摘 要：現(xiàn)代工業(yè)控制已進(jìn)入到智能控制階段，為了獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的工作情況并對(duì)其進(jìn)行控制，它要求更先進(jìn)的檢測作為前置支撐技術(shù)。本文就電火花加工(EDM)的智能控制，對(duì)檢測環(huán)節(jié)提出一種新的檢測間隙電壓的方法和工作原理，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置。
關(guān)鍵詞：電火花加工 間隙電壓 鑒別和檢測
1 引言
    電火花加工 (EDM) 因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和在模具制造中舉足輕重的作用，使其加工過程控制最優(yōu)化與加工設(shè)備智能化成為科技工作者的主攻方向之一。
    智能控制的概念最早出現(xiàn)于60年代。智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能自主地調(diào)節(jié)自己的控制結(jié)構(gòu)、參數(shù)方法，進(jìn)行決策規(guī)劃或廣義問題求解，以完成任務(wù)。加工過程智能控制目前主要包括三個(gè)方面：(1) 專家控制；(2) 模糊控制；(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。
    智能控制實(shí)質(zhì)上是一種預(yù)測控制——預(yù)測模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。它把電火花加工控制從嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型束縛中解脫出來，將過程作為“黑箱”處理，完全撇開對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部描述，用隸屬函數(shù)來刻畫和描述定性信息，達(dá)到模擬熟練操作者的思維方式，根據(jù)當(dāng)前的加工狀態(tài)和前一次的抉擇來調(diào)整參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高加工效率和穩(wěn)定加工過程的目的。因此，首要解決前提問題——“黑箱”的輸入?yún)��?shù)和輸出參數(shù)是什么，以及需檢測和控制什么參量，必須結(jié)合電火花加工的特殊工藝規(guī)律來決定。
    進(jìn)一步的研究表明，主軸伺服進(jìn)給、電機(jī)提升(抬刀)、放電間隙調(diào)節(jié)是 EDM 的主要控制量。事實(shí)上至今 EDM 激勵(lì)也沒有令人滿意的解釋，對(duì)EDM 放電間隙狀態(tài)的檢測是 EDM 智能控制不可回避的難點(diǎn)。所以必須應(yīng)用新的先進(jìn)技術(shù)得到準(zhǔn)確的放電間隙情況，給研究和實(shí)現(xiàn) EDM 過程的智能控制提供前置技術(shù)支撐。
2 電火花加工過程的控制和間隙放電狀態(tài)的鑒別
