电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统及方法与流程

本发明涉及特种加工技术领域，特别涉及一种电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统及方法。

背景技术：

电火花加工是利用工具电极和工件之间的脉冲式火花放电实现材料的去除。电火花加工能够正常进行的条件之一，就是工具电极和工件之间始终维持微小放电间隙，其大小通常取决于放电参数和加工状态。由于加工过程中工件被加工和工具电极不断损耗，造成工件和电极之间的加工间隙变大。当加工间隙增大到超过放电间隙范围时，将无法继续进行电火花加工。因此，在电火花加工过程中通常伺服控制工具电极进退，以维持较为理想的加工间隙。这是通过高速采集电极和工件极间状态量作为反馈信号，比较反馈状态量与正常加工设定的极间间隙状态量来得到控制信息，利用控制信息闭环伺服控制工具电极以维持放电间隙。

对于这种微小加工间隙的闭环伺服控制过程，控制系统的响应延时影响其伺服控制特性。此伺服控制过程中包括加工状态量采样、控制算法计算、信号输入输出、运动系统驱动传动等多个环节，每个环节都可能产生一定的延时。这样，整个闭环总的响应延时包括控制系统接收放电状态检测信号、控制系统运算输出控制信号、驱动元件接收控制信号输出运动、传动系统作用到工具电极终端的全部响应时间。虽然延时时间非常短(毫秒甚至微妙量级)，但对微小加工间隙(微米量级)的伺服控制效果影响却较为明显，而且这主要取决于整个闭环环节总的响应延时。为优化电火花加工间隙的伺服控制特性，需要精确测量这个全闭环伺服控制响应延时(或响应频率)。

常规测量方法无法精度测量上述这种全闭环响应延时时间。基于光栅、激光干涉仪等反馈元件的测量系统，还主要是对驱动传动机械系统伺服响应延时或响应频率的测量。这只是得到从控制信号输出到驱动元件(比如电机)或终端执行机构(比如工作台、刀具)动作响应之间的延时。电火花加工主轴控制系统伺服响应延时测量具有特殊性，是要测量从加工间隙变化产生反馈信号到工具电极受控产生运动状态变化之间的整个环节响应时间。

目前尚缺乏一种电火花加工主轴系统全闭环伺服响应延时的简易直观、高效且精确的测量系统及方法。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统。

本发明的另一个目的在于提出一种电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法。该方法成本低、操作便捷、分辨率和灵敏度高，可通用于各种机床运动系统的伺服响应延时测量。

为达到上述目的，本发明一方面提出了电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统，包括：电火花加工系统主轴，所述电火花加工系统的主轴装夹有工具电极，以控制所述工具电极进给运动；非接触式电涡流位移传感器，所述非接触式电涡流位移传感器固定于所述电火花加工系统的主轴上，以监测记录所述主轴和所述工具电极的位移动作；加工间隙伺服控制系统，所述加工间隙伺服控制系统的输入端连接所述工具电极和所述工件极间，所述加工间隙伺服控制系统的输出端连接主轴驱动电机，用于以分别反馈工件极间电信号和输出工具电极运动的控制信号；双通道数字示波器，所述双通道数字示波器具有第一通道和第二通道，其中，所述第一通道与输出信号线连接，所述第二通道与所述工具电极和工件连接，以分别监测所述工具电极运动变化时刻和工件极间的电信号变化时刻，并比较两个信号的时间差，以得到全闭环响应延时。

本发明实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统，通过测试加工间隙状态从短路变化为开路时刻，与工具电极从短路回退到开路进给时刻之间的时间差，测得工具电极伺服控制全闭环的响应延时，使得测量系统成本低、操作便捷、分辨率和灵敏度高，还通用于各种机床运动系统的伺服响应延时测量。

另外，根据本发明上述实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述工具电极接触所述工件时，所述工具电极和所述工件极间产生短路信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在开路状态下，所述加工间隙伺服控制系统输出控制信号，以根据所述控制信号控制所述工具电极向下进给运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述加工间隙伺服控制系统根据反馈信号输出控制信号，短路状态下控制所述工具电极回退。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非接触式电涡流位移传感器在测试所述工具电极运动并转化为电信号接入所述双通道数字示波器的一个通道。

