基于MATLAB模糊控制的微小電加工放電狀態(tài)識別研究

摘 要 本文在總結(jié)微小電火花加工放電狀態(tài)規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用糊控制技術(shù)對放電狀態(tài)進(jìn)行模糊辨識檢測；利用matlab的FUZZY模塊設(shè)計(jì)放電狀態(tài)模糊檢測控制器，并進(jìn)行了仿真模擬，得到了良好的辨識結(jié)果，通過把本文設(shè)計(jì)的放電狀態(tài)模糊檢測控制器用于微細(xì)孔加工實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)的放電狀態(tài)檢測方法相比，得到了比較好的加工效果，并且明顯的縮短了加工的時(shí)間，提高了加工效率。

關(guān)鍵詞 微小電火花；放電狀態(tài)；模糊規(guī)則；電壓；電流

中圖分類號 T233 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0102-02

電火花加工過程實(shí)質(zhì)上就是工具電極和工件電極之間放電間隙調(diào)整的過程，即通過調(diào)整間隙大小使加工穩(wěn)定進(jìn)行，最終達(dá)到要求的加工尺寸與精度。放電間隙狀態(tài)的變化直接影響到加工質(zhì)量、加工穩(wěn)定性和加工效率；檢測工具電極與工件之間的間隙放電狀態(tài)是放電狀態(tài)檢測模塊最為主要的作用，這也是為控制系統(tǒng)能發(fā)出伺服控制信號提供了有利的依據(jù)。良好的間隙放電狀態(tài)檢測技術(shù)是作為加工過程中能否進(jìn)行高效的伺服控制的關(guān)鍵因素存在的，因此先進(jìn)的檢測環(huán)節(jié)是不論哪種先進(jìn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)條件。

1 微小電火花放電狀態(tài)檢測提出

微小電火花加工是個(gè)極其復(fù)雜的過程，由于脈沖電源的放電頻率高、放電能量小、其放電波形容易產(chǎn)生畸變，在常規(guī)電火花放電狀態(tài)下，由于放電信號穩(wěn)定，隨機(jī)干擾信號相對于正常的放電信號弱得多，因此檢測非常有效。而在微小電火花加工中，放電加工的脈沖與常規(guī)電火花加工有所不同，其脈沖的寬度很小，一般可達(dá)1μs，受到的外界干擾比較大，而且在加工過程中，隨著加工深度的變化，排屑愈發(fā)的困難，放電波形極易發(fā)生畸變，因此常規(guī)檢測方法不再適用，需要設(shè)計(jì)新的辨識方法。

2 放電狀態(tài)模糊辨識方法的提出

不同的放電間隙狀態(tài)有不同的加工性能，常規(guī)檢測方法不再適用于小細(xì)電火花加工領(lǐng)域，因?yàn)檫@些方法大多只是檢測單一放電參數(shù)，不能充分利用間隙放電時(shí)所包含的全部或者部分信息。Y.S.Tarng提出利用放電電壓和電流信號通過模糊規(guī)則對電火花加工放電間隙狀態(tài)進(jìn)行檢測，此方法雖然能對放電點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，但仍存在一個(gè)很大缺陷，因此本文中提出的同事檢測電壓和電流，根據(jù)模糊規(guī)則中的兩者關(guān)系，狀態(tài)檢測的不確定性也通過信號互補(bǔ)予以消除，以此確定放電點(diǎn)的放電狀態(tài)，在分析和確定單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)時(shí)需要對單個(gè)脈沖的各個(gè)放電點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行逐一統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)各種放電脈沖的狀態(tài)，為電極進(jìn)提供依據(jù)。

3 放電點(diǎn)的模糊辨識

電火花加工時(shí)的電壓信號與電流信號是放電狀態(tài)的模糊辨識系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，結(jié)合專業(yè)的推理加之兩種信號之間的互補(bǔ)性予以完成。電壓信號與電流信號是作為一組練習(xí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，是告訴集采卡同步采集傳入計(jì)算機(jī)的離散信號。根據(jù)放電間隙脈沖的波形特點(diǎn)，開路、花花、脈間以及短路是將采集點(diǎn)劃分成的四種狀態(tài)。

