静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测方法及其电路设计 【技术领域】
本发明涉及微细电火花加工的伺服控制，解决静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测问题，具体涉及一种静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测方法及其电路设计。
技术背景
该专利的提出来源于国家自然科学基金项目“基于静电感应的微细电火花加工新方法的研究”(50775056)。在微细电火花加工中，常用的电源为RC脉冲电源，哈尔滨工业大学的杨晓冬和日本东京农工大学的国枝正典提出了基于静电感应的微细电火花加工新方法。基于静电感应原理的微细电火花加工方法采用了与目前的电火花加工完全不同的给电方式。它在输入电源与工具电极之间增加一个给电电极，利用静电感应以非接触的方式给工具电极供电。在给电电极和工具电极之间保持一定的距离，以保证它们之间不发生放电，这样在给电电极和工具电极之间就不会发生电荷的移动，只在工具电极和工件之间通过放电发生电子的移动。该放电回路中，在给电电极和工具电极之间虽然有变位电流通过，但是没有传导电流通过，因此可以完全避免回路中分布电容的不利影响。放电能量仅由给电电极和工具电极之间、及工具电极和工件之间形成的静电容量来决定，与以往的由分布电容来决定最小极限放电能量的微细电火花加工相比，能够实现更加微细的加工。
图1是静电感应给电的放电回路与RC脉冲电源放电回路的对比。图a)为RC回路，其中C为用来进行充电和放电的电容器，工具电极与输入电源之间具有直接连接的回路。图b)为静电感应非接触给电的回路，它增加了一个给电电极，而且工具电极分为两部分，分别是与给电电极进行静电感应的给电部分和进行放电加工的先端部分，给电电极与工具电极的给电部分非接触地对置，工具电极与输入电源之间没有直接连接的回路。如果把给电电极和工具电极之间形成的静电容量视为C1，把工具电极和工件之间形成的静电容量视为C2，则可以看到静电感应非接触给电方式与传统的RC脉冲电源放电回路完全不同，其实质相当于多层电容原理。由于在微细电火花加工中工具加工端的面积和给电电极的面积之比相差很大，这样在感应电荷相等的情况下，电极加工端的电荷密度更大，电场强度更强，更容易击穿介质而发生放电。并且可以看到，本方法并不排除工具电极和工件之间静电容量的影响(该静电容量也是分布电容之一)，而是利用工具电极和工件之间充电后所储存的微小电荷放电来进行加工。
静电感应非接触给电方式除了能避免分布电容的不利影响之外，它的另外一个特点在于它使主轴系统从结构上根本去除了电刷，有利于降低主轴振动，提高主轴回转精度，从而有利于进一步提高电火花加工的微细化程度。因为在微细电火花加工中，为了促进极间的排屑，需要让工具电极进行高速旋转，微细轴和微细孔的微细程度在很大程度上也取决于主轴回转精度的影响。目前的主轴系统采用的都是电刷给电，它属于接触式给电，电刷和配电线直接作用在旋转的主轴上，将使主轴在高速旋转时产生附加振动，另外元件的发热、磨损和接触不良都将降低主轴回转精度。近年来，尽管在高精度的回转主轴的结构设计中，采用了静压轴承和磁轴承等先进的技术，但是给电的实现仍很困难，且主轴的振动问题不易解决。因此，主轴回转精度能否进一步提高也成为制约微细电火花加工进一步发展的关键问题之一。基于静电感应原理的给电方式是以非接触的方式给工具电极供给能量，与主轴没有接点和作用力，不仅可以很容易地对高速旋转主轴进行供电，而且能够有效地降低主轴振动，避免了电刷接触式给电的缺点，能提高主轴地回转精度，并有利于采用静压轴承和磁轴承等先进的技术，因此有利于进一步提高微细电火花加工的微细化程度。
为实现静电感应微细电火花加工加工过程的自动控制，必须实现间隙控制的伺服化，因此极间状态的检测是必要的。极间状态的检测有各种方法，其中平均电压检测法的输出只与加工时的工作电压相关，所需电路较为简单，在伺服控制的过程中，只需设置不同的门槛电压就可以容易的区分出各种不同的放电状态，识别出不同的放电状态后伺服控制系统控制主轴(或工作台)进给或回退，从而得到合适的加工间隙。为了得到有关极间电压信号，需要从主轴上和工件上引出两根电压检测线。一般是使用电刷从旋转主轴上获得极间电压信号，即接触式极间电压检测方法。