    眾所周知，電火花放電加工時(shí)，放電須是短時(shí)間的脈沖放電。持續(xù)時(shí)間一般為10-6～10-3s。如放電時(shí)間等于或大于10-2s，則轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹�，從而使加工不能正常進(jìn)行。因此要實(shí)時(shí)地在微秒級(jí)或毫秒級(jí)對(duì)眾多復(fù)雜的變化因素進(jìn)行檢測并加以控制。
    電火花加工過程控制的目標(biāo)是：(1) 確保避免電弧放電損傷工件，保持穩(wěn)定的加工狀態(tài)；(2) 滿足加工表面粗糙度、精度等各種規(guī)格的參數(shù)；(3) 盡可能滿足高速加工的要求。因此首先遇到的問題就是要有高靈敏度的 EDM 自動(dòng)控制單元。
    與其他傳統(tǒng)加工方法相比，電火花加工過程是一個(gè)較慢的過程，因此它的控制目標(biāo)函數(shù)就是在保證表面質(zhì)量和加工精度的條件下，以最短的加工時(shí)間(最快的加工速度)來實(shí)現(xiàn)。電火花加工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電火花加工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    實(shí)現(xiàn)電火花加工，必須使工具電極和工件間維持合理的距離，在該距離范圍內(nèi)，既可滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離(消除電離子影響)及排出蝕除產(chǎn)物的要求。這段距離稱之為“加工間隙”或“放電間隙”。間隙是否合理，受到脈沖電壓、火花通道的能量及介質(zhì)的介電系數(shù)等因素的制約。一般情況下，電火花加工的放電間隙在數(shù)微米到數(shù)百微米范圍內(nèi)。且在一定時(shí)間范圍內(nèi)脈沖放電集中在某一區(qū)域；在另一段時(shí)間內(nèi)，則應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免積碳現(xiàn)象，進(jìn)而避免發(fā)生電弧和局部燒傷。因此，放電間隙是控制的主要對(duì)象。目前在許多機(jī)床上采用間隙電壓作為反映間隙大小的傳感信號(hào)，當(dāng)間隙偏大時(shí)，由于短路和短的擊穿延時(shí)，U值也小。無論如何，隨著間隙電壓的增加，放電間隙也增大。這樣，加工過程中不可連續(xù)測量的放電間隙大小就可用連續(xù)測量加工間隙電壓的方法來獲得。但是，間隙電壓與其它控制參數(shù)之間的交互作用很大。因此準(zhǔn)確檢測電火花放電間隙狀態(tài)已成為不可回避的問題。
    研究電火花加工過程單個(gè)脈沖波形的“時(shí)態(tài)”有五種基本形態(tài)，即正�；鸹ǚ烹�、過渡電弧(可恢復(fù)性不穩(wěn)定電弧)、穩(wěn)定電弧、短路、開路(空載)。它們的特點(diǎn)是：
(1) 正常火花放電：放電期間放電電壓波形上有高頻雜波分量出現(xiàn)，峰值大，有擊穿延時(shí)現(xiàn)象。而在形成火花放電過程中，電壓電流波形平直，規(guī)律性整齊。見圖2。

