电火花成形加工的其他脉冲电源形式

以上是根据脉冲电源电路的形式对其进行分类的，下面从其他角度介绍目前电火花成形加工中应用广泛的脉冲电源的情况。

2.2.5.1 不同波形的脉冲电源

1.概述

矩形波脉冲电源在电火花加工中已经得到了广泛应用，并获得一定的加工效果。为进一步提高加工速度和表面质量，降低精加工时的电极损耗，扩大工艺应用范围，又研制出各种矩形波派生的脉冲电源、各种叠加波形的脉冲电源和其他非矩形波脉冲电源。矩形波派生的脉冲电源是由矩形波组合而成的，不同组合方式将在放电间隙输出不同的脉冲波形，以适应不同加工工艺的需要。

2.各种电源波形及特点

表2.2-8所示为矩形波派生的脉冲电源的波形与特点。表2.2-9所示为不同波形叠加的脉冲电源的波形和特点。非矩形波脉冲电源包括梯形波、三角波、正弦波等多种波形的脉冲电源，它们的特点与类似的阶梯波脉冲电源相近。

表2.2-8 矩形波派生的脉冲电源的波形与特点

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表2.2-9 不同波形叠加的脉冲电源的波形与特点

2.2.5.2 高精度镜面加工电源

1.镜面加工含义

镜面电火花加工一般是指加工表面粗糙度值Ra<0.2μm的电火花加工，此时的加工表面具有镜面反光效果。研究表明，具有镜面加工效果的电火花加工表面，其表面变质层厚度均匀，极少有显微裂纹，并且有较高的耐磨性和耐蚀性，无需抛光即可用作零件的最终表面。

2.镜面加工电源

早期的镜面电源技术研究的出发点均设法降低单个脉冲的火花放电能量，使每次火花放电产生小的放电蚀坑，从而产生表面粗糙度值低的加工表面。日本沙迪克（Sodick）公司在20世纪80年代初推出了窄脉宽、低峰值电流的镜面（PIKA）加工电源，使加工表面粗糙度值Ra达到小于0.1μm的水平；瑞士阿奇夏米尔（Agie Charmilles）公司开发出纳秒级脉冲电源（SPS），最佳加工表面粗糙度值Ra可达0.05μm。

精规准电源提供足够小的电流和足够窄的脉宽，使单个脉冲的放电能量足够小，从而在加工表面产生小的放电蚀坑，得到表面粗糙度值低的加工表面。设计小面积镜面加工精规准电源时的要求见表2.2-10。

表2.2-10 小面积镜面加工精规准电源的设计要求

图2.2-24 精规准脉冲电源的总体构成框图

图2.2-25 间隙异常状态检测电路

3.一种精加工电源实例

图2.2-24所示为一种精规准脉冲电源的总体构成框图。电源主要由高频脉冲发生器、隔离电路、驱动电路、主功放电路、开通加速电路、关断加速电路、阻振电路，以及异常状态检测电路和伺服控制信号接口电路等组成。

高频脉冲发生器采用RC环形振荡电路，电路中的反相器选用高速CMOS集成电路74HC04，通过选用高质量元件和合理设计电路参数，可以保证振荡电路输出稳定的高频矩形波脉冲信号，输出的最小脉宽、脉间可至80ns。放大及驱动电路采用高速MOS-FET管，驱动频率达到2.5MHz。开通加速电路及关断加速电路用于主脉冲部分的功放电路中，关断加速电路目的是为了减小电路中电阻对脉冲关断时间的影响，开通加速电路的作用是为了减小电路中电阻对脉冲开通时间的影响。间隙异常状态检测电路如图2.2-25所示，以间隙电压信号作为检测源，图中稳压二极管VD₁用来设定检测电压阈值，在正常状态时，V_a为高电平“1”；当间隙处于异常放电状态时，V_a输出低电平“0”。通过以上措施，该精规准电源所能达到的主要技术指标：开路电压为150～280V；脉冲宽度为90ns～100μs，连续可调；脉冲间隔为250ns～90μs，连续可调；最小峰值电流为0.4A；最大峰值电流为6.8A。(www.xing528.com)

