CN107775127A - 电火花加工电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电火花加工电源及其控制方法。一种电火花加工电源可包括：微控制器，其基于电加工命令生成触发脉冲信号及电流设置信号；驱动电路，其基于电流设置信号生成第一脉冲信号并基于触发脉冲信号生成第二脉冲信号和第三脉冲信号；第一电源电路，第一电源电路在第一脉冲信号的控制下生成第一电压信号；第二电源电路，第二电源电路在第三脉冲信号的控制下生成第二电压信号；以及电极，电极耦合至第一电源电路和第二电源电路以接收第一电压信号和/或第二电压信号，其中第一电源电路包括与电极并联的第一旁路，第一旁路在第二脉冲信号的控制下选择性地导通或关断以控制第一电压信号被提供给第一旁路或电极。
Description
技术领域
本发明涉及电火花加工领域，尤其涉及电火花加工电源及其控制方法。
背景技术
电火花加工是利用火花放电腐蚀金属以实现金属切削的加工方法。这种加工的工艺方法弥补了机械加工的某些不足，已成为模具工业、国防工业和精微制造中的重要手段。电火花电源作为电火花加工系统中的重要组成部件，用于提供脉冲电流来形成火花放电，其性能对电火花加工的加工精度、生产效率、工具电极损耗、电能利用率等技术经济指标有较大的影响。
传统的电源采用电阻限流，电能的利用率低(例如，约26％)，机床加工效率慢，故障维修率越来越高，因此期望设计一种节能、高效率的电火花加工电源。
另外，因为电极加工表面的电流密度为定值，大约为8-10A/cm3，普通电源加工电流仅为60A。电源提供的电流小，会导致每个电极的放电加工区域小，对于大表面积的工件的电加工，如模具内表面，需要使用多个不同形状的电极多次加工，加工效率低。现有电源无法实现适用于大表面积电极的加工。
此外，对于电源控制的功放器件，大多数采用电压驱动型器件。这种功放器件开关频率较低，截止时存在电流拖尾现象。如果将电压驱动型器件串联在放电回路中，因为电流拖尾现象的存在，将使有效脉间减小，因此限制了电源开关频率的提升，从而限制了在电加工精加工领域中的应用。
对于传统的电火花加工电源，由于电路中寄生参数的存在和影响，脉间期间的间隙电压不为零，会对间隙消电离产生不良影响，也会影响放电频率的进一步提升。
因此期望设计一种改进的电火花加工电源。
发明内容
本发明提供了高效的电火花加工电源及其控制方法。
在根据本发明的一个实施例中，一种电火花加工电源包括微控制器，其基于电加工命令生成触发脉冲信号及电流设置信号；驱动电路，其基于所述电流设置信号生成第一脉冲信号并基于所述触发脉冲信号生成第二脉冲信号和第三脉冲信号；第一电源电路，所述第一电源电路在所述第一脉冲信号的控制下生成第一电压信号；第二电源电路，所述第二电源电路在所述第三脉冲信号的控制下生成第二电压信号；以及电极，所述电极耦合至所述第一电源电路和所述第二电源电路以接收所述第一电压信号和/或所述第二电压信号，其中所述第一电源电路包括与所述电极并联的第一旁路，所述第一旁路在所述第二脉冲信号的控制下选择性地导通或关断以控制所述第一电压信号被提供给所述第一旁路或所述电极。
在一个方面，所述第一电源电路包括第一电压源、耦合至所述第一电压源的第一功放器件、以及耦合至所述第一功放器件的电感，其中所述第一脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电。
在一个方面，所述第一旁路包括第二功放器件，其中所述第二脉冲信号导通或关断所述第二功放器件以控制所述第一电压信号被提供给所述第二功放器件或所述电极。
在一个方面，所述第二电源电路包括：第二电压源；以及耦合在所述第二电压源与所述电极之间的第三功放器件，其中所述第二电压源经由所述第三功放器件向所述电极提供所述第二电压信号，其中所述第三脉冲信号导通或关断所述第三功放器件。
在一个方面，所述第三脉冲信号导通所述第三功放器件以从所述第二电压源向所述电极提供所述第二电压信号，从而击穿所述电极与工件之间的间隙并建立放电通道。
在一个方面，所述第二脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号。
在一个方面，所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同或是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲。
在一个方面，所述第一脉冲信号包括在所述电流设置信号的有效时段内的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电。
在一个方面，所述第一电源电路还包括：晶体管，其正极耦合至所述电感并且负极耦合至所述电极，其中所述第一旁路耦合至所述晶体管的正极或负极与接地之间。
在一个方面，所述第一电源电路还包括：第二旁路，所述第二旁路与所述第一旁路并联，其中所述第一旁路耦合至所述晶体管的负极且所述第二旁路耦合至所述晶体管的正极，其中所述驱动电路进一步基于所述触发脉冲信号来生成第四脉冲信号，所述第二旁路在所述第四脉冲信号的控制下选择性地导通或关断。
