电火花加工间隙状态的鉴别与检测方法

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1 引言
　　电火花加工 (EDM) 因其独特的优点和在模具制造中举足轻重的作用，使其加工过程控制最优化与加工设备智能化成为科技工作者的主攻方向之一。
　　智能控制的概念最早出现于60年代。智能控制系统具有自学习和自适应能力，能自主地调节自己的控制结构、参数方法，进行决策规划或广义问题求解，以完成任务。加工过程智能控制目前主要包括三个方面：(1) 专家控制；(2) 模糊控制；(3) 神经网络控制。
2 ]" Z( [0 Y9 b! a　　智能控制实质上是一种预测控制——预测模型、滚动优化和反馈校正。它把电火花加工控制从严格的数学模型束缚中解脱出来，将过程作为“黑箱”处理，完全撇开对系统的内部描述，用隶属函数来刻画和描述定性信息，达到模拟熟练操作者的思维方式，根据当前的加工状态和前一次的抉择来调整参数，进而实现提高加工效率和稳定加工过程的目的。因此，首要解决前提问题——“黑箱”的输入参数和输出参数是什么，以及需检测和控制什么参量，必须结合电火花加工的特殊工艺规律来决定。
  y: K5 T' c9 j, h9 O　　进一步的研究表明，主轴伺服进给、电机提升(抬刀)、放电间隙调节是 EDM 的主要控制量。事实上至今 EDM 激励也没有令人满意的解释，对EDM 放电间隙状态的检测是 EDM 智能控制不可回避的难点。所以必须应用新的先进技术得到准确的放电间隙情况，给研究和实现 EDM 过程的智能控制提供前置技术支撑。
7 G+ w3 Q- t/ M0 u0 @3 K( e2 电火花加工过程的控制和间隙放电状态的鉴别
　　众所周知，电火花放电加工时，放电须是短时间的脉冲放电。持续时间一般为10-6～10-3s。如放电时间等于或大于10-2s，则转变为电弧放电，从而使加工不能正常进行。因此要实时地在微秒级或毫秒级对众多复杂的变化因素进行检测并加以控制。
7 z5 b% D  S4 y. B# G( ]; g　　电火花加工过程控制的目标是：(1) 确保避免电弧放电损伤工件，保持稳定的加工状态；(2) 满足加工表面粗糙度、精度等各种规格的参数；(3) 尽可能满足高速加工的要求。因此首先遇到的问题就是要有高灵敏度的 EDM 自动控制单元。
6 L- S% R% e2 U- i& G9 z　　与其他传统加工方法相比，电火花加工过程是一个较慢的过程，因此它的控制目标函数就是在保证表面质量和加工精度的条件下，以最短的加工时间(最快的加工速度)来实现。电火花加工控制系统结构框图如图1所示。
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图1 电火花加工控制系统结构框图
实现电火花加工，必须使工具电极和工件间维持合理的距离，在该距离范围内，既可满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可适应在火花通道熄灭后介质消电离(消除电离子影响)及排出蚀除产物的要求。这段距离称之为“加工间隙”或“放电间隙”。间隙是否合理，受到脉冲电压、火花通道的能量及介质的介电系数等因素的制约。一般情况下，电火花加工的放电间隙在数微米到数百微米范围内。且在一定时间范围内脉冲放电集中在某一区域；在另一段时间内，则应转移到另一区域。只有如此，才能避免积碳现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。因此，放电间隙是控制的主要对象。目前在许多机床上采用间隙电压作为反映间隙大小的传感信号，当间隙偏大时，由于短路和短的击穿延时，U值也小。无论如何，随着间隙电压的增加，放电间隙也增大。这样，加工过程中不可连续测量的放电间隙大小就可用连续测量加工间隙电压的方法来获得。但是，间隙电压与其它控制参数之间的交互作用很大。因此准确检测电火花放电间隙状态已成为不可回避的问题。
