專利名稱：基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電火花加工技術，尤其是一種電火花加工中電極進給速度的控制方法，具體地說是一種適用于金屬、半導體材料及含有導電物質的非均質復合材料電火花加工的基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法。
背景技術：
電火花加工是利用兩極間脈沖放電時產生的高溫電蝕作用蝕除材料的一種特種加工方法。其主要有以下特點1.能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復雜形狀工件；2.加工時無宏觀切削力；3.不產生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；4.工具電極材料無需比工件材料硬。
為維持正常的火花放電，必須使工件和電極間有一定的放電間隙，通過檢測工件與電極間的間距大小來進行自動的伺服進給。現有傳統的伺服控制方法主要是通過工件和電極間的平均電壓大小來間接反映間隙的大小，主要方法有平均電壓檢測法和峰值電壓檢測法。
平均電壓檢測法就是利用加工時的平均電壓與所設基準電壓進行比較，從而決定是否進行伺服進給。由圖I金屬材料電火花加工三種放電狀態的電流電壓特性可知，在空載、正常放電和短路狀態下其電壓特征有明顯的區別。在加工時，若空載電壓脈沖較多，其極間平均電壓則會增加；若短路電壓脈沖較多，則極間平均電壓就會降低。當極間平均電壓高于基準電壓，說明此時放電間隙大于理想放電間隙，處于欠跟蹤狀態，應增大進給速度； 當平均電壓低于基準電壓，說明此時放電間隙小于理想放電間隙，處于過跟蹤狀態，應減小進給速度；當平均電壓與基準電壓相近，說明此時放電間隙為較理想放電間隙，則維持當前電極進給速度。在加工中可以通過調整伺服進給達到理想的進給速度。
但現有的伺服控制方法存在局限性，在加工時需人工調節各種參數來達到理想的進給速度。反饋系統只能在所設定的范圍內進行伺服調節，無法自動的達到最佳的進給速度，所以很大程度上依賴于操作人員的經驗。
隨著科技的發展，半導體材料在各行業中應用日趨廣泛，但半導體屬于典型的硬脆型材料，其具有脆性高，斷裂韌性低，材料的彈性極限和強度非常接近等特點，傳統的機械加工方法在遇到高厚度、非直線加工面時十分困難。電火花加工是一種沒有宏觀加工力的特種加工方法，其具有能量密度高、加工不受材料硬度限制等特點，非常適合對硬脆半導體材料的加工。經過科研人員的努力已經對電火花加工半導體的可行性、加工機理和加工工藝等有了深刻的了解，目前存在的最大問題就是如何保障半導體材料電火花加工時進行穩定的自動伺服進給。
由圖2可以看出半導體材料采用恒壓電源時電火花加工三種狀態下(空載、正常放電、短路)的電流、電壓特性與金屬電火花加工有著本質的區別。由于半導體體電阻的存在，電壓取樣信號不再僅僅取到的是極間放電電壓，而且還包含半導體體電阻上以及進電接觸端接觸勢壘上的壓降。在正常放電和短路狀態下，電壓較空載時不會有明顯的下降。此時如采用上述傳統伺服控制方法，系統會將所有加工狀態都當作空載狀態處理，此時極間取樣電壓會一直高于基準電壓，伺服系統會不斷提高進給速度，直至速度達到所設定的最大值，在電火花加工時，此時電極與半導體往往已處于短路且電極已經被半導體頂彎，甚至會壓斷。所以用現有伺服系統在對半導體進行加工時將無法辨別加工狀況，在加工中往往出現短路情況。目前，在半導體材料的電火花加工中只能根據技術人員的經驗進行恒速進給，這樣不僅加工效率低，并且加工精度也無法得到保證。
對于非均質材料，如碳纖維材料，雖然存在導電物質，但由于材料電阻率不均勻， 同樣不能采用現有伺服取樣控制方法進行加工。發明內容
本發明的目的是針對現有的電火花加工中進給速度調整是以電壓檢測為依據從而極易造成過度進給或欠進給現象發生，影響加工速度和質量的問題，發明一種以電流脈沖為依據來調節電極進給速度的基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法。
本發明的技術方案是一種基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法，其特征是以電流信號為采樣信號，通過取樣電路在采樣周期內對電流脈沖出現概率進行采集得到采樣電流脈沖概率；采樣電流脈沖概率指產生電流的脈沖的個數占采樣周期總脈沖個數的百分比；采用微處理器對采樣電流脈沖概率進行計算和存儲，將采樣電流脈沖概率與所設定的電流脈沖概率進行比較，得到比例因子作為伺服控制依據，從而控制電火花機床進給；比例因子=[設定的電流脈沖概率+采樣電流脈沖概率]nη為一大于O小于I的數，η越小，每次速度調節的幅度就越小，速度變化越平穩。但如果η值太小則會導致反應過慢，一般取1/3 < η < 1/2。
根據電火花線切割加工經驗可知，在放電狀況較好的情況下，正常放電脈沖比例一般為80%左右，空載脈沖比例為10%左右，短路脈沖比例為10%左右。因為在正常加工脈沖和短路脈沖中都會產生電流脈沖，所以在放電狀況較好的情況下，電流脈沖產生概率為 90%左右。由于加工方式(電火花線切割、電火花成型、電火花穿孔等)、對象及條件不同，理想的電流脈沖概率也會在一定范圍內變化，一般為709Γ95%。所以設定的電流脈沖概率一般在70°/Γ95%之間較為合適。
