CN110091013B

CN110091013B - 电火花电路及电火花加工装置

Info

Publication number: CN110091013B
Application number: CN201810085055.5A
Authority: CN
Inventors: 杨健; 肖伟华; 付胜宏
Original assignee: Shanghai Dongyi Numerical Control Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Dongyi Numerical Control Technology Co ltd
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: CN110091013A

Abstract

本发明公开了一种电火花电路及电火花加工装置，其中电火花电路包括第一放电开关模块、第二放电开关模块、第一交流接触器、桥式开关、负载、第一直流电源和第二直流电源。本发明通过将粗加工和精细加工的放电开关模块、放电电源在物理上进行隔离，可提高精细加工时的电火花电路的抗干扰能力，可实现更加精细等级的脉冲电流控制，从而提高电火花加工的主要技术指标。

Description

电火花电路及电火花加工装置

技术领域

本发明涉及电火花加工技术领域，特别涉及一种电火花电路和电火花加工装置。

背景技术

电火花加工的能量，是由电火花电路将放电电源通过放电开关管的通断来形成高频脉冲电流，该高频脉冲电流在经过电极和工件之间形成间隙放电来构成整个电火花加工回路。

传统电火花电路，一般根据加工条件，通过控制放电开关模块中与符合加工条件的IP(Ipeak，峰值电流，IP是电火花加工中电流大小的一种描述，IP后的数字即表示相应的电流大小，比如IP0.5、IP32等)电流对应的放电开关管进行高频通断，进而将放电电源形成高频脉冲电流。由于放电开关模块中既包括粗加工条件的IP电流对应的放电开关管支路，还包括精细加工条件的IP电流对应的放电开关管支路，且两者共用一个放电电源，所以该电火花电路仍存在以下问题：在精细加工时波形控制不精准；在电网电压波动时加工性能也会有所波动；最小IP通常在0.5，比较粗糙；在微细修刀(高频低幅)时干扰较严重。由于上述缺点，传统电火花电路对加工的主要指标影响非常大，特别是表面粗糙度、加工精度，严重限制了电火花加工向精细化加工领域的进一步应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中由于电火花电路架构固有的缺陷，加工时容易受到干扰，进而影响了电火花加工的主要技术指标的缺陷，提供一种电火花电路和电火花加工装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种电火花电路，其特点是，包括第一放电开关模块、第二放电开关模块、第一交流接触器、桥式开关、负载、第一直流电源和第二直流电源；

所述第一直流电源用于向所述第一放电开关模块供电，所述第二直流电源用于向所述第二放电开关模块供电，所述第一直流电源的负极通过所述第一交流接触器与所述第二直流电源的负极连接；

所述第一放电开关模块、所述第二放电开关模块分别通过所述桥式开关与所述负载电连接，所述负载的一端与放电用的电极连接、另一端与待加工的工件连接；

所述第一放电开关模块用于根据第一加工条件，生成符合所述第一加工条件的第一放电电流；所述第二放电开关模块用于根据第二加工条件，生成符合所述第二加工条件的第二放电电流，所述第二放电电流小于所述第一放电电流；

在执行所述第一加工条件时，所述第一交流接触器闭合，所述桥式开关用于使所述第一放电电流由所述工件流向所述电极，再由所述电极通过所述桥式开关回流至所述第一直流电源的负极；

在执行所述第二加工条件时，所述第一交流接触器断开以使所述第二放电开关模块与所述第一放电开关模块实现物理隔离，所述桥式开关用于使所述第二放电电流由所述电极流向所述工件，并由所述工件通过所述桥式开关回流至所述第二直流电源的负极。

根据电火花加工特点，即在绝缘介质中，对正、负两个工具电极(如上述的所述电极和所述工件)施加一定的脉冲电压，该脉冲电压通过控制所述第一放电开关模块或所述第二放电开关模块的通断来产生，这时当两个工具电极互相接近到某一临界距离时，间隙介质被击穿，并在所述第一放电开关模块或所述第二放电开关模块的通断时形成脉冲式放电，从而通过放电建立出对应的所述第一放电电流或所述第二放电电流的闭合回路。由于，每次放电时间和蚀除过程极短，并在此瞬间，产生电磁波、热流体、动力、绝缘介质热解等多种激烈的物理过程，这样单个脉冲放电的物理过程大致可分为三个连续的阶段，即第一阶段：电离→击穿→形成放电通道阶段；第二阶段：火花放电→热膨胀→蚀除材料阶段；第三阶段：蚀除产物抛出→工作液介质消电离阶段。

