張建華 葛紅宇 李宏勝 方 力

（南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211167）

利用納秒及以下級(jí)持續(xù)時(shí)間的超短脈沖電流去除材料時(shí)，電化學(xué)加工能夠?qū)㈦娀瘜W(xué)蝕除局限在電極頂尖部位的微－納尺寸范圍，極大限制蝕除中的雜散腐蝕，成功實(shí)現(xiàn)微米級(jí)尺寸的微細(xì)工件的加工，精度可達(dá)幾百納米［1］。隨著脈沖寬度的減小，精度明顯提高。

相較于其他微細(xì)加工方法，微細(xì)電化學(xué)加工具有非接觸、無(wú)切削力、無(wú)熱熔除等特點(diǎn)，已經(jīng)在某些特殊的微細(xì)加工場(chǎng)合獲得較好效果［2－3］。利用這種工藝，德國(guó) Friz_Haber研究所［4］、美國(guó)的 IBM［5］以及國(guó)內(nèi)的南京航空航天大學(xué)［6－8］、上海交通大學(xué)［9］等機(jī)構(gòu)先后制作了微米量級(jí)的微孔、槽、坑與其他微細(xì)結(jié)構(gòu)。

電源及其品質(zhì)是微細(xì)電化學(xué)加工的關(guān)鍵影響因素，高頻、窄脈寬脈沖電源是微細(xì)電化學(xué)加工的重要研究?jī)?nèi)容［1，10］。目前，微細(xì)電化學(xué)加工電源尚處在實(shí)驗(yàn)室階段，尚存在參數(shù)調(diào)節(jié)范圍有限、功能較為單一等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合微細(xì)電化學(xué)加工的發(fā)展，本文采用大規(guī)模可編程邏輯器件，從調(diào)整方便性、易于系統(tǒng)集成等角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)適于電化學(xué)微細(xì)加工的可編程數(shù)字脈沖電源。

1 工作原理與總體結(jié)構(gòu)

1．1 工作原理

納秒脈沖電源的直流部分電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，220 V工頻交流電經(jīng)降壓變壓后進(jìn)入全橋整流與電容濾波電路，得到直流電壓。而后，經(jīng)過(guò)R2、C2與功率三極管VT1構(gòu)成的調(diào)節(jié)電路，在輸出端經(jīng)過(guò)電容C3再次濾波，形成直流電壓VDC。電路存在外部干擾時(shí)，若VDC升高，VT1基－發(fā)射級(jí)電壓VBE下降，基級(jí)電流隨之減小，引起發(fā)射極電流下降，拉低輸出直流電壓VDC;反之，VDC下降→VBE上升→基極電流增大→VDC上升。因此，輸出電壓VDC較為穩(wěn)定。

電源主電路如圖2所示，脈沖控制信號(hào)Sig由系統(tǒng)邏輯控制電路產(chǎn)生，需電壓與電流放大才能用于實(shí)際加工，直流電壓VDC由電源的直流電路提供。Sig輸出低電平，開(kāi)關(guān)管Q1截止，Q2飽和導(dǎo)通，電流經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q2由工件流向工具電極，經(jīng)過(guò)工具電極到達(dá)電源陰極，形成脈沖電流脈寬;反之，控制信號(hào)Sig為高電平，開(kāi)關(guān)管Q1飽和導(dǎo)通，Q2截止，得到加工電流脈間。電路中的Q1、Q2選用2N2369系列高頻開(kāi)關(guān)管，最高開(kāi)關(guān)速度小于20 ns;D1選用BYV26系列快恢復(fù)二極管，反向恢復(fù)時(shí)間30 ns。

圖中的PEN為電源開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)直接控制，通過(guò)固態(tài)繼電器SSR實(shí)現(xiàn)電源的開(kāi)關(guān)。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂七壿?，?dòng)態(tài)地改變控制信號(hào)Sig的高低電平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管Q1與Q2的通斷時(shí)序，即在工具電極與工件之間得到加工要求的脈沖電流。

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，受運(yùn)算速度限制，系統(tǒng)中的單片機(jī)只負(fù)責(zé)參數(shù)的顯示與讀寫、串行通訊，鍵盤輸入及處理等實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù)。高頻控制信號(hào)由控制邏輯實(shí)現(xiàn)。由于輸出電壓與電流的限制，控制邏輯的輸出信號(hào)不能直接用于加工，需要電壓放大電路把輸出的低壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為加工需要的加工電壓，同時(shí)需要電流放大電路提供足夠大的加工電流，如圖2所示的兩級(jí)放大電路。圖2的信號(hào)Sig即為邏輯控制輸出的高頻控制信號(hào)，通過(guò)R4、Q1與R5構(gòu)成的電壓放大電路，Sig被放大至加工電壓;通過(guò)R6、Q2與R7構(gòu)成的電流放大，電極－工具之間得到實(shí)際加工電流。

