HSWEDM工作液電導(dǎo)率信號(hào)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭翠霞 ，劉 康 ，謝文玲 ，蔣曉舒

（1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，自貢 643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自貢 643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自貢643000）

高速走絲電火花線切割機(jī)床HSWEDM[1]是利用高頻電源產(chǎn)生脈沖電壓，工具電極對(duì)工件脈沖放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行加工的。電火花擊穿絕緣的工作液后形成放電通道，形成瞬間、局部的高溫溶化、汽化金屬，完成金屬切割加工后，工作液又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。因此，工作液的介電性能（工作液電導(dǎo)率大?。﹪?yán)重影響放電效果[2-3]，對(duì)工作液電導(dǎo)率控制問題的研究十分重要。

工作液的導(dǎo)電性靠離子的遷移來完成。電導(dǎo)率的測(cè)量受到溫度、電極常數(shù)和交流頻率等因素的影響。為了避免極化效應(yīng)和電容效應(yīng)帶來系統(tǒng)測(cè)量誤差，現(xiàn)代工業(yè)上都采用了高頻±2 V的雙極性脈沖的方波作為激勵(lì)源。但在機(jī)床的高頻電源及其它電器部件的綜合作用下，工作液池中存有 “漏電壓”現(xiàn)象，±2 V方波的幅值較小，信號(hào)電壓會(huì)在“漏電壓”的干擾作用下產(chǎn)生畸變，無法獲得與所測(cè)電導(dǎo)率成比例的電壓值[4]。因此，需要針對(duì)高速走絲電火花線切割機(jī)床研究工作液電導(dǎo)率采集器，滿足工作液智能控制裝置能可靠采集工作液電導(dǎo)率的要求。

1 測(cè)量原理

在工程上，一般用電導(dǎo)和電導(dǎo)率表示電流流過離子型導(dǎo)體中受到阻力的大小。用電阻R的倒數(shù)來表征電導(dǎo)G，電導(dǎo)率σ是電導(dǎo)與電極常數(shù)K的乘積，其單位為（Ω·cm）-1，表征電解溶液導(dǎo)電的能力，電導(dǎo)率越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)[5]。工作液是采用乳化膏與自來水按質(zhì)量比1∶40配制，新鮮工作液的電導(dǎo)率大約為3500 μS/cm，報(bào)廢的工作液電導(dǎo)率大約為15000 μS/cm[3]，工作液屬于低阻（高電導(dǎo)）溶液。高導(dǎo)溶液的測(cè)量誤差主要是雙層電容C1、C2。因此，本測(cè)量系統(tǒng)使用電極常數(shù)K=10的不銹鋼工業(yè)電導(dǎo)率電極，為兩極式電極，電極采用聚砜和鉑黑制造，基材為玻璃，外殼為不銹鋼材料。具有防水、抗污染能力強(qiáng)，測(cè)量范圍（10～ 20000 μS/cm）廣的優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)量系統(tǒng)采用測(cè)量線性度較好的分壓法測(cè)量工作液電導(dǎo)率，其等效電路模型如圖1所示。分壓電阻R上的電壓降表示為

圖1 分壓電阻法測(cè)量原理Fig.1 Diagram of divider resistance measurement principle

當(dāng)Rx?R時(shí)，忽略式（1）分母中的R，則有：

式中：E和R均為已知常數(shù)，G為電導(dǎo)，電導(dǎo)率與分壓電阻上分得的電壓成正比。為了避免極化現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)電壓E采用±5 V的方波驅(qū)動(dòng)電壓，其頻率為1000 Hz。

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

為了能精確測(cè)量工作液電導(dǎo)率值，避免極化效應(yīng)、電容效應(yīng)、溫度效應(yīng)和“漏電壓”的干擾帶來系統(tǒng)測(cè)量誤差，本設(shè)計(jì)采用的技術(shù)方案如圖2所示。

圖2 電導(dǎo)率測(cè)量方案Fig.2 Scheme of conductivity measurement

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源

測(cè)量系統(tǒng)的電源采用專業(yè)廠商明威生產(chǎn)的開關(guān)電源，型號(hào)為Q60-C。電源輸入為 220 V/50 Hz交流電，輸出分別為+15 V、-15 V、+5 V和 -5 V以及一個(gè)COM接口，電源功率為60 W，滿足系統(tǒng)的使用要求。為避免極化現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)電壓采用±5 V的方波。系統(tǒng)要求方波上下對(duì)稱，且單個(gè)周期的時(shí)間一致，因此，±5 V電壓采用同一個(gè)電壓源，即+5 V電壓直接使用開關(guān)電源的+5 V（開關(guān)電源Q60-C的+5 V穩(wěn)定、可調(diào)，而且抗負(fù)載能力強(qiáng)）。-5 V電壓可通過LF356N的負(fù)反饋電路產(chǎn)生，如圖3所示，具體對(duì)稱程度可以將電阻R1換成精密可調(diào)電位器調(diào)節(jié)。

