電火花小孔加工高低壓複合脈衝電源的製作方法
2023-09-12 01:08:55
專利名稱：電火花小孔加工高低壓複合脈衝電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用於電火花髙速小孔加工工具機的高低壓複合脈衝電源。
背景技術：
現行的高速小孔加工工具機脈衝電源都有限流電阻，加工中產生大量的熱能降 低了加工效率，增大了脈衝電源的體積。傳統的脈衝電源上升沿陡，電極損耗大， 加工成本高。當加工孔的深徑比大時，由於放電電蝕產物難於排出，電極損耗高， 加工效率低。
在授權公告號CN1325215C中公開的"循環疊加斬波式節能電火花加工脈衝電 源"，該脈衝電源由主振電路、驅動電路、電流檢測電路、直流電源以及功率放大電
路組成。
傳統電源有限流電阻設計，發熱量大且電能利用率低；另外，脈衝電源體積大， 成本髙。檢測迴路採用平均電壓採樣法，反映加工狀態具有一定的滯後時間，加工電 流為矩形波，上升沿陡，管狀電極損耗大，在大電流粗加工時，到長時間短路，容易 拉弧，增加工時。 發明內容
本實用新型的目的是提供一種電火花小孔加工高低壓複合脈衝電源，該脈衝電源 採用高中壓複合加工模式，高壓用於擊穿放電間隙，中壓大電流進行加工。增大放電 間隙有利於排屑，電極損耗小。採用擊穿等待的方法，實現等能量加工，髙效的電火
制周期的觸發信號，避免了短路大電流的電能損耗，提高了電能利用率。
本實用新型的一種電火花小孔加工髙低壓複合脈衝電源，該脈衝電源包括有主振 電路、驅動迴路、檢測迴路、直流電源以及功率放大迴路，其特徵在於還包括有擊 穿周期內非正常火花處理模塊、大電流加工周期非正常火花處理模塊，擊穿周期內非 正常火花處理，莫塊、大電流加工周期非正常火花處理+莫塊設置於主振電路與檢瀾迴路
之間；所述直流電源包括有高壓直流電源、中壓直流電流；
所述檢測迴路用於實時在線檢測放電間隙中空載、短路、火花三种放電狀態，以及在擊穿周期內和大電流加工周期內的空載持續時間7;(空載周期)、短路持續時間 ;、火花持續時間7;
所述擊穿周期內非正常火花處理模塊用於將接收的空載周期 ;與設定空載時間 ^相比，若7^>7^，則輸出等待信號7V給主振迴路；
所述大電流加工周期非正常火花處理模塊用於將接收的大電流加工周期內的短路持續時間 ;與設定短路時間7;。相比，若7;〉7;。，則輸出間歇式抑制周期觸發信號給主振迴路；
所述中壓直流電源用於在功率放大迴路中的T2、 T3導通，Ti關斷的大電流火花 放電加工；中壓直流電源輸出80V 90V。
所述高壓直流電源中&閉合時Ei輸出為高壓直流電源，為後續中壓大電流火花 放電提供擊穿通道；高壓直流電源輸出100V 150V。
所述功率放大迴路根據驅動迴路輸出的驅動信號進行導通、關斷功率開關管，從 而實現多功能加工迴路切換，以及在一臺加工小孔工具機上實現兩種電源的工作方式。
所述主振迴路用於輸出控制信號經驅動迴路驅動後作用到功率放大迴路中的功 率開關管上。
圖1是本實用新型電火花加工小孔脈衝電源的結構框圖。
圖2是本實用新型電火花加工小孔脈衝電源的電路原理圖。
圖3是本實用新型另一種電火花加工小孔脈衝電源的電路原理圖。
圖4是放電間隙等能量波形圖。
圖5是短路切斷波形簡示圖。
圖6A是三角形電流波形圖。
圖6B是倒T形電流波形圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。
本實用新型是一種適用於電火花髙速小孔加工工具機在加工小孔用的脈衝電源,該 脈衝電源由主振電路、驅動迴路、檢測迴路、擊穿周期內非正常火花處理模塊、大電
流加工周期非正常火花處理模塊、中壓直流電源、高壓直流電源以及功率放大迴路組