为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法，包括以下步骤：s101，通过电火花加工系统主轴控制工具电极进给，使所述工具电极接触到工件；s102，通过步骤s101中的进给使所述工具电极接触所述工件产生短路信号；s103，加工间隙伺服控制系统根据所述工具电极和所述工件极间电信号输出控制信号，以在短路状态下控制所述工具电极快速回退；s104，通过双通道数字示波器分别记录极间电信号变化时刻和所述工具电极运动变化时刻转换为所述电涡流位移传感器反馈电信号时刻，以对两个信号的时间进行比较得到全闭环响应延时。

本发明实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法，通过测试加工间隙状态从短路变化为开路时刻，与工具电极从短路回退到开路进给时刻之间的时间差，测得工具电极伺服控制全闭环的响应延时，使得测量过程成本低、操作便捷、分辨率和灵敏度高，还通用于各种机床运动系统的伺服响应延时测量。

另外，根据本发明上述实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述工具电极接触所述工件时，所述工具电极和所述工件极间产生短路信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在开路状态下，所述加工间隙伺服控制系统输出控制信号，控制所述工具电极向下进给运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述非接触式电涡流位移传感器在测试所述工具电极运动并转化为电信号接入所述双通道数字示波器的一个通道。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述加工间隙伺服控制系统根据反馈极间电信号输出控制信号，短路状态下控制所述工具电极回退。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统具体步骤流程图；

图3是本发明一个实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统的示波器信号示意图；

图4是本发明一个具体实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统的结构示意图；

图5是本发明一个具体实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统的测量结果图；

图6是本发明一个实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统。

图1是本发明一个实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统结构示意图。

如图1所示，该电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统10包括：电火花加工系统主轴100、非接触式电涡流位移传感器200、加工间隙伺服控制系统300和双通道数字示波器400。

其中，电火花加工系统主轴100装夹有工具电极，以控制工具电极进给运动。

非接触式电涡流位移传感器200固定于电火花加工系统主轴上，以监测记录主轴和工具电极的位移动作。

加工间隙伺服控制系统300的输入端连接工具电极和工件极间，加工间隙伺服控制系统的输出端连接主轴驱动电机，用于以分别反馈工件极间电信号和输出工具电极运动的控制信号。

需要说明的是，加工间隙伺服控制系统300根据反馈信号输出控制信号，以根据控制信号控制工具电极向下进给运动，或者短路状态下控制工具电极回退。其中，当工具电极接触工件时，工具电极和工件极间产生短路信号。

双通道数字示波器400具有第一通道和第二通道，其中，第一通道与输出信号线连接，第二通道与工具电极和工件连接，以分别监测工具电极运动变化时刻和工件极间的电信号变化时刻，并比较两个信号的时间差，以得到全闭环响应延时。

其中，双通道数字示波器400第二通道监测工具电极与工件之间的电信号，第一通道监测工具电极的位移运动。

具体而言，非接触式电涡流位移传感器200固定于电火花加工系统支架上或电火花加工系统主轴上，输出电信号(参考地线和信号线)与双通道数字示波器400上第一通道连接，用于监测记录主轴和工具电极的位移运动，工具电极和工件与双通道数字示波器400上第二通道连接，用于监测记录工具电极与工件极间的电信号变化。

也就是说，本发明实施例的系统工作流程为：将非接触式电涡流位移传感器200固定到夹持有工具电极的电火花加工系统主轴100上，并将非接触式电涡流位移传感器20的输出信号线接入示波器第一通道，再将工具电极和工件分别接入加工间隙伺服控制系统300的输入端和示波器第二通道；加工间隙伺服控制系统300输出控制信号，开路状态下控制工具电极向下进给运动；当工具电极接触工件时，工具电极和工件极间产生短路信号，加工间隙伺服控制系统300根据反馈极间电信号输出控制信号，短路状态下控制工具电极快速回退；双通道数字示波器400分别记录极间电信号变化时刻和工具电极运动状态改变的电信号时刻，比较两信号时间差即可得到全闭环响应延时。

根据上述所言可知本发明实施例的测量原理为：通过测试加工状态变化时刻与工具电极运动状态响应改变时刻之间的响应时间得到，采用非接触式电涡流位移传感器200监测工具电极运动状态并输入示波器第一通道，同时利用示波器第二通道监测工件和工具电极极间电信号变化，测得两信号时间差即可得到全闭环伺服延时。

