基于SOPC技術(shù)的微細(xì)電火花加工電源的研究

劉祥發(fā)，郭鐘寧，彭世康，杜軒宇，張 會

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

基于SOPC技術(shù)的微細(xì)電火花加工電源的研究

劉祥發(fā)，郭鐘寧，彭世康，杜軒宇，張 會

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

針對目前微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)復(fù)雜、難確定和集成性不足等問題，設(shè)計了基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）技術(shù)的微細(xì)電火花脈沖電源。電源可發(fā)送加工脈沖信號，采用并行數(shù)字采集信號模塊采集電壓及電流信號，能判斷每個脈沖的放電狀態(tài)，控制伺服電機(jī)的工作，并及時切斷無效有害脈沖，提高加工效率和加工精度。同時開發(fā)了電源人機(jī)交互界面，實現(xiàn)了電源和微細(xì)電火花加工機(jī)床的實時通訊功能。利用該電源在自主開發(fā)的多功能微細(xì)加工機(jī)床上進(jìn)行微細(xì)孔加工實驗，證明了所設(shè)計的電源能進(jìn)行穩(wěn)定高效的加工。

微細(xì)電火花加工；SOPC；并行數(shù)字采集；微細(xì)孔

微細(xì)電火花加工技術(shù)具有低加工應(yīng)力、無毛刺、可加工高硬度材料等優(yōu)點，是微細(xì)軸孔型腔及三維結(jié)構(gòu)的主要加工手段，在航空航天、汽車、生物醫(yī)療儀器等行業(yè)發(fā)揮著重要作用[1-4]。微細(xì)電火花加工利用電火花脈沖電源使電極周圍產(chǎn)生周期性火花放電，進(jìn)而產(chǎn)生能量來蝕除工件材料，微能脈沖電源是微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的重要組成部分，直接決定著微細(xì)電火花加工過程的穩(wěn)定性及加工精度。研究表明，采用小而可控的單個脈沖放電能量能獲得更好的加工效果。目前研究較多的有獨立式脈沖電源及RC式脈沖電源，且普遍認(rèn)為微細(xì)電火花加工的最小單個脈沖放電能量應(yīng)不超過10-6J[5]。對于獨立式脈沖電源，常用方法是通過降低脈寬來縮短單個脈沖的放電時間，從而實現(xiàn)降低單個脈沖的放電能量，加工過程中存在較高的間隙維持電壓，一般為20～30 V；對于RC式脈沖電源，可通過降低電源電壓或減小極間等效電容的方法來降低單個脈沖的放電能量。李文卓等[6]通過試驗證明RC式脈沖電源不存在維持電壓，能更好地實現(xiàn)微能量的電火花納米尺度加工。

本文研究從實現(xiàn)小而可控的脈沖能量出發(fā)，針對微細(xì)電火花加工電源穩(wěn)定性與集成性不足的問題，設(shè)計基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）技術(shù)的微細(xì)電火花脈沖電源。SOPC系統(tǒng)是一個軟硬件復(fù)合系統(tǒng)，它集合了FPGA（field-programmable gate array）即現(xiàn)場可編程門陣列的硬件與NiosⅡ（FPGA嵌入式處理器）的軟核優(yōu)勢，使FPGA擴(kuò)展接口有限的缺點得到改善。設(shè)計的電源系統(tǒng)集成了在線放電狀態(tài)實時檢測模塊、電源脈沖輸送模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊及人機(jī)交互通訊模塊，能及時切斷有害脈沖，具有較高的穩(wěn)定性、可控性和可拓性。在實驗室自行研制的多功能微細(xì)加工機(jī)床上進(jìn)行了微小孔加工實驗，取得了較好的加工效果。

1 電源設(shè)計

1.1 電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

脈沖電源總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案見圖1。主要包括：由市電經(jīng)整流濾波及由FPGA驅(qū)動BUCK斬波電路得到的可調(diào)穩(wěn)壓直流模塊；由FPGA輸出脈沖驅(qū)動信號經(jīng)放大后驅(qū)動RC脈沖主電路的脈沖發(fā)生模塊；由采用間隙平均電壓及電流信號采集形成的放電狀態(tài)檢測模塊；由數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)和伺服驅(qū)動器組成的伺服驅(qū)動模塊。

