（机械电子工程专业论文）微细电火花加工间隙放电状态检测的设计与实现.pdf

摘要 为了满足微细电火花加工位能要求的褥高，避免由检测电路和上位机而造成的时延，本文 提出了针对3 种不同放电方式的间隙状态检测电路，改进由a d 卡采榉质软件处理的单一放电 状恋判峨方法，状态判凝可以完全喹f p g a 芯片独立竞成。 针对r c 脉冲放电加工的平均值旅电状态检测设计由平均值电路和f p g a 状态判断部分实 现。平均值电路得到放电回路电流信号的平均值，其输出倍号经上位机采样进行a d 转换作为 间隙放电状态判斯依据；蠛蓑输出到鼹路电压比较器中与设定阕僵比较慰由f p g a 实现状态判 断。 针对等脉冲、等能量放电加工状态检测设计中，由有两路电压比较器组成的接口电路与 f p g a 共同实现放电脉冲鉴别与菇神放电脓 巾的计数。其中，电瑷 e 较器竞成放电膝冲的峰健电 压采样。f a 撮据放嘏脉冲峰傻亳噩上豹差异帮击穿延时的有羌对开路、火花放电、电弧放电 和短路4 类脉冲做出鎏剐，并且对一段时间内的各种放电脉冲发生的数黛进行计数。为提高控 制系统对开路、短路或电弧放电脉冲状态的反应灵敏性，对这三科放电脉抛诗数辕出特殊处 理，当葵数量达到设定数髓时藏控制系统发出离电平脉冲信号。 通过加工实验验证了设计检测方法的可行性，检测设计的各功能部分满足撇缃电火花加j ： 在间隙状态检测控制方蕊的精密疆求。 关键词i 徽镯电火花加工，放电状态检测，f p g a a b s t r a c t f o rt h ep u r p o s eo fb e t t e rs e r v i n gf o rt h em i c r oe l e c t r o n i cd i s c h a r g em a c h i n i n g , a n da v o i d i n gt h e t r a n s m i t t i n gd e l a yb yg a ps t a t ed e t e c t i n gc i r c u i ta n dt h eu p p e rp r o c e s s o r ，t h er e s e a r c hh a v er e d e s i g n e da n e wd e t e c t i n gc i r c u i tf o rd i f f e r e n tp u l s ep o w e rs u p p l y a n dc h a n g e dt h eo n l ym e t h o dt ol u d g eg a p s i t u a t i o n 。 f o rt h ed e t e c t i o no f g a ps i t u a t i o no ft h em a c h i n i n gw i t hr cp o w e rs u p p l y , t h ed e s i g nc o n s i s t so f a c i r c u i tt os m o o t hi n p u tc u r r e n ts i g n a l sa n da c q u i r et h e i ra v e r a g ea n df p g a ，w h i c hi si nc h a r g eo f j u d g m e n to fg a ps t a t e t h ep c o rm i c r op r o c e s s o rs a m p l et h ea v e r a g ea f t e ra dt r a n s f e r r i n go rt h e y c o m p a r ew i t hs o m ep r e s e tv a t u 。so f t w ov o l t a g ec o m p a r a t o r sa n df r o mt h eo u t p u to f t h ec o m p a r a t o r s f p o ac a n _ g e ti n f o r m a f i o na b o u tg a ps t a t i o n ， f o rt h ep u l s ep o w e rs u p p l ye i t h e rw i t he q u a lp u l s ew i d t ho rw i t he q u a ld i s c h a r g i n gw i d t h ，i nt h e j u d g m e n to fg a ps i t u a t i o n ，t h ed e s i g ni sm a d eo ft w op a r t s o n ei sac i r c u i tf o rt h ec o n n e c t i o nw i t h f p g aa n dc o n s i s t so ft w oc o m p a r a t o r s , t h eo t h e rp a r ti sa l s of p g a + b o t ho ft h e mw o r kt o g e t h e rt o j u d g ed i f f e r e n