專利名稱：基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特種加工技術(shù)領(lǐng)域的檢測裝置與方法，具體地說，是一種基 于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置與方法。
背景技術(shù)：
電火花加工通過工具電極與工件間的脈沖電火花放電來蝕除工件表面的材 料，并最終將電極形狀反向拷貝到工件上，這種加工方法具有不受工件材料強度， 硬度等機械性能的限制及無宏觀切削力等優(yōu)點，特別適合于難加工材料及復(fù)雜形 狀工件加工，在航空、航天、汽車、電子、模具等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。
電火花加工中的極間電壓信號反應(yīng)了加工過程中電極之間的復(fù)雜環(huán)境，與電 火花加工的效率和精度密切相關(guān)。通常，將電火花加工時候的放電狀態(tài)分為四種 類型火花放電，電弧放電，短路和開路。從極間加載高壓到擊穿發(fā)生正常的火 花放電，通常都有一個較大的擊穿延時，而電弧放電則一般沒有擊穿延時，或擊 穿延時很小。因此，通過對擊穿延時進行計時可以對電火花放電的放電狀態(tài)進行 判斷，擊穿延時檢測法是電火花放電狀態(tài)檢測中的一種重要方法。但是，由于電 火花加工的復(fù)雜性，目前已有的極間狀態(tài)檢測方法通常會受到放電過程中各種噪 音和波形畸變的干擾，限制了檢測結(jié)果的準確性和可靠性。因此，國內(nèi)外學(xué)者一 直在努力探求新的電火花放電狀態(tài)檢測方法。
小波分析是一種時頻分析方法，相對于傳統(tǒng)的頻域分析方法，更適用于對信 號均值和方差不斷變化的非平穩(wěn)信號進行分析，具有多分辨率分析的特點，可以 同時觀測到時域和頻域內(nèi)的局部性質(zhì)，而傅里葉變換的結(jié)果卻會丟失時域上的信 息。電火花加工時候產(chǎn)生的電壓信號就是一種具有強非線性的非平穩(wěn)信號，這一 類信號很適合用小波變換的方法來進行分析，得出信號中所含有的與極間放電狀 態(tài)有關(guān)的信息。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，在期刊《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》(國際先進制造技術(shù)雜志)volumel7， pp339_343, 2001， "Waveform Monitoring of Electric Discharge Machining byWavelet Transform"(采用小波變換的電火花放電波形檢測)中，通過對電壓 和電流小波變換結(jié)果中某個較高頻帶的頻率分量進行分析，來判斷電火花放電狀 態(tài)，將放電狀態(tài)分為開路，正常放電，短路，電弧和脈間五種類型。但該文對如 何進行小波變換以及如何根據(jù)變換結(jié)果進行判斷的過程沒有詳細的論述。并且其 得出的小波變換結(jié)果是落于某一較窄頻帶中的，若要實現(xiàn)對放電狀態(tài)的準確判 斷，必須假設(shè)并保證在電壓和電流突變區(qū)域以外的其它區(qū)域不會存在這一頻帶內(nèi) 的分量。而由于電火花加工的復(fù)雜性和隨機性，這一假設(shè)不可能得到保證，這一 通過較為理想化的放電模型得出的變換結(jié)果距離實際應(yīng)用還存在一定的差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于小波變換的電 火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置與方法，采用低頻小波系數(shù)作為判斷放電狀態(tài)的依 據(jù)，具有實時性好，穩(wěn)定可靠，精確且適用范圍廣的電火花間隙放電狀態(tài)檢測。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置，包括檢測裝 置本體、上位機和極間電壓信號引出電纜。檢測裝置本體包括模擬光耦、模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊、DSP (數(shù)字信號處理器)、CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件)、USB (通用串行 總線)接口、 SDRAM (同步動態(tài)隨機存儲器)、FLASH存儲器、USB電纜。連接方 式為模擬光耦通過極間電壓信號引出電纜與電火花加工機床相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊連接在模擬光耦的后端，DSP連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的后端，CPLD與DSP、 USB 接口、 SDRAM相連，F(xiàn)LASH存儲器與DSP相連，USB接口通過USB電纜與上位機 相連。