圖1 電源結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案

本設(shè)計主要由SOPC控制系統(tǒng)為核心，集成了該電源系統(tǒng)的所有模塊，芯片以EP4C15F17C8型的FPGA芯片為核心，電源采用可調(diào)穩(wěn)壓恒壓方式進(jìn)行控制，電壓與電流反饋信號經(jīng)低通濾波、八位高速并行采集A/D轉(zhuǎn)換和FIR數(shù)字濾波后，將數(shù)字信號輸送給FPGA進(jìn)行處理，從而判斷出電火花加工狀態(tài)，并對伺服電機(jī)進(jìn)行運動控制。觸摸屏通過RS232串口與邏輯電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對電源的參數(shù)控制與實時監(jiān)控。

1.2 電源硬件邏輯實現(xiàn)

1.2.1 RC主電路驅(qū)動

目前，獨立式電源和非獨立式RC電源是微細(xì)電火花加工脈沖電源的主要研究應(yīng)用領(lǐng)域。獨立式電源要獲得窄脈寬與開關(guān)元件的性能有關(guān)，因此受到制約，而非獨立式RC電源則相對更易獲得較窄的脈寬和較小的單個脈沖放電能量。針對文獻(xiàn)[7]所提到的可控RC電源，克服了RC電源單脈沖能量的一致性難以控制、工藝參數(shù)不穩(wěn)定的缺點，成為微細(xì)電火花加工脈沖電源的研究主流。

本文設(shè)計的RC脈沖電源主回路見圖2。實現(xiàn)微細(xì)電火花加工的特點是高頻、微能、窄脈寬，電流峰值不能超過晶體管的電流峰值，RC電源的放電能量可近似用電容存儲能量代替，即：

式中：U為給電容充電的開路電壓；C為主回路中的標(biāo)稱電容；C′為分布的雜散電容值。

為了降低極間放電能量，減少直流電壓值和設(shè)置標(biāo)稱電容的大小是一個有效的方法。但回路中的雜散電容值C′是由機(jī)床及工具、工件的相對導(dǎo)電面積、距離、電源饋線形式及長短決定的，且難以消除，在放電過程中會儲存一定能量，制約了脈沖放電能量的進(jìn)一步降低。而通過降低充電電壓U，不僅能獲得小能量脈沖，還能降低雜散電容的儲存能量。

圖2 電源主電路

為了獲得高頻窄脈寬的放電能量，對晶體管的特性提出了要求。電容的充電特性為電容電壓與時間成指數(shù)曲線關(guān)系，即：

式中：UC為電容兩端電壓；U0為開路直流電壓；R為充電電阻，其與電容C的乘積為電容的充電時間參數(shù)；t為晶體管開通到關(guān)閉的導(dǎo)通時間。

電容的放電電流可表示為：

式中：I為放電電流；R′為放電回路限流電阻；t′為加工時間。

通過對主回路中電容的充電及放電特性分析，當(dāng)要獲得高頻微能脈沖時，要求電容有較短的充電時間；當(dāng)t=3RC時，UC便達(dá)到U0的95%[8]，故可通過減少充電電阻阻值和充電電容來解決。當(dāng)t=3RC=100 ns時，假設(shè)取C=1 nF，則R=33 Ω，設(shè)加工電壓70 V時的晶體管應(yīng)承受的最大電流Imax=2.1 A；當(dāng)電容進(jìn)行放電時，假設(shè)脈寬為1 μs，最小限流電阻設(shè)為10 Ω，電源設(shè)計中以繼電器選擇限流電阻控制加工電流進(jìn)行加工，則晶體管應(yīng)承受的最大電流I′max= 2.7 A。所選取的晶體管參數(shù)應(yīng)具備耐壓值高，即漏源極擊穿電壓VDSS＞120 V；承受的連續(xù)漏極電流ID＞3 A；具備較陡的上升及下降沿，柵極容量Qg較小。根據(jù)這些特性選取了MOSFET晶體管IRF840作為本次設(shè)計電源的開關(guān)元件。圖3是電源在頻率100 kHz、脈寬1 μs下的空載電壓波形，場效應(yīng)管對電容的充放電間存在1 μs死區(qū)，由圖3可看出，該場效應(yīng)管能有效地對電容進(jìn)行充放電，獲得加工窄脈寬。