但是，在静电感应微细电火花加工方法中采用的是非接触的给电方式，检测线无法直接连接到高速旋转的主轴上，为此本专利申请提出一种基于电容分压原理的非接触极间电压检测方法，解决了静电感应给电方式下高速旋转主轴与工件之间的极间电压的测量问题。同时所设计的非接触极间电压检测回路对放电回路的影响小，极间放电能量流失少，有利于实现微小放电能量下的微细电火花加工的伺服控制。
【发明内容】
本发明的目的是提出一种用于实现静电感应微细电火花加工伺服控制的非接触极间电压检测方法，并对其检测电路进行具体设计。
本发明提出的用于静电感应微细电火花加工伺服控制的极间电压检测方法，包括以下几个步骤：
(a)首先在旋转电极或旋转主轴上空套导电金属环，导电金属环与旋转电极形成电容C1，该导电金属环作为给电电极；
(b)旋转电极与工件之间的等效电容为C2，在给电电极与工件之间施加方波电源电压；
(c)在旋转电极上空套另外一个导电金属环，此导电金属环与旋转电极形成电容C3，该导电金属环作为测量电极；
(d)导电金属环上再连接匹配电容C4，匹配电容C4的另一端连接工件；
(e)匹配电容C4与电容分压式极间电压检测回路(即基于电容分压原理的非接触极间电压检测回路，此处简称为电容分压式极间电压检测回路)并联，该电容分压式极间电压检测回路的输出电压与极间电压呈正比关系；
(f)极间电压的大小反映电极与工件之间的距离，即加工间隙的大小，而电容分压式极间电压检测回路的输出电压又与极间电压成正比，故电容分压式极间电压检测回路的输出电压能反映加工间隙，通过检测电容分压式极间电压检测回路的输出电压即可达到检测加工间隙的目的；将该检测回路的输出电压送给控制系统再反馈给主轴伺服电机或步进电机以控制主轴的进给或回退，最终达到控制加工间隙的目的。方波电源和电容C1、C2组成一串联回路、且给电电极对旋转电极进行非接触给电。测量电极与旋转电极非接触，电容C3、C4串联，且C3、C4组成的支路与极间等效电容C2并联。电容C2、C3、C4上的电压分别为V2、V3、V4，根据串联和并联电路电容分压原理，存在如下关系式：
V4=V2C2C3+C4]]>
而V2正是极间电压，V4为匹配电容C4上的电压，同时也是电容分压式极间电压检测回路的输入电压。所述检测电容电压电路的特征在于输出电压与输入电压成正比。可以通过调节匹配电容C4以任意调节匹配电容C4上的电压V4，即可以任意调节电容分压式极间电压检测回路的输入电压，使检测电路在加工电参数变化范围较大和极间电压急剧变化下的情况下仍然能在工作电压范围内正常工作。电容分压式极间电压检测回路所用运算放大器为双电源供电、等效输入内阻至少为10MΩ、高频响应好的运算放大器。电容分压式极间电压检测回路的等效输入电阻约为10MΩ。若整个检测电路的等效输入电阻过大(远大于10MΩ)，须在匹配电容旁并联一个10MΩ的电阻以调节整个电路的等效输入电阻。
本发明对非接触极间电压检测电路进行了设计，它是整个极间放电状态检测识别系统的输入级。该非接触式极间电压检测方法应用于微细电火花加工伺服控制的原理框图如图2所示。极间放电状态检测识别系统输入级的作用是将极间的高电压信号按比例缩小为模拟电路或数字电路可以运算的低电压信号，该信号送给后续的电路处理(采用平均间隙电压检测法时后续处理就是绝对值化和滤波)以实现对极间放电状态的判断，并基于此实现电极的进给和回退。
与传统的接触式检测电路相比，本发明具有如下特点：
(1)基于电容分压原理(传统接触式检测电路采用的电阻分压原理)；
(2)是非接触式的极间电压检测方法，解决了静电感应给电方式下高速旋转主轴与工件之间的极间电压的测量问题，并有利于提高主轴回转精度；
(3)对极间状态影响小：可用于极微细情况下静电感应微细电火花加工(传统接触式检测电路对极间状态影响较大，能量流失严重，无法进行极微小放电能量情况下微细电火花加工的伺服控制)；
(4)完整采得极间电压，适应性广，可作为各类极间放电状态判别回路的输入级。传统的接触式极间放电状态检测方法有平均间隙电压检测法、高频分量检测法、击穿延时法、基于模糊逻辑理论的放电状态检测方法、基于人工神经网络的间隙状态检测法等等，其输入级都是基于电阻分压原理采得与极间电压成比例的模拟电压信号，将本发明代替上述各类极间放电状态判别回路的输入级，即可实现上述各类检测方法的非接触检测与极间放电状态判别。