在電火花加工機床產(chǎn)生的電火花加工電壓信號通過極間電壓信號引出電纜 輸入到模擬光耦，經(jīng)模擬光耦隔離后的模擬電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號，輸入到DSP中，DSP對原始信號進行小波變換和放電狀態(tài)判斷，求得 平均放電狀態(tài)系數(shù)，經(jīng)CPLD和USB接口，通過USB電纜輸入到上位機。SDRAM 為系統(tǒng)提供了更多的存儲空間，當DSP中的數(shù)據(jù)緩存區(qū)擁擠時，可將部分數(shù)據(jù)暫 存到SDRAM中。FLASH存儲器中存儲了 DSP程序，檢測裝置本體上電后，DSP自 動從FLASH存儲器讀取程序運行。
所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，是指，轉(zhuǎn)換速率在lMsps以上、采樣精度大于IO位的
5模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，使進入DSP進行處理的信號具有較高的精度。
所述DSP的浮點運算能力達到1. 6TFl叩s以上，對進入的采樣數(shù)據(jù)做到實時 采樣，實時處理，實時輸出。
本發(fā)明所涉及的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測方法，是通過模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊對電火花加工時的極間電壓信號進行采樣，并在DSP(數(shù)字信號處理器) 中對采樣得到的信號進行小波變換處理后，得出包含放電狀態(tài)信息的小波系數(shù)； 通過對小波系數(shù)極大值和極小值的分類判斷與統(tǒng)計求和，得出當前的電火花加工 放電狀態(tài)，并經(jīng)USB (通用串行總線)接口傳送給上位機，為控制系統(tǒng)的運行提 供依據(jù)。
本發(fā)明上述方法包括如下步驟
① 將電火花加工時的電壓信號用模擬光耦隔離后，接入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行模 數(shù)轉(zhuǎn)換。
所述模擬光耦具有DC lMHz以上的帶寬，用于電火花加工機床和檢測裝置 本體之間的完全電氣隔離，保證電火花放電電壓信號的各種信息在進入模數(shù)轉(zhuǎn)換 模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前不會丟失。
② 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對模擬信號進行采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與DSP連接，將采樣后 得到的數(shù)據(jù)通過DSP的DMA(直接存儲器訪問)模塊存入到DSP的存儲器中；
本步驟中，模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為12位，采樣率為lMHz，即每lus采樣一次， 對于大部分電火花加工來講，這個速度的采樣率己經(jīng)足夠精確地反映電壓波形。
③ 在存儲1024個采樣點后，采用Mallat算法(馬拉特算法)，用Daubechies (道比奇)三階小波函數(shù)，對這1024個原始數(shù)據(jù)點進行4層小波變換，得到64
個點的低頻小波系數(shù)。
步驟②和步驟③采用PING-PONG模式，即在當步驟③對某段存儲器的原始數(shù) 據(jù)進行處理時，步驟②正在對另一段存儲器寫入數(shù)據(jù)，待步驟③完成該段數(shù)據(jù)的 處理以后，接著對剛才步驟②寫入的新的數(shù)據(jù)段進行處理，而步驟②接著對剛才 步驟③進行處理的那段寄放原始數(shù)據(jù)的存儲器寫入新的數(shù)據(jù)。由于DMA模塊的運 用，可以在不消耗CPU (中央處理器)資源的情況下對存儲空間進行讀取和寫入， 充分利用了 DSP的資源，也保證了系統(tǒng)的實時性。
由于DSP的處理速度較快，在完成對1024個數(shù)據(jù)點的四層小波變換后，下一時段的1024個采樣點還未采集完成，因此，CPU有足夠的時間對得到的64 個低頻系數(shù)作進一步的處理，即CPU對得到的64個低頻系數(shù)進行局部極大值和 局部極小值的判斷和分析。首先，尋找這64個系數(shù)的局部極大值和局部極小值， 在每找到一個局部極大值或局部極小值后，利用先前設(shè)定的閾值對這些極值進行 歸類。局部極大值小于某一閾值，則視為發(fā)生電弧放電，局部極小值大于某一閾 值，則視為未能擊穿放電，是一個開路脈沖。