　　研究电火花加工过程单个脉冲波形的“时态”有五种基本形态，即正常火花放电、过渡电弧(可恢复性不稳定电弧)、稳定电弧、短路、开路(空载)。它们的特点是：
0 g3 D: c( i/ R2 n6 C5 L　　(1) 正常火花放电：放电期间放电电压波形上有高频杂波分量出现，峰值大，有击穿延时现象。而在形成火花放电过程中，电压电流波形平直，规律性整齐。见图2。

0 N# x. T# K( d/ _6 q3 o7 t# \图2 正常火花放电电压、电流波形图
　　(2) 过渡电弧：放电期间放电电压波形上，高频杂波分量几乎没有，击穿延时也不明显，波形无规律。这种波形可通过伺服控制恢复为正常火花放电，也可因间隙状态变化而自行恢复为正常火花放电。因此它是作为理论研究提出的，实际加工控制过程中不需要专门测量(本文不考虑这一状态)。
) j9 T+ L5 b0 L7 ?- Q　　(3) 稳定电弧(不可恢复烧伤性稳定电弧)：在间隙放电条件恶劣的情况下，如深孔加工时，稳定电弧形成而烧伤工件，这时工具电极及工件表面都会形成局部凸包或凹坑，电压及电流波形都很光滑，形成烧弧后，如不擦除黑斑，加工过程不可能自行恢复正常。见图3。

图3 稳定电弧放电电压、电流波形图
　　(4) 短路：电压很低，电流波形光滑。虽然短路本身不蚀除工件，也不损伤电极，但在短路处造成了一个热点，当短路消除时易引发拉弧。
　　(5) 开路：间隙加工介质没有被击穿。
　　为了清晰地描述放电间隙状态，文中给出的间隙状态图是经过处理的。在实际电火花加工过程中，这五种类型都可能出现，甚至在一个脉冲单元中同时出现。短路、开路的情况好区别，本文不作详细说明。正常火花放电和稳定电弧放电这两种状态的电压、电流幅值特征较接近，如仅用电压和电流的幅值来区分是较困难的，因为它们的间隙电压和电流幅值差别小，而且随着工艺规准的变化还在一定范围内波动。
　　70年代以来的检测技术主要有两种：高频检测法和击穿延时法。由于光电技术的引入，我们采用新的方法——设置门槛电压法。从检测放电间隙电压入手，应用光电耦合器屏蔽干扰，采集信息接入 PC 机处理。
3 电火花放电间隙状态检测方法及工作原理
　　3.1 高频检测法
" `5 f& n( X9 Z9 n; a　　高频检测法是通过间隙电压上高频分量的检测来区分火花放电与电弧放电。在火花放电时，间隙电压存在着强而稳定的高频分量(频率从几兆到几十兆)；而电弧放电时，间隙电压的高频分量很弱，甚至不存在。因此可将间隙电压上的高频信号进行提取、放大、比较，作为区分火花放电和电弧放电的依据。这种方法不仅可区分火花放电和电弧放电，还可将电弧放电进一步区分为稳定电弧放电或是过渡电弧放电，但难以对单个脉冲的放电状态进行判断，且电路复杂、稳定性较差。
　　3.2 击穿延时法
# ~1 ]" H% B6 Y( ^8 y　　击穿延时法是根据火花放电时存在一定的击穿延时时间，而电弧放电时一般没有击穿延时时间而设计的。尽管它不能区分过渡电弧放电与稳定电弧放电，并且对单个脉冲内出现的放电状态转换不能有效地区分，但其优点是可对单个脉冲的放电状态进行判别，且检测电路为数字电路，抗干扰性及稳定性都很好，与电火花加工机床上的计算机控制系统连接也很方便。
　　3.3 设置门槛电压法
　　从前面放电间隙状态鉴别中可看到，正常火花放电与稳定电弧放电的单个脉冲是在实验室里被极精密的仪器测出来的。在实际应用中会出现各种干扰，正常火花放电和稳定电弧放电的电压、电流特性相似，难以区分。而且，即便被测到也没有标准可让计算机识别。采用设置门槛电压法可解决这个问题。