tp u l s e sa n dc o u n tt h e m b yt h ec o m p a r a t o r st h ed e s i g nc a ng e tt h ep e a kv a l u e so f e v e r y p u l s e a n da c c o r d i n g 谂t h ed i f f e r e n c ei nt h eh i g h e s tv a l u eo fe v e r y p u l s ea n dt h ee x i s t e n c eo f d i s c h a r g i n gd e l a y ，f p g ad i s t i n g u i s ho p e nc i r c u i t , n o r m a ls p a r k ，a r c i n gs p a r ka n ds h o r tc i r c u i tf r o m e a c ho t h e ra n dc o u n tt h ea m o u n t so f t h e ma p p e a r i n gi na p e r i o do f t i m e t oe n h a n c et h es e n s i t i v i t yo f c o n t r o l l i n gs y s t e mo fm i c r oe d m 韬r e a c to p e ne i r c u i tp 酶；s e s ，s h o r tc i r c u i tp u l s e sa n da r c i n gs p a r k p u l s e s ，t h ed e s i g nt a k e sas p e c i a lm e a s u r e 船l e tt h ed e t e c t i n gb l o c kg i v eah i 醢l o g i cp u l s et oc o n t r o l l i n g s y s t e mw h e nt h ev a l u eo f t h e i rc o o n t e r sg ou pt ot h es e tv a l u e s i ne x p e r i m e n t sw i t ht h ed e s i g n ，r e s u l t ss h o wb e a e rp e r f o r m a n c eo ft h ed e t e c t i n gm e t h o d sa n d r e a c ht h ee x p e c t a t i o na n ds a r i s f yt h er e q u i r e m e n to f t h ec o n 拄o l l i n gr u l e s 。 k e yw o r d s ：m i c r oe d m ，g a ps t a t ed e t e c t i n g ，f p g a l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文慰我个人在导师指导下进行的研究：e 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加醵标注和致谢的地方舞，论文中不截含其他入融经发表或撰 写过兹硬究残暴，也不氛含必获缛中国农业大学或其它教育孛且搦兹学短或诞书面使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 拇翡 时间： 乙o 。厶年占月1 年日 关于论文使用授权的说明 本人完全了辩中国农韭大学寄关僳辩、使精学稼论文的兢宠，帮：学校有权傈整遴 交论文的复印转和磁盘，允许论文被查阕和借阕，可以采用影印、缩印或掴撼等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全都或部分内容。 缳密黪学位论文在解密压瘦遵守此协议) 研究生签名 专崎 嘛6 年弘西 ：f 胡蒋 醐：加以 l 年莎月，护 1 1 课题背景 第一章引言 电火花加工是一种通过电火花放电j 拽行金属材料去除，实现一定形状和尺寸的加：t 手段。奠 加工黪琢理是在一定豹奔质中，通过在电极和工 牛上施加一定的电鹱，将介质击穿电离，产生火 花放电，利用电离通道中产生的高温、商鹾，将被加工工件表面的金属熔化、蒸发，并在工件的 表面上形成电蚀凹坑。 实现电火筏鸯霹工，工具电校弱工释壤掇之间努须维持合理静距离，帮楣森子脉i 孛电压和相应 于介质的绝缘强度的距离。在该距离范围内，既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电， 又霹疆滚跫在火花逶逶甥断惹奔葳游电离激及撵蠢缓豫产秘静要求。若嚣宅掇距离避大，簧l 豫弹 电压不能击穿介质而不能产生火花放电：若两电极距离过小造成短路时，则柱两电极问没有脉冲 麓量游耗，也不可麓实现热工。由此可见，嚣逛投闻静台瓒距离必缀较小，攮又不姥短路。阅敬 是否合理受到脉冲电压、火花通道的能量以及介质的介电系数等椴多因素制约。因而，间隙的 大小随这些鼹素的变化丽变化。