CN102909447B - 基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，其特征是以电流信号为采样信号，通过取样电路在采样周期内对电流脉冲出现概率进行采集得到采样电流脉冲概率；采用微处理器对采样电流脉冲概率进行计算和存储，将二者进行比较，得到比例因子作为伺服控制依据；当采样电流脉冲概率大于所设定的电流脉冲概率，则将此时的进给速度乘以比例因子；当采样电流脉冲概率小于设定的电流脉冲概率，则将此时的进给速度乘以比例因子。本发明控制精度高，能防止过进给和欠进给现象的发生，适用于金属、半导体及含有导电物质的非均质复合材料的各种电火花加工形式，能够提高加工稳定性及加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电火花加工技术，尤其是一种电火花加工中电极进给速度的控制方法，具体地说是一种适用于金属、半导体材料及含有导电物质的非均质复合材料电火花加工的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法。
背景技术
电火花加工是利用两极间脉冲放电时产生的高温电蚀作用蚀除材料的一种特种加工方法。其主要有以下特点：
1．能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；
2．加工时无宏观切削力；
3．不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；
4．工具电极材料无需比工件材料硬。
为维持正常的火花放电，必须使工件和电极间有一定的放电间隙，通过检测工件与电极间的间距大小来进行自动的伺服进给。现有传统的伺服控制方法主要是通过工件和电极间的平均电压大小来间接反映间隙的大小，主要方法有平均电压检测法和峰值电压检测法。
平均电压检测法就是利用加工时的平均电压与所设基准电压进行比较，从而决定是否进行伺服进给。由图1金属材料电火花加工三种放电状态的电流电压特性可知，在空载、正常放电和短路状态下其电压特征有明显的区别。在加工时，若空载电压脉冲较多，其极间平均电压则会增加；若短路电压脉冲较多，则极间平均电压就会降低。当极间平均电压高于基准电压，说明此时放电间隙大于理想放电间隙，处于欠跟踪状态，应增大进给速度；当平均电压低于基准电压，说明此时放电间隙小于理想放电间隙，处于过跟踪状态，应减小进给速度；当平均电压与基准电压相近，说明此时放电间隙为较理想放电间隙，则维持当前电极进给速度。在加工中可以通过调整伺服进给达到理想的进给速度。
但现有的伺服控制方法存在局限性，在加工时需人工调节各种参数来达到理想的进给速度。反馈***只能在所设定的范围内进行伺服调节，无法自动的达到最佳的进给速度，所以很大程度上依赖于操作人员的经验。
随着科技的发展，半导体材料在各行业中应用日趋广泛，但半导体属于典型的硬脆型材料，其具有脆性高，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近等特点，传统的机械加工方法在遇到高厚度、非直线加工面时十分困难。电火花加工是一种没有宏观加工力的特种加工方法，其具有能量密度高、加工不受材料硬度限制等特点，非常适合对硬脆半导体材料的加工。经过科研人员的努力已经对电火花加工半导体的可行性、加工机理和加工工艺等有了深刻的了解，目前存在的最大问题就是如何保障半导体材料电火花加工时进行稳定的自动伺服进给。
由图2可以看出半导体材料采用恒压电源时电火花加工三种状态下（空载、正常放电、短路）的电流、电压特性与金属电火花加工有着本质的区别。由于半导体体电阻的存在，电压取样信号不再仅仅取到的是极间放电电压，而且还包含半导体体电阻上以及进电接触端接触势垒上的压降。在正常放电和短路状态下，电压较空载时不会有明显的下降。此时如采用上述传统伺服控制方法，***会将所有加工状态都当作空载状态处理，此时极间取样电压会一直高于基准电压，伺服***会不断提高进给速度，直至速度达到所设定的最大值，在电火花加工时，此时电极与半导体往往已处于短路且电极已经被半导体顶弯，甚至会压断。所以用现有伺服***在对半导体进行加工时将无法辨别加工状况，在加工中往往出现短路情况。目前，在半导体材料的电火花加工中只能根据技术人员的经验进行恒速进给，这样不仅加工效率低，并且加工精度也无法得到保证。
对于非均质材料，如碳纤维材料，虽然存在导电物质，但由于材料电阻率不均匀，同样不能采用现有伺服取样控制方法进行加工。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电火花加工中进给速度调整是以电压检测为依据从而极易造成过度进给或欠进给现象发生，影响加工速度和质量的问题，发明一种以电流脉冲为依据来调节电极进给速度的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法。