目前，由于电火花镜面加工的重要性，国内外各电火花成形加工设备制造商均对其非常重视。他们正不断开发新型的脉冲电源，以提高镜面加工能力。尤其对精密、小型模具制造商来说，电火花成形加工设备的镜面加工效果已成为了衡量脉冲电源好坏的一个重要指标。表2.2-11列出了目前国内外一些电火花成形机镜面加工脉冲电源的性能指标。

表2.2-11 国内外一些电火花成形机镜面加工脉冲电源的性能

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2.2.5.3 智能化控制脉冲电源

提高电火花成形加工过程的自动化是该加工技术发展的必然趋势。由于电火花成形加工是在复杂环境下基于复杂任务对复杂对象的控制，传统的控制系统已不能满足自动化加工的要求，因此需要建立多输入、多输出的控制系统。智能控制将是解决此类复杂问题的有效途径，它具有自学习和自适应功能，能自主调节系统的控制结构、参数和方法，进行决策规划和广义问题求解。智能控制系统就如同一个有经验的操作者，可通过对加工信息的定性描述，模拟熟练操作者的思维方式，根据当前的加工状态调整加工参数，进而实现提高加工效率、加工精度和加工过程稳定性，简化操作过程，拓宽加工范围的目的。

智能化控制脉冲电源具有更完善的控制系统，能不同程度地代替人工监控功能，能根据某一给定目标（保证一定表面粗糙度值的前提下提高生产率）连续不断地检测放电加工状态，并与最佳模型（数学模型或经验模型）进行比较运算，然后按其计算结果控制有关参数，以获得最佳加工效果。当工件和电极材料，粗、中、精不同的加工规准，工作液的污染程度与排屑条件，加工深度及加工面积等条件变化时，自适应控制系统都能自动地、连续不断地调节有关脉冲参数，如脉冲间隔t₀和进给、抬刀参数等，防止电弧放电，并达到生产率最高的最佳稳定放电状态。

虽然智能控制系统在电火花成形加工中得到了大量应用，但仍有许多不完善之处，主要需解决以下问题：

1）根据不同加工要求确定工具电极与工件加工表面之间的合理间隙及合理加工参数。

2）开发能根据加工过程中间隙状态的改变而自适应变化的脉冲电源。

3）工作液的合理选用及其对加工过程的影响。

4）降低各种干扰对加工过程的影响。

针对以上问题，目前电火花成形加工智能控制系统重点研究和应用了以下技术。

1.自适应控制

由于电火花加工机理非常复杂，要建立一个严格的数学模型十分困难，虽然不同的学者从各自的角度提出了不同的模型，但大多与实际相差甚远，故应用传统的经典控制方法（如RC控制）不可能达到良好的控制效果。因此，现代控制理论中的自适应控制技术必然被电火花加工控制技术所吸收，国内外专家学者在这方面进行了广泛的探索研究工作。各种自适应控制方法的不同之处在于控制参数及评价标准的选择。监控参数大致有：伺服参考电压、脉冲电源参数、抬刀周期、高频信号、脉冲上升沿、击穿延时、火花放电及脉冲下降沿的时间占有率等。电火花加工过程自适应控制的目标是在满足表面粗糙度值、电极损耗及加工稳定性要求的前提下优化蚀除速度，使生产率尽量提高。然而，电火花加工过程中需要优化的参数很多，而且各种参数之间是相互耦合的。而上述各种自适应控制方法，基本上都控制单一变量，或者是相互分离地控制几个变量，而变量之间的耦合问题还基本未涉及到，致使自适应控制方法难以实现真正意义上的最优控制。