在一个方面，所述第二旁路包括第四功放器件，且所述第四脉冲信号导通或关断所述第四功放器件。
在一个方面，所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同，所述第四脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号。
在一个方面，所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同，所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，且在所述触发脉冲信号变为有效并延迟预定时间后变为无效以关断所述第四功放器件。
在一个方面，所述预定时间为0-10us。
在一个方面，所述第三脉冲信号是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲，所述第三功放器件在所述短脉冲期间导通并在所述短脉冲结束后关断，所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，并在所述触发脉冲信号变为有效之时或之后、且在所述短脉冲结束之前变为无效以关断所述第四功放器件。
在一个方面，所述第一电源电路还包括：电流反馈装置，所述电流反馈装置检测流经所述电感的电流并将电流检测信号提供给所述驱动电路以调节所述第一脉冲信号的脉宽和脉冲间隔大小。
在一个方面，所述驱动电路进一步接收通过所述电极施加至工件的电压，并根据所述电压来调节所述第一脉冲信号的脉宽和脉冲间隔大小。
在一个方面，所述触发脉冲信号比所述电流设置信号延迟预设时间段之后开始。
在一个方面，所述触发脉冲信号为0.1us—1000us的可调节触发脉冲信号。
在一个方面，所述第二电压源的电压高于所述第一电压源的电压。
在一个方面，所述第一电压源的电压为30-90V，所述第二电压源的电压为160V-190V。
在根据本发明的一个实施例中，提供了一种电火花加工装置，其包括如上所述的电火花加工电源。
在一个方面，所述电火花加工装置还包括：加工槽，所述加工槽用于固定工件并在所述工件与所述电火花加工电源的电极之间形成间隙。
在根据本发明的一个实施例中，提供了一种电火花加工方法，包括：基于电加工命令生成触发脉冲信号及电流设置信号；基于所述电流设置信号生成第一脉冲信号；基于所述触发脉冲信号生成第二脉冲信号和第三脉冲信号；使用第一电源电路在所述第一脉冲信号的控制下生成第一电压信号；使用第二电源电路在所述第三脉冲信号的控制下生成第二电压信号并将所述第二电压信号提供给电极；以及在所述第二脉冲信号的控制下选择性地导通或关断与所述电极并联的第一旁路，以控制所述第一电压信号被提供给所述第一旁路或所述电极。
在一个方面，所述第一电源电路包括第一电压源、耦合至所述第一电压源的第一功放器件、耦合至所述第一功放器件的电感，其中所述第一脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电。
在一个方面，所述第一旁路包括第二功放器件，且所述第二脉冲信号导通或关断所述第二功放器件以控制所述第一电压信号被提供给所述第二功放器件或所述电极。
在一个方面，所述第二电源电路包括：第二电压源；以及耦合在所述第二电压源与所述电极之间的第三功放器件，其中所述第二电压源经由所述第三功放器件向所述电极提供所述第二电压信号，且所述第三脉冲信号导通或关断所述第三功放器件。
在一个方面，所述第三脉冲信号导通所述第三功放器件以从所述第二电压源向所述电极提供所述第二电压信号，从而击穿所述电极与工件之间的间隙并建立放电通道。
在一个方面，所述第二脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号。
在一个方面，所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同或是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲。
在一个方面，所述第一脉冲信号包括在所述电流设置信号的有效时段内的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电。
在一个方面，所述第一电源电路还包括：晶体管，其正极耦合至所述电感并且负极耦合至所述电极，其中所述第一旁路耦合至所述晶体管的正极或负极与接地之间。
在一个方面，所述第一电源电路还包括：第二旁路，所述第二旁路与所述第一旁路并联，其中所述第一旁路耦合至所述晶体管的负极且所述第二旁路耦合至所述晶体管的正极，其中所述方法进一步包括：基于所述触发脉冲信号来生成第四脉冲信号，所述第二旁路在所述第四脉冲信号的控制下选择性地导通或关断。
在一个方面，所述第二旁路包括第四功放器件，且所述第四脉冲信号导通或关断所述第四功放器件。
