一種大斜度電流上升沿的高頻脈衝電源的製作方法
2023-05-05 09:40:16 2
專利名稱：一種大斜度電流上升沿的高頻脈衝電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及用電極代替刀具，以電流高度集中的作用在工件上的金屬加工裝置的電源領域，主要用於電火花高速走絲線切割工具機，也可用於電火花成形工具機和其他需要可控電流上升沿和下降沿斜度的脈衝電源。
電火花線切割脈衝電源是線切割工具機的重要組成部分，是影響線切割加工工藝指標最關鍵的設備之一。為了獲得較好的工藝指標，在一定的條件下，主要取決於高頻脈衝電源的脈衝波形和電參數等性能。原子能出版社1986年出版的由王至堯同志著的《電火花線切割工藝》一書中的第五章＂電火花線切割脈衝電源＂第101頁至122頁較系統地介紹了目前國內外高頻脈衝電源的現有技術情況以及描述了高頻脈衝電源的脈衝波形、電參數等性能與加工切割速度、表面粗糙度、電極絲損耗等工藝指標的相互關係。總之，從各主要加工工藝指標以及電極絲損耗對脈衝電源電參數的要求來看，電參數的選擇對加工工藝指標來說是相互矛盾的。由於現有的各種脈衝電源提供的加工電流波形受到電參數的制約，所以從脈衝電源提供的波形對加工工藝指標的影響來看，現有的各种放電脈衝波形對加工工藝指標以及電極絲損耗來說又是顧此失彼。為了達到比較好的加工效果，目前各生產廠家生產的電火花線切割脈衝電源都有較寬的電參數選擇範圍，以適應不同加工的要求。為了延緩脈衝電流上升衝擊，減少電極絲損耗，目前各生產廠家採用的方法歸納起來有兩種一是以杭州無線電專用設備一廠為代表的採用設計一個特殊電路，使功率三極體的基極電流平緩上升，延長三極體開關工作狀態線性過渡區的時間，這種方法減少電極絲損耗的效果良好，但增加了功率三極體的功耗，整機能量利用率低，成本增加；二是以蘇州第三光學儀器廠率先提出的利用功率管輸出管限流電阻的電感，來延緩脈衝電流的上升沿斜度，這種方法由於電路中加接保護功率輸出管的續流二極體，造成了一個較長的電流下降沿，延長了放電間隙介電狀態恢復時間。上述兩種方法共同的缺點是由於受到最小脈衝寬度的限制，電流上升斜度時間只能限制在2～7μs之間。
本實用新型的目的是提供一種具有大斜度上升沿電流波形的高頻脈衝電源，該電源在相同放電能量條件下(即相近的加工切割速度情況下)，可降低被加工件的表面粗糙度和減少電極絲損耗，與現有的各種高頻脈衝電源相比具有更好的綜合性能指標和加工的穩定性。
為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是一種大斜度電流上升沿的高頻脈衝電源，包括振蕩器、用於產生脈寬和脈衝停歇的主脈衝生成電路、脈衝功率管驅動電路和脈衝功率放大器，振蕩器、主脈衝生成電路、脈衝功率管驅動電路以及脈衝功率放大器成串狀連接，振蕩器輸出一時鐘信號輸入至主脈衝生成電路，主脈衝生成電路輸出的脈衝信號經脈衝功率管驅動電路進行前置放大，再經脈衝功率放大器放大後輸出至火花間隙，該電源還包括一個至少由兩個基本階梯時序信號單元串接疊加而成的階梯形時序信號發生電路，所述脈衝功率管驅動電路和脈衝功率放大器的個數與基本階梯時序信號單元個數相等，其各基本單元的輸入端與主脈衝生成電路的輸出端相連接，由主脈衝生成電路來控制階梯時序信號的起始和復位時間，各上一級基本單元的輸出端與其下一級基本單元的數據輸入端相連接，其各基本單元的輸出端分別與各相應的脈衝功率驅動電路和脈衝功率放大器相連接，各脈衝功率放大器的輸出端成並聯狀態，且每個功率放大器的功率管迴路中都串有一隻限流電阻，隨著各功率管按脈衝時序時間關係的先後導通，脈衝電源的內阻也按脈衝時序關係逐級減少，則脈衝電流就按時序關係階梯形增大，形成一個具有多階梯上升沿脈衝電流波形的電流輸出。
