基于極間阻抗特性的微細電火花放電狀態檢測系統設計

胡 波 張勇斌 劉廣民 袁偉然 張 林

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

微細電火花加工具有工藝設備簡單、能量易控制、加工精度較高等優點，是目前幾十微米至幾百微米加工尺度的微小孔、微型腔等微結構制造的主要加工手段之一[1]。微細電火花加工放電狀態的準確識別是實現微細電火花加工過程精確控制的前提條件，也是提高加工效率和工藝質量的重要保證。微細電火花加工放電狀態識別技術實質上是指在加工過程中判別不同的脈沖放電狀態，尤其是從正常放電狀態識別出異常放電狀態，為后續的間隙調整和控制提供依據，盡量避免產生異常放電的情況，從而提高加工精度和加工效率[2]。

微細電火花放電狀態檢測最常用的方法是間隙平均電壓檢測法[3]，間隙平均電壓檢測法是通過設定閾值對微細電火花狀態進行識別，該方法可以應用于微細電火花，但存在檢測效果不理想，滯后性強等問題。其檢測靈敏度和閾值電壓設置的準確性會受到脈沖參數調整變化的影響，而在利用微細電火花加工對復雜工藝零件進行加工時，需要用到多組脈沖參數，不同脈沖參數下需實時調整閾值，利用間隙平均電壓檢測法適應性不強。劉曉萌等[4]對微細電火花加工放電狀態特性進行了研究，分析各放電狀態產生的原因，同時根據各放電狀態特性的不同對放電狀態進行識別。張玲瑄[5]等對實時采集到的極間電壓和電流信號，通過模糊運算判別采樣點的放電狀態，再將采樣點放電狀態值映射為放電狀態矢量，并對該矢量進行統計得到“短路率”和“火花/電弧率”，經過模糊推理辨識出各周期的放電狀態。還可以通過檢測放電脈沖是否存在擊穿延時、高頻分量、聲頻信號及射頻信號等對放電狀態進行識別。研究表明電弧放電脈沖有時也存在放電擊穿延時現象，所以擊穿延時檢測法不能準確區分出電弧放電脈沖和火花放電脈沖[6]。高頻檢測法[7]不能判別單個脈沖的放電狀態，并且電路組成較復雜。射頻信號與聲頻信號檢測法受到環境因素的影響較大[8]。

本文基于極間阻抗變化特性[9]，提出了基于極間阻抗變化特性的微細電火花加工放電狀態檢測方法，從而實現微細電火花加工放電狀態的識別，進一步提高微細電火花加工效率。

1 檢測原理及總體設計

1.1 檢測原理

在微細電火花加工過程中，極間介質擊穿形成等離子體放電通道是實現微細電火花加工的前提。在極間介質未擊穿前，極間處于高阻抗狀態；當極間介質被擊穿形成放電通道時，極間處于中阻抗狀態；當工具電極和工件接觸時，極間處于低阻抗狀態。加工過程中，正、負兩極之間的電壓幅值大小會隨著放電通道的搭接與斷開而變化，這表明脈沖性電場擊穿極間介質形成了放電通道后，兩極之間的阻抗發生了快速改變，極間可以等效為包括電阻、電感、電容等原理性器件的電路，如圖1所示，其正負兩極P+與P-之間某一時刻的阻抗可表示為式(1)。

(1)

基于上述極間通道阻抗變化的特性，提出了一種新的放電狀態檢測方法，主要是通過配置一個恒壓直流電源，經電阻分壓限流后輸出到正負兩極之間，由極間阻抗的變化導致分壓值的突降變化，再由檢測電路捕捉該變化，從而判斷放電狀態。圖中直流電源DC提供檢測電路所需恒壓，R1為分壓限流電阻，分壓電阻R2、放電回路電阻R3和電容C1可以調控檢測波形的響應特性，二極管D2可以防止間隙脈沖對檢測電路造成影響。當兩極微小間隙被擊穿前，處于開路狀態，兩極間的阻抗極大，二極管D2和放電回路電阻R3上無電流通過，分壓限流電阻R1和分壓電阻R2分壓Us保持穩定；兩極被擊穿后，處于放電和短路時，間隙通道的阻抗突降會引起端電壓Us隨之驟減；在微細電火花放電過程中，極間放電通道形成后，其阻抗會發生變化，阻抗大小會介于開路與短路之間，表現為端電壓Us的不同幅值。因此，可以通過檢測Us的幅值變化得知放電間隙的放電狀態。

1.2 檢測系統總體設計

檢測系統需要設計實現極間電壓信號采集功能，檢測系統與電源控制板通信功能以及差分控制電壓輸出功能，由此設計的檢測系統總體方案如圖3所示。檢測系統主控芯片選用單片機STM32F103，最高72 MHz工作頻率，具有豐富的外設資源，串行單線調試接口，多達8個定時器，2個SPI接口，DAC模塊是12位數字輸入，電壓輸出型的DAC。232單元實現檢測系統與電源控制板通信功能，獲取電源控制板相關的電源控制參數；ADS8681芯片作為數據采集模塊核心器件，ADS8681是一種集成式數據采集系統，基于16位逐次逼近(SAR)模數轉換器(ADC)，工作吞吐率為1MSPS。