本发明的技术方案是：
一种基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，其特征是以电流信号为采样信号，通过取样电路在采样周期内对电流脉冲出现概率进行采集得到采样电流脉冲概率；采样电流脉冲概率指产生电流的脉冲的个数占采样周期总脉冲个数的百分比；采用微处理器对采样电流脉冲概率进行计算和存储，将采样电流脉冲概率与所设定的电流脉冲概率进行比较，得到比例因子作为伺服控制依据，从而控制电火花机床进给；
比例因子=[设定的电流脉冲概率÷采样电流脉冲概率]n
n为一大于0小于1的数，n越小，每次速度调节的幅度就越小，速度变化越平稳。但如果n值太小则会导致反应过慢，一般取1/3≤n≤1/2。
根据电火花线切割加工经验可知，在放电状况较好的情况下，正常放电脉冲比例一般为80%左右，空载脉冲比例为10%左右，短路脉冲比例为10%左右。因为在正常加工脉冲和短路脉冲中都会产生电流脉冲，所以在放电状况较好的情况下，电流脉冲产生概率为90%左右。由于加工方式（电火花线切割、电火花成型、电火花穿孔等）、对象及条件不同，理想的电流脉冲概率也会在一定范围内变化，一般为70%~95%。所以设定的电流脉冲概率一般在70%~95%之间较为合适。
当采样电流脉冲概率大于所设定的电流脉冲概率，则将此时的进给速度乘以比例因子（此时小于1），以降低进给速度；当采样电流脉冲概率小于设定的电流脉冲概率，则将此时的进给速度乘以比例因子（此时大于1），提高进给速度；使得实际电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率；所述的产生电流的脉冲包括正常放电脉冲和短路脉冲。
本发明的电火花加工的材料包括金属和电阻率范围在0.01—100Ω·cm之间的半导体材料及含有导电物质的非均质复合材料。
本发明的电火花加工方法包括电火花线切割、电火花成型、电火花穿孔加工以及涉及电火花加工的复合加工方法。
所述的取样电路以电流特性为伺服依据。
所述的微处理器接受取样电路的信号，从而计算出采样周期内的电流脉冲概率；根据采样周期内的电流脉冲概率和所设定的电流脉冲概率得到比例因子，作为伺服依据。
所述的采样周期能根据加工的对象及加工要求进行改变。
所设定的电流脉冲概率一般为70%~95%之间，可根据加工的对象、加工要求和加工参数等进行调节。
本发明的有益效果：
本发明控制精度高，尤其是不受加工状态的影响，能自动寻找到所设定的理想进给速度。
本发明方法简便易行，只需在原有的控制电路中增加一个电流脉冲采样电路加上简单的计算软件，即可实现最佳恒速控制。
本发明适用范围广，尤其是对于半导体电火花加工是目前可知的唯一伺服控制方法。
本发明有利于提高加工速度和加工质量，在电火花线切割加工中减少断丝等加工故障的发生，可延长无故障工作时间，延长电极丝的使用寿命。
附图说明
图1是现有的金属材料电火花加工三种放电状态示意图。
图2是现有的半导体材料电火花加工三种放电状态示意图。
图3是不同进给速度下电火花电流电压波形图。
图4 是进给速度与电流脉冲产生概率的关系示意图。
图5本发明的伺服控制方法的控制流程图。
图6本发明的电流采样***的结构框图示意图。
图7是采用传统伺服***所切割的单晶硅样件示意图。
图8是采用本发明的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法所切割的单晶硅样件示意图。
图9是采用本发明的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法所切割的单晶硅变厚度切割样件示意图。
图10本发明的单晶硅材料电火花线变厚度切割时进给速度与切割厚度关系曲线。
表1是本发明实施例的单晶硅材料电火花线切割加工工艺条件。
表1
| 项目 | 内容 |
| 工件材料 | P型单晶硅(2.1Ω·cm) |
| 切割厚度(mm) | 10mm |
| 进电方式 | 正极性加工 |
| 电极 | 钼丝（直径0.18mm） |
| 工作介质 | 专用工作液 |
| 脉宽 | 32μs |
| 占空比 | 1:9 |
表2是本发明实施例中金属材料电火花线切割加工工艺参数。
表2
| 项目 | 内容 |
| 工件材料 | 45钢 |
| 切割厚度(mm) | 10mm |
| 进电方式 | 正极性加工 |
| 电极 | 钼丝（直径0.18mm） |
