加工过程参数控制系统优化

2.3.2.1 加工过程参数控制系统的作用

1.获得安全、稳定的加工

电火花加工中经常遇到各种各样的干扰，除了正常火花放电外，还有短路、拉弧和空载等。这些干扰经常会加剧电极损耗或降低加工速度，而且常常会烧伤工件和电极，严重时使其报废。

单靠伺服进给系统常常不能避免这类情况的出现，因此需要对加工过程不断地进行检测，在干扰严重时作出极快速的响应。不安全的加工情况主要表现为以下两种方式：

1）拉弧，即放电连续地发生在电极表面的同一位置上，形成稳定电弧放电，其脉冲电压波形的特征通常是没有击穿延时或放电维持电压稍低，且高频分量少。拉弧在最初几秒钟就能表现出很大的危害性，电极和工件上会烧蚀出一个深坑，产生严重的热影响区，可深达几毫米，并可能以1mm/min以上的速度增长，使工件和工具电极报废。

2）短路。虽然短路本身既不产生材料蚀除，也不损伤电极，但在短路处造成了一个热点，而在短路多次后，自动调节系统使工具电极回退消除短路时，易引发拉弧。

2.获得最佳的工艺指标

电火花加工过程总的说来是“慢过程”，因此在保证表面质量和加工精度的条件下通过优化控制参数来减少加工时间是很有意义的。

对于在线控制参数来说，优化工作必须在加工过程中进行，因为参数的最佳值是随着加工中的具体条件而不断漂移的。

2.3.2.2 加工过程参数控制的方法

电火花加工每一次的脉冲放电都是一个快速复杂的过程，各种干扰对加工效果的影响难于掌握。在手动控制的机床上，需要有经验的人员一直监控，一旦发现异常，立即采取相应的措施，如调整伺服进给、脉间、抬刀和冲液等。由于控制参数较多，又有交互作用，操作者要有足够的经验才能依据感觉到的信息（如听火花声等），观察排气、排烟和加工稳定性（电压表、电流表的指针摆动）等情况来进行调整，以追求最佳的加工状态。但人的响应速度与微秒级的脉冲放电相比要慢得多，当拉弧持续0.5s时，就可能造成加工危害。由此给加工过程参数的有效控制带来了困难。加工过程参数控制的难点见表2.3-8。

表2.3-8 加工过程参数控制的难点

影响工艺指标的主要参数按加工过程可以分为离线参数（指加工过程中基本不再调节的参数）和在线参数（指加工过程中常需调节的参数）。表2.3-9给出了离线参数、在线参数及这些参数对工艺指标的影响程度。

表2.3-9 离线参数、在线参数及其对工艺指标的影响程度

根据离线参数、在线参数对工艺指标的影响程度，下面分别介绍对它们的控制方法。离线参数通常在加工前要预先选定，并在加工中基本不变，但在一些特定的场合，它们还是需要在加工中改变的。在线参数控制在加工中的调整没有一般的规律可循，主要依靠经验。前面已指出，在线参数对表面粗糙度值和侧面间隙的影响不大，所以在选择在线参数时只要注意其对加工速度和电极损耗的影响即可。两类参数的调整方法见表2.3-10。

表2.3-10 离线参数和在线参数的调整方法

2.3.2.3 加工过程参数自适应控制系统

1.自适应控制系统的分类和作用

自适应控制系统是指按照预定的评估指标（即反映控制效果的准则），随着外界条件的变化自动改变加工控制参数和系统的特性（结构参数），使之尽可能接近设定的目标的控制方法。在电火花成形加工机床上采用的自适应控制系统的分类和作用见表2.3-11。

表2.3-11 参数自适应控制系统的分类及作用

2.自适应控制系统的控制环节

不同水平、不同功能的机床有不同的控制系统，控制参数的调整可通过几种不同的反馈环节来实现，如图2.3-20。以下分别介绍各反馈环节。

（1）加工间隙（伺服进给）控制环 这是所有电火花加工机床必须具备的基本环节。

（2）安全控制环 常用一种快速响应的附加回路，以防止加工过程的恶化。例如，拉弧时加大脉冲间隔、减小加工电流，在紧急情况下快速回退电极，甚至切断电源，自动关机等。

图2.3-20 不同功能的控制环节

（3）适应控制环 对加工过程进行连续的控制，以实现自动化和最佳化。

（4）人工控制环 由操作者自己评估加工情况，作出适当的判断来调整控制参数。好的机床常配备各种显示装置（如放电状态分析仪等），可帮助操作者了解加工情况。在处理突发事件时，也需人工处理操作。

