納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，先通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，把被加工工件與工具電極之間的極間電壓和電流轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)供采集與控制電路檢測(cè)；采集與控制電路采樣并轉(zhuǎn)換得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，把該標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入相應(yīng)的內(nèi)部參數(shù)寄存器；外部處理器檢索相應(yīng)的各參數(shù)寄存器，計(jì)算相應(yīng)的極間脈沖幅值電壓、電流，同時(shí)獲得脈沖寬度、脈沖間隔、極間短/斷路狀況。一種納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，包括采集與控制電路和轉(zhuǎn)換電路；轉(zhuǎn)換電路包括：加工及保護(hù)支路、電流檢測(cè)支路、電壓檢測(cè)支路與脈寬檢測(cè)支路；采集與控制電路包括：高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2、高速比較器、基準(zhǔn)比較電壓模塊、檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路和外部處理器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電源【技術(shù)領(lǐng)域】和微細(xì)加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其電路。
【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)加工利用電化學(xué)反應(yīng)去除材料，具有無(wú)切削力、熱熔除與變形、硬度無(wú)關(guān)、無(wú)應(yīng)力、變形和工具損耗等特點(diǎn)，在難切削材料加工、薄壁結(jié)構(gòu)成型、熱敏材料切削等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其材料去除以離子的方式實(shí)現(xiàn)，從原理上講，可以得到極高的加工精度與極其細(xì)微的結(jié)構(gòu)。然而，受到加工間隙、電場(chǎng)、流場(chǎng)、電源品質(zhì)等的限制，目前的電化學(xué)加工尚未表現(xiàn)出匹配其原理的加工效果。
[0003]近年來(lái)的研究表明，納秒乃至更窄脈寬的脈沖電流能夠?qū)㈦娀瘜W(xué)蝕除限定在極其微小的區(qū)域，增強(qiáng)加工的集中蝕除能力，同時(shí)削弱散蝕能力，獲得良好的定域性；采用該種方法，德國(guó)MPG、南京航空航天大學(xué)等都實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)結(jié)構(gòu)與形狀的制作，在微細(xì)加工領(lǐng)域獲得了一系列的成果。
[0004]作為一種新型的加工方法，納秒脈寬電化學(xué)加工尚存在大量亟需解決問(wèn)題，穩(wěn)定的加工狀態(tài)控制理論、方法與手段，尤其是加工間隙控制實(shí)時(shí)、在線智能調(diào)節(jié)，納秒脈寬加工電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)更是其中不可回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。受到AD器件采集轉(zhuǎn)換速度、加工控制復(fù)雜性與實(shí)時(shí)性以及CPU處理速度等方面的限制，納秒加工脈沖檢測(cè)目前只是依賴(lài)于電流傳感器的平均電流檢測(cè)，納秒加工脈沖的瞬時(shí)電壓、幅值電壓、脈間、脈寬以及頻率等的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)及其與加工系統(tǒng)的集成尚存在較大的困難，目前尚未出現(xiàn)針對(duì)上述檢測(cè)的有效方法與手段。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，通常所說(shuō)的精密測(cè)量電阻是指精密電阻器。1Ω以上阻值的電阻，與標(biāo)識(shí)阻值相比±0.5%以?xún)?nèi)阻值誤差的電阻，可稱(chēng)為精密電阻；1 Ω以下阻值的電阻，與標(biāo)識(shí)阻值相比±1%精密度之內(nèi)，可稱(chēng)為精密電阻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在上述問(wèn)題，考慮到納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖電流的電學(xué)特性，結(jié)合電化學(xué)加工的實(shí)際工況條件，本發(fā)明利用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷O(shè)計(jì)專(zhuān)用的納秒脈寬檢測(cè)集成電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速AD器件的在線強(qiáng)實(shí)時(shí)控制，結(jié)合加工脈沖轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)納秒脈寬電化學(xué)加工極間脈沖脈寬、幅值、短路狀況、斷路狀況等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究針對(duì)納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其電路。
[0007]一種納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，包括采集與控制電路以及轉(zhuǎn)換電路；
[0008]一、轉(zhuǎn)換電路包括:加工及保護(hù)支路、電流檢測(cè)支路、電壓檢測(cè)支路與脈寬檢測(cè)支路；
[0009]所述加工及保護(hù)支路包括:工具電極、被加工工件與精密測(cè)量電阻Ri ;所述電流檢測(cè)支路包括:電阻Rtll和電阻Ral ；電壓檢測(cè)支路包括電阻Rtl2和電阻Ra2 ;所述脈寬檢測(cè)支路包括:電阻 R1 和電阻 Rc;其中，R01 > > Ri ；R02 > > Ri ；Ral > > Ri ；Ra2 > > Ri ；
[0010]R01^R02, Ral、Ra2、R1與R。遠(yuǎn)大于加工及保護(hù)支路的其他阻抗值。
[0011]脈沖電源的“ + ”極端連接被加工工件；脈沖電源的極端連接工具電極；
[0012]電阻Ri連接在工具電極與脈沖電源的極端之間；電阻Rtll的一端連接工具電極，另一端連接電阻Ral，電阻Ral連接在電阻Rtll與脈沖電源的極端之間；電阻Rtl2的一端連接脈沖電源的“+”極端，另一端連接電阻Ra2,電阻Ra2連接在電阻Rtl2與脈沖電源的
極端之間；電阻R1的一端連接脈沖電源的“+”極端，另一端連接電阻R。，電阻R。連接在電阻R1與脈沖電源的極端之間；
[0013]設(shè)電阻Ral與電阻Rcil之間為被測(cè)電流信號(hào)Stl ;設(shè)電阻Ra2與電阻Rtl2之間為被測(cè)電壓信號(hào)S1 ;設(shè)電阻R。與電阻R1之間為被測(cè)脈寬信號(hào)S2 ；
[0014]二、采集與控制電路包括:高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2、高速比較器、基準(zhǔn)比較電壓模塊、檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路和外部處理器；
[0015]信號(hào)Stl和信號(hào)S1分別傳入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的輸入端，得到信號(hào)S。和S1的數(shù)字量；信號(hào)S2和基準(zhǔn)比較電壓送入高速比較器得到數(shù)字信號(hào)S3 ；S3與S2頻率、脈寬、脈間相同，幅值不同，相位不同(與S2相比，S3存在滯后)； [0016]所述檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路包括的各個(gè)模塊電路分別為:時(shí)鐘電路、狀態(tài)轉(zhuǎn)換與控制電路^/S1電壓比較電路、ADl驅(qū)動(dòng)控制模塊、AD2驅(qū)動(dòng)控制模塊、脈寬/間計(jì)算雙計(jì)數(shù)電路、脈沖電壓參數(shù)寄存器、脈沖時(shí)間參數(shù)寄存器和總線接口電路；各個(gè)模塊通過(guò)內(nèi)部總線通信；外部處理器通過(guò)CPU總線接口與檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路通信；
[0017]所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換與控制電路包括:
[0018]a、集成電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊:控制檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；
[0019]b、ADl狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊:控制ADl的啟動(dòng)、延時(shí)與讀取；