圖3 電源空載波形

場效應(yīng)管U3是為了保證極間在脈間時段內(nèi)的電壓始終為0，有利于極間充分消電離，極間狀態(tài)得到充分恢復(fù)，從而減少拉弧現(xiàn)象，提高工件表面質(zhì)量。當(dāng)U1開通時，U2關(guān)斷，U3開通，電容充電，極間通過U3進(jìn)行成分消電離，保持極間電壓為0；當(dāng)U1關(guān)斷時，U2開通，U3關(guān)斷，電容通過工件和電極之間進(jìn)行放電加工。場效應(yīng)管的開通和關(guān)斷通過MOSFET專用驅(qū)動芯片TPS2812進(jìn)行驅(qū)動，負(fù)責(zé)將SOPC系統(tǒng)處理器的驅(qū)動信號進(jìn)行放大驅(qū)動。

1.2.2 并行A/D數(shù)據(jù)采集及保護(hù)電路

微細(xì)電火花加工大致可分為開路、火花加工、過渡電弧、有害電弧、短路等加工狀態(tài)，其加工過程復(fù)雜多變，涉及電參數(shù)、物理、化學(xué)等多因素影響，因此，高效電火花加工系統(tǒng)一直是微細(xì)電火花加工的研究熱點。

本文采用并行A/D采集方法對極間間隙電壓進(jìn)行采集分析，并采用ACS712芯片對加工電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過有效均值計算芯片AD637對極間加工電流進(jìn)行短路電流判斷檢測，通過與比較器進(jìn)行電流比較后，經(jīng)嵌位限幅電路后輸入SOPC觸發(fā)電平進(jìn)行電源保護(hù)，其設(shè)計電路見圖4。ACS712是帶2.1 kVRMS電壓絕緣及低電阻電流導(dǎo)體的全集成、基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，具有低噪音模擬信號路徑和極穩(wěn)定的輸出偏置電壓。AD637是一個完整的高精度單機(jī)轉(zhuǎn)換器，它能計算任何復(fù)雜波形的真有效值、平均值、均方值、絕對值等，且能分貝輸出，具有高精度、寬頻帶及動態(tài)性良好的特點。

圖4 電流信號采集及短路保護(hù)電路圖

A/D電路由高速AD芯片AD9280、AD8056構(gòu)建的衰減電路和信號輸入接口組成，每個時鐘周期并行，同時采集8位數(shù)據(jù)。AD9280是單芯片、單電源、8 bit、32 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了采樣保持放大器和電源基準(zhǔn)源，利用多級流水線架構(gòu)實現(xiàn)低功耗高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能將整個轉(zhuǎn)換精度分成低精度的單階子轉(zhuǎn)換器，各階段的結(jié)果在時序控制下通過數(shù)字校準(zhǔn)電路實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由Signal Tap II采集到的數(shù)據(jù)波形見圖5。在40 M晶振周期下，每個時鐘周期都能采集到8位有效數(shù)值，所構(gòu)建的A/D轉(zhuǎn)換電路能有效采集加工電壓每個脈沖的極間電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可精準(zhǔn)判斷加工狀態(tài)，及時切斷有害脈沖，避免拉弧，保證工件表面精度，提高加工效率。

圖5 Signal Tap II并行采集信號顯示

1.2.3 人機(jī)交互設(shè)計

為實現(xiàn)對微細(xì)電火花加工電源的實時檢測及通訊，利用可編程片上系統(tǒng)（SOPC）可裁減、可升級、可擴(kuò)充且具備軟硬件系統(tǒng)可編程的特點，采用NiosII系列32位RSIC嵌入式軟核及Avalon總線在軟核處理器與外圍設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，進(jìn)而實現(xiàn)電源與機(jī)床控制系統(tǒng)的實時通訊，提高微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的自動化程度和可操作性。電源系統(tǒng)的人機(jī)交互界面見圖6。

圖6 人機(jī)交互界面

2 工藝實驗

2.1 實驗條件

為了驗證設(shè)計的微細(xì)電火花加工電源的加工穩(wěn)定性，在實驗室多功能微細(xì)加工機(jī)床上進(jìn)行了微細(xì)孔加工實驗（圖7）。機(jī)床主要包括圓盤大理石平臺、立式滑臺、主軸及微三維平臺，并用多軸運動控制卡DMC2610控制立式滑臺的運動與主軸旋轉(zhuǎn)。主軸旋轉(zhuǎn)精度為1 μm，立式滑臺分辨率為1 μm，微三維運動平臺的最小分辨率為0.1 μm。

