占空比可调的超高频电火花加工脉冲电源的研制.pdf

占空比可调的超高频电火花加工脉冲电源的研制曾伟梁，朱保国，王振龙（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨!#!）摘要：从$%&具有完全硬件逻辑的特点出发，提出了用$%&发生占空比可调的超高频电火花加工脉冲信号的设想。通过利用多路（复用）器和计数器的连接与反馈，设计$%&的数字逻辑算法，并在(%)*#+,中实现了占空比可调的超高频脉冲。在外部晶振频率为,#)-.下，通过模拟仿真和实际输出，得到了/)-.的超高频脉冲，其占空比可调。关键词：电火花加工；脉冲电源；占空比可调；超高频中图分类号：0 1+!#$%&()*$+,-.)./,0 1 (2 34 1$5 6!78 (,-+%,%9:;-+%2 3 4 56 3 7 8 7 9 4 5，2:;?7 4 4 A B 7 B;B 3=C0 3 D:4=8=5 E，-9?7 4!#!，$:7 4 9）:=5+,-2+：0:7 AF 9 F 3 F 3 A 3 4 B A B:9 BG 3 H 3 8=F 7 4 5;8 B 9:7 5:C 3 I;3 4 D EF;8 A 3()5 3 4 3 9 B=C9 G JK;A B 9?8 3 G;B E 9 B 7=?E$%&?9 A 3 G=4 B:3 D:9 9 D B 3 7 A B 7 D=C$%&，D=L F 8 3 B 3:9 G M 9 3 8=5 7 A B 7 D N 0:=;5:D=4 4 3 D B 7 4 59 4 G C 3 3 G 7 4 5?9 D OL;8 B 7 F 8 3 P 3 9 4 G D=;4 B 3，G 7 5 7 B 9 8 8=5 7 D 9 8 5=7 B:L=C$%&7 A G 3 A 7 5 4 3 G，;8 JB 9:7 5:C 3 I;3 4 D EF;8 A 3 A 7 5 4 9 8=C 9 G K;A B 9?8 3G;B E 9 B 7=7 A 3 9 8 7.3 G 7 4(%)*#+,N6:3 4 B:3 C 3 I;3 4 D E=C=;B A 7 G 3 D E A B 9 8=A D 7 8 8 9 B=7 A,#)-.，;8 B 9:7 5:C 3 I;3 4 D EF;8 A 3=C/)-.7 A5=B，7 B AG;B E 9 B 7=7 A9 G JK;A B 9?8 3 N?3%,;5：()；F;8 A 35 3 4 3 9 B=；9 G K;A B 9?8 3G;B E 9 B 7=；;8 B 9:7 5:C 3 I;3 4 D E微细加工技术是现代制造技术的一个重要发展方向，而微细电加工技术，包括微细电火花加工和微细电化学加工，是实现微细加工的有效手段。微细电加工技术的关键是如何控制脉冲电源单脉冲放电的能量，因为小的单脉冲放电能量不仅能使工件获得高质量的表面和几何精度，而且，还能提高微细电加工的极限加工能力。加工精度的提高需要减小脉冲宽度；而加工效率的提高需要减小脉冲周期，包括脉宽和脉冲间隔的减小。由于脉间必须保证消电离和排屑的需要，而微细电加工中加工介质和加工材料的不同导致了不同的加工条件，需要的脉间时间也各不相同!。收稿日期：Q#+年R#Q R Q*第一作者简介：曾伟梁，男，!S*年生，博士研究生。所以电源发出脉冲信号的占空比必须可调，以满足高精度和高速的微细电加工要求。!单片机产生脉冲的特点用单片机产生高频脉冲，由于单片机是依靠执行汇编程序来运行的，所以脉冲频率必定受到指令周期的影响。虽然也可以产生占空比可调的脉冲，但其最大频率受到了限制。以%$!+T/*U为例，其最高的工作时钟频率为Q#)-.，一个指令周期需要,个时钟周期来完成，按照最短两个指令产生一个脉冲来计算，其最大的频率为Q N)-.，脉宽和脉间的最小值为Q#4 A。而且每增加一条指令，就必须增加Q#4 A的时间Q。所以，单片机不适合用作高频占空比可调电源的发生器。/!电加工与模具Q#+年第,期设计 研究!#$%产生脉冲的特点#$%是复杂的（&()*+,）#$%，专指那些集成规模大于-.门以上的可编程逻辑器件。可编程逻辑器件是一种数字集成电路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集中了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可利用某种开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些片内的元件连接起来（编程），使之完成某个逻辑电路或系统的功能，成为一个可以在实际电子系统中使用的专用集成电路/。