唐 婷，張 言，范 鈞，唐先春，邱世卉，胥 宏

(成都工業(yè)學(xué)院 a.電氣與電子工程系；b.電加工實驗室；c.實訓(xùn)基地，成都 611730)

基于VMOS的電火花加工脈沖電源改進(jìn)方案

唐 婷a*，張 言b，范 鈞a，唐先春c，邱世卉a，胥 宏b

(成都工業(yè)學(xué)院a.電氣與電子工程系；b.電加工實驗室；c.實訓(xùn)基地，成都 611730)

針對傳統(tǒng)電火花切割脈沖電源波形控制難、電能利用率低的特點，提出一種改進(jìn)方案。該方案用功率場效應(yīng)管(VMOS)替代功放管，簡化驅(qū)動電路，從而增大脈沖電源間隔，減小短路電流。實驗結(jié)果表明：該方案具有一定的技術(shù)應(yīng)用價值。

電火花加工；脈沖電源；功率場效應(yīng)管

電火花線切割加工在加工大厚度、深窄縫、微細(xì)槽方面具有較大優(yōu)勢，得到了制造業(yè)的認(rèn)可，從而獲得廣泛的應(yīng)用。電火花線切割機床脈沖電源的主要作用是把普通220 V或380 V的交流電轉(zhuǎn)換成在一定頻率范圍、具有一定輸出功率的單向脈沖電，提供電火花成形加工所需要的放電能量，以此蝕除金屬，滿足工件加工要求，因此，脈沖電源是機床的主要組成部分，也是影響線切割加工工藝指標(biāo)的主要因素之一。在一些經(jīng)濟(jì)型電火花線切割中，脈沖電源主要有RC式、獨立式、晶體管式等幾種，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易控制，缺點是脈沖波形難控制、電能利用率低和加工效率低。由此可見，如何提高脈沖電源的波形要求、電能利用率，是影響脈沖電源在電火花切割應(yīng)用的重要因素，也是今后研究的主要方向之一。因此，本文提出一種新的脈沖電源技術(shù)方案，該方案采用功率場效應(yīng)管(VMOS)替代功放晶體管，利用VMOS管阻抗高、驅(qū)動電壓低、驅(qū)動電流小的特點，簡化脈沖電源電路，從而增大脈沖間隔，最終減小短路電流，期望實現(xiàn)效率高、可靠性好的脈沖電源。

圖1 脈沖電源框圖

1 晶體管式脈沖電源

晶體管式脈沖電源利用矩形波或分組矩形波提供的能量通過脈沖放電以此達(dá)到腐蝕金屬的目的，它是利用大功率晶體管作為開關(guān)元件而獲得單向脈沖的。其輸出功率和加工效率不如晶閘管式脈沖電源大，但因其具有脈沖波形較好、脈沖頻率高、脈沖參數(shù)容易調(diào)節(jié)、易于實現(xiàn)多回路加工和自適應(yīng)控制等自動化要求的優(yōu)點，所以應(yīng)用非常廣泛。在100 A以下的電火花成型機床的脈沖電源中，都采用晶體管式電源。

目前晶體管的單管功率還較小(與晶閘管相比)，導(dǎo)通時的峰值電流常在5 A左右，因此在晶體管脈沖電源中，都采用多管分組并聯(lián)輸出的方法來提高輸出功率。脈沖電源組成框圖如圖1所示。

1.1 電源電路

圖2 脈沖電源框圖

如圖2所示，變壓器(800～1 000 W)提供2組AC電壓，AC 16 V經(jīng)整流濾波后再穩(wěn)壓成DC 12 V，供脈沖發(fā)生器和推動級電路工作。另一組次級提供AC 0～72 V電壓，為適應(yīng)外電源超過±15%波動，設(shè)有4個自耦抽頭端，可以方便地通過波段開關(guān)分別選擇50、57、64、72 V電壓進(jìn)行全波整流濾波，獲得DC 60～100 V電壓，供脈沖功率放大級工作。

1.2 振蕩電路

為了滿足不同表面粗糙度的加工需要，要求脈沖電源不僅能提供矩形波(見圖3)，還需要提供高頻分組波(分組脈沖，由窄的脈沖寬度T1和分組間隔T2組成，見圖4)，通常情況下使用矩形波加工，若要求較高的表面粗糙度且不看重加工效率時才需用高頻分組波。

圖3矩形波波形

圖4分組波波形

圖5振蕩電路原理圖

圖4所示分組脈沖：t1為窄脈沖寬度，t0為窄脈沖間隔；T1是該分組脈沖的寬度，T2是該分組的脈沖間隔。由于窄脈沖t1寬度窄，放電能量較小，腐蝕金屬表面的凹坑小，使切割表面粗糙度Ra的值較小，表面質(zhì)量高；但由于脈沖間隔t0較小，對加工間隙消電離過程不利，所以應(yīng)在輸出一組高頻窄脈沖后經(jīng)一個較大脈沖間隔T2，使得被擊穿的介質(zhì)能在脈沖間隔T2中恢復(fù)絕緣強度，充分消除電離后，再輸入下一組高頻脈沖能量，這樣才能兼顧加工效率和表面粗糙度，實現(xiàn)穩(wěn)定切割。