一般情况下，电火撬加工的放电间隙在数微米到数百微米范围如。 若将间隙调藏到台理间隙和短路之闯( 帮小于合邂间隙) 。显然不妨碍脉 孛电压击穿介质，僵赔 由于间隙过小会导致积炭，甚至发生电弧，给加工造成危害。 因藏，奄火花放毫鸯拜工避稷。实质土楚工翼电狡与i 释淘藩调熬与控籍静过程，逶l 童调整闻 隙使加工稳定进行，最终达到臻求的加工尺寸与精度。 在电火花般工中，黢电闻黩状态是进嚣进给控镬窝熬挣电源诵蘩瓣基本谈攥，藏电阉豫敬杰 检测是电火花加工中的关键技术之一。奄的性能赢接影响到加工过稷的稳定性和加工质量。由于 间隙的火花放电又是一个十分复杂的过稳，影响因素多，髓机性强，对它的检朔l 较为困难。强翦， 电火花放电间隙状态的检测已成为各种电火花加工设备研制开发过秘中不可阐避的难点之一。 1 2 国内外相关研究现状分析 1 南京航空航天大学在进行电火花成形加工过程中放电间隙髓测的研究中，将门槛电压德 法与黼频信号检测接台起来进行状态判断【1 。 穰器毫灭花放毫彀鹾不霹，设置门槛电压筐v r e f l 、v r e f 2 ，警敬琏童电压在v r e f l 殴上为开路： 在v r e f l 和v r e f 2 之间为正常放电；在v r e f 2 以下时，存在高频信号，则放电状态为不稳定电弧 教毫默态，秃藏颓售号，镕g 兹电状态为稳定电弧教迄捩态或短路装态。这捶就胃分离壅霆静教瞧 状态。考虑剐引起这两种放电状态的原因同为放电间隙过小，系统将稳定电弧放电状态和短路状 态分为一类。 在每一个莱样周期，对放电间隙监测系统对采样值作出状态判别然后对分析周期时间内如 现的开路、正常放电、不稳定电弧放电、稳定电弧放电及短路状态的采样值次数进行统计。 妇栗系统的采样频率先卸( l z ) ；td 、te 、te 、fa 为一个电压脉冲中出现开路、正常 放电、不稳定电弧放电、稳定电弧放电及短路状态的采样值次数：t d 、t e 、t e i 、t a 分别为一个 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 放电周期时间内出现开路、正常放电、不稳定电弧放电、稳定电弧放电及短路状态的时间； 分 析周期为t ( i r i s ) 。则分析周期t 时间内，而种放电状态出现的时间为：t d = ztd f p ，r e = te f p ，t e = te f p ，t 8 = t a f p 。 电火花成形加工以一个分析周期t ( m s ) 时间内各种放电状态出现时间的比例作为模糊控制策 略的依据。 2 哈尔滨工业大学对电火花加工放电状态检测系统进行了研究，设计了数字式放电状态检 测系统。该检测系统通过采样电火花加工放电间隙的电压、电流信号和检测电压幅值上的高频信 号的强弱，得出反映间隙放电状态的各种时间脉冲，利用计数器分别对其计数，再送给单片机运 算处理，输出控制环节所需的各种放电状态时间百分数1 1 “。 系统首先设计了电火花加工放电过程的5 种放电状态检测电路，检测原理图为图卜1 所示。 图卜1放电状态检测原理图 其中，v r 、i r 分别代表间隙电压和限流电阻r 上的压降，h f 代表放电脉冲幅值上伴随的 高频振荡信号，v r 和i r 检测环节输出两种脉冲信号t u 和t i 分别表示间隙电压和电流的有无。t u 的门限电压低于火花维持电压，选为1 i v 。h f 检测环节输出两种脉冲信号t h 和t l 分别表示为 高频振荡信号的强弱。 放电状态检测电路进行放电脉冲状态方式判别可用表格卜1 简单表示。 表卜 t u 、t j 、t h 、t l 经译码逻辑单元编译，译码结果对应不同的放电状态，t d 为空载、t 。为正 常火花放电、t c l 为过渡电弧、t 。为电弧放电、t 。为短路。 t d = l t 。】， t e = t 。t i t h ， l l = t 。t i t h it l ， t a = t 。1 t i ， 2 t s _ t 。t i t l ! ， t r 群乃手e 十t 。i 十e e 。 t 。1 t 1 1 、t h l 、h 1 分疆为 。、鼍、b 、h t 的逻辑反相a 在魏基磷之上，系统采蠲计数器电路i n t e l 8 2 5 4 ，对备脒羚熬发生对闯分别进行计数，将这 些辣诤馕号静黠阕长度数字 也，然盛这6 个数字攮送入计数运算电路中，求褥控镄4 环节所霈的备 弛放电状态再分数。 8 0 5 1 系列单片通过数据总线与8 2 5 4 的数据接口相连，在不同的时钟周期，单片机通过数据 总线与8 2 5 4 的计数寄存器进行数据读取或将运算结果送给控制环节。 该系统采用i n t e l 8 2 5 4 计数器，丁作频率定在8 - 1 0 m p j 。 3 南京航空航天大学在徽细龟火花加工放电状态检测研究中，应爝多传感数据融合技术对 放电状态送行检涮。 该臻究方法谯对比常援瓣锻火花加：与徽缨电火藐豹波形瓣基姑之上，提出一魏到用救也翅 工慰的蜂馕彀难与峰缀邀浚售号的继息，采用转感器融合技术，姓决策级融合为主、特征级融台 为辅对放电状态进括识别的方法。在次策级的信息融合系统中采用了模糊神经网络的方法，然 后在融合信息的基础上，按规则对放电状态进行识别。其系统结构如图卜2 所示。 