圖3 +5 V轉(zhuǎn)-5 V電路Fig.3 +5 V converted to-5 V circuit

3.2 驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)生電路

±5 V方波驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)生電路由一個(gè)CD4051BCN模擬開關(guān)、單片機(jī)STC89C52RC和一系列電阻組成，如圖4所示。單片機(jī)調(diào)整占空比和輸出頻率，產(chǎn)生1 kHz、占空比為50%的方波脈沖信號(hào)，CD4051BCN的 A、B、C引腳分別與單片機(jī) U1的 P1^0、P1^1和P1^2相連。若要使模擬開關(guān)T0與COM導(dǎo)通，產(chǎn)生-5 V的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，則A、B、C均為低電平；若要使模擬開關(guān)T1與COM導(dǎo)通，產(chǎn)生+5 V的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，則B、C均為低電平，A為高電平。如此T0、T1的一開一閉，就產(chǎn)生了頻率為1000 Hz、幅值為±5 V、占空比為50%的方波驅(qū)動(dòng)電壓。

圖4 方波驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)生電路Fig.4 Circuit of square-wave driving voltage

3.3 自動(dòng)量程電路

電導(dǎo)率電極接線電路如圖5所示，方波驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)發(fā)生電路輸出口與電極接口1相連，電極接口 3的com2端與自動(dòng)量程的分壓電路（見圖6）com2端相連，Vin與圖7的Vin相連，由此構(gòu)成了分高、低2個(gè)量程的測(cè)量電導(dǎo)率信號(hào)的分壓電路。

圖5 電導(dǎo)率電極接線電路Fig.5 Diagram of conductivity electrode wiring

圖6 自動(dòng)量程分壓電路Fig.6 Automatic range voltage circuit

3.4 LF356N放大電路

LF356N放大電路為負(fù)反饋電路，如圖7所示。當(dāng)Vin為正電壓時(shí)，電流經(jīng)R14、二極管D1流到6口，由于流經(jīng)變放大倍數(shù)電路的電流為0，因此此時(shí)Vin1處的電壓為0 V；當(dāng)Vin為負(fù)電壓時(shí)，電流由6口經(jīng)com1到自動(dòng)量程的變放大倍數(shù)電路的com1（見圖8），此時(shí)Vin1處的電壓為Vin處電壓絕對(duì)值乘以相應(yīng)的放大倍數(shù)，并由LF356N的6口輸出的電壓經(jīng)二極管D3、D4進(jìn)行簡(jiǎn)單的電壓整形，最后經(jīng)R25與TLC2543A/D轉(zhuǎn)換芯片相連。

圖7 LF356N放大電路Fig.7 Diagram of LF356N amplification circuit

圖8 自動(dòng)量程變放大倍數(shù)電路Fig.8 Automatic range change magnification circuits

3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

基準(zhǔn)穩(wěn)壓REF02AU電路如圖9所示，Vin接Q60-C開關(guān)電源的+15 V電壓輸出口。REF+為基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片的電壓輸出口，其電壓大小可以用精密可調(diào)電位器R21進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖9 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路Fig.9 Reference voltage circuit

TLC2543A/D轉(zhuǎn)換電路如圖10所示，其基準(zhǔn)電壓以REF02AU輸出的標(biāo)準(zhǔn)+5 V電壓作為基準(zhǔn)，其REF+接口與基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片的Vout口相連，來自LF356N的模擬電壓信號(hào)經(jīng)AIN0口輸入TLC2543，由單片機(jī)U1控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的工作。

圖10 TLC2543A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.10 Circuit of TLC2543A/D conversion

3.6 液晶顯示電路和溫度采集電路

液晶接線電路如圖11所示，串口液晶屏只有4根接線，左右2根為電源線，分別與電源+5 V和GND相連，中間 2根為串口通信線，分別與單片機(jī)的P3^0和P3^1相連。

18B20溫度采集電路如圖12所示，其接線一共3根，左右2根為電源線，分別與電源+5 V和GND相連，中間1根為信號(hào)線，與單片機(jī)的P1^4口相連。

圖11 串口液晶屏電路Fig.11 Circuit of serial port LCD panel

圖12 18B20溫度采集電路Fig.12 Circuit of 18B20 temperature acquisition

4 測(cè)量數(shù)據(jù)分析與處理

為了保證工作液使用期間能滿足對(duì)工作液電導(dǎo)率測(cè)量的要求，設(shè)置量程為2000～15000 μS/cm。低量程在2000～8560 μS/cm范圍，電壓變化區(qū)間大致為1～3 V，壓差2 V，12位A/D轉(zhuǎn)換后，其分辨率為4.00488 μS/cm；高量程在8560～5000 μS/cm范圍，電壓變化為3～4.48 V，壓差1.48 V，12位A/D轉(zhuǎn)換后，其分辨率為5.313 μS/cm。通過實(shí)驗(yàn)，獲得電導(dǎo)率與相應(yīng)電壓值的關(guān)系曲線，如圖13所示，整個(gè)量程范圍內(nèi)有較好的線性度。

圖13 工作液電導(dǎo)率與測(cè)量電壓關(guān)系曲線Fig.13 Curve between working liquid conductivity and measure the voltage

采用高、低量程測(cè)量工作液電導(dǎo)率有利于提高采集器的精度。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到相應(yīng)的多項(xiàng)式，式（3）為低量程，式（4）為高量程：

5 結(jié)語

利用電極常數(shù)K=10的不銹鋼工業(yè)電導(dǎo)率電極和單片機(jī)為高速走絲電火花線切割機(jī)床設(shè)計(jì)和開發(fā)了工作液電導(dǎo)率信號(hào)采集器。該采集器電路簡(jiǎn)單、使用常用元器件、成本低。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析，電路可靠性高，可用于工作液智能控制過程中工作液電導(dǎo)率的測(cè)量。

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