⑤ DSP通過對局部極值分析結(jié)果的統(tǒng)計得出該段原始信號的放電狀態(tài)系數(shù)。 具體地，將經(jīng)過歸類的脈沖數(shù)各自求和，計算正常放電脈沖在這些脈沖中所
占的比例，得出在這1024個采樣點所代表的lms的時間內(nèi)的放電狀態(tài)系數(shù)
⑥ 上述① ⑤五個步驟反復(fù)10次以后，DSP對這累積的10個放電狀態(tài)系數(shù) 取平均值，得出該時段內(nèi)的平均放電狀態(tài)系數(shù)。
⑦ DSP通過CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件)，USB接口和USB電纜把得到的平 均放電狀態(tài)系數(shù)輸入上位機，為控制系統(tǒng)的運行提供依據(jù)。
本發(fā)明是把擊穿延時作為判斷的依據(jù)之一，擊穿延時越小，則相應(yīng)的局部極 大值越小。擊穿延時是反映排屑情況的重要信息，擊穿延時大，則表明放電間隙 大，排屑條件良好，如果擊穿延時太小，則極間介質(zhì)的物理狀態(tài)惡化(電蝕產(chǎn)物 濃度過大或是局部溫度過高)。對于鈦合金加工等排屑較為困難的加工過程，以 擊穿延時作為判斷的一個指標，而不單以火花放電比率作為指標是有意義的。
本發(fā)明實際上是以單個脈沖為單位的一種檢測方法，它既不是對一段電壓數(shù) 據(jù)進行取平均值的計算，也不探究每個脈沖中的具體的某個點的放電狀態(tài)，并通 過統(tǒng)計大量點的分布狀況來進行判斷和檢測。它也不是對某個脈沖的開路電壓段 進行計時，來確定其擊穿延時的長短。它是以多個脈沖為計算對象，以單個脈沖 為判斷單位，根據(jù)小波變換后局部峰值的分布范圍來判斷放電狀況的。由于是以 單個脈沖為單位，便可以不受脈間脈寬等加工規(guī)準改變的影響，僅需在必要時調(diào) 整歸類時的閾值。同時它還能通過對相鄰正峰負峰的關(guān)系的分析，得到其他一些 信息，比如是否有積炭等，也能和電流或者高頻分量檢測結(jié)合起來分析。
小波分析可以將原始數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)點進行縮減，1024個點的數(shù)據(jù)經(jīng)過四層 小波變換后，縮減到僅有64個點，從而形成了一個簡單的圖形，為局部極值點 的統(tǒng)計創(chuàng)造了條件。這個簡單的圖形類似于人對波形整體印象的模糊判斷，因為人對電火花放電波形的判斷，不會去探尋某個采樣點的電流，電壓，高頻分量的 情況，而是以一種較為模糊的規(guī)則，從宏觀的角度，作出整體的評價。
由于本發(fā)明通過最高采樣率超過lMsps的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及DSP搭建的嵌 入式系統(tǒng)來實現(xiàn)，因此具有嚴格的時序和較高的穩(wěn)定度，不易受到使用環(huán)境變化 的干擾和影響。并且，由于其大部分功能不是以數(shù)字電路的形式固化下來，而是 以程序的形式保存在存儲器中，因此又具有相當?shù)娜嵝?，可以根?jù)不同情況作出 相應(yīng)的修改。
本發(fā)明也完全可以滿足實時性的要求，這是由DSP系統(tǒng)的特點決定的。DSP 有較高的時鐘頻率，采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水線操作 和并行計算的方式，能快速處理小波變換過程中大量的乘加處理。多寄存器的特 點有利于同時處理多個數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)在CPU和片內(nèi)存儲器之間的傳輸次數(shù)。 DMA模塊的使用，可以不通過CPU直接把ADC送出的數(shù)據(jù)存進片內(nèi)存儲器，實現(xiàn) 邊采樣邊計算，同時也可以實現(xiàn)主機和DSP之間的通信。根據(jù)現(xiàn)有的軟件仿真結(jié) 果，通過優(yōu)化代碼，充分發(fā)揮流水線處理和并行計算的優(yōu)勢，對lms時間內(nèi)的 1024個點進行Daubechies3階小波的四層小波變換，僅需要3000多個時鐘周期 即可完成。即，當DSP時鐘頻率為200MHz時，僅需不到0. 02ms的時間便可完成 一次小波變換，即使加上了小波變換結(jié)果處理的時間，再考慮存儲器沖突以及其 它的一些開銷，也完全可以在lms時間內(nèi)完成一個數(shù)據(jù)塊的分析處理，并且數(shù)據(jù) 塊和數(shù)據(jù)塊之間沒有數(shù)據(jù)丟失，滿足實時處理的要求。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果傳送到控 制系統(tǒng)時，約有l(wèi)ms的延遲。 一方面，這種延遲是不可避免的，因為任何一種檢 測方法都會產(chǎn)生延遲；另一方面，這種延遲也是可以忽略的，因為控制系統(tǒng)通常 每10ms才向檢測裝置查詢一次放電狀態(tài)信息，而且要用多次取值加權(quán)后的結(jié)果 來適用控制規(guī)則，lms的信息通常是微不足道的。