霉 - 2 ￥| c r oe d m 菽毫状态的分娄系绫络梅 放电状态的检测中，有两路传感器：一路用来检测脉冲放电中的峰值电压，路用来检测脉 冲放电中的峰值电流。通过磁补偿的霍尔元件对电流、电压进行检测，使得采集、控制电路与加 工电路在电气上褥以完全隔离。通过双路采集，控制系统根据在一段时间内采集的数据进行这段 时间内放电状态的分类及统计，阻决定主轴下一步的运动速度及方向。 该研究中采嗣静馥用多传港数据融合技术对放电状态进行检测，撬出了不同于常兢静电交花 蕊互藏懿状态检溺酶方法，妊检溺蠲豫电导率鹣溺量、声频射频鹃捡测、放电酵有无离频振荡信 号豹捡测、遗对袋样与门攘电压豹比较以及“皴冲电鹾的耪分”等检测方法。将擞巽上最近漉毒亍 的多传感器融合技术成用到徽l 辋电火花加工领域，它的发展注入了瓶的活力【2 0 】口”。 4 山东大学机械工程学院在检测电火花加工间隙状态的方法的研究中，采用一种柔性方法 来检测e 隐火花加工间隙状态，即间隙状态检测模块由单片机编程设谶比较门限值，具有设_ 置精确、 柔性的特点。 该研究戳闻陈电压平均值作为信号，利用阍值e e 较法得到：间隙开路、正常、不正常或短路 等凡种辩应静加工状态。正常船工状态的间隙电搓应楚于加工效率较高盥较窄的一个区阔+ 弼这 个区淹设置褥较宽将轰揍澎噙整体船工效率。另辩，随着翻王条件| ! l 孽改变，据脎宽篷鞠脓闻馕戆 改变以及工嚣渡、电投、王 牛拱斟的更换等都能影响刿别区阀僮。强了较好地适瘟经常改变翅t 参数的实际工作过程，通过简单的编程设置比较门限值。其捡测模块原理如图1 - 3 嬲示。 3 囤1 - 3 间隙状态检测模块原理图 该间隙状态检测模块，分为检测信号采集、门限值设置和间隙状态识别3 个功能部分。 由电阻r 1 、r 2 和r ，稳压二极管z ，电容c 和运算放大器a l 、a 2 完成检测信号采集，把间 隙电压信号转变为间隙电压平均值，再送往间隙状态识别部分的功能电路。r 1 、r 2 提取间隙的放 电脉冲电压信号，并由r 1 获取幅值衰减的电压信号；电阻r 和电容c 则把衰减的脉冲电压信号 转变为直流电压信号( 部分间隙电压平均值) ：运算放大器a l 作为高阻抗跟随器对传输信号进行 电流隔离，a 2 则把隔离后负极性的电压信号变为正极性的电压信号，输往间隙状态识别环节。 由定时器计数器8 2 5 3 芯片和两路压频转换器l m 3 3 1 芯片完成门限值设置，为间隙状态识 别环节提供门限值信号。8 2 5 3 芯片输出端o u t 0 、o u t l 输出频率不同的脉冲信号，分别作为两路 l m 3 3 1 的脉冲输入，l m 3 3 1 把输入脉冲转化为不同的直流电压输出，为后续的间隙状态识别提供 门限值信号，达到改变比较电路门限值的目的。 由比较器c 1 、c 2 以及逻辑电路完成间隙状态识别，通过电压比较和对比较结果的逻辑处理 获得间隙状态。c l 、c 2 的门限值信号分别为v h 和v l ，当输入的间隙电压平均值大于v h 时，间 隙处于开路或偏开路加工状态，o p e n 输出端变为低电平；当间隙电压平均值小于v l 时，间隙处 丁非正常加工状态，s h o r t 输出端变为低电平。当间隙电压处于v h 、v l 之间时，加工状态正常 n m l n a l 输出端变为低电平。 该研究设计的检测模块通过单片机编程设置比较门限值，适用于经常改变加工条件的 实验加工系统使用。 5 佛山科学技术学院在电火花放电间隙状态检测模块的设计研究中，通过对间隙电压、电 流及前一个间隙状态的判断，能够即时区分各种放电间隙状态，并通过对一段时间内出现某间隙 状态的时间进行累计来检测该间隙状态的发生率。 关丁放电间隙状态检测的设计，该研究是在开路、短路、脉冲间隔及放电( 火花放电、电弧 放电) 4 种状态的电压电流的幅值特征存在着较明显的区别的基础之上提出来的。但是火花放电和 电弧放电这两种状态的电压电流幅值特征比较接近，如果仅用电压和电流的幅值来区分这两种状 态就比较困难，因为火花放电和电弧放电时间隙电压和电流幅值差别很小，而且随着工艺规准的 变化还在一定范围内波动。为了进一步区分火花放电和电弧放电，研究者提出了采用击穿延时检 测法来区分火花放电和电弧放电。它的放电间隙状态检测基本原理图如图1 - 4 所示。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 赫冲蜘崩 译 l弹丝 码 藿簋 蛰 图卜4 电火花放电间隙状态检测原理固 首先，把间隙电压u 和间隙电流i 的幅值与参考电压u r e f 和参考电流i r e f 进行比较，对比 较结果进行译码，将间隙放电状态划为开路、短路、脉冲间隔与放电( 包括火花放电、电弧放电) 4 种状态。 间隙电压u 、间隙电流i 为逻辑o o 时，代表脉冲间隔：0 l 代表短路；1 0 代表开路；l l 代表 放电( 包括：火花放电、电弧放电) 。 其次，由d 触发器实现火花放电与电弧放电的区分。d 触发器的复位端r 接译码器的“脉冲 间隔”输出端，触发脉冲c p 端接译码器的“开路”输出端，d 端和q 端短接。判断过程如f ： 当出现脉冲间隔状态时，d 触发器被复位，q = o ，d = q = 1 。