電化學(xué)光整加工脈沖電源設(shè)計(jì)

吳 桐，呂 蒙，劉政君，董華軍

（大連交通大學(xué)，遼寧大連 116028）

電化學(xué)加工又稱(chēng)為電解加工，是利用電解液中的金屬在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理，對(duì)金屬材料進(jìn)行加工的一種方法[1-3]。國(guó)外學(xué)者曾用頻率50 MHz、脈寬2 ns、電壓2.2 V的連續(xù)超短脈沖，在鎳金屬表面加工出納米級(jí)復(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu)[4]；國(guó)內(nèi)學(xué)者研制出了峰值電流400 A、輸出頻率30 kHz的可調(diào)脈沖電源，成功應(yīng)用于齒輪的光整加工[5]。因此，電化學(xué)加工通常采用較大占空比的脈沖電流進(jìn)行粗加工，保證加工效率；采用較小占空比的脈沖電流進(jìn)行精加工，保證加工精度。然而，粗、精加工相互分離，單次加工使用單一的電源參數(shù)，很難達(dá)到加工效率與加工精度的雙重保證。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于工件加工進(jìn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出參數(shù)的脈沖電源設(shè)計(jì)方案。電源控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比工件的總加工量和當(dāng)前進(jìn)給量，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出脈沖電流的占空比和頻率。在加工初期輸出最大占空比脈沖，獲得較快的蝕除速度；剩余蝕除量越小，則輸出脈沖的占空比越小，從而獲取較高的成形精度與表面質(zhì)量，達(dá)到效率與精度兼顧的目的，在保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上節(jié)約了工時(shí)。

1 脈沖電源參數(shù)對(duì)電化學(xué)加工的影響

脈沖電源的頻率f、脈沖寬度 Tp、占空比 D、輸出電壓V、輸出電流i等是脈沖電化學(xué)加工的主要參數(shù)。其中，脈沖頻率f與占空比D對(duì)加工精度、表面質(zhì)量及加工效率的影響尤為重要。

根據(jù)法拉第定律可知，電化學(xué)加工時(shí)的陽(yáng)極電極溶解量（無(wú)析出）與通過(guò)的電流大小、電解時(shí)間成正比。因此，金屬的理論溶解質(zhì)量W表示為：

式中：η為電流效率；Q為通過(guò)反應(yīng)區(qū)域的電量；I為通過(guò)反映區(qū)域的電流；t為反應(yīng)時(shí)間；K為溶解金屬的電化學(xué)當(dāng)量。

實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著頻率提高及脈寬變窄，電化學(xué)加工的精度和表面質(zhì)量也有所提高[5-6]。在電流與效率不變的情況下，去除量與占空比成正比，即占空比與加工精度、表面質(zhì)量成反比。當(dāng)脈沖頻率一定時(shí)，占空比越小，加工效率越低，精度越高；反之，加工效率提高，精度降低。目前，在去除量較大、精度要求不高時(shí)，一般采用較低的脈沖頻率和較大的占空比，以提高加工效率；而微細(xì)加工常采用較高的脈沖頻率和較小的占空比來(lái)保證加工精度[7]。

本文設(shè)計(jì)的脈沖電源可根據(jù)加工余量自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率和占空比，其具體參數(shù)如下：輸出電壓為 0～30 V；輸出電流為 0～200 A；輸出頻率為 0.3～60 kHz，調(diào)節(jié)步長(zhǎng) 0.5 kHz；輸出占空比為 0～90%，調(diào)節(jié)步長(zhǎng) 2%；最小輸出脈寬為 1.5 μs。

2 脈沖電源設(shè)計(jì)方案

2.1 脈沖發(fā)生與參數(shù)調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生與參數(shù)調(diào)節(jié)模塊主要包括MCU主控制模塊、參數(shù)輸入模塊、顯示模塊[8]、加工余量反饋模塊、電路保護(hù)模塊等（圖1），其主要功能如下：

（1）提供人機(jī)界面，用戶可方便地監(jiān)測(cè)電路工作狀態(tài)及輸入相關(guān)工藝參數(shù)。

（2）獲取用戶輸入的工藝參數(shù)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)。

（3）通過(guò)設(shè)定的參數(shù)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)判斷加工階段，并調(diào)節(jié)電源輸出脈沖的頻率和占空比。

（4）快速響應(yīng)電路的保護(hù)信號(hào)，防止故障發(fā)生。

圖1 脈沖發(fā)生與參數(shù)調(diào)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)框圖

MCU主控制模塊通過(guò)參數(shù)輸入模塊獲取總加工量、脈沖輸出曲線等，實(shí)時(shí)控制脈沖信號(hào)的輸出，并能在短時(shí)間內(nèi)獲取電路保護(hù)信號(hào)切斷輸出，還可通過(guò)通訊協(xié)議獲取機(jī)床伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，通過(guò)與設(shè)定的總進(jìn)給量對(duì)比，計(jì)算得到實(shí)時(shí)加工進(jìn)行階段，并產(chǎn)生頻率和占空比與加工階段相適應(yīng)的脈沖信號(hào)。

