數控電火花線切割加工雙電源模式脈衝電源的製作方法

2023-06-22 19:18:46 1

專利名稱：數控電火花線切割加工雙電源模式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數控電火花線切割工具機的、具有雙電源模式的、多功 能脈衝電源。
肖i& *
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。
現有的電火花線切割脈衝電源中大多有限流電阻，該限流電阻使得電源提供的大 部分能量以熱能形式消耗掉，導致能量利用率較低。另外，脈衝電源只能進行單一的 加工模式，較難同時滿足粗、精加工的要求。
由於電火花線切割工具機使用的工作液導電率低，使得脈衝電源很難實現等能量加 工，並且單脈寬放電凹坑不均勻影響了工件加工效率和光潔度。加工電流為矩形波， 上升沿陡，鉬絲損耗大，在大電流粗加工時，如長時間短路，容易造成斷絲，增加成 本，降低加工效率。 發明內 容
本實用新型的目的是提供一種數控電火花線切割加工雙電源模式脈衝電源，該脈 衝電源可以實現高中壓複合加工、中低壓複合加工，複合加工中高壓/低壓用於擊穿 放電間隙，中壓用於大電流火花放電加工；將中壓大電流加工周期內非正常火花放電 狀態信號作為脈衝間歇式抑制周期的觸發信號，切斷長時間的短路，避免燒絲；將擊 穿周期內的非正常火花放電狀態作為脈衝等待信號，使通道完全擊穿，實現等能量加 工，提高加工效率；具有的粗、精加工模式切換功能，滿足不同的加工需求；脈衝電 源無限流電阻，電源發熱量低，大大提高了能量利用率。
本實用新型的一種數控電火花線切割加工雙電源t莫式脈衝電源，該脈衝電源包括 有主振電路、驅動迴路、檢測迴路、長空載處理模塊、長短路處理模塊、直流電源(中 壓直流電源、高/低壓直流電源)以及功率放大迴路，長空載處理模塊、長短路處理 模塊設置於檢測迴路與主振電路之間。
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，以及空載持續時間L、短路持續時間7;、火花持續時間7;;
所述空載處理模塊用於將接收的空載持續時間7;與設定空載時間7^相比，若7;>&。，則輸出延時信號^給主振迴路；
所述長短路處理模塊用於將接收的短路持續時間7;與設定短路時間7;。相比，若 ; 〉 t;。，則輸出復位信號rs給主振迴路；
所述中壓直流電源用於在功率放大迴路中的第二功率開關管T2、第三功率開關 管T3導通，第一交流接觸器Tl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/低壓直流電源中第二交流接觸器K2閉合時第一直流電源E!輸出為高壓 直流電源，用於擊穿放電間隙，為後續中壓大電流火花放電提供放電通道；第二交流 接觸器K2開通時第一直流電源E,輸出為低壓直流電源，用於擊穿放電間隙，為後續 中壓大電流火花放電提供放電通道；高壓直流電源輸出100V 150V，低壓直流電 源輸出40V 70V;
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，實 現多種功能加工迴路切換，以及在一臺線切割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是本實用新型具有雙電源模式的脈衝電源的結構框圖。
圖2是高、低直流電源切換原理圖。
圖3是本實用新型具有雙電源模式的脈衝電源的電路原理圖。
圖4是本實用新型另一種具有雙電源模式的脈衝電源的電路原理圖。
圖5是間隙放電等能量的波形簡示圖。
圖6是間隙長短路切斷波形示意圖。
圖7A是三角形驅動波形圖。
圖7B是L形驅動波形圖。
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。
本實用新型是一種數控電火花線切割加工雙電源糹莫式脈衝電源，該脈衝電源由主 振電路、驅動迴路、檢測迴路、長空載處理模塊、長短路處理模塊、中壓直流電源、 高/低壓直流電源以及功率放大迴路組成(參見圖1所示)，長空載處理模塊、長短
路處理模塊設置於檢測迴路與主振電路之間；主振電路、驅動迴路、檢測迴路是現有 數控電火花線切割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
及空載持續時間L、短路持續時間7;、火花持續時間7;;
所述空載處理模塊用於將接收的空載持續時間rrf與設定空載時間rrf。相比，若rrf 〉K。，則輸出延時信號7;給主振迴路；
所述長短路處理模塊用於將接收的短路持續時間t;與設定短路時間7;Q相比，若
7; > 7;。，則輸出復位信號7i給主振迴路；
所述中壓直流電源用於在功率放大迴路中的第二功率開關管T2、第三功率開關 管1導通，第一交流接觸器Tl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/低壓直流電源中第二交流接觸器K2閉合時第一直流電源Ei輸出為高壓 直流電源，用於擊穿放電間隙，為後續中壓大電流火花放電提供放電通道；第二交流 接觸器K2開通時第一直流電源Er輸出為低壓直流電源，用於擊穿放電間隙，為後續 中壓大電流火花放電提供放電通道；高壓直流電源輸出100V 150V,低壓直流電 源輸出40V 70V。
