CN103394778B - 一种超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源 - Google Patents

Abstract

为了提高微细电火花加工精度，达到最佳的加工效果，本发明提出了一种超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源，其主体部分包括脉冲电源和超声振动系统。超声振动系统带动工具电极或工件进行超声振动。工具电极或工件超声振动的频率和脉冲电源斩波的频率是一样的，由主控制单元输出一组相同的信号控制，为超声振动与脉冲放电有机结合进行放电加工提供了前提基础。本发明利用超声振动调制产生双向窄脉宽脉冲，获得能够进行放电的单个微能脉冲，并拉伸放电通道，有效排屑，以及进行快速消电离处理，改善间隙放电条件，提高加工速度和加工精度，具有重要的工程应用价值。

Description

一种超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种脉冲电源，尤其涉及一种微能脉冲电源。

背景技术

随着科技不断发展，对工件的加工精度要求越来越高，因此超精密加工越来越重要。为了实现微细电火花超精密加工，除了精密运动平台、数控系统、电极在线制作及补偿等关键技术外，微能脉冲电源则是微细电火花加工的核心。

在微能脉冲电源方面，目前主要有两种：一种是RC脉冲电源,其结构简单，瞬时释放能量大，能达到很高的放电频率，但是存在放电能量不可控，电能利用率较低，并且极间杂散电容的存在导致最小放电能量受到限制等难以克服的缺点；另一种是独立式晶体管脉冲电源，它具有脉冲参数易调节、脉冲波形较好、易实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点。虽然晶体管脉冲电源的脉冲频率较高，但要想将脉宽降到20ns以下仍很困难。这主要是受开关元器件自身属性的限制。

在这两种脉冲电源基础上，国内外学者研发了很多种微能脉冲电源，如晶体管可控RC脉冲电源、并联谐振脉冲电源、电容耦合式脉冲电源等等，目的是使得单个脉冲放电能量更小。很小的单个脉冲放电能量或许能够获得，但是要使得这个很小放电能量的脉冲可控并适合放电加工则是另外一回事。

众所周知，电火花加工时会产生大量废屑，如果废屑不及时排出，极易造成频繁的短路或拉弧放电，严重影响加工质量，降低加工精度。单个脉冲放电能量越小，放电间隙就越小，放电废屑就越难排出。目前为了改善微细电火花加工效果的方法有人工吹气、强迫冲液或抽液、加速工作液循环等。另外还有超声振动辅助排屑，由于超声振动具有空化和泵吸的作用，加速了工作液的循环，有效排屑，改善间隙放电条件，从而在一定程度上提高了加工过程的稳定性和脉冲电源的利用率，增加了被加工材料的去除率。因此超声辅助电火花加工备受青睐。

但是在超声辅助电火花加工中，超声振动与脉冲电源之间没有任何关联，超声振动独立控制，不管脉冲放电状态怎样，有没有进行放电，一直按某个固有频率、固有振幅进行振动，这种方式也会影响放电加工，如放电利用率低、放电检测困难、甚至强迫产生短路或拉弧等不良现象。

因此，需要把超声振动与脉冲放电有机的结合起来，在超声振动辅助排屑的基础上，利用超声振动的振幅调制脉冲电源，并利用极间放电状态联合控制脉冲放电，得到纳秒级窄脉宽脉冲。而且除了超声振动调制脉冲电源可以得到窄脉宽脉冲之外，还可以通过控制，在可以进行放电加工的微能量脉冲基础上，利用超声振动拉伸放电通道，减弱单个放电通道所释放的能量，从而进一步减弱单个脉冲放电的影响，减小放电凹坑，进行纳秒级加工，减小白层厚度，提高加工精度。另外对放电通道进行拉伸，还可以主动把熔化、汽化的金属材料拽出，提高被加工材料的去除率，并减小工作液分解。目前现有技术中暂时未见这方面的研究。

放电通道实际上是高温、高压的电离气体，带电粒子在放电通道内高速运动，电能变为动能，动能通过碰撞又转变为热能。通道和正负极表面放电点的高温使工作液汽化并使金属材料熔化、汽化，并且因热膨胀产生很高的瞬时压力。在放电通道的高温作用下，周围的液体介质急速气化并发生热分解，在通道周围迅速形成气泡。气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸汽被排挤、抛出到工作液中。

