文/范宝 刘桂礼 孔全存

在电火花加工的过程中会有一放电间隙存在于工具和工件之间。电火花加工工艺指标如表面的粗糙程度、蚀除速度直接关系到放电间隙的大小，为同时确保比较好的表面粗糙度和较快的蚀除速度，应当控制好电火花加工间隙，使间隙范围能够合理恰当。放电间隙的调整以及伺服控制对电火花加工有着非常重要的影响，直接关系到电火花加工的高效、稳定和高质量进行。

1 传统的电火花加工间隙伺服检测方法

电火花在放电的过程中，放电间隙的数值达到了微米级，对放电间隙的数值进行直接测量是无法实现的，当前通常是对间隙的放电状态进行检测来测量间隙大小。电火花加工中的电极有着非常复杂的放电状态，对于放电状态的检测一般是通过检测放电间隙的电流或电压来实现的。

目前检测间隙放电状态应用最普遍的方法便是检测放电间隙电压的平均值。检测间隙平均电压值的电路原理是通过低通滤波电路来平均放电间隙的电压，放电间隙的大小及放电状态基本可以通过电压平均值来反映。平均电压值偏高，放电间隙多处于开路状态；平均值偏低则多处于短路状态；平均电压处于中间值时则多处于火花放电状态。通过对伺服参考电压设置在一个恰当的数值，并与所检测到的电压相比较，以此对间隙的放电状态进行判断，检测间隙平均电流的方法与平均电压的检测原则基本一致，该检测方法电路简单，实用性比较强，但是对稳定电弧放电或短路脉冲的反映上却不具很高的敏感度。

2 平均脉宽电压检测

当前我国的电火花加工机床对放电间隙的放电状态检测基本都是采用检测间隙平均电压的方法来实现，将检测到的电压与提前设定好的伺服参考电压进行对比，从而对伺服电动机的进给运动进行有效指导。在电火花加工中，经常需要对电参数进行调整，而脉间和脉宽的比例和大小会影响到平均间隙电压的数值，所以必须对伺服参考电压值进行经常性的调整，如此才可以确保电火花加工的稳定性。而频繁调整伺服参考电压值也在一定程度上影响了电火花加工的可靠性。此外，通常使用长脉间、窄脉宽对电火花进行精微加工，脉冲的能量是极小的，这便在很大程度上增加了伺服参考电压的设定难度，当放电间隙改变了放电状态时，间隙平均电压基本不会产生很大的变化，难以将间隙放电状态的变化反映出来，因此，对伺服检测方法进行重新设计是极其必要的。

平均脉宽电压检测方法的设计思路是使脉间阶段零电压不再影响平均电压，只平均放电间隙脉宽阶段的电压。该检测方法可以对脉冲占空比的影响进行消除，并将间隙状态的变化更好地反映出来。平均脉宽电压检测方法需要增加一个采样开关，通过利用电容和电阻所构成的低通滤波电路来平均脉宽阶段的电压，但是采样开关的使用则在很大程度上影响了检测结果，而高频次地对采样开关进行通断会对电压检测带来高频干扰，不利于检测结果的准确度。基于此，本文提出了一种新型的电火花加工间隙伺服检测方法，即数字平均脉宽电压检测。

数字平均脉宽电压检测与平均脉宽电压检测的原理和方法基本是一样的。通过对间隙脉宽阶段的电压进行高速采样和A/D转换，脉间阶段不采样，通过对脉宽阶段多次采样，对其数值进行平均，将得到的电压数值与伺服电压加以比较，从而对伺服运动进行指导。

3 数字平均脉宽电压检测法的整体结构设计

根据放电间隙平均脉宽检测法的原理，本文对该系统结构进行了整体设计，如图1所示。间隙电压衰减缓冲后，降低电压值，使其在A/D允许的采样范围之内；主振脉冲连接于A/D的使能端，在二者的共同控制下不对脉间阶段进行采样。通过A/D转换的数据由单片机进行接收，并对数字进行平均，再将平均值由串口向上机位进行传送，上机位通过比较平均值和伺服电压，在伺服策略的作用下，对电动机的运转进行有效指导，从而对放电间隙进行科学合理的调整。

图1：数字平均脉宽电压检测法的整体结构

4 数字平均脉宽电压检测法的实现

图2为数字平均脉宽电压检测电路的简要示意图，间隙电压在R1、R2的作用下衰减到2V以内，THS4001高速运转放大器缓冲了放电间隙间的脉冲电压，并对电压做反向处理，所以，间隙脉冲电压缩小了若干倍之后被输入到TLC5510转换芯片。TLC5510这一拥有20M转换速率的高速A/D转换芯片在转换使能OE的控制下来高速采样间隙脉宽阶段的电压，对其进行A/D转换，并且向PIC16F873单机的RB口实时传送转换结果。PIC16F873所具备的PWM功能的引脚RC1产生了TLC5510的转换时钟。多次平均PIC16F873的转换结果，可以根据串口发送数据的速率和转换速度来确定要平均的次数。本文中的上位机与PIC16F873串行通信的速度设置为19.2k波特率，平均次数达256次。需要留意的是，应当将差动模块和电平转换模块加入到工控机与单控机之间的串行通讯中，以增加数据传输的距离，使传输的可靠性得到提升。

5 数字平均脉宽电压检测法的实际应用效果

为验证数字平均脉宽电压检测法的加工稳定性和检测效果，本文分别采用两种方法对电火花放电加工间隙的电压进行检测，分别是原有的间隙平均电压检测法和数字平均脉宽电压检测法。本次实验的条件为：采用汉川MD23电火花数控成型机床作为实验机床；电火花加工参数为：脉间toff=20μs，脉宽ton=8μs，峰值电流IP=4A，加工电压为120V，正极性加工；工件为45钢，电极采用φ10mm紫铜电极。

根据PIC16F873单片机由串口向上位机传送的检测数据来看，间隙平均电压检测法所检测的间隙电压平均值为24，方差为8，均方差为12，而数字平均脉宽电压检测法所检测的间隙电压平均值为56，方差是2，均方差为3，由此可见，数字平均脉宽电压检测法将脉间时间零电压对间隙电压检测的影响有效地滤除了，可以检测到比较高的电压平均值。最为关键的是，数字平均脉宽电压检测法所检测到的电压更具稳定性。由此可以说明数字平均脉宽电压检测法可以对电火花加工间隙进行更加稳定的伺服控制，能够有效提高电火花加工的速度和稳定性。

6 结论

（1）数字平均脉宽电压检测法为伺服参考电压的选择提供了便利，电参数特别是脉间、脉宽的改变不会影响伺服参考电压的选择。

（2）对于精微加工或者精加工的电火花加工伺服控制，数字平均脉宽电压检测法是一个非常不错的选择，可以确保电火花加工稳定进行。

图2：数字平均脉宽电压检测电路简图

（3）数字平均脉宽电压检测法可以对脉宽电压的数字进行平均，相较于传统的RC模拟检测法，所平均的数字更具可靠性和稳定性。

然而该检测方法也具有一定的缺陷，检测起来比较复杂，并且只能在独立式脉冲电源下进行使用。除此之外，该检测法只能对电火花加工间隙的放电状态做出大概的反映，以此对电火花加工间隙的电压大小进行伺服控制，却不能对过渡电弧放电或电弧放电进行有效区分。