為使上述技術方案的效果更好，本實用新型進一步的目的是提供一種可調電流上升沿斜度的高頻脈衝電源，在各檔脈寬規準情況下，該電源的電流上升沿斜度可調，從而使脈衝電源具有較好的綜合工藝指標。
為達到此目的，在上述技術方案的基礎上，所述電源還包括一個可調頻率斜度脈衝生成電路，所述可調頻率斜度脈衝生成電路為一個可調頻振蕩器，其輸出的可調頻率脈衝信號輸入階梯時序信號發生電路，用於改變各階梯形的時序時間。
所述基本階梯時序信號單元為一個寄存器中的一路或為一個觸發器或為一個計數器中的一路。
由於上述技術方案的運用，本實用新型與普通電感限流型線切割機高頻脈衝電源在同一臺JK7732電火花線切割工具機上進行加工工藝指標對比試驗，其結果表明本實用新型具有以下優點1.相同表面粗糙度條件下，加工效率高。
上述普通型高頻脈衝電源加工參數為Ton＝40μs，Ton/Toff＝1/5，電感限流上升沿時間為2μs，平均加工電流為2.7A。本實用新型加工參數為Ton＝64μs，Ton/Toff＝1/4，斜度時鐘周期為4μs，斜度時間為4μs×12＝48μs，平均加工電流為5.2A。切割試件均為20mm的圓柱。本實用新型加工效率提高70％。對照粗糙度比較樣塊，兩種電源切割的工件相差無幾，但從手感情況來看，普通型電源切割工件的表面輪廓呈尖峰狀，而本實用新型切割工件的表面無明顯尖峰狀，呈較平滑狀起伏不平。
雖然一次電火花放電是瞬間完成的，但從電火花的產生、擴大到形成一個放電通道是有一個發展過程的，大斜度上升沿的脈衝電流波形可以降低電火花產生初期的電流密度，並隨著電火花的擴大加大電流，從而可以減小電極絲損耗和降低電極絲上的凹坑深度，並使工件上的每次電蝕的凹坑呈淺平狀。從圖6中可以看出，兩條曲線反映的切割表面宏觀形貌與前述電流波形脈衝放電的坑穴情況相吻合。
2.電極絲損耗小。
將普通型高頻脈衝電源與本實用新型都在平均電流為3A條件下加工6小時，發現前者電極絲很快從黑色變為花白，用放大鏡觀察電極絲表面有密布凹坑，造成整個電極絲粗細不均；而本實用新型的電極絲表面呈微花白色，用放大鏡觀察電極絲表面勻稱，無明顯凹坑。另外普通高頻脈衝電源的最大平均加工電流一般要控制在3A之內，否則容易早期斷絲，而大斜度電流上升沿的高頻脈衝電源，可以長期工作在平均加工電流為5～6A的情況下不斷絲。
3.加工穩定性好。
普通高頻電源在3A以上平均加工電流狀態下工作，從示波器觀察放電波形和數控櫃的間隙電壓表上看到切割狀態開始不穩定，而本實用新型在5～6A加工電流狀態下工作，示波器上顯示的放電波形穩定，數控櫃間隙電壓表表示值穩定，工具機工作檯步進電機顯示的相位發光二極體的跳動速度也平穩。
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述附
圖1為本實用新型電路方框圖。
附圖2為本實用新型一個實施例的電路原理圖。
附圖3為本實用新型基本階梯時序信號單元為寄存器時的時序信號發生器電路圖。
附圖4為本實用新型基本階梯時序信號單元為觸發器時的時序信號發生器電路圖。
附圖5為本實用新型基本階梯時序信號單元為計數器時的時序信號發生器電路圖。
附圖6為本實用新型與普通型高頻脈衝電源加工試件表面粗糙度支承率曲線對比圖。實線為普通線切割脈衝電源加工試件表面粗糙度支承率曲線；虛線為本實用新型加工試件表面粗糙度支承率曲線。
實施例一由附