保護(hù)電路單元能獲取斬脈沖電路的故障信號(hào)，如短路、過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)壓等[9]，并將故障信號(hào)整合為簡(jiǎn)單有效的保護(hù)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至MCU。

2.2 大功率斬脈沖模塊的設(shè)計(jì)

斬脈沖功率單元（圖2）選用耐壓100 V通流能力110 A的功率MOSFET模塊并聯(lián)，每組開(kāi)關(guān)管都具有特性相同的緩沖濾波網(wǎng)絡(luò)，以防止高頻工作狀態(tài)下的電壓過(guò)沖[10]。并聯(lián)后，每組開(kāi)關(guān)管額定通流能力＞200 A，且留有10%的冗余，以保證電路的過(guò)載能力。MCU輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路加載至MOSFET的柵極[11]，控制功率MOSFET并聯(lián)單元的開(kāi)斷，從而輸出預(yù)期的脈沖電流波形。

圖2 電化學(xué)斬脈沖主電路設(shè)計(jì)框圖

功率MOSFET驅(qū)動(dòng)單元采用IR2110集成驅(qū)動(dòng)芯片，可直接兼容單片機(jī)輸出的TTL信號(hào)。如圖3所示，邏輯電源VDD與邏輯地引腳VSS分別接單片機(jī)5 V電壓和單片機(jī)地；VCC與COM分別為低端固定電源和低端公共接地；VB與VS分別為高端浮置電源和高端浮置公共端，耐壓500 V[12]。本設(shè)計(jì)采用高端輸入輸出通道，TTL信號(hào)輸入，12 V PWM脈沖輸出，輸出電流最大為2 A[13]。二極管D3保證輸出關(guān)斷時(shí)，MOSFET門(mén)極電容能快速放電，有效關(guān)斷MOSFET；D1防止開(kāi)關(guān)過(guò)程中高電壓串入芯片，導(dǎo)致芯片損壞。當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，可將SHUT引腳置位，快速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)芯片的輸出，保護(hù)后級(jí)電路。

圖3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大與隔離原理圖

2.3 系統(tǒng)保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)保護(hù)模塊見(jiàn)圖4，采用TL431可編程精密穩(wěn)壓源作為參考基準(zhǔn)[11]，電路工作電壓與電流采樣信號(hào)通過(guò)分壓電路分壓后，一路引入比較器，輸出為數(shù)字量保護(hù)信號(hào)；另一路引入電壓跟隨器，輸出為模擬量監(jiān)控信號(hào)。比較器與電壓跟隨器都使用LM324運(yùn)算放大器搭建，數(shù)字量信號(hào)輸出采用光電隔離，防止信號(hào)干擾。

圖4 保護(hù)電路基本結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文所述原理及方法，使用單片機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證。采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，其具備脈沖捕獲功能，用于檢測(cè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖數(shù)，獲得當(dāng)前進(jìn)給量。設(shè)當(dāng)前進(jìn)給量為Fc，總加工量為Ft，令K=Fc/Ft表示加工進(jìn)度，則在電路輸出占空比D與K分別滿足圖5所示的兩種關(guān)系時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 加工過(guò)程中輸出脈沖占空比曲線

圖5 a是固定占空比加工模式，脈沖電源輸出參數(shù)不跟隨加工進(jìn)程發(fā)生變化，當(dāng)前電化學(xué)脈沖加工大多采用該模式。圖5b是占空比曲線調(diào)節(jié)輸出，占空比隨加工的進(jìn)行逐漸減小，且加工余量越小，輸出占空比越小。

實(shí)驗(yàn)用外置脈沖發(fā)生器模擬機(jī)床進(jìn)給量，設(shè)工具陰極每進(jìn)給1 mm的對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)nt=2560。在系統(tǒng)輸入脈沖數(shù)分別為n1=512、n2=950、n3=1613、n4=2048時(shí)進(jìn)行輸出波形采樣，脈沖輸出波形見(jiàn)圖6。

圖6 脈沖輸出波形

4 結(jié)論

本文提出了一種能跟隨加工量自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出占空比的電化學(xué)光整脈沖電源設(shè)計(jì)方案，適用于中小零件的加工。在保證零件加工精度和表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能進(jìn)一步提高加工效率，彌補(bǔ)了固定占空比參數(shù)加工的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖電源輸出數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。由于條件限制，本文只對(duì)占空比調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)和完善；在此基礎(chǔ)上，還可對(duì)頻率調(diào)節(jié)和占空比、頻率混合調(diào)節(jié)進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)研究，為電化學(xué)光整加工電源設(shè)計(jì)提供新的思路。

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