[0020]c、AD2狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊:控制AD2的啟動(dòng)、延時(shí)與讀取；
[0021 ] 所述ADl驅(qū)動(dòng)控制模塊和AD2驅(qū)動(dòng)控制模塊分別控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的啟動(dòng)及其他操作；
[0022]脈寬/間計(jì)算雙計(jì)數(shù)電路對(duì)信號(hào)S3的脈寬、脈間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，相應(yīng)的計(jì)數(shù)值通過(guò)總線傳給外部處理器，外部處理器根據(jù)信號(hào)S3的脈間、脈寬與頻率確定工具電極和被加工工件的極間加工脈沖的脈間、脈寬與頻率；
[0023]ScZS1電壓比較電路定時(shí)采樣脈沖電壓參數(shù)寄存器中的Stl與S1的電壓參數(shù)，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)修改脈沖狀態(tài)寄存器；
[0024]ADl驅(qū)動(dòng)控制模塊和AD2驅(qū)動(dòng)控制模塊控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的啟動(dòng)及其他操作；
[0025]還包快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F連接在電阻Ri與脈沖電源的極端之間。
[0026]所述電阻R1和R。的阻值選擇要求是，使輸出被測(cè)信號(hào)S2的幅值穩(wěn)定在O~5V范圍內(nèi)，同時(shí)保證被測(cè)信號(hào)S2與極間加工脈沖頻率、相位相同；
[0027]電阻Ri的阻抗要求遠(yuǎn)小于加工及保護(hù)支路、電流檢測(cè)支路、電壓檢測(cè)支路與脈寬檢測(cè)支路的其他阻抗(除Ri的其它阻抗)；同時(shí)，電阻Rcu、‘、R1 > Ral> Ra2與R。值都要遠(yuǎn)大于加工及保護(hù)支路的其他阻抗值。[0028]所述電壓參數(shù)寄存器包括Stl峰值電壓寄存器、S1峰值電壓寄存器、S0谷值電壓寄存器和S1谷值電壓寄存器，它們分別存儲(chǔ)信號(hào)Stl與S1對(duì)應(yīng)電壓的峰谷值；
[0029]時(shí)間參數(shù)寄存器包括脈間計(jì)數(shù)寄存器、脈寬計(jì)數(shù)寄存器和脈沖狀態(tài)寄存器。
[0030]R01=R02 ;Rai=Ra2。
[0031]一種采用上述電路的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，先通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，把待測(cè)的被加工工件與工具電極之間的極間電壓和電流被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)供采集與控制電路檢測(cè)；采集與控制電路采樣并轉(zhuǎn)換得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，把該標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路的相應(yīng)參數(shù)寄存器；外部處理器檢索相應(yīng)的各參數(shù)寄存器，計(jì)算相應(yīng)的極間脈沖幅值電壓、電流，同時(shí)獲得脈沖寬度、脈沖間隔、極間短/斷路狀況；
[0032]正常加工時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗為“O”;加工短路或加工電流超過(guò)保險(xiǎn)絲F的容許電流，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，減小加工及保護(hù)支路中的電流；短路狀況消除，支路中的電流恢復(fù)正常，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F的阻抗恢復(fù)為“0”，從而起到保護(hù)電路的作用；
[0033]加工及保護(hù)支路的電阻民、快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F與電流檢測(cè)支路并聯(lián)，通過(guò)電阻Rtll與Ral分壓產(chǎn)生被測(cè)信號(hào)Stl，通過(guò)Stl反算正常加工時(shí)電阻Ri兩端的測(cè)量電壓，求得被加工工件-工具電極間的 加工電流；對(duì)于用作電流檢測(cè)的電阻Rtll與Ral，它們的阻值遠(yuǎn)大于檢測(cè)電PlRi ；
[0034]電壓檢測(cè)支路與加工及保護(hù)支路并聯(lián)，輸出被測(cè)信號(hào)S1 ;為簡(jiǎn)化極間電壓計(jì)算，電壓檢測(cè)支路的分壓電阻阻值選擇與電流檢測(cè)支路相同，分別為Rci=Rci1=Rc12 ;Ra=Ral=Ra2，加工工件-工具電極間的電壓U的計(jì)算采用公式(I):
[0035]U = (S1-S0) (R0+Ra)Ra(I)
[0036]采集與控制:
[0037]采集與控制電路的作用是接收轉(zhuǎn)換電路得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的采集、轉(zhuǎn)換與計(jì)算求取納秒脈沖的幅值電壓/電流、脈寬和脈間參數(shù)，判斷極間的斷/短路狀況；
[0038]高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl用于極間電流檢測(cè)；正常加工時(shí)，保險(xiǎn)絲F阻抗為“0”，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl獲取測(cè)量電阻Ri兩端的瞬時(shí)電壓，并存入相應(yīng)參數(shù)寄存器，供外部處理器計(jì)算極間瞬時(shí)加工電流；加工斷路時(shí)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl檢測(cè)到工具電極與極端之間的瞬時(shí)電壓恒為“O”值；加工短路時(shí)，保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl檢測(cè)到工具電極與極端之間的瞬時(shí)電壓與脈沖電源輸出電壓相同；
[0039]高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2與ADl相配合，利用公式(I)實(shí)現(xiàn)極間電壓檢測(cè)、斷/短路狀態(tài)判斷:
[0040]正常加工時(shí)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2檢測(cè)加工與保護(hù)支路兩端的瞬時(shí)電壓，存入?yún)?shù)寄存器并上送外部處理器，由外部處理器結(jié)合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl的測(cè)量值計(jì)算極間瞬時(shí)電壓；
[0041]加工斷路時(shí)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2測(cè)量值與脈沖電源電壓相同；
[0042]加工短路時(shí)，保險(xiǎn)絲F的阻抗增大，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl與AD2測(cè)量值相同；
[0043]高速比較電路用于信號(hào)S2的波形修正與幅值電壓修正；實(shí)際加工中，受到極間加工脈沖影響，信號(hào)S2升沿與降沿上均會(huì)存在電壓波動(dòng)，通過(guò)高速比較電路，信號(hào)S2與一個(gè)接近于“O”的正電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，在信號(hào)S2的脈寬時(shí)間范圍內(nèi)，信號(hào)S2的電壓大于正電壓基準(zhǔn)，比較器穩(wěn)定送出高電平；在信號(hào)S2的脈間范圍內(nèi)，信號(hào)S2的電壓小于正電壓基準(zhǔn)，比較器穩(wěn)定送出低電平；由此，信號(hào)S2脈寬與脈間上的電壓波動(dòng)得以消除，同時(shí)通過(guò)高速比較器，信號(hào)S2也轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或TTL信號(hào)S3，便于檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路處理，而且信號(hào)S2和信號(hào)S3頻率、脈間與脈寬則完全相同；
[0044]檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路利用自身的基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)信號(hào)S3的脈寬、脈間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，將相應(yīng)計(jì)數(shù)值送入外部處理器；根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率與得到的脈寬、脈間計(jì)數(shù)值，外部處理器計(jì)算信號(hào)S3的脈間、脈寬與頻率，從而確定極間加工脈沖的脈間、脈寬與頻率；
