專利名稱：一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，屬于熱加工溫度檢測裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
慢走絲電火花線切割技術(shù)是特種加工領(lǐng)域的重要一員，它利用兩極(電極絲與工件電極)之間脈沖放電時產(chǎn)生的熱能熔化工件材料，從而達到切割和去除材料的目的，是一種典型的熱加工技術(shù)。目前制約線切割技術(shù)進一步發(fā)展的因素主要有兩個，一個是電極絲的彎曲與振動，另一個是斷絲。它們都與電極絲的溫度密切相關(guān)，對于前者，當(dāng)電極絲溫度升高時，電極絲的彎曲與振動幅度將會增大，從而導(dǎo)致加工質(zhì)量及加工精度的惡化；而對于后者，電極絲溫度的升高必然會降低其機械強度，在外力(如電極絲張力、放電沖擊力等)的作用下很容易產(chǎn)生斷絲，從而降低加工效率?？梢婋姌O絲溫度是慢走絲電火花線切割加工過程的重要技術(shù)參數(shù)，如果能準(zhǔn)確測量脈沖放電過程中電極絲的溫度，就能對加工參數(shù)進行優(yōu)化并進行控制，在保證加工質(zhì)量和精度的前提下進一步提高加工效率。
對電極絲溫度的準(zhǔn)確測量是人們長久以來不懈追求的目標(biāo)，主要分為以下三類(一)接觸式測量將熱電阻傳感器或熱電偶傳感器的探頭碰觸或接近電極絲以達到溫度信號采集的目的。這種方法的缺點是顯而易見的。這是因為，首先，電極絲的直徑很小，微細(xì)電極絲的直徑甚至僅為0.02mm，當(dāng)電極絲切入工件內(nèi)部時，傳感器的探頭很難穿過加工縫與電極絲有效接觸；其次，即使探頭與電極絲接觸上了，根據(jù)理論分析可知，在放電加工過程中電極絲的溫度分布極不均勻，放電通道中心的溫度可達數(shù)千攝氏度，而放電通道以外的溫度卻很低，測量時不可能保證探頭接觸點正好位于放電通道中心，所以接觸式測量方法只能測量電極絲的局部表面溫度，并且不可能準(zhǔn)確捕捉放電點的溫度，無法滿足對電極絲溫度測量的要求。
(二)非接觸式測量非接觸式測量方法通過熱輻射確定物體的溫度，常見的具體方法主要有全輻射測溫法、單色亮度測溫法、紅外測溫法、光導(dǎo)纖維測溫法及熱成像儀測溫法等。非接觸式測溫方法在測量過程中不干擾被測物體的溫度場，并且具有響應(yīng)時間短、測溫范圍廣的特點。但對于電極絲測溫系統(tǒng)而言其缺點仍難以克服，主要表現(xiàn)在不能測量電極絲內(nèi)部的溫度；受發(fā)射率的影響較大，必須進行發(fā)射率修正才能得到真實溫度；設(shè)備較復(fù)雜，價格較高；最重要的是電極絲所處的環(huán)境介質(zhì)(浸沒于加工液中且切入工件)對溫度測量的精度影響很大。
(三)間接溫度測量方法目前實際應(yīng)用于電極絲溫度測量的主要是間接測量方法，根據(jù)文獻檢索，已知有如下兩種方法①電極絲張力——溫度檢測法Jennes等介紹了一種電極絲溫度間接測量法，該方法利用金屬材料機械強度與溫度的對應(yīng)關(guān)系，通過測量電極絲的極限張力間接求得電極絲平均溫度。這種方法有很大的局限性，主要表現(xiàn)在，為了測量電極絲的平均溫度，必須在該溫度下對電極絲施加極限張力，從而導(dǎo)致斷絲。同時電極絲的極限張力不僅與電極絲的平均溫度有關(guān)，還與電極絲的局部熔蝕密切相關(guān)，因而在正常放電狀態(tài)下，僅根據(jù)極限張力不足以判斷電極絲的溫度。
②放電位置——溫度檢測法Haruki等提出了一種通過檢測放電位置間接獲得電極絲平均溫度的方法。該方法同時檢測放上下兩個放電回路的電流Iu和Id，并同時檢測上下導(dǎo)向器之間電極絲的電壓ΔV，則可得到放電點與下測試點之間電極絲的電阻值為rd＝ΔV/(Iu+Id)+R0(Iu/Id)(1)在上式中R0＝ru+rd，為兩個測試點之間電極絲的總電阻值，該方法假定它不隨溫度發(fā)生變化。在加工過程中，放電有可能發(fā)生在位于工件上下表面間的電極絲中的任意位置，通過檢測并計算各放電點處的rd，就可得到電極絲電阻沿電極絲長度方向的分布情況。而根據(jù)熱電阻原理，當(dāng)電極絲溫度發(fā)生變化時，rd與電極絲的溫度有確定的關(guān)系，因此可得到電極絲溫度沿電極絲長度方向的分布情況。
