[发明专利]静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测方法及其电路设计

说明书

技术领域

本发明涉及微细电火花加工的伺服控制，解决静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测问题，具体涉及一种静电感应微细电火花加工的非接触极间电压检测方法及其电路设计。

技术背景

该专利的提出来源于国家自然科学基金项目“基于静电感应的微细电火花加工新方法的研究”(50775056)。在微细电火花加工中，常用的电源为RC脉冲电源，哈尔滨工业大学的杨晓冬和日本东京农工大学的国枝正典提出了基于静电感应的微细电火花加工新方法。基于静电感应原理的微细电火花加工方法采用了与目前的电火花加工完全不同的给电方式。它在输入电源与工具电极之间增加一个给电电极，利用静电感应以非接触的方式给工具电极供电。在给电电极和工具电极之间保持一定的距离，以保证它们之间不发生放电，这样在给电电极和工具电极之间就不会发生电荷的移动，只在工具电极和工件之间通过放电发生电子的移动。该放电回路中，在给电电极和工具电极之间虽然有变位电流通过，但是没有传导电流通过，因此可以完全避免回路中分布电容的不利影响。放电能量仅由给电电极和工具电极之间、及工具电极和工件之间形成的静电容量来决定，与以往的由分布电容来决定最小极限放电能量的微细电火花加工相比，能够实现更加微细的加工。

图1是静电感应给电的放电回路与RC脉冲电源放电回路的对比。图a)为RC回路，其中C为用来进行充电和放电的电容器，工具电极与输入电源之间具有直接连接的回路。图b)为静电感应非接触给电的回路，它增加了一个给电电极，而且工具电极分为两部分，分别是与给电电极进行静电感应的给电部分和进行放电加工的先端部分，给电电极与工具电极的给电部分非接触地对置，工具电极与输入电源之间没有直接连接的回路。如果把给电电极和工具电极之间形成的静电容量视为C₁，把工具电极和工件之间形成的静电容量视为C₂，则可以看到静电感应非接触给电方式与传统的RC脉冲电源放电回路完全不同，其实质相当于多层电容原理。由于在微细电火花加工中工具加工端的面积和给电电极的面积之比相差很大，这样在感应电荷相等的情况下，电极加工端的电荷密度更大，电场强度更强，更容易击穿介质而发生放电。并且可以看到，本方法并不排除工具电极和工件之间静电容量的影响(该静电容量也是分布电容之一)，而是利用工具电极和工件之间充电后所储存的微小电荷放电来进行加工。

静电感应非接触给电方式除了能避免分布电容的不利影响之外，它的另外一个特点在于它使主轴系统从结构上根本去除了电刷，有利于降低主轴振动，提高主轴回转精度，从而有利于进一步提高电火花加工的微细化程度。因为在微细电火花加工中，为了促进极间的排屑，需要让工具电极进行高速旋转，微细轴和微细孔的微细程度在很大程度上也取决于主轴回转精度的影响。目前的主轴系统采用的都是电刷给电，它属于接触式给电，电刷和配电线直接作用在旋转的主轴上，将使主轴在高速旋转时产生附加振动，另外元件的发热、磨损和接触不良都将降低主轴回转精度。近年来，尽管在高精度的回转主轴的结构设计中，采用了静压轴承和磁轴承等先进的技术，但是给电的实现仍很困难，且主轴的振动问题不易解决。因此，主轴回转精度能否进一步提高也成为制约微细电火花加工进一步发展的关键问题之一。基于静电感应原理的给电方式是以非接触的方式给工具电极供给能量，与主轴没有接点和作用力，不仅可以很容易地对高速旋转主轴进行供电，而且能够有效地降低主轴振动，避免了电刷接触式给电的缺点，能提高主轴的回转精度，并有利于采用静压轴承和磁轴承等先进的技术，因此有利于进一步提高微细电火花加工的微细化程度。

为实现静电感应微细电火花加工加工过程的自动控制，必须实现间隙控制的伺服化，因此极间状态的检测是必要的。极间状态的检测有各种方法，其中平均电压检测法的输出只与加工时的工作电压相关，所需电路较为简单，在伺服控制的过程中，只需设置不同的门槛电压就可以容易的区分出各种不同的放电状态，识别出不同的放电状态后伺服控制系统控制主轴(或工作台)进给或回退，从而得到合适的加工间隙。为了得到有关极间电压信号，需要从主轴上和工件上引出两根电压检测线。一般是使用电刷从旋转主轴上获得极间电压信号，即接触式极间电压检测方法。

但是，在静电感应微细电火花加工方法中采用的是非接触的给电方式，检测线无法直接连接到高速旋转的主轴上，为此本专利申请提出一种基于电容分压原理的非接触极间电压检测方法，解决了静电感应给电方式下高速旋转主轴与工件之间的极间电压的测量问题。同时所设计的非接触极间电压检测回路对放电回路的影响小，极间放电能量流失少，有利于实现微小放电能量下的微细电火花加工的伺服控制。