[0045]檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路利用信號(hào)S3作為高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADl與AD2的啟動(dòng)時(shí)間基準(zhǔn)；檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路根據(jù)信號(hào)S3的信號(hào)狀態(tài)，發(fā)出高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADl與AD2的控制指令，實(shí)現(xiàn)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取與判別工作，獲得信號(hào)SpStl的瞬時(shí)電壓；
[0046]整個(gè)過(guò)程中，檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路負(fù)責(zé)各指令數(shù)據(jù)生成、傳輸以及相關(guān)各時(shí)序控制，無(wú)需外部處理器的干預(yù)及控制，外部處理器向檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路請(qǐng)求各被測(cè)信號(hào)采樣值，計(jì)算加工工件-工具電極間的電壓瞬時(shí)值、判斷極間狀況。
[0047]I)幅值電壓及電流的檢測(cè)時(shí)序:
[0048]設(shè):
[0049]信號(hào)S為實(shí)際加工極間脈沖；信號(hào)Sai為檢測(cè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，該時(shí)鐘同時(shí)用作檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路的基準(zhǔn)時(shí)鐘，周期為T(mén)ck ；
[0050]時(shí)刻t(l為信號(hào) Sc^S1與S2的上升沿，時(shí)刻h為信號(hào)S3的上升沿；由于與基準(zhǔn)比較電壓進(jìn)行了比較運(yùn)算，t0與h之間存在時(shí)間延遲tpd ；
[0051]t2為捕獲到信號(hào)S3上升沿的時(shí)刻，h與t2之間存在延遲時(shí)間h ；
[0052]t3為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)刻，t2與t3之間設(shè)有可變的延遲時(shí)間td, td通過(guò)公式2調(diào)節(jié):
[0053]td = nTCK, η = O, I, 2, 3,...(2)
[0054]通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)n，延遲時(shí)間、發(fā)生變化，檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路通過(guò)控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2，實(shí)現(xiàn)信號(hào)S1脈間與脈寬上電壓的檢測(cè)；
[0055]t4為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的實(shí)際采樣時(shí)刻，t3與t4之間存在時(shí)間延遲tc，tc包括采集指令時(shí)間與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的采樣時(shí)間。
[0056]上述時(shí)序中，由于測(cè)量過(guò)程中電路不變，器件不變，被測(cè)脈沖各參數(shù)不變，假定加工環(huán)境不變或變化極其緩慢，則延遲時(shí)間tpd、tc不變，由此可以規(guī)劃納秒脈沖的檢測(cè)過(guò)程:
[0057]檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)S3 ；
[0058]信號(hào)Sc^S1與S2的上升沿到來(lái)，經(jīng)延遲時(shí)間tpd，S3出現(xiàn)上升沿；經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間tl，捕獲到S3的上升沿；設(shè)定參數(shù)η值為“0”，td為“0”，t3時(shí)刻發(fā)出ADl和AD2的轉(zhuǎn)換指令，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間t。，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2發(fā)出采集動(dòng)作，采集到t4時(shí)刻時(shí)被測(cè)信號(hào)的瞬態(tài)值并存儲(chǔ)，一次采集完成；
[0059]t’ 3為下一次采集高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)刻，相應(yīng)的，t’ 4為下一次采集高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的實(shí)際采樣時(shí)刻；
[0060]而后，繼續(xù)捕獲S3的上升沿，將式(2)的參數(shù)η加“1”，設(shè)置延遲時(shí)間td為“1?”，延遲I個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期，在t3時(shí)刻后經(jīng)過(guò)I個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)，即t’3時(shí)刻發(fā)出ADl和AD2的轉(zhuǎn)換指令，延遲時(shí)間td變?yōu)閠’ d，延遲時(shí)間t。后高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2采集被測(cè)信號(hào)s0> S1，得到t4時(shí)刻延后一個(gè)時(shí)鐘周期Tdt后的t’ 4時(shí)刻時(shí)的被測(cè)信號(hào)S1并與存儲(chǔ)值比較:
[0061]若Sc^S1的值與相應(yīng)的存儲(chǔ)值之比在1/2~2之間，則繼續(xù)捕獲S3的上升沿，參數(shù)η加“1”，得到新的t’ 3、t’ 4，開(kāi)始下一次檢測(cè)，直至上述比值不在1/2~2之間或延遲時(shí)間td 大于 500 μ s ；
[0062]若S。、S1的值與相應(yīng)的存儲(chǔ)值之比不在1/2~2之間，則一次檢測(cè)循環(huán)完成；
[0063]2)脈寬、脈間及周期檢測(cè):
[0064]檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路內(nèi)部設(shè)有雙計(jì)數(shù)器，分別利用Scx的上升沿與下降沿對(duì)被測(cè)信號(hào)S3的脈寬或脈間計(jì)數(shù)；根據(jù)兩計(jì)數(shù)值與基準(zhǔn)時(shí)鐘Scx的半周期計(jì)算極間脈寬或脈間，計(jì)算公式見(jiàn)式(3);其中，tm為被測(cè)信號(hào)脈寬，toff為被測(cè)信號(hào)脈間，ηι、η2分別為檢測(cè)周期內(nèi)計(jì)到的基準(zhǔn)信號(hào)Sai上升沿與下降沿個(gè)數(shù)，測(cè)量精度為！《/2 ；
[0065]ton = (Ii^n2) Tck/2
[0066](3)
[0067]toff = (Ii^n2) Tck/2
[0068]脈寬與脈間檢測(cè)用同一套雙計(jì)數(shù)器，采樣S3信號(hào)，該信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)低電平，則調(diào)用公式(3)計(jì)算tm ;該信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)高電平，則調(diào)用公式(3)計(jì)算Iff ；
[0069]3)短路與斷路檢測(cè)
[0070]正常工作時(shí)，被測(cè)信號(hào)Stl的幅值電壓遠(yuǎn)小于信號(hào)S1 ；
[0071 ] 發(fā)生極間短路時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，不再保持O值，此時(shí)，信號(hào)Stl與S1相同；檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路監(jiān)測(cè)比較信號(hào)Stl與S1的采樣值，二者相同，則判斷短路；
[0072]發(fā)生極間斷路時(shí)，加工及保護(hù)支路電流為零，相應(yīng)的，被測(cè)信號(hào)Stl通過(guò)電阻民與快恢復(fù)保險(xiǎn)絲接地，持續(xù)保持“O”電壓，直至斷路狀況消失；檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路檢測(cè)到Stl的幅值電壓為“O”后，則判斷斷路。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0073]圖1是納秒脈寬加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)的框架原理示意圖；
[0074]圖2是納秒脈寬加工脈沖幅值電壓及電流檢測(cè)時(shí)序圖；
[0075]圖3是采集與控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0076]圖4是基準(zhǔn)比較電壓電路示意圖。
[0077]圖5是檢測(cè)控制專(zhuān)用集成電路的框架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0078]圖6是MAX196的數(shù)據(jù)工作時(shí)序示意圖。
[0079]圖7是ADl驅(qū)動(dòng)控制電路與AD2驅(qū)動(dòng)控制電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。