与单片机相比较，它不依赖于指令周期，完全是硬件逻辑，运行速度快，其速度取决于外加晶振的周期，而且#$%编程简便，能够实现系统的仿真，不用实际连接电路就可以知道运行的过程与结果，所以特别适合于高频脉冲电源的开发。/#$%编程实现与仿真0$1 2 3公司的2#4 5.6 7具有功能强大，引脚多，易 于 扩 展 的 特 点，且 编 程 十 分 方 便。利 用2#4 5.6 7开发 的 占 空 比 可 调 高 频 脉 冲 电 源 的#$%图形数字逻辑算法如图-所示。图-#$%图形连线示意图图-所示#$%图形由一个多路（复用）器，一个计数器和一个%触发器和一个1触发器组成。整个图形的输入为脉宽、脉间的二进制数字信号，每个数字信号都有7位，所以其调节范围为-!-8（.无意义）。多路（复用）器用于选择不同的输入信号，当9 2$为低电平时，选择输出为脉宽信号，当9 2$为高电平时，选择输出为脉间信号。计数器接受到输入信号后，开始递减计数，即每过一个时钟周期减-，当减为零时，计数器输出1 :跳为低电平，低电平持续一个时钟周期后自动跳回高电平。计数器的1 :是在$;的上升沿跳变的，由于信号传输的延迟，如果%触发器也需要到$;上升沿跳变的话，必须等待一个$;周期的时间，从而使脉宽和脉间各增加一个$;周期。为了使%触发器更快地跟踪1 :的变化，可以将$;信号反向接入%触发器，这样%触发器就可以在$;下降沿跳变，可以充分消除信号传输延迟的影响，清除了等待时间，取得了良好的效果。%触发器紧随着1 :的输出变化而变化，其输出作为时钟信号输入1触发器，1触发器的1端始终接高电平，它的输出在时钟信号每个上升沿来临后发生一次跳转，所以很好地跟踪了输入的脉宽、脉间信号。由于计数器输出1 :跳转为低电平必须持续一个时钟周期，所以输出的脉宽、脉间信号必须额外加上一个时钟周期的时间。上述#$%图形数字逻辑算法的结果可以通过模拟器的仿真来观察到。模拟器时钟周期固定为7.7.?7.A.（7.?7.-!.（=），图/所示为输入脉宽、脉间数值相反时的仿真图形，可以看出其输出也正好相反。图!脉宽A.=、脉间-!.=模拟图图/脉宽-!.=、脉间A.=时序模拟图在实际电路中，把7.4B C晶振作为时钟信号输入2 4#5.6 7，用拨码开关调节脉宽、脉间的输入信号，组成完整的数字电路。当把脉宽调为-，脉间调为!时，得到的实际输出图形如图7 D所示，其脉宽8.=、脉间5 8=。互换脉宽脉间后得到的实际输出图形如图7 E所示。由于信号的频率高达（下转第/F页）F-设计 研究电加工与模具!.6年第7期!#$%&和(%)*&+的试样分别与表面粗糙度标准样块进行对比，得出涂层的表面粗糙度，测定结果见表,。表!几种陶瓷材料等离子喷涂涂层的表面粗糙度涂层类型涂层表面粗糙度!-!.(%&,/0 /1)*&+2!#$%&+/,/(%)*&+,/0 /1从测定的数据可以看出，(%&和(%)*&+涂层的表面粗糙度值较高，而)*&+2!#$%&涂层的表面粗糙度值较低，这是由于)*&+和$%&两种陶瓷的熔点、线膨胀系数、体积收缩率差别较小，浸润性好，凝固后表面组织均匀，涂层内残余应力小，表面粗糙度明显要好。从金相组织看，涂层表面粗糙度值高主要是由于喷涂粒子变形、氧化物夹杂和气孔造成的。另外，粉末被送到加热区熔化时，由于送粉速度、功率波动或枪距、粉的粒度不同，颗粒的熔化程度也不同，在喷涂时得不到百分之百的熔化颗粒，也会影响涂层表面粗糙度。因此要降低涂层表面粗糙度值，在优化涂层材料的同时，必须优化喷涂工艺。从+种涂层的表面粗糙度看，均不能直接用于有表面粗糙度要求的塑料注射模，须重新进行表面加工后才能使用。!结论实践证明，采用等离子喷涂陶瓷涂层修复模具，不仅可行而且不失为一种上佳的修复方法，所得的陶瓷涂层具有孔隙度低，组织密致，涂层与模具结合强度高，涂层硬度和耐磨性、耐腐蚀性高等特点，完全可以满足失效模具修复的目的，且使模具寿命大幅度提高，经济效益显著。参考文献：03 4 5 5 6 7 89/:-%*;4 7%7 5?=%=4%=.-A 4%-*79/B C D 4-EFG%*8 5.H-=%-U-C S%，B-7-=5 4%V;=%W/I.H 4 5 X .=A5?.-C S%=%=C S-4-C A H%7 5 H;*7 =4-A 5 4-=W 7 4 X 5?W C 5=A 4 5*J/P 4 C%7%5=Z=%=4 Y%=，!