基于極間阻抗特性的微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 波 張勇斌 劉廣民 袁偉然 張 林

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

微細(xì)電火花加工具有工藝設(shè)備簡單、能量易控制、加工精度較高等優(yōu)點(diǎn)，是目前幾十微米至幾百微米加工尺度的微小孔、微型腔等微結(jié)構(gòu)制造的主要加工手段之一[1]。微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工過程精確控制的前提條件，也是提高加工效率和工藝質(zhì)量的重要保證。微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)識(shí)別技術(shù)實(shí)質(zhì)上是指在加工過程中判別不同的脈沖放電狀態(tài)，尤其是從正常放電狀態(tài)識(shí)別出異常放電狀態(tài)，為后續(xù)的間隙調(diào)整和控制提供依據(jù)，盡量避免產(chǎn)生異常放電的情況，從而提高加工精度和加工效率[2]。

微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測最常用的方法是間隙平均電壓檢測法[3]，間隙平均電壓檢測法是通過設(shè)定閾值對微細(xì)電火花狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，該方法可以應(yīng)用于微細(xì)電火花，但存在檢測效果不理想，滯后性強(qiáng)等問題。其檢測靈敏度和閾值電壓設(shè)置的準(zhǔn)確性會(huì)受到脈沖參數(shù)調(diào)整變化的影響，而在利用微細(xì)電火花加工對復(fù)雜工藝零件進(jìn)行加工時(shí)，需要用到多組脈沖參數(shù)，不同脈沖參數(shù)下需實(shí)時(shí)調(diào)整閾值，利用間隙平均電壓檢測法適應(yīng)性不強(qiáng)。劉曉萌等[4]對微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)特性進(jìn)行了研究，分析各放電狀態(tài)產(chǎn)生的原因，同時(shí)根據(jù)各放電狀態(tài)特性的不同對放電狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。張玲瑄[5]等對實(shí)時(shí)采集到的極間電壓和電流信號(hào)，通過模糊運(yùn)算判別采樣點(diǎn)的放電狀態(tài)，再將采樣點(diǎn)放電狀態(tài)值映射為放電狀態(tài)矢量，并對該矢量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到“短路率”和“火花/電弧率”，經(jīng)過模糊推理辨識(shí)出各周期的放電狀態(tài)。還可以通過檢測放電脈沖是否存在擊穿延時(shí)、高頻分量、聲頻信號(hào)及射頻信號(hào)等對放電狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。研究表明電弧放電脈沖有時(shí)也存在放電擊穿延時(shí)現(xiàn)象，所以擊穿延時(shí)檢測法不能準(zhǔn)確區(qū)分出電弧放電脈沖和火花放電脈沖[6]。高頻檢測法[7]不能判別單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)，并且電路組成較復(fù)雜。射頻信號(hào)與聲頻信號(hào)檢測法受到環(huán)境因素的影響較大[8]。

本文基于極間阻抗變化特性[9]，提出了基于極間阻抗變化特性的微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)檢測方法，從而實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)的識(shí)別，進(jìn)一步提高微細(xì)電火花加工效率。

1 檢測原理及總體設(shè)計(jì)

1.1 檢測原理

在微細(xì)電火花加工過程中，極間介質(zhì)擊穿形成等離子體放電通道是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工的前提。在極間介質(zhì)未擊穿前，極間處于高阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)極間介質(zhì)被擊穿形成放電通道時(shí)，極間處于中阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)工具電極和工件接觸時(shí)，極間處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。加工過程中，正、負(fù)兩極之間的電壓幅值大小會(huì)隨著放電通道的搭接與斷開而變化，這表明脈沖性電場擊穿極間介質(zhì)形成了放電通道后，兩極之間的阻抗發(fā)生了快速改變，極間可以等效為包括電阻、電感、電容等原理性器件的電路，如圖1所示，其正負(fù)兩極P+與P-之間某一時(shí)刻的阻抗可表示為式(1)。

(1)

