CN115026360A - 一种放电加工间隙监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种放电加工间隙监测装置，包括放电间隙对刀系统、工作平台、电源工作盒和CCD电子显微镜，放电间隙对刀系统和CCD电子显微镜置于工作平台上；放电间隙对刀系统包括柔性夹具、精密对刀滑台和可调节式工件夹具；电源工作盒内设有脉冲电源、步进电机驱动电源、高压继电器、开关电源、单片机控制单元、电流传感器和低压继电器；CCD电子显微镜通过其自带的滑轨和升降装置进行工件加工时的镜头对焦，监测放电加工间隙的极间放电火花、极间蚀除形貌、极间电化学反应、临界放电间隙和极间电压。上述技术方案中提供的放电加工间隙监测装置及其监测方法，能有效解决现有技术对电火花加工过程中的数据监测不完全及不能在线监测的技术问题。

Description

一种放电加工间隙监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及放电加工技术领域，具体涉及一种放电加工间隙监测装置及其监测方法。

背景技术

电火花放电加工技术是利用工件与工具电极之间形成的脉冲性火花放电，高温熔化、汽化，蚀除工件材料，完成加工。由于电火花成形加工固有的特点，其加工速度还是显得较慢，特别是在精加工条件下，电火花加工的表面质量和生产效率之间存在很大的矛盾，使电火花加工在保证加工质量的前提下提高加工效率，是我们一直关注的问题。特别是在电火花放电加工过程中，明确极间放电火花状态、极间蚀除形貌、介质极化过程、临界放电间隙和极间电压对于把握电火花放电加工过程，制定高效有效的工艺方法，从而提高电火花加工质量和加工效率至关重要。

现在已有的监测设备（例如：公开号为CN110802289A的一种数控电解加工极间最小间隙检测方法和装置、公开号为CN113866576A的一种基于射频检测的电火花线切割放电状态监测装置、公开号为CN107186296A具有实时监测功能的电火花加工机构、公开号为CN107398612A的一种基于聚类分析的电火花间隙放电状态检测装置与方法，其监测功能比较单一，多是电压、电流的检测电路。）不能或者仅能监测部分以上参数，不能全面的呈现电火花放电加工过程中的微观变化，或者不能实现对以上参数的在线监测。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种放电加工间隙监测装置及其监测方法，能有效解决现有技术对电火花加工过程中的数据监测不完全及不能在线监测的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种放电加工间隙监测装置，包括放电间隙对刀系统、工作平台、电源工作盒和CCD电子显微镜，所述放电间隙对刀系统和CCD电子显微镜置于工作平台上；

所述放电间隙对刀系统包括柔性夹具、精密对刀滑台和可调节式工件夹具，所述柔性夹具对工具电极进行柔性装夹，所述精密对刀滑台与柔性夹具相连、且两者固定在所述工作平台上，所述工件夹具夹持工件并位于工作平台上方、柔性夹具下方；

所述电源工作盒内设有脉冲电源、步进电机驱动电源、高压继电器、开关电源、单片机控制单元、电流传感器和低压继电器；所述脉冲电源与放电间隙对刀系统相连，完成放电加工过程；所述步进电机驱动电源驱动精密对刀滑台带动工具电极在Z轴方向进行升降运动；所述开关电源分别与高压继电器和低压继电器构成高低压控制电路，电流传感器进行电流检测并传输电信号，单片机控制单元与各控制元件相连并输出控制信号；

所述CCD电子显微镜通过其自带的滑轨和升降装置进行工件加工时的镜头对焦；监测放电加工间隙的极间放电火花、极间蚀除形貌、极间电化学反应、临界放电间隙和极间电压。

进一步地方案为，所述柔性夹具包括用于连接精密对刀滑台的连接板、与连接板固定连接的第一夹板，设在第一夹板外侧的第二夹板以及连接第一夹板和第二夹板的弹簧，第一夹板和第二夹板之间形成夹持工具电极的夹缝。