本方案中，所述第一加工条件是指粗加工条件，这时对应的所述第一放电电流就为较大的电流，从而有利于通过较大的放电电流来对所述工件进行粗糙等级的电火花加工；而所述第二加工条件是指精细加工条件，这时对应的所述第二放电电流就为较小的电流，从而通过较小的放电电流来对所述工件进行精细化的电火花加工。

本方案中，通过所述第一直流电源、所述第一放电开关模块、所述第一交流接触器、所述桥式开关及所述负载等来形成粗加工时所述第一放电电流的电火花电路；而所述第二直流电源、所述第二放电开关模块、所述桥式开关及所述负载等来形成精细加工时所述第二放电电流的电火花电路，并通过所述第一交流接触器的断开来将精细加工时的电火花电路与粗加工时的电火花电路进行物理隔离，这样精细加工时的电火花电路将不会受到粗加工的影响，进而可确保精细加工的精度等级，从而可将电火花加工的精度等级向更精细方向划分。

较佳地，所述电火花电路还包括第二交流接触器、电感器和第一电阻，所述第二交流接触器、所述电感器和所述第一电阻均串接在所述第二直流电源的负极和所述桥式开关之间；

在执行所述第一加工条件时，所述第二交流接触器处于通路状态，所述通路状态的阻抗均低于所述电感器的阻抗和所述第一电阻；

在执行所述第二加工条件时，所述第二交流接触器处于开路状态。

本方案中，所述第一电阻一般优选阻值较大的电阻器，比如几kΩ至几MΩ均可；所述电感器优选能确保所述第二放电电流正常通过且直流阻抗低的电感器；所述第二交流接触器优选能通过较大电流的第二交流接触器，并且闭合通路的阻抗需低于所述电感器的直流阻抗，以确保所述第一放电电流能正常通过且损耗小。这时，在粗加工时，较大的所述第一放电电流就从所述第二交流接触器回流至所述第一直流电源的负极，且所述第一电阻能让所述第二交流接触器有泄放回路；而在精细加工时，所述第二交流接触器处于开路状态，这样较小的所述第二放电电流就从所述电感器回流至所述第二直流电源的负极，这样所述电感器能有效地降低所述第二放电电流的突变，进一步保证加工精度。

较佳地，所述电火花电路还包括第一二极管和第二电阻，所述第一二极管的阴极与所述第一放电开关模块电连接，所述第一二极管的阳极通过所述第二电阻与所述第一直流电源的负极连接。其中，所述第一二极管和所述第二电阻构成所述第一放电开关模块的吸收回路，以便于在粗加工时，吸收所述第一放电开关模块产生的尖峰。

较佳地，所述电火花电路还包括第一交流直流变换模块，所述第一交流直流变换模块用于将外部的第一交流电源转换为直流电以生成所述第一直流电源。鉴于工业加工中，加工电源一般来自工业交流电，如380V交流电源，这样通过所述第一交流直流变换模块来生成所述第一直流电源。

较佳地，所述第一交流直流变换模块包括第一变压器、二极管桥堆和滤波电容器，所述第一变压器用于将所述第一交流电源变压降压；所述二极管桥堆用于将变压降压后的交流电整流为脉动直流电；所述滤波电容器用于将所述脉动直流电滤波稳压后生成所述第一直流电源。

较佳地，所述第一交流直流变换模块还包括第三电阻，所述第三电阻用于作为所述第一直流电源的假负载。

本方案中，鉴于粗加工时，对所述第一直流电源的性能要求较低，所以可采用低成本的电源方案，即通过所述第一变压器进行降压，然后通过所述二极管桥堆进行整流，再采用所述滤波电容器进一步稳压滤波。为获得更好的稳压滤波特性，所述滤波电容器可优选大容量的电容器，比如由两只4700μF的电容器构成。另外，还可将所述第三电阻作为假负载，以提高所述第一直流电源的稳定性。