圖1是電火花放電狀態(tài)波形示意其中火花放電(a)有著較大的擊穿延時，是一個好的火花放電脈沖，而 火花放電(b)盡管也有擊穿延時，但擊穿延時較小，顯示火花放電(b)的極間 狀態(tài)較火花放電(a)更容易進入不穩(wěn)定的放電。
圖2是實施例1中的原始波形圖。圖3是實施例1中的經(jīng)小波變換后的低頻小波系數(shù)圖。
圖4和圖5是實施例2中的原始波形圖和經(jīng)小波變換后的低頻小波系數(shù)圖。
圖6和圖7是實施例3中的原始波形圖和經(jīng)小波變換后的低頻小波系數(shù)圖。
圖8是通過小波系數(shù)計算放電狀態(tài)系數(shù)的流程圖。
圖9是基于小波變換的電火花放電狀態(tài)檢測裝置框其中檢測裝置本體l，上位機2，模擬光耦3，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4， DSP 5，
CPLD6， USB接口 7， SDRAM 8， FLASH存儲器9，和極間電壓信號引出電纜10，
USB電纜ll，電火花加工機床12。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，電火花加工時候的放電狀態(tài)分為四種類型火花放電，電弧放
電，短路和開路?；鸹ǚ烹?a)脈沖中，有一個明顯的時間較長的擊穿延時，顯 示極間狀態(tài)良好，火花放電產(chǎn)生的加工屑能夠順利地排出放電區(qū)域；而火花放電 (b)脈沖的擊穿延時較火花放電(a)脈沖短一些，但仍屬于正常范圍。在電弧脈 沖中，電壓尚未升高到開路電壓時就發(fā)生放電，幾乎沒有擊穿延時，表示這時的 極間狀態(tài)有惡化的趨勢，對電火花加工的穩(wěn)定性和效率產(chǎn)生不利影響。短路和開 路脈沖則是極間距離的極端情況。通過本發(fā)明中所涉及到的檢測方法和裝置，可 以準確地將極間脈沖分為上述的火花放電，電弧放電，短路和開路四類，或者檢 測出當前極間狀態(tài)偏短路或者偏開路的趨勢。
如圖9所示，本實施例涉及的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝 置，包括檢測裝置本體l，上位機2和極間電壓信號引出電纜10。檢測裝置本 體1包括模擬光耦3，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4， DSP 5， CPLD 6， USB接口7， SDRAM 8， FLASH存儲器9， USB電纜ll。連接方式為模擬光耦3通過極間電壓信號引出 電纜10與電火花加工機床12相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4連接在模擬光耦3的后端， DSP 5連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4的后端，CPLD 6與DSP 5， USB接口 7， SDRAM 8 相連，F(xiàn)LASH存儲器9與DSP 5相連，USB接口 7通過USB電纜11與上位機2 相連。在電火花加工機床12產(chǎn)生的電火花加工電壓信號通過極間電壓信號引出電纜10輸入到模擬光耦3，經(jīng)模擬光耦3隔離后的模擬電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到DSP5中，DSP 5對原始信號進行小波變換和放電狀態(tài)判斷，求得平均放電狀態(tài)系數(shù)，經(jīng)CPLD 6和USB接口 7，通過USB電纜11輸入到上位機2。 SDRAM 8為系統(tǒng)提供了更多的存儲空間，當DSP 5中的數(shù)據(jù)緩存區(qū)擁擠時，可將部分數(shù)據(jù)暫存到SDRAM 8中。FLASH存儲器9中存儲了 DSP 5程序，檢測裝置本體1上電后，DSP 5自動從FLASH存儲器9讀取程序運行。
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4具有1Msps以上的轉(zhuǎn)換速率，采樣精度大于10位，使進入DSP 5進行處理的信號具有較高的精度。
DSP 5的浮點運算能力達到1. 6TFlops以上，對進入的采樣數(shù)據(jù)做到實施采樣，實時處理，實時輸出。
本實施例涉及的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測方法，通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對電火花加工時的極間電壓信號進行采樣，并在DSP中對采樣得到的信號進行小波變換處理后，得出包含放電狀態(tài)信息的小波系數(shù)。通過對小波系數(shù)極大值和極小值的分類判斷與統(tǒng)計求和，得出當前的電火花加工放電狀態(tài)，并經(jīng)USB接口傳送給上位機。
