1 引言
　　電火花加工 (EDM) 因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和在模具制造中舉足輕重的作用程堤，使其加工過程控制最優(yōu)化與加工設(shè)備智能化成為科技工作者的主攻方向之一虐秦。

　　智能控制的概念最早出現(xiàn)于60年代晓殊。智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力府寒，能自主地調(diào)節(jié)自己的控制結(jié)構(gòu)魁衙、參數(shù)方法，進(jìn)行決策規(guī)劃或廣義問題求解株搔，以完成任務(wù)剖淀。加工過程智能控制目前主要包括三個(gè)方面：(1) 專家控制；(2) 模糊控制肌辑；(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制足渔。

　　智能控制實(shí)質(zhì)上是一種預(yù)測(cè)控制——預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正齿雕。它把電火花加工控制從嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型束縛中解脫出來条馍，將過程作為“黑箱”處理，完全撇開對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部描述赂相，用隸屬函數(shù)來刻畫和描述定性信息寓鳄，達(dá)到模擬熟練操作者的思維方式，根據(jù)當(dāng)前的加工狀態(tài)和前一次的抉擇來調(diào)整參數(shù)晋挑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高加工效率和穩(wěn)定加工過程的目的跛孕。因此，首要解決前提問題——“黑箱”的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)是什么肄寻，以及需檢測(cè)和控制什么參量舟鲁，必須結(jié)合電火花加工的特殊工藝規(guī)律來決定。

　　進(jìn)一步的研究表明串锁，主軸伺服進(jìn)給坡沿、電機(jī)提升(抬刀)、放電間隙調(diào)節(jié)是 EDM 的主要控制量钾埂。事實(shí)上至今 EDM 激勵(lì)也沒有令人滿意的解釋河闰，對(duì)EDM 放電間隙狀態(tài)的檢測(cè)是 EDM 智能控制不可回避的難點(diǎn)。所以必須應(yīng)用新的先進(jìn)技術(shù)得到準(zhǔn)確的放電間隙情況褥紫，給研究和實(shí)現(xiàn) EDM 過程的智能控制提供前置技術(shù)支撐姜性。

　　2 電火花加工過程的控制和間隙放電狀態(tài)的鑒別

　　眾所周知瞪慧，電火花放電加工時(shí)，放電須是短時(shí)間的脈沖放電部念。持續(xù)時(shí)間一般為10-6～10-3s弃酌。如放電時(shí)間等于或大于10-2s，則轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹娎芰叮瑥亩辜庸げ荒苷＿M(jìn)行妓湘。因此要實(shí)時(shí)地在微秒級(jí)或毫秒級(jí)對(duì)眾多復(fù)雜的變化因素進(jìn)行檢測(cè)并加以控制。

　　電火花加工過程控制的目標(biāo)是：(1) 確保避免電弧放電損傷工件乌询，保持穩(wěn)定的加工狀態(tài)多柑；(2) 滿足加工表面粗糙度、精度等各種規(guī)格的參數(shù)楣责；(3) 盡可能滿足高速加工的要求。因此首先遇到的問題就是要有高靈敏度的 EDM 自動(dòng)控制單元宋泊。

　　與其他傳統(tǒng)加工方法相比玻温，電火花加工過程是一個(gè)較慢的過程，因此它的控制目標(biāo)函數(shù)就是在保證表面質(zhì)量和加工精度的條件下湃改，以最短的加工時(shí)間(最快的加工速度)來實(shí)現(xiàn)级闭。