[0080]圖8是ADl驅(qū)動(dòng)控制電路與AD2驅(qū)動(dòng)控制電路的電壓檢測(cè)過(guò)程仿真示意圖。
[0081]圖9a)~圖9d)為S3第I個(gè)被測(cè)脈沖與第7個(gè)被測(cè)脈沖的檢測(cè)過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0082]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)明如下:[0083]1.檢測(cè)原理及電路框架
[0084]I)電路框架
[0085]納秒脈寬電化學(xué)加工的脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)基本原理框架如圖1所示。
[0086]整個(gè)檢測(cè)電路構(gòu)成分為轉(zhuǎn)換電路與采集與控制電路兩個(gè)部分。通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，待測(cè)的極間電壓、電流被轉(zhuǎn)化為0-5V或0-10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)供采集與控制部分檢測(cè)；采集與控制部分采樣轉(zhuǎn)換電路得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入檢測(cè)邏輯控制的參數(shù)寄存器，控制CPU (即外部處理器)檢索相應(yīng)的各參數(shù)寄存器，計(jì)算相應(yīng)的極間脈沖幅值電壓/電流，同時(shí)獲得脈沖寬度、脈沖間隔、極間短/斷路狀況。
[0087]2)轉(zhuǎn)換電路
[0088]轉(zhuǎn)換電路包括加工及保護(hù)、電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)與脈寬檢測(cè)四個(gè)支路；其中，加工與保護(hù)支路包括工具電極、被加工工件、快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F與精密測(cè)量電阻民。正常加工時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗為“O”;加工短路或加工電流超過(guò)F的容許電流，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，減小支路中的電流；短路狀況消除，支路中的電流恢復(fù)正常，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F的阻抗恢復(fù)為“0”，從而起到保護(hù)電路的作用。
[0089]電流檢測(cè)支路與加工及保護(hù)支路的檢測(cè)電阻民、快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F并聯(lián)，通過(guò)電阻R01與Ral分壓產(chǎn)生0-10V的被測(cè)信號(hào)Stl,通過(guò)Stl反算正常加工時(shí)測(cè)量電阻Ri兩端的測(cè)量電壓，求取工件-工具電極間的加工電流；用作電流檢測(cè)的電阻Rtll與Ral遠(yuǎn)大于精密測(cè)量電阻Ri,以免影響測(cè)量效果。 [0090]電壓檢測(cè)支路與加工及保護(hù)支路并聯(lián)，輸出0-10V的檢測(cè)信號(hào)Sp為簡(jiǎn)化極間電壓計(jì)算，電壓檢測(cè)支路各分壓電阻阻值選擇與電流檢測(cè)支路相同，極間電壓U的計(jì)算采用公式(I):
[0091]U = (S1-S0) (R0+Ra)/Ra(O
[0092]這里，R0=R01=R02；Ra=Ral=Ra2
[0093]脈寬檢測(cè)支路包括檢測(cè)電阻R1和R。，通過(guò)二者阻值的合理選擇，使支路的輸出被測(cè)信號(hào)S2的幅值穩(wěn)定在0-5V范圍內(nèi)，同時(shí)保證被測(cè)信號(hào)S2與極間加工脈沖頻率、相位相同。
[0094]為保證各測(cè)量電路對(duì)加工及保護(hù)支路的影響降到最低，轉(zhuǎn)換電路中精密測(cè)量電阻Ri的阻抗遠(yuǎn)小于加工及保護(hù)支路的其他阻抗，同時(shí)，電阻IV R02> R1^ Ral> Ra2與R。遠(yuǎn)大于加工及保護(hù)支路的其他阻抗值，即測(cè)量電路所分的電流極小，幾乎不對(duì)極間電學(xué)特性、狀況產(chǎn)生影響。
[0095]3)采集與控制電路
[0096]采集與控制電路的作用主要是接收轉(zhuǎn)換電路得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算求取納秒脈沖的幅值電壓/電流、脈寬、脈間等參數(shù)，其構(gòu)成包括外部處理器及外圍電路、檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路、高速AD轉(zhuǎn)換、高速比較電路與基準(zhǔn)比較電壓等子功能。
[0097]高速ADl用于極間電流檢測(cè)，正常加工時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲阻抗為“0”，AD1獲取測(cè)量電阻Ri兩端的瞬時(shí)電壓存入相應(yīng)參數(shù)寄存器，供外部處理器計(jì)算極間瞬時(shí)加工電流；加工斷路時(shí)，ADl檢測(cè)到測(cè)量電阻Ri兩端瞬時(shí)電壓恒為“O”值；加工短路時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲阻抗急劇增大，ADl檢測(cè)到Ri兩端瞬時(shí)電壓與電源輸出電壓相同。[0098]高速AD2與ADl相配合，利用公式(I)實(shí)現(xiàn)極間電壓檢測(cè)、判斷短路狀態(tài)；正常加工時(shí)，AD2檢測(cè)加工與保護(hù)支路兩端的瞬時(shí)電壓，存入寄存器并上送控制外部處理器，結(jié)合ADl的測(cè)量值計(jì)算極間瞬時(shí)電壓；加工斷路時(shí)，AD2測(cè)量值與電源電壓相同；加工短路，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲阻抗增大，發(fā)揮保護(hù)作用，ADl與AD2測(cè)量值相同。
[0099]高速比較電路主要用于檢測(cè)信號(hào)S2的波形修正與幅值電壓修正。實(shí)際加工中，受到極間加工脈沖影響，檢測(cè)信號(hào)S2升沿與降沿上均會(huì)存在一定的電壓波動(dòng)。通過(guò)高速比較器，被測(cè)信號(hào)S2與一個(gè)較小的基準(zhǔn)比較電壓(接近于“O”的正基準(zhǔn)電壓)進(jìn)行比較，在其脈寬時(shí)間范圍內(nèi)，S2的電壓大于基準(zhǔn)比較電壓，比較器穩(wěn)定送出高電平；在其脈間范圍內(nèi)，S2的電壓小于基準(zhǔn)比較電 壓，比較器穩(wěn)定送出低電平；因此，S2脈寬與脈間上的電壓波動(dòng)得以消除，同時(shí)通過(guò)高速比較器，信號(hào)S2也轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或TTL信號(hào)S3，便于專(zhuān)用集成電路(FPGA)處理，而且二者頻率、脈間與脈寬則完全相同。
[0100]檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路(FPGA)利用自身的高頻測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)S3的脈寬、脈間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，將相應(yīng)計(jì)數(shù)值送入外部處理器；根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率與得到的脈寬、脈間計(jì)數(shù)值，外部處理器計(jì)算信號(hào)S3的脈間、脈寬與頻率，從而確定極間加工脈沖的脈間、脈寬
與頻率。
[0101]同時(shí)，檢測(cè)邏輯控制利用S3信號(hào)作為高速數(shù)模轉(zhuǎn)換ADl與AD2的啟動(dòng)時(shí)間基準(zhǔn)?？刂茖?zhuān)用集成電路(FPGA)根據(jù)S3信號(hào)狀態(tài)，模擬CPU發(fā)出高速AD的控制指令，實(shí)現(xiàn)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取與判別等工作，獲得信號(hào)SpStl的瞬時(shí)電壓。整個(gè)過(guò)程中，檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路(FPGA)負(fù)責(zé)各指令數(shù)據(jù)生成、傳輸以及相關(guān)各時(shí)序控制，無(wú)需外部處理器的干預(yù)及控制，外部處理器向集成電路請(qǐng)求各被測(cè)信號(hào)采樣值，計(jì)算極間電壓/流瞬時(shí)值、判斷極間狀況。
[0102]2.檢測(cè)控制時(shí)序
[0103]本文的納秒級(jí)加工脈沖檢測(cè)主要包括加工脈沖幅值電壓、電流、脈寬、脈間、斷/短路狀況等的檢測(cè)，檢測(cè)控制集成電路(FPGA)控制兩路高速AD采樣被測(cè)信號(hào)Sc^S1判斷極間的斷/短路狀況并獲得測(cè)量電壓；同時(shí)，集成電路直接采樣被測(cè)信號(hào)S3，檢測(cè)加工脈沖的頻率、脈寬、脈間等時(shí)間參數(shù)；最后，由系統(tǒng)外部處理器獲取各測(cè)量電壓，計(jì)算加工脈沖的幅值電壓與電流。
[0104]I)幅值電壓及電流的檢測(cè)時(shí)序