在一个方面，所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同，所述第四脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号。
在一个方面，所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同，所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，且在所述触发脉冲信号变为有效并延迟预定时间后变为无效以关断所述第四功放器件。
在一个方面，所述预定时间为0-10us。
在一个方面，所述第三脉冲信号是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲，所述第三功放器件在所述短脉冲期间导通并在所述短脉冲结束后关断，所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，在所述触发脉冲信号变为有效之时或之后、且在所述短脉冲结束之前变为无效以关断所述第四功放器件。
在一个方面，所述电火花加工方法进一步包括：检测流经所述电感的电流并将电流检测信号提供给所述驱动电路以调节所述第一脉冲信号的脉宽和脉冲间隔大小。
在一个方面，所述电火花加工方法进一步包括：检测通过所述电极施加至工件的电压，以及根据所述电压来调节所述第一脉冲信号的脉宽和脉冲间隔大小。
在一个方面，所述触发脉冲信号比所述电流设置信号延迟预设时间段之后开始。
在一个方面，所述触发脉冲信号为0.1us—1000us的可调节触发脉冲信号。
在一个方面，所述第二电压源的电压高于所述第一电压源的电压。
在一个方面，所述第一电压源的电压为30-90V，所述第二电压源的电压为160V-190V。
如上，本发明提供了一种新型电火花加工电源及其控制方法。通过功放器件的旁路切换，可以实现电极与工件间的电流无爬升和拖尾现象，提高工作频率。此外，通过功放器件与电极、工件并联，控制其开关可以实现脉间期间间隙电压迅速变为零，从而加速消电离。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的电火花加工电源的电路示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的电火花加工信号波形示意图。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的电火花加工电源的电路示意图。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的电火花加工信号波形示意图。
图5示出了根据本发明一实施例的电火花加工电源控制方法。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电火花加工电源100的电路示意图。该电火花加工电源100可包括控制单元110、第一电源电路130、第二电源电路140、以及连接至第一电源电路130和第二电源电路140的电极150。该电源还可设有过压和过流检测器、风机检测器、放电状态检测器等，这些组件出于简明起见未在本发明中详细描述。控制单元110用于控制第一电源电路130生成第一电压信号和/或控制第二电源电路140生成第二电压信号以施加在电极150上。在一个示例中，电极150可采用正极性设置。电极150接收第一电压信号和/或第二电压信号来间歇性地放电，电极150与工件之间可形成放电通道以产生电火花，从而对工件(例如，金属)进行切削加工。工件可固定在基座上或者固定在加工槽中。在一个示例中，可向加工槽供给加工液，加工间隙被加工液填满。根据本发明的电火花加工电源100可用在各种电火花加工装置中。例如，电火花加工电源100可以是电火花加工装置中的固定组件。在其他示例中，该电火花加工电源100可以是手持的、可移动的，并且可以应用于不需要加工槽/基座的情形。
控制单元110可包括微控制器112、连接至微控制器112的驱动电路114。微控制器112可基于电加工命令产生可调节的触发脉冲信号CP及电流设置信号Is。例如，微控制器112可经由用户接口(例如，启动按钮、图形用户界面、按键等)接收来自用户的电加工命令，或者可经由总线接收来自上位机的电加工命令。微控制器112可基于不同的(例如，不同电加工模式、不同时间长度、不同强度等)电加工命令而生成不同的触发脉冲信号CP及电流设置信号Is。电流设置信号Is可以用于控制电加工电流的大小。触发脉冲信号CP控制整个电火花加工过程的启动/停止，例如在触发脉冲信号CP有效时进行电加工，而在触发脉冲信号CP无效时停止电加工。该触发脉冲信号CP可以是周期性的方波信号。触发脉冲信号CP的脉冲宽度、脉冲间隔等可以是可调节的。例如，可根据不同的加工状态实时地调整触发脉冲信号CP。作为示例而非限定，触发脉冲信号CP可为0.1us—1000us的可调节的触发脉冲信号。驱动电路114可接收触发脉冲信号CP及电流设置信号Is，并生成多个脉冲信号CP1、CP2、HCP，以控制第一电源电路130和第二电源电路140的操作，如以下更详细地描述的。
