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基于電容耦合的微細(xì)電火花加工雜散電容測(cè)量方法的研究
2016-6-13  來(lái)源:哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院  作者:李志彬,馮光磊,楊曉冬

  
       摘要:提出了基于電容耦合原理的微細(xì)電火花加工機(jī)床雜散電容的測(cè)量方法。根據(jù)電容耦合分壓原理,通過(guò)測(cè)量極間開(kāi)路電壓,可推算出機(jī)床的雜散電容。利用電路仿真軟件驗(yàn)證了方法的可行性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了方法的可靠性。
 

      關(guān)鍵詞:微細(xì)電火花加工;雜散電容;電容耦合;示波器


      隨著微細(xì)零部件加工需求的增加及MEMS 技術(shù)的發(fā)展,對(duì)微細(xì)電火花加工的需求日益增多。減小脈沖電源單個(gè)脈沖的放電能量是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工的關(guān)鍵之一。通常,微米級(jí)的加工精度及表面粗糙度所需的單個(gè)脈沖放電能量應(yīng)控制在10-6~10-7 J 數(shù)量級(jí)之間。對(duì)于傳統(tǒng)RC 脈沖電源,為降低單個(gè)脈沖的放電能量,主要的解決途徑是減小回路的電容容量。然而,RC 脈沖電源回路中的電容容值并非單純地指電路中的標(biāo)稱容值,還包含各種雜散電容。


     為實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖放電能量的最小化,在實(shí)際微細(xì)電火花加工中,通常不在RC 回路中接入電容,而是利用機(jī)床的雜散電容充當(dāng)RC 回路的充電電容。機(jī)床的雜散電容主要包括電源輸出線間的雜散電容,電極夾具與工件、工作臺(tái)間的雜散電容,電極與工件、工作臺(tái)間的雜散電容。為評(píng)估機(jī)床的雜散電容對(duì)放電能量的影響,有必要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。


     楊曉冬等提出的基于電容耦合原理的微細(xì)電火花加工方法是利用工具電極和工件之間形成的靜電容量,并增加一個(gè)給電電容,使其與極間等效靜電電容串聯(lián)接在方波脈沖電源的兩端,并通過(guò)電容耦合的方式給極間充電[1]。該方法由于能避免雜散電容的不利影響, 故可獲得更微小的放電能量。同時(shí),該方法也為微細(xì)電火花加工機(jī)床雜散電容的測(cè)量提供了可能。


     1 、基于電容耦合的雜散電容測(cè)量原理


     電容耦合是電子耦合的一種,它借助電路中的電容進(jìn)行能量的傳輸,通常是在串聯(lián)電路中安置電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的耦合。由于電容本身的性質(zhì),只有交流信號(hào)能通過(guò)耦合到達(dá)下一級(jí)電路, 因此,電容耦合有時(shí)也被稱為“交流耦合”。根據(jù)電荷守恒定律,相互串聯(lián)的電容上電荷量相等,電容上的分壓與電容成反比。


      機(jī)床的雜散電容分布見(jiàn)圖1。Cs1為電火花加工脈沖電源輸出線之間的雜散電容;Cs2、Cs3分別為電極夾具與工件、工作臺(tái)間的雜散電容;Cs4、Cs5分別為電極與工件、工作臺(tái)間的雜散電容。

     

      圖1 微細(xì)電火花機(jī)床雜散電容的分布


      基于電容耦合的雜散電容測(cè)量原理見(jiàn)圖2。該方法增加了一個(gè)給電電容C1,其與極間串聯(lián)接在方波脈沖電源的兩端;C2為電極、電極夾具與工件、工作臺(tái)間的雜散電容的統(tǒng)稱, 即C2=Cs2+Cs3+Cs4+Cs5;C2′為方波脈沖電源與給電電容C1之間的電源線間的雜散電容;C2″為電路中給電電容C1之后的電源線間的雜散電容。當(dāng)給電電容C1與方波電源間的電源線很短時(shí),雜散電容C2′可忽略不計(jì),此時(shí),Cs1≈C2″,雜散電容C2′對(duì)極間電壓并無(wú)影響[2]。

 

      

          圖2 基于電容耦合的雜散電容測(cè)量方法原理圖


        根據(jù)電容耦合分壓原理,極間開(kāi)路充電電壓可表示為:

 

        


      測(cè)量時(shí),需考慮示波器探頭輸入電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,示波器探頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。其中,Rp和Cp位于探頭尖端內(nèi),10×探頭的輸入阻抗Rp為9 MΩ,輸入電容Cp約為10 pF;Ro為示波器的輸入阻抗(Ro=1 MΩ);Co為示波器的輸入電容、同軸電纜等效電容及探頭補(bǔ)償箱電容的組合值,一般來(lái)說(shuō),無(wú)源探頭的電纜存在60 pF 容性, 加上一般示波器20 pF的輸入電容及一些雜散,大約為90 pF[3]。

