一種新型的電火花加工間隙伺服檢測方法

文/范寶 劉桂禮 孔全存

在電火花加工的過程中會有一放電間隙存在于工具和工件之間。電火花加工工藝指標如表面的粗糙程度、蝕除速度直接關系到放電間隙的大小，為同時確保比較好的表面粗糙度和較快的蝕除速度，應當控制好電火花加工間隙，使間隙范圍能夠合理恰當。放電間隙的調整以及伺服控制對電火花加工有著非常重要的影響，直接關系到電火花加工的高效、穩定和高質量進行。

1 傳統的電火花加工間隙伺服檢測方法

電火花在放電的過程中，放電間隙的數值達到了微米級，對放電間隙的數值進行直接測量是無法實現的，當前通常是對間隙的放電狀態進行檢測來測量間隙大小。電火花加工中的電極有著非常復雜的放電狀態，對于放電狀態的檢測一般是通過檢測放電間隙的電流或電壓來實現的。

目前檢測間隙放電狀態應用最普遍的方法便是檢測放電間隙電壓的平均值。檢測間隙平均電壓值的電路原理是通過低通濾波電路來平均放電間隙的電壓，放電間隙的大小及放電狀態基本可以通過電壓平均值來反映。平均電壓值偏高，放電間隙多處于開路狀態；平均值偏低則多處于短路狀態；平均電壓處于中間值時則多處于火花放電狀態。通過對伺服參考電壓設置在一個恰當的數值，并與所檢測到的電壓相比較，以此對間隙的放電狀態進行判斷，檢測間隙平均電流的方法與平均電壓的檢測原則基本一致，該檢測方法電路簡單，實用性比較強，但是對穩定電弧放電或短路脈沖的反映上卻不具很高的敏感度。

2 平均脈寬電壓檢測

當前我國的電火花加工機床對放電間隙的放電狀態檢測基本都是采用檢測間隙平均電壓的方法來實現，將檢測到的電壓與提前設定好的伺服參考電壓進行對比，從而對伺服電動機的進給運動進行有效指導。在電火花加工中，經常需要對電參數進行調整，而脈間和脈寬的比例和大小會影響到平均間隙電壓的數值，所以必須對伺服參考電壓值進行經常性的調整，如此才可以確保電火花加工的穩定性。而頻繁調整伺服參考電壓值也在一定程度上影響了電火花加工的可靠性。此外，通常使用長脈間、窄脈寬對電火花進行精微加工，脈沖的能量是極小的，這便在很大程度上增加了伺服參考電壓的設定難度，當放電間隙改變了放電狀態時，間隙平均電壓基本不會產生很大的變化，難以將間隙放電狀態的變化反映出來，因此，對伺服檢測方法進行重新設計是極其必要的。

平均脈寬電壓檢測方法的設計思路是使脈間階段零電壓不再影響平均電壓，只平均放電間隙脈寬階段的電壓。該檢測方法可以對脈沖占空比的影響進行消除，并將間隙狀態的變化更好地反映出來。平均脈寬電壓檢測方法需要增加一個采樣開關，通過利用電容和電阻所構成的低通濾波電路來平均脈寬階段的電壓，但是采樣開關的使用則在很大程度上影響了檢測結果，而高頻次地對采樣開關進行通斷會對電壓檢測帶來高頻干擾，不利于檢測結果的準確度。基于此，本文提出了一種新型的電火花加工間隙伺服檢測方法，即數字平均脈寬電壓檢測。

數字平均脈寬電壓檢測與平均脈寬電壓檢測的原理和方法基本是一樣的。通過對間隙脈寬階段的電壓進行高速采樣和A/D轉換，脈間階段不采樣，通過對脈寬階段多次采樣，對其數值進行平均，將得到的電壓數值與伺服電壓加以比較，從而對伺服運動進行指導。