系統(tǒng)提供兩種模式對(duì)電源輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行設(shè)置與編程:通訊模式與鍵盤模式。由于通訊數(shù)據(jù)量較少，同時(shí)微細(xì)加工對(duì)電源的控制實(shí)時(shí)性要求不高，加之串口通訊簡(jiǎn)潔可靠，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛，因而系統(tǒng)選用串行通訊實(shí)現(xiàn)電源與主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互。通過(guò)串行通訊接口RS232，微細(xì)加工系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)可以直接對(duì)脈沖的脈寬、脈間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通訊波特率選擇115 200 B/S;考慮到實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)按鍵較少，故而采用獨(dú)立式鍵盤，直接送單片機(jī)P1口供檢索。

這里的單片機(jī)系統(tǒng)指單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括時(shí)鐘電路與復(fù)位電路等。

2 邏輯控制電路設(shè)計(jì)

2．1 電路原理

邏輯控制電路接收串行通訊或鍵盤輸入的脈沖參數(shù)，產(chǎn)生高頻脈沖控制信號(hào)。結(jié)構(gòu)如圖4，主要由單片機(jī)及外圍電路、CPLD及控制邏輯、總線驅(qū)動(dòng)及極間脈沖采樣與轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。

電路中的單片機(jī)選用深圳宏晶科技的STC12C5A60S2系列的8位高速單片機(jī)，內(nèi)部集成64 K的FLASH、1 280字節(jié)的RAM以及8路10位的AD轉(zhuǎn)換器。由于電源運(yùn)行中要處理、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不大，系統(tǒng)無(wú)外擴(kuò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，只使用單片機(jī)內(nèi)部RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)高頻脈沖信號(hào)控制邏輯的可編程邏輯器件采用Altra公司的EPM7160STC100系列的CPLD，基準(zhǔn)時(shí)鐘為100 M有源晶振，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，CPLD實(shí)現(xiàn)高頻脈沖的脈寬、脈間等控制。

電源工作過(guò)程中，單片機(jī)接收串口傳輸或鍵盤輸入的脈沖參數(shù)，根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)算與脈寬、脈間等對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，并將得到的相應(yīng)計(jì)數(shù)值送入實(shí)現(xiàn)邏輯控制的CPLD，由CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)脈沖的計(jì)數(shù)，定時(shí)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)器得到圖2所示主電路中的高頻控制信號(hào)Sig。

極間脈沖檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路原理如圖5，Q3仍然采用高頻開(kāi)關(guān)管2N2369。電源正常運(yùn)行時(shí)，極間脈沖電壓同時(shí)施加到Q3的基級(jí)，Q3定時(shí)開(kāi)通、關(guān)斷，CP輸出與極間脈沖同頻的5 V檢測(cè)脈沖到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制的CPLD，CPLD采樣檢測(cè)信號(hào)CP，對(duì)CP進(jìn)行1 ms定時(shí)計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值寫入片內(nèi)寄存器，供CPU查詢。發(fā)生極間短路時(shí)，Q3基級(jí)電壓為0，CP持續(xù)輸出高電平，短路時(shí)間超過(guò)1 ms，脈沖計(jì)數(shù)寄存器清零。控制計(jì)算機(jī)定時(shí)查詢CPLD內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)寄存器，發(fā)現(xiàn)為零后，禁止圖2中的使能信號(hào)PEN，電源停止工作，起到保護(hù)電路的作用。

2．2 控制邏輯設(shè)計(jì)

邏輯控制電路完成的功能包括:（1）響應(yīng)單片機(jī)讀寫時(shí)序，接收脈沖參數(shù)，輸出1 ms定時(shí)的脈沖計(jì)數(shù)值;（2）完成邏輯運(yùn)算，輸出高頻控制信號(hào);（3）實(shí)現(xiàn)極間脈沖的1 ms定時(shí)計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值送輸出寄存器。電路具有較高的邏輯復(fù)雜性與實(shí)時(shí)性要求，通過(guò)CPLD器件EPM7160STC100實(shí)現(xiàn)。

讀寫邏輯控制通過(guò)雙向口原理實(shí)現(xiàn)，邏輯控制芯片占用3個(gè)地址。端口“00”為脈沖參數(shù)計(jì)數(shù)值輸入口;“01”為1 ms脈沖計(jì)數(shù)值寄存器，只讀;“10”為鍵盤輸入寄存器，也為只讀寄存器。

根據(jù)波形特點(diǎn)，將電源輸出分為脈寬（狀態(tài)①）與脈間（狀態(tài)②）狀態(tài)，對(duì)應(yīng)邏輯控制電路的2個(gè)相應(yīng)工作狀態(tài)。完成控制邏輯的EPM7160響應(yīng)100 M的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿，通過(guò)16位計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖的脈寬、脈間控制，控制邏輯的狀態(tài)轉(zhuǎn)換及條件如下:

（1）脈寬計(jì)數(shù)結(jié)束，則狀態(tài)①轉(zhuǎn)②;

（2）脈間計(jì)數(shù)結(jié)束，則狀態(tài)②轉(zhuǎn)為狀態(tài)①;