當采樣電流脈沖概率大于所設定的電流脈沖概率，則將此時的進給速度乘以比例因子(此時小于1)，以降低進給速度；當采樣電流脈沖概率小于設定的電流脈沖概率，則將此時的進給速度乘以比例因子(此時大于1)，提高進給速度；使得實際電流脈沖概率逐步趨向于所設定的電流脈沖概率；所述的產生電流的脈沖包括正常放電脈沖和短路脈沖。
本發明的電火花加工的材料包括金屬和電阻率范圍在O. 01 —100 Ω ·αιι之間的半導體材料及含有導電物質的非均質復合材料。
本發明的電火花加工方法包括電火花線切割、電火花成型、電火花穿孔加工以及涉及電火花加工的復合加工方法。
所述的取樣電路以電流特性為伺服依據。
所述的微處理器接受取樣電路的信號，從而計算出采樣周期內的電流脈沖概率； 根據采樣周期內的電流脈沖概率和所設定的電流脈沖概率得到比例因子，作為伺服依據。
所述的采樣周期能根據加工的對象及加工要求進行改變。
所設定的電流脈沖概率一般為70°/Γ95%之間，可根據加工的對象、加工要求和加工參數等進行調節。
本發明的有益效果本發明控制精度高，尤其是不受加工狀態的影響，能自動尋找到所設定的理想進給速度。
本發明方法簡便易行，只需在原有的控制電路中增加一個電流脈沖采樣電路加上簡單的計算軟件，即可實現最佳恒速控制。
本發明適用范圍廣，尤其是對于半導體電火花加工是目前可知的唯一伺服控制方 法。
本發明有利于提高加工速度和加工質量，在電火花線切割加工中減少斷絲等加工故障的發生，可延長無故障工作時間，延長電極絲的使用壽命。
圖I是現有的金屬材料電火花加工三種放電狀態示意圖。
圖2是現有的半導體材料電火花加工三種放電狀態示意圖。
圖3是不同進給速度下電火花電流電壓波形圖。
圖4是進給速度與電流脈沖產生概率的關系示意圖。
圖5本發明的伺服控制方法的控制流程圖。
圖6本發明的電流采樣系統的結構框圖示意圖。
圖7是采用傳統伺服系統所切割的單晶硅樣件示意圖。
圖8是采用本發明的基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法所切割的單晶娃樣件不意圖。
圖9是采用本發明的基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法所切割的單晶硅變厚度切割樣件示意圖。
線。
圖10本發明的單晶硅材料電火花線變厚度切割時進給速度與切割厚度關系曲表
I是本發明實施例的單晶硅材料電火花線切割加工工藝條件。表I
權利要求
1.一種基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法，其特征是以電流信號為采樣信號，通過取樣電路在采樣周期內對電流脈沖出現概率進行采集得到采樣電流脈沖概率；采樣電流脈沖概率指產生電流的脈沖的個數占采樣周期內總脈沖個數的百分比；采用微處理器對采樣電流脈沖概率進行存儲和計算，將采樣電流脈沖概率與所設定的電流脈沖概率進行比較，得到比例因子作為伺服控制依據，從而控制電火花機床進給；比例因子可根據下式求得比例因子=[設定的電流脈沖概率+采樣電流脈沖概率]n式中指數常數η的取值為1/3 < η < 1/2 ；設定的電流脈沖概率根據不同的加工方式、情況與對象可取709Γ95% ；當采樣電流脈沖概率大于所設定的電流脈沖概率，則將此時的進給速度乘以比例因子，降低進給速度；當采樣電流脈沖概率小于設定的電流脈沖概率，則將此時的進給速度乘以比例因子，提高進給速度；使得實際電流脈沖概率逐步趨向于所設定的電流脈沖概率; 所述的產生電流的脈沖包括正常放電脈沖和短路脈沖。
2.根據權利要求I所示的伺服控制方法，其特征是它適用于電火花加工的材料包括金屬、電阻率范圍在O. 01—100 Ω ·αιι之間的半導體材料及含有導電物質的非均質復合材料。
3.根據權利要求I所示的伺服控制方法，所適用的電火花加工方法包括電火花線切割、電火花成型、電火花穿孔加工以及涉及電火花加工的復合加工方法。
4.根據權利要求I所示的伺服控制方法，其特征是所述的取樣電路以電流特性為伺服依據。
5.根據權利要求I所示的伺服控制方法，其特征是所述的微處理器接受取樣電路的信號，從而計算出采樣周期內的電流脈沖概率；根據采樣周期內的電流脈沖概率和所設定的電流脈沖概率得到比例因子，作為伺服依據。
6.根據權利要求I所示的伺服控制方法，其特征是所述的采樣周期能根據加工方式、 對象及要求進行改變。
7.根據權利要求I所示的伺服控制方法，其特征是所設定的電流脈沖概率與加工的效率、表面質量、電極損耗有關，并針對不同的加工要求進行隨時改變。
全文摘要
一種基于電流脈沖概率檢測的電火花伺服控制方法，其特征是以電流信號為采樣信號，通過取樣電路在采樣周期內對電流脈沖出現概率進行采集得到采樣電流脈沖概率；采用微處理器對采樣電流脈沖概率進行計算和存儲，將采樣電流脈沖概率與所設定的電流脈沖概率進行比較，得到比例因子作為伺服控制依據，從而控制電火花機床進給；當采樣電流脈沖概率大于所設定的電流脈沖概率，則將此時的進給速度乘以比例因子；當采樣電流脈沖概率小于設定的電流脈沖概率，則將此時的進給速度乘以比例因子，使得實際電流脈沖概率逐步趨向于所設定的電流脈沖概率。本發明控制精度高，能防止過進給和欠進給現象的發生，適用于金屬、半導體及含有導電物質的非均質復合材料的各種電火花加工形式，能夠提高加工穩定性及加工質量。
文檔編號B23H7/18GK102909447SQ20121044123
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年9月19日
發明者劉志東, 邱明波, 潘慧君, 田宗軍, 沈理達 申請人:南京航空航天大學