成(參見圖l所示)。擊穿周期內非正常火花處理模塊、大電流加工周期非正常火花
處理模塊設置於主振電路與檢測迴路之間。在本實用新型中，主振電路、驅動迴路、
檢測迴路是現有電火花高速小孔加工工具機的常規電路結構。
所述檢測迴路用於實時在線檢測放電間隙中空載、短路、火花三种放電狀態，以 及在擊穿周期內和大電流加工周期內的空載持續時間i;(空載周期)、短路持續時間
t;、火花持續時間7;;
所述擊穿周期內非正常火花處理模塊用於將接收的空載周期 ;與設定空載時間
L。相比，若^>7^，則輸出等待信號7^給主振迴路；
所述大電流加工周期非正常火花處理模塊用於將接收的大電流加工周期內的短
路持續時間 ;與設定短路時間7;。相比，若7;> ;。，則輸出間歇式抑制周期觸發信號 K給主振迴路；
所述中壓直流電源用於在功率放大迴路中的T2、 Ts導通，^關斷的大電流火花 放電加工*,中壓直流電源輸出80V 90V。
所述高壓直流電源中K2閉合時Ei輸出為髙壓直流電源，為後續中壓大電流火花 放電提供擊穿通道；高壓直流電源輸出100V 150V。
所述功率放大迴路根據驅動迴路輸出的驅動信號進行導通、關斷功率開關管，從 而實現多功能加工迴路切換，以及在一臺電火花高速小孔加工工具機上實現兩種電源的 工作方式。
所述主振迴路用於輸出控制信號經驅動迴路驅動後作用到功率放大迴路中的功 率開關管上。
在本實用新型中，通過控制第一功率開關L的開、斷時間，使大電流火花放電 的加工電流脈寬相等，實現等能量加工；通過控制交流接觸器K的切換實現粗、精加工。
在本實用新型中，功率放大迴路中的功率開關管選取1MBH60D功率管。參見 圖2所示的功率放大迴路的電路結構為，第二直流電源E2的正極連接有第二功率開 關T2的集電極、第四二極體D4的陰極，第二直流電源E2的負極連接有第一直流電 源Ei的負極、第五二極體Ds的陽極、第二二極體D2的陽極、第三功率開關T3的發 射極；第一直流電源Ei的正極與第一功率開關1\的集電極連接，第一功率開關1\
的發射極與第五二極體D5的陰極連接，且第一功率開關T\的發皿與第二電感L2 的2端連接；第二電感L2的1端與第一二極體的陽極連接，第一二極體的陰 極與第一電感In的1端連接；第二功率開關T2的發射極與第三二極體D3的陽極連
接，第三二極體D3的陰極與第二二極體D2的陰極連接，且第三二極體D3的陰極與
第一電感^的1端連接；第一電感Lt的2端與交流接觸器KM的1端連接，交流 接觸器KM的2端、4端連接在銅管電極上，交流接觸器KM的3端連接在第一電 感"的l端上；第三功率開關T3的集電極與第四二極體D4的陽極連接，工件連接 在第三功率開關T3的集電極上。
在本實用新型中，參見圖3所示的另一種功率放大迴路，由於電感與電阻均能 實現分壓的作用，在擊穿控制迴路也可以釆用電阻R替代第二電感L2 。第二直流電 源E2的正極連接有第二功率開關T2的集電極、第四二極體D,的陰極，第二直流電 源E2的負極連接有第一直流電源Et的負極、第五二極體D5的陽極、第二二極體D2 的陽極、第三功率開關T3的發射極；第一直流電源￡1的正極與第一功率開關1\的 集電極連接，第一功率開關t的發射極與第五二極體Ds的陰極連接，且第一功率開 關T,的發射極與電阻R的2端連接；電阻R的1端與第一二極體Dt的陽極連接， 第一二極體Dt的陰極與第一電感.^的l端連接；第二功率開關T2的發I^與第三 二極體D3的陽極連接，第三二極體D3的陰極與第二二極體D2的陰極連接，且第三 二極體D3的陰極與第一電感k的1端連接；第一電感k的2端與交流接觸器KM 的1端連接，交流接觸器KM的2端、4端連接在銅管電極上，交流接觸器KM的 3端連接在第一電感k的1端上；第三功率開關T3的集電極與第四二極體D4的陽 極連接，工件連接在第三功率開關T3的集電極上。