以100 M的基準(zhǔn)時(shí)鐘作為敏感量，設(shè)計(jì)VHDL進(jìn)程PROCESS實(shí)現(xiàn)上述狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)①時(shí)，邏輯控制電路對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，圖2中的輸出Sig送出低電平，Q1截止，Q2飽和導(dǎo)通，電極－工件對(duì)之間輸出加工脈沖脈寬;在狀態(tài)②，Sig送出高電平，Q1飽和導(dǎo)通，Q2截止，電源輸出加工脈沖脈間;正常工作時(shí)，電源檢測(cè)到1 ms內(nèi)電極－工件間脈沖輸出個(gè)數(shù)為“0”，表明極間發(fā)生短路，控制計(jì)算機(jī)拉低圖2中的使能端PEN，電源停止工作。圖6為邏輯控制電路高頻信號(hào)輸出仿真。

其中:CK為基準(zhǔn)時(shí)鐘，pWidth與pIntvl為脈寬計(jì)數(shù)值與脈間計(jì)數(shù)值。CS為低，經(jīng)第1、2個(gè)寫操作，在WR信號(hào)的第2個(gè)升沿，脈寬計(jì)數(shù)值設(shè)置為02H;經(jīng)第3、4個(gè)寫操作，在WR信號(hào)的第4個(gè)升沿，脈間計(jì)數(shù)值設(shè)置為05H。在狀態(tài)①，高頻邏輯控制信號(hào)Sig輸出2周期的低電平，經(jīng)過(guò)圖2中的兩級(jí)放大，電源輸出脈寬并保持2個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期;狀態(tài)②，Sig輸出5周期的高電平，電源輸出脈間并保持5個(gè)時(shí)鐘周期;控制信號(hào)狀態(tài)符合上述的波形分析及圖中設(shè)定值。

3 軟件設(shè)計(jì)

脈沖電源軟件的主程序流程如圖7所示。電源運(yùn)行開(kāi)始，單片機(jī)執(zhí)行初始化程序，設(shè)置串行通訊，調(diào)入并顯示脈沖各參數(shù)缺省值。圖中的定時(shí)用于鍵盤消抖，單片機(jī)采用輪詢方式讀取鍵盤，檢測(cè)定時(shí)中斷標(biāo)志TF與串行中斷標(biāo)志SF;有鍵按下，系統(tǒng)存儲(chǔ)鍵值并設(shè)定20 ms延時(shí)。20 ms定時(shí)到，再次讀取鍵盤，讀到的鍵值相同，轉(zhuǎn)入鍵盤處理;鍵值不同，不處理。串行中斷標(biāo)志置位，讀接收緩沖區(qū)，計(jì)算串口送入的各脈沖參數(shù)并更新顯示。

系統(tǒng)共設(shè)置5個(gè)鍵:上下左右4個(gè)箭頭鍵與開(kāi)始鍵。箭頭鍵用于參數(shù)調(diào)整，左右箭頭選擇參數(shù)位，上下箭頭鍵調(diào)整該位的數(shù)值。程序中，各脈沖參數(shù)以字符串方式存儲(chǔ)，每次參數(shù)調(diào)整結(jié)束，系統(tǒng)重算脈沖各參數(shù)并更新顯示;開(kāi)始鍵啟動(dòng)電源，單片機(jī)根據(jù)脈沖參數(shù)，計(jì)算控制邏輯需要的各計(jì)數(shù)值并寫入邏輯控制電路，而后，使能信號(hào)PEN，系統(tǒng)輸出所需脈沖。

4 實(shí)驗(yàn)

改變電源脈沖參數(shù)，測(cè)試所設(shè)計(jì)的電源，圖8所示為初步測(cè)試實(shí)驗(yàn)中得到的脈沖電壓波形。圖8a為測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到的10 M脈沖波形，其中脈沖峰值電壓12 V，周期100 ns，脈寬25 ns，占空比1∶3;圖8b為得到的占空比為1∶1的10 M脈沖電壓波形，脈沖峰值電壓13 V，周期100 ns，脈寬脈間均為50 ns?？紤]實(shí)際加工，調(diào)整電源參數(shù)，在南京航空航天大學(xué)自行研制的微細(xì)電化學(xué)銑削機(jī)床上進(jìn)行了初步的試切實(shí)驗(yàn)，圖9為試切實(shí)驗(yàn)中得到的電源輸出電壓波形與測(cè)試設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，全面分析了微細(xì)電化學(xué)加工的工藝特點(diǎn)，結(jié)合微細(xì)加工系統(tǒng)，提出適于微細(xì)電化學(xué)加工的脈沖納秒電源框架結(jié)構(gòu)，先后完成了主電路、控制邏輯電路、控制邏輯芯片等的設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。由于電路中設(shè)計(jì)了專用邏輯控制芯片，運(yùn)算速度快，脈沖頻率高。同時(shí)，系統(tǒng)提供專用鍵盤與RS232串行接口，參數(shù)設(shè)置方便，易于接入微細(xì)電化學(xué)加工系統(tǒng)。參數(shù)顯示采用液晶顯示，一目了然，人機(jī)界面友好。試切實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)脈寬、脈間能夠控制在20 ns以下，峰值電壓0～16 V連續(xù)可調(diào)。參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬且方便，易于加工系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制。

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