[0105]圖2所示為納秒脈寬加工脈沖幅值電壓及電流的檢測(cè)時(shí)序，它通過(guò)可編程邏輯器件FPGA設(shè)計(jì)專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)。
[0106]圖中的信號(hào)S為實(shí)際加工極間脈沖；信號(hào)Scx為檢測(cè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，同時(shí)用作專(zhuān)用集成電路的基準(zhǔn)時(shí)鐘，周期TeK;時(shí)刻h為被測(cè)信號(hào)SpS1與S2的上升沿，時(shí)刻為信號(hào)S3的上升沿。由于與基準(zhǔn)比較電壓進(jìn)行了比較運(yùn)算，t0與之間存在一定的時(shí)間延遲tpd ；t2為專(zhuān)用集成電路捕獲到信號(hào)S3上升沿的時(shí)刻，與t2之間存在延遲時(shí)間tI;其與器件速度有關(guān)；t3為高速AD啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)刻，t2與t3之間專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了可變的延遲時(shí)間td,td通過(guò)公式2調(diào)節(jié):
[0107]td = nTCK, η = 0，1，2，3，...(2)
[0108]通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)η，延遲時(shí)間td發(fā)生變化，專(zhuān)用集成電路控制高速AD實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)S0^S1脈間與脈寬上電壓的檢測(cè)；圖中的時(shí)刻t4為高速AD的實(shí)際采樣時(shí)刻，t3與t4之間存在時(shí)間延遲t。，它包括采集指令時(shí)間與高速AD的采樣時(shí)間。
[0109]上述時(shí)序中，由于測(cè)量過(guò)程中電路不變，器件不變，被測(cè)脈沖各參數(shù)不變，假定加工環(huán)境不變或變化極其緩慢，則延遲時(shí)間tpftpt。不變。由此可以規(guī)劃納秒脈沖的檢測(cè)過(guò)程I
[0110]專(zhuān)用集成電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)S3，信號(hào)SpS1與S2的上升沿到來(lái)，經(jīng)延遲時(shí)間tpd，S3出現(xiàn)上升沿；經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間tI;專(zhuān)用集成電路捕獲到S3的上升沿，設(shè)定參數(shù)η值為“0”，td為“0”，在t3時(shí)刻發(fā)出AD轉(zhuǎn)換指令，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間t。，高速AD發(fā)出采集動(dòng)作，采集到t4時(shí)刻時(shí)被測(cè)信號(hào)的瞬態(tài)值并存儲(chǔ)，一次采集完成；
[0111]t’ 3為下一次采集高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)刻，相應(yīng)的，t’ 4為下一次采集高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的實(shí)際采樣時(shí)刻。
[0112]而后，專(zhuān)用集成電路繼續(xù)捕獲S3的上升沿，將式(2)的參數(shù)η加“ I ”，設(shè)置延遲時(shí)間為“!《”，延遲I個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期，在圖中的時(shí)刻t’ 3發(fā)出AD轉(zhuǎn)換指令，延遲時(shí)間td變?yōu)閠’ d，延遲時(shí)間t。后高速AD采集被測(cè)信號(hào)，得到t’ 4時(shí)的被測(cè)信號(hào)并與存儲(chǔ)值比較。若二者之比不在1/2~2之間且較小值近似于“0”，則一次檢測(cè)循環(huán)完成；否則繼續(xù)捕獲S3的上升沿，參數(shù)η加“ 1”，開(kāi)始下一次檢測(cè)，直至二者之比不在1/2~2之間且較小值近似于“O”或者延遲時(shí)間td大于500 μ S。
[0113]上述檢測(cè)中，集成電路周期Tcx —般取IOns甚至更小，當(dāng)參數(shù)η由O逐漸增大時(shí)，高速AD的采集時(shí)間能夠覆蓋周期不大于500 μ s的納秒脈沖，同時(shí)能夠分辨20ns-500 μ s脈寬。
[0114]2)脈寬、脈間及周期檢測(cè)
[0115]集成電路內(nèi)部設(shè)計(jì)雙計(jì)數(shù)器，分別利用Sai的上升沿與下降沿對(duì)被測(cè)信號(hào)S3的脈寬或脈間計(jì)數(shù)，根據(jù)兩計(jì)數(shù)值與基準(zhǔn)時(shí)鐘Sai的半周期計(jì)算極間脈寬或脈間，計(jì)算公式見(jiàn)式
(3)。其中，ton為被測(cè)信號(hào)脈寬，toff為被測(cè)信號(hào)脈間，ηι、η2分別為檢測(cè)周期內(nèi)計(jì)到的基準(zhǔn)信號(hào)Sai上升沿與下降沿個(gè)數(shù)，測(cè)量精度！《/2。
[0116]ton, toff = (η^η^TCK/2(3)
[0117]脈寬與脈間檢測(cè)可用同一套雙計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)期間集成電路采樣S3信號(hào)，信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)低電平，集成電路調(diào)用公式(3)計(jì)算反之，信號(hào)由低平轉(zhuǎn)高電平，集成電路調(diào)用公式(3)計(jì)算toff。
[0118]3)短路與斷路檢測(cè)
[0119]圖1所示的檢測(cè)電路通過(guò)快恢復(fù)保險(xiǎn)絲保護(hù)加工電路，正常工作時(shí)，由于用于加工電流檢測(cè)的精密測(cè)量電阻Ri較小，因而，被測(cè)信號(hào)Stl幅值電壓遠(yuǎn)小于信號(hào)S1幅值電壓。發(fā)生極間短路時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲阻抗急劇增大，不再保持O值，從而保護(hù)電路。此時(shí)，信號(hào)Stl與S1相同。集成電路內(nèi)部的短路監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)比較兩信號(hào)采樣值，二者相同，置位相應(yīng)短路出錯(cuò)標(biāo)志。
[0120]發(fā)生極間斷路時(shí)，加工及保護(hù)支路電流為零，相應(yīng)的，被測(cè)信號(hào)Stl通過(guò)精密檢測(cè)電阻民與快恢復(fù)保險(xiǎn)絲接地，持續(xù)保持“O”電壓，直至斷路狀況消失。集成電路內(nèi)部的斷路監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)到Stl的幅值電壓為“O”后，置位斷路出錯(cuò)標(biāo)志。
[0121]3.檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)
[0122]I)轉(zhuǎn)換電路[0123]采用圖1中的轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際加工需求，設(shè)定納秒脈沖幅值電壓4-48V，脈沖頻率2KHz~25MHz，脈寬20ns_l μ S，峰值電流300mA，轉(zhuǎn)換電路各器件可按以下值選取:
[0124]快恢復(fù)保險(xiǎn)絲額定電流300mA，電阻IVRpRfRc與Ri分別選用2K、1K、8K、9K與3歐姆精密電阻，以保證檢測(cè)精度。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路，極間加工脈沖轉(zhuǎn)化為3路被測(cè)信號(hào)S1與S2，其中Sc^S1為小于IOV的高頻納秒脈沖，直接送高速AD檢測(cè)；S2為小于5V的高頻納秒脈沖，送入高速比較電路進(jìn)行波形修正與幅值電壓修正，獲得專(zhuān)用集成電路能夠接受的TTL信號(hào)或CMOS信號(hào)。
[0125]2)采集與控制電路
[0126]采集與控制電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3。其中的高速AD選用Maxl96，量程選擇單極性0-10V ;高速比較器選用ADCMP600，上升/下降沿2.2ns，傳輸延遲時(shí)間3.5ns。
[0127]通過(guò)12位并口總線DIch12與DIIch12、讀寫(xiě)控制信號(hào)WR1、WR2、RD1和RD2、片選信號(hào)CSl與CS2，檢測(cè)控制邏輯專(zhuān)用集成電路寫(xiě)入指令字啟動(dòng)兩片Maxl96，采集被測(cè)信號(hào)Stl與S1,監(jiān)測(cè)Maxl96的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)INTl與INT2，按照?qǐng)D2給出的檢測(cè)時(shí)序獲取Stl與S1脈寬及脈間上的瞬時(shí)值；同時(shí)，專(zhuān)用集成電路采樣高速比較電路的輸出信號(hào)S3，計(jì)量脈寬及脈間時(shí)間，輔助完成Stl與S1的采集時(shí)序以及斷/短路狀態(tài)判斷。