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，實 現多種功能加工迴路切換，以及在一臺線切割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管管t\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；通過控制第一交流接觸器&的切換實 現粗、精加工。
在本實用新型中，參見圖2所示，高/低壓直流電源的電路結構為三相380V交 流電經三相變壓器TC、第二交流接觸器K2後連接在三相整流橋上，經三相整流橋輸 出的正負電源之間並聯有洩放電阻R1、濾波電解電容C2;三相380V交流電的U 端接三相變壓器TC的A端，V端接C端，W端接E端；三相變壓器TC的B端、 D端、F端連接在一起，al端、cl端、el端分別與第二交流接觸器K2的l端、5 端、9端連接，a2端、c2端、e2端分別與第二交流接觸器&的3端、7端、11 端連接，b端、d端、f端連接在一起，交流接觸器K2的2端與4端連接在一起，且 與三相整流橋的U1端連接，第二交流接觸器K2的6端與8端連接在一起，且與三 相整流橋的V1端連接，第二交流接觸器K2的10端與12端連接在一起，且與三相 整流橋的Wl端連接；三相整流橋的正極端與電解電容C2的正極端、洩放電阻Rl 的一端相連，三相整流橋的負極端與電解電容C2的負極端、洩放電阻R1的另一端 相連。
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，三相 整流橋模塊的型號為6RI100G。參見圖3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管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、第二二極體D2的陽極、第三 功率開關管T3的發射極；第一直流電源E工的正極與第二電感L2的l端連接，第二 電感L2的2端與第一功率開關管T\的集電極連接，且第二電感L2的1端與2端之 間連接有第五二極體D5;第一功率開關管T\的發射極與第一二極體的陽極連接， 第一二極體的陰極與第二電感L2的1端連接，第一電感b的2端與第一交流接 觸器&的1端連接，第一交流接觸器&的2端、4端連接在電極絲上，且第一電感 k的1端與第一交流接觸器的3端連接；第二功率開關管T2的發射極與第三二 極管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 極管D3的陰極與第一電感M的1端連接；第三功率開關管T3的集電極與第四二極 管04的陽極連接，工件連接在第三功率開關管T3的集電極上。
在本實用新型中，參見圖4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管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、第二二極體D2的陽極、第三功率開 關管T3的發射極；第一直流電源Ei的正極與電阻的1端連接，電阻的2端與第一功 率開關管1\的集電極連接，且電阻的1端與2端之間連接有第五二極體D5;第一功 率開關管T\的發射極與第一二極體Dt的陽極連接，第一二極體Di的陰極與第二電 感L2的1端連接，第一電感M的2端與第一交流接觸器K,的1端連接，第一交流 接觸器K的2端、4端連接在電極絲上，且第一電感1^的1端與第一交流接觸器 K的3端連接；第二功率開關管T2的發射極與第三二極體D3的陽極連接，第三二 極管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。
在本實用新型中，第二功率開關管T2 、第三功率開關管T3 、第二二極體D2 、 第三二極體D3 、第四二極體D4 、第一電感k和第一交流接觸器Ki構成橋式功率 放大迴路。
在本實用新型中，第一直流電源E,為可調直流電源，可以輸出100V 150V 的高壓，或者40V 70V低壓直流電源。高壓用於髙中壓加工模式、低壓用於低中 壓加工糹莫式。
在本實用新型中，第一功率開關管T。第二電感L2、第五二極體Ds、第一二 極管D,構成擊穿控制電路(參見圖2所示)。第一功率開關管T。電阻R、第五二 極管Ds、第一二極體Di構成擊穿控制電路(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低壓擊穿、高壓火花放電功能，為後續火花放電提供較小 的放電通道，有效地提高了加工效率。
在本實用新型中，電極絲與工件組成放電間隙。當高頻電壓施力倒放電間隙上，實 現火花放電加工。電火花線切割加工有三種基本的放電狀態，即空載、火花和M^上。
在本實用新型中，第一電感Li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)高中低壓複合加工
&長開，TP T2先導通，然後TV T3導通，1\截止，實現高中壓複合加工；K2 長閉，T\、 T2先導通，然後TV Ts導通，T,截止，實現中低壓複合加工。由於第一 直流電源Ei是可調的，當直流電源Ei的電壓小於第二直流電流E2時，實現低壓小 電流擊穿，大電流放電加工。此時，TP T3導通，T2關斷，由於電感L2的存在，且 T,、 T3導通時間短，間隙電壓較小，流過的電流也小，進行低壓小電流擊穿，當1\ 關斷，T2、 Ts導通，E2電壓高，且導通時間長，流過的電流大，進行中壓大電流火 花放電。當Ei調整後的電壓大於E2時，TP T3導通，T2關斷，先進行高壓小電流 擊穿，L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，1\間歇式導通，實現短路延時切斷功能。參見 圖6所示，當T2關斷，Tp T3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Q ，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1\、 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，這樣保證電極絲無長時間的大電流通過，避免了斷絲的可能，也節 約了工時，提高了效率。圖中，^ = Q，即兩個脈寬周期內的火花時間是相等的；； =7;2，即在前後或者後續的火花加工時的電流脈寬是相等的；^表示擊穿迴路的短