此外，在数控机床上通常可进行加工过程的预编程，自动进行加工条件的转换，也能根据加工深度调整控制参数，以便按加工面积来调整放电电流或按一定的要求来实现不等的侧面间隙。

3.自适应控制系统的检测环节

自适应控制系统的检测环节是自适应控制系统能否真正适应间隙状态变化的关键，它比自动进给调节系统对检测环节的要求要高。良好的检测环节不仅能够准确反映间隙的状态，而且还应在间隙产生异常现象的前兆时就能将异常预测出来，使整个自适应控制做到防患于未然。由于放电是在液体介质中进行的，放电间隙又非常小，直接观测放电间隙状态是很困难的，一般采取表2.3-12中的几种间接测量的方法进行评估。

表2.3-12 间隙状态的间接测量方法

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图2.3-21 测量间隙电导的检测电路原理图

目前，自适应控制采用前两种测量方法的较多，主要因为这两种测量方法简便易行，效果较好。对于测量间隙电压的方法前面已介绍了两种形式，详见2.3.1.2。测量间隙电导数值的方法在自适应控制系统中应用也很广泛，效果亦较好。图2.3-21所示为测量间隙电导的检测电路原理图。在放电加工过程中，如果把脉冲间隔时间里间隙去游离的状态等效为一个可变的电阻，则电路中晶体管VT₁发射极的电位高低便与间隙等效电阻的变化成反比，即与间隙等效电导的变化成正比。因此，晶体管VT₁的导通条件便与脉冲间隔的去游离状态有关。当间隙状态较差时，间隙电导升高，VT₁发射极的电位就升高，到达晶体管VT₁导通门限电压的时间就长，由此输出加大脉冲间隔的信号。反之，当间隙状态较好时，间隙电导在一定数值范围内，则晶体管VT₁的导通时间就在一定范围内变化，由此输出最佳脉冲间隔信号。

4.单参数自适应控制系统

单参数自适应控制系统主要有短路切断电路的适应控制、脉冲间隔的适应控制、抬刀的适应控制和放电间隙的适应控制等。在一般加工质量要求情况下，采用对间隙变化的一两种参数（如脉冲间隔或抬刀频率）进行简单的自适应控制可取得一定的效果。

（1）短路切断电路 这是单参数自适应控制最早的形式之一，主要作用是放电间隙发生拉弧或短路等异常现象后，根据检测环节获得的信号，切断脉冲电源输向放电间隙的局部或全部脉冲，使放电间隙充分消电离，然后恢复稳定加工。短路切断电路有短时切断、局部切断以及分级切断三种方式。

1）短时切断方式。在两极间发生短路或拉弧时，短时间切断脉冲输出，直到间隙状态恢复正常后再重新向间隙发送脉冲。

一种在晶闸管脉冲电源中应用的短时切断方式的短路切断电路如图2.3-22，其工作过程为：间隙如发生短路，检测环节（C₁、BM、VD₁～VD₄、C₂、W组成的峰值测量环节）测得的信号使晶体管VT₁截止，不对称多谐振荡器（VT₂和VT₃组成）开始振荡，经晶体管VT₄电子开关电路控制晶闸管触发电路的输出，达到控制晶闸管脉冲电源向间隙输出脉冲能量的目的。在晶体管VT₄截止时间内，晶闸管脉冲电源停止向间隙输出脉冲；在VT₄导通时间内，晶闸管脉冲电源向放电间隙发出试探脉冲，它能消除放电毛刺和偶然的搭桥短路。如果放电间隙消除了短路现象，则检测环节测得信号使VT₁导通，不对称多谐振荡器停止振荡，VT₃的集电极输出高电位使VT₄导通，脉冲电源恢复向放电间隙输送能量。如试探脉冲输向间隙不能消除短路现象，则不对称多谐振荡器继续振荡，脉冲电源每隔一段时间向间隙发出试探脉冲，直到间隙消除短路现象为止。调节电容C₃和C₄的容量，可调节切断脉冲电源的时间和试探脉冲的脉冲宽度。调节电位器W，则可改变短路切断电路的灵敏度，以适应不同的加工条件。