| 工作介质 | 专用工作液 |
| 脉宽 | 20μs |
| 占空比 | 1:6 |
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图3-10所示。
图3为采用表1工艺参数条件下不同进给速度下电火花电流电压波形图，由图中可以清楚的看出，在不同的进给速度下，电流脉冲出现的几率有着明显的区别，即进给速度越快，电流脉冲出现几率越大。图4为表1工艺参数条件下进给速度与电流脉冲产生概率关系曲线。
通过电流脉冲出现的几率以区分极间的加工状态，并且该策略对于金属和半导体电火花加工同样适用，因此本发明的基于电流脉冲概率检测的电火花加工智能伺服控制方法是以电流采样电路所测到的电流脉冲概率为控制依据进行速度的调节。所谓电流脉冲概率指产生电流的脉冲（包括正常放电和短路脉冲）的个数占总脉冲个数的百分比。采样信号以脉冲电流信号为基础，采用取样电路（如图6）在采样周期内对电流脉冲进行取样得到取样信号；微处理器根据取样信号计算出电流脉冲概率并进行存储，并将该时间段采样电流脉冲出现的次数与该时间段理论脉冲的个数进行比较并进行幂次小于1（1/2～1/3之间）的乘方得到比例因子，根据比较的比例因子得到伺服控制依据，从而控制电火花机床进给；是一种根据电流脉冲概率控制进给速度的方法。当采样电流脉冲概率大于设定值，此时说明采样周期内电流出现的脉冲个数超过理想的设定个数，则说明目前短路的成分增多，则将此时应将进给速度乘以比例因子（此时小于1），以降低进给速度（如设定的理想值是90%，但实际值是100%，说明此时加工状态已经接近完全短路了，要降速）；当采样电流脉冲概率小于所设定值，则将此时应将进给速度乘以比例因子（此时大于1），以提高进给速度。保证实际电流脉冲概率接近所设定的电流脉冲概率。
比例因子=[设定的电流脉冲概率÷采样电流脉冲概率]n
本发明所适用的材料包括金属、半导体材料（电阻率范围在0.01~100Ω·㎝之间）及非均质材料。所适用的电火花加工方法包括电火花线切割、电火花成型和电火花穿孔加工等。具体实施时采样周期可根据加工的对象及加工要求进行改变。所设定电流脉冲概率可根据加工的对象及要求随时改变。
实例一。
使用传统的基于间隙电压的伺服控制方法，采用表1中所示的加工工艺参数对单晶硅进行等厚度电火花线切割加工。初始设定的进给速度为80μm/s，由于现有伺服***失效，***无法进行速度的自动调节，只能进行恒定速度（80μm/s）的进给。并且由于体电阻与接触电阻的存在，现有的***无法准确识别短路状态，当电极丝已经被工件顶弯，机床仍然以80μm/s的速度进给，使得切割轨迹发生严重的偏移。最终切割出的工件如图7所示。
改用本发明的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，同样采用表1中所示的加工工艺参数对单晶硅进行等厚度电火花线切割加工。初始设定进给速度为80μm/s，设定电流脉冲概率为85%，此时伺服控制***能够根据电流脉冲检测信号自动的调节进给速度，达到最佳的加工状态，电流脉冲概率维持在所设定的值（85%）左右。在当前的加工参数下，进给速度能够自动的调节到48μm/s的最佳加工速度，进行稳定、高效和精密的切割，切割轨迹与程序设定轨迹重合，切割样件如图8所示。
实例二。
使用传统的基于间隙电压的伺服控制方法，采用表2中所示的加工工艺参数对45钢进行电火花线切割加工。初始设置最大速度为30μm/s，在加工时由于该速度低于最佳加工速度，所以伺服速度一直维持在28-29μm/s的高位。但由于最大速度的限制，当前速度只能在0-30μm/s的范围内调整，无法达到最佳加工速度。此时需要根据经验不断调整最大速度才能达到最佳加工速度。
改用本发明的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，同样采用表2中所示的加工工艺参数对45钢进行电火花线切割加工。设置电流脉冲概率为95%，在加工开始后，***自动调节进给速度，最终达到68μm/s的进给速度，与当前所设电流脉冲概率对应的理想加工速度相符。
实例三。
使用本发明的基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，采用表1中所示的加工工艺参数对单晶硅进行变厚度的电火花线切割加工，设定电流脉冲概率为70%。在加工过程中，随着厚度的变化，***不断的调整进给速度，达到不同的厚度时的最佳进给速度。切割实物图如图9所示，加工过程中进给速度与厚度的关系如图10所示。
实例四。
采用表一所示工艺参数进行加工，设定理想电流脉冲概率为70%，对应的理想加工速度为40μm/s。设比例因子公式中的n=1/2。
