張 敏,王 洋,吉 方,劉廣民,張勇斌

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所,四川綿陽 621900)

脈沖電源是電火花加工機(jī)床的重要組成部分。其作用是把工頻交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖電流,以供給電極放電間隙所需的能量來蝕除金屬[1]。脈沖電源對電火花加工的生產(chǎn)率、表面質(zhì)量、加工精度、加工過程的穩(wěn)定性和工具電極損耗等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很大影響。

電火花工作液在加工過程中會產(chǎn)生少量的OH-,當(dāng)工件接正極,在電場作用下,OH-離子會在工件表面不斷聚集,發(fā)生電解加工,造成鐵、鋁、銅、鋅、鈦、鎢的氧化和腐蝕,并使硬質(zhì)合金材料中的結(jié)合劑—鈷成離子狀態(tài)溶解在水中,形成工件表面的“軟化層”。而且傳統(tǒng)的RC張弛式和獨(dú)立式電源沒有消電離環(huán)節(jié)[2-3],易發(fā)生電弧性脈沖放電,且電極損耗嚴(yán)重[4]。電解加工和消電離不完全制約著電火花加工的效率、表面質(zhì)量、加工精度和加工穩(wěn)定性的提高[5]?；谝陨蠁栴},本文設(shè)計(jì)了一種正、負(fù)脈沖相間,正脈沖加工、負(fù)脈沖防電解和消電離的微能脈沖電源。脈沖電源以ARM為核心,結(jié)合CPLD共同作用,產(chǎn)生高頻可調(diào)的脈沖波形,滿足電火花微細(xì)加工的要求。

1 微細(xì)加工微能脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電火花微細(xì)加工微能脈沖電源系統(tǒng)由脈沖主回路模塊、控制模塊、檢測模塊三部分組成,原理框圖如圖1所示[6]。脈沖主回路模塊包括工作電壓調(diào)節(jié)單元、正負(fù)脈沖產(chǎn)生單元、獨(dú)立式和 RC式選擇單元、極性切換單元、消電離單元等幾部分。脈沖產(chǎn)生模塊在控制模塊作用下,將工頻電流轉(zhuǎn)化為脈沖電流,作用于加工間隙,為電極加工提供所需的能量,并具有防電解和消電離功能?？刂颇K由核心控制系統(tǒng)ARM 、時(shí)序控制系統(tǒng)CPLD、驅(qū)動(dòng)、隔離單元等幾部分構(gòu)成?？刂颇K的作用是根據(jù)加工時(shí)參數(shù)的選取情況產(chǎn)生高頻脈沖控制信號,作用于脈沖產(chǎn)生模塊,控制脈沖的產(chǎn)生以及選取加工電壓、電流、極性。檢測模塊由電壓檢測單元、單脈沖檢測單元、平均電壓單元和A/D轉(zhuǎn)換單元等幾部分構(gòu)成。檢測模塊的作用是實(shí)時(shí)檢測電火花加工中平均電壓和單脈沖電壓變化,反饋信息給ARM 和CPLD,控制工具電極進(jìn)給和高頻脈沖產(chǎn)生。

圖1 脈沖電源原理框圖

2 脈沖主回路模塊設(shè)計(jì)

脈沖主回路原理如圖2所示。交流電經(jīng)工作電壓調(diào)節(jié)單元,轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?U1和U 2,直流電經(jīng)過MOSFET開關(guān)Q1到Q5,轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電流,選擇開關(guān)K1、K2調(diào)整加工電流,開關(guān)K3的作用是改變加工電容,開關(guān)K4、K5聯(lián)合動(dòng)作,進(jìn)行微細(xì)加工極性切換,脈沖電流作用在工件和電極兩端,完成脈沖放電加工。在脈沖產(chǎn)生模塊中,設(shè)計(jì)了輔助的消電離單元。