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，如長短路時，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短 路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，功率放大回 路無直流輸入，避免大電流時的短路長時間發生造成的斷絲。還可以將丁2先關閉一 個單位時間(/^)，經過兩個單位時間後T" T3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" T3直至沒有長短路發生。
(四) 等能量加工
(1) T\、 T3導通，T2截止
在第一功率開關管L與第三功率開關管T3同時導通，第二功率開關管L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、 T3導通，1\截止
當第二功率開關管T2與第三功率開關管T3同時導通，第一功率開關管1\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5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，則當第一功率開關管Tp第三功率開關管T3導通時進行小電流低壓擊穿， 在擊穿時間內，檢測迴路檢測到空載信號；該空載信號經主振迴路延時處理後，用於 控制功率放大迴路中的功率開關管的開、斷。在第一功率開關管Tr、第三功率開關 管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，即第一功率開關管1\關斷，第二功率開關管T2、第三功率開關管T3導通； 在第二功率開關管T2、第三功率開關管T3導通進行大電流火花放電，小電流擊穿使
得後續脈寬內無空載出現，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，(2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K,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管T,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1\加工中一直斷開，實現等周期加工，當1\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) 電極絲損耗小
參見圖7A、圖7B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，可以減小電極絲損耗；通過使Tp 1先導通，T2、 T3後導通，周期結束同時關斷實現倒L形電流波形，先小電流預熱，後大電流加工， 降低電極絲損耗。
(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、一種數控電火花線切割加工雙電源模式多功能節能型脈衝電源，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組成，其特徵在於還包括有長空載處理模塊、長短路處理模塊，長空載處理模塊、長短路處理模塊設置於檢測迴路與主振電路之間；所述直流電源由中壓直流電源、高/低壓直流電源構成；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，以及空載持續時間Td、短路持續時間Ts、火花持續時間Te；所述空載處理模塊用於將接收的空載持續時間Td與設定空載時間Td0相比，若Td>Td0，則輸出延時信號TW給主振迴路；所述長短路處理模塊用於將接收的短路持續時間Ts與設定短路時間Ts0相比，若Ts>Ts0，則輸出復位信號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第二功率開關管T2、第三功率開關管T3導通，第一交流接觸器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/低壓直流電源中第二交流接觸器K2閉合時第一直流電源E1輸出為高壓直流電源，用於擊穿放電間隙，為後續中壓大電流火花放電提供放電通道；第二交流接觸器K2開通時第一直流電源E1輸出為低壓直流電源，用於擊穿放電間隙，為後續中壓大電流火花放電提供放電通道；高壓直流電源輸出100V～150V，低壓直流電源輸出40V～70V；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，實現多種功能加工迴路切換，以及在一臺線切割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1所述的雙電源模式多功能節能型脈衝電源，其特徵在於高/低 