进一步地方案为，所述弹簧的数量为5~20个，沿第一夹板和第二夹板横向间隔等距布置。

进一步地方案为，所述工具电极为片状、圆柱状或带棱尖的紫铜、钢、钨、铜钨合金或者石墨电极；且工具电极具有30°~80°的刃锋。

进一步地方案为，所述工件夹具包括用于固定工件的液槽，所述液槽内的中间位置设有用于分隔电解质溶液的隔板，隔板一侧紧贴隔板设有用于夹持工件的磁铁，所述液槽下方设有用于调节液槽位置的调节机构，所述调节机构下方通过机床连接板与工作平台相连。

进一步地方案为，所述CCD电子显微镜还包括第一镜头，第二镜头和照明灯，所述照明灯与第一镜头同轴布置进行电火花实验过程的光学检测、且两者通过连接件与第二镜头相连，所述第二镜头固定在竖直布置的升降杆上、且沿升降杆轴向活动布置；所述升降杆底端通过滑块活动设在滑轨上。该CCD电子显微镜可以适配滑轨，移动范围比较灵活，可以灵活调节镜头的位置，来聚焦工件和电极的对应位置进行观测，并且清晰度好，可有效满足观测需求。

更进一步地方案为，所述工作平台包括水平布置的置物平台以及竖直布置的连接杆，所述连接杆设有两个，分别位于置物平台一端的两侧，两连接杆的底端固定在置物平台上，顶端通过连接横杆相连，所述电源工作盒与所述连接横杆固定、位于置物平台的端部。

同时提供一种上述放电加工间隙监测装置的监测方法，包括以下步骤：首先将工具电极装夹在柔性夹具上，工件装夹在液槽内的工件夹块上；

对刀阶段：调节CCD电子显微镜，打开其上的照明灯，转动调焦手轮，使屏幕中呈现清晰的工件和工具电极的像，之后调整工件夹具，使工件在X轴和Y轴方向保持水平，在单片机控制单元中按下对刀键，使得工具电极缓慢向下移动直至与工件接触报警完成对刀操作；

实验阶段：将示波器连接工具电极和工件，向液槽中倒入配置好的电解质溶液，调节偏振滤镜，再次调节CCD电子显微镜，转动调焦手轮，使屏幕中再次呈现清晰的工件和工具电极的像，此时照明灯常亮；设置放电电压，按下启动键，极间完成放电过程，同时CCD电子显微镜捕捉监测极间气泡，临界放电间隙，极间蚀除形貌，极间放电火花，并动态观察介质极化过程；当关闭照明灯，打开极间照明，捕捉监测放电辉光。

其中，极间电化学反应的现象为在负极产生气泡，气泡在放电间隙内运动；在负极辉光放电，正极产物。

目前，公开号为CN212872230U的一种电化学处理设备的在线监测装置以及公开号为CN114361534A的外部提供反应物的电化学装置的内部状态监测方法及装置，其除了使用光学仪器外，还需配合传感器及AD转换器进行参数监测，监测步骤较为麻烦。

极间的电化学反应有助于去除重铸层，通过对极间电化学反应的监测，利于分析电火花放电后的重铸层影响。本发明的技术方案提供了一种放电加工间隙监测装置，通过放电间隙对刀系统、工作平台、电源工作盒和CCD电子显微镜的配合作用，可以用来监测放电加工间隙，对极间放电火花、极间蚀除形貌、极间电化学反应、临界放电间隙和极间电压的在线监测；采用精密对刀滑台和控制系统的相互配合，实现自动对刀。

采用该监测装置进行的监测方法能有效解决现有设备对电火花加工过程中的数据监测不完全及不能在线监测的问题，同时利用CCD显微镜重点监测极间的蚀除形貌，该显微镜移动范围灵活，可灵活调节镜头的位置来聚焦工件和电极的对应位置进行观测，清晰度高，可有效满足观测需求，为提高电火花加工质量和加工效率提供基础。

