本發(fā)明涉及型腔電火花加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種型腔電火花加工工作液成分監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

型腔電火花加工是基于工具和工件之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。要保證加工過程的正常實(shí)現(xiàn)首先必須使工具電極和工作液加工表面之間經(jīng)常保持一定的放電間隙，其次火花放電必須是瞬時(shí)的脈沖放電。而且火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行，例如煤油、皂化液等混合有機(jī)液體介質(zhì)。液體介質(zhì)又稱工作液，它必須有較高的絕緣強(qiáng)度，以有利于產(chǎn)生脈沖性的火花放電。同時(shí)液體介質(zhì)還能把電火花加工過程中產(chǎn)生的金屬小屑、碳黑等電蝕產(chǎn)物從放電間隙中懸浮排除出去，并對(duì)電極和工件表面有較好的冷卻作用。

在型腔電火花加工過程中工具和工件電極間的介質(zhì)經(jīng)過電離、擊穿、形成放電通道后，為加工提供的電能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，動(dòng)能通過碰撞后又轉(zhuǎn)變成熱能。于是在通道內(nèi)、正負(fù)極表面分別成為瞬時(shí)熱源，達(dá)到很高的溫度。通道內(nèi)高溫首先把工作液介質(zhì)汽化，進(jìn)而熱裂分解氣化，如煤油等碳?xì)浠衔锕ぷ饕焊邷睾罅呀鉃闅錃?、二氧化碳、某些烴類氣體和游離碳等。這些分解產(chǎn)物溶解在工作液中導(dǎo)致工作液的成份發(fā)生變化，因此需要對(duì)工作液的成份進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種型腔電火花加工工作液成分監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花加工工作液中混合氣體成分的分析。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種型腔電火花加工工作液成分監(jiān)測系統(tǒng)，包括混合氣樣品制備單元、檢測器氣路單元、嵌入式控制單元和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元；所述混合氣樣品制備單元包括依次連接的工作液抽樣接口、脫氣裝置和混合氣樣品進(jìn)樣裝置，所述脫氣裝置和混合氣樣品進(jìn)樣裝置分別與嵌入式控制單元相連；所述混合氣樣品進(jìn)樣裝置還與所述檢測器氣路單元相連；所述檢測器氣路單元分別與所述嵌入式控制單元和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元相連；所述嵌入式控制單元和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元之間通過現(xiàn)場總線相連。

所述工作液抽樣接口為雙向工作液的抽樣接口機(jī)構(gòu)，由蝕除顆粒濾網(wǎng)、電動(dòng)三通閥門和儲(chǔ)液油箱實(shí)現(xiàn)，用于對(duì)型腔電加工工作液的抽樣及成分分析結(jié)束后的回排，實(shí)現(xiàn)工作液的循環(huán)使用。

所述檢測器氣路單元包括依次連接的進(jìn)樣口、CO₂檢測器、色譜柱箱和氧化鋯檢測器；所述進(jìn)樣口的輸入端還連接有氣路控制元件的輸出端，所述氣路控制元件的輸入端與載氣相連。

所述氧化鋯檢測器通過信號(hào)衰減模塊與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元相連。

所述氧化鋯檢測器的氧化鋯管插入陶瓷管內(nèi)，陶瓷管外為加熱爐裝置，在加熱爐裝置中裝有Pt100溫度傳感器。

所述CO₂檢測器包括紅外氣體傳感器和紅外光源配套元件；所述紅外氣體傳感器上有兩個(gè)濾光片，其中一個(gè)濾光片只允許CO₂分子能夠吸收的波長為4.26μm的紅外光通過，用于檢測CO₂的濃度；另外一個(gè)濾光片構(gòu)成4.00μm濾光片通道，用于檢測氣室內(nèi)除了CO₂以外其它混合氣體的濃度變化情況。

所述嵌入式控制單元采用總線通信的方式與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行雙向信息交互，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字量接口方式與檢測器氣路單元相連，采用數(shù)字量接口及功率驅(qū)動(dòng)單元與混合氣樣品制備單元相連。