另外，目前的微能脉冲电源基本上都是单向脉冲电源，脉宽期间高电平（高电压）进行放电，脉间期间低电平（0电压）进行消电离。而据发明人的试验和研究得出，在脉宽结束后脉间期间加上合适的负向脉冲更有利于消电离。

综合上述分析，本发明的目的是为了提高微细电火花加工精度，达到最佳的加工效果，利用超声振动调制产生双向窄脉宽脉冲来进行纳秒级微能放电，并且通过控制，对放电通道进行拉伸，减弱单个放电通道所释放的能量，并能快速消电离。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出一种解决方案，提出了一种超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明通过如下技术方案实现：

一种超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源，其特征在于，所述微能脉冲电源包括：主控制单元，隔离驱动单元，超声振动单元和脉冲电源单元；其中，

所述脉冲电源单元包括开关管V1、V2、V3、V4、V5、V6，电阻R1、R2，二极管D1、D2以及电极；V1和V3的一端相连接到直流DC1上，另一端分别连接V2和V4的一端，V2和V4的另一端相连后接地；V1、V2、V3、V4组成全桥电路；在V1和V2的连接线以及V3和V4的连接线上桥接所述电极；电极两端并联D1、R1、V5顺次连接的支路，电极两端还并联反向的D2、R2、V6顺次连接的支路；

V6的开通与关断受三个信号通过与非门后的控制：脉宽控制信号、超声调制信号和极间状态信号；脉宽控制信号由主控制单元直接发出；超声调制信号通过并联在电极两端的超声检测电路得到；极间状态信号由极间状态检测电路产生；

V5的开通与关断受控制信号1和由控制信号2通过与门后的控制；控制信号1为开关管V2，V3的驱动信号，控制信号2为主控制发出的控制信号。

进一步地，所述超声振动单元包括开关管V7、V8、V9、V10，电感L、变压器、以及换能器；V7和V9的一端相连接到直流DC2上，另一端分别连接V8和V10的一端，V8和V10的另一端相连后接地；V7、V8、V9、V10组成全桥电路；在V7和V8的连接线以及V9和V10的连接线上桥接所述变压器的原边线圈；变压器副边线圈的一端连接电感L，另一端接地；在电感L的另一端和地之间接所述换能器和一采样电阻，电阻的一端接地，另一端接所述换能器并引出电流信号；在电感L的另一端和地之间还并联两采样电阻，由所述两采样电阻之间引出电压信号。

进一步地，所述超声调制信号通过并联在电极两端的超声检测电路得到，具体为：由超声振动单元输出的电流信号或电压信号经过放大、带通滤波，再经过一个窗口比较器和一个RS锁存器得到。

进一步地，所述超声检测电路还实现超声振动检测功能，具体为：所述超声振动单元输入的电压信号和电流信号，经过放大、带通滤波、过零比较，将电压、电流信号整形成两路方波信号，将这两路信号送入到异或门和D触发器；其中异或门输出脉冲信号的脉宽表示的是两路输入信号的相位差，D触发器的输出脉冲表示的电压电流信号的超前或滞后关系，D触发器的输入信号是电压信号，时钟信号是电流信号，D触发器输出高电平表示电压超前，低电平表示电流超前；将相位差大小信号和超前滞后信号输入到主控制单元，进行超声振动控制，实现超声振动频率自动跟踪。

进一步地，所述极间状态信号由极间状态检测电路产生，具体为：所述极间状态检测电路采用电压检测方式，由采样电阻分压电路、一个窗口比较器电路和数据选择器构成。

进一步地，所述V6的开通与关断受三个信号通过与非门后的控制，具体为：当超声振动正向振幅最大或接近最大时，放电间隙最小，这时产生超声调制信号，为高电平，并且当脉宽控制信号和极间状态信号这两个信号也为高电平时，超声调制信号、脉宽控制信号和极间状态信号经过与非门之后，变为低电平，关断V6，开始电火花加工，形成放电通道；接着超声振动向负向振动，放电间隙逐渐变大，当这三个信号中任何一个变为低电平时，经过与非门之后，变为高电平，开通V6，电火花加工结束，开始消电离，完成一次脉冲放电。