檢測系統獲取檢測使能信號后，開始進行檢測功能，利用TIM3定時器中斷服務函數對采集到的電壓數據進行處理判斷，輸出差分控制電壓控制數控系統，同時通過引腳向電源控制板輸出放電狀態信號。

2 檢測系統模塊設計

2.1 數據采集模塊

在數據采集模塊，極間信號處理路徑如圖4所示，極間電壓信號X1經過阻抗檢測電路實現對信號的濾波處理，處理后的信號X2經過阻容低通濾波器后利用隔離運放實現信號隔離，利用運算放大器將信號X4作為ADS8681芯片輸入信號，利用STM32自帶SPI實現與ADS8681通信，用于獲取數據采集芯片采集到的電壓數據結果。STM32與ADS8681之間的引腳接口圖如圖5所示。數據傳輸過程，STM32作為主機，ADS8681作為從機，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節傳送給從機，從機也將自己的移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機。

2.2 串口通信模塊

串口通信的功能是實現檢測系統與機床電源控制板通信，電源控制板將脈沖參數如占空比等參數發送給檢測系統，同時檢測系統將閾值等信息發送給電源控制板。串口通信模塊采用金升陽TD301D232H，可將TTL電平轉換為RS232的電平，實現信號隔離，可以方便嵌入用戶設備，使設備輕松實現RS232協議網絡的連接功能。串口通信模塊電路原理圖如圖6所示。

串口通信的協議約定如表1，以0×FF作為起始標志，起始標志后連續9個字節包含檢測系統與電源控制板之間通信的數據。串口中斷服務函數流程圖如圖7所示，當檢測板發送串口接收中斷時，判斷是否為開始標志，進行數據接收處理，當接收完一組數據之后，將接收到的數據發送給電源控制板進行數據校驗，當電源控制板單獨發送0×01確認字符給檢測系統時，標志數據傳輸無誤，此時檢測系統將存儲接收到的數據。

2.3 DAC輸出模塊

DAC輸出電路原理圖如圖8所示，利用OPA237UA運算放大器將STM32芯片的DAC輸出信號放大后作為信號調理模塊TF6550GN模塊的輸入，該模塊前級為單極信號輸入，后級為雙極信號輸出的有源隔離模塊。通過DAC輸出電路，可得到-10 V ～ +10 V 差分控制電壓，用于控制數控系統的進給和回退。

3 程序設計及控制策略分析

3.1 檢測系統程序設計

在硬件設計的基礎上，檢測系統的軟件系統設計如圖9所示，主函數、232中斷函數定時器中斷函數分別處理不同的任務。單片機STM32的主要功能是完成串口通信、數據采集和控制信號輸出等。系統軟件基于KeilμVision5開發系統利用C語言完成，包含主程序和子程序，主程序流程圖如圖10所示。

表1 數據通信協議

3.2 控制策略分析

為實現微細電火花加工高效高質量加工，對電火花不同狀態下數控系統軸的進給方向進行區分，提出不同的控制策略。如表2所示，當軸在進給過程中是開路時，則需要加速進給，直到發生放電；出現放電狀態時可采取快減速或慢加速，采取前者是由于蝕除速度較慢，防止發生短路，采取后者是為了提高加工效率；前進中出現短路時應當快減速，直至短路消失；當軸在回退過程中為開路時，采取快加速模式，直至軸停止；若回退中發生放電，由于放電間隙會存在電蝕產物造成虛假短路的情況，且軸的控制會滯后，采取快加速讓軸停止，然后加速進給到一定速度開始加工；回退中出現短路時，則根據當前速度是否達到最小設定速度，若已經達到最小速度，則逐步增速到其半速回退，等待狀態改變。

表2 控制策略表

在微細電火花放電加工過程中的狀態判斷程序流程圖如圖11所示，由STM32利用SPI讀取數據采集結果，并將結果進行累加，達到一定數量后求其平均值，利用平均值與閾值進行比較的到極間放電狀態，根據控制策略表中的方案結合狀態和數控系統軸的進給方向選擇不同的控制策略，輸出控制信號，控制數控系統軸的進給。

4 測試結果

為了驗證檢測系統的設計的正確性和控制策略的準確性，開展了檢測系統測試實驗，利用示波器觀察極間電壓和DAC輸出的差分控制信號。如圖12所示，在極間狀態從開路到短路時，DAC輸出模塊電壓從正向變為負向，此時數控軸回退。在圖13中，極間出現持續開路，此時DAC輸出模塊電壓以固定量增加，此時數控軸加速前進，提高數控軸行程效率。

5 結語

針對傳統的間隙平均電壓檢測法的靈敏度和閾值設置準確性會受到脈沖參數調整的影響的問題，提出了以極間通道阻抗變化導致的電壓波動為檢測對象來表征放電狀態的檢測方法。通過配置一個恒壓直流電源，經電阻分壓限流后輸出到正負兩極之間，由極間阻抗的變化導致分壓值的突降變化，再由檢測電路捕捉該變化，從而判斷放電狀態。對檢測電路原理進行分析，設計基于STM32F103芯片的檢測檢測系統，并利用Altium Designer進行PCB硬件設計，包含通信、濾波、信號采集、DAC輸出等電路，同時利用KeilμVision5完成檢測控制程序算法設計。經過測試可應用于微細電火花放電狀態檢測，以提高微細電火花加工質量和加工效率。