，L：+M L F+L 1/何信龙/P I 8 0,:L M 快速上手 B/北京：清华大学出版社，/+黄正瑾/8 P Q R系统设计技术入门与应用 B/北京：电子工业出版社，/K+设计 研究电加工与模具 ,年第!期占空比可调的超高频电火花加工脉冲电源的研制占空比可调的超高频电火花加工脉冲电源的研制作者：曾伟梁，朱保国，王振龙，Zeng Weiliang，Zhu Baoguo，Wang Zhenlong作者单位：哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨,150001刊名：电加工与模具英文刊名：ELECTROMACHINING&MOULD年，卷(期)：2006，(4)被引用次数：1次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.Fuzhu Han.Shinya Wachi.Masanori Kunied Improvement of machining characteristics of micro-EDM usingtransistor type isopulse generator and servo feed control 20042.何信龙 PIC16F87X快速上手 20023.黄正谨.徐坚.章小丽.熊明珍 CPLD系统设计技术入门与应用 2002 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 宋博岩.赵万生.邵革良.SONG Boyan.ZHAO Wansheng.SHAO Geliang 电流型电火花加工脉冲电源的研究-中国机械工程2001,12(4)分析了传统独立式电火花加工脉冲电源和逆变式电火花加工脉冲电源的不足，论述了电流型电火花加工脉冲电源的工作原理。大量的样机和独立式脉冲电源的对比工艺试验表明，电流型脉冲电源不仅满足了电火花加工多项性能指标的要求，而且达到了高效节能的效果。2.期刊论文 高毅 基于电火花加工机床脉冲电源的研究现状与发展趋势-科技信息(科学教研)2008,(6)电火花加工自从问世以来,就以其自身的特点备受制造业的广泛关注.脉冲电源作为电火花加工系统的一个重要组成部分.是影响电火花加工工艺指标的主要因素之一.本文分析了研究电火花加工脉冲电源的实际意义,介绍了当前电火花加工脉冲电源的研究现状和新的发展趋势,并对几种新型脉冲电源的研究和应用进行了分析.3.学位论文 姜吉涛 循环叠加式节能电火花加工脉冲电源的研究 2005 本文介绍了国内外脉冲电源的研究现状，并详细阐述了当前国内外典型节能电火花加工脉冲电源的原理及特点。在分析了电火花加工原理和特点的基础上，从理论上分析了电火花加工的电能利用率，并提出了节能脉冲电源的方案。本文设计了新型拓扑结构的循环叠加式节能电火花加工脉冲电源。利用VHDL语言和图形编辑相结合的方法对脉冲发生器进行了设计，并进行了校验仿真，验证了设计的正确性和可靠性。最终将设计文件烧写到CPLD和FPGA器件中。应用本文设计的脉冲电源在电火花加工机床上进行了加工实验。对放电间隙电流波形进行了分析，并进行了与传统脉冲电源对比的工艺实验，实验结果表明该脉冲电源完全满足加工的要求，大大提高了电能利用率，改善了传统电火花加工脉冲电源电能利用率低的问题。4.期刊论文 韦东波.狄士春.迟关心.赵万生.Wei Dongbo.Di Shichun.Chi Guanxin.Zhao Wansheng 循环叠加斩波式电火花加工脉冲电源节能效果分析-电加工与模具2006,(3)循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源的主要特点是不含有传统脉冲电源的限流电阻和多数节能脉冲电源使用的储能电感,采用功率开关管不完全导通的方法,通过对每只功率开关管的斩波电流进行循环叠加来产生电火花加工脉冲.分析了该脉冲电源加工主回路的能量损耗计算方法以及试验数据的采集和处理方法,进行了加工对比实验,结果表明该脉冲电源的加工主回路的能量损耗明显低于传统脉冲电源的能量损耗.5.期刊论文 狄士春.王弢.于滨.赵万生 电火花加工脉冲电源研究现状与发展趋势-机械工程师2002,(10)脉冲电源是电火花加工的关键技术.文中针对传统电火花加工脉冲电源使用的缺点和局限性,介绍了当前电火花加工脉冲电源的研究现状和新的发展趋势,并对几种新型脉冲电源的研究和应用进行了分析.6.