第一电源电路130可包括第一电压源132、第一功放器件G1、电感L、电流反馈装置134、第一旁路136、以及晶体管D1-D3。作为示例而非限定，第一旁路136可以包括第二功放器件G2，如图1中所示。本领域技术人员应理解，第一旁路136可以包括其他具有开关功能的组件。以下以第二功放器件G2为例进行说明，但不作为限定。第二功放器件G2与电极150并联，第二功放器件G2的一端连接至晶体管D1的正极或负极，第二功放器件G2的另一端连接至地(或第一电压源132的负极)。第二电源电路140包括第二电压源142、电阻R、第三功放器件G3、以及晶体管D4。第二电压源142经由第三功放器件G3向电极150提供第二电压信号，该第二电压信号可以击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道，从而对工件进行电蚀加工。第一功放器件G1、第二功放器件G2、第三功放器件G3可分别由驱动电路114生成的控制脉冲信号CP1、CP2、CP3来控制。具体地，第一脉冲信号CP1导通或关断第一功放器件G1以控制第一电压源132对电感L的充电，第二脉冲信号CP2导通或关断第二功放器件G2以控制从电感L至电极150的第一电压信号(例如，控制第一电压信号被提供给第一旁路136或电极150)，第三脉冲信号CP3导通或关断第三功放器件G3以控制第二电源电路140向电极150提供的第二电压信号。
第一电压源132、第一功放器件G1、电感L、晶体管D2组成一个恒流源电路。当第二功放器件G2导通时，电感电流I1经第二功放器件G2流至地(或第一电压源132的负极)；当第二功放器件G2关断时，电感电流I1流向电极150，以对工件进行放电加工。电流反馈装置134可以检测在放电加工期间(或在任何时间)流经电感L的电流I1，并将电流检测信号提供给驱动电路114以调节第一脉冲信号CP1的脉宽和脉冲间隔大小，从而控制从第一电压源132经电感L提供的电流大小(例如，在电流设置信号Is的容差范围内)。此外，驱动电路114可以接收在电加工期间在电极150与工件之间的加工电压(例如，通过接收电极150上的电位Va和工件上的电位Vb，加工电压＝Va-Vb)，并由此调节第一脉冲信号CP1的脉宽和脉冲间隔大小，以控制加工电压/电流的大小。
电感L用于阻碍电流变化以及功放器件限流。在示例性实施例中，电感L可以是空心电感，能够减少磁损，节能效果更好。功放器件G1-G3可以使用晶体管、闸晶管、场效应管、三极管等来实现。晶体管D1-D4可以用二极管、晶体管、场效应管等来实现。本领域技术人员应理解，图1仅示出了电火花加工电源100的示意性组件和连接，具体实现可以在本发明的教导下进行调整而不脱离本发明的范围，例如一些组件(例如，晶体管D1-D4)可被省略或替换成其他具有相似功能的元件，一些组件的位置可以改变(例如，电感L、电流反馈装置134的位置可以互换，第二电源电路140中的各个组件的位置也可以互换)。
作为示例而非限定，第一电压源132可以是低压直流电源。例如，第一电压源的电压可为30-90V。此外，如图1中所示，在电感L与第一电压源132的负极(或接地)之间连接有晶体管D2，晶体管D2的正极端与工件及第一电压源132的负极相连，晶体管D2负极端与电感L一端连接。当第一功放器件G1关断时，晶体管D2可用于吸负压，通过晶体管D2建立经由电感L的续流回路，可将电感L中储存的能量充分释放出来。晶体管D1设在功放器件G2与电极150和第二电源电路140的连接点之间，可防止第二电源电路140的第二电压信号串入第一电源电路130。
在第二电源电路140中，在第三脉冲信号CP3有效(例如，高电平)以使得第三功放器件G3导通时，第二电压源142经由第三功放器件G3向电极150提供第二电压信号，该第二电压信号可以击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道，从而对工件进行电蚀加工。第二电源电路140中的第二电压源142可以是高压直流电源。作为示例而非限定，第二电压源142的电压可为160V-190V。电阻R用于功放器件的限流，电阻R与第三功放器件G3的位置可以互换。晶体管D4的正极端与功放器件G3连接，负极端与电极150连接，从而可防止第一电源电路130的第一电压信号窜入到第二电源电路140中。
以下结合图2的波形图来详细解说图1的电火花加工电源100的操作。
电流设置信号Is指示针对流经电感L的电流I1的设定值。触发脉冲信号CP控制整个电火花加工过程，例如在触发脉冲信号CP有效时进行电加工，而在触发脉冲信号CP无效时停止电加工。触发脉冲信号CP可以是可调节的方波信号。触发脉冲信号CP可以比电流设置信号Is延迟指定时间段之后开始，以使得第一电压源132能在电加工开始之前将电感L充电至预定电压。