在本實用新型中，第二功率開關T2 、第三功率開關Ts 、第二二極體D2 、第 三二極體D3 、第四二極體D4 、第一電感k和開關KM構成橋式功率放大迴路。
在本實用新型中，第一直流電源Ei為輸出高壓直流電源。
在本實用新型中，第二直流電源E2為輸出中壓直流電源。
在本實用新型中，第一功率開關Tp第二電感L2、第五二極體Dp第一二極 管D!構成髙壓擊穿控制電路(參見圖2所示)。第一功率開關Tp電阻R、第五二 極管D"第一二極體Di構成髙壓擊穿控制電路(參見圖3所示)。該擊穿控制電路
可以在線切割的放電加工中實現髙壓擊穿、中壓火花放電功能，為後續火花放電提供 較大的放電通道，以利於排屑，提高加工效率。
在本實用新型中，第一電感I^與交流接觸器Ki形成粗、精加工切換迴路。交流 接觸器KM的1端與2端閉合、3端與4端斷開實現精加工，交流接觸器KM的3 端與4端閉合、1端與2端斷開實現粗加工。
本實用新型的創新點
(一) 高中壓複合加工
Tl、 T2先導通，T2、 T3導通，Tl截止，實現高中壓複合加工。TP 丁3導通， 1關斷，先進行高壓小電流擊穿，1\關斷。T2、 T3導通進行大電流中壓火花放電， 實現高壓擊穿、中壓大電流火花放電加工。
(二) 短路延時切斷功能
擊穿延時周期內，如長短路時，^間歇式導通，實現短路延時切斷功能。參見 圖5所示，當1關斷，Tp 1導通，在擊穿通道時，會出現長時間短路狀態，當檢 測迴路檢測到短路時間^,經過長時間非火花放電處理迴路進行比較處理後，確認為
長短路時間Q,則發生間歇式抑制周期的觸發信號，通過主振迴路將Tp T3關斷，
功率放大迴路無直流輸入，後再擊穿空載時間Q，待檢測迴路檢測到火花電壓延時 截止(圖中B點，B點為延時結束信號)，此時火花大電流進行加工，獲得後一周期 的火花時間Q，這樣保證管狀電極無長時間的大電流通過，避免了電極拉弧的可能， 也節約了工時，提髙了效率。圖中，Q-Q，即兩個脈寬周期內的火花時間是相等 的；L-^,即在前後或者後續的火花加工時的電流脈寬是相等的；^表示擊穿回
路的短路時間，？;2表示擊穿迴路的長短路時間。
(三) 中壓加工中的大電流短路切斷功能
大電流加工周期內，如長短路，T2間歇式導通，實現大電流短路切斷功能。當 T2、 T3導通時，由於此時是大電流的火花放電狀態，利用檢測迴路將檢測到的M0信 號作為主振迴路的間歇式抑制周期的觸發信號，關閉Tp T2、 T3，功率放大迴路無 直流輸入，避免大電流時的短路長時間發生造成的拉弧。還可以將T2先關閉一個單 位時間經過兩個單位時間後TV Ts導通，再進行檢測，如檢測到還是短路, 再次關斷T2，再次導通T" Ts直至沒有長短路發生。
(四) 等能量加工
(1) T1、 T3導通，T2截止 在第一功率開關L與第三功率開關T3同時導通，第二功率開關T2截止時，直
流電源E通過第二電感L2為間隙提供小電流(2A 8A)的擊穿電壓(35V 55V)， 該擊穿電壓為後續的大電流火花放電提供擊穿通道。
(2) T2、 Ts導通,1\截止 當第二功率開關T2與第三功率開關T3同時導通，第一功率開關^截止時，直
流電源E給間隙提供大電流(5A 150A)的加工電壓(60V 70V),使間隙發生 火花放電加工。參見圖4所示，在等能量加工狀態下將檢測迴路的空載信號作為主振迴路的延 時信號，則當第一功率開關Tp第三功率開關T3導通時進行小電流髙壓擊穿，在擊 穿時間內，檢測迴路檢測到空載周期信號；該空載周期信號經擊穿周期內非正常火花 處理模塊輸出等待信號，此時主振迴路用於控制功率放大迴路中的功率開關管的開、 斷。在第一功率開關TV第三功率開關T3持續導通，檢測迴路檢測到火花電壓時(圖 中B點，B點為延時結束信號)，延時截止，即第一功率開關1\關斷，第二功率開關 T2、第三功率開關T3導通；在第二功率開關T2、第三功率開關Ts導通進行大電流火 花放電，小電流擊穿使得後續脈寬(B脈寬)內無空載出現，持續火花放電，由於後 續脈寬不進行延時處理，設定的T2、 T3同時導通時間恆定，大電流火花放電時間相 等。即^-^，實現每次放電能量相等，放電凹坑均勻，加工光潔度高。^表示前一 波形的電流脈寬，62後一波形的電流脈寬。