附图说明

图1为本发明放电加工间隙监测装置的工作原理示意图；

图2为本发明放电加工间隙监测装置装配示意图；

图3为本实施例高清CCD电子显微镜示意图；

图4为本发明可调节工件夹具装配示意图；

图5为本发明柔性夹具装配示意图；

图6为本发明精密放电工作平台示意图；

图7为本发明所述液槽的结构示意图；

图8为本发明集成脉冲电源工作盒内装置示意图；

图9为本发明单片机控制单元的控制电路图；

图10为不同电压下的放电间隙；

图11不同浓度NaCl溶液的放电波形；

图12为NaCl溶液电化学气泡层；

图13为NaCl溶液脉冲伏安特性曲线；

图14为脉冲时间对临界放电间隙的影响。

图中：1、高清CCD电子显微镜；2、精密放电工作平台；3、可调节工件夹具；4、柔性夹具；5、集成脉冲电源工作盒；6、精密对刀滑台；7、磁铁；8、第一镜头；9、照明灯；10、CCD滑轨；11、第二镜头；12、CCD镜头升降杆；13、亚克力液槽；14、隔板；15、第一调节角度台；16、机床连接板；17、工件；18、第二调节角度台；19、第一夹板；21、置物平台；22、第三调节角度台；23、第二夹板；24、柔性弹簧；31、脉冲电源；32、步进电机驱动电源；33、高压继电器；34、开关电源；35、单片机控制单元；36、电流传感器；37、低压继电器。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

实施例1

本实施例1采取的技术方案如图1~9所示，一种放电加工间隙监测装置，包括放电间隙对刀系统、精密放电工作平台2、集成脉冲电源工作盒5和高清CCD电子显微镜1，放电间隙对刀系统和高清CCD电子显微镜1置于精密放电工作平台2上；放电间隙对刀系统包括柔性夹具4、精密对刀滑台6和可调节式可调节工件夹具3，柔性夹具4对工具电极进行柔性装夹，精密对刀滑台6与柔性夹具4相连、且两者固定在精密放电工作平台2上，精密对刀滑台中步进电机数量为2~4个。

如图4和图7所示，可调节工件夹具3包括用于固定工件17的亚克力液槽13，液槽13内的中间位置设有用于分隔电解质溶液的隔板14，隔板14一侧紧贴隔板设有用于夹持工件的磁铁7，亚克力液槽13下方设有用于调节液槽位置的调节机构，调节机构下方通过机床连接板与工作平台相连；调节机构下方通过机床连接板16与精密放电工作平台2相连；调节机构包括2~5个调节角度台，本实施例选用三个，分别为第一调节角度台15、第二调节角度台18以及第三调节角度台22，本实施例的调节机构为直接购买的标准间，这里不作过多叙述。

具体地，参考图5，柔性夹具4包括用于连接精密对刀滑台6的连接板、与连接板固定连接的第一夹板19，设在第一夹板19外侧的第二夹板23以及连接第一夹板19和第二夹板23的柔性弹簧24，第一夹板19和第二夹板23之间形成夹持工具电极的夹缝；柔性弹簧24的数量为5~20个，本实施例种设有6个柔性弹簧，各柔性弹簧沿第一夹板19和第二夹板23横向间隔等距布置。工具电极夹持于柔性夹具内，为片状、圆柱状或带棱尖的紫铜、钢、钨、铜钨合金或者石墨电极，且工具电极具有30°~80°的刃锋。

如图6所示，精密放电工作平台2包括水平布置的置物平台21以及竖直布置的连接杆，连接杆设有两个，分别位于置物平台21一端的两侧，两连接杆的底端固定在置物平台21上，顶端通过连接横杆相连，集成脉冲电源工作盒5与连接横杆固定、位于置物平台21的端部。

参考图3，高清CCD电子显微镜1通过其自带的CCD滑轨10和升降装置进行工件17加工时的镜头对焦；高清CCD电子显微镜1还包括第一镜头8，第二镜头11和照明灯9，照明灯9与第一镜头8同轴布置进行电火花实验过程的光学检测、且两者通过连接件与第二镜头11相连，第二镜头11固定在竖直布置的CCD镜头升降杆12上、且沿CCD镜头升降杆12轴向活动布置；CCD镜头升降杆12底端通过滑块活动设在CCD滑轨10上；具体地，两个镜头的Y方向的位置在显微镜安装在工作台上后就确定了，然后通过滑轨调节镜头的X方向的位置，高度通过升降杆同时调节。

