电火花放电加工间隙状态检测方法综述

电火花放电加工间隙状态检测方法综述霍孟友　张建华　艾　兴(山东大学机械工程学院,济南250061)

摘要:间隙状态检测是电火花加工过程中极其重要的一个环节。该文介绍了利用独立式脉冲电源进行电火花加工过程间隙状态检测的常用方法,分析了它们的实现原理与特点。关键词:电火花加工;脉冲电源;间隙状态;放电脉冲

电火花放电加工过程,实质上是工具电极与工件之间放电间隙调整与控制的过程,通过调整间隙使加工稳定进行,最终达到要求的加工尺寸与精度。要实现放电间隙的调整与控制,似乎需检测实际间隙值的大小,但间隙值的测量对放电间隙的调整与控制并没有太大的意义。其原因在于随着加工过程的进行,加工介质的温度及介质中碎屑的浓度等在不断变化,致使加工介质的介电性能不稳定,把当前放电间隙值调整为其他稳定加工时刻的间隙值,并不一定能保证加工过程继续稳定进行。在目前以常规物理方法检测间隙值困难且意义不是太大的情况下,对间隙的调整控制主要是通过放电间隙的工作状态检测间接实现的。通过检测间隙电压、间隙电流或判别放电脉冲的有效性等,间接地获取间隙值合适、偏大、偏小或为零等间隙状态信息,为间隙调整、控制提供参数依据。本文以放电脉冲分类为基础,综述了利用独立式脉冲电源完成电火花加工过程常用的间隙状态检测方法,分析了它们的实现原理与特点。1　放电脉冲分类放电脉冲一般分为5种,其特点如下:(1)空载脉冲:间隙过大时,脉冲电源电压不能击穿间隙形成放电脉冲,间隙电压值为脉冲电源电压值,间隙中没有放电电流,波形中没有高频分量;它对工件没有去除作用,属于无效放电脉冲。(2)火花放电脉冲:间隙值合适时,脉冲电源电压击穿间隙形成正常火花放电脉冲,间隙放电维持电压主要由工具电极、工件材料及工作液介质介电特性决定(一般在20～30V左右),放电击穿过程具有明显的延迟特性,波形存在振荡高频分量;电火收稿日期:2003-02-17花放电加工主要依靠它完成,属于有效放电脉冲。(3)稳定电弧放电脉冲:间隙值过小时,产生稳

定电弧放电脉冲,间隙放电维持电压比正常火花脉冲放电时的值稍低(约3～4V左右),放电击穿延迟时有时无,脉冲波形基本不存在振荡高频分量;它会造成烧伤性损害,属于有害放电脉冲。(4)过渡电弧放电脉冲:间隙值偏小或蚀除产

物过分集中时,形成过渡电弧放电脉冲,间隙放电维持电压与稳定电弧放电脉冲的值差不多,放电击穿延迟时有时无,脉冲波形存在较弱的振荡高频分量,

为火花放电脉冲与稳定电弧脉冲的过渡状态。当间隙改善时能自行恢复为火花放电脉冲,而当间隙恶化时就转化为稳定电弧放电脉冲。过渡电弧放电脉冲对工件具有较弱的去除能力,不产生烧伤性损害,

既可归属为有效放电脉冲,也可归为无效放电脉冲。(5)短路脉冲:电极与工件短路时,间隙维持电

压为零,电流最大;短路脉冲没有材料去除能力,属于无效放电脉冲。在间隙值接近或变为零的过程中,往往有稳定电弧放电脉冲和短路脉冲伴随发生,

应尽量避免短路脉冲的发生。

2　间隙电压与电流平均值检测法的实现及其特点目前普遍使用放电间隙电压或电流平均值检测法对放电间隙状态进行检测。通过估算与经验得知,在工具、工件材料、工作液介质及脉冲参数等确定的情况下,放电加工过程稳定进行时,其间隙电压或电流平均值应处于一个区间中,如超出了这个范围,加工过程则处于非正常加工状态:间隙电压平均值超出范围上限(或间隙电流平均值低于范围下限)时,放电加工过程趋于空载加工状态,而间隙电压平均值低于范围下限(或间隙电流平均值超出范围上限),加工过程则趋于电弧放电或短路状态。—71—

