CN103639548B - 振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源及其工作方法，该电源包括相互连接的单片机控制系统、功率放大电路及电流检测电路，其中单片机控制系统输入端连接振动装置的位置信号输出端，对阴极振动位置信号进行处理，并输出相应的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM经功率放大后驱动绝缘栅双极型晶体管的导通与断开，该电源具有检测振动进给位置、检测电解加工电流和控制高频分组脉冲电源电压信号的功能，单片机控制系统根据振动进给系统中振动位置信号和霍尔电流传感器检测的电解加工电流信号控制高频分组脉冲电源的提前导通时间，实现振动进给、高频分组脉冲电流电解加工的组合匹配。

Description

振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源及其工作方法，该电源装置及其工作方法具有检测振动进给位置、检测电解加工电流和控制高频分组脉冲电源电压信号的功能，适用于振动进给、高频分组脉冲电流电解加工。
背景技术
电解加工是利用电化学阳极溶解的原理实现金属材料成型的加工。在机械工业、航空工业、汽车工业、发电设备业中，从一般零件如齿轮、模具到叶片、叶轮、异型孔、枪炮管膛线等难加工零件的加工中均获得了广泛的应用。
电解加工过程中，间隙中电场形成的杂散电流会对工件造成杂散腐蚀，降低加工精度；微小加工间隙内流场条件恶劣，电解产物难以排出，电解液更新困难，则影响加工效率和稳定性。振动进给脉冲电流电解加工能综合改善流场，提高加工精度并使加工过程稳定进行。其基本工作原理为：阴极在进给的同时往复振动，当阴极靠近工件时通电，实现小间隙加工；随后阴极断电离开工件，拉大间隙进行冲刷，使电解产物和电解热充分排除，使小间隙加工能稳定地进行。
振动进给脉冲电流电解加工在改善流场、提高电解加工精度的同时也对脉冲电源提出了新的要求，如何实现脉冲电源的开通与断开与振动运动周期相匹配成为一个亟待解决的难题，另外，放大电路存在导通延迟、上升时间，且上述时间会随加工电流的变化而变化，而电解加工中若阴极的进给与阴阳极间的电流导通不同步会降低单个振动周期的加工时间，从而降低电解加工的效率。目前已有的方法是人工控制电源的参数以适应振动进给脉冲电流电解加工，但该方法需根据振动周期、振幅等进行多次调试才能到最佳效果。
发明内容
本发明提供一种振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源及其工作方法，其根据阴极振动位置和电解加工电流自动调节分组脉冲电压信号的导通时间，实现振动进给、高频分组脉冲电流电解加工的组合匹配。
本发明采用如下技术方案：振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源，用于实现电解加工振动进给系统的振动过程与电解加工电源的匹配，振动进给系统包括进给机构、振动装置、阴极及工件阳极，该电源包括相互连接的单片机控制系统、功率放大电路及电流检测电路；其中功率放大电路包括依次连接的PWM输入、驱动电路及绝缘栅双极型晶体管IGBT；单片机控制系统输入端连接振动装置的位置信号输出端以使得单片机控制系统对阴极振动位置信号进行处理并输出相应的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM连接PWM输入后经驱动电路放大以驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通与断开；电流检测电路的输入端连接在功率放大电路输出端和振动进给系统工件阳极之间的连线上，输出端连接单片机控制系统。
所述单片机控制系统包括单片机及其模数转换模块A/D；电流检测电路包括依次连接的霍尔电流传感器和电流信号处理电路；其中，电流检测电路中的霍尔电流传感器连接在绝缘栅双极型晶体管发射极E和振动进给系统工件阳极之间的连线上，电流检测电路的电流信号处理电路的输出端连接单片机控制系统的模数转换模块A/D输入端。
所述振动装置上安装有带距离编码增量的脉冲光栅尺，在该脉冲光栅尺上设置位置参考点，以通过该位置参考点检测振动装置运动位置进而使得单片机控制系统根据接收到的脉冲光栅尺发出的脉冲信号计算出相邻两个脉冲的间隔时间。
本发明采用如下技术方案：振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源的工作方法，其包括以下步骤：
1)根据振动运动的振幅分别在脉冲光栅尺上设置与振动最高位置、平衡位置及最低位置相对应的三个位置参考点；
2)当振动装置运动到上述位置参考点时，脉冲光栅尺输出脉冲信号，单片机控制系统根据接收到的脉冲信号计算单个脉冲停留时间及相邻两脉冲信号间的间隔时间，从而得到振动装置自上向下运动经历时间t1和振动装置在最低位置处停留时间t2；
3)电流检测电路中的霍尔电流传感器测量的电解加工电流，经电流信号处理电路后输入至单片机控制系统，单片机控制系统根据上个振动周期电解加工电流计算出每个振动周期内高频分组脉冲电源提前导通时间t3；
