防電解微能電火花加工脈沖電源設(shè)計

張 敏,王 洋,吉 方,劉廣民,張勇斌

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所,四川綿陽 621900)

脈沖電源是電火花加工機床的重要組成部分。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,滿足電火花微細加工的要求。

1 微細加工微能脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計

電火花微細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 、時序控制系統(tǒng)CPLD、驅(qū)動、隔離單元等幾部分構(gòu)成。控制模塊的作用是根據(jù)加工時參數(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時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

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)合動作,進行微細加工極性切換,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獨立工作

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

(2)U2獨立工作

U2獨立工作時,通過Q2到Q5的聯(lián)合動作,產(chǎn)生兩種脈沖模式。

A.獨立正、負(fù)脈沖模式

此種模式加工時采用單一脈沖:正脈沖或負(fù)脈沖。Q3和Q5同時工作,形成一個完整電流回路?？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)正脈沖進行加工,之后一組連續(xù)負(fù)脈沖進行防電解和消電離,重復(fù)下一個周期。正、負(fù)脈沖的脈寬、脈間可獨立調(diào)整。

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

(3)U1和U2同時工作

在這種工作條件下,有兩種工作模式。

A.U1、U2進行相間加工

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)生一個幅值U 1的正脈沖,Q3完成一次通、斷,產(chǎn)生一個幅值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。完成了一個加工周期。

B.U1進行加工,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)脈沖不能進行放電加工。

此時可采用正、負(fù)脈沖相間或正、負(fù)脈沖組相間兩種工作方式。正、負(fù)脈沖的脈寬可進行獨立調(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,進而改變脈沖電流。在實際中,采用多通道電阻并聯(lián),擴大脈沖電流調(diào)節(jié)范圍,滿足不同加工工藝的需求。

2.3 獨立式和RC形式切換

開關(guān)K3作用是完成從獨立式到RC形式的切換。K3斷開時,相當(dāng)于獨立式脈沖電源。實際應(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同時動作,切換電極加工極性。其中K4-a和K5-b同時通斷,K4-b和K5-a同時通斷。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同時工作的模式進行分析,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

進入高中之后，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時會感到強烈的反差，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)生正脈沖進行加工,U2即產(chǎn)生正脈沖進行加工,又產(chǎn)生負(fù)脈沖進行防電解和消電離。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。在這段時間內(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時刻。

[t1,t2]:U1作用下,正脈沖間隙放電。t1時刻,間隙被擊穿,進入間隙放電階段,進行放電加工,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時刻。

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

[t3,t4]:U 2作用下,擊穿延時。從t3時刻開始,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時刻。

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

3.2 U1進行加工,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,達到電火花微細加工擊穿延時,間隙放電和防電解、消電離3個過程的往復(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]。不同點在于此時U2的幅值小于電火花放電的基準(zhǔn)電壓,不能進行放電加工,脈寬時間沒有嚴(yán)格要求。此種狀態(tài)持續(xù)到t3時刻,完成一個放電加工周期。在此之后進入到下一個加工周期。

(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,進行一次負(fù)脈沖防電解和消電離;②正脈沖組脈間自動進行部分消電離,但正脈沖脈間相對于脈寬要小,此時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)實際情況進行調(diào)整,進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、抗輻射能力強等優(yōu)點。

為保證MOSFET工作的穩(wěn)定性,選擇專用的高速MOSFET驅(qū)動器進行驅(qū)動[7]。驅(qū)動電路見圖6。

圖6 MOSFET驅(qū)動電路

其工作原理為:控制信號經(jīng)反相器驅(qū)動高速光耦,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)動器,從而驅(qū)動 MOSFET。

反相器的作用是增加驅(qū)動能力,原因是CPLD管腳的輸出能力不足以驅(qū)動光耦。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 MOSFET柵極和源極。電阻 R5為MOSFET提供一個消電離通道,保證在MOSFET從閉合到斷開過程中,能為殘存的電壓提供一個泄放通道。

5 結(jié)語

根據(jù)電火花微細加工的特點,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)微細加工的要求。設(shè)計了正脈沖加工、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,提高電火花微細加工的精度和效率。

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