综述・专稿

《电加工与模具》2003年第3期图1是两种放电间隙电压平均值检测法实现方法原理示意图,利用电阻、电容组成的滤波电路获取间隙电压平均值,由电位器提取电压信号进行输出。只要R1、C、W选值适当,在电容C上能获取间隙平均电压值信息。D2主要用作防止电容C通过R1迅速放电,稳压二极管D1的作用是阻击短路脉冲或稳定电弧放电脉冲通过,在它们接连出现时,电容C因没有充电电流补充而使电压迅速下降,尽快输出放电间隙趋向短路的讯号。图1a和图1b的区别在于后者多了一个增强稳定性兼具滤波作用的电阻R0。

(a)(b)图1　间隙电压平均值检测法 放电间隙电流平均值检测法与放电间隙电压平均值检测法的实质完全一样,在此不再赘述。它们具有电路实现简单、实用的特点,但对短路脉冲或稳定电弧放电脉冲的反应灵敏度较低。3　放电脉冲有效火花数检测法的实现及特点有效火花数检测法是把施加于工具电极与工件之间一定数量的放电脉冲所产生的有效放电脉冲、无效放电脉冲和有害放电脉冲的数量分别统计、分析后,对放电间隙状态进行判别的一种方法。其原理是:当电火花放电加工过程稳定进行时,有效放电脉冲数量应处于一定范围之内,如果偏离了这个范围就处于非正常加工状态。具体表现分为两个方面:一方面就是有效放电脉冲数量偏少,这时如果空载脉冲数量偏多,放电加工过程就趋于空载加工状态,如果短路脉冲或有害放电脉冲数量偏多,放电加工过程则趋于短路或电弧脉冲放电状态;另一方面是有效放电脉冲数量偏多,这时加工过程往往不能稳定进行。值得指出的是,通过设计控制规则,对有害放电脉冲数进行监控,当有害放电脉冲数连续发生达到一定数量时,可马上向脉冲电源及间隙调整控制器发出警报,立刻做出相应的调整与控制,可以达到较高的灵敏度。实现有效火花数检测首先面临的是如何区分有效放电脉冲、无效放电脉冲及有害放电脉冲。目前对放电脉冲进行分类鉴别使用较多的主要有两种方法,即放电脉冲峰值电压检测法与脉冲波形中高频分量检测法,而放电击穿延迟时间检测法在脉冲鉴别中也曾研究使用过。3.1　放电脉冲峰值电压或电流检测法对放电脉冲的识别放电脉冲峰值电压或电流检测法是利用不同类型的放电脉冲在峰值电压或电流上的差异对放电脉冲进行区分鉴别的一种方法,峰值电压与峰值电流检测法的实质相同。图2是获取放电脉冲峰值电压信号的电路原理示意图。图2a最不失真地提取了放电脉冲电压信号;图2b中添加电容C把波形中的高频分量旁路、过滤掉,在电位器W上获得平稳一些的峰值电压信号,但在参数选择上要求电容容量要小,以防其变为间隙电压平均值检测电路,稳压二极管D用来阻击比它的击穿电压小的脉冲电压信号通过,如短路脉冲或电弧放电脉冲的电压信号等;图2c增加了电阻R,利用阻、容滤波电路增加平滑电压波形中高频毛刺的能力,但要求R、C的时间常数应适当小(远小于脉冲放电时间与脉冲间隔时间),否则该电路将变为间隙电压平均值检测电路。