驱动电路114在电流设置信号Is有效(例如，高电平)时生成周期性的第一脉冲信号CP1。当第一脉冲信号CP1导通(持续导通或间歇性地导通)第一功放器件G1时，第一电压源132经由第一功放器件G1对电感L充电，流经电感L的电流I1增大；当第一脉冲信号CP1关断第一功放器件G1时，电感L中储存的能量被释放，电流I1减小。从图2中可以看出，第一电源电路130中流经电感L的电流I1在电流设置信号Is有效的有效时段内波动。因此，在电流设置信号Is有效期间，第一电压源132周期性地经由第一功放器件G1对电感L充电，以使电感L维持预定的平均电压或电流。驱动电路114可根据电流设置信号Is的大小来调整第一脉冲信号CP1的脉宽和脉冲间隔，从而控制流经电感L的电流I1的大小(平均值)。例如，可以控制流经电感L的电流I1在电流设置信号Is的预定容差内。
第二脉冲信号CP2可以是触发脉冲信号CP的反相信号。即，在触发脉冲信号CP有效时，第二脉冲信号CP2无效，从而关断第二功放器件G2，使得电感L的电流I1可以流向电极150；在触发脉冲信号CP无效时，第二脉冲信号CP2有效，从而导通第二功放器件G2，使得电感L的电流I1可以流向第一旁路136，而电极150被旁路掉。
第三脉冲信号CP3可以与触发脉冲信号CP相同。在加工时段中(例如，触发脉冲信号CP有效时)，第三脉冲信号CP3有效(例如，高电平)以使得第三功放器件G3导通，第二电压源142经由第三功放器件G3击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道；同时，第二脉冲信号CP2无效并关断第二功放器件G2，电感L经由可选的晶体管D1向电极150提供第一电压信号。如上所述，第一电压信号和第二电压信号共同维持电极150与工件之间的放电通道。在第一电源电路130和第二电源电路140同时向电极150供电时，可以提供高加工电流，例如最高加工电流可达200A-600A。由于第一脉冲信号CP1周期性地导通或关断第一功放器件G1以控制第一电压源132对电感L的充电，因此在第一脉冲信号CP1导通第一功放器件G1时，第一电压源132对电感L充电，电流I增大；在第一脉冲信号CP1关断第一功放器件G1时，第一电压源132停止对电感L充电，同时电感L对电极150供电，导致电流I逐渐渐小；随后第一脉冲信号CP1再次导通第一功放器件G1时以对电感L充电，电流I增大，依此类推。
在加工间隔中(例如，触发脉冲信号CP、CP3无效时)，第三功放器件G3关断，第二电压源142停止向电极150提供电压；同时，第二脉冲信号CP2有效并导通第二功放器件G2时，电感L经由第二功放器件G2短接至地(和/或短接至第一电压源132的负极)，由此电感L停止向电极150提供第一电压信号。此外，在第二功放器件G2连接至晶体管D1负极的情况下，第二功放器件G2在放电加工结束后导通，可以使脉间期间的间隙电压(电极150与工件之间的电压)迅速变为零，从而加速消电离。
由此，触发脉冲信号CP控制整个电火花加工过程，在触发脉冲信号CP有效时，第一脉冲信号CP1、第二脉冲信号CP2和第三脉冲信号CP3控制相应的功放器件G1、G2、G3以对电极150供电进行电火花加工。相反，在触发脉冲信号CP无效时，电极150断电，从而不进行电火花加工。从图2中可以看出，电流I在触发脉冲信号CP的无效时基本为0。
在根据本发明的可选实施例中，第三脉冲信号CP3可包括在触发脉冲信号CP的有效时段开始处的短脉冲。例如，第三功放器件G3在该短脉冲期间导通，并在该短脉冲结束后关断。第二电源电路140在第三功放器件G3导通期间击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道，随后第二电源电路140关闭，并且由第一电源电路130维持电极150与工件之间的放电通道。由此，第二电源电路140的导通时间可以短于触发脉冲信号CP的有效时段，从而能够节能。此外，通过使第二电源电路140具有较短导通时间，可以有效控制施加于电极150上的电流，从而更精确地控制电火花加工。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的电火花加工电源300的电路示意图。出于简明起见，图3的电火花加工电源300与图1的电火花加工电源100相似的组件和操作不再赘述。图3的电火花加工电源300与图1的电火花加工电源100的区别在于，第一电源电路130进一步包括第二旁路138。作为示例而非限定，第二旁路138可以包括第四功放器件G4，如图3中所示。本领域技术人员应理解，第二旁路138可以包括其他具有开关功能的组件。以下以第四功放器件G4为例进行说明，但不作为限定。第四功放器件G4的一端连接至电感L与晶体管D1之间，第四功放器件G4的另一端连接至地(和/或连接至第一电压源132的负极)。此外，驱动电路114还生成第四脉冲信号CP4，以控制第四功放器件G4的导通/关断。以下结合图4的波形图来详细解说图3的电火花加工电源300的操作。
电流设置信号Is指示针对流经电感L的电流I1的设定值。触发脉冲信号CP控制整个电火花加工过程，例如在触发脉冲信号CP有效时进行电加工，而在触发脉冲信号CP无效时停止电加工。触发脉冲信号CP可以是可调节的方波信号。触发脉冲信号CP可以比电流设置信号Is延迟指定时间段之后开始，以使得第一电压源132能在电加工开始之前将电感L充电至预定电压。驱动电路114在电流设置信号Is有效(例如，高电平)时生成周期性的第一脉冲信号CP1，其周期性地导通第一功放器件G1，以使电感L周期性地充电/放电。第二脉冲信号CP2可以是触发脉冲信号CP的反相信号，第三脉冲信号CP3可以与触发脉冲信号CP相同。
