基于電容耦合的微細(xì)電火花加工雜散電容測量方法的研究

李志彬，馮光磊，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

隨著微細(xì)零部件加工需求的增加及MEMS技術(shù)的發(fā)展，對微細(xì)電火花加工的需求日益增多。減小脈沖電源單個脈沖的放電能量是實現(xiàn)微細(xì)電火花加工的關(guān)鍵之一。通常，微米級的加工精度及表面粗糙度所需的單個脈沖放電能量應(yīng)控制在10-6～10-7J數(shù)量級之間。對于傳統(tǒng)RC脈沖電源，為降低單個脈沖的放電能量，主要的解決途徑是減小回路的電容容量。然而，RC脈沖電源回路中的電容容值并非單純地指電路中的標(biāo)稱容值，還包含各種雜散電容。

為實現(xiàn)單個脈沖放電能量的最小化，在實際微細(xì)電火花加工中，通常不在RC回路中接入電容，而是利用機床的雜散電容充當(dāng)RC回路的充電電容。機床的雜散電容主要包括電源輸出線間的雜散電容，電極夾具與工件、工作臺間的雜散電容，電極與工件、工作臺間的雜散電容。為評估機床的雜散電容對放電能量的影響，有必要對其進行測量。

楊曉冬等提出的基于電容耦合原理的微細(xì)電火花加工方法是利用工具電極和工件之間形成的靜電容量，并增加一個給電電容，使其與極間等效靜電電容串聯(lián)接在方波脈沖電源的兩端，并通過電容耦合的方式給極間充電[1]。該方法由于能避免雜散電容的不利影響，故可獲得更微小的放電能量。同時，該方法也為微細(xì)電火花加工機床雜散電容的測量提供了可能。

1 基于電容耦合的雜散電容測量原理

電容耦合是電子耦合的一種，它借助電路中的電容進行能量的傳輸，通常是在串聯(lián)電路中安置電容器來實現(xiàn)信號的耦合。由于電容本身的性質(zhì)，只有交流信號能通過耦合到達下一級電路，因此，電容耦合有時也被稱為“交流耦合”。根據(jù)電荷守恒定律，相互串聯(lián)的電容上電荷量相等，電容上的分壓與電容成反比。

機床的雜散電容分布見圖1。Cs1為電火花加工脈沖電源輸出線之間的雜散電容；Cs2、Cs3分別為電極夾具與工件、工作臺間的雜散電容；Cs4、Cs5分別為電極與工件、工作臺間的雜散電容。

圖1 微細(xì)電火花機床雜散電容的分布

基于電容耦合的雜散電容測量原理見圖2。該方法增加了一個給電電容C1，其與極間串聯(lián)接在方波脈沖電源的兩端；C2為電極、電極夾具與工件、工作臺間的雜散電容的統(tǒng)稱，即C2=Cs2+Cs3+Cs4+Cs5；C2′為方波脈沖電源與給電電容C1之間的電源線間的雜散電容；C2″為電路中給電電容C1之后的電源線間的雜散電容。當(dāng)給電電容C1與方波電源間的電源線很短時，雜散電容C2′可忽略不計，此時，Cs1≈C2″，雜散電容 C2′對極間電壓并無影響[2]。

圖2 基于電容耦合的雜散電容測量方法原理圖

根據(jù)電容耦合分壓原理，極間開路充電電壓可表示為：

式中：U1為方波電源電壓；U2為極間開路充電電壓。C1、U1為已知，U2可通過示波器測量，由此可計算得到雜散電容（C2+C2″），則機床總的雜散電容為：

測量時，需考慮示波器探頭輸入電容對測量結(jié)果的影響，示波器探頭結(jié)構(gòu)見圖3。其中，Rp和Cp位于探頭尖端內(nèi)，10×探頭的輸入阻抗Rp為9 MΩ，輸入電容Cp約為10pF；Ro為示波器的輸入阻抗（Ro=1 MΩ）；Co為示波器的輸入電容、同軸電纜等效電容及探頭補償箱電容的組合值，一般來說，無源探頭的電纜存在60pF容性，加上一般示波器20pF的輸入電容及一些雜散，大約為90pF[3]。

圖3 示波器探頭原理圖

示波器、示波器探頭、同軸電纜共存在輸入電容Cosc=Cp∥Co≈9pF。在利用示波器測量出極間電壓值并計算出極間雜散電容Cs后，需減去示波器引入的電容Cosc，才是最終所要測量的機床總的雜散電容。