(五) 放電狀態下的粗加工、精加工切換 當交換接觸器KM的1端、2端閉合，3端、4端關斷，進行粗加工模式，由於電感的電流不能突變的特點，放電間隙的電流緩慢上升，抑制間隙電流峰值，有利於 進行長脈寬大電流的粗加工；當交流接觸器l端、2端關斷，3端、4端閉合，切換 成精加工模式，由於此脈衝電源無限流電阻，電流上升斜率大，可進行大電流窄脈寬 的精加工，實現放電凹坑小，加工表面光潔度高。
(六) 等能量、等周期加工模式切換 可以通過控制第二功率開關1\開斷，實現等能量和等周期加工模式的切換，適
應不同的加工要求，當T1加工中一直斷開，實現等周期加工，當T1加工中擊穿周 期內導通，實現等能量加工。當大脈寬大電流粗加工時，切換到等能量加工模式，提 高加工效率；當進行窄脈寬小電流精加工時，進給不穩時，可切換到等周期模式。
(七) 管狀電極損耗小
參見圖6A、圖6B所示，通過使T2、 T3交替導通和關斷，實現三角波電流波形, 此電流波形上升沿緩，下降沿陡，可以減小管狀電極損耗；通過使1\、 T3先導通， T2、 T3後導通，周期結束同時關斷實現倒T形電流波形，先小電流預熱，後大電流 加工，降低管狀電極損耗。
(八) 能量利用率高由於脈衝電源沒有限流電阻，電流提供的能量基本上都供 給了放電間隙，大大提高了能量利用率。
權利要求1、一種電火花小孔加工脈衝電源，該脈衝電源包括有主振電路、驅動迴路、檢測迴路、直流電源以及功率放大迴路，其特徵在於還包括有擊穿周期內非正常火花處理模塊、大電流加工周期非正常火花處理模塊，擊穿周期內非正常火花處理模塊、大電流加工周期非正常火花處理模塊設置於主振電路與檢測迴路之間；所述直流電源包括有高壓直流電源、中壓直流電流；所述檢測迴路用於實時在線檢測放電間隙中空載、短路、火花三种放電狀態，以及在擊穿周期內和大電流加工周期內的空載持續時間Td、短路持續時間Ts、火花持續時間Te；所述擊穿周期內非正常火花處理模塊用於將接收的空載周期Td與設定空載時間Td0相比，若Td＞Td0，則輸出等待信號TW給主振迴路；所述大電流加工周期非正常火花處理模塊用於將接收的大電流加工周期內的短路持續時間Ts與設定短路時間Ts0相比，若Ts＞Ts0，則輸出間歇式抑制周期觸發信號TR給主振迴路；所述中壓直流電源用於在功率放大迴路中的T2、T3導通，T1關斷的大電流火花放電加工；中壓直流電源輸出80V～90V；所述高壓直流電源中K2閉合時E1輸出為高壓直流電源，為後續中壓大電流火花放電提供擊穿通道；高壓直流電源輸出100V～150V；所述功率放大迴路根據驅動迴路輸出的驅動信號進行導通、關斷功率開關管，從而實現多功能加工迴路切換，以及在一臺電火花高速小孔加工工具機上實現兩種電源的工作方式；所述主振迴路用於輸出控制信號經驅動迴路驅動後作用到功率放大迴路中的功率開關管上。