高清CCD电子显微镜监测放电加工间隙的极间放电火花、极间蚀除形貌、极间电化学反应、临界放电间隙和极间电压。

如图8所示，集成脉冲电源工作盒5内设有脉冲电源31、步进电机驱动电源32、高压继电器33、开关电源34、单片机控制单元35、电流传感器36和低压继电器37；脉冲电源与放电间隙对刀系统相连，完成放电加工过程；步进电机驱动电源32驱动精密对刀滑台6带动工具电极在Z轴方向进行升降运动；开关电源34分别与高压继电器33和低压继电器37构成高低压控制电路，电流传感器36进行电流检测并传输电信号，单片机控制单元35与各控制元件相连并输出控制信号，参考图9，RAM控制系统即为本实施例的单片机控制单元，其直接通过PWM控制CCD电子显微镜进行抓拍，是直接连接；单片机控制系统通过连接斩波电路，将直流稳压电源的信号输出为脉冲信号，从而在极间实现脉冲放电；单片机控制系统直接连接步进电机单元，控制工件与工具电极的对刀。

实施例2

本实施例提供一种实施例1放电加工间隙监测装置的监测方法，包括以下步骤：

实验前准备阶段：准备亚克力亚克力液槽13、片状、圆柱状或带棱尖的紫铜、钢、钨、铜钨合金或者石墨电极若干、电解质工作液，把亚克力亚克力液槽13固定在可调节升降台上，将工件17可调节角度台和柔性夹具4分别固定在精密放电精密放电工作平台2上，并将工具电极和工件17分别装夹。

对刀阶段：调节高清CCD电子显微镜1，打开照明灯9，转动调焦手轮，使得屏幕中呈现最清晰的工件17和工具电极的像，调节角度台，使得工件17在X轴和Y轴方向保持水平，在单片机控制单元35中按下对刀键，使得工具电极缓慢向下移动直至与工件17接触报警完成对刀操作。

实验阶段：示波器连接于工具电极和工件17以检测放电电压，向亚克力液槽13中倒入配置好的电解质溶液，调节偏振滤镜，再次调节高清CCD电子显微镜1，转动调焦手轮，使得屏幕中再次呈现最清晰的工件17和工具电极的像，此时照明灯9常亮，设置放电电压，按下启动键，极间完成放电过程，同时高清CCD电子显微镜1捕捉监测极间气泡，临界放电间隙，极间蚀除形貌，极间放电火花，并动态观察介质极化过程；当关闭照明灯9，打开极间照明，捕捉监测放电辉光。

其中，极间电化学反应的现象为在负极产生气泡，气泡在放电间隙内运动；在负极辉光放电，正极产物。

图10为不同电压下放电间隙图，通过对放电电压和放电间隙的关系的把握，有利于确定加工余量，提高加工的精度；当气泡层大量聚集于电极表面，气泡层产生辉光放电。

图11为不同浓度NaCl溶液的放电波形以及不同浓度NaCl溶液的击穿波形图，由图可知，随着NaCl浓度升高，漏电流提高。

图12为NaCl溶液电化学气泡层，由图可知，在相同的NaCl浓度下，气泡量随脉冲电压提高而增加；在相同的电参数下，NaCl浓度越大，脉冲时间内产生的气泡越多。

图13为NaCl溶液脉冲伏安特性曲线，由图可知，在相同极间条件下，极间电流强度随极间电压强度线性增加，同一浓度的NaCl溶液，在不同的电参数下电导率、电阻率保持稳定。

图14为电压对放电间隙的影响，由图可知，临界放电间隙随脉冲电压的升高而提高。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种放电加工间隙监测装置，其特征在于：包括放电间隙对刀系统、工作平台、电源工作盒和CCD电子显微镜，所述放电间隙对刀系统和CCD电子显微镜置于工作平台上；