　　设置一个参考电压，介于电弧放电与火花放电之间。用放大器线性方法检测火花放电和电弧放电的电压值，利用光电耦合器使它们呈现正比关系。在正常放电电压时，光电耦合器(GD)基本处于截止，在电弧放电时基本处于饱和。如图 4 所示设置参考电平 Uref1。设置门槛电压法由此得名。由于光电耦合器的作用，不仅是正常火花放电和稳定电弧放电的判别变得简单，电路简化，还可大大抑制电路干扰，将机床强电系统与数字系统完全隔离分开。
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图4 正常火花放电脉冲与电弧脉冲
. w* i# E/ L* z4 q' F在光电耦合后输出的波形
a——正常火花放电脉冲输出, b——电弧脉冲输出
( l" o$ q0 t6 C* F! T" P加工中，放电两极的脉冲电压值很高，达几十伏到几百伏，必须预处理电路对间隙电压分压。将衰减后的间隙电压通过光电隔离、运算放大后再输入到采样电路中。由于从安全角度考虑，电火花加工机床的一个电极接地，接地线又和交流电源的中线相通，因而除空间电磁场的耦合外，还有地线的直接耦合。EDM 放电间隙不仅是加工区，也是一个很强的高频电磁场干扰源，其频带范围以10～60MHz最强，实验证明，在最大电流的精加工中系统的干扰最强。要使 A/D 采样不会受到干扰，达到强电与弱电的隔离，放电间隙状态检测接口电路中的隔离采用线形光电隔离技术。
, A8 U# v3 T" _　　控制的目的是在稳定加工下尽量保持火花放电状态。前面把放电过程描述为四种基本状态：正常火花放电、稳定电弧放电、短路、开路。定时记录放电状态出现的时间，即用时间百分比反映这四种状态及其组合：
空载率：Ψd＝Σtd/Σti?100%
- L2 ~! V, P1 u# }( q! Z火花放电率：Ψe＝Σte/Σti?100%
5 ]; E3 ^6 s7 ?2 ]. {稳定电弧率：Ψa＝Σta/Σti?100%
6 b/ M" Y  x4 r: Z) s7 p短路率：Ψs＝Σts/Σti?100%
式中 ti——脉宽
8 N0 l' _7 X# i" T% p8 w$ Rtd——空载时间
" K  p- H$ u- X& S# `7 F. u  B( c  Cte——火花放电时间
/ y& N+ Q% ~) J; J) ~! \ta——稳定电弧时间
% }' w0 z% E9 s! d- q# y! c& B$ ^ts——短路时间
这四种基本状态只有正常火花放电具有蚀除能力，其余对蚀除材料没有作用。因此控制目标是：在稳定加工前提下，尽量提高火花放电率Ψe。由于放电时间极短(10-7～10-3s)，采样到单个脉冲内电压波形的变化非常困难，实用意义不大，于是用定量脉冲数与正常火花放电数的比值作为控制伺服参考电压的参量，将监控的输入参量确定为稳定加工时单位脉冲出现的火花放电次数。
6 ?8 K) Y+ Y7 k) x; f4 实验装置及工作原理
　　4.1 实验装备
, A! x  z- \# g9 e. k  i　　(1)DK7180(HCD800ZK)大型精密数控电火花成形机，配MDVA-105K脉冲电源柜和MD-P5扩展柜；
　　(2)PC－2000 系列 PC/386/486/586 专用 AD 卡 PS－2117；
　　(3)放电间隙检测分压接口电路；
　　(4)放电间隙状态判别与逻辑电路；
　　(5)计数及与 PC 机接口电路。
　　4.2 接口电路的工作原理
- N% \& ?. F) q  R( R　　(1) 放电间隙检测分压接口电路
　　它将机床强电系统与数字系统分开。
　　(2) 状态检测电路
