CN107803563A - 电火花脉冲电源回路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电火花脉冲电源回路，包括由工作电源、第一限流电阻、第一隔离二极管和第一场效应管依次串而成的工作电源支路，由辅助电源、第二限流电阻、第二隔离二极管和第二场效应管串而成的辅助电源支路，电极端和工件端，所述工作电源支路和辅助电源支路并联形成复合电源支路；还包括连接在所述工作电源正极和辅助电源支路上位于第二场效应管前端的遮断电源支路，所述遮断电源支路包括用于提供不同遮断电压的遮断电源回路和用于控制遮断电源支路通断及用于选择不同遮断电压的第一电子开关。本发明极大的提高了精密零件的表面粗糙度和降低了电极损耗，同时使用多路遮断技术和遮断电压直接加载技术极大提高了放电加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电火花脉冲电源回路，属于特种加工技术领域。
背景技术
随着我国制造业的不断发展，对复杂零部件的精密化和微细化的加工要求越来越高，由于电火花加工能对超硬材料或复杂零件进行“仿形逼真”的加工，而得到广泛的应用。电火花加工的核心技术是如何保证有效的放电能量，且将电能及时、准确的通过放电回路输送到电极端和工件端上进行放电加工，这主要取决于脉冲电源回路的质量，包括对因放电产生的浪涌电压的吸收与控制。但现有电火花脉冲电源回路在放电加工时普遍存在以下不足：
一是，浪涌电压现象严重，放电能量不能得到精确控制，导致加工后的表面粗糙度大，均一性差；
二是，由于浪涌电压产生的负波能量，导致电极损耗大；
三是，浪涌电压的存在及遮断电压的复合能量不及时，加工效率低；
四是，用增设遮断电压的办法来提高加工效率，由于遮断电压的开通和关断是和加工电源脉冲同频率的，遮断电压的加入时机无法单独控制；其次，遮断电压单一，无法根据实际工作需要进行选择；
五是，由于放电回路上，寄生电感及各种浪涌电压的存在，各电源在放电加工前难以完成设计要求的复合能量，能量复合不及时或不准确，使极间能量不均匀,特别是微细电流加工时,放电能量不能平均分布在加工表面,局部能量过大导致加工面光洁度和平整度达不到效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电火花脉冲电源回路，其可以使电火花放电加工加工的表面质量好、电极损耗小、特别是对石墨材料的加工效率高，具体而言通过以下技术方案实现：
本发明的电火花脉冲电源回路包括由工作电源、第一限流电阻、第一隔离二极管和第一场效应管依次串联而成的工作电源支路，由辅助电源、第二限流电阻、第二隔离二极管和第二场效应管串联而成的辅助电源支路，电极端和工件端，所述工作电源支路和辅助电源支路并联形成复合电源支路；
所述第一场效应管和第二场效应管的源极连接成复合电源支路的正输出端，所述工作电源与辅助电源负极连接成复合电源支路的负输出端，所述正输出端和负输出端分别连接于电极端和工件端；
还包括连接在所述工作电源正极和辅助电源支路上位于第二场效应管前端的遮断电源支路，所述遮断电源支路包括用于提供不同遮断电压的遮断电源回路和用于控制遮断电源支路通断及用于选择不同遮断电压的第一电子开关。
进一步，还包括连接在辅助电源正极和正输出端上的高压支路，所述高压支路包括依次串连的第三限流电阻、第三隔离二极管和第三场效应管，所述第三场效应管的源极与所述正输出端连接，第三场效应管的漏极与第三隔离二极管的阴极连接。
进一步，所述第一场效应管、第二场效应管或第三场效应管一侧并联有第一浪涌电压吸支路，所述第一浪涌电压吸支路包括电阻Ⅰ、吸收电容、恢复二极管，所述限流电阻Ⅰ和恢复二极管并联，并联后恢复二极管的阳极端与第一场效应管、第二场效应管或第三场效应管的漏极连接，并联后恢复二极管的阴极端与吸收电容的一极板连接，吸收电容的另一极板与第一场效应管、第二场效应管或第三场效应管的源极连接。
进一步，所述复合电源支路的正输出端和负输出端上连接有浪涌电压吸收支路。
进一步，所述浪涌电压吸收支路包括电阻选择单元和二极管，二极管阳极端与所述负输出端连接，二极管的阴极端与电阻选择单元一端连接，电阻选择单元的另一端与所述负输出端连接。
进一步，在工作电源正极和所述负输出端还连接有由电容Ⅰ和电阻Ⅱ并联而成的第二浪涌吸收支路。
进一步，在所述负输出端和工件端之间串入有由电阻和电感并联而成的电感支路，在所述电感支路上并联一个用于对电感支路起短接作用的第二电子开关。