所述放电间隙对刀系统包括柔性夹具、精密对刀滑台和可调节式工件夹具，所述柔性夹具对工具电极进行柔性装夹，所述精密对刀滑台与柔性夹具相连、且两者固定在所述工作平台上，所述工件夹具夹持工件并位于工作平台上方、柔性夹具下方；

所述电源工作盒内设有脉冲电源、步进电机驱动电源、高压继电器、开关电源、单片机控制单元、电流传感器和低压继电器；所述脉冲电源与放电间隙对刀系统相连，完成放电加工过程；所述步进电机驱动电源驱动精密对刀滑台带动工具电极在Z轴方向进行升降运动；所述开关电源分别与高压继电器和低压继电器构成高低压控制电路，电流传感器进行电流检测并传输电信号，单片机控制单元控制CCD电子显微镜采集图像，并连接步进电机驱动电源，控制工件与工具电极的对刀；

所述CCD电子显微镜通过其自带的滑轨和升降装置进行工件加工时的镜头对焦，监测放电加工间隙的极间放电火花、极间蚀除形貌、极间电化学反应、临界放电间隙和极间电压。

2.根据权利要求1所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述柔性夹具包括用于连接精密对刀滑台的连接板、与连接板固定连接的第一夹板，设在第一夹板外侧的第二夹板以及连接第一夹板和第二夹板的弹簧，第一夹板和第二夹板之间形成夹持工具电极的夹缝。

3.根据权利要求2所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述弹簧的数量为5~20个，沿第一夹板和第二夹板横向间隔等距布置。

4.根据权利要求1所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述工具电极为片状、圆柱状或带棱尖的紫铜、钢、钨、铜钨合金或者石墨电极。

5.根据权利要求4所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述工具电极具有30°~80°的刃锋。

6.根据权利要求1所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述工件夹具包括用于固定工件的液槽，所述液槽内的中间位置设有用于分隔电解质溶液的隔板，隔板一侧紧贴隔板设有用于夹持工件的磁铁，所述液槽下方设有用于调节液槽位置的调节机构，所述调节机构下方通过机床连接板与工作平台相连。

7.根据权利要求1所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述CCD电子显微镜还包括第一镜头，第二镜头和照明灯，所述照明灯与第一镜头同轴布置进行电火花实验过程的光学检测、且两者通过连接件与第二镜头相连，所述第二镜头固定在竖直布置的升降杆上、且沿升降杆轴向活动布置；所述升降杆底端通过滑块活动设在滑轨上。

8.根据权利要求1所述的放电加工间隙监测装置，其特征在于：所述工作平台包括水平布置的置物平台以及竖直布置的连接杆，所述连接杆设有两个，分别位于置物平台一端的两侧，两连接杆的底端固定在置物平台上，顶端通过连接横杆相连，所述电源工作盒与所述连接横杆固定、位于置物平台的端部。

9.一种如权利要求1~8任一项所述的放电加工间隙监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将工具电极装夹在柔性夹具上，工件装夹在液槽内的工件夹块上；

对刀阶段：调节CCD电子显微镜，打开其上的照明灯，转动调焦手轮，使屏幕中呈现清晰的工件和工具电极的像，之后调整工件夹具，使工件在X轴和Y轴方向保持水平，在单片机控制单元中按下对刀键，使得工具电极缓慢向下移动直至与工件接触报警完成对刀操作；

实验阶段：将示波器连接工具电极和工件，向液槽中倒入配置好的电解质溶液，调节偏振滤镜，再次调节CCD电子显微镜，转动调焦手轮，使屏幕中再次呈现清晰的工件和工具电极的像，此时照明灯常亮；设置放电电压，按下启动键，极间完成放电过程，同时CCD电子显微镜捕捉监测极间气泡，临界放电间隙，极间蚀除形貌，极间放电火花，并动态观察介质极化过程；当关闭照明灯，打开极间照明，捕捉监测放电辉光。

10.根据权利要求9所述的放电加工间隙监测装置的监测方法，其特征在于：极间电化学反应的现象为在负极产生气泡，气泡在放电间隙内运动；在负极辉光放电，正极产物。

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