图2.3-22 一种晶闸管脉冲电源短时切断方式的短路切断电路

一种在复合式晶体管脉冲电源中应用的短时切断方式的短路切断电路如图2.3-23。其工作过程为：间隙如发生短路，检测管VT₁导通，在集电极输出低电位，使晶体管VT₂截止，VT₄饱和导通。这时，电路中A点成为低电位，由电阻R₁₃和二极管VD₃、VD₄组成的电位控制门被封闭，使低压工作脉冲停发，实现了脉冲切断的要求。这时，高压脉冲依然按时输向放电间隙，由于它的电压高而且脉冲能量小，不会造成短路烧伤，反而有利于消除放电毛刺和偶然短路现象，提高加工的稳定性。

图2.3-23 晶体管脉冲电源短时切断方式的短路切断电路

2）局部切断方式。间隙发生短路异常现象时，脉冲电源在一段时间内切断脉冲输出，对克服短路烧伤有一定效果，但却降低了脉冲利用率，影响了加工速度。采用局部切断方式比短时切断方式能够提高脉冲利用率和加工效果。

图2.3-24所示为局部切断方式的示意图。A为检测短路脉冲信号，B为脉冲电源输出波形（图中阴影部分为切断的脉冲），C为保留的工作脉冲。在间隙发生异常时，根据检测短路脉冲信号A的情况，短路切断电路对脉冲电源输出实行局部切断，其保留脉冲的作用是消除偶然短路和放电毛刺，而又不致引起大的烧伤。同时脉冲间隔从t₃～t₄加大到t₂～t₄，也有利于间隙的消电离。缺点是由于局部切断脉冲输出，使脉冲宽度减小，增加了电极的损耗。

3）分级切断方式。在间隙发生异常现象时，脉冲电源输送到间隙的脉冲被相间切断，即隔一个脉冲切断一个脉冲，当间隙状态恢复正常后，再恢复原脉冲输出。分级切断方式又分为单级切断和多级切断两种。

图2.3-24 局部切断方式的示意图

单级切断是随放电间隙状态的变化，使脉冲电源输出保持原脉冲宽度t_i，而重复频率f₂则因相间切断减为原频率f₁的1/2（即f₂=f₁/2）。多级切断是在单级切断后，间隙仍处于异常状态，再进行相间切断。这时脉冲电源输出脉冲的频率为f₃（f₃=f₂/2），脉冲宽度仍为t_i。如间隙状态仍为异常，便继续相间切断下去，相当于脉冲间隔分几档逐级变宽。当间隙状态恢复正常后，脉冲电源输出的脉冲再逐级恢复，至原脉冲输出情况时为止。实际上，多级切断是使脉冲电源输出同样脉冲宽度、多种重复频率的工作脉冲，以适应间隙状态的需要。

总之，无论是单级切断还是多级切断，都是在间隙状态发生异常时，分级切断脉冲以增大脉冲间隔，这样有利于间隙消电离，防止短路烧伤。待间隙状态恢复正常后，脉冲电源再逐级恢复原来的输出。

（2）脉冲间隔的适应控制与适应抬刀 根据放电间隙的状态，自动调节脉冲间隔时间，以适应正常加工的需要。其作用为在间隙出现短路等异常现象时，增大脉冲间隔，防止拉弧烧伤；在间隙放电正常但不是最佳状态时，减小脉冲间隔，提高加工速度，充分发挥脉冲电源的潜力。

图2.3-25 脉冲间隔与抬刀适应控制原理方框图

图2.3-25所示为脉冲间隔与抬刀适应控制原理方框图。其工作原理为：放电间隙经过检测环节输出脉冲击穿信号，并开启脉冲宽度计数器开始计数，待所需脉冲宽度时间结束后发出信号，一方面经脉冲变换关断脉冲电源输出，另一方面开启脉冲间隔计数器，待所需脉冲间隔时间结束时发出信号，经脉冲变换后又使脉冲电源输出第二个脉冲。检测环节所得信号还需要进行判断，然后根据判断间隙状态正常与否的两种信号分别进行处理。如果间隙状态正常，正常信号经过数模转换环节，可连续压缩脉冲间隔时间，待脉冲间隔缩短到一定程度，并保留较长一段时间，便可以自动进行跳档，进一步缩短脉冲间隔，提高脉冲频率，以达最佳加工效果。如果间隙异常，则检测判断后的异常信号同样经过数模转换，可以连续延长脉冲间隔时间。待脉冲间隔增加到一定的程度，放电间隙的异常状态还不能消除，则发出自动跳档的信号，进一步增大脉冲间隔时间，改善放电间隙的状况使加工正常进行。为了确保加工正常进行，该控制系统还对异常信号进行记忆，取其一定数量后进行电极抬起（即适应抬刀），以改善放电间隙排屑状况。

