CN101318241B - 电火花小孔加工脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于数控电火花线切割加工的电火花小孔加工脉冲电源，该脉冲电源包括有主振回路、驱动回路、检测回路、击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块、高压直流电源、中压直流电流以及功率放大回路，击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块设置于主振回路与检测回路之间。所述检测回路用于实时在线检测间隙放电状态，并将击穿时的空载周期信号作为主振回路的等待信号，大电流加工周期信号作为主振回路的间歇式抑制周期触发信号，通过控制第一功率开关管(T₁)的开、断时间，从而实现多功能加工回路切换，以及在一台线切割机上实现两种电源的工作方式。

Description

电火花小孔加工脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种适用于电火花高速小孔加工机床的脉冲电源。

背景技术

现行的高速小孔加工机床脉冲电源都有限流电阻，加工中产生大量的热能降低了加工效率，增大了脉冲电源的体积。传统的脉冲电源上升沿陡，电极损耗大，加工成本高。当加工孔的深径比大时，由于放电电蚀产物难于排出，电极损耗高，加工效率低。

在授权公告号CN1325215C中公开的“循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源”，该脉冲电源由主振电路、驱动电路、电流检测电路、直流电源以及功率放大电路组成。

传统电源有限流电阻设计，发热量大且电能利用率低；另外，脉冲电源体积大，成本高。检测回路采用平均电压采样法，反映加工状态具有一定的滞后时间，加工电流为矩形波，上升沿陡，管状电极损耗大，在大电流粗加工时，到长时间短路，容易拉弧，增加工时。

发明内容

本发明的目的是提供一种电火花小孔加工脉冲电源，该脉冲电源采用高中压复合加工模式，高压用于击穿放电间隙，中压大电流进行加工。增大放电间隙有利于排屑，电极损耗小。采用击穿等待的方法，实现等能量加工，高效的电火花高速加工小孔。将中压大电流加工周期内的非正常放电状态信号作为脉冲间歇式抑制周期的触发信号，避免了短路大电流的电能损耗，提高了电能利用率。

本发明的一种电火花小孔加工脉冲电源，该脉冲电源包括有主振电路、驱动回路、检测回路、直流电源以及功率放大回路，其特征在于：还包括有击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块，击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块设置于主振电路与检测回路之间；所述直流电源包括有高压直流电源、中压直流电流；

所述检测回路用于实时在线检测放电间隙中空载、短路、火花三种放电状态，以及在击穿周期内和大电流加工周期内的空载持续时间T_d(空载周期)、短路持续时间T_s、火花持续时间T_e；

所述击穿周期内非正常火花处理模块用于将接收的空载周期T_d与设定空载时间T_d0相比，若T_d＞T_d0，则输出等待信号T_W给主振回路；

所述大电流加工周期非正常火花处理模块用于将接收的大电流加工周期内的短路持续时间T_s与设定短路时间T_s0相比，若T_s＞T_s0，则输出间歇式抑制周期触发信号T_R给主振回路；

所述中压直流电源用于在功率放大回路中的T₂、T₃导通，T₁关断的大电流火花放电加工；中压直流电源输出80V～90V。

所述高压直流电源中交流接触器K₂闭合时E₁输出为高压直流电源，为后续中压大电流火花放电提供击穿通道；高压直流电源输出100V～150V。

所述功率放大回路根据驱动回路输出的驱动信号进行导通、关断功率开关管，从而实现多功能加工回路切换，以及在一台加工小孔机床上实现两种电源的工作方式。

所述主振回路用于输出控制信号经驱动回路驱动后作用到功率放大回路中的功率开关管上。

附图说明

图1是本发明电火花加工小孔脉冲电源的结构框图。

图2是本发明电火花加工小孔脉冲电源的电路原理图。

图3是本发明另一种电火花加工小孔脉冲电源的电路原理图。

图4是放电间隙等能量波形图。

图5是短路切断波形简示图。

图6A是三角形电流波形图。

图6B是倒T形电流波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种适用于电火花高速小孔加工机床在加工小孔用的脉冲电源，该脉冲电源由主振电路、驱动回路、检测回路、击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块、中压直流电源、高压直流电源以及功率放大回路组成(参见图1所示)。击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块设置于主振电路与检测回路之间。在本发明中，主振电路、驱动回路、检测回路是现有电火花高速小孔加工机床的常规电路结构。

