電火花加工間隙狀態的鑒別與檢測方法

 摘 要：現代工業控制已進入到智能控制階段，為了獲得被控對象準確的工作情況并對其進行控制，它要求更先進的檢測作為前置支撐技術。本文就電火花加工(EDM)的智能控制，對檢測環節提出一種新的檢測間隙電壓的方法和工作原理，并設計了試驗裝置。
關鍵詞：電火花加工 間隙電壓 鑒別和檢測
1 引言
    電火花加工 (EDM) 因其獨特的優點和在模具制造中舉足輕重的作用，使其加工過程控制最優化與加工設備智能化成為科技工作者的主攻方向之一。
    智能控制的概念最早出現于60年代。智能控制系統具有自學習和自適應能力，能自主地調節自己的控制結構、參數方法，進行決策規劃或廣義問題求解，以完成任務。加工過程智能控制目前主要包括三個方面：(1) 專家控制；(2) 模糊控制；(3) 神經網絡控制。
    智能控制實質上是一種預測控制——預測模型、滾動優化和反饋校正。它把電火花加工控制從嚴格的數學模型束縛中解脫出來，將過程作為“黑箱”處理，完全撇開對系統的內部描述，用隸屬函數來刻畫和描述定性信息，達到模擬熟練操作者的思維方式，根據當前的加工狀態和前一次的抉擇來調整參數，進而實現提高加工效率和穩定加工過程的目的。因此，首要解決前提問題——“黑箱”的輸入參數和輸出參數是什么，以及需檢測和控制什么參量，必須結合電火花加工的特殊工藝規律來決定。
    進一步的研究表明，主軸伺服進給、電機提升(抬刀)、放電間隙調節是 EDM 的主要控制量。事實上至今 EDM 激勵也沒有令人滿意的解釋，對EDM 放電間隙狀態的檢測是 EDM 智能控制不可回避的難點。所以必須應用新的先進技術得到準確的放電間隙情況，給研究和實現 EDM 過程的智能控制提供前置技術支撐。
2 電火花加工過程的控制和間隙放電狀態的鑒別
    眾所周知，電火花放電加工時，放電須是短時間的脈沖放電。持續時間一般為10-6～10-3s。如放電時間等于或大于10-2s，則轉變為電弧放電，從而使加工不能正常進行。因此要實時地在微秒級或毫秒級對眾多復雜的變化因素進行檢測并加以控制。
    電火花加工過程控制的目標是：(1) 確保避免電弧放電損傷工件，保持穩定的加工狀態；(2) 滿足加工表面粗糙度、精度等各種規格的參數；(3) 盡可能滿足高速加工的要求。因此首先遇到的問題就是要有高靈敏度的 EDM 自動控制單元。
    與其他傳統加工方法相比，電火花加工過程是一個較慢的過程，因此它的控制目標函數就是在保證表面質量和加工精度的條件下，以最短的加工時間(最快的加工速度)來實現。電火花加工控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 電火花加工控制系統結構框圖

    實現電火花加工，必須使工具電極和工件間維持合理的距離，在該距離范圍內，既可滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，產生火花放電，又可適應在火花通道熄滅后介質消電離(消除電離子影響)及排出蝕除產物的要求。這段距離稱之為“加工間隙”或“放電間隙”。間隙是否合理，受到脈沖電壓、火花通道的能量及介質的介電系數等因素的制約。一般情況下，電火花加工的放電間隙在數微米到數百微米范圍內。且在一定時間范圍內脈沖放電集中在某一區域；在另一段時間內，則應轉移到另一區域。只有如此，才能避免積碳現象，進而避免發生電弧和局部燒傷。因此，放電間隙是控制的主要對象。目前在許多機床上采用間隙電壓作為反映間隙大小的傳感信號，當間隙偏大時，由于短路和短的擊穿延時，U值也小。無論如何，隨著間隙電壓的增加，放電間隙也增大。這樣，加工過程中不可連續測量的放電間隙大小就可用連續測量加工間隙電壓的方法來獲得。但是，間隙電壓與其它控制參數之間的交互作用很大。因此準確檢測電火花放電間隙狀態已成為不可回避的問題。
    研究電火花加工過程單個脈沖波形的“時態”有五種基本形態，即正�；鸹ǚ烹�、過渡電弧(可恢復性不穩定電弧)、穩定電弧、短路、開路(空載)。它們的特點是：
(1) 正�；鸹ǚ烹姡悍烹娖陂g放電電壓波形上有高頻雜波分量出現，峰值大，有擊穿延時現象。而在形成火花放電過程中，電壓電流波形平直，規律性整齊。見圖2。