若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为50%，当前的进给速度为30μm/s。
比例因子=（（70%）÷（50%））1/2=1.18
根据所得到的比例因子调节当前的速度。
V=30×1.18μm/s=35.4μm/s
若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为95%，当前的进给速度为55μm/s。
比例因子=（（70%）÷（95%））1/2=0.86
根据所得到的比例因子调节当前的速度。
V=55×0.94μm/s=47.3μm/s
通过不断的调节使得电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率。
实例五。
采用表一所示工艺参数进行加工，设定理想电流脉冲概率为85%，对应的理想加工速度为48μm/s。设比例因子公式中的n=1/3。
若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为45%，当前的进给速度为28μm/s。
比例因子=（（85%）÷（45%））1/3=1.24
根据所得到的比例因子调节当前的速度。
V=28×1.24μm/s=34.72μm/s
若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为98%，当前的进给速度为60μm/s。
比例因子=（（85%）÷（98%））1/3=0.95
根据所得到的比例因子调节当前的速度。
V=60×0.95μm/s=57μm/s
通过不断的调节使得电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率。
实例六。
采用表一所示工艺参数进行加工，设定理想电流脉冲概率为95%，对应的理想加工速度为55μm/s。设比例因子公式中的n=5/12。
若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为45%，当前的进给速度为28μm/s。
比例因子=（（95%）÷（45%））5/12=1.37
根据所得到的比例因子调节当前的速度。
V=28×1.37μm/s=38.36μm/s
若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为99%，当前的进给速度为69μm/s。
比例因子=（（95%）÷（99%））5/12=0.98
根据所得到的比例因子调节当前的速度。
V=69×0.98μm/s=67.62μm/s
通过不断的调节使得电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种基于电流脉冲概率检测的电火花伺服控制方法，其特征是以电流信号为采样信号，通过取样电路在采样周期内对电流脉冲出现概率进行采集得到采样电流脉冲概率；采样电流脉冲概率指产生电流的脉冲的个数占采样周期内总脉冲个数的百分比；采用微处理器对采样电流脉冲概率进行存储和计算，将采样电流脉冲概率与所设定的电流脉冲概率进行比较，得到比例因子作为伺服控制依据，从而控制电火花机床进给；
比例因子可根据下式求得：
比例因子=[设定的电流脉冲概率÷采样电流脉冲概率]n
式中：指数常数n的取值为1/3≤n≤1/2；
设定的电流脉冲概率根据不同的加工方式、情况与对象可取70%~95%；
当采样电流脉冲概率大于所设定的电流脉冲概率，则将此时的进给速度乘以比例因子，降低进给速度；当采样电流脉冲概率小于设定的电流脉冲概率，则将此时的进给速度乘以比例因子，提高进给速度；使得实际电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率；所述的产生电流的脉冲包括正常放电脉冲和短路脉冲。
2.根据权利要求1所示的伺服控制方法，其特征是它适用于电火花加工的材料包括金属、电阻率范围在0.01—100Ω·cm之间的半导体材料及含有导电物质的非均质复合材料。
3.根据权利要求1所示的伺服控制方法，所适用的电火花加工方法包括电火花线切割、电火花成型、电火花穿孔加工以及涉及电火花加工的复合加工方法。
4.根据权利要求1所示的伺服控制方法，其特征是所述的采样周期能根据加工方式、对象及要求进行改变。
5.根据权利要求1所示的伺服控制方法，其特征是所设定的电流脉冲概率与加工的效率、表面质量、电极损耗有关，并针对不同的加工要求进行随时改变。
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