电火花放电间隙状态检测模块的设计

设计与研究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。

Abstract The spark gap testing m odule designed in this paper can differentiate each spark gap states immediately by distinguishing the gap v oltage,gap current and last gap states,and test a certain gap state occurrence by adding up the time of this state occuring during a period.Otherwise,the average gap v oltage and average open circuit v oltage are measured in this m odule als o.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。

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,使所设计收稿日期:1999-04-16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。

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。

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U ref 和参考电流I ref 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、电流状态对照表放电间隙状态间隙电压U间隙电流I脉冲间隔00短路01开路10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。

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t s 、t o 、t e 和t a ,设T =t s +t o +t e +t a ,则短路率、开路率、火花放电率和电弧放电率分别为: s =t s /T 、 o =t o /T 、 e =t e /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,t s 、t o 、t e 、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10MH z 、1MH z 、100kH z 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:0.1μs/1ms 、1μs/10ms 和10μs/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。

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C AD/C AM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。

Abstract Aiming at im proving the WE DM machining,this paper presents the integration of C AD/C AM technique applicable to WE DM machining.The system architecture is introduced,and the key techniques in the process of automatic programming such as automatic path planning,automatic direction judgement,and automatic com persation of cutter path are dealt with in this article.These techniques prove effective in real machining.关键词 电火花线切割加工　C AD/C AM　自动编程1　引言近年来,数控加工技术正发生着巨大的变化,原有的单机数控系统正逐渐被以微机为核心的群控系统(DNC)所取代,复杂烦琐的手工计算编程也正向图形化自动编程过渡。