圖2 脈沖主回路原理框圖

通過MOSFET開關(guān)Q1到Q5以及開關(guān)K1到K5的通、斷的組合,產(chǎn)生多種加工模式和不同的加工電流、脈寬、脈間。

2.1 脈沖產(chǎn)生和加工模式

(1)U1獨(dú)立工作

Q1作用是產(chǎn)生脈沖電流。控制系統(tǒng)發(fā)出高頻脈沖信號,控制Q1的通、斷時(shí)間,調(diào)節(jié)脈沖的脈寬和脈間,滿足不同加工工藝要求。

(2)U2獨(dú)立工作

U2獨(dú)立工作時(shí),通過Q2到Q5的聯(lián)合動(dòng)作,產(chǎn)生兩種脈沖模式。

A.獨(dú)立正、負(fù)脈沖模式

此種模式加工時(shí)采用單一脈沖:正脈沖或負(fù)脈沖。Q3和Q5同時(shí)工作,形成一個(gè)完整電流回路?？刂芉3和Q5的通、斷,產(chǎn)生加工所用的正脈沖。同理,Q2和Q4聯(lián)合工作,產(chǎn)生加工所用的負(fù)脈沖。

B.正脈沖加工、負(fù)脈沖防電解和消電離模式此種模式通過控制Q3和Q5產(chǎn)生正脈沖,控制Q2和Q4產(chǎn)生負(fù)脈沖,有兩種工作方式:

a.正、負(fù)脈沖組相間的方式,即:一組連續(xù)正脈沖進(jìn)行加工,之后一組連續(xù)負(fù)脈沖進(jìn)行防電解和消電離,重復(fù)下一個(gè)周期。正、負(fù)脈沖的脈寬、脈間可獨(dú)立調(diào)整。

b.正、負(fù)脈沖相間的方式,即:一個(gè)正脈沖進(jìn)行加工,隨后一個(gè)負(fù)脈沖防電解和消電離,重復(fù)下一個(gè)周期。正、負(fù)脈沖的脈寬可進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。

(3)U1和U2同時(shí)工作

在這種工作條件下,有兩種工作模式。

A.U1、U2進(jìn)行相間加工

這種工作條件下,Q5首先處于閉合狀態(tài),Q1完成一次通、斷,產(chǎn)生一個(gè)幅值U 1的正脈沖,Q3完成一次通、斷,產(chǎn)生一個(gè)幅值U2的正脈沖,重復(fù)Q1、Q3的通斷,完成了幅值 U 1,U 2的正脈沖相間加工。在一組相間正脈沖之后,Q1到Q5同時(shí)斷開,之后Q2和Q4共同工作,產(chǎn)生一組防電解和消電離用的負(fù)脈沖。完成了一個(gè)加工周期。

B.U1進(jìn)行加工,U2防電解和消電離

U 1經(jīng)過 Q1、Q5的通、斷,產(chǎn)生加工所用的正脈沖。U2經(jīng)過Q2、Q4的通斷,產(chǎn)生用于極間防電解和消電離的負(fù)脈沖,且負(fù)脈沖的幅值電壓小于電火花加工的放電維持電壓,保證負(fù)脈沖不能進(jìn)行放電加工。

此時(shí)可采用正、負(fù)脈沖相間或正、負(fù)脈沖組相間兩種工作方式。正、負(fù)脈沖的脈寬可進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。

2.2 加工電流的調(diào)整

開關(guān)K1、K2的作用是調(diào)整加工脈沖電流大小?？刂崎_關(guān)K1、K2,電阻 R1、R2以不同組合方式連接到電路中,改變回路阻值,進(jìn)而改變脈沖電流。在實(shí)際中,采用多通道電阻并聯(lián),擴(kuò)大脈沖電流調(diào)節(jié)范圍,滿足不同加工工藝的需求。

2.3 獨(dú)立式和RC形式切換

開關(guān)K3作用是完成從獨(dú)立式到RC形式的切換。K3斷開時(shí),相當(dāng)于獨(dú)立式脈沖電源。實(shí)際應(yīng)用中,采用多電容選擇通道的并聯(lián),調(diào)節(jié)電容值,產(chǎn)生滿足不同加工工藝的脈沖。且可和電阻阻值同步調(diào)節(jié),獲得不同的加工參數(shù)。