（3）伺服参考电压（平均放电间隙）的调整 伺服参考电压与平均放电间隙呈一定的比例关系，这一参数对加工速度和电极相对损耗影响很大。一般说来，其最佳值并不正好对应于加工速度的最佳值，而应当使间隙稍微偏大些，这时的电极损耗较小。小间隙不但引起电极损耗增大，还容易造成短路和拉弧，因而稍微偏大的间隙在加工中比较安全，在加工起始阶段更为必要。

（4）冲液流量的调整 由于电极损耗随冲液流量（压力）的增加而增大，因而只要能使加工稳定，保证必要的排屑条件，应使冲液流量尽量小（在不计电极损耗的场合则另当别论）。

（5）出现拉弧时的补救措施 主要包括如下措施：增大脉冲间隔；调大伺服参考电压（加工间隙）；引入周期抬刀运动，加大电极上抬和加工的时间比；减小放电电流（峰值电流）；暂停加工，清理电极和工件（例如用细砂纸轻轻研磨）后再重新加工；试用反极性加工一短时间，使积炭表面加速损耗掉。

（6）最新控制技术 瑞士AGIE-Hyperspark脉冲电源的阻断清扫脉冲控制技术是在放电柱渐近进入饱和状态前突加一个适当的高电流脉冲，以阻断已没有蚀除作用的放电柱，形成第一次材料抛出，凹坑中有明显残留物（见图2.3-26a）；然后重建新的放电柱，在其扩展过程中又会有些蚀除，更重要的是在其放电结束后的第二次材料抛出时，将原坑中的残料充分清除，形成光滑干净的放电凹坑（见图2.3-26b），此放电凹坑比通常脉冲的放电凹坑来得浅平，从而使表面粗糙度值降低，白层（变质层）减薄。由于脉冲蚀除量的增加，以及表面质量的改善使后续精修省力，故该项技术使加工效率提高（采用铜和石墨电极时平均提高30%，深窄槽加工提高50%），电极损耗降低。例如，用ϕ10mm，45°尖劈形石墨电极加工钢，加工深度为12mm。加工结果：电极长度损耗为0.1mm（相对损耗0.8%），表面粗糙度值Ra为1.6μm，加工时间为30min。而用常规脉冲电源的加工时间为41min。采用该技术功效提高27%。

图2.3-26 采用阻断清扫脉冲加工的凹坑状况

a）第一次材料抛出凹坑状况 b）第二次材料抛出凹坑状况

实现逐个脉冲检测并做出相应对策的首要条件是速度要快，为此AGIE-Hyperspark脉冲电源研制了FPGA脉冲优化模块，具有超强计算能力（30MIPS），可在约33.3ns时间内对脉冲前沿的状况进行一次检测，不仅可以消除拉弧的风险，还可以按照使用中对效率和表面质量（表面粗糙度值的一致性和加工表面平整性）的权重来设定阈值。有了这一脉冲控制技术使300mm×300mm（面积为90000mm²）的大面积精加工得以实现。

日本沙迪克公司的最新电火花成形加工机床（AG40L/AG60L）采用了1Gbit/s的高速串行通信技术，实现准确且无延迟的检测与控制放电现象，再利用直线电动机驱动对控制轴产生的高加速度、高响应，为实现完全积极控制奠定了硬件基础。能实现高密度采样波形，并对脉冲波形实施可视化处理，进一步提高了高精度判断正常放电脉冲与异常放电脉冲的性能。

5.多参数自适应控制系统

图2.3-27 多参数自适应控制系统原理方框图

多参数自适应控制系统的作用为对加工过程中影响间隙状态变化的综合多参数进行全面的自适应控制，以达到最佳的工艺效果。图2.3-27所示为多参数自适应控制系统原理方框图。其工作原理为：当间隙状态发生变化时，检测环节将测得综合信号，经过判别环节识别是哪些因素（包括电参数和非电参数）影响间隙的状态后，输入给运算处理环节。经过计算机的运算并与最佳预给值进行比较后，运算处理环节分别输出信号给控制脉冲电源、主轴伺服机构及工作液循环系统，改变它们的输出参数，以适应放电间隙状态的变化，达到最佳的加工工艺效果。

综合多参数的全面自适应控制系统，为迅速提高电火花成形加工的工艺指标，实现加工控制的高度自动化提供了条件。