当发生电弧放电时，译码器的“放 电”输出有效，由于在此之前“开路”输出无效，即没有触发脉冲，d 触发器状态保持不变，此 时与门1 被关闭，与门2 打开，“电弧放电”( 即与门2 输出) 有效； 当发生火花放电时，先是“开路”输出有效，d 触发器被触发，q = 1 、d = q = 0 ，此时与门1 被打开，与门2 被关闭，接着“放电”输出有效，经与门1 使“火花放电”输出有效。 在实现放电状态判断的基础之上，系统设计了时钟发生电路、计数电路来对短路、开路、火 花放电和电弧放电状态发生时间进行计数。 该状态检测系统的优点是能够区分开路、短路、脉冲间隔、火花放电和电弧放电5 种状态。 并且检测电路为数字电路，抗干扰性能及稳定性都较好，与电火花加工设备上的计算机控制系统 的连接也很方便。 该系统的缺点是不能对过渡电弧放电与稳定电弧放电作进一步的区分。但是由于过渡电弧放 电是由于加工间隙值偏小或蚀除产物过分集中造成的，为火花放电脉冲与稳定电弧脉冲的过渡状 态。当间隙恶化时就转化为稳定电弧放电脉冲，并且过渡电弧放电脉冲对工件只有较弱的去除能 力，所【三l 在实际加工中将过渡电弧放电与稳定电弧放电同归属为有害放电脉冲。 因此，该状态检测系统的设计方法和思路值得借鉴。 6 日本y a m a g a t a 大学工程系在电火花加工间隙状态检测的研究中，采用电压比较器与分 立逻辑元器件设计检测系统，能够检测出火花放电、空载、电弧和短路四种放电状态【1 4 】。加工状 态检测系统的放电状态判断电路如图卜5 所示。 如图卜5 所示，检测电路通过采样电阻采样，采样值分别与两个电压比较器的闽值比较。比 较器输出经逻辑电路判断不同放电状态。 设采样电压为v i ，电五, l b 较器c l 的门槛设定值为v h ，输出为v l ，电压比较器c 2 的门槛设定 值为v l ，输出为v 2 。当v ， v h 时，v l = v 2 = o ，输出空载时钟脉冲。当v l v v h 时，v l = 1 ，v 2 = o ， 图1 _ 5 放电状态判断电路图 e i 嘛p u l s e o f 嬲州n g 0 础m m e o f nc t t c u | c l o c kp l | 妇o f _ 雌 c l o c k w i * o f ；b d t g u i t 若前一个状态不为开路，则输出电弧时钟脉冲，否则火花放电输出。当v i v l 时，vl = v 2 = i ，输出 短路时钟脉冲。 在放电状态判断电路的基础之上，系统的计数电路对各个状态进行计时，作为电加工系统自 适应模糊控制的依据。 7 除了上述常用的放电状态检测与识别的方法之外，国外学者还对其他的放电检测与状态 识别的方法进行了研究。 学者们在研究中发现电火花放电位置分布的变化与放电状态的趋势及稳定性有很大的联系， 不均匀放电分布是电弧放电的表象，而放电点逐渐的相对集中是电弧来临的先兆。根据上述现象， 日本学者对通过检测放电位置，研究放电点的分布情况来判断放电状态的方法进行了研究。 l ? ，f 、文、腊 驾传掣 处理电路 固卜6 声波信号检测法原理图 日本k a n a g a w a 职业教育学院的m u t o 等人与瑞士l i n k o p i n g 大学的l y d r e s k o g 等人合作， 利用声波辐射信号对电火花加工中的火花放电位置进行检测，已做到放电位置检测误差小于 0 3 m m 。其原理图如图卜6 所示。 丰田工业大学生产工学研究室在精加工时利用霍尔元件进行放电位置的检测。其检测原理图 如图卜7 所示。在工作两侧固定两个霍尔元件，放电时表面流过电流，由于工件上放电点左右阻 抗不同，即r 1 、r 2 随放电位置的改变而改变，造成电流差，利用霍尔元件检测该电流差，即确 定放电位置。 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 1 + 3 课题内容 囵 l i 主辍 l p ，2 e , o , 盂。i 霍尔既件 重 一7 誊聿嚣嚣梭溯甄理 根据上述国内外研究现状，电火花加_ _ l ：芷向着高精度、高效率及其综合的方向发展，应力求 避免在热工过程孛短鼹及稳定恕弧稼冲鲢发生，嗣此要求闽隙状态检测方法其有鞍毫的捻测灵敏 度，能对荦个放电脉冲的效果实现鉴别。僚正确的检测结果还需配台平均值梭测法才能实现，因 此，间隙状态检测正向着脉冲识别与平均慎检测两者并行的方向发展。 本文综台考虑嚣耱常矮静电必菝热工避程间藤状态捡溅方法麓实瑗蘸理每特赢，在分援硬究 原有放电状态检测系统设计构成的优缺点的基础之上，针对徽细电火施加工系统在精度、 效率等性能要求方面的提高，横测设计力求避免在加工过程中短路及稳定电弧脉冲的发生，具有 较裹豹捡渊灵敏痊e 本文瓣臻究：痒主要东娃下凡矮蠹鸯曩舞：攥接阉骧菝魄拔态拴溺方寰；设 计针对r c 脉冲电源、等脉冲和等能量电源加工时的电火花放电状态检测电路；利用现场可编程 逻辑阵列f p g a 进行放电状态判断等三个方面。 7 第二章微细电火花加工状态检测方案设计 在目前以常规物理方法检n i e 隙值困难且意义不是太大的情况下，对间隙的调整控制主要是 通过放电间隙的工作状态检测间接实现的。通过检测间隙电压、间隙电流或判别放电脉冲的有效 性等，间接地获取间隙值合适、偏大、偏小或为零等间隙状态信息，为间隙调整、控制提供参数 依据。 