所述检测回路用于实时在线检测放电间隙中空载、短路、火花三种放电状态，以及在击穿周期内和大电流加工周期内的空载持续时间T_d(空载周期)、短路持续时间T_s、火花持续时间T_e；

所述击穿周期内非正常火花处理模块用于将接收的空载周期T_d与设定空载时间T_d0相比，若T_d＞T_d0，则输出等待信号T_W给主振回路；

所述大电流加工周期非正常火花处理模块用于将接收的大电流加工周期内的短路持续时间T_s与设定短路时间T_S0相比，若T_s＞T_S0，则输出间歇式抑制周期触发信号T_R给主振回路；

所述中压直流电源用于在功率放大回路中的T₂、T₃导通，T₁关断的大电流火花放电加工；中压直流电源输出80V～90V。

所述高压直流电源中交流接触器K₂闭合时E₁输出为高压直流电源，为后续中压大电流火花放电提供击穿通道；高压直流电源输出100V～150V。

所述功率放大回路根据驱动回路输出的驱动信号进行导通、关断功率开关管，从而实现多功能加工回路切换，以及在一台电火花高速小孔加工机床上实现两种电源的工作方式。

所述主振回路用于输出控制信号经驱动回路驱动后作用到功率放大回路中的功率开关管上。

在本发明中，通过控制第一功率开关管管T₁的开、断时间，使大电流火花放电的加工电流脉宽相等，实现等能量加工；通过控制交流接触器K₁的切换实现粗、精加工。

在本发明中，功率放大回路中的功率开关管选取1MBH60D功率管。参见图2所示的功率放大回路的电路结构为，第二直流电源E₂的正极连接有第二功率开关T₂的集电极、第四二极管D₄的阴极，第二直流电源E₂的负极连接有第一直流电源E₁的负极、第五二极管D₅的阳极、第二二极管D₂的阳极、第三功率开关T₃的发射极；第一直流电源E₁的正极与第一功率开关T₁的集电极连接，第一功率开关T₁的发射极与第五二极管D₅的阴极连接，且第一功率开关T₁的发射极与第二电感L₂的2端连接；第二电感L₂的1端与第一二极管D₁的阳极连接，第一二极管D₁的阴极与第一电感L₁的1端连接；第二功率开关T₂的发射极与第三二极管D₃的阳极连接，第三二极管D₃的阴极与第二二极管D₂的阴极连接，且第三二极管D₃的阴极与第一电感L₁的1端连接；第一电感L₁的2端与交流接触器KM的1端连接，交流接触器KM的2端、4端连接在铜管电极上，交流接触器KM的3端连接在第一电感L₁的1端上；第三功率开关管T₃的集电极与第四二极管D₄的阳极连接，工件连接在第三功率开关管T₃的集电极上。

在本发明中，参见图3所示的另一种功率放大回路，由于电感与电阻均能实现分压的作用，在击穿控制回路也可以采用电阻R替代第二电感L₂。第二直流电源E₂的正极连接有第二功率开关T₂的集电极、第四二极管D₄的阴极，第二直流电源E₂的负极连接有第一直流电源E₁的负极、第五二极管D₅的阳极、第二二极管D₂的阳极、第三功率开关T₃的发射极；第一直流电源E₁的正极与第一功率开关T₁的集电极连接，第一功率开关T₁的发射极与第五二极管D₅的阴极连接，且第一功率开关T₁的发射极与电阻R的2端连接；电阻R的1端与第一二极管D₁的阳极连接，第一二极管D₁的阴极与第一电感L₁的1端连接；第二功率开关T₂的发射极与第三二极管D₃的阳极连接，第三二极管D₃的阴极与第二二极管D₂的阴极连接，且第三二极管D₃的阴极与第一电感L₁的1端连接；第一电感L₁的2端与交流接触器KM的1端连接，交流接触器KM的2端、4端连接在铜管电极上，交流接触器KM的3端连接在第一电感L₁的1端上；第三功率开关管T₃的集电极与第四二极管D₄的阳极连接，工件连接在第三功率开关管T₃的集电极上。