第四脉冲信号CP4可以在触发脉冲信号CP变为无效时反转为有效，并在触发脉冲信号CP变为有效之后经历预定延迟时间后变为无效。因此，在加工时段中(例如，触发脉冲信号CP有效时)，第三脉冲信号CP3变为有效(例如，高电平)以使得第三功放器件G3导通，第二电压源142经由第三功放器件G3击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道；第二脉冲信号CP2无效并关断第二功放器件G2；同时，第四脉冲信号CP4在预定延迟时间中仍为有效，使得第四功放器件G4导通，电感L经由第四功放器件G4短接至地(和/或短接至第一电压源132的负极)，由此电感L不向电极150提供第一电压信号。从图4中可以看出，在该预定延迟时间中，第二电压源142击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道，从而有较小电流从第二电压源142经电极150流至工件。
在该预定延迟时间后，第四脉冲信号CP4变为无效，使得第四功放器件G4关断，电感L经由可选的晶体管D1向电极150提供第一电压信号，间隙电流I2增大，因此维持电极150与工件之间的放电通道，并对工件进行加工。在第四功放器件G4延迟关断的情况下，使得第二电压源142能够在该预定延迟时间期间(在第四脉冲信号CP4控制第四功放器件G4关断之前)建立放电通道，避免了第三功放器件G3、第四功放器件G4在第二电源电路140建立放电通道之前关断从而导致电感L的电流路径被阻断的情形(可能导致电压上升)。由此，能够准确地控制电极150的加工电压。
在加工间隔中(例如，触发脉冲信号CP变为无效时)，第三功放器件G3关断，第二电压源142停止向电极150提供电压；同时，第二脉冲信号CP2有效并导通第二功放器件G2，第四脉冲信号CP4变为有效并导通第四功放器件G4导通，电感L经由第四功放器件G4和/或第二功放器件G2短接至地(和/或短接至第一电压源132的负极)，由此电感L停止向电极150提供第一电压信号。同样，第三功放器件G3在放电加工结束后导通，可以使脉间期间的间隙电压迅速变为零，从而加速消电离。
在根据本发明的可选实施例中，第三脉冲信号CP3可包括在触发脉冲信号CP的有效时段开始处的短脉冲。例如，第三功放器件G3在该短脉冲期间导通，并在该短脉冲结束后关断。第二电源电路140在第三功放器件G3导通期间击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道，随后第二电源电路140关闭，并且由第一电源电路130维持电极150与工件之间的放电通道。此处，第三脉冲信号CP3应在第三脉冲信号CP3、第四脉冲信号CP4皆变为无效(即，第三功放器件G3、第四功放器件G4皆关断，由此使电感L向电极150供电)之后结束，从而由第一电源电路130来维持电极150与工件之间的放电通道。
图5示出了根据本发明一实施例的电火花加工电源控制方法。该方法可由如上参照图1或图3所描述的电火花加工电源100或300来执行。
该方法可包括在步骤510，基于电加工命令生成触发脉冲信号及电流设置信号。例如，微控制器112可基于电加工命令产生可调节的触发脉冲信号CP及电流设置信号Is。作为示例而非限定，触发脉冲信号CP可为0.1us—1000us的可调节触发脉冲信号。
该方法还可包括在步骤520，基于所述电流设置信号生成第一脉冲信号。例如，驱动电路114可基于所述电流设置信号生成第一脉冲信号，以导通或关断第一功放器件G1以控制第一电压源132对电感L的充电。
该方法还可包括在步骤530，基于所述触发脉冲信号生成第二脉冲信号和第三脉冲信号。
该方法还可包括在步骤540，使用第一电源电路在所述第一脉冲信号的控制下生成第一电压信号。例如，第二脉冲信号CP2导通或关断第二功放器件G2以控制第一电压信号被提供给第二功放器件G2或电极150。
该方法还可包括在步骤550，使用第二电源电路在所述第三脉冲信号的控制下生成第二电压信号并将所述第二电压信号提供给电极。例如，第三脉冲信号CP3导通或关断第三功放器件G3，以从第二电压源142向电极150提供第二电压信号，从而击穿电极150与工件之间的间隙并建立放电通道。
该方法还可包括在步骤560，在所述第二脉冲信号的控制下选择性地导通或关断与所述电极并联的第一旁路，以控制所述第一电压信号被提供给所述第一旁路或所述电极。例如，第二脉冲信号CP2可以是触发脉冲信号CP的反相信号。
该方法还可包括基于触发脉冲信号来生成第四脉冲信号，以选择性地导通或关断与电极并联的第二旁路。例如，第二旁路138可包括第四功放器件G4，且第四脉冲信号CP4导通或关断第四功放器件G4。在一方面，第四脉冲信号CP4可以是触发脉冲信号CP的反相信号。在另一方面，第四脉冲信号CP4可在触发脉冲信号CP变为无效时反转成有效以导通第四功放器件G4，且在触发脉冲信号CP变为有效并延迟预定时间后变为无效以关断第四功放器件G4。作为示例而非限定，该预定时间可以是0-10us。
