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。脈沖電源的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要的能量來蝕除金屬［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(huì)產(chǎn)生少量的氫氧根離子(OH－)，當(dāng)工件接正極，在電場作用下，OH－離子會(huì)在工件上不斷聚集，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”。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，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)了一種加工模式可調(diào)、具有防電解和消電離功能的智能微細(xì)電火花脈沖電源。脈沖電源以ARM為核心，結(jié)合復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，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。同時(shí)，平均電壓檢測結(jié)合單脈沖檢測的方式保證了放電狀態(tài)檢測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

1 電火花微細(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3個(gè)部分組成，原理框圖如圖1所示。

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。脈沖主回路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。

控制模塊由核心控制單元ARM、時(shí)序控制單元CPLD、驅(qū)動(dòng)、隔離單元、觸摸屏單元、液晶顯示(LCD)單元和通信單元等幾部分構(gòu)成。控制模塊的作用如下:

(1)完成加工信息(電加工參數(shù)、放電狀態(tài)等)的顯示以及電加工參數(shù)的在線設(shè)置;

(2)產(chǎn)生高頻脈沖控制信號，控制脈沖的產(chǎn)生以及選取加工電壓、電流、極性;

(3)處理放電狀態(tài)檢測信息;

(4)傳遞間隙放電狀態(tài)信號到運(yùn)動(dòng)控制卡，控制加工中電極伺服運(yùn)動(dòng);

(5)與上位機(jī)通信，為上位機(jī)控制、嵌入式系統(tǒng)調(diào)試保留了接口。

檢測模塊由電壓檢測單元、單脈沖檢測單元和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元等幾部分構(gòu)成。檢測模塊的作用是檢測間隙放電狀態(tài)，將信息實(shí)時(shí)反饋給控制模塊以完成對放電加工的智能控制。

2 脈沖主回路設(shè)計(jì)

2.1 脈沖主回路功能設(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)橹绷麟奤1和U2;功率場效應(yīng)管(metal－ oxide － semiconductor field effect transistor，MOSFET)開關(guān)Q1到Q5構(gòu)成正、負(fù)脈沖產(chǎn)生單元;開關(guān)K1、K2并聯(lián)選擇回路能夠調(diào)整加工電流，滿足粗、中、精加工工藝要求;開關(guān)K3完成獨(dú)立式和RC式脈沖加工方式的切換，進(jìn)一步擴(kuò)大電源的使用范圍和滿足不同的加工工藝的要求;開關(guān)K4、K5聯(lián)合動(dòng)作，構(gòu)成極性切換單元，進(jìn)行微細(xì)加工極性切換。在脈沖主回路中，設(shè)計(jì)了輔助的消電離單元。

2.2 防電解功能分析

微細(xì)電火花加工中，通常采用負(fù)極性、長脈沖進(jìn)行粗加工，可以得到較高的蝕除速度和較低的電極損耗;采用正極性、短脈沖精加工，可以得到較好的加工質(zhì)量。

在微細(xì)電火花加工中，會(huì)伴隨發(fā)生電解加工。采用負(fù)極性加工時(shí)，增加電極損耗;采用正極性加工時(shí)，形成表面“軟化層”。但是通常情況下，粗加工時(shí)電解加工的影響可以忽略，精加工時(shí)對表面加工質(zhì)量影響很大。

防電解可以采用交變脈沖，平均電壓為0，使在工作液中的OH－離子電極與工件之間處于振蕩狀態(tài)，不趨向工件和電極，防止工件材料的氧化。采用交變脈沖還能夠起到消電離的作用，使放電通道中的帶電粒子復(fù)合為中性粒子，恢復(fù)放電通道處間隙介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，以免在同一處重復(fù)放電而導(dǎo)致電弧放電［6］。

防電解功能主要是通過正負(fù)脈沖產(chǎn)生單元完成。電火花加工中要充分利用極性效應(yīng)，因此交變脈沖不是對稱的脈沖，用于防電解的負(fù)脈沖幅值電壓通常低于火花放電的維持電壓。

根據(jù)主回路設(shè)計(jì)，選擇電壓U1進(jìn)行加工，U2防電解。Q1作用是把直流電U1變成加工正脈沖?？刂葡到y(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。Q2和Q4作用是把直流電U2轉(zhuǎn)化為防電解的負(fù)脈沖。具體時(shí)序如圖3所示。圖中:U間隙為電極與工件之間間隙電壓;i間隙為電極與工件之間間隙電流。