4)单片机控制系统根据t1、t2和t3输出组宽t4＝t2+t3的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM经驱动电路放大后驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT工作。
步骤3)中高频分组脉冲电源的提前导通时间t3满足式t3＝t0+δ·ΔΙ且t3＜t1，其中t0为输入标准电流时通电延迟时间，δ为由于加工电流变化引起通电延迟变化系数，ΔI为加工电流变化量。
本发明具有如下有益效果：
(1)、本发明电源的单片机控制系统根据振动进给系统中光栅传感器提供的振动位置信号和霍尔传感器检测的电解加工电流控制高频分组脉冲电解加工电压信号的导通时间，使得振动进给高频分组脉冲电流电解加工能够顺利的进行；
(2)、本发明电源能根据振动周期、振幅及脉冲电源参数的变化调整每个振动周期内电压的提前导通时间，具有适应性强、自动化程度高等优点；
(3)、本发明将振动进给和脉冲电流电解加工这两种加工方式进行了很好的匹配，有利于电解加工工艺的进一步改善和提高。
附图说明
图1是本发明振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源的原理示意图。
图2是机械振动轨迹和单片机控制系统OUT输出端电平信号(PWM)的时序图。
具体实施方式
请参照图1和图2所示，本发明振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源，用于实现电解加工阴极振动过程与电解加工电源的匹配，其中振动进给系统Ⅰ包括进给机构、振动装置、阴极和工件阳极，该电源包括相互连接的单片机控制系统II、功率放大电路III及电流检测电路IV，其中单片机控制系统Ⅱ包括LPC1752单片机，输入端IN，输出端OUT，模数转换模块A/D，功率放大电路Ⅲ包括PWM、驱动电路M57962L，二极管D1，电阻R1，正电源VCC，负电源VEE，绝缘栅双极型晶体管IGBT，其中功率放大电路III中的PWM、驱动电路及绝缘栅双极型晶体管依次连接。电流检测电路Ⅳ包括依次连接的霍尔电流传感器和电流信号处理电路。其中单片机控制系统II输入端IN连接振动进给系统Ⅰ(可参考专利《一种电解加工振动进给运动实现装置》，公开号：CN103028795A)中光栅尺脉冲信号输出端，单片机控制系统II对阴极振动位置信号进行处理，并输出相应的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM经驱动电路M57962L放大后驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通与断开；电流检测电路IV的输入端连接在功率放大电路III输出端和振动进给系统工件阳极之间的连线上，输出端连接单片机控制系统II。
本发明振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源中电流检测电路IV中的霍尔电流传感器连接在绝缘栅双极型晶体管发射极E和振动进给系统工件阳极之间的连线上，电流检测电路IV的电流信号处理电路的输出端连接单片机控制系统II的模数转换模块A/D输入端。
本发明振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源中振动装置上安装有带距离编码增量的脉冲光栅尺，在该光栅尺上设置位置参考点，这里选择振动最高点、平衡位置和振动最低点，当振动装置运动到参考点位置时，光栅尺发出脉冲信号，单片机控制系统II根据接收到的脉冲信号计算出相邻两个脉冲的间隔时间。
本发明电源系统中单片机控制系统Ⅱ在阴极向下振动接近工件阳极时，单片机LPC1752在输出端OUT输出高频分组脉冲电压信号，高频分组脉冲电压信号经功率放大电路Ⅲ的驱动电路M57962L放大后，驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT快速开通和关断电解加工电源，从而实现振动进给、高频分组脉冲电流电解加工。其中振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源具体的工作方法，其包括如下步骤：
1)根据振动运动的振幅分别在光栅尺上设置与振动最高位置、平衡位置及最低位置相对应的三个位置参考点；
2)当振动装置运动到上述位置参考点时，光栅尺输出脉冲信号，单片机系统II根据接收到的脉冲信号计算单个脉冲停留时间及相邻两脉冲信号间的间隔时间，从而得到振动装置自上向下运动经历时间t1和振动装置在最低位置处停留时间t2；
3)电流检测电路IV中的霍尔电流传感器测量的电解加工电流，经电流信号处理电路后输入至单片机控制系统II，单片机控制系统II根据上个振动周期电解加工电流计算出每个振动周期内高频分组脉冲电源提前导通时间t3；
