电火花放电间隙状态检测模块的设计.docx

电火花放电间隙状态检测模块的设计佛山科学技术学院叶树林摘要本文设计的电火花放电间隙状态检测模块通过对间隙电压 、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 。此外该模块还对间隙平均电压 、峰值平均电压进行了 检测 。AbstractThe spark gap testing module designed in this paper can differentiate each spark gapstates immediately by distinguishing the gap voltage ,gap current and last gap states ,and test a certain gapstate occurrence by adding up the time of this state occuring during a period. Otherwise ,the average gap voltage and average open circuit voltage are measured in this module also .关键词电火花加工放电间隙状态检测1概述在电火花加工中 ,放电间隙状态是进行 伺服进给控制和脉冲电源自适应调整的基本 依据 ,放电间隙状态的检测环节是电火花加 工设备中一个必不可少的重要组成部分 ,它 的性能好坏直接影响到加工过程的稳定性和 加工质量 。然而 ,间隙的火花放电又是一个 十分复杂的过程 ,影响因素多 ,随机性强 ,对 它的检测较为困难 。目前 ,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 开发过程中不可回避的难点之一 。因此 ,研 制一种通用化的电火花放电间隙状态检测模 块 ,对于电火花加工设备开发过程中减少重 复性劳动 、缩短开发周期 、提高设备性能等都 具有重要意义 。的放电间隙状态检测模块具 有 较 好 的 通 用性 ,本模块中设计了以下检测内容 :(1) 间隙平均电压检测 ,以模拟电压方式 输出 。(2) 峰值平均电压检测 ,以模拟电压方式 输出 。(3) 短路状态检测 ,以开关量输出 。(4) 短路率检测 ,以数字量的形式通过并 行接口输出 。(5) 开路状态检测 ,以开关量输出 。(6) 开路率检测 ,以数字量的形式通过并 行接口输出 。(7) 火花放电状态检测 ,以开关量输出 。(8) 火花放电率检测 ,以数字量的形式通 过并行接口输出 。(9) 电弧放电状态检测 ,以开关量输出 。(10) 电弧放电检测 , 以数字量的形式通 过并行接口输出 。2模块的功能设计为了满足不同类型和层次的电火花加工 设 备对放电间隙状态检测的需求 ,使所设计3放电间隙状态检测的基本原理在电火花加工过程中 , 一般认为存在 4 1收稿日期 :1999 - 04 - 16电加工1999 年第 4 期种典型的放电状态 ,即开路 、短路 、火花放电 、电弧放电 ( 包括过渡电弧放电和稳定电弧放 电) ,再加上脉冲间隔共 5 种状态 。它们的电流电压波形图如图 1 所示 。从图中可看出 , 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 ,利用间隙电压电流的幅值 可较准确地加以区分 。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 。穿延时 ,就可将火花放电与电弧放电区分开来 。击穿延时检测法的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 。该方法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 ,并且对单个 脉冲内出现的放电状态转换不能有效区分 , 不过这种情况出现的几率较小 。本模块是采用击穿延时检测法来区分火 花放电和电弧放电的 ,它的基本原理图如图2 所 示 。首 先 , 把 间 隙 电 压 U 和 间 隙 电 流 I图 2 电火花放电间隙状态检测原理图的幅值与参考电压 Uref 和参考电流 Iref 进行 比较 ,对比较结果进行译码 ,可将间隙放电状 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 (见下表) 。放电间隙状态与间隙电压 、电流状态对照表图 1 电火花加工中 5 种典型间隙状态的波形图目前 ,区分火花放电和电弧放电的主要 方法有 :高频检测法和击穿延时检测法 。高 频检测法是通过对间隙电压上高频分量的检 测来区分火花放电与电弧放电的 ,因为在火 花放电时 ,间隙电压存在着强而稳定的高频 分量 (频率从几兆至几十兆) ,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 。 该方法的优点是不仅可区分火花放电与电弧 放电 ,而且还可将电弧放电进一步区分为稳 定电弧放电或过渡电弧放电 ,但是该方法难 以对单个脉冲的放电状态进行判别 ,而且电 路复杂 、稳定性较差 。击穿延时检测法的依据是火花放电时存 在一定的击穿延时 ,而电弧放电时一般没有 击穿延时 ,因此通过判断放电时是否存在击 2放电间隙状态间隙电压 U间隙电流 I脉冲间隔短路 开路001010放电 ( 包 括 : 火 花 放电 、电弧放电)11为了进一步区分火花放电和电弧放电 ,通过对这两种放电状态的进一步分析发现 ,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 , 则该放电状态为火花放电 ,而从脉冲间隔状 态直接进入放电状态 ,则该放电状态为电弧 放电 。因此本设计中采用时序数字电路将放电状态的前面状态引入 ,作为进一步区分火 花放电与电弧放电的依据 。在图 2 中 ,D 触发器的复位端接译码器 的“脉冲间隔”输出端 , 触发脉冲 CP 端接译电加工1999 年第 4 期 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 码器的“开路”输出端 ,D 端和 Q 端短接 。