下面结合具体测量实施例对本发明实施例电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统进行详细描述。

如图1所示，此发明测量系统主要组成为：

(1)电火花加工系统主轴100：装夹工具电极，并响应伺服运动；

(2)非接触式电涡流位移传感器200：测试工具电极运动并转化为电信号接入示波器一个通道；

(3)加工间隙伺服控制系统300：加工间隙伺服控制系统的输入端连接工具电极和工件、输出端连接主轴驱动电机，分别用以反馈极间电信号和输出工具电极运动的控制信号；

(4)双通道数字示波器400：监测记录并比较两路信号，得出系统全闭环响应延时。

如图2-5所示，非接触式电涡流位移传感器200可以将微位移量转变为电压信号量，经标定其输出灵敏度为21mv/μm，频响达5khz(响应时间0.2ms)可以满足测量系统对传感器频响和分辨率的需要。具体测量步骤如下：

(1)将非接触式电涡流位移传感器200固定到夹持有工具电极的电火花加工系统主轴100上，并将非接触式电涡流位移传感器200的输出信号线接入示波器一个通道ch1；将工具电极和工件分别接入加工间隙伺服控制系统300的输入端和示波器另一通道ch2；

(2)加工间隙伺服控制系统300输出控制信号，开路状态下控制工具电极向下进给运动；

(3)当工具电极接触工件时，工具电极和工件极间产生短路信号，双通道数字示波器400记录极间电信号变化时刻；

(4)加工间隙伺服控制系统300根据反馈极间电信号输出控制信号，短路状态下控制工具电极快速回退；

(5)非接触式电涡流位移传感器200输出工具电极运动位移变化的电信号，双通道数字示波器400记录工具电极运动状态的位移电信号变化时刻，如图3所示，可能有两种测试结果曲线；

(6)实施例中以图3中第二种情况为例，如图5所示，工具电极运动信号ch1和极间电压信号ch2在数字示波器上显示，这样同时记录极间间隙从短路到开路变化状态和工具电极运动从短路回退到开路进给的变化状态，比较两信号时间差，即测得全闭环伺服响应延时22ms。

本发明实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统具有以下优点：

(1)本系统采用电火花加工系统本身具有的加工间隙伺服控制系统、通用的双通道数字示波器、较低成本的非接触式电涡流位移传感器作为测量系统主要硬件，具有成本低、操作方便的优点；

(2)本系统通过一次测量过程操作，即可测得所有延时环节的全闭环延时时间，测量过程节省时间，测量效率较高；

(3)本系统是基于电信号作为反馈和记录的测量信号，具有响应速度快、分辨率和灵敏度高的优点；

(4)本系统测量系统结构紧凑小巧，在电火花加工机床上具有通用性，同时该测量方法可通用于各种机床运动系统的伺服响应延时测量。

综上所述，根据本发明实施例提出的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统，通过测试加工间隙状态从短路变化为开路时刻，与工具电极从短路回退到开路进给时刻之间的时间差，测得工具电极伺服控制全闭环的响应延时，使得测量过程成本低、操作便捷、分辨率和灵敏度高，还通用于各种机床运动系统的伺服响应延时测量。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法。

图6是本发明一个实施例的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法流程图。

如图6所示，该电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法包括以下步骤：

在步骤s101中，通过电火花加工系统主轴控制工具电极进给，使工具电极接触到工件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，工具电极接触工件时，工具电极和工件极间产生短路信号。

在步骤s102中，通过步骤s101中的进给使工具电极接触工件产生短路信号。

在步骤s103中，加工间隙伺服控制系统根据工具电极和工件极间电信号输出控制信号，以在短路状态下控制工具电极快速回退。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在开路状态下，加工间隙伺服控制系统根据反馈信号输出控制信号，控制工具电极向下进给运动，如在短路状态下控制所述工具电极回退。

进一步地，在本发明的一个实施例中，非接触式电涡流位移传感器在测试工具电极运动并转化为电信号接入双通道数字示波器的一个通道。

在步骤s104中，通过双通道数字示波器分别记录极间电信号变化时刻和工具电极运动变化时刻转换为所述电涡流位移传感器反馈电信号时刻，以对两个信号的时间进行比较得到全闭环响应延时。

需要说明的是，前述对电火花加工主轴系统伺服响应延时测量系统实施例的解释说明也适用于该方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的电火花加工主轴系统伺服响应延时测量方法，通过测试加工间隙状态从短路变化为开路时刻，与工具电极从短路回退到开路进给时刻之间的时间差，测得工具电极伺服控制全闭环的响应延时，使得测量过程成本低、操作便捷、分辨率和灵敏度高，还通用于各种机床运动系统的伺服响应延时测量。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。