HSWEDM工作液電導率信號采集器的設計與實現

郭翠霞 ，劉 康 ，謝文玲 ，蔣曉舒

（1.四川理工學院 機械工程學院，自貢 643000；2.人工智能四川省重點實驗室，自貢 643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，自貢643000）

高速走絲電火花線切割機床HSWEDM[1]是利用高頻電源產生脈沖電壓，工具電極對工件脈沖放電時的電腐蝕現象進行加工的。電火花擊穿絕緣的工作液后形成放電通道，形成瞬間、局部的高溫溶化、汽化金屬，完成金屬切割加工后，工作液又恢復絕緣狀態。因此，工作液的介電性能（工作液電導率大小）嚴重影響放電效果[2-3]，對工作液電導率控制問題的研究十分重要。

工作液的導電性靠離子的遷移來完成。電導率的測量受到溫度、電極常數和交流頻率等因素的影響。為了避免極化效應和電容效應帶來系統測量誤差，現代工業上都采用了高頻±2 V的雙極性脈沖的方波作為激勵源。但在機床的高頻電源及其它電器部件的綜合作用下，工作液池中存有 “漏電壓”現象，±2 V方波的幅值較小，信號電壓會在“漏電壓”的干擾作用下產生畸變，無法獲得與所測電導率成比例的電壓值[4]。因此，需要針對高速走絲電火花線切割機床研究工作液電導率采集器，滿足工作液智能控制裝置能可靠采集工作液電導率的要求。

1 測量原理

在工程上，一般用電導和電導率表示電流流過離子型導體中受到阻力的大小。用電阻R的倒數來表征電導G，電導率σ是電導與電極常數K的乘積，其單位為（Ω·cm）-1，表征電解溶液導電的能力，電導率越大，導電能力越強[5]。工作液是采用乳化膏與自來水按質量比1∶40配制，新鮮工作液的電導率大約為3500 μS/cm，報廢的工作液電導率大約為15000 μS/cm[3]，工作液屬于低阻（高電導）溶液。高導溶液的測量誤差主要是雙層電容C1、C2。因此，本測量系統使用電極常數K=10的不銹鋼工業電導率電極，為兩極式電極，電極采用聚砜和鉑黑制造，基材為玻璃，外殼為不銹鋼材料。具有防水、抗污染能力強，測量范圍（10～ 20000 μS/cm）廣的優點。

測量系統采用測量線性度較好的分壓法測量工作液電導率，其等效電路模型如圖1所示。分壓電阻R上的電壓降表示為

圖1 分壓電阻法測量原理Fig.1 Diagram of divider resistance measurement principle

當Rx?R時，忽略式（1）分母中的R，則有：

式中：E和R均為已知常數，G為電導，電導率與分壓電阻上分得的電壓成正比。為了避免極化現象，驅動電壓E采用±5 V的方波驅動電壓，其頻率為1000 Hz。

2 測量方案設計

為了能精確測量工作液電導率值，避免極化效應、電容效應、溫度效應和“漏電壓”的干擾帶來系統測量誤差，本設計采用的技術方案如圖2所示。

圖2 電導率測量方案Fig.2 Scheme of conductivity measurement

3 硬件電路設計

3.1 電源

測量系統的電源采用專業廠商明威生產的開關電源，型號為Q60-C。電源輸入為 220 V/50 Hz交流電，輸出分別為+15 V、-15 V、+5 V和 -5 V以及一個COM接口，電源功率為60 W，滿足系統的使用要求。為避免極化現象，驅動電壓采用±5 V的方波。系統要求方波上下對稱，且單個周期的時間一致，因此，±5 V電壓采用同一個電壓源，即+5 V電壓直接使用開關電源的+5 V（開關電源Q60-C的+5 V穩定、可調，而且抗負載能力強）。-5 V電壓可通過LF356N的負反饋電路產生，如圖3所示，具體對稱程度可以將電阻R1換成精密可調電位器調節。

圖3 +5 V轉-5 V電路Fig.3 +5 V converted to-5 V circuit

3.2 驅動電壓發生電路

±5 V方波驅動電壓發生電路由一個CD4051BCN模擬開關、單片機STC89C52RC和一系列電阻組成，如圖4所示。單片機調整占空比和輸出頻率，產生1 kHz、占空比為50%的方波脈沖信號，CD4051BCN的 A、B、C引腳分別與單片機 U1的 P1^0、P1^1和P1^2相連。若要使模擬開關T0與COM導通，產生-5 V的驅動電壓信號，則A、B、C均為低電平；若要使模擬開關T1與COM導通，產生+5 V的驅動電壓信號，則B、C均為低電平，A為高電平。如此T0、T1的一開一閉，就產生了頻率為1000 Hz、幅值為±5 V、占空比為50%的方波驅動電壓。