[0128]完成上述工作的同時(shí)，專(zhuān)用集成電路通過(guò)高速串口協(xié)議SPI與16位并行接口，響應(yīng)外部處理器STM32的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，送出各被測(cè)量的幅值電壓、脈間/寬計(jì)數(shù)值、狀態(tài)寄存器，由外部處理器STM32計(jì)算各 脈沖參數(shù)并判斷極間放電狀態(tài)。
[0129]基準(zhǔn)比較電源電路如圖4，為獲得較準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓，電路中采用基準(zhǔn)電壓芯片LM336-2.5與精密電阻R2得到2.5V電壓，而后通過(guò)精密電阻R3與R4分壓獲得0.25V的基準(zhǔn)比較電壓\。
[0130]4.檢測(cè)控制專(zhuān)用集成電路
[0131]I)框架結(jié)構(gòu)
[0132]根據(jù)前文所述的時(shí)序要求與功能，檢測(cè)控制專(zhuān)用集成電路的框架結(jié)構(gòu)如圖5。其構(gòu)成包括CPU總線接口、脈沖電壓參數(shù)寄存器、脈沖時(shí)間參數(shù)寄存器、時(shí)鐘電路、狀態(tài)轉(zhuǎn)換與控制電路、ScZS1電壓比較電路、脈寬/間雙計(jì)數(shù)電路、ADl與AD2驅(qū)動(dòng)控制電路等。
[0133]便于與外部處理器的接口控制，專(zhuān)用集成電路的CPU總線接口設(shè)計(jì)有高速串行總線SPI與并行總線兩種總線接口，通過(guò)二者，外部處理器可根據(jù)地址訪問(wèn)被測(cè)脈沖的各峰/谷值電壓、脈寬/間計(jì)數(shù)值以及脈沖狀態(tài)寄存器，結(jié)合轉(zhuǎn)換電路，利用公式(I)與(3)計(jì)算極間脈沖電壓、電流與時(shí)間參數(shù)，判斷極間的斷/短路狀況。
[0134]時(shí)鐘電路為專(zhuān)用集成電路提供測(cè)量時(shí)鐘與電路控制基準(zhǔn)時(shí)鐘，專(zhuān)用集成電路利用其輸出時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生兩路AD轉(zhuǎn)換的指令寫(xiě)入時(shí)序、數(shù)據(jù)讀出時(shí)序，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的啟動(dòng)延時(shí)td、td’以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀入延時(shí)。
[0135]此外，脈寬/間雙計(jì)數(shù)電路采樣時(shí)鐘電路的上升沿與下降沿，結(jié)合信號(hào)S3的高低電平狀況，利用公式(3)檢測(cè)脈寬與脈間JcZS1電壓比較電路定時(shí)采樣各電壓參數(shù)，比較Stl與S1的峰值電壓，二者相同，修改脈沖狀態(tài)寄存器，置位短路標(biāo)志；檢測(cè)到Stl的峰值電壓為“0”，則置位斷路標(biāo)志。
[0136]狀態(tài)轉(zhuǎn)換與控制電路有3個(gè)子模塊構(gòu)成:集成電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制、ADl狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制與AD2狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制。三個(gè)子模塊分別控制專(zhuān)用集成電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換、ADl啟動(dòng)、延時(shí)與讀取以及AD2啟動(dòng)、延時(shí)與讀取。
[0137]專(zhuān)用集成電路具有空閑、檢測(cè)、數(shù)據(jù)忙三個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)上電，專(zhuān)用集成電路初始化各寄存器，進(jìn)入空閑態(tài)；通過(guò)CPU總線接口，專(zhuān)用集成電路收到檢測(cè)指令，進(jìn)入檢測(cè)態(tài)，允許各構(gòu)成電路工作；檢測(cè)狀態(tài)下，各構(gòu)成電路完成檢測(cè)，寫(xiě)入寄存器時(shí)，專(zhuān)用集成電路進(jìn)入數(shù)據(jù)忙狀態(tài)，禁止CPU (即外部處理器)訪問(wèn)寄存器；同樣，檢測(cè)狀態(tài)下，專(zhuān)用集成電路收到CPU(即外部處理器)的寄存器請(qǐng)求，也進(jìn)入數(shù)據(jù)忙狀態(tài)，禁止其它構(gòu)成電路訪問(wèn)寄存器；需要說(shuō)明的是，進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)后，專(zhuān)用集成電路只有收到停止檢測(cè)的指令，才會(huì)回復(fù)空閑態(tài)，否則一直處于檢測(cè)態(tài)，執(zhí)行脈沖檢測(cè)任務(wù)?？臻e狀態(tài)下，CPU (即外部處理器)可以訪問(wèn)寄存器。
[0138]ADl與AD2狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制見(jiàn)下節(jié)。
[0139]2 )峰/谷值電壓檢測(cè)控制
[0140](1) MAX196操作控制原理
[0141]峰/谷值電壓檢測(cè)按照?qǐng)D2所示的控制時(shí)序，通過(guò)ADl與AD2驅(qū)動(dòng)控制電路操作模數(shù)轉(zhuǎn)換器件MAX196，采樣信號(hào)Stl與S1，獲得信號(hào)的峰值電壓與谷值電壓，供外部處理器計(jì)算加工脈沖的峰值電壓與電流之用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器件MAX196的操作時(shí)序如圖6。
[0142]參照?qǐng)D示的時(shí)序關(guān)系，專(zhuān)用集成電路通過(guò)并行總線的低8位寫(xiě)入工作方式控制字，啟動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換。而后，專(zhuān)用集成電路檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)INT，檢測(cè)到低電平，啟動(dòng)一次讀操作，利用并行總線獲取12位采集電壓值。MAX196的控制字格式及含義見(jiàn)表1，其中，地址OOH~05H對(duì)應(yīng)采集通道O~5。本文選用通道O，工作模式OI，使用片內(nèi)時(shí)鐘、普通采集模式；采集模式0，芯片內(nèi)部控制采集；RNG位選1，電壓范圍O~IOV ;極性選擇位BIP選0，使用單極性，控制字為01010000B (50H)。
[0143]表1 MAX196控制字格式及定義
【權(quán)利要求】
1.一種納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，其特征是包括采集與控制電路以及轉(zhuǎn)換電路； 一、轉(zhuǎn)換電路包括:加工及保護(hù)支路、電流檢測(cè)支路、電壓檢測(cè)支路與脈寬檢測(cè)支路； 所述加工及保護(hù)支路包括:工具電極、被加工工件與精密測(cè)量電阻民；所述電流檢測(cè)支路包括:電阻Rtll和電阻Ral ;電壓檢測(cè)支路包括電阻Rtl2和電阻Ra2 ;所述脈寬檢測(cè)支路包括:電阻 R1 和電阻 Rc;其中，R01 > > Ri ；R02 > > Ri ；Ral > > Ri ；Ra2 > > Ri ； Roi> R02> Rai> Ra2> R1與R。遠(yuǎn)大于加工及保護(hù)支路的其他阻抗值； 脈沖電源的“+”極端連接被加工工件；脈沖電源的極端連接工具電極； 電阻Ri連接在工具電極與脈沖電源的極端之間；電阻Rtll的一端連接工具電極，另一端連接電阻Ral，電阻Ral連接在電阻Rtll與脈沖電源的極端之間；電阻Rtl2的一端連接脈沖電源的“+”極端，另一端連接電阻Ra2,電阻Ra2連接在電阻Rtl2與脈沖電源的極端之間；電阻R1的一端連接脈沖電源的“+”極端，另一端連接電阻R。，電阻Rc連接在電阻R1與脈沖電源的極端之間； 設(shè)電阻Ral與電阻Rtll之間為被測(cè)電流信號(hào)Stl;設(shè)電阻Ra2與電阻Rtl2之間為被測(cè)電壓信號(hào)S1 ;設(shè)電阻R。與電阻R1之間為被測(cè)脈寬信號(hào)S2 ； 二、采集與控制電路包括:高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2、高速比較器、基準(zhǔn)比較電壓模塊、檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路和外部處理器； 信號(hào)Stl和信號(hào)S1分別傳入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的輸入端，得到信號(hào)Stl和S1的數(shù)字量；信號(hào)S2和基準(zhǔn)比較電壓送入高速比較器得到數(shù)字信號(hào)S3 ；S3與S2的頻率、脈寬和脈間相同，幅值不同，相位不同； 所述檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路包括的各個(gè)模塊電路分別為:時(shí)鐘電路、狀態(tài)轉(zhuǎn)換與控制電路、ScZS1電壓比較電路、ADl驅(qū)動(dòng)控制模塊、AD2驅(qū)動(dòng)控制模塊、脈寬/間計(jì)算雙計(jì)數(shù)電路、脈沖電壓參數(shù)寄存器、脈沖時(shí)間參數(shù)寄存器和總線接口電路；各個(gè)模塊通過(guò)片內(nèi)總線通信；外部處理器通過(guò)CPU總線接口與檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路通信； 所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換與控制電路包括: a、集成電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊:控制檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換； b、ADl狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊:控制ADl的啟動(dòng)、延時(shí)與讀??