进一步，在所述电感支路和工件端子之间连接有镜面加工支路，所述镜面加工支路包括电阻Ⅲ和第三电子开关，所述电阻Ⅲ和第三电子开关并联后串接在电感支路和工件端之间。
进一步，所述电极和工件连接端之间连接有电容单元；所述电容单元包括电容支路，所述电容支路包括电容Ⅱ，电容Ⅱ上串联有选择开关,所述电容支路至少有两条。
进一步，所述第一限流电阻和/或第二限流电阻或第三限流电阻为电阻值可调节的电阻元件，所述第一场效应管有多个且并联后串联在工作电源支路上，所述第二场效应管有多个且并联后串联在辅助电源支路上，所述第三场效应管有多个且并联后串联在高压支路上。
本发明的有益效果：本发明的遮断电源支路可以为放电回路提供可选择的不同遮断电压并且各遮断电压加入的时机可控，不仅提供了放电加工的效率，而且满足了加工不同的材料需要不同的遮断电压、不同加载时机的需要使放电加工的效率和质量都有进一步的提高；本发明各电源均能在放电加工前完成复合并将复合后的能量及时、准确的提供给放电间隙，极大的提高了精密加工零件的表面光洁度同时降低了电极的损耗且提高了加工效率；本发明的第一浪涌电压吸收支路、负波吸收支路或第二浪涌电压吸收支路配合他们各自在放电回路中的连接位置对在放电回路中不同位置处产生的浪涌电压进行有效吸收，将他们组合使用对浪涌电压吸收效果更佳，这样极大的提高了加工表面的表面粗糙度和均一性；本发明的其他有益效果将结合下文具体实施例中进行进一步的说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的拓扑图示意图；
图2为使遮断电源支路示意图；
图3为本发明的第一浪涌电压吸收支路示意图
图4为本发明的负波吸收支路示意图；
图5为本发明第二浪涌电压吸收支路示意图；
图6为使用电感支路后的波形图；
图7为使用镜面支路后的波形图；
图8为本发明电容单元的示意图；
图9为使用电容单元后的波形图；
图10为遮断电压加载时机波形图；
图11为加工效果对比图。
具体实施方式
如图1所示：本实施例中的电火花脉冲电源回路包括由工作电源E1、第一限流电阻R1、第一隔离二极管D1和第一场效应管H依次串而成的工作电源支路，由辅助电源E2、第二限流电阻R2、第二隔离二极管D2和第二场效应管HT串而成的辅助电源支路，电极端子和工件端子，所述工作电源支路和辅助电源支路并联形成复合电源支路；
所述第一场效应管H和第二场效应管HT的源极连接成复合电源支路的正输出端P3，所述工作电源E1与辅助电源E2负极连接成复合电源支路的负输出端P4，所述正输出端P3和负输出端P4分别连接于电极端子和工件端子；
还包括连接在所述工作电源正极P20和辅助电源支路上位于第二场效应管HT前端的遮断电源支路SQ1，所述遮断电源支路SQ1包括用于提供不同遮断电压的遮断电源回路和用于控制遮断电源支路通断及用于选择不同遮断电压的第一电子开关。当然还包括用于控制第一场效应管H、第二场效应管HT以及下文中第三场效应管HP通断的驱动电路。这样控制第一电子开关接通后，就选择了对应的遮断电压即选择了对应的遮断电源，然后遮断电源控制第一电子开关接通时间就能对对应的遮断电压投入的时机进行控制。
例如：如图2所示的遮断电源支路SQ1，其由电压器提供多组不同电压的交流电源(U1-U4)经整理流产生遮断电压，通过多个继电器(HTV1-HTV4)的选择和控制加载到放电回路中。进一步，以工作电源电压为90V，选择的遮断电压为138V可以控制继电器HTV1导通时间点则138V的遮断电压可以在1/4的OFF时间(放电休止时间)点、1/2的OFF时间点、3/4的OFF时间点……等等进行加载，还可以让138V的遮断电压一直处于加载状态，其波形如图10所示。
在实施例中，还包括连接在辅助电源正极和正输出端上的高压支路，所述高压支路包括依次串连的第三限流电阻R3、第三隔离二极管D3和第三场效应管HP，所述第三场效应管的源极与所述正输出端P3连接，第三场效应管的漏极与第三隔离二极管的阴极连接。这样设置的好处在于：在电火花加工电极和工件间隙击穿阶段可以提供较大的电源压这样有利于击穿，其次，通过第三场效应管HP的通断时间点的控制可以提供除上述遮断电源支路提供的遮断电压之外还可以多提供另外的遮断电压。进一步，如果没有高压和遮断回路的辅助击穿，将会导致放电脉冲不能及时击穿，使局部放电电流过大而出现拉弧现象，致使工件被灼伤甚至报废。