非接触极间电压检测方法的创新性在于其输入级采用的是取电容电压回路，该方法基于电容分压原理，首先在硬件的设计上如图3a)所示，将一个环状测量电极与工具电极非接触地相对设置，该环状测量电极作为非接触电压测量探针，为了保证检测电路的输入电压工作在运算放大器的允许工作电压范围内，在图3的C4处特意接入一个匹配电容，图3b)为其等效电路。图3中C1为给电电极和工具电极之间形成的静电容量，C2为工具电极和工件之间形成的静电容量，C3为测量电极和工具电极之间形成的静电容量，此处C4视为匹配电容与检测回路的等效电容的合成容量。由于静电感应微细电火花加工使用的是方波电源，所以不论是否发生放电，都是交变信号，电容上都能分得电压。C1、C2、C3、C4两端的电压分别为V1、V2、V3、V4，由电容分压原理可知下式成立：
V4=V2C2C3+C4]]>(式1)
可见检测电路的输入电压V4与极间电压V2成线性比例，如果在检测电路的输入级采用比例运算电路或电压跟随器，则检测电路输入级的输出电压Vout也将与极间电压V2成线性比例，故可以保证运算放大器的输出能反映极间电压的变化，因此电容分压式的检测方法在理论上是可行的。在
在非接触极间电压检测方法中C4起着非常重要的作用，其目的是为了调节该电容分压方法的分压比例系数：一般情况下，微细电火花加工的极间电压V2为零至上百伏不等，采用不同的加工规准，极间电压变化范围的差别也极大，而检测电路输入级的运算放大器的输入电压一般只能工作在(-15V，+15V)范围内，同时为使检测电路的测量更准确，输入电压V4的幅值最好在满测量量程的三分之二左右波动，即V4的幅值波动最好在10V附近，为此，通过调节匹配电容可以调节C4，因而可调节C3和C4之间的比例，从而很方便地实现对V4的调节。
基于电容分压原理的电路要比基于电阻分压原理的电路复杂，总的来说只要保证整个检测电路的等效输入电阻约为10MΩ，即可实现非接触式极间电压的检测。根据图3可知，为了保证检测回路输出Vout和极间电压V2成比例，且在极微小能量下放电检测回路极微小能量下仍能正常工作，在实际的电路设计中还必须保证整个检测电路的输入等效电阻Rin要适当大，一般要求等效输入电阻Rin至少为10MΩ。图4是所设计的非接触极间电压检测回路输入级的实际回路。图4(a)采用的是仪表放大器电路，图4(b)采用的是电压跟随器电路。不管采取哪种电路，目的都是为了使检测电路输入级的等效输入电阻Rin＝∞，当然，若有其它可满足等效输入电阻Rin＝∞的电路也可以采用。当图4中的运算放大器双电源工作的运算放大器，一般选择以场效应管作输入级的运算放大器，由于此类运放等效输入阻抗一般大于109Ω，则可以认为检测电路输入级的等效输入电阻Rin＝∞。但是，当Rin过大时，检测回路仍然无法正常运行，因此本发明在电路的设计中增加了10MΩ的匹配电阻Rc，其作用是调节等效回路中的电阻，使得检测回路时刻都能在电容C4上采得交变电流(不为零)和交变电压信号。图5所示的波形显示了匹配电阻Rc的作用，当电路中没有接入匹配电阻Rc时，检测回路无法输出正确的检测波形(图5(a)和(c))，电路中接入匹配电阻Rc后，检测回路输出的波形可以正确地反应极间状态(图5(b)和(d))。
此外，静电感应微细电火花加工是双极性放电，通过在极间并联一个高速开关二极管可实现正极性放电(工件为正，电极为负)，以减少电极损耗。针对单极性静电感应微细电火花加工的伺服控制，如图6所示，本发明提出在极间并联一个高速开关二极管的同时与匹配电容C4旁也并联一个高速开关二极管并取代匹配电阻Rc的方法，因为二极管反向截止时它的电阻也接近10MΩ，此时它的作用就相当于图4中的匹配电阻Rc。
【附图说明】
●图1静电感应给电与RC放电回路的对比：图(a)为RC放电回路，给电方式为电刷接触式给电，图(b)为静电感应给电放电回路，其给电方式为电容耦合的非接触给电。
●图2基于非接触检测的微细电火花加工系统原理框图，虚线框内部分为本专利内容。
●图3非接触极间电压检测原理图：图(a)为结构示意图，图(b)为等效电路图。
●图4双极性放电检测回路的输入级：图(a)为仪表放大器型输入级，图(b)为电压跟随器型输入级。