进一步地，在所述V5关断时给予极间负向脉冲以实现快速消电离。

进一步地，所述负向脉冲的宽度由控制信号1和控制信号2控制。

进一步地，所述消电离，具体为：在超声振动的负半周期刚开始，控制信号1为高电平，控制信号2为低电平，相与后还是低电平，V5关断，在极间加上了负脉冲，加速消电离。由于要求的快速消电离脉冲很窄,控制信号2很快跳变为高电平，与控制信号1相与，输出高电平，V5开通，快速消电离结束。

本发明的有益效果是：本发明利用超声振动调制产生双向窄脉宽脉冲，获得能够进行放电的单个微能脉冲，并拉伸放电通道，有效排屑，以及进行快速消电离处理，改善间隙放电条件，提高加工速度和加工精度。本发明的解决了排屑、窄脉冲实现、微能量脉冲放电实现、消电离不充分的难题，实现微细精密加工需求，并具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1是发明的超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源主体结构图；

图2是本发明的脉冲电源中的超声检测电路图；

图3是本发明的超声调制信号波形示意图；

图4是本发明的脉冲电源中的极间状态检测电路图；

图5是本发明的超声调制快速消电离脉冲波形示意图；

图6是本发明的超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源整体调制波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源主体结构图如附图1所示。本发明的脉冲电源主体部分包括脉冲电源和超声振动系统。超声振动系统带动工具电极或工件进行超声振动。工具电极或工件超声振动的频率和脉冲电源斩波的频率是一样的，由主控制单元输出一组相同的信号控制，为超声振动与脉冲放电有机结合进行放电加工提供了前提基础。

本发明的脉冲电源工作原理：

（1）在超声振动正半周期，开关管V7，V10导通，V8，V9关断,同时脉冲电源，V1，V4，V6导通，V2，V3，V5关断(由于二极管D1的影响,在本阶段V5开通与否不影响脉冲电源工作)，直流电源DC1的能量直接消耗在电阻R2上，极间未导通。这时，只有当V6关断，才能进行极间放电。V6的开通与关断受三个信号控制：脉宽控制信号、超声调制信号和极间状态信号。

脉宽控制信号控制加工脉冲电压的宽度，由主控制单元直接发出。

超声调制信号通过超声检测电路得到，超声检测电路图如附图2所示，超声检测电路有两个功能：超声振动检测和产生超声调制信号。

其中，超声振动检测的原理：利用采样电阻采样换能器的电压、电流信号，经过放大，带通滤波，过零比较，将电压、电流信号整形成两路方波信号，将这两路信号送入到异或门和D触发器。其中异或门输出脉冲信号的脉宽表示的是两路输入信号的相位差。D触发器的输出脉冲表示的电压电流信号的超前或滞后关系，D触发器的输入信号是电压信号，时钟信号是电流信号，所以输出高电平表示电压超前，低电平表示电流超前。将相位差大小信号和超前滞后信号输入到主控制单元，进行超声振动控制，完成超声频率自动跟踪的。

超声调制信号由超声振动电流信号（电流和电压信号同步，因此也可以用电压信号）经过放大，带通滤波，再经过一个窗口比较器和一个RS锁存器得到。窗口比较器的两个阀值电压为VREF1（接近或等于峰值电压）和VREF2,VREF1>VREF2>0。由于正弦波的对称性，在一个周期内，检测电压会有两次等于阀值电压VREF1（VREF1等于峰值电压时只有一次）和两次等于VREF2的情况。产生的超声调制信号如附图3所示。

超声调制信号的产生过程：（1）超声振动电流信号上升过程，0<V≤VREF2，对于RS锁存器（或非门组成的RS锁存器），S=0，R=1，Q=0（Q表示的是超声调制信号）；VREF2<V<VREF1,S=0，R=0，Q=0（Q保持不变）；VREF1≤V，S=1，R=0，Q=1；(2)超声振动电流信号下降过程，VREF2≤V<VREF1，S=0，R=0，Q=1（Q保持不变）；0<V<VREF2，S=0，R=1，Q=0。

极间状态信号由极间状态检测电路产生。极间状态检测电路如附图4所示，采用电压检测方式，由采样电阻分压电路、一个窗口比较器电路和数据选择器构成。放电时，如果极间检测信号检测到的电压大于提前设置的阀值VL，并小于VH，即表示此时极间的状态是属于可正常放电的状态，通过与门输出高电平给到数据选择器B口，表示既不短路也不空载；否则，通过与门输出低电平给到数据选择器B口。