具體實施步驟為
① 電火花加工時的電壓信號在經(jīng)過模擬光耦3隔離后，進入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬光耦3具有DC lMHz以上的帶寬，用于電火花加工機床12和檢測裝置本體1之間的完全電氣隔離，保證電火花放電電壓信號的各種信息在進入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前不會丟失。
② 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4對模擬信號進行采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與DSP5連接，將采樣后得到的數(shù)據(jù)通過DSP 5的DMA模塊存入到DSP 5的存儲器中。
③ DSP 5在存儲1024個采樣點后，采用馬拉特算法，用道比奇三階小波函數(shù)，對這1024個原始數(shù)據(jù)點進行4層小波變換，得到64個點的低頻小波系數(shù)；
④ 在完成對1024個數(shù)據(jù)點的四層小波變換后，DSP 5對該小波系數(shù)進行局部極大值和局部極小值的判斷和分析。
⑤ DSP 5通過對局部極值分析結(jié)果的統(tǒng)計得出該段原始信號的放電狀態(tài)系數(shù)。⑥ DSP 5反復(fù)上述五個步驟10次以后，DSP 5對這累積的10個放電狀態(tài)系數(shù)取平均值，得出某時間段內(nèi)平均的放電狀態(tài)系數(shù)。
⑦ DSP 5通過CPLD 6， USB接口 7和USB電纜11把得到的平均放電狀態(tài)系數(shù)輸入上位機2，為控制系統(tǒng)的運行提供依據(jù)
步驟②運用了 DSP 5中的函A模塊，不占用CPU資源。在進行步驟②時，DSP5可同時進行步驟③ ⑦等各項處理。步驟②中，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣精度為12位，采樣率為lMHz，即每lys進行一次采樣。
步驟②和步驟③采用PING-PONG模式，即在當步驟③對某段存儲器的原始數(shù)據(jù)進行處理時，步驟②正在對另一段存儲器寫入數(shù)據(jù)，待步驟③完成該段數(shù)據(jù)的處理以后，接著對剛才步驟②寫入的新的數(shù)據(jù)段進行處理，而步驟②接著對剛才步驟③進行處理的那段寄放原始數(shù)據(jù)的存儲器寫入新的數(shù)據(jù)。
步驟③采用Mallat算法，用Daubechies3階小波函數(shù)，對1024個原始數(shù)據(jù)點進行4層小波變換，得到64個點的低頻小波系數(shù)。
步驟④在得出局部極大值和局部極小值后，根據(jù)設(shè)定的門限值對這些極值進行歸類，把較小的局部極大值視為沒有擊穿延時的電弧放電或短路脈沖，把較大的局部極小值視為沒有擊穿的開路脈沖
步驟⑤中，將經(jīng)過歸類的脈沖數(shù)各自求和，計算正常放電脈沖在這些脈沖中所占的比例，得出在這1024個采樣點所代表的lms的時間內(nèi)的放電狀態(tài)系數(shù)。
圖8詳細描述了步驟④至步驟⑤中，對小波變換結(jié)果進行分析，并最終得出放電狀態(tài)系數(shù)的流程。在得到小波變換系數(shù)后，進行尋找局部極值點的步驟，具體方法是比較相鄰三個數(shù)據(jù)點的大小，若中間的那個數(shù)據(jù)點大于其左右兩個相鄰的數(shù)據(jù)點，則視為局部極大值，若小于左右相鄰的兩個數(shù)據(jù)點，則視為局部極小值。在找到局部極值點后，判斷如果是極大值，且其值小于局部極大值閾值MAXth，則偏短路脈沖數(shù)Ps加1;如果是極小值，且其值大于局部極小值閾值MINth，則偏開路脈沖數(shù)Po加l。每找到一個局部極小值，則脈沖總數(shù)Pa加l。循環(huán)上述過程，直到所有的小波變換系數(shù)都經(jīng)過判斷，局部極值點尋找完畢以后，計算放電狀態(tài)系數(shù)c，放電狀態(tài)系數(shù)c二 (Pa+Po-Ps) /Pa。放電脈沖系數(shù)c越接近于l，則表明當前放電狀態(tài)越好；放電脈沖系數(shù)c越接近于0，則表明當前放電狀態(tài)越接近于短路；放電脈沖系數(shù)c越接近于2，則表明當前放電狀態(tài)越接近于開路。因而，通過不同的放電狀態(tài)系數(shù)，可以指導(dǎo)控制系統(tǒng)作出不同的進給回退運動。上述的局部極大值閾值MAXth和局部極小值閾值MINth可以根據(jù)實際情況進行設(shè)定，例如，若將局部極大值閾值MAXth設(shè)為250，將局部極小值閾值MINth設(shè)為350，則依照圖8中的流程，可根據(jù)小波變換系數(shù)計算出放電狀態(tài)系數(shù)c。