　　實(shí)現(xiàn)電火花加工，必須使工具電極和工件間維持合理的距離丧足，在該距離范圍內(nèi)本洁，既可滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電蜗胖，又可適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離(消除電離子影響)及排出蝕除產(chǎn)物的要求搔片。這段距離稱之為“加工間隙”或“放電間隙”。間隙是否合理袄雷，受到脈沖電壓脸缆、火花通道的能量及介質(zhì)的介電系數(shù)等因素的制約。一般情況下跑事，電火花加工的放電間隙在數(shù)微米到數(shù)百微米范圍內(nèi)别粮。且在一定時(shí)間范圍內(nèi)脈沖放電集中在某一區(qū)域；在另一段時(shí)間內(nèi)蛇耀，則應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域辩诞。只有如此，才能避免積碳現(xiàn)象纺涤，進(jìn)而避免發(fā)生電弧和局部燒傷译暂。因此，放電間隙是控制的主要對(duì)象洒琢。目前在許多機(jī)床上采用間隙電壓作為反映間隙大小的傳感信號(hào)秧秉，當(dāng)間隙偏大時(shí)褐桌，由于短路和短的擊穿延時(shí)，U值也小象迎。無論如何荧嵌，隨著間隙電壓的增加，放電間隙也增大砾淌。這樣啦撮，加工過程中不可連續(xù)測(cè)量的放電間隙大小就可用連續(xù)測(cè)量加工間隙電壓的方法來獲得。但是汪厨，間隙電壓與其它控制參數(shù)之間的交互作用很大例是。因此準(zhǔn)確檢測(cè)電火花放電間隙狀態(tài)已成為不可回避的問題。

　　研究電火花加工過程單個(gè)脈沖波形的“時(shí)態(tài)”有五種基本形態(tài)蛙檐，即正澈樱火花放電、過渡電弧(可恢復(fù)性不穩(wěn)定電弧)贪犁、穩(wěn)定電弧颜肥、短路、開路(空載)檀氏。它們的特點(diǎn)是：

　　(1) 正惩瞬蓿火花放電：放電期間放電電壓波形上有高頻雜波分量出現(xiàn)，峰值大纳帽，有擊穿延時(shí)現(xiàn)象寸颇。而在形成火花放電過程中，電壓電流波形平直挣呛，規(guī)律性整齊础健。　　

　　(2) 過渡電坏站馈：放電期間放電電壓波形上烦租，高頻雜波分量幾乎沒有，擊穿延時(shí)也不明顯除盏，波形無規(guī)律叉橱。這種波形可通過伺服控制恢復(fù)為正常火花放電者蠕，也可因間隙狀態(tài)變化而自行恢復(fù)為正城宰＃火花放電。因此它是作為理論研究提出的踱侣，實(shí)際加工控制過程中不需要專門測(cè)量(本文不考慮這一狀態(tài))粪小。

　　(3) 穩(wěn)定電弧(不可恢復(fù)燒傷性穩(wěn)定電弧)：在間隙放電條件惡劣的情況下，如深孔加工時(shí)抡句，穩(wěn)定電弧形成而燒傷工件探膊，這時(shí)工具電極及工件表面都會(huì)形成局部凸包或凹坑杠愧，電壓及電流波形都很光滑，形成燒弧后逞壁，如不擦除黑斑流济，加工過程不可能自行恢復(fù)正常≌洌　　

　　(4) 短路：電壓很低铆糙，電流波形光滑。雖然短路本身不蝕除工件丐闲，也不損傷電極械琴，但在短路處造成了一個(gè)熱點(diǎn)，當(dāng)短路消除時(shí)易引發(fā)拉弧索官。

　　(5) 開路：間隙加工介質(zhì)沒有被擊穿狰了。

　　為了清晰地描述放電間隙狀態(tài)，文中給出的間隙狀態(tài)圖是經(jīng)過處理的势瘤。在實(shí)際電火花加工過程中凯辆，這五種類型都可能出現(xiàn)，甚至在一個(gè)脈沖單元中同時(shí)出現(xiàn)接吠。短路、開路的情況好區(qū)別浑季，本文不作詳細(xì)說明缕圣。正常火花放電和穩(wěn)定電弧放電這兩種狀態(tài)的電壓俩莽、電流幅值特征較接近旺坠，如僅用電壓和電流的幅值來區(qū)分是較困難的，因?yàn)樗鼈兊拈g隙電壓和電流幅值差別小扮超，而且隨著工藝規(guī)準(zhǔn)的變化還在一定范圍內(nèi)波動(dòng)取刃。

