电火花放电间隙状态检测方法及工作原理

时间：2020-01-05

电火花放电间隙状态检测方法及工作原理

实现电火花加工，（中走丝线切割电火花中走丝线切割）

**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。研究电火花加工过程单个脉冲波形的“时态”有五种基本形态，即正常火花放电、过渡电弧(可恢复性不稳定电弧)、稳定电弧、短路、开路(空载)。它们的特点是： (1) 正常火花放电：放电期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。

(2) 过渡电弧：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(本文不考虑这一状态)。 (3) 稳定电弧(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，这时工具电极及工件表面都会形成局部凸包或凹坑，电压及电流波形都很光滑，形成烧弧后，如不擦除黑斑，加工过程不可能自行恢复正常。

(4) 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。 (5) 开路：间隙加工介质没有被击穿。为了清晰地描述放电间隙状态，文中给出的间隙状态图是经过处理的。在实际电火花加工过程中，这五种类型都可能出现，甚至在一个脉冲单元中同时出现。短路、开路的情况好区别，本文不作详细说明。正常火花放电和稳定电弧放电这两种状态的电压、电流幅值特征较接近，如仅用电压和电流的幅值来区分是较困难的，因为它们的间隙电压和电流幅值差别小，而且随着工艺规准的变化还在一定范围内波动。 70年代以来的检测技术主要有两种：高频检测法和击穿延时法。由于光电技术的引入，我们采用新的方法——设置门槛电压法。从检测放电间隙电压入手，应用光电耦合器屏蔽干扰，采集信息接入 PC 机处理。

3 电火花放电间隙状态检测方法及工作原理 3.1 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。 3.2 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。 3.3 设置门槛电压法从前面放电间隙状态鉴别中可看到，正常火花放电与稳定电弧放电的单个脉冲是在实验室里被较精密的仪器测出来的。在实际应用中会出现各种干扰，正常火花放电和稳定电弧放电的电压、电流特性相似，难以区分。而且，即便被测到也没有标准可让计算机识别。采用设置门槛电压法可解决这个问题。设置一个参考电压，介于电弧放电与火花放电之间。用放大器线性方法检测火花放电和电弧放电的电压值，利用光电耦合器使它们呈现正比关系。在正常放电电压时，光电耦合器(GD)基本处于截止，在电弧放电时基本处于饱和。如图 4 所示设置参考电平 Uref1。设置门槛电压法由此得名。由于光电耦合器的作用，不仅是正常火花放电和稳定电弧放电的判别变得简单，电路简化，还可大大抑制电路干扰，将机床强电系统与数字系统*隔离分开。

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