以下三個實施例，是對從步驟③到步驟⑤的應(yīng)用實施，即從步驟③的對原始信號進行小波變換得出小波變換結(jié)果，到步驟④的對局部極值點的歸類，到步驟⑤的計算出該段原始信號的放電狀態(tài)系數(shù)。
實施例1
如圖2、 3所示，在圖2的原始信號s的波形圖中，A處有一個脈沖未能擊穿形成放電，即出現(xiàn)了一個"開路"脈沖，而與其相對應(yīng)的圖3中的第四層小波變換結(jié)果CA4的低頻系數(shù)呈現(xiàn)出一個很大的局部極小值。圖2中B處有兩個脈沖未能上沖到擊穿電壓便先行放電，不存在擊穿延時，可能有拉弧的情況存在，這在圖3中呈現(xiàn)出兩個極小的局部極大值。圖2中C處有一個擊穿延時極小的脈沖，在圖3中也有一個相應(yīng)較小的局部極大值。圖2中D處的兩個脈沖有較大的擊穿延時，是較好的放電脈沖，它們在圖3中對應(yīng)著兩個較大的局部極大值?？梢?，通過小波變換結(jié)果能夠有效判斷每一個脈沖的狀況。
若將局部極大值閾值MAXth設(shè)為250，局部極小值閾值MINth設(shè)為350，則依照圖8中的流程，可以得出圖2所示的原始信號的放電狀態(tài)系數(shù)。
脈沖總數(shù)Pa:22
偏開路脈沖數(shù)Po=l
偏短路脈沖數(shù)Ps=8
放電狀態(tài)系數(shù)ci.68。
實施例2
如圖4和圖5所示，其中局部極大值閾值MAXth=250，局部極小值閾值MINth=350，脈沖總數(shù)Pa=20，偏開路脈沖數(shù)Po=l，偏短路脈沖數(shù)Ps=12，放電狀態(tài)系數(shù)ci. 45。
實施例3
如圖6和圖7所示，局部極大值閾值MAXth=250，局部極小值閾值MINth=350，脈沖總數(shù)Pa=20，偏開路脈沖數(shù)Po=8，偏短路脈沖數(shù)Ps=6，放電狀態(tài)系數(shù)c=l. 10。
權(quán)利要求
1、一種基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置，其特征在于包括檢測裝置本體、上位機和極間電壓信號引出電纜，所述檢測裝置本體包括模擬光耦、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理器、復(fù)雜可編程邏輯器件、USB接口、同步動態(tài)隨機存儲器、FLASH存儲器、USB電纜，其中模擬光耦通過極間電壓信號引出電纜與電火花加工機床相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接在模擬光耦的后端，數(shù)字信號處理器連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的后端，復(fù)雜可編程邏輯器件與數(shù)字信號處理器、USB接口、同步動態(tài)隨機存儲器相連，F(xiàn)LASH存儲器與數(shù)字信號處理器相連，USB接口通過USB電纜與上位機相連；電火花加工機床產(chǎn)生的電火花加工電壓信號通過極間電壓信號引出電纜輸入到模擬光耦，經(jīng)模擬光耦隔離后的模擬電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到數(shù)字信號處理器中，數(shù)字信號處理器對原始信號進行小波變換和放電狀態(tài)判斷，求得平均放電狀態(tài)系數(shù)，經(jīng)復(fù)雜可編程邏輯器件和USB接口，通過USB電纜輸入到上位機，同步動態(tài)隨機存儲器為系統(tǒng)提供了更多的存儲空間，當數(shù)字信號處理器中的數(shù)據(jù)緩存區(qū)擁擠時，可將部分數(shù)據(jù)暫存到同步動態(tài)隨機存儲器中，F(xiàn)LASH存儲器中存儲了數(shù)字信號處理器程序，檢測裝置本體上電后，數(shù)字信號處理器自動從FLASH存儲器讀取程序運行。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置， 其特征是，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，是指，轉(zhuǎn)換速率在1Msps以上、采樣精度大于 10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。