； c、AD2狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊:控制AD2的啟動(dòng)、延時(shí)與讀取； 所述ADl驅(qū)動(dòng)控制模塊和AD2驅(qū)動(dòng)控制模塊分別控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的啟動(dòng)及其他操作； 脈寬/間計(jì)算雙計(jì)數(shù)電路對(duì)信號(hào)S3的脈寬、脈間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，相應(yīng)的計(jì)數(shù)值通過(guò)總線接口電路傳給外部處理器，外部處理器根據(jù)信號(hào)S3的脈間、脈寬與頻率確定工具電極和被加工工件的極間加工脈沖的脈間、脈寬與頻率； ScZS1電壓比較電路定時(shí)采樣脈沖電壓參數(shù)寄存器中的Stl與S1的電壓參數(shù)，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)修改脈沖狀態(tài)寄存器； ADl驅(qū)動(dòng)控制模塊和AD2驅(qū)動(dòng)控制模塊控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的啟動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，其特征是還包括快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F連接在電阻Ri與脈沖電源的極端之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，其特征是所述電阻R1和R。的阻值選擇要求是，使輸出被測(cè)信號(hào)S2的幅值穩(wěn)定在O~5V范圍內(nèi)，同時(shí)保證被測(cè)信號(hào)S2與極間加工脈沖頻率、相位相同； 電阻Ri的阻抗要求遠(yuǎn)小于加工及保護(hù)支路、電流檢測(cè)支路、電壓檢測(cè)支路與脈寬檢測(cè)支路的其他阻抗；同時(shí)，電阻IV R02> R1^ Ral> Ra2與R。值都要遠(yuǎn)大于加工及保護(hù)支路的阻抗值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，其特征是所述電壓參數(shù)寄存器包括Stl峰值電壓寄存器、S1峰值電壓寄存器、Stl谷值電壓寄存器和S1谷值電壓寄存器，它們分別存儲(chǔ)信號(hào)Stl與S1對(duì)應(yīng)電壓的峰谷值； 時(shí)間參數(shù)寄存器包括脈間計(jì)數(shù)寄存器、脈寬計(jì)數(shù)寄存器和脈沖狀態(tài)寄存器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，其特征是R01=Rc12；R =RiVal iVa2 °
6.一種米用權(quán)利要求1~5任一所述電路的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征是先通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，把待測(cè)的被加工工件與工具電極之間的極間電壓和電流被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)供采集與控制電路檢測(cè)；采集與控制電路采樣并轉(zhuǎn)換得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，該標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路的相應(yīng)參數(shù)寄存器；外部處理器檢索相應(yīng)的各參數(shù)寄存器 ，計(jì)算相應(yīng)的極間脈沖幅值電壓、電流，同時(shí)獲得脈沖寬度、脈沖間隔、極間短/斷路狀況； 正常加工時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗為“O”;加工短路或加工電流超過(guò)保險(xiǎn)絲F的容許電流，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，減小加工及保護(hù)支路中的電流；短路狀況消除，支路中的電流恢復(fù)正常，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F的阻抗恢復(fù)為“O”，從而起到保護(hù)電路的作用； 加工及保護(hù)支路的電阻Rp快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F與電流檢測(cè)支路并聯(lián)，通過(guò)電阻Rtll與Ral分壓產(chǎn)生被測(cè)信號(hào)Stl，通過(guò)Stl反算正常加工時(shí)電阻Ri兩端的測(cè)量電壓，求得被加工工件-工具電極間的加工電流；對(duì)于用作電流檢測(cè)的電阻Rtll與Ral，它們的阻值遠(yuǎn)大于檢測(cè)電阻Ri ；加工及保護(hù)支路與電壓檢測(cè)支路并聯(lián)；電壓檢測(cè)支路輸出被測(cè)信號(hào)S1 ;為簡(jiǎn)化極間電壓計(jì)算，電壓檢測(cè)支路的分壓電阻阻值選擇與電流檢測(cè)支路相同，分別為Rci=Rc11=Rc12 ;Ra=Ral=Ra2，加工工件-工具電極間的電壓U的計(jì)算采用公式(I): U= (S1-S0)(RfRa)Ra(I) 采集與控制: 采集與控制電路的作用是接收轉(zhuǎn)換電路得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的采集、轉(zhuǎn)換與計(jì)算，求取納秒脈沖的幅值電壓/電流、脈寬和脈間參數(shù)，判斷極間的斷/短路狀況； 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl用于極間電流檢測(cè)；正常加工時(shí)，保險(xiǎn)絲F阻抗為“O”，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl獲取測(cè)量電阻Ri兩端的瞬時(shí)電壓，存入相應(yīng)參數(shù)寄存器，供外部處理器計(jì)算極間瞬時(shí)加工電流；加工斷路時(shí)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl檢測(cè)到工具電極與極端之間的瞬時(shí)電壓恒為“O”值；加工短路時(shí)，保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl檢測(cè)到工具電極與極端之間的瞬時(shí)電壓與脈沖電源輸出電壓相同； 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2與ADl相配合，利用公式(I)實(shí)現(xiàn)極間電壓檢測(cè)、斷/短路狀態(tài)判斷: 正常加工時(shí)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2檢測(cè)加工與保護(hù)支路兩端的瞬時(shí)電壓，存入?yún)?shù)寄存器并上送外部處理器，由外部處理器結(jié)合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl的測(cè)量值計(jì)算極間瞬時(shí)電壓； 加工斷路時(shí)，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD2測(cè)量值與脈沖電源電壓相同； 加工短路時(shí)，保險(xiǎn)絲F的阻抗增大，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl與AD2測(cè)量值相同； 