如图3所示，在实施例中，所述第一场效应管H、第二场效应管HT或第三场效应管HTP一侧并联有第一浪涌电压吸支路SQ2，所述第一浪涌电压吸支路SQ2包括电阻Ⅰ、吸收电容、恢复二极管，所述限流电阻Ⅰ和恢复二极管并联，并联后恢复二极管的阳极端与第一场效应管H、第二场效应管HT或第三场效应管HP的漏极连接，并联后恢复二极管的阴极端与吸收电容的一极板连接，吸收电容的另一极板与第一场效应管H、第二场效应管HT或第三场效应管HP的源极连接。这样通第一浪涌电压吸支路SQ4吸收由于场效应管频繁的开关导致的电压应力所产生的浪涌电压。
在实施例中，所述复合电源支路的正输出端和负输出端上连接有负波吸收支路SQ2。所述负波吸收支路SQ2包括电阻选择单元和二极管，二极管阳极端与所述负输出端连接，二极管的阴极端与电阻选择单元一端连接，电阻选择单元的另一端与所述负输出端p4连接。所述的电阻选择单元由多条电阻和电阻选择开关串连的支路并联而成。这样可以进一步吸收上述第一场效应管H、第二场效应管HT或第三场效应管HP关断时的跌落造成的浪涌电压并吸收负向脉冲，从而减小由于负向脉冲引起的电极损耗，进一步，所述电阻选择单元由多条电阻和电阻选择开关串连的支路并联而成，可以根据不同的需要来选择不同的支路进行吸收，以达到最好的吸收效果。例如：如图4所示的浪涌电压吸收支路SQ2，其由电阻R10、R11、R11-1，继电器#IP7、#IP15和二极管D5按上述连接关系连接而成，当电流值在0-N1A之间时，继电器#IP7和#IP15断开，回路上只使用R10吸收，当电流值IP在N2-N3A之间时，继电器#IP7吸合，继电器#IP15断开，回路上使用R10和R11吸收，所使用的阻值为R10和R11并联后的阻值，当电流值IP大于N3时，继电器#IP7和#IP15吸合,回路上使用R10、R11、R11-1吸收，所使用的阻值为R10、R11和R11-1并联后的阻值。
在实施例中，在工作电源正极和所述负输出端还连接有由电容Ⅰ和电阻Ⅱ并联而成的第二浪涌吸收支路。这样可以吸收加工电源正极和负极之间的浪涌电压。所述第二浪涌吸收支路实际上RC回路可以按如图5所示设置，此为现有技术在此不再赘述。
在实施例中，在所述负输出端和工件端子之间串入有由电阻和电感并联而成的电感支路10，在所述电感支路10上并联一个用于对电感支路10起短接作用的第二电子开关。由电感抑制回路中放电电流脉冲的上升斜率或下降斜率，使电流变化变缓，这样可有效较低电极的损耗。如图6所示，加工过程中某段程序波形，使用电感支路10和遮断电源支路SQ1，加工电源电压使用90V，遮断电压选择138V，遮断电压加载时机为1/2OFF时间点，从图中可看出，电感回路使单个脉冲电流的爬电时间变得更平缓。
在实施例中，在所述电感支路10和工件端子之间连接有镜面加工支路20，所述镜面加工支路20包括电阻Ⅲ和第三电子开关，所述电阻Ⅲ和第三电子开关并联后串接在电感支路10和工件端子之间。当第三电子开关闭合时电阻Ⅲ被短接，不发挥作用；必要时断开第三电子开关则放电回路上的电流减小，然后控制系统使用小脉宽(ON)大脉间(OFF)的参数，同时使用负极性加工，电极为负极，工件为正极，从而进一步提高加工表面粗糙度，其波形图如图7所示，从图中可以看出此时电流被减小。
在实施例中，所述电极和工件连接端子之间连接有电容单元SQ3，如图8所示，所述电容单元SQ3包括电容支路，所述电容支路包括电容Ⅱ，电容Ⅱ上串联有选择开关，所述电容支路至少有两条。通过电容单元不同容值的电容充放电，对加工表面进行高光洁度的加工，得到不同的表面粗糙度。如图9所示，依据加工材料的不同选用不同的电容支路形成的放电加工回路，因为有电容单元SQ3的存在，从图中可以看出在OFF阶段内(停止放电)，电压平滑上升，此时是因为电容放电，有助于放电脉冲到来时(ON时间内)间隙的击穿，从而提高放电稳定性，保证加工面的光洁度更高。
在实施例中，所述第一限流电阻R1和/或第二限流电阻R2或第三限流电阻R3为电阻值可调节的电阻元件，所述第一场效应管H有多个且并联后串联在工作电源支路上，所述第二场效应管HT有多个且并联后串联在辅助电源支路上，所述第三场效应管HP有多个且并联后串联在高压支路上。所述电阻值可调节的电阻元件可是膜式可变电阻器、线绕式可变电阻器可以是现有技术的其他电阻值可调节的电阻元件，为了控制的和设计的方便上述电阻值可调节的电阻元件还可以采用电阻和其选择开关串联形成支路并联后集成到PCB板上方式来替代。通过改变上述第一限流电阻R1或第二限流电阻R2或第三限流电阻R3的电阻值来精细控制加工电流，根据加工材料和面积大小，从小到大选择电流以完成粗加工到精加工的工艺过程。