　　70年代以來的檢測(cè)技術(shù)主要有兩種：高頻檢測(cè)法和擊穿延時(shí)法。由于光電技術(shù)的引入出刷，我們采用新的方法——設(shè)置門檻電壓法璧疗。從檢測(cè)放電間隙電壓入手，應(yīng)用光電耦合器屏蔽干擾馁龟，采集信息接入 PC 機(jī)處理崩侠。

　　3 電火花放電間隙狀態(tài)檢測(cè)方法及工作原理

　　3.1 高頻檢測(cè)法

　　高頻檢測(cè)法是通過間隙電壓上高頻分量的檢測(cè)來區(qū)分火花放電與電弧放電。在火花放電時(shí)坷檩，間隙電壓存在著強(qiáng)而穩(wěn)定的高頻分量(頻率從幾兆到幾十兆)却音；而電弧放電時(shí)，間隙電壓的高頻分量很弱矢炼，甚至不存在系瓢。因此可將間隙電壓上的高頻信號(hào)進(jìn)行提取阿纤、放大、比較撼由，作為區(qū)分火花放電和電弧放電的依據(jù)荡将。這種方法不僅可區(qū)分火花放電和電弧放電，還可將電弧放電進(jìn)一步區(qū)分為穩(wěn)定電弧放電或是過渡電弧放電左撤，但難以對(duì)單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)進(jìn)行判斷潭均，且電路復(fù)雜、穩(wěn)定性較差三二。

　　3.2 擊穿延時(shí)法

　　擊穿延時(shí)法是根據(jù)火花放電時(shí)存在一定的擊穿延時(shí)時(shí)間号找，而電弧放電時(shí)一般沒有擊穿延時(shí)時(shí)間而設(shè)計(jì)的。盡管它不能區(qū)分過渡電弧放電與穩(wěn)定電弧放電会刀，并且對(duì)單個(gè)脈沖內(nèi)出現(xiàn)的放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換不能有效地區(qū)分泥碳，但其優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)進(jìn)行判別，且檢測(cè)電路為數(shù)字電路掏绍，抗干擾性及穩(wěn)定性都很好泰牵，與電火花加工機(jī)床上的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接也很方便。

　　3.3 設(shè)置門檻電壓法

　　從前面放電間隙狀態(tài)鑒別中可看到译命，正辰嬉鳎火花放電與穩(wěn)定電弧放電的單個(gè)脈沖是在實(shí)驗(yàn)室里被極精密的儀器測(cè)出來的。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)各種干擾专甩，正持油遥火花放電和穩(wěn)定電弧放電的電壓、電流特性相似涤躲，難以區(qū)分棺耍。而且，即便被測(cè)到也沒有標(biāo)準(zhǔn)可讓計(jì)算機(jī)識(shí)別种樱。采用設(shè)置門檻電壓法可解決這個(gè)問題蒙袍。

　　設(shè)置一個(gè)參考電壓，介于電弧放電與火花放電之間嫩挤。用放大器線性方法檢測(cè)火花放電和電弧放電的電壓值害幅，利用光電耦合器使它們呈現(xiàn)正比關(guān)系。在正常放電電壓時(shí)岂昭，光電耦合器(GD)基本處于截止矫限，在電弧放電時(shí)基本處于飽和。設(shè)置門檻電壓法由此得名佩抹。由于光電耦合器的作用叼风，不僅是正常火花放電和穩(wěn)定電弧放電的判別變得簡(jiǎn)單飒晴，電路簡(jiǎn)化威众，還可大大抑制電路干擾财偶，將機(jī)床強(qiáng)電系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)完全隔離分開。

　　在光電耦合后輸出的波形

　　a——正澈吖桑火花放電脈沖輸出, b——電弧脈沖輸出

　　加工中课枉，放電兩極的脈沖電壓值很高，達(dá)幾十伏到幾百伏荧肴，必須預(yù)處理電路對(duì)間隙電壓分壓杆赃。將衰減后的間隙電壓通過光電隔離、運(yùn)算放大后再輸入到采樣電路中恃定。由于從安全角度考慮宣忧，電火花加工機(jī)床的一個(gè)電極接地，接地線又和交流電源的中線相通寞殿，因而除空間電磁場(chǎng)的耦合外锤扣，還有地線的直接耦合。EDM 放電間隙不僅是加工區(qū)骡尽，也是一個(gè)很強(qiáng)的高頻電磁場(chǎng)干擾源遣妥，其頻帶范圍以10～60MHz最強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)證明攀细，在最大電流的精加工中系統(tǒng)的干擾最強(qiáng)箫踩。要使 A/D 采樣不會(huì)受到干擾，達(dá)到強(qiáng)電與弱電的隔離谭贪，放電間隙狀態(tài)檢測(cè)接口電路中的隔離采用線形光電隔離技術(shù)班套。

