进的智能控制技术，发明金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制策略。针对金属-陶瓷功能梯度材料展开电火花加工控制技术的研究是一项具有创新性和挑战性的研究工作，其研究成果不但可以丰富电火花加工的内涵，而且对提升我国先进复合材料的加工和应用水平意义重大。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明所述的自适应模糊控制流程图；图2是短路率隶属函数图；图3是火花率隶属函数图；图4是脉间扩展隶属函数图；图5是速度变化量隶属函数图；图6是不同控制系统下加工N1-Al2O3功能梯度材料放电波形对比图，其中:a为常规控制加工波形图，b为逐级自适应模糊控制加工波形图；图7是自适应模糊控制策略与常规控制策略对金属陶瓷功能梯度材料孔加工的实验对比图片(图中:1_采用自适应模糊控制策略加工孔、2-采用常规控制方法加工孔、3-金属层、4-陶瓷层)。
【具体实施方式】
[0024]一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，充分地体现了材料结构特性与电火花加工方法之间的有机结合，下面结合附图对本发明【具体实施方式】作进一步的说明。
[0025]【具体实施方式】一:[0026]一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，所述金属-陶瓷功能梯度材料是由金属层、梯度层和陶瓷层组成的多层复合功能梯度材料且开始加工第一层材料为导电金属层；所述控制方法利用模糊控制器模型来实现，模糊控制器模型以短路率及火花率为输入量，将脉间扩展及速度变化量为输出量，所述输入、输出量的隶属区间为:
[0027]短路率e [0,1];
[0028]火花率e [0,1];
[0029]脉间扩展e [0.5，4];
[0030]速度变化量e [-2，2];
[0031]利用所述模糊控制器模型对金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工进行自适应模糊控制的过程为:设定初始的加工参数，开始对功能梯度材料进行电火花加工，同时通过放电检测模块检测放电加工过程的放电电压、电流参数，并对放电过程的放电状态进行统计；以短路率及火花率为输入量，通过短路率隶属函数(如图2)和火花率隶属函数(如图3)对输入量进行模糊化处理；利用工艺参数库作为推理规则进行推理，将脉间扩展及速度变化量为输出量，通过脉间扩展隶属函数(如图4)和速度变化量隶属函数(如图5)对输出量进行反模糊化处理，实现对加工过程的实时控制。所述金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工放电状态特性是指:各层材料稳定加工时放电状态不同(当放电加工进行到下一层材料时会造成放电状态的突变而且各层材料稳定加工时放电状态存在明显的差异)。所述工艺参数库是利用工艺实验建立金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工工艺数据库并作为神经网络的样本，进过学习训练得到的各层材料放电加工的最优电源参数及进给速度组合。所述金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工模糊控制器模型是以梯度材料加工过程中2000个脉冲的放电统计的短路率及火花率为输入量，以脉间扩展及速度变化量为输出量，利用工艺参数库作为推理规则进行推理，实现对加工过程的实时控制。
[0032]将工具电极与工件分别装夹到电火花实验平台上，工件浸没在煤油中，开启加工程序。金属-陶瓷功能梯度材料在电源脉冲的作用下与工具电极迅速产生火花放电现象。利用放电检测模块，对放电加工过程中的电压、电流进行检测与采集。利用放电统计模块对2000个电源脉冲对应的短路及火花放电进行统计。将统计短路率及火花率输入到模糊控制器进行模糊化处理，依据工艺参数库进行推理，将推理后结果进行反模糊化处理并输出，对现有加工脉间及进给速度参数进行更改实现电火花加工金属-陶瓷功能梯度材料加工的稳定高效的加工。然后判断加工是否完成，如果未完成则继续执行上述的自适应控制过程，最终实现加工过程逐级自适应模糊控制直至完成所要求尺寸的加工。
[0033]【具体实施方式】二
[0034]本实施与实施一不同的是所述的脉冲电源为晶体管可控RC脉冲电源，其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0035]图7显示采用逐级适应模糊控制策略与常规控制方法对金属-陶瓷功能梯度材料的加工对比:常规控制方法因加工孔过程中加工参数固定，在加工到陶层时无法形成稳定的导电膜，所以无法顺利在金属-陶瓷功能梯度材料上加工通孔。采用逐级适应模糊控制策略可依据不同材料层的特性进行参数最优组合，在加工到陶瓷成分含量高的梯度层及陶瓷层时，可以通过控制电参数形成稳定的导电膜，实现在金属-陶瓷功能梯度材料上加工通孔。
[0036]采用常规的点火花控制策略，因加工到陶瓷层后，放电极不稳定，难以控制加工过程中导电膜的形成，导致陶瓷层无法正常加工。采用自适应模糊控制策略后可以有效的保持导电膜的形成，使加工能够顺利进行，完成金属-陶瓷功能梯度材料的顺利加工。
[0037]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0038]本发明方法的工作基理:
[0039]所述的金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工的放电状态与其材料组分有密切的关系，金属层的电火花蚀除是依靠火花放电在工件侧产生的能量将金属材料熔化、气化并利用瞬间温度升高将熔化或气化的材料蚀除，具有典型的电火花放电加工的电压及电流波形；梯度层因材料中混有陶瓷颗粒，且陶瓷的熔点和沸点要远高于金属的熔点和沸点，在利用电火花加工梯度层时，材料的蚀除方式主要是依靠将陶瓷颗粒周围的金属蚀除后，陶瓷颗粒的因缺少支撑而脱落，以及伴随少量的陶瓷颗粒熔化和气化现象，以达到加工材料的目的；作为金属-陶瓷梯度功能材料的最难加工的陶瓷层，通过电火花加工就需要建立导电相，加工过程中导电相的建立是通过在加工梯度层过程中分解工作液产生的碳沉积在陶瓷表面形成的，通过工具与碳膜之间的放电产生的能量蚀除陶瓷，该层的加工过程中空载状态明显增加且电压电流与金属层及梯度层加工相比存在明显的差别。利用各层之间蚀除机理的差别产生的放电电压及电流及空载特性作为该模糊控制的激发源，对加工过程中的电压电流等信号进行实时监控，并对工艺参数进行实施修改，已达到对金属-陶瓷材料逐级自适应加工的效果。
[0040]所述的金属-陶瓷功能梯度材料的梯度层是由金属层向陶瓷层过渡的一层具有导电性沿梯度方向变化的复合材料。
[0041]所述的金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工放电状态特点体现在一方面由于材料本身绝缘性陶瓷含量较高导致加工过程极不稳定且空载状态较多；另一方面由于材料为分层复合结构，当放电加工进行到梯度层或者下一层材料时会造成放电状态的突变而且各层材料稳定加工时放电状态也会存在明显的差异。
[0042]所述的放电状态检测是针对金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工放电状态特点为了准确区分加工过程短路状态和火花放电状态而进行的放电状态检测技术，其原理为利用一个阈值电压为基准，将短路和火花放电电压信号转化为与放电时间有关的方波信号进行区分，这样就解决了由于两者平均电压相差不大而导致利用平均电压法难以对它们进行准确辨别的问题。
[0043]所述的放电状态统计是基于上述放电状态检测技术，以脉冲个数为单位、每2000脉冲为一个统计周期的放电状态统计方法。
[0044]所述的模糊控制器是以加工过程中的短路率和火花率作为输入量，以脉间扩展和进给速度变化量作为输出量。通过输入量短路率隶属函数(图2)和火花率的隶属函数(图3)进行模糊化处理，利用工艺参数库作为推理规则进行推理，决策输出模糊量，并将推理结果依据脉间扩展隶属函数(图4)及速度变化量隶属函数(图5)进行反模糊化处理，将脉间扩展量和进给速度变化量作为输出量，实现对金属-陶瓷功能梯度材料的高效、稳定加工。
[0045]所述的工艺参数库是利用工艺实验建立金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工工艺数据库并作为神经网络的样本，进过学习训练得到的各层材料放电加工的最优电源参数及进给速度组合。
[0046]整个加工过程中工具电极在高速主轴的带动下可以实现转速0_4000r/min范围内可调，因此既可以实现深小孔电火花加工又可以完成电火花成型加工。
[0047]实施例:
[0048]
【权利要求】
1.一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，所述金属-陶瓷功能梯度材料是由金属层、梯度层和陶瓷层组成的多层复合功能梯度材料且开始加工第一层材料为导电金属层；其特征在于:所述控制方法利用模糊控制器模型来实现，模糊控制器模型以短路率及火花率为输入量，将脉间扩展及速度变化量为输出量，所述输入、输出量的隶属区间为: 短路率e [O, I]； 火花率e [O, I]； 脉间扩展e [0.5,4]； 速度变化量e [_2，2]； 利用所述模糊控制器模型对金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工进行自适应模糊控制的过程为:设定初始的加工参数，开始对功能梯度材料进行电火花加工，同时通过放电检测模块检测放电加工过程的放电电压、电流参数，并对放电过程的放电状态进行统计；以短路率及火花率为输入量,通过短路率隶属函数和火花率隶属函数对输入量进行模糊化处理；利用工艺参数库作为推理规则进行推理，将脉间扩展及速度变化量为输出量，通过脉间扩展隶属函数和速度变化量隶属函数对输出量进行反模糊化处理，实现对加工过程的实时控制。
2.根据权利要求1所述的一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，其特征在于，所述金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工放电状态特性是指各层材料稳定加工时放电状态不同。
3.根据权利要求2所述的一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，其特征在于，所述工艺参数库是利用工艺实验建立金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工工艺数据库并作为神经网络的样本，经过学习训练得到的各层材料放电加工的最优电源参数及进给速度组合。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工逐级自适应模糊控制方法，其特征在于，金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工模糊控制器模型是以梯度材料加工过程中2000个脉冲的放电统计的短路率及火花率为输入量，以脉间扩展及速度变化量为输出量，利用工艺参数库作为推理规则进行推理，实现对加工过程的实时控制。
【文档编号】B23H1/02GK104028861SQ201410234570
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】王振龙, 董树亮, 耿雪松, 王玉魁, 迟关心 申请人:哈尔滨工业大学