综上所述，本发明包含遮断电源支路SQ1、浪涌电压吸收支路、负波吸收支路SQ2、电感支路10、镜面加工支路20、电容支路，这些支路互相组合使用，能够改善放电加工在精加工时的加工效果，提高加工速度、减少电极损耗、提高表面粗糙度。本发明加工最后效果如图11所示，从图中可看出本发明加工的零件其加工质量优于现有电火花脉冲电源回路的加工质量，其中，右侧零件是本发明所加工的零件。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种电火花脉冲电源回路，其特征在于：包括由工作电源、第一限流电阻、第一隔离二极管和第一场效应管依次串联而成的工作电源支路，由辅助电源、第二限流电阻、第二隔离二极管和第二场效应管串联而成的辅助电源支路，电极端子和工件端子，所述工作电源支路和辅助电源支路并联形成复合电源支路；
所述第一场效应管和第二场效应管的源极连接成复合电源支路的正输出端，所述工作电源与辅助电源负极连接成复合电源支路的负输出端，所述正输出端和负输出端分别连接于电极端子和工件端子；
还包括连接在所述工作电源正极和辅助电源支路上位于第二场效应管前端的遮断电源支路，所述遮断电源支路包括用于提供不同遮断电压的遮断电源回路和用于控制遮断电源支路通断及用于选择不同遮断电压的第一电子开关。
2.根据权利要求1所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：还包括连接在辅助电源正极和正输出端上的高压支路，所述高压支路包括依次串连的第三限流电阻、第三隔离二极管和第三场效应管，所述第三场效应管的源极与所述正输出端连接，第三场效应管的漏极与第三隔离二极管的阴极连接。
3.根据权利要求2所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：所述第一场效应管、第二场效应管或第三场效应管一侧并联有第一浪涌电压吸收支路，所述第一浪涌电压吸收支路包括电阻Ⅰ、吸收电容、恢复二极管，所述限流电阻Ⅰ和二极管并联，并联后二极管的阳极端与第一场效应管、第二场效应管或第三场效应管的漏极连接，并联后二极管的阴极端与吸收电容的一极板连接，吸收电容的另一极板与第一场效应管、第二场效应管或第三场效应管的源极连接。
4.根据权利要求3所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：所述复合电源支路的正输出端和负输出端上连接有负波吸收支路。
5.根据权利要求4所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：所述浪涌电压吸收支路包括电阻选择单元和二极管，二极管阳极端与所述负输出端连接，二极管的阴极端与电阻选择单元一端连接，电阻选择单元的另一端与所述负输出端连接。
6.根据权利要求5所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：在工作电源正极和所述负输出端还连接有由电容Ⅰ和电阻Ⅱ并联而成的第二浪涌电压吸收支路。
7.根据权利要求2-6任一权利要求所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：在所述负输出端和工件端子之间串入有由电阻和电感并联而成的电感支路，在所述电感支路上并联一个用于对电感支路起短接作用的第二电子开关。
8.根据权利要求7所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：在所述电感支路和工件端之间连接有镜面加工支路，所述镜面加工支路包括电阻Ⅲ和第三电子开关，所述电阻Ⅲ和第三电子开关并联后串接在电感支路和工件端之间。
9.根据权利要求8所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：所述电极和工件连接端之间连接有电容单元；所述电容单元包括电容支路，所述电容支路包括电容Ⅱ，电容Ⅱ上串联有选择开关,所述电容支路至少有两条。
10.根据权利要求9所述的电火花脉冲电源回路，其特征在于：所述第一限流电阻和/或第二限流电阻或第三限流电阻为电阻值可调节的电阻元件，所述第一场效应管有多个且并联后串联在工作电源支路上，所述第二场效应管有多个且并联后串联在辅助电源支路上，所述第三场效应管有多个且并联后串联在高压支路上。
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