圖2 正常火花放電電壓、電流波形圖

(2) 過渡電�。悍烹娖陂g放電電壓波形上，高頻雜波分量幾乎沒有，擊穿延時(shí)也不明顯，波形無規(guī)律。這種波形可通過伺服控制恢復(fù)為正�；鸹ǚ烹�，也可因間隙狀態(tài)變化而自行恢復(fù)為正�；鸹ǚ烹�。因此它是作為理論研究提出的，實(shí)際加工控制過程中不需要專門測量(本文不考慮這一狀態(tài))。
(3) 穩(wěn)定電弧(不可恢復(fù)燒傷性穩(wěn)定電弧)：在間隙放電條件惡劣的情況下，如深孔加工時(shí)，穩(wěn)定電弧形成而燒傷工件，這時(shí)工具電極及工件表面都會(huì)形成局部凸包或凹坑，電壓及電流波形都很光滑，形成燒弧后，如不擦除黑斑，加工過程不可能自行恢復(fù)正常。見圖3。

圖3 穩(wěn)定電弧放電電壓、電流波形圖

(4) 短路：電壓很低，電流波形光滑。雖然短路本身不蝕除工件，也不損傷電極，但在短路處造成了一個(gè)熱點(diǎn)，當(dāng)短路消除時(shí)易引發(fā)拉弧。
(5) 開路：間隙加工介質(zhì)沒有被擊穿。
    為了清晰地描述放電間隙狀態(tài)，文中給出的間隙狀態(tài)圖是經(jīng)過處理的。在實(shí)際電火花加工過程中，這五種類型都可能出現(xiàn)，甚至在一個(gè)脈沖單元中同時(shí)出現(xiàn)。短路、開路的情況好區(qū)別，本文不作詳細(xì)說明。正常火花放電和穩(wěn)定電弧放電這兩種狀態(tài)的電壓、電流幅值特征較接近，如僅用電壓和電流的幅值來區(qū)分是較困難的，因?yàn)樗鼈兊拈g隙電壓和電流幅值差別小，而且隨著工藝規(guī)準(zhǔn)的變化還在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。
    70年代以來的檢測技術(shù)主要有兩種：高頻檢測法和擊穿延時(shí)法。由于光電技術(shù)的引入，我們采用新的方法——設(shè)置門檻電壓法。從檢測放電間隙電壓入手，應(yīng)用光電耦合器屏蔽干擾，采集信息接入 PC 機(jī)處理。
3 電火花放電間隙狀態(tài)檢測方法及工作原理
3.1 高頻檢測法
    高頻檢測法是通過間隙電壓上高頻分量的檢測來區(qū)分火花放電與電弧放電。在火花放電時(shí)，間隙電壓存在著強(qiáng)而穩(wěn)定的高頻分量(頻率從幾兆到幾十兆)；而電弧放電時(shí)，間隙電壓的高頻分量很弱，甚至不存在。因此可將間隙電壓上的高頻信號(hào)進(jìn)行提取、放大、比較，作為區(qū)分火花放電和電弧放電的依據(jù)。這種方法不僅可區(qū)分火花放電和電弧放電，還可將電弧放電進(jìn)一步區(qū)分為穩(wěn)定電弧放電或是過渡電弧放電，但難以對(duì)單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)進(jìn)行判斷，且電路復(fù)雜、穩(wěn)定性較差。
3.2 擊穿延時(shí)法
    擊穿延時(shí)法是根據(jù)火花放電時(shí)存在一定的擊穿延時(shí)時(shí)間，而電弧放電時(shí)一般沒有擊穿延時(shí)時(shí)間而設(shè)計(jì)的。盡管它不能區(qū)分過渡電弧放電與穩(wěn)定電弧放電，并且對(duì)單個(gè)脈沖內(nèi)出現(xiàn)的放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換不能有效地區(qū)分，但其優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)進(jìn)行判別，且檢測電路為數(shù)字電路，抗干擾性及穩(wěn)定性都很好，與電火花加工機(jī)床上的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接也很方便。
3.3 設(shè)置門檻電壓法
    從前面放電間隙狀態(tài)鑒別中可看到，正�；鸹ǚ烹娕c穩(wěn)定電弧放電的單個(gè)脈沖是在實(shí)驗(yàn)室里被極精密的儀器測出來的。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)各種干擾，正�；鸹ǚ烹姾头�(wěn)定電弧放電的電壓、電流特性相似，難以區(qū)分。而且，即便被測到也沒有標(biāo)準(zhǔn)可讓計(jì)算機(jī)識(shí)別。采用設(shè)置門檻電壓法可解決這個(gè)問題。
    設(shè)置一個(gè)參考電壓，介于電弧放電與火花放電之間。用放大器線性方法檢測火花放電和電弧放電的電壓值，利用光電耦合器使它們呈現(xiàn)正比關(guān)系。在正常放電電壓時(shí)，光電耦合器(GD)基本處于截止，在電弧放電時(shí)基本處于飽和。如圖 4 所示設(shè)置參考電平 Uref1。設(shè)置門檻電壓法由此得名。由于光電耦合器的作用，不僅是正常火花放電和穩(wěn)定電弧放電的判別變得簡單，電路簡化，還可大大抑制電路干擾，將機(jī)床強(qiáng)電系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)完全隔離分開。