2.专家系统的应用

由于电火花成形加工的复杂性，操作人员需要熟练地掌握数控编程、加工规准选择、电极损耗补偿等技术和相关知识，其中任何一个环节的欠缺都将促成加工过程的缺陷或失败。采用专家系统可以较好地解决这一问题。专家系统的建立及其功能的完善需要根据电火花成形加工的特点，结合多年来的试验研究成果及实际操作经验，不断充实、改进专家系统知识库，细化推理过程，建立良好的人机接口，从而根据不同的加工要求，实现加工参数优化及加工过程中的在线实时调整，达到降低操作难度，实现高效率、高精度和稳定加工的目的。

国外电火花成形机床在专家系统方面有了新的进展。例如，夏米尔公司ROBOFORM 2000L机床配置了新的PROGRAM EXPERT2自动编程系统，加工时按照画面的提示只需输入少量数据，如电极损耗、表面粗糙度、加工工件及电极材料、加工面积和加工深度等，加工时可自动选取最优参数，自动监控加工过程，实现自动化最优控制。

3.人工神经网络技术的应用

虽然专家系统可使计算机控制系统具有类似人类专家的解决问题的能力，但在知识的获取方面存在困难，自学能力差。人工神经网络是一种通过利用计算机对人类大脑功能进行抽象、简化和模拟而建立的高度非线性系统，它具有自组织、自学习、容错性和并行处理信息的能力，特别适合处理复杂问题，与专家系统、模糊控制技术互相取长补短，提高对放电状态、加工效率、放电位置等的预测精度，提高在线实时控制效果，推动电火花成形加工过程控制向更高层次发展。例如，日本沙迪克公司NF系列电源，它应用了人工神经网络技术，提高了NC程序编制的自动化程度，并具备了一定的学习功能，能够在用户的参与下将用户的加工参数存储下来。

4.模糊控制技术的应用

模糊控制技术是在模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理技术的基础上发展起来的先进计算机控制技术，通过输入少量的参数，模糊控制系统即可自动选择最优参数，自动监控加工过程，实现自动化和最优化控制。此外，将自适应和学习能力引入模糊控制系统，可实现对模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中的自动调整和完善。目前，国外电火花成形机几乎都应用了模糊控制（FC）技术。用模糊控制理论可以起到替代一个熟练操作人员的作用，它可对检测到的间隙放电状态进行模糊推理，以识别加工是否高效、稳定，由此确定下阶段新的加工参数，来实现加工过程的最优化。例如，日本沙迪克公司的NF系列电源，它采用了模糊控制技术对抬刀周期、伺服间隙、脉冲间隔进行模糊控制，可提高加工速度20%～30%，特别是对深槽、肋、多腔多件的加工，以及截面积变化较大的零件的加工效果更为显著。

5.混合智能控制

需要指出的是，上述各种控制技术在电火花加工过程中的应用并不是相互独立的。由于各自都存在着无法自我克服的缺陷，采用单一控制方式对于电火花加工过程很难获得满意的控制效果。因此，它们之间需要取长补短，在充分发挥自身优势的同时，通过相互结合取得联合增值的效应。例如：对神经网络来说，知识抽取和知识表达比较困难，而模糊信息处理方法对此却很有效；另一方面，模糊推理很难从样本中直接学习规则，且在模糊推理过程中会增加模糊性，而神经网络却能进行有效的学习，并因采用联想记忆而降低模糊熵。国内外学者对混合控制方法进行了广泛的研究，提出了模糊控制与神经网络的结合、神经网络与遗传算法的结合、模糊控制与遗传算法的结合、模糊控制与灰色预测的结合等混合智能控制理论。

为了紧跟先进制造技术的发展步伐，应进一步完善模糊控制与自适应控制、人工神经网络、专家系统的结合，利用混沌理论、模糊控制等各种控制技术的特点与优势，研制智能化、模块化的电火花成形加工机床的控制部件和执行机构，实现高效率、高精度、低损耗、稳定的加工过程控制，以促进电加工事业的发展。