CN101579761B

CN101579761B - 一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源

Info

Publication number: CN101579761B
Application number: CN2009100592361A
Authority: CN
Inventors: 张勇斌; 刘广民; 吉方; 何建国; 张连新
Original assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Current assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: CN101579761A

Abstract

本发明公开了一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源。本发明中的可调稳压电源E1，限流电阻阵列R1～Rn，前级场效应管Q1和放电电极正极P+顺序电连接。后级场效应管Q2与前级场效应管Q1串联电连接，与正负放电两电极P+，P-并联电连接，两级场效应管被高频反相驱动，分别控制输出放电脉冲的上升沿和下降沿，实现两级限脉宽，限制输出脉宽最小达到60纳秒，从而输出微能放电脉冲。

Description

一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源

技术领域

本发明属于精密放电加工脉冲电源，具体涉及一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源。采用本发明可以获得脉冲脉宽窄、放电能量微小的电源。

背景技术

在精密电火花加工、精密电解加工等精密制造领域，通常需要一种微能脉冲电源，它是实现精密电加工的一个关键单元。它能够在正、负电极之间高频释放电能，从而产生瞬间的高温、高压，可熔化甚至气化零件的微小局部材料，达到对零件进行精密微细去除加工的目的。材料最小去除量与单脉冲的能量有关，单脉冲能量越小，其放电去除材料的量就越少，即放电痕越小，热影响区域也越小。无数单脉冲放电痕的累加就形成了零件被加工去除的表面。在一定的脉冲电压下，脉宽越窄，则单脉冲的能量越小，单脉冲放电的时间越短，在零件表面产生的放电痕就会更小。这样，缩短脉宽，就可降低脉冲能量，实现表面粗糙度值更低、变质层更薄、显微裂纹更少、表面质量更高的电加工。

现有的脉冲电加工电源中，主要分为RC驰张式脉冲电源和晶体管独立式脉冲电源。前者虽然可获得几十纳秒脉宽的窄脉冲，但由于其放电回路向电容器充电需要时间而不能得到很高的放电频率，这严重地影响着电加工的效率；另外，RC驰张式脉冲电源输出的能量不易控制，因为放电回路无法控制脉冲间隙的时间，当相继两次脉冲的间隙时间特别短时，前次放电的电弧没有完全消电离即发生下次放电，就会导致向电容器充电的电流直接流向正负电极之间，形成异常放电而使正常放电无法进行下去，不利于加工出高质量的零件表面。晶体管独立式脉冲电源是通过开通和关闭开关元件来实现脉冲放电的。由于晶体管独立式脉冲电源无需向电容器充电而花费时间，所以它能实现高频放电从而达到很高的加工效率，且由于其放电可通过控制开关元件来实现，所以可通过对极间放电状态的检测，实现对放电过程的自适应控制。然而，由于开关元件的开关速度以及控制电路元件的延时，传统的晶体管独立式脉冲电源还很难实现微细电加工所需的脉宽为数十纳秒的脉冲，电压脉宽通常在0.1μs以上，为了实现更精密、更高质量的电加工，甚至纳米级尺寸精度的电加工，需要脉宽更窄、能量更小的脉冲电源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，使单脉宽缩小到纳秒级，以减小单脉冲能量。

一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，包括直流可调恒压源E1，电阻阵列选择开关SR1～SRn，电容阵列选择开关SC1～SCn，高功率并联电阻阵列R1～Rn，并联加工电容阵列C1～Cn，测量电阻R22，测量电容C22，前级场效应管Q1，后级场效应管Q2，二极管D1，放电电极正极P+，放电电极负极P-，驱动电路I，驱动电路II，可编程逻辑器件，下位单片机，上位计算机，AD电路；直流可调恒压源E1经过电阻阵列选择开关SR1～SRn与高功率电阻R1～Rn一一对应电连接，再依次经过前级场效应管Q1，二极管D1，放电电极正极P+，放电电极负极P-，形成脉冲上升沿限制电路；二极管D1第一路接后级场效应管Q2，形成脉冲下降沿限制电路；前级场效应管Q1接电容阵列选择开关SC1～SCn与加工电容阵列C1～Cn，形成放电能量辅助电路；二极管D1第二路接电阻R22，C22及AD电路，形成放电状态检测电路；上位计算机依次与下位单片机、可编程逻辑器件、驱动电路I及场效应管Q1电连接，形成脉冲上升沿控制电路；上位计算机依次与下位单片机、可编程逻辑器件、驱动电路II及场效应管Q2电连接，形成脉冲下降沿控制电路；下位单片机再分别与电阻阵列选择开关SR1～SRn和电容阵列选择开关SC1～SCn电连接，分别形成电阻阻值选择电路和电容容值选择电路。