较佳地，所述电火花电路还包括第二交流直流变换模块，所述第二交流直流变换模块用于将外部的第二交流电源转换为直流电以生成所述第二直流电源。

较佳地，所述第二交流直流变换模块包括第二变压器和AC-DC转换器，所述第二变压器用于将所述第二交流电源变压降压；所述AC-DC转换器用于将变压降压后的交流电变换为直流电以生成所述第二直流电源。

较佳地，所述第二交流直流变换模块还包括PWM控制器，所述PWM控制器用于对所述AC-DC转换器输出的直流电进行负载补偿。

本方案中，鉴于精细加工时，对所述第二直流电源的性能要求较高，这时可采用稳压性能更优的交直流变换方案，即通过所述第二变压器降压，然后通过所述AC-DC转换器获得稳压性能更好的所述第二直流电源。另外，还可采用PWM控制器来对所述第二直流电源的电压值进行反馈补偿，进一步提高所述第二直流电源的性能，以利于更精细等级的电火花加工。

较佳地，所述第一放电开关模块的IP支路包括IP4支路、IP8支路、IP16支路和IP32支路；所述第二放电开关模块的IP支路包括IP0.1支路、IP0.2支路、IP0.4支路、IP1支路和IP2支路。

较佳地，所述第一放电开关模块包括第一限流电阻网络和第一放电管模块，所述第一限流电阻网络中的若干限流电阻和所述第一放电管模块中的若干放电管一一对应连接以构成所述第一放电开关模块的IP支路；

所述第二放电开关模块包括第二限流电阻网络和第二放电管模块，所述第二限流电阻网络中的若干限流电阻和所述第二放电管模块中的若干放电管一一对应连接以构成所述第二放电开关模块的IP支路。

其中，放电管可以优选MOS管。

较佳地，所述IP8支路由两个所述IP4支路并联组成；

和/或，所述IP16支路由4个所述IP4支路并联组成；

和/或，所述IP32支路由8个所述IP4支路并联组成。

本发明还提供一种电火花加工装置，其特点是，包括上述任一项所述的电火花电路。

本发明的积极进步效果在于：本发明通过将粗加工的脉冲电流控制和精细加工的脉冲电流控制物理上隔离，实现了更加精细等级的脉冲电流控制，并提高了电路的抗干扰能力，提高了电火花加工的主要技术指标。

附图说明

图1为本发明的实施例1的电火花电路及电火花加工装置的电路图。

图2为本发明的实施例1的电火花电路及电火花加工装置的测试效果的示意图。

图3为本发明的实施例2的电火花电路及电火花加工装置的第一交流直流变换模块的电路图。

图4为本发明的实施例2的电火花电路及电火花加工装置的第二交流直流变换模块的电路图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的电火花电路及电火花加工装置，其中电火花加工装置包括电火花电路，所述电火花电路包括第一放电开关模块1、第二放电开关模块2、第一交流接触器3、桥式开关4、负载5、第一直流电源6和第二直流电源7；其中，第一直流电源6用于向第一放电开关模块1供电，第二直流电源7用于向第二放电开关模块2供电，第一直流电源6的负极通过第一交流接触器3与第二直流电源7的负极连接；第一放电开关模块1、第二放电开关模块2分别通过桥式开关4与负载5电连接，负载5的一端与放电用的电极8连接、另一端与待加工的工件9连接；第一放电开关模块1用于根据第一加工条件，生成符合所述第一加工条件的第一放电电流；第二放电开关模块2用于根据第二加工条件，生成符合所述第二加工条件的第二放电电流，所述第二放电电流小于所述第一放电电流；在执行所述第一加工条件时，第一交流接触器3闭合，桥式开关4用于使所述第一放电电流由工件9流向电极8，再由电极8通过桥式开关4回流至第一直流电源6的负极；在执行所述第二加工条件时，第一交流接触器3断开以使第二放电开关模块2与第一放电开关模块1实现物理隔离，桥式开关4用于使所述第二放电电流由电极8流向工件9，并由工件9通过桥式开关4回流至第二直流电源7的负极。

