超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的研究

劉 瑛，葛 星，徐明剛，劉貴珍，趙潔明

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100043）

近年來，航空航天、微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)制造業(yè)提出了日趨嚴(yán)格的要求，生產(chǎn)實(shí)踐中的需求促進(jìn)了先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，特種加工技術(shù)也相應(yīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。傳統(tǒng)電弧加工由于放電能量大，需采取機(jī)械斷弧或流體沖液斷弧等方式防止放電集中[2]。有研究表明，由于振動(dòng)的疊加能促進(jìn)放電，在較高頻率和較大振幅的條件下，通過振動(dòng)的疊加可提升電弧加工過程的穩(wěn)定性，并提高加工速度、降低電極相對(duì)損耗，進(jìn)而提升加工精度[3]。超聲振動(dòng)輔助電弧加工平臺(tái)是為加工超硬材料提供的加工裝置，特別適用于復(fù)合加工中對(duì)效率和精度有較高要求的領(lǐng)域[4]。超聲振動(dòng)輔助電弧加工電源對(duì)加工的精度和效率有著直接影響[5]。

目前，對(duì)超聲振動(dòng)輔助電弧加工的復(fù)合加工模式的研究已有所突破，而對(duì)超聲振動(dòng)輔助電弧加工電源的研究卻不夠深入[6]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)電弧加工脈沖電源及超聲發(fā)生器的研究較成熟，但尚未出現(xiàn)一種適應(yīng)復(fù)合加工的復(fù)合電源。在超聲振動(dòng)輔助電弧加工中，需要超聲發(fā)生器（即超聲電源）和脈沖電源分別為超聲振動(dòng)及電弧加工提供能量，而使用兩種獨(dú)立電源的過程繁瑣，不能滿足現(xiàn)代復(fù)合加工對(duì)高效電源日益增長(zhǎng)的需求[7]。超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的研究成果對(duì)滿足現(xiàn)代高端機(jī)械制造業(yè)需求具有重要的理論及實(shí)踐指導(dǎo)意義[8]。

1 復(fù)合電源的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲振動(dòng)輔助電弧加工對(duì)電源電參數(shù)的要求，超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的總體結(jié)構(gòu)圖

超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源由上位機(jī)、主芯片控制模塊、整流濾波模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊及監(jiān)測(cè)、反饋模塊組成。其中，上位機(jī)的功能是發(fā)出控制指令、顯示參數(shù)變化（電壓、電流等）；主芯片控制模塊主要由主芯片及其外圍電路組成，該模塊需發(fā)出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并反饋，從而產(chǎn)生脈沖電源所需的PWM波；整流濾波模塊的作用是將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的直流電；驅(qū)動(dòng)電路模塊主要由超聲發(fā)生器驅(qū)動(dòng)模塊和脈沖電源驅(qū)動(dòng)模塊兩部分組成。其中，超聲電源驅(qū)動(dòng)模塊由驅(qū)動(dòng)芯片和H橋逆變電路組成，是對(duì)主芯片控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大的中間模塊；脈沖電源驅(qū)動(dòng)模塊主要由驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET開關(guān)管組成，其主要作用是放大控制電路的信號(hào)，使其能驅(qū)動(dòng)功率晶體管。

2 整流電路設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲振動(dòng)輔助電弧加工的要求，復(fù)合電源需要穩(wěn)定的直流電壓。超聲振動(dòng)輔助電弧加工整流濾波電路的工作過程是：先輸入220 V交變電流，再經(jīng)由整流濾波電路輸出110 V直流電壓。整流部分是將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)化為單向脈動(dòng)的直流電；濾波部分是基于電容的充、放電特點(diǎn)，將不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電。整流變換電路的原理見圖2。

圖2 整流變換器電路原理圖

由于超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的超聲電源部分與脈沖電源部分共用一個(gè)整流濾波電路，該電路的主要作用是為超聲驅(qū)動(dòng)電路及脈沖驅(qū)動(dòng)電路共同提供穩(wěn)定的直流電壓，其工作流程如下：先輸入220 V單相交流電，經(jīng)由整流電路轉(zhuǎn)化為單向脈動(dòng)的直流電，再經(jīng)過濾波電路將單向脈動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)化為110 V的平穩(wěn)直流電。