本发明的特点是：前级场效应管Q1和后级场效应管Q2串联，且后级场效应管Q2与放电正极P+和放电负极P-并联，构成对脉宽的两级限制，当脉冲电源处于工作状态时，前后两级场效应管Q1和Q2被反相驱动，前级场效应管Q1导通时，后级场效应管Q2关断，恒压源E1输出的电能经过高功率并联电阻阵列R1～Rn被直接送到正负放电电极P+和P-之间，开路时引发脉冲的上升沿，前级场效应管Q1关断时，后级场效应管Q2导通，正负放电电极P+和P-之间的电能被直接释放到负极P-，开路时引发脉冲的下降沿。

所述下位单片机采用单片机或DSP，可编程逻辑器件采用CPLD或FPGA芯片。

所述下位单片机为C8051F单片机，可编程逻辑器件采用MAX7000A芯片。

本发明由于采用了两级主动限脉宽电路，分别限制电源输出脉冲的上升沿和下降沿，可产生纳秒级脉宽，最窄脉宽优于60ns，其放电能量非常微小，而且频率稳定，易于控制，适用于微纳米尺度的精密放电加工。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源主电路连接图。

图2是图1所示连接电路中的正负放电电极P+和P-两端间输出的一幅电压脉冲波形图。

具体实施方式

图1中，本发明是一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，包括直流可调恒压源E1，电阻阵列选择开关SR1～SRn，电容阵列选择开关SC1～SCn，高功率并联电阻阵列R1～Rn，并联加工电容阵列C1～Cn，测量电阻R22，测量电容C22，前级场效应管Q1，后级场效应管Q2，二极管D1，放电电极正极P+，放电电极负极P-，驱动电路I，驱动电路II，可编程逻辑器件，下位单片机，上位计算机，AD电路等。直流可调恒压源E1经过电阻阵列选择开关SR1～SRn与高功率电阻R1～Rn一一对应电连接，再依次经过前级场效应管Q1，二极管D1，放电电极正极P+，放电电极负极P-，形成脉冲上升沿限制电路；二极管D1第一路接后级场效应管Q2，形成脉冲下降沿限制电路；前级场效应管Q1接电容阵列选择开关SC1～SCn与加工电容阵列C1～Cn，形成放电能量辅助电路；二极管D1第二路接电阻R22，C22及AD电路，形成放电状态检测电路；上位计算机依次与下位单片机、可编程逻辑器件、驱动电路I及场效应管Q1电连接，形成脉冲上升沿控制电路；上位计算机依次与下位单片机、可编程逻辑器件、驱动电路II及场效应管Q2电连接，形成脉冲下降沿控制电路；下位单片机再分别与电阻阵列选择开关SR1～SRn和电容阵列选择开关SC1～SCn电连接，分别形成电阻阻值选择电路和电容容值选择电路。

本发明中的直流可调恒压源E1型号为MSZ-HLHY-55，两路驱动电路均采用高速光耦和高速驱动芯片，高速光耦采用6N137，高速驱动芯片采用MC33152，AD电路中的AD芯片采用AD775，上位计算机采用通用工控机，下位单片机采用8位C8051F高速单片机，可编程逻辑器件采用Altera公司的MAX7000A芯片。