4)单片机控制系统II根据t1、t2和t3输出组宽t4＝t2+t3的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM经功率驱动电路M57962L放大后驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT工作。
步骤3)中高频分组脉冲电源的提前导通时间t3满足式t3＝t0+δΔΙ且t3＜t1，其中t0为输入标准电流时通电延迟时间，δ为由于加工电流变化引起通电延迟变化系数，ΔI为加工电流变化量,上述前两个参数对于特定的加工系统为常量，可通过下述方法测量得到。在阴极与工件阳极间加恒定电压U0，用示波器测阴极与工件阳极间电流的波形，可以得到电流趋于某一特定值I0时所用时间t0，将电压为U1,用同样的方法测得电流趋于某一特定值I1时所用时间t1，则δ＝(I1-I0)/t1-t0。此外，当电压为U时，则对应电流为I，对应地，ΔI＝I-I0。
在本发明振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源中，当电解加工出现短路时，功率放大电路Ⅲ中绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极C的电压下降，下降电压经二极管D1反馈至驱动电路M57962L的第1脚，由M57962L切断M57962L第5脚输出，从而关断绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通，保护绝缘栅双极型晶体管IGBT不被损坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源，用于实现电解加工振动进给系统的振动过程与电解加工电源的匹配，振动进给系统(I)包括进给机构、振动装置、阴极及工件阳极，其特征在于：该电源包括相互连接的单片机控制系统(II)、功率放大电路(III)及电流检测电路(IV)；其中功率放大电路(III)包括依次连接的PWM输入、驱动电路及绝缘栅双极型晶体管IGBT；单片机控制系统(II)输入端连接振动装置的位置信号输出端，以使得单片机控制系统(II)对阴极振动位置信号进行处理并输出相应的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM连接至PWM输入后经驱动电路放大以驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通与断开；电流检测电路(IV)的输入端连接在功率放大电路(III)输出端和振动进给系统工件阳极之间的连线上，输出端连接单片机控制系统(II)。
2.如权利要求1所述的振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源，其特征在于：所述单片机控制系统(II)包括单片机及其模数转换模块A/D；电流检测电路(IV)包括依次连接的霍尔电流传感器和电流信号处理电路；其中，电流检测电路(IV)中的霍尔电流传感器连接在绝缘栅双极型晶体管发射极E和振动进给系统工件阳极之间的连线上，电流检测电路(IV)的电流信号处理电路的输出端连接单片机控制系统(II)的模数转换模块A/D输入端。
3.如权利要求1所述的振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源，其特征在于：所述振动装置上安装有带距离编码增量的脉冲光栅尺，在该脉冲光栅尺上设置位置参考点，以通过该位置参考点检测振动装置运动位置进而使得单片机控制系统(II)根据接收到的脉冲光栅尺发出的脉冲信号计算出相邻两个脉冲的间隔时间。
4.一种如权利要求1所述振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源的工作方法，其特征在于：包括以下步骤
1)根据振动运动的振幅分别在脉冲光栅尺上设置与振动最高位置、平衡位置及最低位置相对应的三个位置参考点；
2)当振动装置运动到上述位置参考点时，脉冲光栅尺输出脉冲信号，单片机控制系统(II)根据接收到的脉冲信号计算单个脉冲停留时间及相邻两脉冲信号间的间隔时间，从而得到振动装置自上向下运动经历时间t1和振动装置在最低位置处停留时间t2；
3)电流检测电路(IV)中的霍尔电流传感器测量的电解加工电流，经电流信号处理电路后输入至单片机控制系统(II)，单片机控制系统(II)根据上个振动周期电解加工电流计算出每个振动周期内高频分组脉冲电源提前导通时间t3；
4)单片机控制系统(II)根据t1、t2和t3输出组宽t4＝t2+t3的调宽高频分组脉冲信号PWM，调宽高频分组脉冲信号PWM经驱动电路放大后驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT工作。
5.如权利要求4所述的振动进给、高频分组脉冲电流电解加工电源的工作方法，其特征在于：步骤3)中高频分组脉冲电源的提前导通时间t3满足式t3＝t0+δΔΙ,且t3＜t1，其中t0为输入标准电流时通电延迟时间，δ为由于加工电流变化引起通电延迟变化系数，ΔI为加工电流变化量。
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