該方法在原理上有一定缺陷，根據(jù)式1可知，rd不僅與Iu和Id有關(guān)，還與R0的值密切相關(guān)，既然R0是ru與rd的和，那么當(dāng)電極絲溫度變化時，R0也應(yīng)該發(fā)生變化，但該方法卻假定R0與溫度無關(guān)，因此是矛盾的，其電極絲溫度檢測與計算結(jié)果必然不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是利用間接測溫方法，提供一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置。
本發(fā)明采用的是一種間接測溫方法，它基于金屬的熱電阻原理進行電極絲溫度的測量。圖1是銅、鉑兩種金屬的熱電阻效應(yīng)示意圖。如圖1所示，銅、鉑兩種金屬絲的電阻相對變化率與溫度呈近似的線性關(guān)系。從圖中可知銅的線性度不如鉑，但銅絲的溫度系數(shù)較鉑絲大，因此銅也是熱電阻常用材料之一。作為溫度測量對象的是用于電火花線切割的電極絲，當(dāng)電極絲的材料為銅時，處于加工縫中的電極絲相當(dāng)于是一段熱電阻。當(dāng)電極絲的溫度發(fā)生變化時，通過測量該段電阻的阻值，再依照事先標(biāo)定好的溫度與阻值之間的關(guān)系即可求出該段電極絲的平均溫度。
一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，該裝置主要由四線制探頭、恒流源、示波器、差動放大器部分組成，其中，恒流源通過四線制探頭的1號探頭及2號探頭與加工機的供電刷相連；差動放大器的輸入端通過四線制探頭的3號及4號探頭與供電刷相連；差動放大器的輸出端與示波器的輸入端口1相連；由加工機提供的采樣觸發(fā)信號接入示波器的輸入端口2。
為了測量電極絲阻值隨溫度的微小變化，一般采用三線制或四線制的不平衡橋式測量電路，但通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極絲與加工機發(fā)生接觸后，電極絲所在電橋支路引入幅值較大的干擾信號，而在另一個由固定電阻構(gòu)成的支路中則無此干擾，差動電路無法有效抑制這種干擾，極大地影響了對有效信號的分辯和采集。因此本裝置采用微小電阻信號檢測電路，測量電流由恒流源提供，但測量信號不再由橋路引出，而是在電極絲的兩端直接引出，這樣輸入差動放大電路的干擾就是共模信號，可以有效進行抑制。
一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置電路，該裝置電路(1)恒流源由直流穩(wěn)壓電源Uref、穩(wěn)壓器U1、恒流源控制放大器A0、電流控制電阻RS、分壓電阻R1及R2、四線制探頭、調(diào)整管Q1組成。各部分的聯(lián)接關(guān)系是穩(wěn)壓器U1的輸入端接直流穩(wěn)壓電源Uref，U1的接地端接地，U1的輸出端接A0的信號輸入端3；恒流源控制放大器A0的信號輸入端3接U1的輸出端，A0的輸出端6接Q1的基極，A0的負(fù)反饋端2接Q1的發(fā)射極并與RS的上端相聯(lián)；調(diào)整管Q1的基極與A0的輸出端6相聯(lián)，Q1的發(fā)射極接RS的上端并與A0的負(fù)反饋端2相聯(lián)，Q1的集電極接分壓電阻R2的下端；電流控制電阻RS的上端接Q1的發(fā)射極及A0的負(fù)反饋端，RS的下端直接接地；分壓電阻R1的上端接直流穩(wěn)壓電源Uref。