如上，本发明提供了一种新型电火花加工电源及其控制方法。本发明通过第一电源电路130和第二电源电路140的配合使用，能够提高电火花加工电源的能量利用率。例如，本发明的电火花加工电源的能量利用率可达到80％，与现有的一些电火花加工电源相比可提高50％以上，从而节电50％。通过使用功放器件，与传统电阻电源相比，电源故障率显著降低，基本可以做到免维护。通过选用大功率器件以及保护电路，也可以使电源故障率降低。此外，通过使用脉冲信号协调地控制各个功放器件的导通/关断，可以使加工电流达到200A-600A，适用于利用大面积电极对工件表面的加工，提高了电加工的效率。通过功放器件的旁路切换，可以实现电极与工件间的电流无爬升和拖尾现象，提高工作频率；通过功放器件与电极、工件并联，控制其开关可以实现脉间期间间隙电压迅速变为零，从而加速消电离。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式以及所列举的具体数字仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (23)
1.一种电火花加工电源，其特征在于，包括：
微控制器，其基于电加工命令生成触发脉冲信号及电流设置信号；
驱动电路，其基于所述电流设置信号生成第一脉冲信号并基于所述触发脉冲信号生成第二脉冲信号和第三脉冲信号；
第一电源电路，所述第一电源电路在所述第一脉冲信号的控制下生成第一电压信号；
第二电源电路，所述第二电源电路在所述第三脉冲信号的控制下生成第二电压信号；以及
电极，所述电极耦合至所述第一电源电路和所述第二电源电路以接收所述第一电压信号和/或所述第二电压信号，
其中所述第一电源电路包括与所述电极并联的第一旁路，所述第一旁路在所述第二脉冲信号的控制下选择性地导通或关断以控制所述第一电压信号被提供给所述第一旁路或所述电极。
2.如权利要求1所述的电火花加工电源，其特征在于，所述第一电源电路包括第一电压源、耦合至所述第一电压源的第一功放器件、以及耦合至所述第一功放器件的电感，其中所述第一脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电。
3.如权利要求2所述的电火花加工电源，其特征在于，所述第一电源电路还包括：
晶体管，其正极耦合至所述电感并且负极耦合至所述电极；
第二旁路，所述第二旁路与所述第一旁路并联，其中所述第一旁路耦合至所述晶体管的负极且所述第二旁路耦合至所述晶体管的正极，
其中所述驱动电路进一步基于所述触发脉冲信号来生成第四脉冲信号，所述第二旁路在所述第四脉冲信号的控制下选择性地导通或关断。
4.如权利要求3所述的电火花加工电源，其特征在于，所述第一旁路包括第二功放器件，其中所述第二脉冲信号导通或关断所述第二功放器件，所述第二旁路包括第四功放器件，且所述第四脉冲信号导通或关断所述第四功放器件，并且所述第二电源电路包括：
第二电压源；以及
耦合在所述第二电压源与所述电极之间的第三功放器件，其中所述第三脉冲信号导通或关断所述第三功放器件以从所述第二电压源经由所述第三功放器件向所述电极提供所述第二电压信号，所述第二电压信号击穿所述电极与工件之间的间隙并建立放电通道。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电火花加工电源，其特征在于，
所述第一脉冲信号包括在所述电流设置信号的有效时段内的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电，
所述第二脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号，
所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同或是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲。
6.如权利要求4所述的电火花加工电源，其特征在于，
所述第四脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号，或者
所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，且在所述触发脉冲信号变为有效并延迟预定时间后变为无效以关断所述第四功放器件。
7.如权利要求6所述的电火花加工电源，其特征在于，所述预定时间为0-10us。
8.如权利要求4所述的电火花加工电源，其特征在于，所述第三脉冲信号是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲，所述第三功放器件在所述短脉冲期间导通并在所述短脉冲结束后关断，所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，并在所述触发脉冲信号变为有效之时或之后、且在所述短脉冲结束之前变为无效以关断所述第四功放器件。