当出现脉冲间隔状态时 ,D 触发器被复位 ,Q =0 ,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 。由于 D 触发器可以选用 高速器件 ,因此即使火花放电的击穿延时很 短 (如几十纳秒) ,也可被检测出来 。4 放电间隙状态检测模块的电路设计图 3 是本模块的电路结构框图 。由平均 电压检测电路 、峰值平均电压检测电路 、状态 差别电路 、时钟发生电路 、计数电路 、锁存输 出电路 、并行输出接口电路和脉冲接口电路 等部分组成 。平均电压检测电路由分压电路 和滤波电路构成 ,它的输出反映了一段时间 内间隙电压的平均情况 。峰值平均电压检测 电路由肖特基二极管 、分压电路和滤波电路 构成 ,它的输出反映了一段时间内开路状态 的平均情况 。状态判别电路根据间隙电压和 电流 ,可对间隙的放电状态进行实时判别 ,并 以开关量表示 ,它的构成及工作原理在前面 已有叙述 。它的工作原理 。采样周期计数器输出周期的脉冲信号 ,该脉冲信号将各计数器的计数值 锁存在相应 的 锁 存 器 中 , 并 复 位 各 计 数 器 。计数器 1 的启停受状态判别电路输出的“短路”状态控制 。当发生短路状态时 ,状态判别 电路输出的“短路”状态信号有效 , 计数器 1开始对时钟发生电路产生的脉冲计数 ; 而在 其他状态时 “, 短路”信号无效 ,计数 1 停止计 数 ,因此计数器 1 的计数值反映了出现短路状态的时间 。若在一个采样周期内 ,出现短 路 、开路 、火花放电和电弧放电的时间分别为 ts 、to 、te 和 t a , 设 T = ts + to + te + t a , 则短路率 、开路率 、火花放电率和电弧放电率分别 为 : s = ts / T 、o = t o/ T 、e = te / T 和 a =t a/ T 。由于周期采样计数器的启停受“脉冲间隔”状态信号的控制 , 当“脉冲间隔”状态信 号输出有效时 , 停止计数 , 否则开始计数 。因 此 , T 等于采样周期计数器的最大计数值 , 是 一个常数 , ts 、t o 、te 、t a 与 s 、o 、e 、a 具有 相同的含义 。以数字量表示的短路率 、开路 率 、火花放电率和电弧放电率被锁存到锁存 器 1 至 4 后 ,可通过并行输出接口被上位系 统读取 。在本模块中 ,各计数器采用 16 位二进制 计数器 ,采样周期计数器的最大计数值设计 为 10000 , 时钟信 号 的 频 率 有 10MHz 、1MHz 、100kHz 三种 , 可通过 跳 线 选 择 , 相 应 的 时 间 分辨率 和 采 样 周 期 分 别 为 : 0 . 1s/ 1ms 、1s/10ms 和 10s/ 0 . 1s , 可根 据 实 际 加 工 时 的 电参数规准进行合理选择 。5 结束语本文设计的放电间隙状态检测模块能够 即时地对绝大多数的放电间隙状态进行正确 的识别 ,并且检测内容全面 、接口形式多样 。 虽然该模块对于一些极特殊的间隙放电状态 (如在一个脉冲内从火花放电转换到电弧放 电) 还不能有效的识别 ,但从实际应用角度出 发 ,该模块仍可以满足很多情况下的需求 ,对 于简化电火花加工设备电控系统的设计 ,缩 短研制开发周期 ,具有较大的实用价值 。 3图 3 放电间隙状态检测模块的电路结构框图图 3 中的时钟发生电路 、计数电路是为 了检测短路率 、开路率 、火花放电率和电弧放 电率而设计的 。这里以短路率的检测来说明电加工1999 年第 4 期 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电火花线切割加工 CAD/ CAM 系统与自动编程关键技术天津大学薛欣伟曾周末饶键摘要以电火花线切割机改造为目标 ,针对目前电火花线切割加工自动编程系统的不足 ,提出了电火花线切割 CAD/ CAM 集成技术 ,介绍了系统结构 ,并重点阐明了自动编程中自动寻迹 、加工方向自动判别和刀具轨迹自动补偿等关键技术 ,实践证明是行之有效的 。AbstractAiming at improving the WEDM machining , this paper presents the integration ofCAD/ CAM technique applicable to WEDM machining. The system architecture is introduced ,and the keytechniques in the process of automatic programming such as automatic path planning ,automatic direction judgement ,and automatic compersation of cutter path are dealt with in this article . These techniques proveeffective in real machining.关键词电火花线切割加工CAD/ CAM自动编程本文采用 ARX 开发技术及 VISUAL C + 5 . 0 对 AutoCAD 进行二次开发 , 将图形化 输入 、编辑 、自动寻迹 、刀 具 轨 迹 补 偿 和 NC编程的整个过程都在 AutoCAD 平台下完成 ,以电火花线切割机改造为目标实现了 CAD/ CAM 的集成 。2 电火花线切割加工 CAD/ CAM 系统 结构系统采 用 群 控 技 术 、主 从 式 控 制 方 式 。 主机采用中档微机 ,可配以打印机 、绘图仪和 扫描仪等辅助设备 。从机采用单片机系统直 接控制电火花线切割机 。一台主机通过串行 RS - 485 总线控制多台从机 , 可充分利用微 机的强大功能 ,进行图形输入 、输出 、建立切 割工艺参数数据库等工作 。主机完成图形处 理并自动编程后将加工指令传递给从机 ,从 机依次执行 ,完成加工过程 。同时 ,从机根据 主机的要求反馈 ,为进行实时控制 、自动跟踪 及工艺参数数据库的建立提供依据 ,便于主1 引言近年来 ,数控加工技术正