(2)四線制探頭上述1-4號四線制探頭分1-8個接線端子，探頭的接線端子1與2共同接入待測電極絲的上端，探頭的接線端子3與4共同接入電極絲的下端，探頭的接線端子5接入分壓電阻R1的下端，探頭的接線端子6接入A1的輸入端3，探頭的接線端子7接入A2的輸入端3，探頭的接線端子8接入R2的上端；(3)差動放大器由運算放大器A1、運算放大器A2、前級放大倍數(shù)調(diào)整電阻R5及Rw、差動放大器A3、后級放大倍數(shù)調(diào)整電阻R6及R7組成。各部分的連接關(guān)系為A1的輸入端3與探頭的端子6相聯(lián)，A1的輸出信號經(jīng)過阻值為R5的電阻接入A1的反饋端2并與Rw的上端相聯(lián)，同時A1的輸出信號經(jīng)過阻值為R6的電阻與差動放大器A3的正向輸入端3相聯(lián)；A2的輸入端3與探頭的端子7相聯(lián)，A2的輸出信號經(jīng)過阻值為R5的電阻接入A2的反饋端2并與Rw的下端相聯(lián)，同時A2的輸出信號經(jīng)過阻值為R6的電阻與差動放大器A3的反向輸入端2相聯(lián)；差動放大器A3的輸出信號經(jīng)過阻值為R7的電阻反饋給A3的正向輸入端3，接入A3反向輸入端2的信號同時經(jīng)過阻值為R7的電阻接地。
差動放大器的輸出端與示波器的輸入端口1相連；由加工機提供的采樣觸發(fā)信號接入示波器的輸入端口2。
發(fā)明原理該測量裝置檢測的是電極絲兩端的壓差，表征的是電極絲的總電阻，因為該阻值在常溫時很小，其隨溫度的變化量也不大，因此待檢信號經(jīng)過適當(dāng)放大后能保證即不會引起飽和，又能分辨出溫度的變化。該電路差動放大部分的原理為假設(shè)流經(jīng)電阻Rw的電流為i，則如下方程組成立(Uo1-Ui1)/R5=i(Ui1-Ui2)/Rw=i(Ui2-Uo2)/R5=i]]>根據(jù)上式可得出放大器A1的輸出電壓Uo1及A2的輸出電壓Uo2分別與輸入電壓之間的關(guān)系為Uo1=iR5+Ui1=R5Rw(Ui1-Ui2)+Ui1Uo2=Ui2-iR5=Ui2-R5Rw(Ui1-Ui2)]]>而放大器A3電壓Uo為Uo=R7R6(Uo1-Uo2)=R7R6·(1+2R5Rw)(Ui1-Ui2)]]>放大器A3的輸出為電壓Uo，還應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為電極絲的溫度變化值ΔTa，其原理為假設(shè)輸出電壓的變化量為ΔUo＝Uo-Uo0，則它與電極絲阻值變化量之間的關(guān)系為ΔRt=ΔUoi1·KA]]>式中，i1為恒流源輸出電流，KA為電路總的放大倍數(shù)，而根據(jù)熱電阻原理，電極絲的溫度變化ΔTa與ΔRt有如下關(guān)系ΔTa=ΔRtRt01α]]>式中，α為電極絲材料的溫度系數(shù)，Rt0=Uo0i1·KA]]>為電極絲升溫前的電阻值，上述兩式聯(lián)立可得電極絲的溫度變化量與輸出電壓之間的關(guān)系為ΔTa=Uo-Uo0Uo0·1α]]>本發(fā)明通過測量電極絲電阻值的微小變化間接獲理電極絲的平均溫度變化量。在放電脈沖間隙時間或放電結(jié)束瞬間對電極絲施加一恒定電流，當(dāng)電極絲電阻隨溫度發(fā)生變化時，因為電流恒定，所以電極絲兩端的輸出電壓只與電極絲電阻成正比。由于該電壓信號非常微弱，還需經(jīng)放大電路放大后再進行采樣。本發(fā)明的優(yōu)點是在放電結(jié)束瞬間測量電極絲的電阻，避開了因放電引起的干擾影響。利用間接測溫方法，為電火花線切割加工電極絲溫度檢測又提供了一種裝置。


圖1是銅、鉑兩種金屬的熱電阻效應(yīng)示意圖。
圖2是本發(fā)明裝置示意圖。
圖3是一種本發(fā)明裝置電路示意圖。
圖4是檢測裝置輸出信號示意圖，其中，圖a為放電結(jié)束瞬間測溫電路的輸出電壓的原始記錄，圖b為經(jīng)過FFT濾波后的波形。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明。
圖1所示是銅、鉑兩種金屬的熱電阻效應(yīng)示意圖。銅、鉑兩種金屬絲的電阻相對變化率與溫度呈近似的線性關(guān)系。從圖中可知銅的線性度不如鉑，但銅絲的溫度系數(shù)較鉑絲大，因此銅也是熱電阻常用材料之一。作為溫度測量對象的是用于電火花線切割的電極絲，當(dāng)電極絲的材料為銅時，處于加工縫中的電極絲相當(dāng)于是一段熱電阻。