2.4 加工極性切換

開關(guān)K4和K5同時(shí)動(dòng)作,切換電極加工極性。其中K4-a和K5-b同時(shí)通斷,K4-b和K5-a同時(shí)通斷。開關(guān)K4和K5的選擇在加工參數(shù)中設(shè)定,設(shè)定后不做改變,因此對開關(guān)響應(yīng)速度要求不高,通常采用繼電器開關(guān)。

3 脈沖時(shí)序分析

本系統(tǒng)有多種脈沖工作模式,在此選擇電壓U1、U2同時(shí)工作的模式進(jìn)行分析,其他模式不做敘述。

其中:

U(Q1):幅值表示Q1導(dǎo)通,U1連接到電路中;反之則表示Q1關(guān)斷,U 1沒有連接到電路中

U(Q2):幅值表示Q2導(dǎo)通,U2連接到電路中;反之則表示Q2關(guān)斷,U 2沒有連接到電路中

U間隙:表示電極與工件之間間隙電壓

進(jìn)入高中之后，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)會感到強(qiáng)烈的反差，以致于很多學(xué)生出現(xiàn)不適應(yīng)的情況，逐漸地他們產(chǎn)生畏難心理，學(xué)習(xí)信心和興趣也受到打壓.筆者認(rèn)為這主要牽扯到以下幾個(gè)方面的問題.

i間隙:表示電極與工件之間間隙電流

U(Q3):幅值表示Q3導(dǎo)通,U 2連接到電路中;反之則表示Q3關(guān)斷,U2沒有連接到電路中

在加工中,電流調(diào)節(jié)開關(guān)K1、K2,電容選擇開關(guān)K3,極性切換開關(guān)K4和K5根據(jù)控制信號設(shè)定,處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)。

3.1 U1、U2相間加工

在這種加工方式下,U1產(chǎn)生正脈沖進(jìn)行加工,U2即產(chǎn)生正脈沖進(jìn)行加工,又產(chǎn)生負(fù)脈沖進(jìn)行防電解和消電離。具體加工波形如圖3所示。

圖3 電壓 U 1、U 2相間加工波形圖

[t0,t1]:U1作用下,擊穿延時(shí)。在這段時(shí)間內(nèi),Q1、Q5處于導(dǎo)通,Q2、Q3和Q4處于關(guān)斷,間隙電壓為 U1,間隙電流為0,這種狀態(tài)持續(xù)到 t1時(shí)刻。

[t1,t2]:U1作用下,正脈沖間隙放電。t1時(shí)刻,間隙被擊穿,進(jìn)入間隙放電階段,進(jìn)行放電加工,產(chǎn)生間隙電流,間隙電壓維持在火花放電的基準(zhǔn)電壓。此階段Q1和Q5導(dǎo)通,Q2、Q3和Q4關(guān)斷,這種狀態(tài)持續(xù)到t2時(shí)刻。

[t2,t3]:脈間自動(dòng)消電離。在此階段,Q1到Q4都處于關(guān)斷狀態(tài)。在脈間進(jìn)行自動(dòng)消電離。

[t3,t4]:U 2作用下,擊穿延時(shí)。從t3時(shí)刻開始,Q3和Q5處于導(dǎo)通,Q1、Q2和Q4處于關(guān)斷,間隙電壓為 U2,間隙電流為0,這種狀態(tài)持續(xù)到 t4時(shí)刻。

[t11,t12]:U2作用下,負(fù)脈沖防電解和消電離。在 t11時(shí)刻 ,Q1、Q3、Q5關(guān)斷,Q2和 Q4導(dǎo)通,間隙電壓瞬時(shí)變成U 2,間隙電流順時(shí)變成零。但要保證脈寬時(shí)間小于間隙擊穿延時(shí)的時(shí)間間隔。此時(shí)加在間隙兩端的電壓和放電加工時(shí)反向,起到防電解和消電離的作用。此種狀態(tài)持續(xù)到 t12時(shí)刻,完成一個(gè)放電加工周期。在此之后進(jìn)入到下一個(gè)加工周期。

