微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)辨識與預(yù)測的理論和方法.pdf

1、微細(xì)電火花加工是微細(xì)加工領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，其加工技術(shù)已經(jīng)得到世界上許多國家的廣泛重視，但實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效和穩(wěn)定的微細(xì)電火花加工仍然是目前人們努力研究的方向。本文以微小孔電火花加工為代表研究微細(xì)電火花加工過程控制的穩(wěn)定性問題。放電狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測是實(shí)現(xiàn)微小孔電火花加工過程穩(wěn)定控制的前提條件；準(zhǔn)確、高效的微小孔電火花加工涉及到加工時(shí)間、孔徑間隙和電極損耗等多項(xiàng)工藝目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化問題；而放電狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測是實(shí)現(xiàn)微小孔電火花加工過程穩(wěn)定控制的

2、保證。 微細(xì)電火花加工過程中的放電脈沖頻率高、能量小的特點(diǎn)使放電間隙中的放電波形畸變嚴(yán)重，信噪比低，信號變化的隨機(jī)性大，從而使放電狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測成為微細(xì)電火花加工的技術(shù)難點(diǎn)之一。本文針對微細(xì)電火花加工的特點(diǎn)，建立了微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)辨識系統(tǒng)，該系統(tǒng)由模糊辨識模塊、學(xué)習(xí)矢量量化(LVQ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模塊和模糊統(tǒng)計(jì)判別模塊這三個(gè)功能模塊組成，其簡潔、信息全面的特點(diǎn)保證了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的目的。 針對加工過程的穩(wěn)定性問題，通過對

3、放電狀態(tài)辨識系統(tǒng)中的放電狀態(tài)占有率進(jìn)行剖析，總結(jié)了放電參數(shù)(開路電壓、峰值電流和脈寬)和控制參數(shù)(脈沖間隔、抬刀周期和伺服電壓)對加工過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在定性分析的基礎(chǔ)上，又分別對放電狀態(tài)與電參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的定量處理，在比較線性回歸模型和等式誤差模型(ARX010)的損失函數(shù)的大小后，得出等式誤差模型(ARX010)優(yōu)于線性回歸模型的結(jié)論，同時(shí)進(jìn)一步指出，線性回歸模型與等式誤差模型(ARX010)的參數(shù)估計(jì)不是無偏估計(jì)，這

4、一點(diǎn)是造成所建立的電參數(shù)與放電狀態(tài)之間的關(guān)系模型存在較大損失函數(shù)的原因之一，本文提出用輔助變量法對等式誤差模型ARX010進(jìn)行進(jìn)一步的探討，得到了損失函數(shù)值進(jìn)一步減少近乎一倍的無偏估計(jì)模型—輔助變量法模型Ⅳ010。隨后又根據(jù)對電火花加工過程復(fù)雜性的認(rèn)識，分別對比了各階輔助變量法模型對實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合與對未來狀態(tài)的預(yù)測能力，得到了損失函數(shù)值更小、預(yù)測精度更高且實(shí)際操作性強(qiáng)的輔助變量法模型Ⅳ110。 圍繞微小孔電火花加工過程中各項(xiàng)工藝

5、目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑，本文首先通過正交試驗(yàn)分析試驗(yàn)中的極間電壓、峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔等電參數(shù)對加工速度、電極損耗和孔徑間隙等各項(xiàng)工藝目標(biāo)的影響規(guī)律。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，對工藝目標(biāo)如電極損耗、孔徑間隙和加工時(shí)間等的要求的側(cè)重點(diǎn)不同，所組合的電規(guī)準(zhǔn)參數(shù)不同，甚至有時(shí)是相互矛盾的。針對這一問題，本文采用交叉學(xué)科相關(guān)理論-灰色理論中的灰相關(guān)性理論，以正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究因素間的幾何對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)對各項(xiàng)工藝目標(biāo)下的因子各水平平均灰關(guān)聯(lián)度系數(shù)的

6、分析，得出了單項(xiàng)工藝目標(biāo)下較正交試驗(yàn)更為具體的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。隨后，針對電火花加工多項(xiàng)工藝目標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)的灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，用灰關(guān)聯(lián)度衡量多項(xiàng)工藝目標(biāo)的完成情況，得到了多目標(biāo)下參數(shù)優(yōu)化的途徑與優(yōu)化方案。 微細(xì)電火花加工的高頻脈沖放電使放電狀態(tài)的變化比常規(guī)電火花加工的放電狀態(tài)的變化快得多，因而常規(guī)電火花加工的控制方法難以滿足微細(xì)電火花加工過程實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確控制的要求。鑒于此，本文提出，對未來放電狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并進(jìn)行控制，以消除這種

7、控制的滯后性帶來的不利影響，從而達(dá)到穩(wěn)定的控制過程。 本文針對放電狀態(tài)預(yù)測模型的建立展開研究，由于電火花加工的電參數(shù)數(shù)目多，放電狀態(tài)與電參數(shù)之間的關(guān)系是多輸入、單輸出的關(guān)系，在參數(shù)的辨識運(yùn)算中，每增加一個(gè)輸入都會(huì)導(dǎo)致辨識算法的運(yùn)算量呈指數(shù)級增長，因此，這種多輸入、單輸出的關(guān)系模型并不適合實(shí)時(shí)、在線的辨識運(yùn)算。本文在考慮不丟失信息、辨識模型又能準(zhǔn)確反映實(shí)際加工情況的前提下，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，結(jié)合理論論述，提出利用放電狀態(tài)初值(可