3 數字平均脈寬電壓檢測法的整體結構設計

根據放電間隙平均脈寬檢測法的原理，本文對該系統結構進行了整體設計，如圖1所示。間隙電壓衰減緩沖后，降低電壓值，使其在A/D允許的采樣范圍之內；主振脈沖連接于A/D的使能端，在二者的共同控制下不對脈間階段進行采樣。通過A/D轉換的數據由單片機進行接收，并對數字進行平均，再將平均值由串口向上機位進行傳送，上機位通過比較平均值和伺服電壓，在伺服策略的作用下，對電動機的運轉進行有效指導，從而對放電間隙進行科學合理的調整。

圖1：數字平均脈寬電壓檢測法的整體結構

4 數字平均脈寬電壓檢測法的實現

圖2為數字平均脈寬電壓檢測電路的簡要示意圖，間隙電壓在R1、R2的作用下衰減到2V以內，THS4001高速運轉放大器緩沖了放電間隙間的脈沖電壓，并對電壓做反向處理，所以，間隙脈沖電壓縮小了若干倍之后被輸入到TLC5510轉換芯片。TLC5510這一擁有20M轉換速率的高速A/D轉換芯片在轉換使能OE的控制下來高速采樣間隙脈寬階段的電壓，對其進行A/D轉換，并且向PIC16F873單機的RB口實時傳送轉換結果。PIC16F873所具備的PWM功能的引腳RC1產生了TLC5510的轉換時鐘。多次平均PIC16F873的轉換結果，可以根據串口發送數據的速率和轉換速度來確定要平均的次數。本文中的上位機與PIC16F873串行通信的速度設置為19.2k波特率，平均次數達256次。需要留意的是，應當將差動模塊和電平轉換模塊加入到工控機與單控機之間的串行通訊中，以增加數據傳輸的距離，使傳輸的可靠性得到提升。

5 數字平均脈寬電壓檢測法的實際應用效果

為驗證數字平均脈寬電壓檢測法的加工穩定性和檢測效果，本文分別采用兩種方法對電火花放電加工間隙的電壓進行檢測，分別是原有的間隙平均電壓檢測法和數字平均脈寬電壓檢測法。本次實驗的條件為：采用漢川MD23電火花數控成型機床作為實驗機床；電火花加工參數為：脈間toff=20μs，脈寬ton=8μs，峰值電流IP=4A，加工電壓為120V，正極性加工；工件為45鋼，電極采用φ10mm紫銅電極。

根據PIC16F873單片機由串口向上位機傳送的檢測數據來看，間隙平均電壓檢測法所檢測的間隙電壓平均值為24，方差為8，均方差為12，而數字平均脈寬電壓檢測法所檢測的間隙電壓平均值為56，方差是2，均方差為3，由此可見，數字平均脈寬電壓檢測法將脈間時間零電壓對間隙電壓檢測的影響有效地濾除了，可以檢測到比較高的電壓平均值。最為關鍵的是，數字平均脈寬電壓檢測法所檢測到的電壓更具穩定性。由此可以說明數字平均脈寬電壓檢測法可以對電火花加工間隙進行更加穩定的伺服控制，能夠有效提高電火花加工的速度和穩定性。

6 結論

（1）數字平均脈寬電壓檢測法為伺服參考電壓的選擇提供了便利，電參數特別是脈間、脈寬的改變不會影響伺服參考電壓的選擇。

（2）對于精微加工或者精加工的電火花加工伺服控制，數字平均脈寬電壓檢測法是一個非常不錯的選擇，可以確保電火花加工穩定進行。

圖2：數字平均脈寬電壓檢測電路簡圖

（3）數字平均脈寬電壓檢測法可以對脈寬電壓的數字進行平均，相較于傳統的RC模擬檢測法，所平均的數字更具可靠性和穩定性。

然而該檢測方法也具有一定的缺陷，檢測起來比較復雜，并且只能在獨立式脈沖電源下進行使用。除此之外，該檢測法只能對電火花加工間隙的放電狀態做出大概的反映，以此對電火花加工間隙的電壓大小進行伺服控制，卻不能對過渡電弧放電或電弧放電進行有效區分。