專(zhuān)利名稱(chēng)：基于電流脈沖概率檢測(cè)的電火花伺服控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電火花加工技術(shù)，尤其是一種電火花加工中電極進(jìn)給速度的控制方法，具體地說(shuō)是一種適用于金屬、半導(dǎo)體材料及含有導(dǎo)電物質(zhì)的非均質(zhì)復(fù)合材料電火花加工的基于電流脈沖概率檢測(cè)的電火花伺服控制方法。
背景技術(shù)：
電火花加工是利用兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)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(diǎn)1.能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復(fù)雜形狀工件；2.加工時(shí)無(wú)宏觀切削力；3.不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；4.工具電極材料無(wú)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(guò)檢測(cè)工件與電極間的間距大小來(lái)進(jìn)行自動(dòng)的伺服進(jìn)給?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的伺服控制方法主要是通過(guò)工件和電極間的平均電壓大小來(lái)間接反映間隙的大小，主要方法有平均電壓檢測(cè)法和峰值電壓檢測(cè)法。
平均電壓檢測(cè)法就是利用加工時(shí)的平均電壓與所設(shè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而決定是否進(jìn)行伺服進(jìn)給。由圖I金屬材料電火花加工三種放電狀態(tài)的電流電壓特性可知，在空載、正常放電和短路狀態(tài)下其電壓特征有明顯的區(qū)別。在加工時(shí)，若空載電壓脈沖較多，其極間平均電壓則會(huì)增加；若短路電壓脈沖較多，則極間平均電壓就會(huì)降低。當(dāng)極間平均電壓高于基準(zhǔn)電壓，說(shuō)明此時(shí)放電間隙大于理想放電間隙，處于欠跟蹤狀態(tài)，應(yīng)增大進(jìn)給速度； 當(dāng)平均電壓低于基準(zhǔn)電壓，說(shuō)明此時(shí)放電間隙小于理想放電間隙，處于過(guò)跟蹤狀態(tài)，應(yīng)減小進(jìn)給速度；當(dāng)平均電壓與基準(zhǔn)電壓相近，說(shuō)明此時(shí)放電間隙為較理想放電間隙，則維持當(dāng)前電極進(jìn)給速度。在加工中可以通過(guò)調(diào)整伺服進(jìn)給達(dá)到理想的進(jìn)給速度。
但現(xiàn)有的伺服控制方法存在局限性，在加工時(shí)需人工調(diào)節(jié)各種參數(shù)來(lái)達(dá)到理想的進(jìn)給速度。反饋系統(tǒng)只能在所設(shè)定的范圍內(nèi)進(jìn)行伺服調(diào)節(jié)，無(wú)法自動(dòng)的達(dá)到最佳的進(jìn)給速度，所以很大程度上依賴(lài)于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。
隨著科技的發(fā)展，半導(dǎo)體材料在各行業(yè)中應(yīng)用日趨廣泛，但半導(dǎo)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(qiáng)度非常接近等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法在遇到高厚度、非直線(xiàn)加工面時(shí)十分困難。電火花加工是一種沒(méi)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(diǎn)，非常適合對(duì)硬脆半導(dǎo)體材料的加工。經(jīng)過(guò)科研人員的努力已經(jīng)對(duì)電火花加工半導(dǎo)體的可行性、加工機(jī)理和加工工藝等有了深刻的了解，目前存在的最大問(wèn)題就是如何保障半導(dǎo)體材料電火花加工時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定的自動(dòng)伺服進(jìn)給。
由圖2可以看出半導(dǎo)體材料采用恒壓電源時(shí)電火花加工三種狀態(tài)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(zhì)的區(qū)別。由于半導(dǎo)體體電阻的存在，電壓取樣信號(hào)不再僅僅取到的是極間放電電壓，而且還包含半導(dǎo)體體電阻上以及進(jìn)電接觸端接觸勢(shì)壘上的壓降。在正常放電和短路狀態(tài)下，電壓較空載時(shí)不會(huì)有明顯的下降。此時(shí)如采用上述傳統(tǒng)伺服控制方法，系統(tǒng)會(huì)將所有加工狀態(tài)都當(dāng)作空載狀態(tài)處理，此時(shí)極間取樣電壓會(huì)一直高于基準(zhǔn)電壓，伺服系統(tǒng)會(huì)不斷提高進(jìn)給速度，直至速度達(dá)到所設(shè)定的最大值，在電火花加工時(shí)，此時(shí)電極與半導(dǎo)體往往已處于短路且電極已經(jīng)被半導(dǎo)體頂彎，甚至?xí)簲唷Ｋ杂矛F(xiàn)有伺服系統(tǒng)在對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行加工時(shí)將無(wú)法辨別加工狀況，在加工中往往出現(xiàn)短路情況。目前，在半導(dǎo)體材料的電火花加工中只能根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行恒速進(jìn)給，這樣不僅加工效率低，并且加工精度也無(wú)法得到保證。
