基于脈間反饋脈沖電源的硅晶體電火花線切割加工研究

邵程杰，邱明波，劉志東，王文昭，張 明

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

由于硅材料具有典型的光伏效應(yīng)、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、特殊的晶體結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，其在電子、光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，成為當(dāng)今高新技術(shù)發(fā)展的重要基石[1]。硅晶體的大量應(yīng)用，對其加工質(zhì)量和復(fù)雜形狀加工也提出了越來越高的要求。

硅晶體的硬度高、脆性大，屬于難加工材料之一，傳統(tǒng)硅晶體加工方式具有一定的接觸應(yīng)力，使硅晶體的加工表面質(zhì)量和精度無法滿足要求[2]。而電火花加工技術(shù)可有效地解決這個(gè)問題，因?yàn)殡娀鸹ň€切割加工無切削應(yīng)力，可用來加工具有一定導(dǎo)電能力的硅晶體，且可實(shí)現(xiàn)硅晶體二維平面上的任意形狀加工[3]。

電火花線切割加工技術(shù)應(yīng)用于硅晶體時(shí)所面臨的最主要問題是如何進(jìn)行極間狀態(tài)檢測和伺服控制。傳統(tǒng)的金屬材料電火花加工一般采用間隙平均電壓檢測法或峰值檢測法來判斷極間狀態(tài)[4]。間隙平均電壓檢測法是根據(jù)間隙平均電壓值來大致判斷間隙大小及放電狀態(tài)，而峰值檢測法主要用于間隙開路狀態(tài)的檢測[5]，二者均具有較大的局限性。此外，這些方法是基于材料在電火花加工過程中放電狀態(tài)的一致性，而硅晶體由于其獨(dú)特的性質(zhì)，單個(gè)放電波形有較大差別[6]。由于受隨機(jī)性影響，硅晶體電火花加工如果采用傳統(tǒng)極間狀態(tài)檢測法的話，將無法準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)加工狀態(tài)，難以做出有效調(diào)節(jié)，無法保證硅晶體放電加工持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

為解決上述問題，潘慧君等[7-8]提出了基于放電概率檢測的極間狀態(tài)檢測方法；劉洛塵等[9]提出了脈寬反饋的伺服控制策略。但是前者提出的方法比較簡單，沒有實(shí)現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)搭建，且采用的是進(jìn)給速度調(diào)整法，進(jìn)給速度的變化會(huì)影響切割效率，回退誤差也會(huì)對形狀精度產(chǎn)生不利影響；后者雖然通過改變脈寬來取代改變進(jìn)給速度，但仍沒有考慮到脈寬變化對加工表面質(zhì)量一致性的影響。

基于上述原因，本文設(shè)計(jì)了脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源，確定了脈間隨著實(shí)時(shí)放電概率調(diào)整的伺服控制策略，避免了上述方法中的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了放電概率恒定。此外，該脈間反饋電源得到了實(shí)際應(yīng)用，本文優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了硅晶體電火花線切割的穩(wěn)定高效加工。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及硅晶體放電切割特性

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用DK77W系列多次切割往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床。該機(jī)床采用了Windows系統(tǒng)和Autocut軟件，操作簡單；采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和直線導(dǎo)軌，機(jī)床精度可達(dá)±0.01 mm；機(jī)床的最高輸出功率可達(dá)1.2 kW，在加工硅晶體時(shí)最高可實(shí)現(xiàn)約180 V的輸出電壓，能滿足低電導(dǎo)率硅晶體的加工需求。

1.2 硅晶體放電切割特性

金屬材料在電火花加工過程中有開路、不穩(wěn)定電弧、穩(wěn)定電弧、正常放電及短路五種放電狀態(tài)[10]。但是對于硅晶體而言，由于其本身存在體電阻，而體電阻受到放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫影響會(huì)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致放電電流和電壓不穩(wěn)定，每個(gè)波形都有變化[6]。不同于金屬材料放電，硅晶體在電火花加工過程中一般有三種放電狀態(tài)，分別為正常放電、空載及短路[11]，其電壓電流波形圖見圖1。

圖1 硅晶體的三種典型放電狀態(tài)

