模具之家讯：1 引言 电火花加工 (EDM) 因其独特的优点和在模具制造中举足轻重的作用，使其加工过程控制最优化与加工设备智能化成为科技工作者的主攻方向之一。 智能控制的概念最早出现于60年代。智能控制系统具有自学习和自适应能力，能自主地调节自己的控制结构、参数方
1 引言
电火花加工 (EDM) 因其独特的优点和在模具制造中举足轻重的作用，使其加工过程控制最优化与加工设备智能化成为科技工作者的主攻方向之一。
智能控制的概念最早出现于60年代。智能控制系统具有自学习和自适应能力，能自主地调节自己的控制结构、参数方法，进行决策规划或广义问题求解，以完成任务。加工过程智能控制目前主要包括三个方面：(1) 专家控制；(2) 模糊控制；(3) 神经网络控制。
智能控制实质上是一种预测控制——预测模型、滚动优化和反馈校正。它把电火花加工控制从严格的数学模型束缚中解脱出来，将过程作为“黑箱”处理，完全撇开对系统的内部描述，用隶属函数来刻画和描述定性信息，达到模拟熟练操作者的思维方式，根据当前的加工状态和前一次的抉择来调整参数，进而实现提高加工效率和稳定加工过程的目的。因此，首要解决前提问题——“黑箱”的输入参数和输出参数是什么，以及需检测和控制什么参量，必须结合电火花加工的特殊工艺规律来决定。
进一步的研究表明，主轴伺服进给、电机提升(抬刀)、放电间隙调节是 EDM 的主要控制量。事实上至今 EDM 激励也没有令人满意的解释，对EDM 放电间隙状态的检测是 EDM 智能控制不可回避的难点。所以必须应用新的先进技术得到准确的放电间隙情况，给研究和实现 EDM 过程的智能控制提供前置技术支撑。
2 电火花加工过程的控制和间隙放电状态的鉴别
众所周知，电火花放电加工时，放电须是短时间的脉冲放电。持续时间一般为10-6～10-3s。如放电时间等于或大于10-2s，则转变为电弧放电，从而使加工不能正常进行。因此要实时地在微秒级或毫秒级对众多复杂的变化因素进行检测并加以控制。
电火花加工过程控制的目标是：(1) 确保避免电弧放电损伤工件，保持稳定的加工状态；(2) 满足加工表面粗糙度、精度等各种规格的参数；(3) 尽可能满足高速加工的要求。因此首先遇到的问题就是要有高灵敏度的 EDM 自动控制单元。
与其他传统加工方法相比，电火花加工过程是一个较慢的过程，因此它的控制目标函数就是在保证表面质量和加工精度的条件下，以最短的加工时间(最快的加工速度)来实现。电火花加工控制系统结构框图如图1所示。
图1 电火花加工控制系统结构框图
实现电火花加工，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。见图2。
图2 正常火花放电电压、电流波形图
(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。见图3。
图3 稳定电弧放电电压、电流波形图
(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。
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