在本发明中，第二功率开关T₂、第三功率开关T₃、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电感L₁和开关KM构成桥式功率放大回路。

在本发明中，第一直流电源E₁为输出高压直流电源。

在本发明中，第二直流电源E₂为输出中压直流电源。

在本发明中，第一功率开关管T₁、第二电感L₂、第五二极管D₅、第一二极管D₁构成高压击穿控制电路(参见图2所示)。第一功率开关管T₁、电阻R、第五二极管D₅、第一二极管D₁构成高压击穿控制电路(参见图3所示)。该击穿控制电路可以在线切割的放电加工中实现高压击穿、中压火花放电功能，为后续火花放电提供较大的放电通道，以利于排屑，提高加工效率。

在本发明中，第一电感L₁与交流接触器K₁形成粗、精加工切换回路。交流接触器KM的1端与2端闭合、3端与4端断开实现精加工，交流接触器KM的3端与4端闭合、1端与2端断开实现粗加工。

本发明的创新点：

(一)高中压复合加工

T1、T2先导通，T2、T3导通，T1截止，实现高中压复合加工。T₁、T₃导通，T₂关断，先进行高压小电流击穿，T₁关断。T₂、T₃导通进行大电流中压火花放电，实现高压击穿、中压大电流火花放电加工。

(二)短路延时切断功能

击穿延时周期内，如长短路时，T₁间歇式导通，实现短路延时切断功能。参见图5所示，当T₂关断，T₁、T₃导通，在击穿通道时，会出现长时间短路状态，当检测回路检测到短路时间t_s1，经过长时间非火花放电处理回路进行比较处理后，确认为长短路时间t_s2，则发生间歇式抑制周期的触发信号，通过主振回路将T₁、T₃关断，功率放大回路无直流输入，后再击穿空载时间t_d1，待检测回路检测到火花电压延时截止(图中B点，B点为延时结束信号)，此时火花大电流进行加工，获得后一周期的火花时间t_e2，这样保证管状电极无长时间的大电流通过，避免了电极拉弧的可能，也节约了工时，提高了效率。图中，t_e1＝t_e2，即两个脉宽周期内的火花时间是相等的；T_e1＝T_e2，即在前后或者后续的火花加工时的电流脉宽是相等的；T_s1表示击穿回路的短路时间，T_s2表示击穿回路的长短路时间。

(三)中压加工中的大电流短路切断功能

大电流加工周期内，如长短路，T₂间歇式导通，实现大电流短路切断功能。当T₂、T₃导通时，由于此时是大电流的火花放电状态，利用检测回路将检测到的短路信号作为主振回路的间歇式抑制周期的触发信号，关闭T₁、T₂、T₃，功率放大回路无直流输入，避免大电流时的短路长时间发生造成的拉弧。还可以将T₂先关闭一个单位时间(μs)，经过两个单位时间后T₂、T₃导通，再进行检测，如检测到还是短路，再次关断T₂，再次导通T₂、T₃直至没有长短路发生。

(四)等能量加工

(1)T₁、T₃导通，T₂截止

在第一功率开关管T₁与第三功率开关管T₃同时导通，第二功率开关管T₂截止时，直流电源E通过第二电感L₂为间隙提供小电流(2A～8A)的击穿电压(35V～55V)，该击穿电压为后续的大电流火花放电提供击穿通道。