隸屬度函數(shù)的確定，應(yīng)該能客觀地反映出模糊現(xiàn)象的具體特點(diǎn)，符合客觀規(guī)律，三角形成了人們在處于簡化計(jì)算角度考慮而將其定位許多模糊邏輯的隸屬度函數(shù)，但是在實(shí)際的操作中鐘形才是根據(jù)模糊統(tǒng)計(jì)法得到的隸屬度函數(shù)，但是考慮到鐘形函數(shù)的計(jì)算時(shí)間長并且是一個(gè)光滑函數(shù)，因此用計(jì)算時(shí)間較短且是分段光滑函數(shù)的梯形函數(shù)代替。

在考慮到微細(xì)電火花加工中火花放電與電弧放電的區(qū)別很小且放電平率高的特點(diǎn)，我們將火花放電與電弧放電歸為一類，因?yàn)閰^(qū)別很小，所以這樣劃分不會影響到一組脈沖經(jīng)過統(tǒng)計(jì)后五種狀態(tài)的劃分。三角形隸屬函數(shù)是在模糊辨識模塊邏輯輸出中四種放電點(diǎn)狀態(tài)的表現(xiàn)形式，具體的隸屬度函數(shù)利用matlab的Fuzzy模糊控制模塊設(shè)計(jì)如圖2的（a），（b），（c）所示。

3.3 放電點(diǎn)狀態(tài)的模糊規(guī)則的確定

根據(jù)電火花加工放電狀態(tài)分類及其特征，并結(jié)合大量的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，制定8條主要的模糊邏輯規(guī)則集，并設(shè)計(jì)如下表1所示的模糊控制規(guī)則表：

3.4 確定解模糊化方法

應(yīng)用重心法及其表1的模糊控制規(guī)則進(jìn)行matlab仿真模擬，得到下圖3所示的電火花放電狀態(tài)與輸入電壓和電流之間的三維曲線關(guān)系。從仿真結(jié)果的三維曲線圖可以看出，放電狀態(tài)的模糊控制效果比較好，為了更好地說明此模糊控制器的效果，下一節(jié)將進(jìn)行一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將本文提出的微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)檢測方法應(yīng)用于電火花加工實(shí)驗(yàn)裝置中，通過進(jìn)行一定量的電火花加工試驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電火花加工放電狀態(tài)檢測方法進(jìn)行比較。為說明加工效果、并對上述兩類檢測控制方法進(jìn)行比較，現(xiàn)對小孔電火花加工試驗(yàn)舉例如下：

第一組：開啟脈沖電源的30歐姆限流電阻，采用本文研究的“模糊檢測控制方法”進(jìn)行小孔加工試驗(yàn)，加工時(shí)間如表2所示。

從以上四組加工試驗(yàn)結(jié)果的對比可知：在相同的加工條件下，應(yīng)用本文研究設(shè)計(jì)的模糊檢測控制方法比應(yīng)用傳統(tǒng)檢測控制方法的加工時(shí)間明顯縮短，加工效率明顯提高；并且，當(dāng)

加工參數(shù)的設(shè)置與微細(xì)電火花加工參數(shù)越接近時(shí)，應(yīng)用本文研究設(shè)計(jì)的檢測控制方法的加工效率的提高就越為明顯。

5 總結(jié)

本課題在傳統(tǒng)的微小電火花加工放電狀態(tài)檢測與控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，針對微細(xì)電火花加工過程中的高頻放電、微能放電、復(fù)雜干擾及放電信號畸變嚴(yán)重等實(shí)際加工情況，提出了一種基于模糊邏輯的微小電火花加工放電狀態(tài)檢測方法。將該檢測方法應(yīng)用在微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：本文提出的放電狀態(tài)檢測方法具有運(yùn)算量少、加工效率高和準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，該檢測方法不但為放電加工過程的實(shí)時(shí)控制提供了系統(tǒng)放電狀態(tài)的反饋輸入，同時(shí)也為微小電火花加工放電狀態(tài)預(yù)測的研究工作提供了良好的前提保證。

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