圖2是本發(fā)明裝置示意圖。一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，該裝置主要由四線制探頭、恒流源、示波器、差動放大器部分組成，其中，恒流源通過四線制探頭的1號探頭及2號探頭與加工機的供電刷相連；差動放大器的輸入端通過四線制探頭的3號及4號探頭與供電刷相連；差動放大器的輸出端與示波器的輸入端口1相連；由加工機提供的采樣觸發(fā)信號接入示波器的輸入端口2。
圖3是一種本發(fā)明裝置電路示意圖。一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，該裝置由四線制探頭、恒流源及差動放大器構(gòu)成，它的電路連接關(guān)系如圖3所示1.恒流源由直流穩(wěn)壓電源Uref、穩(wěn)壓器U1、恒流源控制放大器A0、電流控制電阻RS、分壓電阻R1及R2、調(diào)整管Q1組成。各部分的聯(lián)接關(guān)系是穩(wěn)壓器U1的輸入端接直流穩(wěn)壓電源Uref，U1的接地端接地，U1的輸出端接A0的信號輸入端3；恒流源控制放大器A0的信號輸入端3接U1的輸出端，A0的輸出端6接Q1的基極，A0的負(fù)反饋端2接Q1的發(fā)射極并與RS的上端相聯(lián)；
調(diào)整管Q1的基極與A0的輸出端6相聯(lián)，Q1的發(fā)射極接RS的上端并與A0的負(fù)反饋端2相聯(lián)，Q1的集電極接分壓電阻R2的下端；電流控制電阻RS的上端接Q1的發(fā)射極及A0的負(fù)反饋端，RS的下端直接接地；分壓電阻R1的上端接直流穩(wěn)壓電源Uref。
2.四線制探頭四線制探頭分1-8個接線端子，探頭的接線端子1與2共同接入待測電極絲的上端，探頭的接線端子3與4共同接入電極絲的下端，探頭的接線端子5接入分壓電阻R1的下端，探頭的接線端子6接入A1的輸入端3，探頭的接線端子7接入A2的輸入端3，探頭的接線端子8接入R2的上端；3.差動放大器由運算放大器A1、運算放大器A2、前級放大倍數(shù)調(diào)整電阻R5及Rw、差動放大器A3、后級放大倍數(shù)調(diào)整電阻R6及R7組成。各部分的連接關(guān)系為A1的輸入端3與探頭的端子6相聯(lián)，A1的輸出信號經(jīng)過阻值為R5的電阻接入A1的反饋端2并與Rw的上端相聯(lián)，同時A1的輸出信號經(jīng)過阻值為R6的電阻與差動放大器A3的正向輸入端3相聯(lián)；A2的輸入端3與探頭的端子7相聯(lián)，A2的輸出信號經(jīng)過阻值為R5的電阻接入A2的反饋端2并與Rw的下端相聯(lián)，同時A2的輸出信號經(jīng)過阻值為R6的電阻與差動放大器A3的反向輸入端2相聯(lián)；差動放大器A3的輸出信號經(jīng)過阻值為R7的電阻反饋給A3的正向輸入端3，接入A3反向輸入端2的信號同時經(jīng)過阻值為R7的電阻接地。
利用上述裝置進行了測溫實驗，加工機為Makino EU64型慢走絲電火花線切割機，工件厚度為50mm，工件材料為硬質(zhì)合金鋼，電極絲選用直徑為0.2mm的黃銅絲。
通過本裝置測試，測試結(jié)果如圖4所示。圖4是檢測裝置輸出信號示意圖，其中，圖a為放電結(jié)束瞬間測溫電路的輸出電壓的原始記錄，圖b為經(jīng)過FFT濾波后的波形。從圖4可以看出輸出電壓隨電極絲溫度下降而下降的趨勢。該輸出信號經(jīng)換算處理后測得電極絲的平均溫度為150℃。
權(quán)利要求