下面以放电脉冲分类为基础，分析独立式脉冲电源完成电火花加工过程常用的间隙状态检测 方法，并分析了它们的实现原理与特点咄j 。 2 1间隙放电状态检测方法 1 放电脉冲分类。 放电脉冲一般分为5 种，即：空载、火花放电、稳定电弧放电、过渡电弧放电、短路j 。 其特点如下。间隙电压电流波形示意图如图2 - 1 所示。 ( 1 ) 空载脉冲：间隙过大时，脉冲电源电压不能击穿间隙形成放电脉冲。间隙电压值为脉 冲电源电压值，间隙中没有放电电流，波形中没有高频分量。它对t = 件没有去除作用属于无效 放电脉冲。 ( 2 ) 火花放电脉冲：间隙值合适时，脉冲电源电压击穿间隙形成正常火花放电脉冲。间隙 放电维持电压主要由工具电极、工件材料及工作液介质介电特性决定( 一般在2 0 3 0 v 左右) 放 电击穿过程具有明显的延迟特性波形存在振荡高频分量。电火花放电加工主要依靠它完成，属 于有效放电脉冲。 ( 3 ) 稳定电弧放电脉冲：间隙值过小时，产生稳定电弧放电脉冲。间隙放电维持电压比正常 火花脉冲放电时的值稍低( 约3 4 v 左右) 放电击穿延迟时有时无，脉冲波形基本不存在振荡高 频分量。它会造成烧伤性损害，属于有害放电脉冲。 ( 4 ) 过渡电弧放电脉冲：间隙值偏小或蚀除产物过分集中时，形成过渡电弧放电脉冲。间隙 放电维持电压与稳定电弧放电脉冲的值差不多，放电击穿延迟时有时无，脉冲波形存在较弱的振 荡高频分量，为火花放电脉冲与稳定电弧脉冲的过渡状态。当间隙改善时能自行恢复为火花放电 脉冲，而当间隙恶化时就转化为稳定电弧放电脉冲。过渡电弧放电脉冲对工件具有较弱的去除能 力，不产生烧伤性损害，既可归属为有效放电脉冲，也可归为无效放电脉冲。 ( 5 ) 短路脉冲：电极与工件短路时，间隙维持电压为零，电流最大。短路脉冲没有材料去除 能力，属于无效放电脉冲。在间隙值接近或变为零的过程中，往往有稳定电弧放电脉冲和短路脉 冲伴随发生，应尽量避免短路脉冲 2 间隙电压与电流平均值检测法的实现及其特点。 目前普遍使用放电间隙电压或电流平均值检测法对放电间隙状态进行检测。通过估算与经验 得知，在工具、工件材料、工作液介质及脉冲参数等确定的情况下，放电加工过程稳定进行时， 其间隙电压或电流平均值应处于一个区间中，如超出了这个范围，加工过程则处于非正常加j 二状 态：间隙电压平均值超出范围上限( 或间隙电流平均值低于范围下限) 时，放电加工过程趋于空载 8 塞垦窒些茗堡圭兰彗圣耋些些坚塑些奎耋坠 加工状态，而间隙电压平均值低于范围下限( 或间隙电流平均值超出范围上限) ，加： 过程则趋于 电弧放电或短路状态n 圈z - l不同放电脉冲的间隙电压和电流 时间t 放电间隙电流平均值检测法与放电间隙电压平均值检测法的实质完全一样。它们具有电路实 现简单、实用的特点，但对短路脉冲或稳定电弧放电脉冲的反应灵敏度较低。 3 放电脉冲有效火花数检测法的实现及特点。 有效火花数检测法是把施加于工具电极与工件之间一定数量的放电脉冲所产生的有效放电 脉冲、无效放电脉冲和有害放电脉冲的数量分别统计、分析后，对放电间隙状态进行判别的一种 方法。其原理是：当电火花加工过程稳定进行时，有效放电脉冲数量应处于一定范围之内，如果 偏离了这个范围就处于非正常加工状态。具体表现分为两个方面：一方面就是有效放电脉冲数量 偏少，这时如果空载脉冲数量偏多，放电加工过程就趋于空载加工状态，如果短路脉冲或有害放 电脉冲数量偏多，放电加工过程则趋于短路或电弧脉冲放电状态；另一方面是有效放电脉冲数量 偏多，这时加工过程往往不能稳定进行。 实现有效火花数检测首先面临的是如何区分各种放电脉冲。目前对放电脉冲进行分类鉴别方 法有电压积分法、放电脉冲峰值电压检测法、脉冲波形中高频分量检测法以及放电击穿延迟时间 检测法。使用较多的主要有后三种方法。 ( i ) 电压积分法。 电压积分法是利用电压波形与时间轴所包围的面积值明显的差异对放电脉冲进行区分鉴别 的一种方法。可区分四种放电状态，即开路、正常、拉弧、短路。 电压积分法即使脉冲宽度为纳秒级，但其四种放电状态的电压波形与时间轴所包围的面积值 依然有明显的差异，可较全面反映地放电波形的信息。但是，积分后的值随脉冲宽度的变化而成 倍地变化则对应的积分电路要能对每一种脉冲宽度自动调整其积分常数。这势必导致电路的复 杂化，且在每一种脉冲宽度时，放电情况并不相同，则必须对每一组脉冲宽度和脉冲间隔的加工 进行实验从而确定其区别各种放电状态的门槛电压。这是一个庞大的数据库，且需要进行大量 的工艺实验。当加工条件及加工电极对发生改变时，就要改变相应的比较值。 ( 2 ) 放电击穿延时检测法。 放电击穿延迟时间检测法是利用火花放电脉冲具有击穿延迟特性对火花脉冲进行鉴别的方 9 露电压v 问隙电流 中国农业大学硕士学位论文 第二章微细电火花加工状态检测方案设计 法。存在一定的击穿延时为火花放电，没有击穿延时电弧放电。一般情况下。如果在脉冲间隔状 态后出现一个开路状态( 即击穿延时) ，再进入放电状态，则为火花放电：而从脉冲间隔状态直接 进入放电状态，则为电弧放电。放电击穿延时检测法可对单个脉冲的放电状态进行区别，且检测 电路为数字电路。抗干扰性能及稳定性都较好，与电火花加工设备上的计算机控制系统的连接也 很方便【6 】o 但不能对过渡电弧放电与稳定电弧放电作进一步的区分。 ( 3 ) 放电脉冲峰值电压或电流检测法对放电脉冲的识别。 