　　控制的目的是在穩(wěn)定加工下盡量保持火花放電狀態(tài)。前面把放電過程描述為四種基本狀態(tài)：正彻屎樱火花放電、穩(wěn)定電弧放電吆豹、短路鱼的、開路。定時(shí)記錄放電狀態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間痘煤，即用時(shí)間百分比反映這四種狀態(tài)及其組合：

　　空載率：Ψd＝Σtd/Σti?100%

　　火花放電率：Ψe＝Σte/Σti?100%

　　穩(wěn)定電弧率：Ψa＝Σta/Σti?100%

　　短路率：Ψs＝Σts/Σti?100%

　　式中 ti——脈寬

　　td——空載時(shí)間

　　te——火花放電時(shí)間

　　ta——穩(wěn)定電弧時(shí)間

　　ts——短路時(shí)間

　　這四種基本狀態(tài)只有正炒战祝火花放電具有蝕除能力，其余對(duì)蝕除材料沒有作用衷快。因此控制目標(biāo)是：在穩(wěn)定加工前提下宙橱，盡量提高火花放電率Ψe。由于放電時(shí)間極短(10-7～10-3s)贬市，采樣到單個(gè)脈沖內(nèi)電壓波形的變化非常困難版掘，實(shí)用意義不大，于是用定量脈沖數(shù)與正撑火花放電數(shù)的比值作為控制伺服參考電壓的參量昔疆，將監(jiān)控的輸入?yún)⒘看_定為穩(wěn)定加工時(shí)單位脈沖出現(xiàn)的火花放電次數(shù)蚌汁。

　　4 實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理

　　4.1 實(shí)驗(yàn)裝備

　　(1)DK7180(HCD800ZK)大型精密數(shù)控電火花成形機(jī)，配MDVA-105K脈沖電源柜和MD-P5擴(kuò)展柜谤郑；

　　(2)PC－2000 系列 PC/386/486/586 專用 AD 卡 PS－2117鲸嫁；

　　(3)放電間隙檢測(cè)分壓接口電路；

　　(4)放電間隙狀態(tài)判別與邏輯電路直呈；

　　(5)計(jì)數(shù)及與 PC 機(jī)接口電路兜诞。

　　4.2 接口電路的工作原理

　　(1) 放電間隙檢測(cè)分壓接口電路

　　它將機(jī)床強(qiáng)電系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)分開。

　　(2) 狀態(tài)檢測(cè)電路

　　狀態(tài)檢測(cè)的依據(jù)是放電脈沖各種不同狀態(tài)分量電壓的特點(diǎn)忽畏。在接口電路完成后開始采集數(shù)據(jù)惋涌，包括脈沖電源輸向間隙的同步等寬觸發(fā)脈沖 Up2、接口電路處理后的放電間隙電壓 U0 雅镊。圖中電阻器 R1襟雷、R2、R3仁烹、R4 選用合適值可使光電耦合器 GD1耸弄、GD2 分別工作于截止與飽和兩種工作狀態(tài)。在分流器W1卓缰、W2计呈、W3、W4 的作用下征唬，光電耦合器 GD3捌显、GD4 輸入、輸出關(guān)系在某一電壓范圍內(nèi)具有線性放大特性总寒。輸出結(jié)果為：① 反相電源脈沖的內(nèi)部同步等寬觸發(fā)信號(hào) a (用于作為矩形計(jì)時(shí)窗和外部中斷讀與清零的源脈沖)扶歪；② 當(dāng)R1輸入為低電平，輸出高電平信號(hào) b (短路信號(hào))摄闸；③ 輸出正成屏火花放電的截止電壓或穩(wěn)定電弧放電的飽和電壓信號(hào) c;④ 高電平空載(開路)信號(hào) d (這里需要一個(gè)參考電平 Uref2)。