非脉冲放电期间，即脉宽控制信号到来之前，通过数据选择器，一直选择A路高电平，此时，极间状态信号一直为高电平。只有当脉宽控制信号到来时（或加时间延时器，使得脉宽控制信号延时到来），选择B信号。目的是先放电，后检测。如果B信号为高电平，表明极间为正常放电，极间状态信号输出高电平；否则，极间为开路或短路状态，极间状态信号输出低电平，表示需要切断脉冲。

这样，当超声振动正向振幅最大时（或接近最大），放电间隙最小，这时产生超声调制信号，为高电平。并且当脉宽控制信号和极间状态信号这两个信号也为高电平时，这三个信号（超声调制信号、脉宽控制信号和极间状态信号）经过与非门之后，变为低电平，关断V6，开始电火花加工，形成放电通道；接着超声振动向负向振动，放电间隙逐渐变大，放电通道被拉长，达到拉伸放电通道的目的。当这三个信号中任何一个变为低电平时（脉宽控制信号主动控制或极间状态信号和超声调制信号自动控制），经过与非门之后，变为高电平，开通V6，电火花加工结束，开始消电离，完成一次脉冲放电。

利用拉伸放电通道这一有益效果，减弱单个放电通道所释放的能量，从而进一步减弱单个脉冲放电的影响，减小放电凹坑，进行纳秒级加工，减小白层厚度，提高加工精度。并主动把熔化、汽化的金属材料拽出，提高被加工材料的去除率，并减小工作液分解。

（2）在超声振动的负半周期，V7，V10关断，V8，V9导通。同时脉冲电源，V1，V4关断，V2，V3导通，V6保持原状态(由于二极管D2的影响,在本阶段V6开通与否不影响脉冲电源工作)，V5导通，直流电源DC1的能量直接消耗在电阻R1上，极间未导通。这时，只有当V5关断，才能给极间负向脉冲，负向脉冲不参与放电，只进行快速消电离，因为超声振动负半周期内，工具电极或工件远离平衡位置，放电间隙变大，大于能够进行放电的间隙要求。V5的开通与关断受两个信号控制：由控制信号1和由控制信号2。

负向脉冲也叫快速消电离脉冲或加速消电离脉冲,它的宽度由控制信号1和控制信号2控制。控制信号1为开关管V2，V3的驱动信号，控制信号2为主控制发出的控制信号，控制快速消电离脉冲宽度。快速消电离脉冲调制过程如附图5所示，在超声振动的负半周期刚开始(超声振动的正半周期，由于二极管D1的影响,此阶段V5开通与否不影响脉冲电源工作)，控制信号1为高电平，控制信号2为低电平，相与后还是低电平，V5关断，在极间加上了负脉冲，加速消电离。由于要求的快速消电离脉冲很窄,控制信号2很快跳变为高电平，与控制信号1相与，输出高电平，V5开通，快速消电离结束。

超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源整体调制波形如附图6所示。正向窄脉宽由超声振动调制信号及脉宽控制信号共同产生，并受极间状态信号控制。由于放电脉冲发生在超声振动从最高点向负向振动期间，放电间隙逐渐变大，放电通道被拉伸。负向脉冲同样由超声振动调制及快速消电离脉冲宽度控制信号共同产生，起到快速消电离作用。

本发明的有益效果是：本发明利用超声振动调制产生双向窄脉宽脉冲，获得能够进行放电的单个微能脉冲，并拉伸放电通道，有效排屑，以及进行快速消电离处理，改善间隙放电条件，提高加工速度和加工精度。具有重要的工程应用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声振动调制双向窄脉宽微能脉冲电源，其特征在于，所述微能脉冲电源包括：主控制单元，隔离驱动单元，超声振动单元和脉冲电源单元；其中，

所述脉冲电源单元包括开关管V1、V2、V3、V4、V5、V6，电阻R1、R2，二极管D1、D2以及电极；V1和V3的一端相连接到直流DC1上，另一端分别连接V2和V4的一端，V2和V4的另一端相连后接地；V1、V2、V3、V4组成全桥电路；在V1和V2的连接线以及V3和V4的连接线上桥接所述电极；电极两端并联D1、R1、V5顺次连接的支路，电极两端还并联反向的D2、R2、V6顺次连接的支路；