［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，產(chǎn)生正脈沖，此時(shí)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維持電壓。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］:U2作用下，負(fù)脈沖防電解和消電離。在t2時(shí)刻，Q1、Q3、Q5關(guān)斷，Q2和 Q4導(dǎo)通，產(chǎn)生負(fù)脈沖，完成防電解和消電離，此時(shí)間隙電壓瞬時(shí)變成－U2，間隙電流瞬時(shí)變成0。U2的幅值小于電火花放電的維持電壓U0，不能進(jìn)行放電加工。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。

如果具有防電解作用，則要求在一個(gè)脈沖周期內(nèi)平均電壓為0，并且要充分利用極性效應(yīng)，即滿足:

2.3 電源模式分析

本電源具有防電解式、獨(dú)立式、RC式和雙路交替式等電源模式，多模式加工，可以滿足不同加工工藝的要求。

(1)防電解式:這種電源模式采用交變脈沖進(jìn)行加工，平均電壓為0，文中進(jìn)行了詳細(xì)論述，在此不再贅述。

(2)獨(dú)立式:開關(guān)K3斷開，正負(fù)脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生脈寬、脈間可調(diào)的正脈沖或者負(fù)脈沖，構(gòu)成了獨(dú)立式電源模式。同時(shí)消電離單元在脈間完成消電離。獨(dú)立式具有脈沖頻率高、脈沖參數(shù)容易調(diào)節(jié)、脈沖波形較好等特點(diǎn)，通常用于粗加工和精加工。

(3)RC式:開關(guān)K3閉合，正負(fù)脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生脈寬、脈間可調(diào)的正脈沖或者負(fù)脈沖，構(gòu)成了RC式電源模式。同時(shí)消電離單元在脈間完成消電離。RC式在小功率時(shí)可以獲得很窄的脈寬和很小的單脈沖能量，可用于光整加工和精微加工。

(4)雙路交替式:電壓U1和U2同時(shí)進(jìn)行加工，產(chǎn)生幅值為U1、U2的相間脈沖進(jìn)行加工。能夠獲得更加窄的脈寬和更加小的脈沖能量，提高脈沖頻率，用于精加工。消電離單元在脈間完成消電離。具體時(shí)序如圖4所示。

2.4 獨(dú)立消電離

使用單一脈沖加工時(shí)，脈間自動(dòng)消電離不完全，需要使用獨(dú)立的消電離單元，為放電通道的帶電粒子提供一個(gè)輔助的泄放通道，達(dá)到消電離作用。

3 控制模塊分析

本系統(tǒng)具有人機(jī)交互功能，人機(jī)界面友好，操作直觀方便，要求控制內(nèi)核需具備運(yùn)行操作系統(tǒng)的能力。同時(shí)控制系統(tǒng)還需承擔(dān)放電狀態(tài)檢測的數(shù)據(jù)處理和算法控制?；谶@些要求，選用ARM作為核心控制器。

放電加工參數(shù)控制單元是微細(xì)電火花脈沖電源中的核心單元，負(fù)責(zé)包括脈沖參數(shù)、加工電流、加工極性等多項(xiàng)放電加工參數(shù)的控制。由于ARM需要承擔(dān)復(fù)雜的全局控制任務(wù)，并且其IO接口有限，因此為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)IO的擴(kuò)展，利用CPLD完成加工參數(shù)(脈寬、脈間、開關(guān)時(shí)序、加工電流、加工極性以及加工電容等)控制、異常放電狀態(tài)檢測以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換時(shí)序控制等任務(wù)。CPLD與ARM的接口采用靜態(tài)存儲控制(Static memory control，SMC)接口，數(shù)據(jù)通過外部數(shù)據(jù)總線進(jìn)行交換和傳輸，ARM主要負(fù)責(zé)為其下達(dá)控制命令，控制任務(wù)則由CPLD完成。CPLD的內(nèi)部功能框圖以及接口設(shè)計(jì)如圖5所示。