(2)T₂、T₃导通，T₁截止

当第二功率开关管T₂与第三功率开关管T₃同时导通，第一功率开关管T₁截止时，直流电源E给间隙提供大电流(5A～150A)的加工电压(60V～70V)，使间隙发生火花放电加工。

参见图4所示，在等能量加工状态下将检测回路的空载信号作为主振回路的延时信号，则当第一功率开关管T₁、第三功率开关管T₃导通时进行小电流高压击穿，在击穿时间内，检测回路检测到空载周期信号；该空载周期信号经击穿周期内非正常火花处理模块输出等待信号，此时主振回路用于控制功率放大回路中的功率开关管的开、断。在第一功率开关管T₁、第三功率开关管T₃持续导通，检测回路检测到火花电压时(图中B点，B点为延时结束信号)，延时截止，即第一功率开关管T₁关断，第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃导通；在第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃导通进行大电流火花放电，小电流击穿使得后续脉宽(B脉宽)内无空载出现，持续火花放电，由于后续脉宽不进行延时处理，设定的T₂、T₃同时导通时间恒定，大电流火花放电时间相等。即t_i1＝t_i2，实现每次放电能量相等，放电凹坑均匀，加工光洁度高。t_i1表示前一波形的电流脉宽，t_i2后一波形的电流脉宽。

(五)放电状态下的粗加工、精加工切换

当交换接触器KM的1端、2端闭合，3端、4端关断，进行粗加工模式，由于电感的电流不能突变的特点，放电间隙的电流缓慢上升，抑制间隙电流峰值，有利于进行长脉宽大电流的粗加工；当交流接触器1端、2端关断，3端、4端闭合，切换成精加工模式，由于此脉冲电源无限流电阻，电流上升斜率大，可进行大电流窄脉宽的精加工，实现放电凹坑小，加工表面光洁度高。

(六)等能量、等周期加工模式切换：

可以通过控制第二功率开关管T₁开断，实现等能量和等周期加工模式的切换，适应不同的加工要求，当T1加工中一直断开，实现等周期加工，当T1加工中击穿周期内导通，实现等能量加工。当大脉宽大电流粗加工时，切换到等能量加工模式，提高加工效率；当进行窄脉宽小电流精加工时，进给不稳时，可切换到等周期模式。

(七)管状电极损耗小

参见图6A、图6B所示，通过使T₂、T₃交替导通和关断，实现三角波电流波形，此电流波形上升沿缓，下降沿陡，可以减小管状电极损耗；通过使T₁、T₃先导通，T₂、T₃后导通，周期结束同时关断实现倒T形电流波形，先小电流预热，后大电流加工，降低管状电极损耗。

(八)能量利用率高：由于脉冲电源没有限流电阻，电流提供的能量基本上都供给了放电间隙，大大提高了能量利用率。

Claims (6)

1.一种电火花小孔加工脉冲电源，该脉冲电源包括有主振回路、驱动回路、检测回路、直流电源以及功率放大回路，其特征在于：还包括有击穿周期内非正常火花处理模块和大电流加工周期非正常火花处理模块，击穿周期内非正常火花处理模块和大电流加工周期非正常火花处理模块设置于主振回路与检测回路之间；所述直流电源包括有高压直流电源和中压直流电源，第一直流电源(E1)为输出所述

高压直流电源，第二直流电源(E2)为输出所述中压直流电源；

所述检测回路用于实时在线检测放电间隙中空载、短路和火花三种放电状态，以及在击穿周期内和大电流加工周期内的空载持续时间T_d、短路持续时间T_s和火花持续时间T_e；

所述击穿周期内非正常火花处理模块用于将接收的空载持续时间T_d与设定空载时间T_d0相比，若T_d＞T_d0，则输出等待信号T_W给主振回路；

所述大电流加工周期非正常火花处理模块用于将接收的大电流加工周期内的短路持续时间T_s与设定短路时间T_s0相比，若T_s＞T_s0，则输出间歇式抑制周期触发信号T_R给主振回路；