具体实施时，桥式开关4由4个开关组成，其中开关PLUS1和开关PLUS2在执行所述第一加工条件时闭合，而开关MINAS1和开关MINAS2在执行所述第二加工条件时闭合，这样在执行不同的加工条件时，桥式开关4用于作为极性切换开关；优选功率电阻RL作为负载5，其中功率电阻RL的规格优选10kΩ/15W。

本实施例中，第一放电开关模块1包括IP4支路、IP8支路、IP16支路和IP32支路，第二放电开关模块2包括IP0.1支路、IP0.2支路、IP0.4支路、IP1支路和IP2支路，为图示简洁，图中仅示出IP4支路、IP32支路、IP0.1支路和IP2支路等支路的放电管(这里优选MOS管作为放电管)，这样通过控制第一放电开关模块1和第二放电开关模块2的通断就可以实现各种IP等级，其中单一IP支路的输出最小可达IP0.1、最大可达IP32，这样通过不同IP支路的通断组合，电火花电路可输出多种等级的IP值，且精度可达到IP0.1。

具体实施时，第一放电开关模块1包括第一限流电阻网络11和第一MOS管模块12，第一限流电阻网络11中的若干限流电阻和第一MOS管模块12中的若干MOS管一一对应连接以构成第一放电开关模块1中的各个IP支路；第二放电开关模块2包括第二限流电阻网络21和第二MOS管模块22，第二限流电阻网络21中的若干限流电阻和第二MOS管模块22中的若干MOS管一一对应连接以构成第二放电开关模块2中的各个IP支路。

进一步，为简化IP支路中的限流电阻及放电管(这里优选MOS管作为放电管)的设计选用，以及提高各个支路的工作稳定性和可靠性，在具体实施中，较大IP值的IP支路可由多个较小IP值的IP支路并联构成，这时较小IP值的IP支路就可由一个限流电阻对应一个MOS管构成，比如IP4及以下的IP支路就作为较小IP值的支路设计，而IP值大于IP4的IP支路就可由多个较小IP值的IP支路构成，比如IP8支路由两个IP4支路并联构成，IP16由4个IP4支路并联构成，IP32由8个IP4支路并联构成，这样有利于提高电火花电路的稳定性和可靠性。这里，IP4支路对应的限流电阻一般为7.5Ω，所以可优选采用两只15Ω的电阻构成该限流电阻，这样在第一放电开关模块1中第一限流电阻网络11就由若干同一规格的15Ω电阻组成，这些电阻的功率值优选300W；第二限流电阻网络21的限流电阻依次为600Ω、300Ω、150Ω、60Ω和30Ω，这些限流电阻的功率均可优选为300W，为图示简洁，图中仅示出600Ω和30Ω的阻值及功率值。

另外，这里优选MOS管作为放电管，至于MOS管是选用NMOS管还是PMOS管，这里不作进一步限定，但本领域的技术人员应当能够理解NMOS管和PMOS管在电路中的连接方式。这里给出在第一放电开关模块1中的MOS管为NMOS管的IP支路的连接作为示例：在每个IP支路中，限流电阻串接于第一直流电源6的正极和NMOS管的漏极之间，NMOS管的源极作为输出端，而NMOS管的栅极作为通断的控制端，这样在第一放电开关模块1中通过控制NMOS管的栅极，使得相应IP支路的NMOS管导通，从而第一直流电源6通过NMOS管的源极进行输出。

本实施例中，所述电火花电路还包括第二交流接触器KL、电感器L1和第一电阻R1，第二交流接触器KL、电感器L1和第一电阻R1均串接在第二直流电源7的负极和桥式开关4之间；在执行所述第一加工条件时，第二交流接触器KL处于通路状态，所述通路状态的阻抗均低于电感器L1的阻抗和第一电阻R1；在执行所述第二加工条件时，第二交流接触器KL处于开路状态。