圖1、2和3可知，一種可調電流上升沿斜度的高頻脈衝電源，包括振蕩器、用於產生脈寬和脈衝停歇的主脈衝生成電路、可調頻率斜度脈衝生成電路、由12個基本階梯時序信號單元串接疊加而成的階梯形時序信號發生電路、脈衝功率管驅動電路和脈衝功率放大器，振蕩器、可調頻率斜度脈衝生成電路、階梯形時序信號發生電路、脈衝功率管驅動電路以及脈衝功率放大器成串狀連接，振蕩器輸出端的另一路與主脈衝生成電路的輸入端連接，主脈衝生成電路的輸出端與階梯形時序信號發生電路的復位端RST連接。考慮到抗幹擾性的影響，本實用新型全部採用4000系列CMOS數字集成電路，+12V供電，這樣抗幹擾能力比採用電晶體多諧振蕩器或TTL集成電路高10倍。考慮到加工參數的一致性和穩定性，本實用新型採用晶體振蕩，振蕩器由8MHZ石英諧振晶體和六反相集成電路CD4069的兩個非門組成，其輸出的8MHZ時鐘信號一路供主脈衝TON/TOFF生成電路；一路接八模似開關CD4051的第一開關X0作為最高頻率的斜度時鐘脈衝；另一路供給斜度脈衝發生器4024的時鐘端CLK相連接。所述用於產生脈寬和脈衝停歇的主脈衝生成電路由CMOS數字電路和兩個BCD碼選擇開關組成，兩個BCD碼選擇開關分別用於控制脈寬TON和停歇TOFF。所述可調頻率斜度生成電路由CD4024七行波進位二進位計數器和八模似開關CD4051組成，CD4024按二進位關係對來自CD4069的時鐘脈衝信號進行分頻；由CD4024各輸出端輸出的分頻後的脈衝按頻率的高低依次輸入到CD4051的X1到X7七個輸入端；通過外接的BCD碼開關來改變CD4051的地址，從而選擇八模似開關中的一個接通，從CD4051的八模似開關的公共端X獲得所需頻率的斜度脈衝信號；為了防止電火花強幹擾信號的竄入，在CD4051各地址端前均加上有RC低通濾波器來阻止電火花高頻幹擾信號對電源的幹擾。所述階梯形時序信號發生電路由三個四輸出的CD4015雙靜態移位寄存器串聯組成，即將第一級寄存器的數據端D接V+(+12V)，第二、三級寄存器的數據端D分別接各自上一級寄存器的未輸出端Q3；三個寄存器的三個時鐘端CLK並接後，與可調頻率斜度脈衝生成電路中CD4051的輸出端X連接；三個寄存器的復位端RST並接後，與主脈衝TON/TOFF生成電路連接；其工作過程如下當主脈衝TON/TOFF生成電路處在脈寬TON狀態時，其輸出低電平，使三個寄存器CD4015從復位狀態進入工作狀態，隨著各個斜度脈衝的到來，三個寄存器CD4015的各輸出端依次輸出高電平，每一個斜度脈衝的周期時間即為每個階梯的持續時間，這樣隨著斜度脈衝頻率的變化，也改變了每個階梯的持續時間，進而決定了整個電源階梯電流波形的時序時間。當主脈衝結束，即脈寬從TON狀態進入TOFF狀態時，主脈衝生成電路輸出高電平信號，這樣使三個CD4015寄存器同時復位，所以三個寄存器CD4015的輸出端全部瞬時輸出低電平，從而結束這一族斜度時序信號。為了解決CMOS電路與後級電晶體電路的電平銜接接口，本實用新型選用了CD4050六緩衝同相變換器作為接口電路。由於我們曾對CMOS緩衝器並聯驅動、電晶體的集電極和射極輸出、圖騰柱輸出電路和電晶體互補驅動五種VMOS管驅動電路進行對比試驗和測試，發現電晶體互補電路最為理想，VMOS管的輸出波形失真最小，高頻開關好，並且VMOS功率輸出管功耗低，所以本實用新型實施例選用電晶體互補電路作為VMOS管的驅動電路，該互補電路由R13-N 1K、C7-N 200P、R14-N 20歐姆、T2-N 9013NPN型晶體三極體和T3-N 9012PNP型晶體三極體組成；所述脈衝功率管驅動電路由與基本階梯時序信號單元數相同的12路結構一樣的脈衝功率管驅動電路組成，它們分別與上述的階梯形脈衝時序信號發生器的12個輸出端對應連接。驅動電路的第一級為電晶體射極輸出電路，其輸入阻抗高，與CMOS電路匹配；第二級為電晶體互補電路，與後級的VMOS的柵極相連接，C7-N 200P為加速電容，以改善電晶體互補電路的輸出波形。所述脈衝功率放大器由12隻IRF640VMOS管和12隻15歐姆/50瓦的線繞無感電阻組成，每個VMOS管和每個無感電阻組成一路，且無感電阻串接在VMOS管迴路中，12路脈衝功率放大器之間呈並聯狀態，其輸入端與脈衝功率管驅動電路中的第二級互補電路的輸出端連接，其輸出端至火花間隙，由於限流無感電阻的阻值一樣，其電源的脈衝上升沿階梯形波的包絡線為一直線，如要得到一個曲線狀電流上升沿包絡線，可通過選用不同阻值的限流電阻來實現；隨著各脈衝功率管驅動電路按時序信號的次序先後輸出高電平，各VMOS管也按時序先後導通，脈衝功率放大器的內阻也隨時序關係減少，即火花間隙處的加工電流按時序關係逐級增大，形成一個具有多階梯上升沿脈衝電流波形的電流輸出。