　　于是根據(jù)a蟹故、b措瑞、c、d 端不同的高低電平逾丑，就獲得了具有明顯差別的不同放電狀態(tài)虹喉。我們只需要設(shè)置參考電平 Uref1、Uref2嘲孙，通過比較器 comp1 和 comp2邏輯電路組合獲得各狀態(tài)分量：短路信號(hào) E1啤糙、正常火花放電 E2、穩(wěn)定電弧放電 E3纪立、開路放電 E4 休台。

　　(3) 高頻計(jì)數(shù)與 PC 機(jī)接口

　　事實(shí)上經(jīng)過前面電路的處理，我們得到了電源脈沖內(nèi)部同步觸發(fā)信號(hào)a胰肆，用這些信號(hào)作用于計(jì)數(shù)器征啦，完成對(duì)E1、E2桦闪、E3侠坎、E4 分離計(jì)數(shù)∪苟埽考慮到微機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)算與終端輸入輸出的時(shí)間損耗实胸，把信號(hào) a 進(jìn)行二分頻和四分頻得到 a1、a2番官，a庐完、a1、a2 三者相與得到矩形脈沖窗 E徘熔，E 再分別與 E1门躯、E2、E3酷师、E4 組合讶凉，得到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)選通信號(hào) E1、E2山孔、E3懂讯、E4 (即實(shí)驗(yàn)時(shí)的取樣周期等于4個(gè)放電脈沖周期之和)。這一部分在實(shí)驗(yàn)的初級(jí)階段由軟件實(shí)現(xiàn)台颠。

　　6 總結(jié)

　　本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃诰€實(shí)時(shí)采集和檢測(cè)放電間隙狀態(tài)的情況褐望。特別是檢測(cè)正常火花放電與穩(wěn)定電弧的在線區(qū)別为或。數(shù)據(jù)采集后的處理完全由程序解決锤观。該程序由 C 語言編寫，因此帶來了一個(gè)不容忽視的問題——存在較高的時(shí)間損耗炼缰。建議在以后的工作中采用硬件，如應(yīng)用可編程邏輯門陣列器件 EPLD ATV2500 進(jìn)行邏輯運(yùn)算衬榕，并用匯編語言編寫程序脸婉，會(huì)大大加快軟件的處理速度，甚至采集到準(zhǔn)確的各種放電間隙狀態(tài)延遲的時(shí)間杈夜。待整個(gè)過程包括放電間隙接口電路尝赵、狀態(tài)鑒別、計(jì)數(shù)及PC機(jī)接口技術(shù)成熟之后，考慮用集成電路板將它們綜合制成 EDM 智能控制卡弓呵，接在 PC 機(jī) ISA 總線槽直接進(jìn)行模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換六赢，為智能控制在 EDM 的應(yīng)用提供硬件支持。

　　本文提出將監(jiān)控的輸入?yún)⒘看_定為穩(wěn)定加工時(shí)單位脈沖出現(xiàn)的火花放電次數(shù)茉漂，需要進(jìn)一步試驗(yàn)以驗(yàn)證其可行性劳景。但它為電火花型腔加工的狀態(tài)檢測(cè)提出了一種新的嘗試。

　　本文所述的實(shí)驗(yàn)裝置是用來進(jìn)行實(shí)時(shí)采集電火花加工過程中間隙電壓的數(shù)據(jù)碉就，僅僅需要制作軟件便可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和在線控制盟广。而且本實(shí)驗(yàn)引入 IPC 機(jī)作為 EDM 加工過程監(jiān)測(cè)和控制的硬件平臺(tái)，不僅可方便地解決人機(jī)界面問題瓮钥，對(duì) CAD/CAM 軟件擇優(yōu)直接用于數(shù)據(jù)系統(tǒng)筋量，更重要的是就有可能在微機(jī)上模擬加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和控制。

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