电火花加工间隙状态的鉴别与检测方法

毕业论文（设计）

课题名称电火花加工间隙状态的鉴别与检测方法

目录

摘要 (2)

关键词 (2)

引言 (3)

一、高频检测法 (4)

二、击穿延时法 (5)

三、间隙电压(电流)的检测法 (5)

四、放电间隙状态的识别 (6)

（一）传统识别方法 (6)

（二）智能识别方法 (6)

结论 (9)

参考文献 (9)

电火花加工间隙状态的鉴别与检测方法

摘要

现代工业控制已进入到智能控制阶段，为了获得被控对象准确的工作情况并对其进行控制，它要求更先进的检测作为前置支撑技术。本文简要介绍了电火花间隙放电的状态分类和特征，电火花加工间隙常见检测方法以及检测间隙电压(电流)的常见电路。对放电状态的识别方法进行了总结，主要包括传统识别方法和智能识别方法(模糊法、神经网络法、模糊神经法、小波分析法等)，指出了其优缺点。对放电间隙检测与识别技术的发展方向进行了展望。

关键词

电火花加工；间隙电压(电流)法；间隙检测；放电状态识别

引言

实现电火花的加工，必须使工具电极和工件间维持合理的距离，在该距离范围内，既可满足脉冲电压不断的击穿介质，产生火花放电，又可适应在火花通道熄灭后介质消电离（消除电离子影响）及排出蚀除产物的要求。这段距离称之为“加工间隙”或“放电间隙”。间隙是否合理，受到脉冲电压、火花通道的能量及介质的介电系数等因素的制约。一般情况下，电火花加工的放电间隙在数微米到数百微米范围内。且在一定时间范围内脉冲放电集中在某一区域；在另一段时间内，则应转移到另一区域。只有如此，才能避免积碳现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。因此，放电间隙是控制的主要对象。目前在许多机床上采用间隙电压作为反映间隙大小的传感信号，当间隙偏大时，由于短路和短的击穿延时，U 值也小。无论如何，随着间隙电压的增加，放电间隙也增大。这样，加工过程中不可连续测量的放电间隙大小就可用连续测量加工间隙电压的方法来获得。但是，间隙电压与其它控制参数之间的交互作用很大。因此准确检测电火花放电间隙状态已成为不可回避的问题。

电火花放电状态可分为开路、正常火花放电、过渡电弧放电、稳定电弧放电和短路五种放电状态（如图1），这五种放电状态具有以下特征：

(一) 开路。间隙加工介质没有被击穿。

(二) 正常火花放电。放电瞬间放电电压波形上有高频杂波分量出现，峰值大，有击穿延时现象。而在形成火花放电过程中电压电流波形平直规律性整齐。

(三) 稳定电弧放电（不可恢复烧伤性稳定电弧）：在间隙放电条件恶劣的情况下，如深孔加工时，稳定电弧形成而烧伤工件，这时工具及工件表面都会形成局部凸包或凹坑。产生稳定电弧时，其电压波形及电流波形都很平滑，形成烧弧后，如果不擦除黑斑，加工过程不可能自行恢复正常。

(四) 过渡电弧放电。放电期间放电电压波形上，高频杂波分量几乎没有，击穿延时也不明显，波形无规律。这种波形可通过伺服控制恢复为正常火花放电，也可因间隙状态变化而自行恢复为正常火花放电。因此它是作为理论研究提出的，实际加工控制过程中不需要专门测量。

(五) 短路。电压很低，电流波形光滑。虽然短路本身不蚀除工件，也不损伤电极，但在短路处造成了一个热点，当短路消除时易引发拉弧。

图1 5种放电波形

具体到不同电火花加工研究子领域应用时，根据具体情况分类稍有不同，如高速走丝线切割电火花加工中，电弧出现的情况很少，所以一般把放电状态分成空载、火花放电和短路三种情况。还有一些研究人员把五种放电状态合并为空载、火花放电和非正常放电这三种状态等。可以从五种放电状态的电参数特征，包括间隙电压高低、间隙电流大小，是否有延迟击穿现象、是否有高频分量、间隙电导大小以及检测放电时的声频信号等，来区分这五种放电状态。

实际加工过程中，由于放电参数的设置不同以及放电过程随机性等因素的存在，使得每次放电状态的波形形状不一，放电状态交替出现的时间比例，差别很大，有时在一个脉冲中就出现多种放电状态，所以根据一个采样点或一个脉冲很难确定其加工状态。因此对极间放电状态的检测，需采用统计方法，以一组脉冲为单位，分析、比较统计数据，从而达到能够从宏观上把握放电状态及其变化规律。

常用的间隙状态检测方法有平均电压检测、峰值电压检测以及高频检测和击穿延时检测等。这些方法有着各自的优缺点，本文简单介绍高频检测法和击穿延时检测法，重点介绍间隙电压(电流)法。

一、高频检测法

高频检测法是通过间隙电压上高频分量的检测来区分火花放电与电弧放电。在火花放电时，间隙电压存在着强而稳定的高频分量(频率从几兆到几十兆)；而电弧放电时，间隙电压的高频分量很弱，甚至不存在。因此可将间隙电压上的高频信号进行提取、放大、比较，作为区分火花放电和电弧放电的依据。这种方法不仅可区分火花放电和电弧放电，还可将电弧放电进一步区分为稳定电弧放电或是过渡电弧放电，但难以对单个脉冲的放电状态进行判断，且电路复杂、稳定性较差。

二、击穿延时法

击穿延时法是根据火花放电时存在一定的击穿延时时间，而电弧放电时一般没有击穿延时时间而设计的。尽管它不能区分过渡电弧放电与稳定电弧放电，并且对单个脉冲内出现的放电状态转换不能有效地区分，但其优点是可对单个脉冲的放电状态进行判别，且检测电路为数字电路，抗干扰性及稳定性都很好，与电火花加工机床上的计算机控制系统连接也很方便。

三、间隙电压(电流)的检测法

检测间隙电压以及(或者)间隙电流，包括峰值电压(电流)或者平均电压(电流)，通过测取的间隙电压(电流)与特定加工状态下的各种放电状态的电压(电流)的比较，来判断电火花放电状态。这种方法检测间隙电压(电流)的手段比较简单，一般是将高间隙电压分压，来获得间隙电压的瞬时值，或者积分之后获得电压的平均值。为了防止干扰信号的引入，常利用光耦进行隔离。图2为常见的间隙电压法检测电路。

由R

1

与可变电位计来拾取间隙电压峰值，或者增加电容拾取间隙平均电压，增加稳压二级管提高间隙状态识别率，如图3所示。

其中电阻尺和电容C把经由R

1、R

2

衰减之后的脉冲电压信号转变为直流电压信号，即部

分间隙电压的平均值，稳压二极管Z起钳位作用，对间隙状态识别予于改善。

图2 间隙电压检测电路图图3 间隙平均电压检测电路图图2、3所示的电压检测电路简单好用，但是对于短路脉冲或者稳定电弧放电的反应灵敏度比较低，耿春明在此基础上提出间隙平均脉宽电压检测法。基本思路就是去除脉间阶段零电压对平均电压的影响，其检测基本思想是在拾取间隙信号时剔除脉冲间隔电压波形，结果相当于将一系列脉宽电压波形连接起来，然后滤波取其平均值作为检测出的电压信号。这样不仅使检出的平均电压值有了较大的增加，而且消除了间隙平均电压检测中脉冲占空比的影响。迟关心在此基础之上提出间隙脉宽电压数字平均检测法的改进方法，利用数字采样开关来测取间隙电压平均值，消除了由于模拟采样开关本身特性以及高频通断引入的