圖2 正�；鸹ǚ烹婋妷�、電流波形圖

(2) 過渡電�。悍烹娖陂g放電電壓波形上，高頻雜波分量幾乎沒有，擊穿延時也不明顯，波形無規律。這種波形可通過伺服控制恢復為正�；鸹ǚ烹�，也可因間隙狀態變化而自行恢復為正�；鸹ǚ烹�。因此它是作為理論研究提出的，實際加工控制過程中不需要專門測量(本文不考慮這一狀態)。
(3) 穩定電弧(不可恢復燒傷性穩定電弧)：在間隙放電條件惡劣的情況下，如深孔加工時，穩定電弧形成而燒傷工件，這時工具電極及工件表面都會形成局部凸包或凹坑，電壓及電流波形都很光滑，形成燒弧后，如不擦除黑斑，加工過程不可能自行恢復正常。見圖3。

圖3 穩定電弧放電電壓、電流波形圖

(4) 短路：電壓很低，電流波形光滑。雖然短路本身不蝕除工件，也不損傷電極，但在短路處造成了一個熱點，當短路消除時易引發拉弧。
(5) 開路：間隙加工介質沒有被擊穿。
    為了清晰地描述放電間隙狀態，文中給出的間隙狀態圖是經過處理的。在實際電火花加工過程中，這五種類型都可能出現，甚至在一個脈沖單元中同時出現。短路、開路的情況好區別，本文不作詳細說明。正�；鸹ǚ烹姾头�定電弧放電這兩種狀態的電壓、電流幅值特征較接近，如僅用電壓和電流的幅值來區分是較困難的，因為它們的間隙電壓和電流幅值差別小，而且隨著工藝規準的變化還在一定范圍內波動。
    70年代以來的檢測技術主要有兩種：高頻檢測法和擊穿延時法。由于光電技術的引入，我們采用新的方法——設置門檻電壓法。從檢測放電間隙電壓入手，應用光電耦合器屏蔽干擾，采集信息接入 PC 機處理。
3 電火花放電間隙狀態檢測方法及工作原理
3.1 高頻檢測法
    高頻檢測法是通過間隙電壓上高頻分量的檢測來區分火花放電與電弧放電。在火花放電時，間隙電壓存在著強而穩定的高頻分量(頻率從幾兆到幾十兆)；而電弧放電時，間隙電壓的高頻分量很弱，甚至不存在。因此可將間隙電壓上的高頻信號進行提取、放大、比較，作為區分火花放電和電弧放電的依據。這種方法不僅可區分火花放電和電弧放電，還可將電弧放電進一步區分為穩定電弧放電或是過渡電弧放電，但難以對單個脈沖的放電狀態進行判斷，且電路復雜、穩定性較差。
3.2 擊穿延時法
    擊穿延時法是根據火花放電時存在一定的擊穿延時時間，而電弧放電時一般沒有擊穿延時時間而設計的。盡管它不能區分過渡電弧放電與穩定電弧放電，并且對單個脈沖內出現的放電狀態轉換不能有效地區分，但其優點是可對單個脈沖的放電狀態進行判別，且檢測電路為數字電路，抗干擾性及穩定性都很好，與電火花加工機床上的計算機控制系統連接也很方便。
3.3 設置門檻電壓法
    從前面放電間隙狀態鑒別中可看到，正�；鸹ǚ烹娕c穩定電弧放電的單個脈沖是在實驗室里被極精密的儀器測出來的。在實際應用中會出現各種干擾，正�；鸹ǚ烹姾头�定電弧放電的電壓、電流特性相似，難以區分。而且，即便被測到也沒有標準可讓計算機識別。采用設置門檻電壓法可解決這個問題。
    設置一個參考電壓，介于電弧放電與火花放電之間。用放大器線性方法檢測火花放電和電弧放電的電壓值，利用光電耦合器使它們呈現正比關系。在正常放電電壓時，光電耦合器(GD)基本處于截止，在電弧放電時基本處于飽和。如圖 4 所示設置參考電平 Uref1。設置門檻電壓法由此得名。由于光電耦合器的作用，不僅是正�；鸹ǚ烹姾头�定電弧放電的判別變得簡單，電路簡化，還可大大抑制電路干擾，將機床強電系統與數字系統完全隔離分開。