本发明的脉冲电源是这样工作的：先由上位计算机设定工作参数，如脉宽、脉间、电压、电流、电容、极性等，通过RS232接口下载到下位单片机中，下位单片机主要完成五项工作：第一，设定所需工作电压；第二，分别导通电阻阵列选择开关和电容阵列选择开关，确定放电主电路中的电阻值和电容值；第三，向可编程逻辑器件发送脉冲参数；第四，从AD电路采集放电间隙电压信号，判断放电状态；第五，将脉冲电源运行状态和放电状态等参数反馈回上位计算机。可编程逻辑器件控制驱动电路I和驱动电路II工作，从而控制场效应管Q1和Q2前后两级的导通和关断的时序，即控制输出脉宽和脉间。工作时，前后两级场效应管Q1和Q2被反相驱动，且串联，而后级场效应管Q2与正负放电电极P+和P-并联，构成对脉宽的两级限制。前级场效应管Q1导通时，后级场效应管Q2关断，恒压源E1输出的电能经过高功率并联电阻阵列R1～Rn被直接送到正负放电电极P+和P-之间，开路时引发脉宽的上升沿；前级场效应管Q1关断时，后级场效应管Q2导通，正负放电电极P+和P-之间的电能被直接释放到负极P-，开路时引发脉宽的下降沿。严格控制两级场效应管Q1和Q2的时序就可以输出纳秒级的窄脉冲。

图2是图1所示连接电路中的正负放电电极P+和P-两端间输出的一幅电压脉冲波形图。从图中可以看出，本发明的脉冲电源输出的最小脉宽小于60纳秒。

Claims

1.一种两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，包括直流可调恒压源E1，电阻阵列选择开关SR1～SRn，电容阵列选择开关SC1～SCn，高功率并联电阻阵列R1～Rn，并联加工电容阵列C1～Cn，测量电阻R22，测量电容C22，前级场效应管Q1，后级场效应管Q2，二极管D1，放电电极正极P+，放电电极负极P-，驱动电路I，驱动电路II，可编程逻辑器件，下位单片机，上位计算机，AD电路；直流可调恒压源E1经过电阻阵列选择开关SR1～SRn与高功率并联电阻阵列R1～Rn一一对应电连接，再依次经过前级场效应管Q1，二极管D1，放电电极正极P+，放电电极负极P-，形成脉冲上升沿限制电路；二极管D1第一路接后级场效应管Q2，形成脉冲下降沿限制电路；前级场效应管Q1接电容阵列选择开关SC1～SCn与并联加工电容阵列C1～Cn，形成放电能量辅助电路；二极管D1第二路接测量电阻R22，测量电容C22及AD电路，形成放电状态检测电路；上位计算机依次与下位单片机、可编程逻辑器件、驱动电路I及前级场效应管Q1电连接，形成脉冲上升沿控制电路；上位计算机依次与下位单片机、可编程逻辑器件、驱动电路II及后级场效应管Q2电连接，形成脉冲下降沿控制电路；下位单片机再分别与电阻阵列选择开关SR1～SRn和电容阵列选择开关SC1～SCn电连接，分别形成电阻阻值选择电路和电容容值选择电路；其特征在于：前级场效应管Q1和后级场效应管Q2串联，且后级场效应管Q2与放电电极正极P+和放电电极负极P-并联，构成对脉宽的两级限制，当脉冲电源处于工作状态时，前级场效应管Q1和后级场效应管Q2被反相驱动，前级场效应管Q1导通时，后级场效应管Q2关断，直流可调恒压源E1输出的电能经过高功率并联电阻阵列R1～Rn被直接送到放电电极正极P+和放电电极负极P-之间，开路时引发脉冲的上升沿，前级场效应管Q1关断时，后级场效应管Q2导通，放电电极正极P+和放电电极负极P-之间的电能被直接释放到放电电极负极P-，开路时引发脉冲的下降沿。

2.根据权利要求1所述的两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，其特征在于：所述下位单片机采用单片机或DSP，可编程逻辑器件采用CPLD或FPGA芯片。

3.根据权利要求1或2所述的两级限脉宽的精密放电加工脉冲电源，其特征在于：所述下位单片机为C8051F单片机，可编程逻辑器件采用MAX7000A芯片。