V6的开通与关断受三个信号通过与非门后的控制：脉宽控制信号、超声调制信号和极间状态信号；脉宽控制信号由主控制单元直接发出；超声调制信号通过并联在电极两端的超声检测电路得到；极间状态信号由极间状态检测电路产生；

V5的开通与关断受控制信号1和由控制信号2通过与门后的控制；控制信号1为开关管V2，V3的驱动信号，控制信号2为主控制发出的控制信号。

2.根据权利要求1所述的微能脉冲电源，其特征在于，所述超声振动单元包括开关管V7、V8、V9、V10，电感L、变压器、以及换能器；V7和V9的一端相连接到直流DC2上，另一端分别连接V8和V10的一端，V8和V10的另一端相连后接地；V7、V8、V9、V10组成全桥电路；在V7和V8的连接线以及V9和V10的连接线上桥接所述变压器的原边线圈；变压器副边线圈的一端连接电感L，另一端接地；在电感L的另一端和地之间接所述换能器和一采样电阻，电阻的一端接地，另一端接所述换能器并引出电流信号；在电感L的另一端和地之间还并联两采样电阻，由所述两采样电阻之间引出电压信号。

3.根据权利要求2所述的微能脉冲电源，所述超声调制信号通过并联在换能器两端的超声检测电路得到，具体为：由超声振动单元输出的电流信号经过放大、带通滤波，再经过一个窗口比较器和一个RS锁存器得到。

4.根据权利要求2所述的微能脉冲电源，所述超声调制信号通过并联在电极两端的超声检测电路得到，具体为：由超声振动单元输出的电压信号经过放大、带通滤波，再经过一个窗口比较器和一个RS锁存器得到。

5.根据权利要求3或4所述的微能脉冲电源，所述超声检测电路还实现超声振动检测功能，具体为：所述超声振动单元输入的电压信号和电流信号，经过放大、带通滤波、过零比较，将电压、电流信号整形成两路方波信号，将这两路信号送入到异或门和D触发器；其中异或门输出脉冲信号的脉宽表示的是两路输入信号的相位差，D触发器的输出脉冲表示的电压电流信号的超前或滞后关系，D触发器的输入信号是电压信号，时钟信号是电流信号，D触发器输出高电平表示电压超前，低电平表示电流超前；将相位差大小信号和超前滞后信号输入到主控制单元，进行超声振动控制，实现超声振动频率自动跟踪。

6.根据权利要求2所述的微能脉冲电源，其特征在于，所述极间状态信号由极间状态检测电路产生，具体为：所述极间状态检测电路采用电压检测方式，由采样电阻分压电路、一个窗口比较器电路和数据选择器构成。

7.根据权利要求1所述的微能脉冲电源，其特征在于，所述V6的开通与关断受三个信号通过与非门后的控制，具体为：当超声振动正向振幅最大或接近最大时，放电间隙最小，这时产生超声调制信号，为高电平，并且当脉宽控制信号和极间状态信号这两个信号也为高电平时，超声调制信号、脉宽控制信号和极间状态信号经过与非门之后，变为低电平，关断V6，开始电火花加工，形成放电通道；接着超声振动向负向振动，放电间隙逐渐变大，当这三个信号中任何一个变为低电平时，经过与非门之后，变为高电平，开通V6，电火花加工结束，开始消电离，完成一次脉冲放电。

8.根据权利要求1所述的微能脉冲电源，其特征在于，在所述V5关断时给予极间负向脉冲以实现快速消电离。

9.根据权利要求8所述的微能脉冲电源，其特征在于，所述负向脉冲的宽度由控制信号1和控制信号2控制。

10.根据权利要求8所述的微能脉冲电源，其特征在于，所述消电离，具体为：在超声振动的负半周期刚开始，控制信号1为高电平，控制信号2为低电平，相与后还是低电平，V5关断，在极间加上了负脉冲，加速消电离；由于要求的快速消电离脉冲很窄，控制信号2很快跳变为高电平，与控制信号1相与，输出高电平，V5开通，快速消电离结束。