基于上述極間通道阻抗變化的特性，提出了一種新的放電狀態(tài)檢測方法，主要是通過配置一個(gè)恒壓直流電源，經(jīng)電阻分壓限流后輸出到正負(fù)兩極之間，由極間阻抗的變化導(dǎo)致分壓值的突降變化，再由檢測電路捕捉該變化，從而判斷放電狀態(tài)。圖中直流電源DC提供檢測電路所需恒壓，R1為分壓限流電阻，分壓電阻R2、放電回路電阻R3和電容C1可以調(diào)控檢測波形的響應(yīng)特性，二極管D2可以防止間隙脈沖對檢測電路造成影響。當(dāng)兩極微小間隙被擊穿前，處于開路狀態(tài)，兩極間的阻抗極大，二極管D2和放電回路電阻R3上無電流通過，分壓限流電阻R1和分壓電阻R2分壓Us保持穩(wěn)定；兩極被擊穿后，處于放電和短路時(shí)，間隙通道的阻抗突降會(huì)引起端電壓Us隨之驟減；在微細(xì)電火花放電過程中，極間放電通道形成后，其阻抗會(huì)發(fā)生變化，阻抗大小會(huì)介于開路與短路之間，表現(xiàn)為端電壓Us的不同幅值。因此，可以通過檢測Us的幅值變化得知放電間隙的放電狀態(tài)。

1.2 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)極間電壓信號(hào)采集功能，檢測系統(tǒng)與電源控制板通信功能以及差分控制電壓輸出功能，由此設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)總體方案如圖3所示。檢測系統(tǒng)主控芯片選用單片機(jī)STM32F103，最高72 MHz工作頻率，具有豐富的外設(shè)資源，串行單線調(diào)試接口，多達(dá)8個(gè)定時(shí)器，2個(gè)SPI接口，DAC模塊是12位數(shù)字輸入，電壓輸出型的DAC。232單元實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)與電源控制板通信功能，獲取電源控制板相關(guān)的電源控制參數(shù)；ADS8681芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊核心器件，ADS8681是一種集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于16位逐次逼近(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，工作吞吐率為1MSPS。

檢測系統(tǒng)獲取檢測使能信號(hào)后，開始進(jìn)行檢測功能，利用TIM3定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)對采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，輸出差分控制電壓控制數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)通過引腳向電源控制板輸出放電狀態(tài)信號(hào)。

2 檢測系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在數(shù)據(jù)采集模塊，極間信號(hào)處理路徑如圖4所示，極間電壓信號(hào)X1經(jīng)過阻抗檢測電路實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的濾波處理，處理后的信號(hào)X2經(jīng)過阻容低通濾波器后利用隔離運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，利用運(yùn)算放大器將信號(hào)X4作為ADS8681芯片輸入信號(hào)，利用STM32自帶SPI實(shí)現(xiàn)與ADS8681通信，用于獲取數(shù)據(jù)采集芯片采集到的電壓數(shù)據(jù)結(jié)果。STM32與ADS8681之間的引腳接口圖如圖5所示。數(shù)據(jù)傳輸過程，STM32作為主機(jī)，ADS8681作為從機(jī)，主機(jī)通過向它的SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器通過MOSI信號(hào)線將字節(jié)傳送給從機(jī)，從機(jī)也將自己的移位寄存器中的內(nèi)容通過MISO信號(hào)線返回給主機(jī)。

2.2 串口通信模塊

串口通信的功能是實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)與機(jī)床電源控制板通信，電源控制板將脈沖參數(shù)如占空比等參數(shù)發(fā)送給檢測系統(tǒng)，同時(shí)檢測系統(tǒng)將閾值等信息發(fā)送給電源控制板。串口通信模塊采用金升陽TD301D232H，可將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232的電平，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，可以方便嵌入用戶設(shè)備，使設(shè)備輕松實(shí)現(xiàn)RS232協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的連接功能。串口通信模塊電路原理圖如圖6所示。

串口通信的協(xié)議約定如表1，以0×FF作為起始標(biāo)志，起始標(biāo)志后連續(xù)9個(gè)字節(jié)包含檢測系統(tǒng)與電源控制板之間通信的數(shù)據(jù)。串口中斷服務(wù)函數(shù)流程圖如圖7所示，當(dāng)檢測板發(fā)送串口接收中斷時(shí)，判斷是否為開始標(biāo)志，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，當(dāng)接收完一組數(shù)據(jù)之后，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給電源控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，當(dāng)電源控制板單獨(dú)發(fā)送0×01確認(rèn)字符給檢測系統(tǒng)時(shí)，標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸無誤，此時(shí)檢測系統(tǒng)將存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)。