壓直流電源的電路結構為三相380V交流電經三相變壓器(TC)、第二交流接觸 器(K2)後連接在三相整流橋上，經三相整流橋輸出的正負電源之間並聯有洩放 電阻(Rl)、濾波電解電容(C2)後加載至第一直流電流(EJ;三相380V交 流電的U端接三相變壓器(TC)的A端，V端接C端，W端接E端；三相變壓 器(TC)的B端、D端、F端連接在一起，al端、cl端、el端分別與第二交 流接觸器(K2)的1端、5端、9端連接，a2端、c2端、e2端分別與第二交流 接觸器(K2)的3端、7端、ll端連接，b端、d端、f端連接在一起，交流接 觸器(K2)的2端與4端連接在一起，且與三相整流橋的U1端連接，第二交流 接觸器(K2)的6端與8端連接在一起，且與三相整流橋的V1端連接，第二交 流接觸器(K2)的10端與12端連接在一起，且與三相整流橋的Wl端連接； 三相整流橋的正極端與電解電容(C2)的正極端、洩放電阻(Rl)的一端相連， 三相整流橋的負極端與電解電容(C2)的負極端、洩放電阻(Rl)的另一端相 連。
3、 根據權利要求1所述的雙電源模式多功能節能型脈衝電源，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管(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、第二二極體(D2)的陽極、第三功率開關管(T3)的發射 極；第一直流電源(E》的正極與第二電感(L2)的1端連接，第二電感(L2) 的2端與第一功率開關管(T》的集電極連接，且第二電感(L2)的1端與2端 之間連接有第五二極體(D5);第一功率開關管(T》的發射極與第一二極體(D》 的陽極連接，第一二極體(D》的陰極與第一電感(L》的1端連接，第一電感(L》的2端與第一交流接觸器(KJ的1端連接，第一交流接觸器(K》的2 端、4端連接在電極絲上，且第一電感(L》的1端與第一交流接觸器(K》的 3端連接；第二功率開關管(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(Li)的l端連接；第三功率開關管(T3)的集電極與第四二極 管(D4)的陽極連接，工件連接在第三功率開關管(T3)的集電極上。
4、 根據權利要求l所述的雙電源模式多功能節能型脈衝電源，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管(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、第二二極體(D2)的陽極、第三功率開關管(T3)的發射 極；第一直流電源(EJ的正極與電阻R的l端連接，電阻R的2端與第一功 率開關管(T\)的集電極連接，且電阻R的1端與2端之間連接有第五二極體(Ds); 第一功率開關管(T\)的發射極與第一二極體(DJ的陽極連接，第一二極體(DJ 的陰極與第一電感(LJ的1端連接，第一電感(")的2端與第一交流接觸器(K》的1端連接，第一交流接觸器(K》的2端、4端連接在電極絲上，且第 一電感(LJ的l端與第一交流接觸器(Ki)的3端連接；第二功率開關管(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 管(D2)的陰極連接，且第三二極體(D3)的陰極與第一電感(L》的l端連接; 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。
5、 根據權利要求3或4所述的雙電源模式多功能節能型脈衝電源，其特徵在於第 二功率開關管(T2)、第三功率開關管(T3)、第二二極體(D2)、第三二極體(D3)、 第四二極體(D4)、第一電感(LJ和第一交流接觸器(KJ構成橋式功率放大 迴路。
6、 根據權利要求3所述的雙電源模式多功能節能型脈衝電源，其特徵在於第一功 率開關管(TJ、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。
7、 根據權利要求4所述的雙電源模式多功能節能型脈衝電源，其特徵在於第一功 率開關管(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數控電火花線切割加工雙電源模式脈衝電源，該脈衝電源由主振電路、驅動迴路、檢測迴路、長空載處理模塊、長短路處理模塊、中壓直流電源、高/低壓直流電源以及功率放大迴路組成；長空載處理模塊、長短路處理模塊設置於檢測迴路與主振電路之間。本實用新型脈衝電源可以實現高中壓複合加工、中低壓複合加工，複合加工中高壓/低壓用於擊穿放電間隙，中壓用於大電流火花放電加工；將中壓大電流加工周期內非正常火花放電狀態信號作為脈衝間歇式抑制周期的觸發信號，切斷長時間的短路，避免燒絲；將擊穿周期內的非正常火花放電狀態作為脈衝等待信號，使通道完全擊穿，實現等能量加工，提高加工效率；具有的粗、精加工模式切換功能，滿足不同的加工需求。
文檔編號B23H7/00GK201201083SQ200820107229
公開日2009年3月4日 申請日期2008年4月8日 優先權日2008年4月8日
發明者華 劉, 詩 李, 李冬慶, 李朝將, 樊海明, 白基成, 郭永豐, 蘭 陳 申請人:哈爾濱工業大學;江蘇冬慶數控工具機有限公司