所述嵌入式控制單元通過溫度閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)混合氣樣品制備單元和檢測器氣路單元的溫度進(jìn)行控制。

所述嵌入式控制單元接收脫氣裝置中液體量和脫氣量的信息，并根據(jù)相關(guān)信息經(jīng)過計(jì)算處理后控制相應(yīng)的閥門的開關(guān)及開度狀態(tài)保證恒定體積工作液的脫氣量，確保電火花加工工作液成分分析的準(zhǔn)確。

所述計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元采用相關(guān)的色譜工作站軟件及工作液成分分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)型腔電火花加工工作液成分及加工間隙狀態(tài)和加工效果的分析及評(píng)判。

有益效果

由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花加工工作液中混合氣體成分的分析，在此基礎(chǔ)上判斷電火花加工間隙及加工狀態(tài)的評(píng)估與預(yù)判，保證了不同工況下型腔電火花加工過程的穩(wěn)定性及提高加工效率和加工效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的嵌入式控制單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的氧化鋯檢測器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明CO₂檢測器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種型腔電火花加工工作液成分監(jiān)測系統(tǒng)，包括混合氣樣品制備單元、檢測器氣路單元、嵌入式控制單元和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元；所述混合氣樣品制備單元包括依次連接的工作液抽樣接口、脫氣裝置和混合氣樣品進(jìn)樣裝置，所述脫氣裝置和混合氣樣品進(jìn)樣裝置分別與嵌入式控制單元相連；所述混合氣樣品進(jìn)樣裝置還與所述檢測器氣路單元相連；所述檢測器氣路單元分別與所述嵌入式控制單元和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元相連；所述嵌入式控制單元和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元之間通過現(xiàn)場總線相連。

其中，所述嵌入式控制單元采用總線通信的方式與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行雙向信息交互，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字量接口方式與檢測器氣路單元相連，采用數(shù)字量接口及功率驅(qū)動(dòng)單元與混合氣樣品制備單元相連。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元由PCI板卡及串行總線與氧化鋯檢測器及嵌入式控制單元進(jìn)行信息交互。采用相關(guān)的色譜工作站軟件及工作液成分分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)型腔電火花加工工作液成分及加工間隙狀態(tài)和加工效果的分析及評(píng)判。

本發(fā)明針對(duì)型腔電火花加工中礦油型和煤油工作液為基礎(chǔ)，結(jié)合色譜分析技術(shù)，通過型腔電火花加工過程采用頂空進(jìn)樣方法定期進(jìn)樣，以色譜技術(shù)定量分析結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)定性分析的方法，建立起不同工作液中成份含量與加工穩(wěn)定性及加工效率及加工效果的關(guān)系數(shù)據(jù)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及概率論的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，為日后型腔電火花加工放電狀態(tài)檢測裝置、加工間隙狀態(tài)和加工質(zhì)量分析及高效環(huán)保的高速合成型電火花加工工作液提供基礎(chǔ)。

如圖1所示一種型腔電火花加工工作液成分監(jiān)測系統(tǒng)，包括由工作液抽樣及回排循環(huán)回路構(gòu)成的混合氣樣品制備單元，由脫氣后樣品氣與載氣進(jìn)樣分析回路和檢測器電信號(hào)采集及監(jiān)測分析所需氣回路構(gòu)成的檢測器氣路單元，嵌入式控制單元和裝有分析監(jiān)測軟件的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元。其中，混合氣樣品制備單元中的工作液抽樣接口采用雙向工作液的抽樣接口機(jī)構(gòu)，包括蝕除顆粒濾網(wǎng)、電動(dòng)三通閥門和儲(chǔ)液油箱，用于對(duì)型腔電加工工作液的抽樣及成分分析結(jié)束后的回排，實(shí)現(xiàn)工作液的循環(huán)使用。所述檢測器氣路單元包括依次連接的進(jìn)樣口、CO₂檢測器、色譜柱箱和氧化鋯檢測器；所述進(jìn)樣口的輸入端還連接有氣路控制元件的輸出端，所述氣路控制元件的輸入端與載氣相連。