從圖1看到，在空載狀態(tài)時(shí)，電壓基本保持不變且沒有電流產(chǎn)生，這說明此時(shí)的極間間隙較大，未能擊穿放電；在正常加工狀態(tài)時(shí)，電壓有一定的擊穿延時(shí)，然后下降到放電維持電壓，但受到體電阻的影響，放電維持電壓只是略小于空載電壓，電流呈現(xiàn)典型的爬坡式上升趨勢；在短路時(shí)，電壓直接下降到放電維持電壓，電流上升到略高于正常加工的峰值電壓。

對比前述三種典型的放電加工狀態(tài)，空載狀態(tài)時(shí)不存在電流脈沖，可明顯區(qū)分于另外兩種加工狀態(tài)；正常加工狀態(tài)和短路狀態(tài)均有電流產(chǎn)生，且最后的放電維持電壓和峰值電流相近，其區(qū)別僅在于是否存在擊穿延時(shí)現(xiàn)象。本文基于放電概率檢測原理對硅晶體加工的極間狀態(tài)進(jìn)行了檢測，對三種放電加工狀態(tài)進(jìn)行了區(qū)分。

2 脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源原理

2.1 放電概率檢測原理

放電概率檢測是通過對一段采樣周期內(nèi)兩極之間的電壓脈沖、電流脈沖的數(shù)量進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)，從而對極間狀態(tài)進(jìn)行判別的一種方法[12]。放電概率檢測的優(yōu)勢在于測得的實(shí)際放電概率僅與電流脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)，不受硅晶體單個(gè)放電波形隨機(jī)性的影響，能直接反應(yīng)極間狀態(tài)，完全適用于硅晶體的電火花放電加工 。

本文設(shè)計(jì)的脈沖電源可根據(jù)檢測到的放電概率自動(dòng)調(diào)整輸出脈間，使其基本穩(wěn)定在目標(biāo)概率值附近，以保證加工的穩(wěn)定進(jìn)行。放電概率檢測及伺服控制流程圖見圖2。首先設(shè)定初始加工參數(shù)，如恒定的脈寬和進(jìn)給速度。在加工過程中實(shí)時(shí)檢測放電脈沖信號(hào)的數(shù)量，計(jì)算出實(shí)時(shí)放電概率Rate，即電流脈沖個(gè)數(shù)占采樣周期內(nèi)電壓脈沖個(gè)數(shù)的比例。由于短路波形與正常加工波形相似，同樣存在放電蝕除現(xiàn)象，短路波形也計(jì)入有效電流脈沖個(gè)數(shù)中，將此概率與目標(biāo)放電概率p比較得出放電概率偏差值，然后根據(jù)伺服控制策略調(diào)節(jié)輸出脈間大小，實(shí)現(xiàn)極間狀態(tài)調(diào)整。

圖2 放電概率檢測及伺服控制流程圖

2.2 閉環(huán)控制脈沖電源結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制電源主要由ARM模塊、概率檢測模塊和驅(qū)動(dòng)模塊三部分組成。在這套以放電概率檢測為核心思路的閉環(huán)控制電源中，ARM模塊作為核心控制單元實(shí)現(xiàn)了PWM波形輸出、實(shí)時(shí)放電概率計(jì)算和脈間調(diào)節(jié)等功能；驅(qū)動(dòng)模塊接收ARM輸出的脈沖信號(hào)，輸出峰值可調(diào)的脈沖電壓。脈間反饋閉環(huán)控制流程見圖3。ARM模塊首先輸出四路PWM波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大后輸至機(jī)床正負(fù)極中進(jìn)行放電加工；概率檢測模塊檢測放電電流脈沖，經(jīng)處理后輸入ARM模塊；ARM模塊對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算實(shí)際放電概率，并與目標(biāo)放電概率進(jìn)行比較，然后基于比較情況自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出PWM波的脈間，從而形成一個(gè)完整的閉環(huán)反饋控制。

概率檢測模塊主要由霍爾電流傳感器、LM358比較器及6N137光耦隔離組成?；魻栐z測加工電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓值輸出，電壓信號(hào)通過6N137光耦隔離濾波后輸出到LM358比較器，與設(shè)定好的電壓閾值進(jìn)行比較，并輸出可供ARM模塊識(shí)別的0～3.3 V的方波信號(hào)。ARM模塊采用定時(shí)器的輸入捕獲功能對方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并采用定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式對電壓脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得實(shí)際放電概率。