圖5為振蕩電路原理圖，主振級采用了2只NE555時基集成電路U1和U2作為矩形波和分組脈沖發(fā)生器。

U1與R1、R2、R3、電位器W1和電容C組成多諧振蕩器，U1輸出矩形脈沖，其周期T≈0.693RC。改變電容C的容量大小值可改變脈沖寬度，使U1輸出寬度為5、10、20、40、60 μs的脈沖方波。調(diào)節(jié)電位器W1可使脈沖間隔在所選擇脈沖寬度的4～10倍范圍內(nèi)平滑變化。D1和D2作用是減小調(diào)節(jié)脈沖寬度和脈沖間隔的互相影響。

U2與R4、R5、R6、C6、D3、D4組成高頻分組脈沖發(fā)生器。U2輸出分組脈沖，該脈沖受控于U1輸出的矩形脈沖，即分組脈沖是在矩形脈沖的高電平寬度范圍內(nèi)產(chǎn)生若干個窄脈沖，而在低電平時不能輸出窄脈沖。K2是矩形脈沖與分組脈沖的選擇開關(guān)。

1.3 推動級電路

推動級電路主要是實現(xiàn)對脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行放大并緩沖，增大輸出脈沖的負(fù)載能力。如圖5中的T1和T2組成互補導(dǎo)向電路，采用中功率開關(guān)管T1(3DK4)、T2(3CK9)。

1.4 功放電路

功放電路實現(xiàn)的是功率放大功能，它是將已經(jīng)通過推動級電路預(yù)放的脈沖信號進(jìn)行再次放大，以提供足夠的工作能量，產(chǎn)生工件和鉬絲之間進(jìn)行切割時的電火花放電所需要的脈沖電壓和電流，以便穩(wěn)定地進(jìn)行切割加工。

2 VMOS功率放大

隨著科技的進(jìn)步，在新生產(chǎn)的脈沖電源中，通常采用頻率更高、性能更好的VMOS管作為功率放大管。VMOS的優(yōu)點是：只需一定的電壓和毫安級的電流便可驅(qū)動負(fù)載信號，并可省去前置放大級電路，使電路大大得到了簡化。

圖6 功放電路原理圖

VMOS場效應(yīng)管是根據(jù)V形槽結(jié)構(gòu)和垂直導(dǎo)電特性而命名的，屬于絕緣柵型MOS場效應(yīng)管。它不僅保留了傳統(tǒng)MOS場效應(yīng)管的固有優(yōu)點，而且還具有耐壓能力強、電流容量大、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等特點，因而被廣泛應(yīng)用。

圖6中功放電路采用VMOS大功率場效應(yīng)管，共分為6路，每路用1只VMOS管進(jìn)行功率放大，V1～V6每路功率放大電路相同，圖6中只畫出第1路和第6路電路。

圖6中場效應(yīng)管漏極D經(jīng)串入的限流電阻R19～R24、電流表A和電極絲與工件(工件接有DC +60～100 V電壓)相接觸獲得直流正電壓，當(dāng)柵極G有正脈沖輸入時，源極S與漏極D飽和導(dǎo)通至負(fù)極，負(fù)極性的電極絲與正極性的工件發(fā)生間斷短路，產(chǎn)生放電火花。場效應(yīng)飽和導(dǎo)通及產(chǎn)生放電火花時間是由輸入脈沖的寬度(μs)所決定。

3 結(jié)語

VMOS是電壓控制的場控器件，具有很高的輸入阻抗，使得驅(qū)動電路相當(dāng)簡單；VMOS是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，不存在少子導(dǎo)電和多余載流子復(fù)合表現(xiàn)出來的存儲時間，因此開關(guān)速度快，也沒有二次擊穿的問題；VMOS具有較大的線性放大區(qū)，通態(tài)電阻小、損耗小，具備良好的熱穩(wěn)定性，更兼具有電阻正溫度系數(shù)。采用VMOS的脈沖電源表現(xiàn)出效率高、可靠性好、電路更為簡單的特點。

[1] 莫操君.高速走絲電火花線切割機電氣原理與維修[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:66.

[2] 任忠輝,宋博巖,韓榮第,等.電火花微能脈沖電源研究現(xiàn)狀[J].電加工與模具,2006(3):29-32.

[3] 高毅.基于電火花加工機床脈沖電源的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機械與電子,2008(6):78-79.

[4] 蔣亨順,馬名峻.特種加工技術(shù)在精密制造中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝,2006(5):34-36.

[5] 趙萬生,李文卓,王振龍.高精度微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的研制[J].電加工與模具,2004(1): 6-8.

ResearchonImprovementofPulsePowerSupplyforElectricalDischargeMachiningbasedonVMOS

TANGTinga*，ZHANGYanb，F(xiàn)ANJuna，TANGXianchunc，QIUShihuia，XUHongb

(a.Electrical and electronic engineering; b.Electric processing laboratory; c.Practice base, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

The traditional pulse power for electric discharge machine is difficult to control waveform and power utilization rate is low.This paper proposes an improved scheme, which uses power field effect transistor (VMOS) instead of power tube, which simplifies the driving circuit, thereby increases the pulse interval, reduces the short circuit current. The experimental results show that the scheme has certain application value.

Electrical discharge machining; Pulse power supply; VMOS tube

2013-04-07

四川省教育廳“電火花加工脈沖電源技術(shù)”創(chuàng)新團(tuán)隊；四川省教育廳項目“電火花線切割機床細(xì)分驅(qū)動控制的研究”(13ZB0042)

唐婷(1979- )，女(漢族)，四川成都人，副教授，碩士，研究方向：自動化技術(shù)，通信作者郵箱：492217965@qq.com。

張言(1986- )，女(漢族)，四川內(nèi)江人，助教，碩士，研究方向：機電一體化。

V261.6+1

A

2095-5383(2013)04-0060-03