如圖2所示的嵌入式控制單元，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中氣路和工作液回路與處理器之間各種狀態(tài)信息的雙向互通，為電火花加工工作液中氣組分分析的準(zhǔn)確提供基礎(chǔ)。

所述嵌入式控制單元的處理器可以采用ARM9系列STM32F103ZET6作為MCU，控制協(xié)調(diào)各模塊運(yùn)作，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)以及與上位機(jī)的通信等。

如圖2所示，該嵌入式控制單元針對(duì)CO₂檢測信號(hào)，Pt100溫度采集和工作液缸液體量及脫氣量檢測與MCU之間通過A/D轉(zhuǎn)換傳輸信息。AD轉(zhuǎn)換采用8通道14位精度元器件，轉(zhuǎn)換速率16kHz。MCU與測控計(jì)算機(jī)通過232接口連接，采用Modbus總線協(xié)議將嵌入式控制單元中的電火花加工工作液監(jiān)測系統(tǒng)信息及狀態(tài)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的HMI中實(shí)時(shí)顯示。

所述嵌入式控制單元針對(duì)系統(tǒng)中氧化鋯檢測器、色譜柱箱和定容頂空工作液缸的溫度控制由MCU通過溫度閉環(huán)系統(tǒng)及相關(guān)控制算法實(shí)現(xiàn)，保證工作溫度的控制精度。定容頂空工作液缸的脫氣裝置中液體量、脫氣量信息通過傳感器及轉(zhuǎn)換電路后送入AD，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送與MCU；MCU根據(jù)相關(guān)信息經(jīng)過計(jì)算處理后控制相應(yīng)的閥門的開關(guān)及開度狀態(tài)保證恒定體積工作液的脫氣量，確保電火花加工工作液成分分析的準(zhǔn)確。

由于系統(tǒng)中檢測工作液體中混合氣每種組分的高濃度范圍所對(duì)應(yīng)的氧化鋯檢測器輸出的電壓信號(hào)峰值超出了PCI信號(hào)采集卡的量程，因此采用檢測器輸出峰值轉(zhuǎn)換單元將氣體組分高濃度區(qū)間的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行衰減(即通過在氧化鋯檢測器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元之間設(shè)置信號(hào)衰減模塊)，峰值轉(zhuǎn)換單元受嵌入式控制單元控制，其中的AD轉(zhuǎn)換對(duì)檢測器的輸出電壓峰值進(jìn)行采集，依據(jù)峰值電壓的區(qū)間控制所需的衰減系數(shù)。

如圖3所示，氧化鋯檢測器的氧化鋯管插入陶瓷管內(nèi)，陶瓷管外為加熱爐裝置，在加熱爐中裝有Pt100溫度傳感器。通過電阻加熱絲及Pt100構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)的傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在MCU中采用恒溫控制算法，讓加熱爐內(nèi)溫度長期穩(wěn)定在700℃，保證氧化鋯輸出電動(dòng)勢與氣體組分成分濃度測量準(zhǔn)確。

如圖4所示，CO₂紅外檢測器包括紅外氣體傳感器和紅外光源配套元件。紅外氣體傳感器上有兩個(gè)濾光片，其中一個(gè)通道只允許CO₂分子能夠吸收的波長為4.26μm的紅外光通過，所以到達(dá)此通道的光強(qiáng)反映了CO₂的濃度；通過另外一個(gè)4.00μm濾光片通道的光強(qiáng)則反映了氣室內(nèi)除了CO₂以外其它混合氣體的濃度變化情況。

所述CO₂紅外檢測器對(duì)紅外光源施加周期為1S，占空比為40％的直流脈沖信號(hào)，將混合氣體從進(jìn)氣口送入氣室。紅外檢測器將CO₂濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過信號(hào)前置電路將與CO₂濃度相關(guān)的電信號(hào)放大、濾波后送入AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在MCU中進(jìn)行數(shù)字濾波后，采用現(xiàn)場總線將CO₂濃度量送入監(jiān)控計(jì)算機(jī)，采用電火花加工工作液成分分析軟件得到CO₂氣體濃度。