為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的獨(dú)立電源系統(tǒng)，脈沖電源需具備終端輸入和輸出設(shè)備以完成脈沖電源加工狀態(tài)的在線顯示和加工參數(shù)的在線設(shè)置功能。設(shè)計(jì)了觸摸屏單元和LCD單元，采用LCD觸摸屏技術(shù)，即在LCD表面貼裝觸摸屏組件，從而完成信息顯示與輸入的一體化和虛擬化。

為增加電源應(yīng)用的廣泛性，在可以獨(dú)立完成脈沖電源功能的同時(shí)，為上位機(jī)保留了控制接口，設(shè)計(jì)了通信單元。通信單元包含RS232、RS485串口、USB以及以太網(wǎng)等，即能夠?qū)崿F(xiàn)對脈沖電源加工參數(shù)的控制，同時(shí)接收脈沖電源送來的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，又能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的程序的下載、在線調(diào)試等功能。

4 檢測模塊分析

檢測環(huán)節(jié)是電火花加工設(shè)備中一個(gè)必不可少的重要組成部分，它的性能好壞直接影響到加工過程的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。本系統(tǒng)采用平均電壓檢測和單脈沖狀態(tài)檢測相結(jié)合的方式。

平均電壓檢測原理如圖6所示。間隙電壓經(jīng)R1、R3以及電容C1濾波后成為平均值，又經(jīng)R2分壓取其一部分，輸出的Vout即為表征間隙平均電壓的信號，該信號經(jīng)過隔離運(yùn)放后再經(jīng)過一次高頻濾波送給A/D進(jìn)行采樣處理，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過ARM處理器發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理或由ARM處理器直接處理。D1主要用作防止電容C1通過R1迅速放電，D2起電壓嵌位保護(hù)作用。電阻R3的作用是進(jìn)一步消除平均電壓上的高頻干擾。隔離運(yùn)放的作用是減小模擬電路對采樣電壓的高頻干擾。圖中R1C1充電時(shí)間常數(shù)應(yīng)略大于WC放電時(shí)間常數(shù)。

在一定的工具、工件材料、工作液介質(zhì)及脈沖參數(shù)等條件下，可以通過估算與經(jīng)驗(yàn)而認(rèn)為在穩(wěn)定的放電加工過程中，其間隙電壓或電流平均值應(yīng)處于某一個(gè)區(qū)間之內(nèi)。當(dāng)間隙電壓平均值超出范圍上限時(shí)，認(rèn)為放電加工過程趨于空載加工狀態(tài);而間隙電壓平均值低于范圍下限，加工過程則趨于電弧放電或短路狀態(tài)。

平均電壓檢測法的響應(yīng)速度較慢，不能保證在發(fā)生異常放電時(shí)做出及時(shí)反應(yīng)。因此設(shè)計(jì)了單脈沖檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)測放電狀態(tài)，方案如圖7所示。

間隙電壓經(jīng)過R1、C1阻容濾波電路，獲得平穩(wěn)的峰值電壓，通過R2分壓，提取峰值電壓信號Vpv。Vpv與參考電壓進(jìn)行比較，比較后的結(jié)果通過高速光耦，傳遞到ARM和CPLD中進(jìn)行處理。在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常設(shè)計(jì)多路進(jìn)行比較，如果Vref是短路參考電壓，低于該值則認(rèn)為此次脈沖為短路脈沖，如果在一定時(shí)間內(nèi)短路脈沖達(dá)到了一定比例則認(rèn)為發(fā)生了異常放電。在單脈沖檢測中，R1C1時(shí)間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)小于脈沖放電時(shí)間與脈沖間隔時(shí)間，否則該電路將變?yōu)殚g隙電壓平均值檢測電路。

5 結(jié)語

本電源通過交變脈沖方法實(shí)現(xiàn)了防電解和消電離功能;加工模式可調(diào)，特別是實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立式和RC式的有機(jī)結(jié)合;設(shè)計(jì)了獨(dú)立的消電離單元，解決了傳統(tǒng)脈沖電源脈間消電離不完全的問題。電源以ARM和CPLD為控制核心，實(shí)現(xiàn)真正意義上的獨(dú)立電源系統(tǒng);保留了上位機(jī)控制，增加了電源應(yīng)用的廣泛性;引入了LCD觸摸屏技術(shù)，具有良好的人機(jī)交互功能;平均電壓檢測結(jié)合單脈沖檢測保證極間放電狀態(tài)檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。該電源具有智能、獨(dú)立、適用工藝范圍廣等特點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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