9.如权利要求1所述的电火花加工电源，其特征在于，所述驱动电路进一步接收流经所述电感的电流和/或通过所述电极施加至工件的电压，并根据所述电流和/或所述电压来调节所述第一脉冲信号的脉宽和脉冲间隔大小。
10.如权利要求1所述的电火花加工电源，其特征在于，所述触发脉冲信号比所述电流设置信号延迟预设时间段之后开始。
11.如权利要求4所述的电火花加工电源，其特征在于，所述触发脉冲信号为0.1us—1000us的可调节触发脉冲信号，所述第一电压源的电压为30-90V，所述第二电压源的电压为160V-190V。
12.一种电火花加工装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至11中任一项所述的电火花加工电源；以及
加工槽，所述加工槽用于固定工件并在所述工件与所述电火花加工电源的电极之间形成间隙。
13.一种电火花加工方法，其特征在于，包括：
基于电加工命令生成触发脉冲信号及电流设置信号；
基于所述电流设置信号生成第一脉冲信号；
基于所述触发脉冲信号生成第二脉冲信号和第三脉冲信号；
使用第一电源电路在所述第一脉冲信号的控制下生成第一电压信号；
使用第二电源电路在所述第三脉冲信号的控制下生成第二电压信号并将所述第二电压信号提供给电极；以及
在所述第二脉冲信号的控制下选择性地导通或关断所述第一电源电路中的与所述电极并联的第一旁路，以控制所述第一电压信号被提供给所述第一旁路或所述电极。
14.如权利要求13所述的电火花加工方法，其特征在于，所述第一电源电路包括第一电压源、耦合至所述第一电压源的第一功放器件、耦合至所述第一功放器件的电感，其中所述第一脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电。
15.如权利要求14所述的电火花加工方法，其特征在于，所述第一电源电路还包括：
晶体管，其正极耦合至所述电感并且负极耦合至所述电极；
第二旁路，所述第二旁路与所述第一旁路并联，其中所述第一旁路耦合至所述晶体管的负极且所述第二旁路耦合至所述晶体管的正极，
其中所述方法进一步包括：
基于所述触发脉冲信号来生成第四脉冲信号，所述第二旁路在所述第四脉冲信号的控制下选择性地导通或关断。
16.如权利要求15所述的电火花加工方法，其特征在于，所述第一旁路包括第二功放器件，且所述第二脉冲信号导通或关断所述第二功放器件，所述第二旁路包括第四功放器件，且所述第四脉冲信号导通或关断所述第四功放器件，并且所述第二电源电路包括：
第二电压源；以及
耦合在所述第二电压源与所述电极之间的第三功放器件，其中所述第三脉冲信号导通或关断所述第三功放器件以使所述第二电压源经由所述第三功放器件向所述电极提供所述第二电压信号，所述第二电压信号击穿所述电极与工件之间的间隙并建立放电通道。
17.如权利要求13至16中任一项所述的电火花加工方法，其特征在于，
所述第一脉冲信号包括在所述电流设置信号的有效时段内的周期性脉冲信号，所述周期性脉冲信号导通或关断所述第一功放器件以控制所述第一电压源对所述电感的充电，
所述第二脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号，
所述第三脉冲信号与所述触发脉冲信号相同或是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲。
18.如权利要求16所述的电火花加工方法，其特征在于，
所述第四脉冲信号是所述触发脉冲信号的反相信号，或者
所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，且在所述触发脉冲信号变为有效并延迟预定时间后变为无效以关断所述第四功放器件。
19.如权利要求18所述的电火花加工方法，其特征在于，所述预定时间为0-10us。
20.如权利要求16所述的电火花加工方法，其特征在于，所述第三脉冲信号是所述触发脉冲信号的有效时段开始处的短脉冲，所述第三功放器件在所述短脉冲期间导通并在所述短脉冲结束后关断，所述第四脉冲信号在所述触发脉冲信号变为无效时反转成有效以导通所述第四功放器件，在所述触发脉冲信号变为有效之时或之后、且在所述短脉冲结束之前变为无效以关断所述第四功放器件。
21.如权利要求25所述的电火花加工方法，其特征在于，进一步包括：
根据流经所述电感的电流和/或通过所述电极施加至工件的电压来调节所述第一脉冲信号的脉宽和脉冲间隔大小。
22.如权利要求13所述的电火花加工方法，其特征在于，所述触发脉冲信号比所述电流设置信号延迟预设时间段之后开始。
23.如权利要求16所述的电火花加工方法，其特征在于，所述触发脉冲信号为0.1us—1000us的可调节触发脉冲信号，所述第一电压源的电压为30-90V，所述第二电压源的电压为160V-190V。
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