3.2 U1進(jìn)行加工,U2防電解和消電離

(1)正、負(fù)脈沖相間加工方式

U1與U2共同工作,達(dá)到電火花微細(xì)加工擊穿延時(shí),間隙放電和防電解、消電離3個(gè)過程的往復(fù)。這種加工波形如圖4所示。

[t0,t2]:相當(dāng)于正、負(fù)脈沖相間加工方式的[t0,t2];[t2,t3]:相當(dāng)于正、負(fù)脈沖相間加工方式的[t11,t12]。不同點(diǎn)在于此時(shí)U2的幅值小于電火花放電的基準(zhǔn)電壓,不能進(jìn)行放電加工,脈寬時(shí)間沒有嚴(yán)格要求。此種狀態(tài)持續(xù)到t3時(shí)刻,完成一個(gè)放電加工周期。在此之后進(jìn)入到下一個(gè)加工周期。

(2)正、負(fù)脈沖組連續(xù)相間

這種加工方式相對于正、負(fù)脈沖相間加工方式,有兩個(gè)變化:①用于加工的正脈沖以連續(xù)脈沖組的方式工作,在一組連續(xù)正脈沖組后,進(jìn)行一次負(fù)脈沖防電解和消電離;②正脈沖組脈間自動(dòng)進(jìn)行部分消電離,但正脈沖脈間相對于脈寬要小,此時(shí)脈間主要功能是形成連續(xù)正脈沖。加工波形如圖5所示。

圖4 正、負(fù)脈沖相間加工波形圖

圖5 正、負(fù)脈沖組連續(xù)相間波形圖

在實(shí)際加工中,正脈沖組和負(fù)脈沖組的數(shù)量,正、負(fù)脈沖的脈寬、脈間、電壓、加工電流可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而形成完整的適合本系統(tǒng)的加工工藝。

4 納秒級脈寬的硬件保證

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最小脈寬是ns級,對硬件提出了很高的要求。

開關(guān) Q1到Q5選用高速功率 MOSFET。與BJT相比較,MOSFET具有工作頻率高、體積小、輸入阻抗高、溫度特性好、線性度高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為保證MOSFET工作的穩(wěn)定性,選擇專用的高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[7]。驅(qū)動(dòng)電路見圖6。

圖6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

其工作原理為:控制信號經(jīng)反相器驅(qū)動(dòng)高速光耦,高速光耦完成光電隔離,通過TTL電路完成電平轉(zhuǎn)換,控制 MOSFET驅(qū)動(dòng)器,從而驅(qū)動(dòng) MOSFET。

反相器的作用是增加驅(qū)動(dòng)能力,原因是CPLD管腳的輸出能力不足以驅(qū)動(dòng)光耦。電阻R1起限流作用,保證通過光耦發(fā)光二極管電流小于最大平均整流電流IF。電阻R2、R3完成電平轉(zhuǎn)換。R4是限流電阻,保護(hù) MOSFET柵極和源極。電阻 R5為MOSFET提供一個(gè)消電離通道,保證在MOSFET從閉合到斷開過程中,能為殘存的電壓提供一個(gè)泄放通道。

5 結(jié)語

根據(jù)電火花微細(xì)加工的特點(diǎn),采用ARM和CPLD相結(jié)合的方式,產(chǎn)生脈寬和脈間可調(diào)的高頻脈沖,適應(yīng)微細(xì)加工的要求。設(shè)計(jì)了正脈沖加工、負(fù)脈沖防電解和消電離的脈沖主回路模塊,闡述了脈沖加工的工作模式,分析了部分模式的加工脈沖波形。

本電源通過正脈沖加工、負(fù)脈沖防電解和消電離相結(jié)合的方式,提高電火花微細(xì)加工的精度和效率。

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