2.3 DAC輸出模塊

DAC輸出電路原理圖如圖8所示，利用OPA237UA運(yùn)算放大器將STM32芯片的DAC輸出信號(hào)放大后作為信號(hào)調(diào)理模塊TF6550GN模塊的輸入，該模塊前級為單極信號(hào)輸入，后級為雙極信號(hào)輸出的有源隔離模塊。通過DAC輸出電路，可得到-10 V ～ +10 V 差分控制電壓，用于控制數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給和回退。

3 程序設(shè)計(jì)及控制策略分析

3.1 檢測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，檢測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖9所示，主函數(shù)、232中斷函數(shù)定時(shí)器中斷函數(shù)分別處理不同的任務(wù)。單片機(jī)STM32的主要功能是完成串口通信、數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)輸出等。系統(tǒng)軟件基于KeilμVision5開發(fā)系統(tǒng)利用C語言完成，包含主程序和子程序，主程序流程圖如圖10所示。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

3.2 控制策略分析

為實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工高效高質(zhì)量加工，對電火花不同狀態(tài)下數(shù)控系統(tǒng)軸的進(jìn)給方向進(jìn)行區(qū)分，提出不同的控制策略。如表2所示，當(dāng)軸在進(jìn)給過程中是開路時(shí)，則需要加速進(jìn)給，直到發(fā)生放電；出現(xiàn)放電狀態(tài)時(shí)可采取快減速或慢加速，采取前者是由于蝕除速度較慢，防止發(fā)生短路，采取后者是為了提高加工效率；前進(jìn)中出現(xiàn)短路時(shí)應(yīng)當(dāng)快減速，直至短路消失；當(dāng)軸在回退過程中為開路時(shí)，采取快加速模式，直至軸停止；若回退中發(fā)生放電，由于放電間隙會(huì)存在電蝕產(chǎn)物造成虛假短路的情況，且軸的控制會(huì)滯后，采取快加速讓軸停止，然后加速進(jìn)給到一定速度開始加工；回退中出現(xiàn)短路時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前速度是否達(dá)到最小設(shè)定速度，若已經(jīng)達(dá)到最小速度，則逐步增速到其半速回退，等待狀態(tài)改變。

表2 控制策略表

在微細(xì)電火花放電加工過程中的狀態(tài)判斷程序流程圖如圖11所示，由STM32利用SPI讀取數(shù)據(jù)采集結(jié)果，并將結(jié)果進(jìn)行累加，達(dá)到一定數(shù)量后求其平均值，利用平均值與閾值進(jìn)行比較的到極間放電狀態(tài)，根據(jù)控制策略表中的方案結(jié)合狀態(tài)和數(shù)控系統(tǒng)軸的進(jìn)給方向選擇不同的控制策略，輸出控制信號(hào)，控制數(shù)控系統(tǒng)軸的進(jìn)給。

4 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的正確性和控制策略的準(zhǔn)確性，開展了檢測系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)，利用示波器觀察極間電壓和DAC輸出的差分控制信號(hào)。如圖12所示，在極間狀態(tài)從開路到短路時(shí)，DAC輸出模塊電壓從正向變?yōu)樨?fù)向，此時(shí)數(shù)控軸回退。在圖13中，極間出現(xiàn)持續(xù)開路，此時(shí)DAC輸出模塊電壓以固定量增加，此時(shí)數(shù)控軸加速前進(jìn)，提高數(shù)控軸行程效率。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的間隙平均電壓檢測法的靈敏度和閾值設(shè)置準(zhǔn)確性會(huì)受到脈沖參數(shù)調(diào)整的影響的問題，提出了以極間通道阻抗變化導(dǎo)致的電壓波動(dòng)為檢測對象來表征放電狀態(tài)的檢測方法。通過配置一個(gè)恒壓直流電源，經(jīng)電阻分壓限流后輸出到正負(fù)兩極之間，由極間阻抗的變化導(dǎo)致分壓值的突降變化，再由檢測電路捕捉該變化，從而判斷放電狀態(tài)。對檢測電路原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)基于STM32F103芯片的檢測檢測系統(tǒng)，并利用Altium Designer進(jìn)行PCB硬件設(shè)計(jì)，包含通信、濾波、信號(hào)采集、DAC輸出等電路，同時(shí)利用KeilμVision5完成檢測控制程序算法設(shè)計(jì)。經(jīng)過測試可應(yīng)用于微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測，以提高微細(xì)電火花加工質(zhì)量和加工效率。