[发明专利]一种基于卡曼滤波器的电火花极间电压信号处理方法

说明书

本发明涉及一种基于卡曼滤波器的电火花极间电压信号处理方法，假设极间电压是由白噪音通过一个线性滤波器产生，在这个假设的基础上，利用Yule‑Walker新息增益矩阵法对采集的极间电压信号进行处理，可以得出从白噪音到极间电压的一个传递函数，再由该传递函数转换成设计卡曼滤波器所需的状态方程。本发明能够大幅减少采集的极间电压信号中的噪音干扰，从而避免了由于噪音原因而影响电火花加工过程中的伺服运动，减少了一些不必要的伺服轴来回运动，提升电火花加工的效率。

技术领域

本发明涉及电火花过程控制，属于特种加工技术领域，具体是一种用于电火花极间电压检测的卡曼滤波器设计方法。

背景技术

电火花加工是利用工件和电极之间的一系列火花放电，对工件材料进行去除的一种过程。电火花加工普遍被用于模具、航空航天、医疗器械等领域。电火花加工与传统铣削加工相比，有很多不同的地方。比如电火花加工的速度，与铣削加工中根据的给定的速度进给不同，是根据测量的极间状态决定加工方向向前还是向后，并且根据当前测量的极间电压和设定伺服电压的差值决定向前或向后的速度，因此电火花加工速度是由极间状态决定的。因为极间电压决定了伺服轴的运动方向和速度，所以对极间电压的检测与估计就十分重要。目前最常用的极间电压的检测方法是平均电压法和滑动平均电压法，就是对从过去几个周期到现在采样周期的极间电压进行滑动平均电压的计算，计算的结果跟预先设定伺服电压进行比较，如图1所示。

公开号为101791728A的中国发明专利申请《静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测方法及其电路设计》是提出了一种用于静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测方法。其所用的方法用于检测极间电压，但是总体上是通过硬件的方法实现的。而且此方法仍然无法解决极间电压信号中噪音干扰的问题。本发明为检测后续步骤，假设极间电压是由白噪音通过一个线性滤波器产生，在这个假设的基础上，建立卡曼滤波模型，对极间电压信号进行卡曼滤波处理，减小信号中的噪音干扰，因而其与本发明的内容是完全不相同的。

由于电火花加工时产生的强烈电场和磁场干扰，采集的极间电压中包含有很强的噪音干扰，在这种情况下，采用卡曼滤波器是一个很好的选择。因为卡曼滤波器是一个最优的线性滤波器，对信号的估计误差可以认为是白噪音。卡曼滤波器的设计是基于系统的状态方程和信号的自协方差矩阵，有了这些信息设计才能够进行。但是对于电火花加工来说，状态方程和自协方差矩阵都必须从采集的极间电压中得出。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于卡曼滤波器的电火花极间电压信号处理方法，能够大幅减少采集的极间电压信号中的噪音干扰，避免由于噪音原因而影响电火花加工过程中的伺服运动，减少不必要的伺服轴来回运动，提升电火花加工的效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于卡曼滤波器的电火花极间电压信号处理方法，该方法包含以下步骤：

步骤一：极间电压信号的实时采集，然后传输到数控系统，用于后面传递函数、状态方程和稳态增益的计算；

步骤二：假设极间电压由白噪音通过一个线性滤波器产生，建立白噪音与极间电压之间的传递函数，由该传递函数转换成规范可控型的状态方程；

步骤三：由状态方程及白噪音方差求出测量噪音和过程噪音之间的自协方差矩阵，和两者之间的互协方差矩阵，进而得到极间电压与估计电压之间的稳态增益；

步骤四：根据状态方程和协方差矩阵设计卡曼滤波器；

步骤五：利用卡曼滤波器模型对极间电压信号进行处理，滤波后的极间电压作为伺服控制器的反馈信号，能够大幅减少极间电压信号中的噪音，从而减少不必要的伺服轴运动，提升加工效率，为加工服务。不必要的伺服轴运动是指，由于噪音的干扰使得原本能正常加工的电压信号小于当前伺服运动设定的最小阀值而导致数控系统认为当前短路，产生伺服轴回退，或者超出最大阀值而导致数控系统认为当前开路，造成伺服轴过冲。