2 電容耦合雜散電容測量方法的仿真驗證

為驗證電容耦合雜散電容測量方法的可行性，首先利用電路仿真軟件Multisim對其進行仿真。仿真電路見圖4，其中包括了示波器探頭的影響。

圖4 仿真電路圖

先在極間預(yù)設(shè)一個雜散電容，通過仿真得到極間電壓的測量值，再根據(jù)式（2）計算出雜散電容，并與預(yù)設(shè)的雜散電容進行比較，以驗證該方法的可行性。仿真條件見表1。

表1 仿真條件

圖5是仿真得到的極間開路充電電壓與方波電源電壓的波形圖?？煽闯觯褂玫姆讲娫碪1為單極性方波脈沖，而極間電壓U2為正負(fù)雙極性方波脈沖。這是因為單極性方波脈沖由直流信號和交流信號兩部分組成，而電容具有通交流阻直流的特性，所以單極性方波脈沖信號經(jīng)過給電電容C1后，會將直流偏置信號過濾，僅有交流信號加在負(fù)載上，因此，極間電壓U2變?yōu)殡p極性方波脈沖信號。

圖5 方波電源電壓與極間電壓波形圖

在利用式（2）計算雜散電容時，方波電源電壓U1與極間電壓U2取其峰值計算，仿真電路方波電源峰的峰值Up1=E=250 V，仿真得到極間電壓峰的峰值Up2=139.4 V，給電電容C1=100pF，示波器雜散電容Cosc=9pF，將上述數(shù)據(jù)代入式（2），得到最終的機床實際雜散電容Cs=70.3pF，該結(jié)果與仿真條件預(yù)設(shè)的雜散電容70pF相近，驗證了該計算方法的可行性。

3 電容耦合雜散電容測量方法的實驗驗證

利用電容耦合雜散電容測量方法對實驗室現(xiàn)有微細(xì)電火花加工機床（鑄鐵床身）的雜散電容進行實際測量。實驗所使用的方波脈沖電源由直流穩(wěn)壓電源及MOSFET斬波電路構(gòu)成。

為調(diào)查測量回路中各參數(shù)對測量結(jié)果的影響，經(jīng)多次改變給電電容值、直流電源電壓值及脈沖頻率等參數(shù)進行測量。實驗條件見表2。

表2 實驗條件

圖6是在直流電源電壓E=250 V、脈沖頻率f=200 kHz、給電電容C1=100pF條件下得到的極間電壓波形，其極間電壓峰的峰值為156.6 V，根據(jù)式（2）求得雜散電容 Cs=50.6pF。

圖6 極間電壓波形

圖7 是當(dāng)方波電源脈沖頻率為10 kHz時，在不同的給電電容C1和直流電源電壓E條件下測量得到的雜散電容?？煽闯觯s散電容在45.3～48.4pF之間基本保持恒定。同時，圖8是在不同的方波電源脈沖頻率條件下測量得到的極間雜散電容?？煽闯?，雜散電容在46.4～50.8pF之間也基本保持恒定。由此可知，在測量回路的不同參數(shù)條件下測得的機床雜散電容值差別可忽略，由此能證明電容耦合雜散電容測量方法的可靠性。

圖7 給電電容和直流電源電壓對雜散電容測量結(jié)果的影響

圖8 脈沖電源頻率與電壓對雜散電容測量結(jié)果的影響

4 結(jié)語

本文提出的基于電容耦合原理的電火花加工機床雜散電容測量方法，通過觀測極間開路電壓就可推算出雜散電容。通過理論分析、仿真及實驗驗證了該方法的有效性和可靠性。

[1] Kunieda M，Hayasaka A D，Yang Xiaodong，et al.Study on nano EDM using capacity coupled pulse generator[J].Cirp Annals Manufacturing Technology，2007，56 （1）：213-216.

[2] Yang Xiaodong，Kunieda M，Sano S.Study on influence of stray capacitance on micro EDM using electrostatic induction feeding[J].International Journal of Electrical Machining，2008，13：35-40.

[3] Tektronix.深入了解示波器[EB/OL].（2012-10）[2015-04-12]http://info.tek.com/Oscilloscope-XYZ-Download_cn_TY.html.html.