高速比較電路用于信號(hào)S2的波形修正與幅值電壓修正；實(shí)際加工中，受到極間加工脈沖影響，信號(hào)S2升沿與降沿上均會(huì)存在電壓波動(dòng)，通過(guò)高速比較電路，信號(hào)S2與一個(gè)接近于“O”的正電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，在信號(hào)S2的脈寬時(shí)間范圍內(nèi)，信號(hào)S2的電壓大于正電壓基準(zhǔn)，比較器穩(wěn)定送出高電平；在信號(hào)S2的脈間范圍內(nèi)，信號(hào)52的電壓小于正電壓基準(zhǔn)，比較器穩(wěn)定送出低電平；由此，信號(hào)S2脈寬與脈間上的電壓波動(dòng)得以消除，同時(shí)通過(guò)高速比較器，信號(hào)S2也轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或TTL信號(hào)S3,便于檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路處理，而且信號(hào)S2和信號(hào)S3頻率、脈間與脈寬完全相同； 檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路利用自身的基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)信號(hào)S3的脈寬、脈間進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)，將相應(yīng)計(jì)數(shù)值送入外部處理器；根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率與得到的脈寬、脈間計(jì)數(shù)值，外部處理器計(jì)算信號(hào)S3的脈間、脈寬與頻率，從而確定極間加工脈沖的脈間、脈寬與頻率； 檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路利用信號(hào)S3作為高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADl與AD2的啟動(dòng)時(shí)間基準(zhǔn)；檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路根據(jù)信號(hào)S3的信號(hào)狀態(tài)，發(fā)出高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADl與AD2的控制指令，實(shí)現(xiàn)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取與判別工作，獲得信號(hào)SpStl的瞬時(shí)電壓； 整個(gè)過(guò)程中，檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路負(fù)責(zé)各指令數(shù)據(jù)生成、傳輸以及相關(guān)各時(shí)序控制，無(wú)需外部處理器的干預(yù)及控制，外部處理器向檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路請(qǐng)求各被測(cè)信號(hào)采樣值，計(jì)算加 工工件-工具電極間的電壓瞬時(shí)值、判斷極間狀況。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納秒脈寬電化學(xué)加工脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其特征是 O幅值電壓及電流的檢測(cè)時(shí)序: 設(shè): 信號(hào)S為實(shí)際加工極間脈沖；信號(hào)Scx為檢測(cè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，該時(shí)鐘同時(shí)用作檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路的基準(zhǔn)時(shí)鐘，周期為T(mén)ck ； 時(shí)刻h為信號(hào)Sc^S1與S2的上升沿，時(shí)刻h為信號(hào)S3的上升沿；由于與基準(zhǔn)比較電壓進(jìn)行了比較運(yùn)算，t0與h之間存在時(shí)間延遲tpd ； t2為捕獲到信號(hào)S3上升沿的時(shí)刻，與t2之間存在延遲時(shí)間h ；t3為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)刻，t2與t3之間設(shè)有可變的延遲時(shí)間td, td通過(guò)公式2調(diào)節(jié): td = nTCK, η = 0,1，2，3，...(2) 通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)η，延遲時(shí)間^發(fā)生變化，檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路通過(guò)控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2，實(shí)現(xiàn)信號(hào)Sp S1脈間與脈寬上電壓的檢測(cè)； t4為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的實(shí)際采樣時(shí)刻，t3與t4之間存在時(shí)間延遲t。，tc包括采集指令時(shí)間與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的采樣時(shí)間。 上述時(shí)序中，由于測(cè)量過(guò)程中電路不變，器件不變，被測(cè)脈沖各參數(shù)不變，假定加工環(huán)境不變或變化極其緩慢，則延遲時(shí)間tpd、tc不變，由此可以規(guī)劃納秒脈沖的檢測(cè)過(guò)程:檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)S3 ； 信號(hào)S1與S2的上升沿到來(lái)，經(jīng)延遲時(shí)間tpd，S3出現(xiàn)上升沿；經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間h，捕獲到S3的上升沿；設(shè)定參數(shù)η值為“0”，td為“0”，t3時(shí)刻發(fā)出ADl和AD2的轉(zhuǎn)換指令，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間t。，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2發(fā)出采集動(dòng)作，采集到t4時(shí)刻時(shí)被測(cè)信號(hào)的瞬態(tài)值并存儲(chǔ)，一次采集完成； t’ 3為下一次采集高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)刻，相應(yīng)的，t’ 4為下一次采集高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2的實(shí)際采樣時(shí)刻； 而后，繼續(xù)捕獲S3的上升沿，將式(2)的參數(shù)η加“ I ”，設(shè)置延遲時(shí)間td為“T。/，延遲I個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期，在t3時(shí)刻后經(jīng)過(guò)I個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，即t’3時(shí)刻發(fā)出ADl和AD2的轉(zhuǎn)換指令，延遲時(shí)間td變?yōu)閠’ d，延遲時(shí)間t。后高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADl和AD2采集被測(cè)信號(hào)S。、S1，得到t4時(shí)刻延后一個(gè)時(shí)鐘周期Tdt后的t’ 4時(shí)刻時(shí)的被測(cè)信號(hào)S1并與存儲(chǔ)值比較: 若Sc^S1的值與相應(yīng)的存儲(chǔ)值之比在1/2~2之間，則繼續(xù)捕獲S3的上升沿，參數(shù)η加“1”，得到新的t’3、t’4，開(kāi)始下一次檢測(cè)，直至上述比值不在1/2~2之間或延遲時(shí)間、大于 500 μ s ； 若S。、S1的值與相應(yīng)的存儲(chǔ)值之比不在1/2~2之間，則一次檢測(cè)循環(huán)完成； 2)脈寬、脈間及周期檢測(cè): 檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路內(nèi)部設(shè)有雙計(jì)數(shù)器，分別利用Sai的上升沿與下降沿對(duì)被測(cè)信號(hào)S3的脈寬或脈間計(jì)數(shù)；根據(jù)兩計(jì)數(shù)值與基準(zhǔn)時(shí)鐘Sai的半周期計(jì)算極間加工脈沖的脈寬或脈間，計(jì)算公式見(jiàn)式(3);其中，tm為被測(cè)信號(hào)脈寬，toff為被測(cè)信號(hào)脈間，ηι、η2分別為檢測(cè)周期內(nèi)計(jì)到的基準(zhǔn)信號(hào)Sai上升沿與下降沿個(gè)數(shù)，測(cè)量精度為1^/2 ；
ton = (ni+n2) TCK/2


(3)
toff = (n!+n2) TCK/2 脈寬與脈間檢測(cè)用同一套雙計(jì)數(shù)器，采樣S3信號(hào)，該信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)低電平，則調(diào)用公式(3)計(jì)算tm ;該信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)高電平，則調(diào)用公式(3)計(jì)算Uf ； 3)短路與斷路檢測(cè) 正常工作時(shí),被測(cè)信號(hào)Stl的幅值電壓遠(yuǎn)小于信號(hào)SI ； 發(fā)生極間短路時(shí)，快恢復(fù)保險(xiǎn)絲F阻抗急劇增大，不再保持O值，此時(shí)，信號(hào)Stl與SI相同；檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路監(jiān)測(cè)比較信號(hào)Stl與SI的采樣值，二者相同，則判斷短路； 發(fā)生極間斷路時(shí)，加工及保護(hù)支路電流為零，相應(yīng)的，被測(cè)信號(hào)Stl通過(guò)電阻Ri與快恢復(fù)保險(xiǎn)絲接地，持續(xù)保持“O”電壓，直至斷路狀況消失；檢測(cè)邏輯控制專(zhuān)用集成電路檢測(cè)到Stl的幅值電壓為“O ”后，則判斷斷路。
【文檔編號(hào)】G01R31/02GK103941075SQ201410027314
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】張建華, 李宏勝, 葛紅宇, 王建紅, 樊紅梅, 邵祥兵, 湯玉東, 郭玉明 申請(qǐng)人:南京工程學(xué)院