圖4 方波驅動電壓發生電路Fig.4 Circuit of square-wave driving voltage

3.3 自動量程電路

電導率電極接線電路如圖5所示，方波驅動電壓信號發生電路輸出口與電極接口1相連，電極接口 3的com2端與自動量程的分壓電路（見圖6）com2端相連，Vin與圖7的Vin相連，由此構成了分高、低2個量程的測量電導率信號的分壓電路。

圖5 電導率電極接線電路Fig.5 Diagram of conductivity electrode wiring

圖6 自動量程分壓電路Fig.6 Automatic range voltage circuit

3.4 LF356N放大電路

LF356N放大電路為負反饋電路，如圖7所示。當Vin為正電壓時，電流經R14、二極管D1流到6口，由于流經變放大倍數電路的電流為0，因此此時Vin1處的電壓為0 V；當Vin為負電壓時，電流由6口經com1到自動量程的變放大倍數電路的com1（見圖8），此時Vin1處的電壓為Vin處電壓絕對值乘以相應的放大倍數，并由LF356N的6口輸出的電壓經二極管D3、D4進行簡單的電壓整形，最后經R25與TLC2543A/D轉換芯片相連。

圖7 LF356N放大電路Fig.7 Diagram of LF356N amplification circuit

圖8 自動量程變放大倍數電路Fig.8 Automatic range change magnification circuits

3.5 A/D轉換電路

基準穩壓REF02AU電路如圖9所示，Vin接Q60-C開關電源的+15 V電壓輸出口。REF+為基準穩壓芯片的電壓輸出口，其電壓大小可以用精密可調電位器R21進行調節。

圖9 基準穩壓電路Fig.9 Reference voltage circuit

TLC2543A/D轉換電路如圖10所示，其基準電壓以REF02AU輸出的標準+5 V電壓作為基準，其REF+接口與基準穩壓芯片的Vout口相連，來自LF356N的模擬電壓信號經AIN0口輸入TLC2543，由單片機U1控制A/D轉換芯片的工作。

圖10 TLC2543A/D轉換電路Fig.10 Circuit of TLC2543A/D conversion

3.6 液晶顯示電路和溫度采集電路

液晶接線電路如圖11所示，串口液晶屏只有4根接線，左右2根為電源線，分別與電源+5 V和GND相連，中間 2根為串口通信線，分別與單片機的P3^0和P3^1相連。

18B20溫度采集電路如圖12所示，其接線一共3根，左右2根為電源線，分別與電源+5 V和GND相連，中間1根為信號線，與單片機的P1^4口相連。

圖11 串口液晶屏電路Fig.11 Circuit of serial port LCD panel

圖12 18B20溫度采集電路Fig.12 Circuit of 18B20 temperature acquisition

4 測量數據分析與處理

為了保證工作液使用期間能滿足對工作液電導率測量的要求，設置量程為2000～15000 μS/cm。低量程在2000～8560 μS/cm范圍，電壓變化區間大致為1～3 V，壓差2 V，12位A/D轉換后，其分辨率為4.00488 μS/cm；高量程在8560～5000 μS/cm范圍，電壓變化為3～4.48 V，壓差1.48 V，12位A/D轉換后，其分辨率為5.313 μS/cm。通過實驗，獲得電導率與相應電壓值的關系曲線，如圖13所示，整個量程范圍內有較好的線性度。

圖13 工作液電導率與測量電壓關系曲線Fig.13 Curve between working liquid conductivity and measure the voltage

采用高、低量程測量工作液電導率有利于提高采集器的精度。對實驗數據擬合得到相應的多項式，式（3）為低量程，式（4）為高量程：

5 結語

利用電極常數K=10的不銹鋼工業電導率電極和單片機為高速走絲電火花線切割機床設計和開發了工作液電導率信號采集器。該采集器電路簡單、使用常用元器件、成本低。測試結果數據分析，電路可靠性高，可用于工作液智能控制過程中工作液電導率的測量。

[1]劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]金玉惠，祁云燕，吳栩栩，等.乳化液的電導率對線切割加工的影響[J].電加工，1987（4）：10-14.

[3]郭翠霞，劉康，謝文玲，等.工作液電導率對MSWEDM加工工藝性指標影響研究[J].機床與液壓，2014，42（11）：77-79.

[4]王銳.數控電火花線切割機床工作液智能控制系統的設計研究[D].蘇州：蘇州大學，2009.

[5]劉鐵軍.工程電導測試技術及應用研究[D].杭州：浙江大學，2006.