對(duì)于非均質(zhì)材料，如碳纖維材料，雖然存在導(dǎo)電物質(zhì)，但由于材料電阻率不均勻， 同樣不能采用現(xiàn)有伺服取樣控制方法進(jìn)行加工。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的電火花加工中進(jìn)給速度調(diào)整是以電壓檢測(cè)為依據(jù)從而極易造成過(guò)度進(jìn)給或欠進(jìn)給現(xiàn)象發(fā)生，影響加工速度和質(zhì)量的問(wèn)題，發(fā)明一種以電流脈沖為依據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)電極進(jìn)給速度的基于電流脈沖概率檢測(cè)的電火花伺服控制方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于電流脈沖概率檢測(cè)的電火花伺服控制方法，其特征是以電流信號(hào)為采樣信號(hào)，通過(guò)取樣電路在采樣周期內(nèi)對(duì)電流脈沖出現(xiàn)概率進(jìn)行采集得到采樣電流脈沖概率；采樣電流脈沖概率指產(chǎn)生電流的脈沖的個(gè)數(shù)占采樣周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分比；采用微處理器對(duì)采樣電流脈沖概率進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，將采樣電流脈沖概率與所設(shè)定的電流脈沖概率進(jìn)行比較，得到比例因子作為伺服控制依據(jù)，從而控制電火花機(jī)床進(jìn)給；比例因子=[設(shè)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(shù)，η越小，每次速度調(diào)節(jié)的幅度就越小，速度變化越平穩(wěn)。但如果η值太小則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)慢，一般取1/3 < η < 1/2。
根據(jù)電火花線(xiàn)切割加工經(jīng)驗(yàn)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?yàn)樵谡＜庸っ}沖和短路脈沖中都會(huì)產(chǎn)生電流脈沖，所以在放電狀況較好的情況下，電流脈沖產(chǎn)生概率為 90%左右。由于加工方式(電火花線(xiàn)切割、電火花成型、電火花穿孔等)、對(duì)象及條件不同，理想的電流脈沖概率也會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，一般為709Γ95%。所以設(shè)定的電流脈沖概率一般在70°/Γ95%之間較為合適。
當(dāng)采樣電流脈沖概率大于所設(shè)定的電流脈沖概率，則將此時(shí)的進(jìn)給速度乘以比例因子(此時(shí)小于1)，以降低進(jìn)給速度；當(dāng)采樣電流脈沖概率小于設(shè)定的電流脈沖概率，則將此時(shí)的進(jìn)給速度乘以比例因子(此時(shí)大于1)，提高進(jìn)給速度；使得實(shí)際電流脈沖概率逐步趨向于所設(shè)定的電流脈沖概率；所述的產(chǎn)生電流的脈沖包括正常放電脈沖和短路脈沖。
本發(fā)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(dǎo)體材料及含有導(dǎo)電物質(zhì)的非均質(zhì)復(fù)合材料。
本發(fā)明的電火花加工方法包括電火花線(xiàn)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(fù)合加工方法。
所述的取樣電路以電流特性為伺服依據(jù)。
所述的微處理器接受取樣電路的信號(hào)，從而計(jì)算出采樣周期內(nèi)的電流脈沖概率； 根據(jù)采樣周期內(nèi)的電流脈沖概率和所設(shè)定的電流脈沖概率得到比例因子，作為伺服依據(jù)。
所述的采樣周期能根據(jù)加工的對(duì)象及加工要求進(jìn)行改變。
所設(shè)定的電流脈沖概率一般為70°/Γ95%之間，可根據(jù)加工的對(duì)象、加工要求和加工參數(shù)等進(jìn)行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明控制精度高，尤其是不受加工狀態(tài)的影響，能自動(dòng)尋找到所設(shè)定的理想進(jìn)給速度。
本發(fā)明方法簡(jiǎn)便易行，只需在原有的控制電路中增加一個(gè)電流脈沖采樣電路加上簡(jiǎn)單的計(jì)算軟件，即可實(shí)現(xiàn)最佳恒速控制。
本發(fā)明適用范圍廣，尤其是對(duì)于半導(dǎo)體電火花加工是目前可知的唯一伺服控制方 法。
本發(fā)明有利于提高加工速度和加工質(zhì)量，在電火花線(xiàn)切割加工中減少斷絲等加工故障的發(fā)生，可延長(zhǎng)無(wú)故障工作時(shí)間，延長(zhǎng)電極絲的使用壽命。


圖I是現(xiàn)有的金屬材料電火花加工三種放電狀態(tài)示意圖。
圖2是現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料電火花加工三種放電狀態(tài)示意圖。
圖3是不同進(jìn)給速度下電火花電流電壓波形圖。
圖4是進(jìn)給速度與電流脈沖產(chǎn)生概率的關(guān)系示意圖。