圖4 正�；鸹ǚ烹娒}沖與電弧脈沖
在光電耦合后輸出的波形
a——正�；鸹ǚ烹娒}沖輸出, b——電弧脈沖輸出

加工中，放電兩極的脈沖電壓值很高，達(dá)幾十伏到幾百伏，必須預(yù)處理電路對(duì)間隙電壓分壓。將衰減后的間隙電壓通過光電隔離、運(yùn)算放大后再輸入到采樣電路中。由于從安全角度考慮，電火花加工機(jī)床的一個(gè)電極接地，接地線又和交流電源的中線相通，因而除空間電磁場的耦合外，還有地線的直接耦合。EDM 放電間隙不僅是加工區(qū)，也是一個(gè)很強(qiáng)的高頻電磁場干擾源，其頻帶范圍以10～60MHz最強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)證明，在最大電流的精加工中系統(tǒng)的干擾最強(qiáng)。要使 A/D 采樣不會(huì)受到干擾，達(dá)到強(qiáng)電與弱電的隔離，放電間隙狀態(tài)檢測接口電路中的隔離采用線形光電隔離技術(shù)。  
    控制的目的是在穩(wěn)定加工下盡量保持火花放電狀態(tài)。前面把放電過程描述為四種基本狀態(tài)：正�；鸹ǚ烹姟⒎�(wěn)定電弧放電、短路、開路。定時(shí)記錄放電狀態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間，即用時(shí)間百分比反映這四種狀態(tài)及其組合：
空載率：Ψd＝Σtd/Σti��100%
火花放電率：Ψe＝Σte/Σti��100%
穩(wěn)定電弧率：Ψa＝Σta/Σti��100%
短路率：Ψs＝Σts/Σti��100%
式中 ti——脈寬
td——空載時(shí)間
te——火花放電時(shí)間
ta——穩(wěn)定電弧時(shí)間
ts——短路時(shí)間
    這四種基本狀態(tài)只有正�；鸹ǚ烹娋哂形g除能力，其余對(duì)蝕除材料沒有作用。因此控制目標(biāo)是：在穩(wěn)定加工前提下，盡量提高火花放電率Ψe。由于放電時(shí)間極短(10-7～10-3s)，采樣到單個(gè)脈沖內(nèi)電壓波形的變化非常困難，實(shí)用意義不大，于是用定量脈沖數(shù)與正�；鸹ǚ烹姅�(shù)的比值作為控制伺服參考電壓的參量，將監(jiān)控的輸入?yún)⒘看_定為穩(wěn)定加工時(shí)單位脈沖出現(xiàn)的火花放電次數(shù)。
4 實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理
4.1 實(shí)驗(yàn)裝備
(1)DK7180(HCD800ZK)大型精密數(shù)控電火花成形機(jī)，配MDVA-105K脈沖電源柜和MD-P5擴(kuò)展柜；
(2)PC－2000 系列 PC/386/486/586 專用 AD 卡 PS－2117；
(3)放電間隙檢測分壓接口電路；
(4)放電間隙狀態(tài)判別與邏輯電路；
(5)計(jì)數(shù)及與 PC 機(jī)接口電路。
4.2 接口電路的工作原理
(1) 放電間隙檢測分壓接口電路
    它將機(jī)床強(qiáng)電系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)分開。
(2) 狀態(tài)檢測電路
    狀態(tài)檢測的依據(jù)是放電脈沖各種不同狀態(tài)分量電壓的特點(diǎn)。在接口電路完成后開始采集數(shù)據(jù)，包括脈沖電源輸向間隙的同步等寬觸發(fā)脈沖 Up2、接口電路處理后的放電間隙電壓 U0 (如圖5)。圖中電阻器 R1、R2、R3、R4 選用合適值可使光電耦合器 GD1、GD2 分別工作于截止與飽和兩種工作狀態(tài)。在分流器W1、W2、W3、W4 的作用下，光電耦合器 GD3、GD4 輸入、輸出關(guān)系在某一電壓范圍內(nèi)具有線性放大特性。輸出結(jié)果為：① 反相電源脈沖的內(nèi)部同步等寬觸發(fā)信號(hào) a (用于作為矩形計(jì)時(shí)窗和外部中斷讀與清零的源脈沖)；② 當(dāng)R1輸入為低電平，輸出高電平信號(hào) b (短路信號(hào))；③ 輸出正常火花放電的截止電壓或穩(wěn)定電弧放電的飽和電壓信號(hào) c;④ 高電平空載(開路)信號(hào) d (這里需要一個(gè)參考電平 Uref2)。

圖5 取樣、光電耦合和局部放大電路原理圖

于是根據(jù)a、b、c、d 端不同的高低電平，就獲得了具有明顯差別的不同放電狀態(tài)。我們只需要設(shè)置參考電平 Uref1、Uref2，通過比較器 comp1 和 comp2邏輯電路組合獲得各狀態(tài)分量：短路信號(hào) E1、正�；鸹ǚ烹� E2、穩(wěn)定電弧放電 E3、開路放電 E4 (原理見圖6)。