由於高頻脈衝電源輸出導線的分布電感和加工區分布電容的影響，在加工區實際放電電流的上升沿近似階梯形波的包絡線，本實用新型的實施例從實際加工工出發，若要選擇不同的加工電流，在每路VMOS管的漏極迴路中還串接有一隻開關K1-N或繼電器來切換工作的VMOS管的數量，從而來改變最大的加工電流；圖2中D1-N為鉗位二極體，選用快恢復二極體以保護VMOS管；D2為脈衝負跳變毛剌去除二極體。Z1-N為13V穩壓管，用於切除13V以上的電壓信號毛剌，以保護VMOS功率管。R18-N3K/3W電阻為VMOS功率管的負載電阻，以使VMOS功率管在輕載狀態下有一個較好的輸出波形。上述階梯形時序信號發生電路中的基本階梯時序信號單元為12個，在實際應用中可根據情況對該基本單位的數量作增減。
實施例二，由圖4可知，本實施例所述基本階梯時序信號單元為一個觸發器，其它與實施例一基本相同。
實施例三，由圖5可知，本實施例所述基本階梯時序信號單元為一個計數器中的一路，其它與實施例一基本相同。
權利要求1.一種大斜度電流上升沿的高頻脈衝電源，包括振蕩器、用於產生脈寬和脈衝停歇的主脈衝生成電路、脈衝功率管驅動電路和脈衝功率放大器，振蕩器、主脈衝生成電路、脈衝功率管驅動電路以及脈衝功率放大器成串狀連接，振蕩器輸出一時鐘信號輸入至主脈衝生成電路，主脈衝生成電路輸出的脈衝信號經脈衝功率管驅動電路進行前置放大，再經脈衝功率放大器放大後輸出至火花間隙，其特徵在於該電源還包括一個至少由兩個基本階梯時序信號單元串接疊加而成的階梯形時序信號發生電路，所述脈衝功率管驅動電路和脈衝功率放大器的個數與基本階梯時序信號單元個數相等，其各基本單元的輸入端與主脈衝生成電路的輸出端相連接，由主脈衝生成電路來控制階梯時序信號的起始和復位時間，各上一級基本單元的輸出端與其下一級基本單元的數據輸入端相連接，其各基本單元的輸出端分別與各相應的脈衝功率驅動電路和脈衝功率放大器相連接，各脈衝功率放大器的輸出端成並聯狀態，且每個功率放大器的功率管迴路中都串有一隻限流電阻，隨著各功率管按脈衝時序時間關係的先後導通，脈衝電源的內阻也按脈衝時序關係逐級減少，則脈衝電流就按時序關係階梯形增大，形成一個具有多階梯上升沿脈衝電流波形的電流輸出。
2.根據權利要求1所述的電源，其特徵在於所述電源還包括一個可調頻率斜度脈衝生成電路，所述可調頻率斜度脈衝生成電路為一個可調頻振蕩器，其輸出的可調率脈衝信號輸入階梯時序信號發生電路，用於改變各階梯形的時序時間。
3.根據權利要求1或2所述的電源，其特徵在於所述基本階梯時序信號單元為一個寄存器中的一路。
4.根據權利要求1或2所述的電源，其特徵在於所述基本階梯時序信號單元為一個觸發器。
5.根據權利要求1或2所述的電源，其特徵在於所述基本階梯時序信號單元為一個計數器中的一路。
專利摘要一種電火花線切割工具機大斜度電流上升沿的高頻脈衝電源，包括振蕩器、主脈衝生成電路、脈衝功率管驅動電路和脈衝功率放大器，其特徵在於還包括至少由兩個基本單元串接疊加而成的階梯形時序信號發生電路，上述驅動電路和放大器的個數與基本階梯時序信號單元個數相等並呈並聯狀態，且每個放大器的功率管迴路中都串有一隻限流電阻。本實用新型的特點是相同表面粗糙度條件下，相對加工效率高；電極絲損耗小；加工穩定性好。
文檔編號B23H1/02GK2231836SQ9523963
公開日1996年7月24日 申請日期1995年4月20日 優先權日1995年4月20日
發明者顧元章, 顧紀章 申請人:顧元章