所述中压直流电源用于在功率放大回路中的第二功率开关管(T₂)和第三功率开关管(T₃)导通，第一功率开关管(T₁)关断的大电流火花放电加工；中压直流电源输出80V～90V；

所述高压直流电源中第二交流接触器(K₂)闭合时第一直流电源(E1)输出为高压直流电源，为后续中压大电流火花放电提供击穿通道；高压直流电源输出100V～150V；

所述功率放大回路根据驱动回路输出的驱动信号进行导通、关断功率开关管，从而实现多功能加工回路切换，以及在一台电火花高速小孔加工机床上实现两种电源的工作方式；

所述主振回路用于输出控制信号经驱动回路驱动后作用到功率放大回路中的功率开关管上。

2.根据权利要求1所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于：功率放大回路的电路结构为，第二直流电源(E₂)的正极连接有第二功率开关管(T₂)的集电极和第四二极管(D₄)的阴极，第二直流电源(E₂)的负极连接有第一直流电源(E₁)的负极、第五二极管(D₅)的阳极、第二二极管(D₂)的阳极和第三功率开关管(T₃)的发射极；第一直流电源(E₁)的正极与第一功率开关管(T₁)的集电极连接，第一功率开关管(T₁)的发射极与第五二极管(D₅)的阴极连接，且第一功率开关管(T₁)的发射极与第二电感(L₂)的2端连接；第二电感(L₂)的1端与第一二极管(D₁)的阳极连接，第一二极管(D₁)的阴极与第一电感(L₁)的1端连接；第二功率开关管(T₂)的发射极与第三二极管(D₃)的阳极连接，第三二极管(D₃)的阴极与第二二极管(D₂)的阴极连接，且第三二极管(D₃)的阴极与第一电感(L₁)的1端连接；第一电感(L₁)的2端与第一交流接触器(KM)的1端连接，第一交流接触器(KM)的2端和4端连接在铜管电极上，第一交流接触器(KM)的3端连接在第一电感(L₁)的1端上；第三功率开关管(T₃)的集电极与第四二极管(D₄)的阳极连接，工件连接在第三功率开关管(T₃)的集电极上。

3.根据权利要求1所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于：功率放大回路的电路结构为，第二直流电源(E₂)的正极连接有第二功率开关管(T₂)的集电极和第四二极管(D₄)的阴极，第二直流电源(E₂)的负极连接有第一直流电源(E₁)的负极、第五二极管(D₅)的阳极、第二二极管(D₂)的阳极和第三功率开关管(T₃)的发射极；第一直流电源(E₁)的正极与第一功率开关管(T₁)的集电极连接，第一功率开关管(T₁)的发射极与第五二极管(D₅)的阴极连接，且第一功率开关管(T₁)的发射极与电阻(R)的2端连接；电阻(R)的1端与第一二极管(D₁)的阳极连接，第一二极管(D₁)的阴极与第一电感(L₁)的1端连接；第二功率开关管(T₂)的发射极与第三二极管(D₃)的阳极连接，第三二极管(D₃)的阴极与第二二极管D₂的阴极连接，且第三二极管(D₃)的阴极与第一电感(L₁)的1端连接；第一电感(L₁)的2端与第一交流接触器(KM)的1端连接，第一交流接触器(KM)的2端和4端连接在铜管电极上，第一交流接触器(KM)的3端连接在第一电感(L₁)的1端上；第三功率开关管(T₃)的集电极与第四二极管(D₄)的阳极连接，工件连接在第三功率开关管(T₃)的集电极上。

4.根据权利要求2或3所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于：第二功率开关管(T₂)、第三功率开关管(T₃)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一电感(L₁)和第一交流接触器(KM)构成桥式功率放大回路。

5.根据权利要求2所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于：第一功率开关管(T₁)、第二电感(L₂)、第五二极管(D₅)和第一二极管(D₁)构成击穿控制电路。

6.根据权利要求3所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于：第一功率开关管(T₁)、电阻(R)、第五二极管(D₅)和第一二极管(D₁)构成击穿控制电路。

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