圖3 脈間反饋閉環(huán)控制流程圖

脈沖電源的伺服控制示意如圖4所示，根據(jù)放電概率判斷當(dāng)前加工狀態(tài)，從而調(diào)整輸出脈間，對整個(gè)電火花線切割過程進(jìn)行伺服控制。

圖4 伺服控制示意圖

2.3 脈間伺服控制策略

本節(jié)探究了脈間和放電概率的關(guān)系，使脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源能按照一定的伺服控制策略合理調(diào)節(jié)輸出脈間。保持進(jìn)給速度、脈寬等參數(shù)恒定，對不同脈間下的放電概率采樣分析，試驗(yàn)加工參數(shù)見表1。

表1 脈間試驗(yàn)加工參數(shù)

采集到的不同脈間下的放電概率值波動(dòng)情況見圖5a；計(jì)算不同脈間時(shí)實(shí)際放電概率的平均值及波動(dòng)情況，其與脈間的變化關(guān)系見圖5b。由圖5可知，若其他加工參數(shù)相同，當(dāng)脈間為50μs時(shí)，放電概率僅為26.5%；當(dāng)脈間為450μs時(shí)，放電概率達(dá)到98.1%，這說明此時(shí)大部分處于短路脈沖狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)脈間較大時(shí)，單個(gè)脈沖周期較長，材料蝕除速度小于進(jìn)給速度，電極絲和工件之間的間隙減小，電流脈沖增多，放電概率增大。總之，放電概率隨著脈間的增大而增大，基本呈現(xiàn)正比例趨勢。此外，各放電概率點(diǎn)的上下偏差代表了放電概率的波動(dòng)程度，波動(dòng)越小則加工越穩(wěn)定，在不同脈間條件下，放電概率的波動(dòng)情況相近。

圖5 放電概率變化情況

根據(jù)圖5所示關(guān)系曲線進(jìn)行正相關(guān)的直線擬合，得到的擬合線見圖5b，得出的擬合關(guān)系為：

式中：Y為實(shí)際放電概率；X為脈間值。

依照直線擬合的伺服控制策略，脈沖電源可根據(jù)放電概率差值調(diào)整脈間，使實(shí)際放電概率基本維持在目標(biāo)放電概率附近。通過對脈間的調(diào)整來控制放電概率，可有效避免脈寬變化對加工表面質(zhì)量一致性的影響，也減少了電機(jī)回退精度對加工精度的影響。

3 工藝試驗(yàn)

脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源通過對脈間的調(diào)整來控制放電概率，因此只需進(jìn)給速度和脈寬恒定即可，但是需對進(jìn)給速度和脈寬進(jìn)行優(yōu)化，以選定一個(gè)最合理的值。本部分主要探究了進(jìn)給速度和脈寬與放電概率之間的關(guān)系，并根據(jù)關(guān)系變化曲線分析選擇最優(yōu)值，最終將脈沖電源應(yīng)用到普通電火花線切割機(jī)床上以進(jìn)行實(shí)際切割。

3.1 進(jìn)給速度優(yōu)化

本文使用普通脈沖電源進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同的進(jìn)給速度對放電概率的影響。進(jìn)給速度試驗(yàn)加工參數(shù)見表2。

表2 進(jìn)給速度試驗(yàn)加工參數(shù)

對實(shí)際放電概率進(jìn)行采樣分析，放電概率和進(jìn)給速度的關(guān)系見圖6。在其他參數(shù)恒定的情況下進(jìn)行勻速切割，放電概率隨著進(jìn)給速度的增加而增加。當(dāng)進(jìn)給速度為10μm/s時(shí)，放電概率約為10%，有效的放電脈沖少，加工效率極低；當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到100μm/s時(shí)，放電概率約達(dá)90%，此時(shí)出現(xiàn)大量的短路脈沖，加工效率較高，但電極絲輕微彎曲。為選擇較為合適穩(wěn)定的進(jìn)給速度，對不同進(jìn)給速度下的放電概率進(jìn)行了離散程度分析。如圖6所示，放電概率的上下偏差代表放電概率的波動(dòng)程度，放電概率波動(dòng)程度越大，加工越不穩(wěn)定，會(huì)對加工質(zhì)量帶來不利影響。