学位论文 王玉魁 电流型PWM控制节能式电火花加工脉冲电源的研究 2002 电火花加工系统作为一个典型的3C（ComplexX task,（Complex environment,ComplexX plant）系统,脉冲电源的电压电流输出特性将直接决定了电火花加工的工艺性能.该文的研究工作主要包括以下的几个方面：首先分析比较现有的节能脉冲电源的主电路拓扑结构、控制方式策略.输出电压电流特性以及加工性能.其次根据PWM控制节能式电火花加工脉冲电源的特点及其控制策略要求,设计了基于上、下位机的电火花加工脉冲电源监控系统.最终采用IGBT功率器件研制PWM控制节能式电火花加工脉冲电源实验样机.通过电火花加工实验考察实验样机在电极损耗、加工速度.伺服稳定性等方面的加工性能,并进一步优化控制参数,改进电路结构和控制策略.7.期刊论文 王玉魁.宋博岩.王振龙.赵万生.Wang Yukui.Song Boyan.Wang Zhenlong.Zhao Wansheng 节能式电火花加工脉冲电源的系统设计-中国机械工程2006,17(17)在对比传统电阻限流独立式电火花加工脉冲电源和节能式脉冲电源电路结构和控制策略的基础上,提出了节能式电火花加工脉冲电源的系统设计方案,并且通过工艺试验,在检验节能式电火花加工脉冲电源加工工艺性能的同时,也考察了其系统设计的方案可行性和加工稳定性.8.期刊论文 狄士春.姜吉涛.迟关心.韦东波.DI Shi-chun.JIANG Ji-tao.Chi Guan-xin.WEI Dong-bo 节能型电火花加工脉冲电源研究现状及发展趋势-机械工程师2005,(8)分析了研制节能型电火花加工脉冲电源的实际意义,介绍了几种典型节能电火花加工脉冲电源的工作原理和提高脉冲电源电能利用率的不同方法以及各自的特点,提出了节能型电火花加工脉冲电源未来的发展趋势.9.学位论文 吴仕鹏 电火花加工脉冲电源智能控制器的研究 2008 电火花加工技术在机械制造业中占有十分重要的地位，在很多情况下(如高硬度、高韧性、高脆性、高弹性材料的零件)是唯一有效的加工手段，可以实现常规加工不可能实现或需花费昂贵代价才能实现的加工。随着机械制造业的发展，人们对电火花加工技术的加工效率和加工质量提出了更高的要求。神经网络模糊技术的发展和其独特的控制特性，为电火花加工技术的发展带来了契机。本文深入的研究了现有脉冲电源拓扑结构的优缺点，结合前人的研究成果，提出了一种改进的电流型节能电火花加工脉冲电源的拓扑结构。该电源不仅解决了传统电源电流爬升慢、拖尾长的问题，而且仅需一套直流电源，电能利用率更高、投资更少。然后使用Matlab/Simulink，将本文设计的电源与哈尔滨工业大学设计的PWM控制节能式电火花加工脉冲电源进行了性能对比，从而验证了该电源拓扑结构设计的可行性。针对目前电火花加工过程控制难以建立起精确数学模型的特点，分析实验数据，研究了在线参数对工艺指标的影响，确定采用以电火花加工过程中统计的一段时间内的空载率、正常放电率、不正常放电率(包括电弧及短路放电)、相对于脉冲周期和抬刀周期的正常放电率为输入，在线参数调节量为输出的模糊RBF(radial basis function)神经网络控制器对在线参数进行实时控制，以达到提高电火花加工过程稳定性的目的。利用模糊控制的解耦性，将五输入三输出的控制器解耦为三个多输入单输出的模糊RBF神经网络控制器，简化了设计过程。以电火花加工伺服参考电压模糊RBF神经网络控制器为例，在Simulink仿真试验的基础上，完成了该智能控制器的软硬件设计，该控制器采用双MPU结构，双机间通过双口RAM IDT7007来进行通讯。10.期刊论文 韦东波.狄士春.迟关心.赵万生.WEI Dongbo.DI Shichun.CHI Guanxin.ZHAO Wansheng 新型节能电火花加工脉冲电源的脉冲发生器-制造技术与机床2006,(11)循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源的主要特点是不含有传统脉冲电源的限流电阻和多数节能脉冲电源使用的储能电感,采用功率开关管不完全导通的方法,通过对每只功率开关管的斩波电流进行循环叠加来产生电火花加工脉冲.对功率开关管进行循环叠加斩波控制时,根据各档延迟时间是最小延迟时间整数倍的特点,对脉冲发生器的逻辑进行巧妙的优化设计,可以大大节省PLD内部的资源.在该电源所选电路规格的情况下大约只占用了优化前常规方法所占资源的1/8,避免了硬件资源的浪费,降低了成本.引证文献(1条)引证文献(1条)1.耿雷.曹国辉.张文生.钟华燕 电火花线切割加工参数对加工效率的影响期刊论文-黑龙江科技学院学报2008(3)本文链接：http:/