 

     

      圖3 示波器探頭原理圖
 

     示波器、示波器探頭、同軸電纜共存在輸入電容Cosc=Cp∥Co≈9 pF。在利用示波器測(cè)量出極間電壓值并計(jì)算出極間雜散電容Cs后,需減去示波器引入的電容Cosc, 才是最終所要測(cè)量的機(jī)床總的雜散電容。


     2 、電容耦合雜散電容測(cè)量方法的仿真驗(yàn)證


     為驗(yàn)證電容耦合雜散電容測(cè)量方法的可行性,首先利用電路仿真軟件Multisim 對(duì)其進(jìn)行仿真。仿真電路見(jiàn)圖4,其中包括了示波器探頭的影響。

 

     


        圖4 仿真電路圖
 

      先在極間預(yù)設(shè)一個(gè)雜散電容,通過(guò)仿真得到極間電壓的測(cè)量值,再根據(jù)式(2)計(jì)算出雜散電容,并與預(yù)設(shè)的雜散電容進(jìn)行比較,以驗(yàn)證該方法的可行性。仿真條件見(jiàn)表1。


                                表1 仿真條件

  

     
   

     圖5 是仿真得到的極間開(kāi)路充電電壓與方波電源電壓的波形圖。可看出,使用的方波電源U1為單極性方波脈沖,而極間電壓U2為正負(fù)雙極性方波脈沖。這是因?yàn)閱螛O性方波脈沖由直流信號(hào)和交流信號(hào)兩部分組成, 而電容具有通交流阻直流的特性, 所以單極性方波脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)給電電容C1后,會(huì)將直流偏置信號(hào)過(guò)濾, 僅有交流信號(hào)加在負(fù)載
上,因此,極間電壓U2變?yōu)殡p極性方波脈沖信號(hào)。

 

     

        圖5 方波電源電壓與極間電壓波形圖
 

      在利用式(2)計(jì)算雜散電容時(shí),方波電源電壓U1與極間電壓U2取其峰值計(jì)算, 仿真電路方波電源峰的峰值Up1=E=250 V, 仿真得到極間電壓峰的峰值Up2=139.4 V,給電電容C1=100 pF,示波器雜散電容Cosc=9 pF,將上述數(shù)據(jù)代入式(2),得到最終的機(jī)床實(shí)際雜散電容Cs=70.3 pF, 該結(jié)果與仿真條件預(yù)設(shè)的雜散電容70 pF 相近, 驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可行性。


      3 、電容耦合雜散電容測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


     利用電容耦合雜散電容測(cè)量方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有微細(xì)電火花加工機(jī)床(鑄鐵床身)的雜散電容進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。實(shí)驗(yàn)所使用的方波脈沖電源由直流穩(wěn)壓電源及MOSFET 斬波電路構(gòu)成。


     為調(diào)查測(cè)量回路中各參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,經(jīng)多次改變給電電容值、直流電源電壓值及脈沖頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2。
   

                            表2 實(shí)驗(yàn)條件

  

    
 


     圖6 是在直流電源電壓E=250 V、脈沖頻率f=200 kHz、給電電容C1=100 pF 條件下得到的極間電壓波形, 其極間電壓峰的峰值為156.6 V, 根據(jù)式(2)求得雜散電容Cs=50.6 pF。

 

     

       圖6 極間電壓波形


      圖7 是當(dāng)方波電源脈沖頻率為10 kHz 時(shí),在不同的給電電容C1和直流電源電壓E 條件下測(cè)量得到的雜散電容。可看出, 雜散電容在45.3~48.4 pF之間基本保持恒定。同時(shí),圖8 是在不同的方波電源脈沖頻率條件下測(cè)量得到的極間雜散電容。可看出,雜散電容在46.4~50.8 pF 之間也基本保持恒定。由此可知,在測(cè)量回路的不同參數(shù)條件下測(cè)得的機(jī)床雜散電容值差別可忽略,由此能證明電容耦合雜散電容測(cè)量方法的可靠性。

 

      

      圖7 給電電容和直流電源電壓對(duì)雜散電容測(cè)量結(jié)果的影響

  

     

      圖8 脈沖電源頻率與電壓對(duì)雜散電容測(cè)量結(jié)果的影響
   

     4 、結(jié)語(yǔ)


     本文提出的基于電容耦合原理的電火花加工機(jī)床雜散電容測(cè)量方法,通過(guò)觀測(cè)極間開(kāi)路電壓就可推算出雜散電容。通過(guò)理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和可靠性。

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