圖5本發(fā)明的伺服控制方法的控制流程圖。
圖6本發(fā)明的電流采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖示意圖。
圖7是采用傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)所切割的單晶硅樣件示意圖。
圖8是采用本發(fā)明的基于電流脈沖概率檢測(cè)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(fā)明的基于電流脈沖概率檢測(cè)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(xiàn)。
圖10本發(fā)明的單晶硅材料電火花線(xiàn)變厚度切割時(shí)進(jìn)給速度與切割厚度關(guān)系曲表
I是本發(fā)明實(shí)施例的單晶硅材料電火花線(xiàn)切割加工工藝條件。表I
權(quán)利要求
1.一種基于電流脈沖概率檢測(cè)的電火花伺服控制方法，其特征是以電流信號(hào)為采樣信號(hào)，通過(guò)取樣電路在采樣周期內(nèi)對(duì)電流脈沖出現(xiàn)概率進(jìn)行采集得到采樣電流脈沖概率；采樣電流脈沖概率指產(chǎn)生電流的脈沖的個(gè)數(shù)占采樣周期內(nèi)總脈沖個(gè)數(shù)的百分比；采用微處理器對(duì)采樣電流脈沖概率進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，將采樣電流脈沖概率與所設(shè)定的電流脈沖概率進(jìn)行比較，得到比例因子作為伺服控制依據(jù)，從而控制電火花機(jī)床進(jìn)給；比例因子可根據(jù)下式求得比例因子=[設(shè)定的電流脈沖概率+采樣電流脈沖概率]n式中指數(shù)常數(shù)η的取值為1/3 < η < 1/2 ；設(shè)定的電流脈沖概率根據(jù)不同的加工方式、情況與對(duì)象可取709Γ95% ；當(dāng)采樣電流脈沖概率大于所設(shè)定的電流脈沖概率，則將此時(shí)的進(jìn)給速度乘以比例因子，降低進(jìn)給速度；當(dāng)采樣電流脈沖概率小于設(shè)定的電流脈沖概率，則將此時(shí)的進(jìn)給速度乘以比例因子，提高進(jìn)給速度；使得實(shí)際電流脈沖概率逐步趨向于所設(shè)定的電流脈沖概率; 所述的產(chǎn)生電流的脈沖包括正常放電脈沖和短路脈沖。
2.根據(jù)權(quán)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(dǎo)體材料及含有導(dǎo)電物質(zhì)的非均質(zhì)復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)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(xiàn)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(fù)合加工方法。
4.根據(jù)權(quán)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(jù)。
5.根據(jù)權(quán)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(hào)，從而計(jì)算出采樣周期內(nèi)的電流脈沖概率；根據(jù)采樣周期內(nèi)的電流脈沖概率和所設(shè)定的電流脈沖概率得到比例因子，作為伺服依據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)加工方式、 對(duì)象及要求進(jìn)行改變。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所示的伺服控制方法，其特征是所設(shè)定的電流脈沖概率與加工的效率、表面質(zhì)量、電極損耗有關(guān)，并針對(duì)不同的加工要求進(jìn)行隨時(shí)改變。
全文摘要
一種基于電流脈沖概率檢測(cè)的電火花伺服控制方法，其特征是以電流信號(hào)為采樣信號(hào)，通過(guò)取樣電路在采樣周期內(nèi)對(duì)電流脈沖出現(xiàn)概率進(jìn)行采集得到采樣電流脈沖概率；采用微處理器對(duì)采樣電流脈沖概率進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，將采樣電流脈沖概率與所設(shè)定的電流脈沖概率進(jìn)行比較，得到比例因子作為伺服控制依據(jù)，從而控制電火花機(jī)床進(jìn)給；當(dāng)采樣電流脈沖概率大于所設(shè)定的電流脈沖概率，則將此時(shí)的進(jìn)給速度乘以比例因子；當(dāng)采樣電流脈沖概率小于設(shè)定的電流脈沖概率，則將此時(shí)的進(jìn)給速度乘以比例因子，使得實(shí)際電流脈沖概率逐步趨向于所設(shè)定的電流脈沖概率。本發(fā)明控制精度高，能防止過(guò)進(jìn)給和欠進(jìn)給現(xiàn)象的發(fā)生，適用于金屬、半導(dǎo)體及含有導(dǎo)電物質(zhì)的非均質(zhì)復(fù)合材料的各種電火花加工形式，能夠提高加工穩(wěn)定性及加工質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23H7/18GK102909447SQ20121044123
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者劉志東, 邱明波, 潘慧君, 田宗軍, 沈理達(dá) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)