. L1 e3 H" j! D9 Z; f  l　　状态检测的依据是放电脉冲各种不同状态分量电压的特点。在接口电路完成后开始采集数据，包括脉冲电源输向间隙的同步等宽触发脉冲 Up2、接口电路处理后的放电间隙电压 U0 (如图5)。图中电阻器 R1、R2、R3、R4 选用合适值可使光电耦合器 GD1、GD2 分别工作于截止与饱和两种工作状态。在分流器W1、W2、W3、W4 的作用下，光电耦合器 GD3、GD4 输入、输出关系在某一电压范围内具有线性放大特性。输出结果为：① 反相电源脉冲的内部同步等宽触发信号 a (用于作为矩形计时窗和外部中断读与清零的源脉冲)；② 当R1输入为低电平，输出高电平信号 b (短路信号)；③ 输出正常火花放电的截止电压或稳定电弧放电的饱和电压信号 c;④ 高电平空载(开路)信号 d (这里需要一个参考电平 Uref2)。
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  j! h4 g* m0 Z% v4 u( K$ U2 o3 t图5 取样、光电耦合和局部放大电路原理图
于是根据a、b、c、d 端不同的高低电平，就获得了具有明显差别的不同放电状态。我们只需要设置参考电平 Uref1、Uref2，通过比较器 comp1 和 comp2逻辑电路组合获得各状态分量：短路信号 E1、正常火花放电 E2、稳定电弧放电 E3、开路放电 E4 (原理见图6)。

: W+ h: P' g0 K$ J" _图6 状态判逻辑原理图
8 X6 v) R' O1 v# C  L2 v" F) M1 p　　(3) 高频计数与 PC 机接口
　　事实上经过前面电路的处理，我们得到了电源脉冲内部同步触发信号a，用这些信号作用于计数器，完成对E1、E2、E3、E4 分离计数。考虑到微机控制系统运算与终端输入输出的时间损耗，把信号 a 进行二分频和四分频得到 a1、a2，a、a1、a2 三者相与得到矩形脉冲窗 E，E 再分别与 E1、E2、E3、E4 组合，得到计数器的计数选通信号 E1、E2、E3、E4 (即实验时的取样周期等于4个放电脉冲周期之和)。这一部分在实验的初级阶段由软件实现。
: w9 s- l1 n; ?( ~6 总结
) c& T% H/ c# z9 c' Y7 f6 W　　本实验目的是在线实时采集和检测放电间隙状态的情况。特别是检测正常火花放电与稳定电弧的在线区别。数据采集后的处理完全由程序解决。该程序由 C 语言编写，因此带来了一个不容忽视的问题——存在较高的时间损耗。建议在以后的工作中采用硬件，如应用可编程逻辑门阵列器件 EPLD ATV2500 进行逻辑运算，并用汇编语言编写程序，会大大加快软件的处理速度，甚至采集到准确的各种放电间隙状态延迟的时间。待整个过程包括放电间隙接口电路、状态鉴别、计数及PC机接口技术成熟之后，考虑用集成电路板将它们综合制成 EDM 智能控制卡，接在 PC 机 ISA 总线槽直接进行模数和数模转换，为智能控制在 EDM 的应用提供硬件支持。
! u: k7 c! b, h! H' z* n　　本文提出将监控的输入参量确定为稳定加工时单位脉冲出现的火花放电次数，需要进一步试验以验证其可行性。但它为电火花型腔加工的状态检测提出了一种新的尝试。
/ S# Y9 ^+ g1 k" O) y7 ^- }) d　　本文所述的实验装置是用来进行实时采集电火花加工过程中间隙电压的数据，仅仅需要制作软件便可进行实时数据处理和在线控制。而且本实验引入 IPC 机作为 EDM 加工过程监测和控制的硬件平台，不仅可方便地解决人机界面问题，对 CAD/CAM 软件择优直接用于数据系统，更重要的是就有可能在微机上模拟加工过程进行实时处理和控制。
6 W/ {% Q: f6 s$ }; q7 o文章关键词： 电火花 加工 鉴别 检测