●图5匹配电阻的作用：图(a)和(c)为无匹配电阻情况下的开路和放电波形，图(b)和(d)为有匹配电阻情况下的开路和放电波形，4个图中CH1均为极间电压波形，CH2均为检测电路输出电压波形。
●图6单极性放电检测回路的输入级：图(a)为仪表放大器型输入级，图(b)为电压跟随器型输入级。
●图7双极性放电极间电压波形及检测回路输出电压波形：图(a)为开路波形，图(b)为放电波形，2个图中CH1均为极间电压波形，CH2均为检测电路输出电压波形。
●图8单极性放电极间电压波形及检测回路输出电压波形：图(a)为开路波形，图(b)为放电波形，2个图中CH1均为极间电压波形，CH2均为检测电路输出电压波形。
●图9基于非接触检测的微细电火花加工伺服控制系统原理框图。
●图10接触式检测电路对极间电压的影响：CH1为极间开路电压波形，CH3为极间开路电流波形。
具体实施例
图7为采用图4(a)所示的双极性放电检测电路进行测量时得到的极间电压波形及检测回路输出波形，图中上半部的Ch1为极间电压波形，下半部的Ch2为检测回路输出波形。图7(a)为开路时的波形，图7(b)为放电时的波形。实验条件为：C1＝27pF，C4＝82pF，R1＝50kΩ，R2＝R3＝R4＝R5＝20kΩ，R6＝R7＝10kΩ。出于实验验证的目的并考虑到实验方便，实验中C3用购买的电容代替，C3＝27pF，该容量与采用非接触测量电极时测量电极和工具电极之间形成的实际静电容量值相当，电极直径为材料为碳钨合金。
此时为双极性放电，故极间电压波形在电压零线上下两侧出现；并且由于在图4(a)所示的检测电路的运算放大器中，前两个运放为正相输入，第三个运放为反相输入，故检测电路的输出为反相，从图7可以看出极间电压波形和检测电路输出波形两者成比例，且同步变化，故该检测电路能真实反映极间状态。
图8为采用图6(a)所示的单极性放电检测电路进行测量时得到的极间电压波形及检测回路输出波形，图中上半部的Ch1为极间电压波形，下半部的Ch2为检测回路输出波形。图8(a)为开路时的波形，图8(b)为放电时的波形。实验条件为：C1＝27pF，C4＝82pF，R1＝50kΩ，R2＝R3＝R4＝R5＝20kΩ，R6＝R7＝10kΩ。出于实验验证的目的并考虑到实验方便，实验中C3用购买的电容代替，C3＝27pF，该容量与采用非接触测量电极时测量电极和工具电极之间形成的实际静电容量值相当，电极直径为材料为碳钨合金。
此时为单极性放电，故极间电压波形只在电压零线单侧出现；并且由于在图6(a)所示的检测电路的运算放大器中，前两个运放为正相输入，第三个运放为反相输入，故检测电路的输出为反相，从图8可以看出极间电压波形和检测电路输出波形两者成比例，且同步变化，故该检测电路能真实反映极间状态。
图9为该非接触检测方法应用于微细电火花加工系统的工作原理图。极间放电状态判别采用的是平均间隙电压检测法，通过非接触极间电压检测回路测得的极间电压被成比例地缩放至模拟或数字电路的工作电压范围内，然后送给后续的绝对值电路和滤波电路，实现平均极间电压的输出，从采得极间电压到平均极间电压的输出(滤波电路的输出)整个过程所经过的电路称为平均极间电压检测回路，平均极间电压检测方法是原理最简单同时也较为实用的检测方法，由于电火花放电时，极间电压的大小反应极间间隙的大小，伺服参考电压一般将其设为正常电火花放电时的检测回路输出的平均极间电压，此值反应正常电火花放电时平均极间间隙的大小，通过实时检测到的平均极间电压与伺服参考电压作比较，将其差值送给伺服进给控制回路，再驱动步进电机(或伺服电机)，从而控制主轴的进给和回退，达到时刻维持正常电火花放电，达到自动控制进行微细电火花加工的目的。
相对于传统的接触式极间电压检测法而言，非接触极间电压检测回路对放电回路的影响小，极间能量流失少，有利于实现微小放电能量下的微细电火花加工的伺服控制。图10为采用传统的接触式极间电压检测法的测量波形，给电容量C1＝27pF。图10中Ch1为极间开路电压波形，Ch3为电流波形，从图中Ch1波形可看出，极间电压刚上升就快速下降，能量流失严重，显然此时已经不能进行放电加工。相比之下，采用非接触极间电压检测方法时，极间开路电压上升到幅值之后虽然也存在下降趋势但非常缓慢(图7(a)和8(a)所示)，能量几乎没有流失，从而保证了微小放电能量下也能进行静电感应微细电火花加工的伺服控制。