圖6 進(jìn)給速度和放電概率的關(guān)系曲線

因此，綜合考慮加工效率和加工穩(wěn)定性，本文選擇最優(yōu)進(jìn)給速度為70μm/s，此時(shí)放電概率約為62.5%，略高于平均值，能保證一定的加工效率且出現(xiàn)短路脈沖的可能性較小，此外放電概率波動(dòng)也較小，加工較為穩(wěn)定。

3.2 脈寬優(yōu)化

脈寬也是電火花線切割加工中的重要加工參數(shù)，對硅晶體加工后的表面質(zhì)量、加工效率等均有影響。因此，本節(jié)對脈寬與放電概率的關(guān)系進(jìn)行分析，保持進(jìn)給速度、占空比等參數(shù)不變，通過切割試驗(yàn)確定脈寬最優(yōu)值。脈寬試驗(yàn)加工參數(shù)見表3。

表3 脈寬試驗(yàn)加工參數(shù)

從圖7所示脈寬與放電概率的關(guān)系可見，隨著脈寬的不斷增加，放電概率下降，整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢。脈寬增大，雖然會(huì)增大平均加工電流，但實(shí)際上放電概率減小，此外過大的脈寬會(huì)使加工表面質(zhì)量變差；而脈寬太小，工件蝕除速度遠(yuǎn)小于電極絲進(jìn)給速度，易出現(xiàn)短路且造成電極絲彎曲甚至斷裂。本文考慮到加工表面質(zhì)量、加工效率和加工穩(wěn)定性，選擇最優(yōu)脈寬為45μs。

圖7 脈寬和放電概率的關(guān)系曲線

3.3 直線切割實(shí)驗(yàn)

采用基于放電概率檢測的脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源，在最優(yōu)工藝參數(shù)下設(shè)置目標(biāo)放電概率為75%、脈寬為45μs，機(jī)床以70μm/s的速度恒速進(jìn)給。在加工初期，脈間變化較多，經(jīng)短暫調(diào)節(jié)時(shí)間后，脈間大致維持在250μs，無彎絲現(xiàn)象產(chǎn)生，加工能穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行。此時(shí)的放電概率約在75%波動(dòng)，波動(dòng)情況見圖8。最終得出的切割效率約為70.9 mm2/min，加工平均電流為1.2 A。

圖9是硅晶體切割工件實(shí)物圖?？梢?，工件表面較為平整，表面質(zhì)量明顯改善，無切割條紋，形狀精度高。測得的表面粗糙度為Ra2.891μm，且工件表面各處的粗糙度波動(dòng)較小。

圖8 放電概率波動(dòng)情況

圖9 硅晶體切割工件實(shí)物圖

脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源不僅可有效地減少機(jī)床進(jìn)給速度的改變而導(dǎo)致的切削效率和形狀精度的降低，同時(shí)，脈間變化不會(huì)對加工質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響，因此使用所設(shè)計(jì)的脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源可確保工件加工表面質(zhì)量的一致性，也可保證良好的加工質(zhì)量、切割效率和形狀精度。

4 結(jié)論

（1）本文優(yōu)化了原有的用于硅晶體電火花線切割加工的伺服控制方法，并根據(jù)硅晶體放電加工特性，基于放電概率檢測原理設(shè)計(jì)脈間反饋閉環(huán)控制脈沖電源。

（2）本文探究了脈間和放電概率之間的關(guān)系，并基于關(guān)系擬合方程，設(shè)計(jì)脈間隨實(shí)時(shí)放電概率調(diào)整的伺服控制策略，以實(shí)現(xiàn)放電概率恒定，且加工質(zhì)量、效率、精度等不會(huì)受到加工參數(shù)變化的影響。

（3）本文分析了不同進(jìn)給速度、脈寬等參數(shù)對加工質(zhì)量、放電概率等的影響，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，并在最優(yōu)參數(shù)條件下，將該電源應(yīng)用到實(shí)際加工中，加工效率有一定的保證，且具有良好的加工表面質(zhì)量和精度。