1.一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，其特征在于，該裝置主要包括四個部分四線制探頭、恒流源、示波器和差動放大器；恒流源通過所述四線制探頭的1號探頭及2號探頭與外界加工機的供電刷相連；所述差動放大器的輸入端通過所述四線制探頭的3號探頭及4號探頭與外界加工機的供電刷相連；差動放大器的輸出端與示波器的輸入端口1相連；由外界加工機提供的采樣觸發(fā)信號接入示波器的另一個輸入端口2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，其特征在于，該裝置包括四線制探頭、恒流源、示波器和差動放大器；恒流源，由直流穩(wěn)壓電源Uref、穩(wěn)壓器U1、恒流源控制放大器A0、電流控制電阻RS、分壓電阻R1及分壓電阻R2、調(diào)整管Q1組成；各部件的聯(lián)接關(guān)系是穩(wěn)壓器U1的輸入端接直流穩(wěn)壓電源Uref，穩(wěn)壓器U1的接地端接地，穩(wěn)壓器U1的輸出端接恒流源控制放大器A0的信號輸入端3；恒流源控制放大器A0的信號輸入端3接穩(wěn)壓器U1的輸出端，恒流源控制放大器A0的輸出端6接調(diào)整管Q1的基極，恒流源控制放大器A0的負(fù)反饋端2接調(diào)整管Q1的發(fā)射極并與電流控制電阻RS的上端相聯(lián)；調(diào)整管Q1的基極與恒流源控制放大器A0的輸出端6相聯(lián)，調(diào)整管Q1的發(fā)射極接電流控制電阻RS的上端并與恒流源控制放大器A0的負(fù)反饋端2相聯(lián)，調(diào)整管Q1的集電極接分壓電阻R2的下端；電流控制電阻RS的上端接調(diào)解管Q1的發(fā)射極及恒流源控制放大器A0的負(fù)反饋端，電流控制電阻RS的下端接地；分壓電阻R1的上端接直流穩(wěn)壓電源Uref；四線制探頭，四線制探頭分1-8個接線端子，探頭的接線端子1與2共同接入待測電極絲的上端，探頭的接線端子3與4共同接入電極絲的下端，探頭的接線端子5接入分壓電阻R1的下端，探頭的接線端子6接入下述差動放大器運算放大器A1的輸入端3，探頭的接線端子7接入下述差動放大器運算放大器A2的輸入端3，探頭的接線端子8接入分壓電阻R2的上端；差動放大器，由運算放大器A1，運算放大器A2，前級放大倍數(shù)調(diào)整電阻R5、Rw，差動放大器A3，后級放大倍數(shù)調(diào)整電阻R6、R7組成；運算放大器A1的輸出信號經(jīng)過阻值為R5的電阻接入運算放大器A1的反饋端2并與前級放大倍數(shù)調(diào)整電阻Rw的上端相聯(lián)，同時運算放大器A1的輸出信號經(jīng)過阻值為R6的電阻與差動放大器A3的正向輸入端3相聯(lián)；運算放大器A2的輸出信號經(jīng)過阻值為R5的電阻接入運算放大器A2的反饋端2并與前級放大倍數(shù)調(diào)整電阻Rw的下端相聯(lián)，同時運算放大器A2的輸出信號經(jīng)過阻值為R6的電阻與差動放大器A3的反向輸入端2相聯(lián)；差動放大器A3的輸出信號經(jīng)過阻值為R7的電阻反饋給差動放大器A3的正向輸入端3，接入差動放大器A3反向輸入端2的信號同時經(jīng)過阻值為R7的電阻接地；差動放大器的輸出端與示波器的輸入端口1相連；由加工機提供的采樣觸發(fā)信號接入示波器的另一個輸入端口2。
全文摘要
一種電火花線切割加工電極絲溫度檢測裝置，屬于熱加工溫度檢測裝置技術(shù)領(lǐng)域。該裝置由四線制探頭、恒流源、示波器、差動放大器部分組成。恒流源通過四線制探頭的1號探頭及2號探頭與加工機的供電刷相連；差動放大器的輸入端通過四線制探頭的3號及4號探頭與供電刷相連；差動放大器的輸出端與示波器的輸入端口1相連；由加工機提供的采樣觸發(fā)信號接入示波器的輸入端口2。當(dāng)電極絲的材料為銅時，處于加工縫中的電極絲相當(dāng)于是一段熱電阻。本發(fā)明通過測量電極絲電阻值的微小變化間接獲理電極絲的平均溫度變化量。本發(fā)明的優(yōu)點是在放電結(jié)束瞬間測量電極絲的電阻，避開了因放電引起的干擾影響。為電火花線切割加工電極絲溫度檢測提供了一種裝置。
文檔編號G01K7/16GK1858568SQ20061001216
公開日2006年11月8日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者韓福柱, 程剛 申請人:清華大學(xué)