圖4 正�；鸹ǚ烹娒}沖與電弧脈沖
在光電耦合后輸出的波形
a——正�；鸹ǚ烹娒}沖輸出, b——電弧脈沖輸出

加工中，放電兩極的脈沖電壓值很高，達幾十伏到幾百伏，必須預處理電路對間隙電壓分壓。將衰減后的間隙電壓通過光電隔離、運算放大后再輸入到采樣電路中。由于從安全角度考慮，電火花加工機床的一個電極接地，接地線又和交流電源的中線相通，因而除空間電磁場的耦合外，還有地線的直接耦合。EDM 放電間隙不僅是加工區，也是一個很強的高頻電磁場干擾源，其頻帶范圍以10～60MHz最強，實驗證明，在最大電流的精加工中系統的干擾最強。要使 A/D 采樣不會受到干擾，達到強電與弱電的隔離，放電間隙狀態檢測接口電路中的隔離采用線形光電隔離技術。  
    控制的目的是在穩定加工下盡量保持火花放電狀態。前面把放電過程描述為四種基本狀態：正�；鸹ǚ烹�、穩定電弧放電、短路、開路。定時記錄放電狀態出現的時間，即用時間百分比反映這四種狀態及其組合：
空載率：Ψd＝Σtd/Σti��100%
火花放電率：Ψe＝Σte/Σti��100%
穩定電弧率：Ψa＝Σta/Σti��100%
短路率：Ψs＝Σts/Σti��100%
式中 ti——脈寬
td——空載時間
te——火花放電時間
ta——穩定電弧時間
ts——短路時間
    這四種基本狀態只有正�；鸹ǚ烹娋哂形g除能力，其余對蝕除材料沒有作用。因此控制目標是：在穩定加工前提下，盡量提高火花放電率Ψe。由于放電時間極短(10-7～10-3s)，采樣到單個脈沖內電壓波形的變化非常困難，實用意義不大，于是用定量脈沖數與正�；鸹ǚ烹姅档谋戎底鳛榭刂扑欧�參考電壓的參量，將監控的輸入參量確定為穩定加工時單位脈沖出現的火花放電次數。
4 實驗裝置及工作原理
4.1 實驗裝備
(1)DK7180(HCD800ZK)大型精密數控電火花成形機，配MDVA-105K脈沖電源柜和MD-P5擴展柜；
(2)PC－2000 系列 PC/386/486/586 專用 AD 卡 PS－2117；
(3)放電間隙檢測分壓接口電路；
(4)放電間隙狀態判別與邏輯電路；
(5)計數及與 PC 機接口電路。
4.2 接口電路的工作原理
(1) 放電間隙檢測分壓接口電路
    它將機床強電系統與數字系統分開。
(2) 狀態檢測電路
    狀態檢測的依據是放電脈沖各種不同狀態分量電壓的特點。在接口電路完成后開始采集數據，包括脈沖電源輸向間隙的同步等寬觸發脈沖 Up2、接口電路處理后的放電間隙電壓 U0 (如圖5)。圖中電阻器 R1、R2、R3、R4 選用合適值可使光電耦合器 GD1、GD2 分別工作于截止與飽和兩種工作狀態。在分流器W1、W2、W3、W4 的作用下，光電耦合器 GD3、GD4 輸入、輸出關系在某一電壓范圍內具有線性放大特性。輸出結果為：① 反相電源脈沖的內部同步等寬觸發信號 a (用于作為矩形計時窗和外部中斷讀與清零的源脈沖)；② 當R1輸入為低電平，輸出高電平信號 b (短路信號)；③ 輸出正�；鸹ǚ烹姷慕刂闺妷夯蚍�定電弧放電的飽和電壓信號 c;④ 高電平空載(開路)信號 d (這里需要一個參考電平 Uref2)。

圖5 取樣、光電耦合和局部放大電路原理圖

于是根據a、b、c、d 端不同的高低電平，就獲得了具有明顯差別的不同放電狀態。我們只需要設置參考電平 Uref1、Uref2，通過比較器 comp1 和 comp2邏輯電路組合獲得各狀態分量：短路信號 E1、正�；鸹ǚ烹� E2、穩定電弧放電 E3、開路放電 E4 (原理見圖6)。