2、 根據權利要求l所述的電火花小孔加工脈衝電源，其特徵在於功率放大迴路的 電路結構為，第二直流電源(E2)的正極連接有第二功率開關(T2)的集電極、 第四二極體(D4)的陰極，第二直流電源(E2)的負極連接有第一直流電源(E》 的負極、第五二極體(D5)的陽極、第二二極體(D2)的陽極、第三功率開關(T3) 的發射極；第一直流電源(E》的正極與第一功率開關(T》的集電極連接，第 一功率開關(T》的發射極與第五二極體(D5)的陰極連接，且第一功率開關(T\) 的發ltm與第二電感(L2)的2端連接；第二電感(L2)的1端與第一二極體(D》 的陽極連接，第一二極體(D》的陰極與第一電感Li的1端連接；第二功率開關(T2)的發射極與第三二極體(D3)的陽極連接，第三二極體(D3)的陰極與 第二二極體D2的陰極連接，且第三二極體(D3)的陰極與第一電感(L》的1 端連接；第一電感(L0的2端與交流接觸器(KM)的1端連接，交流接觸器 (KM)的2端、4端連接在銅管電極上，交流接觸器(KM)的3端連接在第一 電感(LJ的1端上；第三功率開關管(T3)的集電極與第四二極體(D4)的陽 極連接,工件連接在第三功率開關管(T3)的集電極上。
3、 根據權利要求1所述的電火花小孔加工脈衝電源，其特徵在於功率放大迴路的 電路結構為，第二直流電源(E2)的正極連接有第二功率開關(T2)的集電極、 第四二極體(D4)的陰極，第二直流電源(E2)的負極連接有第一直流電源(E》 的負極、第五二極體(D5)的陽極、第二二極體(D2)的陽極、第三功率開關(T3) 的發射極；第一直流電源(EJ的正極與第一功率開關(TJ的集電極連接，第 一功率開關(T》的發射極與第五二極體(D5)的陰極連接，且第一功率開關(T》 的發射極與電阻R的2端連接；電阻R的1端與第一二極體(DJ的陽極連接， 第一二極體(D》的陰極與第一電感、的1端連接；第二功率開關(T2)的發 射極與第三二極體(D3)的陽極連接，第三二極體(D3)的陰極與第二二極體 D2的陰極連接，且第三二極體(D3)的陰極與第一電感(LJ的l端連接；第一 電感(L》的2端與交流接觸器(KM)的1端連接，交流接觸器(KM)的2 端、4端連接在銅管電極上，交流接觸器(KM)的3端連接在第一電感(L》的 1端上；第三功率開關(T3)的集電極與第四二極體(D4)的陽極連接，工件連 接在第三功率開關(T3)的集電極上。
4、 根據權利要求2或3所述的電火花小孔加工脈衝電源，其特徵在於第二功率開 關(T2)、第三功率開關(T3)、第二二極體(D2)、第三二極體(D3)、第四二極 管(D4)、第一電感(LJ和交流接觸器(KM)構成橋式功率放大迴路。
5、 根據權利要求2所述的電火花小孔加工脈衝電源，其特徵在於第一功率開關(T\)、第二電感(L2)、第五二極體(D5)、第一二極體(DJ構成擊穿控制電 路。
6、 根據權利要求3所述的電火花小孔加工脈衝電源，其特徵在於第一功率開關(T\)、電阻(R)、第五二極體(D5)、第一二極體(D》構成擊穿控制電路。
專利摘要本實用新型公開了一種適用於數控電火花線切割加工的電火花小孔加工高低壓複合脈衝電源，該脈衝電源包括有主振電路、驅動迴路、檢測迴路、擊穿周期內非正常火花處理模塊、大電流加工周期非正常火花處理模塊、高壓直流電源、中壓直流電流以及功率放大迴路，擊穿周期內非正常火花處理模塊、大電流加工周期非正常火花處理模塊設置於主振電路與檢測迴路之間。所述檢測迴路用於實時在線檢測間隙放電狀態，並將擊穿時的空載周期信號作為主振迴路的等待信號，大電流加工周期信號作為主振迴路的間歇式抑制周期觸發信號，通過控制第一功率開關(T1)的開、斷時間，從而實現多功能加工迴路切換，以及在一臺線切割機上實現兩種電源的工作方式。
文檔編號B23H7/14GK201175797SQ20082010722
公開日2009年1月7日 申請日期2008年4月8日 優先權日2008年4月8日
發明者詩 李, 李冬慶, 白俊磊, 白基成, 鄧冠群, 郭永豐, 蘭 陳, 河 黃 申請人:哈爾濱工業大學;江蘇冬慶數控工具機有限公司