3 超聲電源主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的需求及總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，超聲電源主電路為超聲換能器輸入能量，其電路結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 超聲發(fā)生器主電路

超聲電源主電路包括以下兩個(gè)部分：

（1）整流電路。根據(jù)超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的需求及總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，選擇橋式整流電路。該整流電路為超聲電源與脈沖電源共用，是將220 V交流電源輸入可調(diào)變壓器，再經(jīng)由橋式整流器、電容濾波器輸出110 V直流電壓，并將其施加到高頻逆變電路的直流側(cè)。

（2）高頻逆變器電路。該電路是超聲電源主電路的主要部分，通過該電路可產(chǎn)生高頻交流電流及進(jìn)行頻率調(diào)整。逆變器電路的主電路由MOSFET開關(guān)管和電容組成。將四個(gè)MOSFET開關(guān)管分成兩組，分別作為兩個(gè)橋臂構(gòu)成H橋逆變電路，MOSFET開關(guān)管需要驅(qū)動(dòng)電路使其導(dǎo)通與閉合；通過控制H橋電路對(duì)角橋臂的MOSFET開關(guān)管的交替導(dǎo)通與關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)超聲電源的功率輸出。

4 脈沖電源主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的設(shè)計(jì)要求，選擇可控式RC脈沖電源作為脈沖電源的主充放電回路?？煽厥絉C脈沖電源的結(jié)構(gòu)基于非獨(dú)立RC脈沖電源，并引入獨(dú)立脈沖電源常用的開關(guān)元器件。

脈沖電源的原理見圖4?？梢姡}沖電源的主充放電回路由DC輸入、信號(hào)發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)電路模塊及MOSFET開關(guān)管電極間隙等組成。主芯片釋放脈沖信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路模塊放大，使MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通或斷開。當(dāng)MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)電容充電，之后產(chǎn)生電弧放電。在脈沖間隔期間，MOSFET開關(guān)管關(guān)閉，小容量電容器輸出一個(gè)用于電弧放電加工的窄脈沖并在極間去極化。經(jīng)過一次由信號(hào)發(fā)出到去極化的過程，即一次電弧加工放電過程。

圖4 脈沖電源主電路

5 實(shí)驗(yàn)與分析

前文己對(duì)超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的原理進(jìn)行了分析，為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)及超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源的加工效果是否符合設(shè)計(jì)要求，在超聲振動(dòng)輔助電弧加工機(jī)床上對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合電源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?；赟TM32控制芯片的超聲振動(dòng)輔助電弧加工復(fù)合電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要參數(shù)如下：輸入電壓為220 V，主回路頻率為50 Hz，輸出電壓為80 V，輸出電流為0.5 A，輸出電壓占空比在1%～95%范圍內(nèi)可調(diào)。

將超聲電源部分的端口與示波器進(jìn)行連接，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)裝置的組成及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立?？刂浦餍酒a(chǎn)生一個(gè)頻率為20 kHz的超聲信號(hào)，并通過示波器觀察，得到20 kHz超聲信號(hào)頻率下的波形（圖5a）。將脈沖電源端口與示波器相連，采集輸出電壓頻率為50 Hz、電壓值為80 V、占空比為50%的空載電壓波形，CH1收集輸出電壓信號(hào)，波形見圖5b。

圖5 不同電源的電壓波形

6 結(jié)束語

本文對(duì)超聲振動(dòng)輔助電弧加工電源的原理進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了適用于超聲振動(dòng)輔助電弧加工的復(fù)合電源，將獨(dú)立的超聲發(fā)生器和脈沖電源加以整合，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制了原理圖。經(jīng)理論分析可知，該復(fù)合電源能滿足超聲振動(dòng)輔助電弧加工的要求，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)及樣機(jī)開發(fā)具有指導(dǎo)意義。