(a)(b)(c)图2　获取放电脉冲峰值电压信号的电路原理图

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综述・专稿 空载脉冲和短路脉冲具有峰值电压最大和最小的明显特征,因此鉴别它们较容易;火花放电脉冲与电弧放电脉冲的峰值电压较接近,约3～4V左右,利用电位器W比例采样(把约0～80V范围的脉冲电压转化为0～5V能鉴别处理的信号电压)后,其差别变得更小(约0.2V),由于信号存在波动,严格地把两者区别开较为困难。参考文献[2]把比例采样信号中的电压差值区域进行局部放大,增大两者的间距再对两者进行鉴别。图3是改进的放电脉冲峰值电压检测法实现电路原理示意图,能对开路脉冲、火花放电脉冲、电弧放电脉冲(包括稳定电弧放电脉冲与过渡电弧放电脉冲)和短路脉冲等4类脉冲做出鉴别。比例采样信号进行局部放大以后,经比较器及门电路处理得到4个对应间隙状态的信号。比较器设置了3个阈值信号,其中Vh是鉴别开路脉冲的阈值电压,Vh和Vm构成火花放电脉冲的双鉴阈值电压,Vm和Vl构成电弧放电脉冲的双鉴阈值电压,Vl同时又是短路脉冲的鉴别阈值电压;当放电脉冲分别为开路脉冲、火花放电脉冲、电弧放电脉冲或短路脉冲时,则对应的Open、Normal、Arc或Short输出高电平,否则为低电平.把Open、Normal、Arc和Short引入处理单元,即可实现间隙状态检测。图3　放电脉冲峰值电压检测法电路原理图放电脉冲峰值电压检测法是较为常用的鉴别放电脉冲的检测方法,实现电路相对简单,但不能对过渡电弧放电脉冲和稳定电弧放电脉冲做出区分。3.2　高频分量检测法对放电脉冲的识别高频分量检测法是利用有效放电脉冲波形中含有高频分量特性对有效放电脉冲进行鉴别的方法。图4是高频分量检测法原理结构示意图,电路主要由带通滤波器、放大器、滤波整形电路和比较环节4个部分组成,放电脉冲中的高频分量通过带通滤波器,经放大器放大后由滤波整形电路转化成方波信号,送至比较电路进行鉴别;如放电脉冲是火花放电脉冲,它的高频分量较强,则整形得到的方波信号的幅值就大于比较器的两个阈值Vh和V

l,比较器输出A

和

B均为高电平;若是过渡电弧放电脉冲,它的高频分量相对弱一些,则整形得到的方波信号的幅值小于Vh而大于Vl,输出A为低电平、B为高电平;放电脉冲若是空载脉冲、短路脉冲或稳定电弧放电脉冲,输出A、B均为低电平。要把空载脉冲、短路脉冲及稳定电弧放电脉冲区分出来则需要峰值电压检测法配合,图5是利用高频分量检测法、峰值电压检测法进行混合检测的电路结构示意图,其中高频分量检测通道区分出有效放电脉冲,而峰值检测电路区分出空载脉冲、短路脉冲和稳定电弧放电脉冲。值得一提的是,峰值检测电路对稳定电弧放电脉冲的识别不必做局部放大的特殊处理,只要不是空载脉冲、短路脉冲,

又不是有效放电脉冲,就应是稳定电弧放电脉冲,因此混合检测电路可鉴别出5种放电脉冲,再对它们处理就可对间隙状态做出综合识别。

图4　高频分量检测法原理结构示意图图5　混合检测结构示意图高频分量检测法专门用于有效放电脉冲的鉴别,具有实现电路较为复杂的特点,且需通过和峰值检测法配合才能得到综合鉴别结果,因此主要用于要求较高的放电加工系统中。3.3　放电击穿延迟时间检测法对放电脉冲的识别放电击穿延迟时间检测法是利用火花放电脉冲具有击穿延迟特性对火花脉冲进行鉴别的方法。这个方法曾是研究的热点,通过检测放电延迟的平均时间,对火花放电脉冲的频度或数量进行判定,进而识别间隙的状态。但后续大量研究结果表明,电弧放电脉冲有时也存在放电击穿延时现象,这样把有击穿延时的放电脉冲统统归为火花放电脉冲,显然严重影响了间隙状态检测的准确性。目前在放电脉

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