放电脉冲峰值电压或电流检测法是利用不同类型的放电脉冲在峰值电压或电流上的差异对 放电脉冲进行区分鉴别的一种方法，峰值电压与峰值电流检测法的实质相同。 空载脉冲和短路脉冲具有峰值电压最大和最小的明显特征，因此较容易鉴别。火花放电脉冲 与电弧放电脉冲的峰值电压较接近，约3 4 v 左右，利用电位器比例采样( 把约0 8 0 v 范围的 脉冲电压转化为0 5 v 能鉴别处理的信号电压) 后，其差别变得更小( 约0 2 v ) ，由于信号存在 波动，严格地把两者区别开较为困难。可以把比例采样信号中的电压差值区域进行局部放大，增 大两者的间距再对两者进行鉴别p j 。放大后可以对开路脉冲、火花放电脉冲、稳定电弧放电脉冲、 过渡电弧放电脉冲和短路脉冲等4 类脉冲做出鉴别。 ( 4 ) 高频分量检测法对放电脉冲的识别。 高频分量检测法是利用有效放电脉冲波形中含有高频分量的特性对有效放电脉冲进行鉴别 的方法。高频分量检测法电路主要由带通滤波器、放大器、滤波整形电路和比较环节组成。放电 脉冲中的高频分量通过带通滤波器，经放大器放大后由滤波整形电路转化成方波信号，送至比较 电路进行鉴别。如放电脉冲是火花放电脉冲，它的高频分量较强，则整形得到的方波信号的幅值 就；若是过渡电弧放电脉冲，它的高频分量相对弱一些，则整形得到的方波信号的幅值；若是空 载脉冲、短路脉冲或稳定电弧放电脉冲，则整形得到的方波信号的幅值为零。要把空载脉冲、短 路脉冲及稳定电弧放电脉冲区分出来则需要峰值电压检测法配合，因此混合检测电路可鉴别出5 种放电脉冲。 高频分量检测法专门用于有效放电脉冲的鉴别。具有实现电路较为复杂、稳定性较差的特点， 且需通过和峰值检测法配合才能得到综合鉴别结果。其分析手段是借用频域处理手法，易受脉冲 上升沿影响，难免存在失真及相移，且实现高通滤波的电路也复杂，易受元器件性能的影响，应 用受到限n 4 1 。 对各类放电脉冲进行鉴别之后，再分别对它们进行统计处理，即可识别出间隙的工作状态。 可以引入可编程计数器，对空载脉冲、火花放电脉冲、稳定电弧放电脉冲、过渡电弧放电脉冲、 短路脉冲出现的个数进行统计处理：如单位时间内有效火花数处于稳定数量范围内，电火花放电 加工则处于稳定加工状态；如超出范围，则根据空载脉冲、稳定电弧放电脉冲、过渡电弧放电脉 冲或短路脉冲的数量可对间隙状态做出进一步的判断【1 ”。 4 其他间隙状态检测方法。 上述的检测方法是目前电火花加工中经常使用的间隙状态检测方法，除此之外还有利用参数 进行间隙状态检测的方法，如平均放电时间、有效脉冲频率、脉冲利用率、相对放电时间、平均 相对放电时间、放电效率、平均放电效率、放电功率、平均放电功率等。但它们实现的基础都需 对间隙电压、间隙电流或脉冲类别进行检测或识别【2 4 】。 0 中国农业犬学硕士学位论文第二章微细电火花由b 工状态检测方案设计 i 舞置毫冀圈i i i 量旨鬯兽g 置量蔓麓量e 皇e 量皇拦鼍曼! 冀量麓量舅糟量量曼舞曼曼嘣皇量e 嘲葛鼍皇舞置皇 2 。2 原放电状态检测系统设计毒勾成 研究室对微细电火花加工放电状态的检测方法曾进行系列的研究，研制出了针对不同微细 电火花加工脉冲放电电源的加工检测方法，包括针对r c 脉冲电源放电方式的平均电流检测法、 针对脉冲放电和电容放电相结合的放电方式的单个脉冲内脉宽平均电压检测电路和识别方法以 及针对耨型敢开荚独立式黼频赫冲电源的由离速阮较器a d 8 5 6 1 实现间隙状态检测的方法。下面 逐翅默分毒绔。 2 2 1 平均电流检测法 研究室赣初的微细电火花小孔加工机，加工电源主要采用r c 脉冲电源。通过跳线选择不同 电黼和电容毽，采控秘电深放电频率。新班，该工作台采稍平均电流检溯法来对加工状态进行判 定，并且戬戴作为控髑的依据。工作台新采爝闯陈放电状态梭瓣判断流程为：放电圈路电流采样 信号一乎均嗽流镶电路一i s o l 0 0 ( 线性光藕) 一计算机a d 采榉卡l g 】。 其中，热工状态检测电路的原理挺圈2 - 2 鼹示； 运放u l 输入端鲤六个二极管毅制遂入电路的信号差梭奄驻不超过0 。7 ￥，筵模瞧压不超过 1 5 v ，保证检测电路的正常工作。加工状态捡测电路麴第二级运放翦爨鑫舂一个由r c 鞫艘的恶 源低通滤波器。将电流信号中高频噪声去除，得到低频的平均啜流傣号。第三级运藏用来调整采 样信号的零点。通过电位器可以调熬平均电流信号幅使零点，使信母处于a d 卡的正常工作范围 5 v 之内。 该平均电流检测电路的截止频率f o 为i o o h z ，即该电路适用于脉冲电源放电周期为l o m s 左 右的常兢电火花翻工酌菔愈状态检测，蕊对于放电周期为l o u s 级的徽细电火花加工而言，丢失 了大璧的僖患。掰鞋该电路不遗渭予徽缩加工放电狡态的检蔷l | | 。 2 2 2 单个脉；枣内脉宽平均电压检测与识别方法 随着微小孔屯火花加工机的改进，工作台采取了脉冲放电和电容放电相结合的放电方式，即 采用等脉冲电源并在加工工件与电板之间并缓电容的供电方式。由此，研究室提出了单个脉冲内 辣竟平均电莲检测电路帮谈别方法，该方法选择擎脒冲内赫宽平均电压餐作为放电状态的梭测参 数，王作蠹藏此乎均电压蕊对热工过程遂章亍按期。获褥擎个艨 审商豫宽警均嚷嚣馕流程鲡溜2 - 3 所示。 