圖7 多功能微加工實驗平臺

實驗采用蒸餾水作為工作液，與煤油相比，蒸餾水加工時不會產(chǎn)生污染，且冷卻速度快、流動性好、危險系數(shù)低。實驗所用工具電極為直徑100 μm的鎢電極，工件為厚度500 μm的不銹鋼板，工具電極接電源正極。

2.2 加工波形及實驗結(jié)果

在頻率100 kHz、占空比20%、開路電壓80 V的加工條件下，用示波器取得的加工波形見圖8?？煽闯觯诩庸み^程中，放電加工期的極間不存在維持電壓，滿足上述RC放電不存在維持電壓、適合微納加工的理論。同時，該電源具備很好的反饋作用機(jī)能，在檢測到短路狀態(tài)時能及時回退，切斷有害脈沖，且在消電離后能及時自動進(jìn)給，保持連續(xù)加工，具備良好的加工狀態(tài)。

在開路電壓為60、80、100 V的情況下，保持頻率100 kHz、占空比20%進(jìn)行連續(xù)加工實驗，得到最小值為150 μm的微小孔，其表面光滑無毛刺，加工效果見圖9。由此可知，開路電壓的大小直接影響電火花加工的能量大小，同時驗證了所設(shè)計電源的加工穩(wěn)定性和連續(xù)性。

圖8 微細(xì)電火花加工波形圖

圖9 在不同電壓下的微小孔加工

3 結(jié)束語

通過可控RC放電實現(xiàn)了單個放電脈沖可控能量小的微細(xì)加工，設(shè)計了基于SOPC的高度集成化微細(xì)電火花加工電源，具有可拓性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的特點。通過高速并行數(shù)據(jù)采集能實現(xiàn)對加工狀態(tài)的精準(zhǔn)判斷，避免有害加工，加工表面精度高。同時，電源設(shè)計結(jié)合了電火花加工工藝特點，實現(xiàn)了與微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的實時通訊，可操作性強(qiáng)。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的電源能進(jìn)行高效穩(wěn)定的加工，對微細(xì)電火花加工電源的高度集成化具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 陳倫軍，李剛，趙萬生.微細(xì)特種加工的最新研究進(jìn)展[J]．電加工與模具，2006（3）：24-28．

[2] 李立青，郭艷玲，白基成，等.電火花加工技術(shù)研究的發(fā)展趨勢預(yù)測[J]．機(jī)床與液壓，2008，36（2）：174-178．[3]TAKEZAWA H，HAMAMATSU H，MOHRI N. Developmentofmicro-EDM-center with rapidly sharpened electrode[J]．Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1-3）：112-116.

[4] 宋博巖，劉明宇.微細(xì)電加工脈沖電源的研究進(jìn)展[J].電加工與模具，2007（S1）：30-33.

[5] 高毅.基于電火花加工機(jī)床脈沖電源的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技信息，2008（6）：78-79.

[6] 李文卓，顏國正，蔡彬，等.RC脈沖電源維持電壓問題的研究[J]．電加工與模具，2005（4）：10-13．

[7] 霍孟友，艾興，張建華.電火花精微加工脈沖電源設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，1999（6）：7-8.

[8] 賈寶賢.微細(xì)特種加工系統(tǒng)及加工技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

Study on Micro EDM Power Supply Based on SOPC Technology

Liu Xiangfa，Guo Zhongning，Peng Shikang，Du Xuanyu，Zhang Hui
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In order to solve the problems that electrical discharging states in Micro EDM is complicated and lack of integration，a pulse generator for micro electro-discharge based on SOPC is designed.The power source can transmit and process pulse signal.By using parallel digital signal acquisition module to get voltage and current signal，the generator can tell discharging status of each pulse，thus controlling servo motor and cutting off invalid and harmful pulse in time，which greatly improvesmachining efficiency and accuracy.Besides，man-machine interface ofgeneratoris developed，which turns real-time communication functions of micro EDM controlled machine tool into reality.An experiment about micro-hole processing was carried out on a micro EDM controlled machine tool using this generator，which is developed by our lab.And it turned out that this generator is capable of high efficiency and stable machining.

micro EDM；SOPC；parallel digital signal acquisition；micro-hole

TG661

A

1009－279X（2016）06－0015-04

2016-08-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51275098）

劉祥發(fā)，男，1991年生，碩士研究生。