3、 一種基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測方法，其特征在于，包括》n r y ^鄰① 將電火花加工時的電壓信號用模擬光耦隔離后，接入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；② 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對模擬信號進行采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)字信號處理器連 接，將采樣后得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號處理器的直接存儲器訪問模塊存入到數(shù)字 信號處理器的存儲器中；③ 在存儲1024個采樣點后，采用馬拉特算法，用道比奇三階小波函數(shù)，對 這1024個原始數(shù)據(jù)點進行4層小波變換，得到64個點的低頻小波系數(shù)；④ 在完成對1024個數(shù)據(jù)點的四層小波變換后，CPU對得到的64個低頻系數(shù) 進行局部極大值和局部極小值的判斷和分析；⑤ 數(shù)字信號處理器通過對局部極值分析結(jié)果進行統(tǒng)計得出該段原始信號的 放電狀態(tài)系數(shù)；⑥ 上述① ⑤五個步驟反復(fù)10次以后，數(shù)字信號處理器對這累積的10個放 電狀態(tài)系數(shù)取平均值，得出該時段內(nèi)的平均放電狀態(tài)系數(shù)；⑦ 數(shù)字信號處理器通過復(fù)雜可編程邏輯器件、USB接口和USB電纜把得到 的平均放電狀態(tài)系數(shù)輸入上位機，為控制系統(tǒng)的運行提供依據(jù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置， 其特征是，所述模擬光耦具有DC lMHz以上的帶寬。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波變換的電火花放電狀態(tài)檢測方法，其特 征是，步驟②中，模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為12位，采樣率為lMHz。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波變換的電火花放電狀態(tài)檢測方法，其特 征是，步驟②和步驟③采用PING-PONG模式，即在當步驟③對某段存儲器的原始 數(shù)據(jù)進行處理時，步驟②正在對另一段存儲器寫入數(shù)據(jù)，待步驟③完成該段數(shù)據(jù) 的處理以后，接著對剛才步驟②寫入的新的數(shù)據(jù)段進行處理，而步驟②接著對剛 才步驟③進行處理的那段寄放原始數(shù)據(jù)的存儲器寫入新的數(shù)據(jù)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波變換的電火花放電狀態(tài)檢測方法，其特 征是，步驟④中，首先，尋找這64個系數(shù)的局部極大值和局部極小值，在每找 到一個局部極大值或局部極小值后，利用先前設(shè)定的閾值對這些極值進行歸類， 局部極大值小于某一閾值，則視為發(fā)生電弧放電，局部極小值大于某一閾值，則 視為未能擊穿放電，是一個開路脈沖。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波變換的電火花放電狀態(tài)檢測方法，其特 征是，步驟⑤中，將經(jīng)過歸類的脈沖數(shù)各自求和，計算正常放電脈沖在這些脈沖 中所占的比例，得出在這1024個采樣點所代表的lms的時間內(nèi)的放電狀態(tài)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特種加工領(lǐng)域的基于小波變換的電火花間隙放電狀態(tài)檢測裝置與方法，其中模擬光耦通過極間電壓信號引出電纜與電火花加工機床相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接在模擬光耦的后端，DSP連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的后端，CPLD與DSP、USB接口、SDRAM相連，F(xiàn)LASH存儲器與DSP相連，USB接口通過USB電纜與上位機相連；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對電火花加工時的極間電壓信號進行采樣，并在DSP中對該信號進行小波變換處理，得出包含放電狀態(tài)信息的小波系數(shù)，對小波系數(shù)極大值和極小值的分類判斷與統(tǒng)計求和，得出當前的電火花加工放電狀態(tài)，并經(jīng)USB接口傳送給上位機。本發(fā)明實時性好，穩(wěn)定可靠，精確且適用范圍廣。
文檔編號B23Q17/09GK101474762SQ200910045050
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者康小明, 毅 蔣, 趙萬生, 琳 顧 申請人:上海交通大學(xué)