该检测系统，把a d 转换后的数据鬣先存入a d 卡自带螅r a m 中，擞在躲闻期闻不器器a d 采样转换时由计算机读取数据并计算出平均值的方法。其中，设计的单个脉冲内脉宽平均电压 检测的电路原理如图2 ，4 所示。 当放电脉冲处于脉宽状态时，模拟开关关闭( 受与等脉冲电源同步的控制信号的控制) ，电 路成为三个串连的二阶低通滤波电路，i 日检测电路的输出为该脉宽时间内的平均电压使；当模拟 汗美抒开辩，检测窀踌耀当予三个串连静电压跟随貉，刚检黼电路的输出为间隙放电电压。就时 电容薅端豹电压一轰保持翦个脉宽鞋戆平均电篷篷，当下一个脒宽来巅对，电容通过迅速静充 图2 _ 2加工状态椽粼电路 放电馒其两端的电压变成当前赫宽内的平均电压憾。 该加工炊态援测系绞是在躲；孛电源敷电频辜一般在十且k f i z ，电窭充放电频率必它的十馈以 上的基础上提出来的。当脉冲电源放电频率提高时，按照该设计方案求单个脉冲内脉宽平均电压， 对a d 转换和平均佳静计算速度要求更高，献磊撬赢了瓣疆僚解健畿羹求。掰鞋不适台予更高放 电频率的加工系统的状漆检测。 瞳2 - 3 获褥蘼个脉冲内脉宽平均电联值流褪 2 2 3高速比较器a d 8 5 6 1 实城间隙状态判别方法 在微细三维电火花加工的研发过程中，为适成微细电火花精密加工要求，研究室对原有脉冲 加工电源进行改避，设计了新黧双开关独立式脉冲电深，该电源的开关颓率可高达l 跚z 。针对该 衰频脉冲电源加工的状态检测。使明鞭个电匿比较器对鞭个给定电压进行比较，由p c 枕使用l o 卡高涟采样比较结果，判断放电状态。根据比较器的两个逻辑输出，可实现放电开路和短路状态 豹判凝。 其检测判断的大体流程为：首先利用电压采样电路将放电间隙的电压从o 2 0 0 v 衰减到o 1 2 圈2 - 4脉宽平均电压检测电路脉理图 5 v ，衰减后的电压信号通过视频运放m a x 4 5 7 ( 筚位增益带煎为7 0 蕊z ) 隔离负载，醣防止长线传 辕躲冲信号失真，送入蕊速范较器。 该状态检测方法，减小了由前置调理电路对信号进行了多次低通滤波所带来的大薰信息丢失 以及给系统反馈环节带来的较大的延迟，能够迅速反映间隙状态。但熄只能对开路和短路放电状 态骰崮潮断，对徽缁三缎电火花加工系统串静较高缀控靠l 策略焉言，状态翔錾较穰路。 综上所述，本研究室对微细电火花加工放电状态的检测方法，能够针对具体的加工条件实现 间隙放电状态的判断，为系统控制提供依据，但都有其应用局限性。 2 3 敖惑状态检测模块设毒 方案 随着研究室微细电火花加工系统的加工精廉、效率等性能要求的进一步提高，新一轮脉冲电 源除了r c 和等脉冲放电方式，增加了等能量的放电方式。并且由于采用f p g a 控铷电源开芙，放 毫频率褥到了遴一步撬离。研究室撅存静藏电状态捻溺系统孛，信号处理宅鼹对魍敬电压或逛滤 信号进行了多次低通滤波而带来大龌信息丢失，再加上放电状态判断方式所造成的信号处理延 迟，即使用采样速度为4 0 k h z 的i s a 将检测电路的模拟输出信号转换成数字量，然扁由软件迸 辛亍怒囊实现对加工状态翔断，范经成为新开发秘徽缁电火花船工系统加工缝能撵离静鬣要制约因 素。为了更快、更准确她获取放电状态信息，本系统蓬薮设计了状态检测屯路，选用传输延迟小、 抗干扰性能好的元器件，以减小由棱测电路给系统反馈环节带来的较大的延迟，能够迅速反映间 隙状态。并且在参考国内矫各稀常用先进敞电状态检瓣方法的基础之上，改进原有加工系统由a d 器采撑嚣软联：处理豹单一葳电状态判断方法，采用赣躲状态判鞭方法。鄹状态判凝可以完全篷捡 测模块完成，避免了由上位机采样处理而造成的时延，使得系统真正成为状态检测的独立模块。 同时为了加】：系统实现漪级控制策略，尽可能参的为控制系统掇供需爱的信号，如模拟量、数字 鬃、开关髂挣量等。 因此，放电间隙状态检测模块中设计了以下检测内容： 问隙平均电压检测以模拟电腿方式输出，或者以开篾量输出； 开路、短路、电弧放电状态检测，鞋汗关簸输出； 开路率、火花放电窭、电弧放电率、短路率检测，以数字量的形式通过f p g a 的i 0 口势 亍 输出。 中国农业大学硕士学位论文第二章微绷电火花加工状态检测方案设计 放电间隙状态检测模块可分为放电状态检测氐路部分和f p g a 实现放电状态判断部分。放电 状态捡测电路部分包括警均值放电状态检测电路蓍娃f p g a 接口电路。f p g a 蜜现放电状态判叛部分 包括对平均值放电状态梭测电路输出平均值信号谶行状态判断模块和利用击穿延时法对簿脉冲、 等自餐棘静电源放泡获悫判鼙棱块。 电火花加工电源为电火花加工提供能量，电源的性自对于工件加丁表面的光洁度、加工效率 等有童接的影响。电加工脉；中电源的主要性能指标有供电电压、电流以及脉冲频率等。对于间隙 敷电状态捻测系统的设诗嚣喜+ 常规电火花加工与缴细电火花热工在脉冲电源的性缝擐栋方蕊的 主要区别为脉冲频率差辨。前黹的频率值为几千或者十，l 千赫兹，即距毫秒级；后者的频率可高 这羧百干甚至上；s 赫兹，帮徽秒缀。 m i c r oe d m 间隙放电状态按测系统的设计是根据提供脉冲能量的电源的不同形式来避行。根 据电极和工件之问供电电压脉冲的不问形式，课题中采用的脉冲电源分为三类：r c 脉冲融源、等 踩泞电源和等藐燕辣 孛魄源。翔熬赦电状态捡测设诗翌孝对于r c 稼 孛电源采用平均篷法，