其中，第一电阻R1一般优选阻值较大的电阻器，比如几kΩ至几MΩ均可；电感器L1优选能确保所述第二放电电流正常通过且直流阻抗低的电感器；第二交流接触器KL优选能通过较大电流的第二交流接触器，并且闭合通路的阻抗低于电感器L1的直流阻抗，以确保所述第一放电电流能正常通过且损耗小。这时，在粗加工时，较大的所述第一放电电流就从第二交流接触器KL回流至第一直流电源6的负极，且第一电阻R1能让第二交流接触器KL有泄放回路；而在精细加工时，第二交流接触器KL处于开路状态，这样较小的所述第二放电电流就从电感器L1回流至第二直流电源7的负极，这样电感器L1能有效地降低所述第二放电电流的突变，进一步保证加工精度。

本实施例中，为吸收第一放电开关模块1因通断而产生的尖峰，所述电火花电路还包括第一二极管VD1和第二电阻R2，其中第一二极管VD1的阴极与第一放电开关模块1电连接，第一二极管VD1的阳极通过第二电阻R2与第一直流电源6的负极连接，这样第一二极管VD1和第二电阻R2就构成第一放电开关模块1的吸收回路，以便于在粗加工时吸收尖峰。

为便于理解本实施例的效果，如图2所示，给出了本实施例在执行所述第二加工条件(即精细加工，这里取IP0.1)时的效果数据，示波器两个通道分别测试电压和电流波形，其中CH1测试电极8和工件9之间电压，CH4测试回流至第二直流电源7的负极的电流。从测试结果可知，电压、电流的波形毛刺极少，表明了本实施例的电火花电路在精细加工时不容易受到干扰，可保证IP0.1这样等级的加工精度。

实施例2

本实施例涉及的电火花电路及电火花加工装置，是在实施例1的基础上，鉴于实际电火花加工常采用工业交流电作为总电源，比如380V交流电，这时就需要将工业交流电变换为直流电，以产生出第一直流电源6和第二直流电源7，即所述电火花电路还包括第一交流直流变换模块和第二交流直流变换模块，其中所述第一交流直流变换模块用于将外部的第一交流电源转换为直流电以生成第一直流电源6，所述第二交流直流变换模块用于将外部的第二交流电源转换为直流电以生成第二直流电源7。这里，所述第一交流电源和所述第二交流电源可以相同，也可以不同，这里不作限定。

鉴于粗加工时，对第一直流电源6的性能要求较低，所以具体实施时可采用低成本的电源方案。如图3所示，所述第一交流直流变换模块包括第一变压器T1、二极管桥堆100和滤波电容器C1，其中第一变压器T1用于将所述第一交流电源(这里为AC380V)变压降压；二极管桥堆100用于将变压降压后的交流电整流为脉动直流电(该直流电的电压值可优选90V、100V或120V)；滤波电容器C1用于将所述脉动直流电滤波稳压后生成第一直流电源6(为图示简洁，图中用DC1作为第一直流电源6的标识)。为获得更好的滤波效果和续流能力，滤波电容器C1可优选大容量电容器，这里滤波电容器C1可由两只容量为4700μF的电容器C11和C12并联。另外，所述第一交流直流变换模块还包括第三电阻R3(这里优选规格为5kΩ/30W的功率电阻器)，用于作为假负载，以提高电源的稳定性。

鉴于精细加工时，对第二直流电源7的性能要求较高，这时可采用稳压性能更优的交直流变换方案。如图4所示，所述第二交流直流变换模块包括第二变压器T2和AC-DC转换器200，第二变压器T2用于将所述第二交流电源(这里为AC380V)变压降压(这里降压后为AC200V)；AC-DC转换器200用于将变压降压后的交流电变换为直流电以生成第二直流电源7(为图示简洁，图中用DC2作为第二直流电源7的标识)，这里AC-DC转换器通过输入端(V+和V-)输入降压后的交流电，经转换后从输出端(C+和C-)输出直流电，一般还在输出端配置电容器、电感器等进行滤波(如图中的C2、C3、L3、C4等)。当然，还可通过AC-DC转换器200的设计来实现不同电压值的调整输出，以满足不同电压值的需求，这里不再展开说明。

进一步，为使输出电压更稳定和性能更良好，所述第二交流直流变换模块还包括PWM控制器300，PWM控制器300用于对AC-DC转换器200输出的直流电进行负载补偿，其中PWM控制器300的Source端通过电阻R5、二极管VD2、电感器L2、二极管VD3和开关MOS管Q1对输出电压进行反馈调整，从而实现负载补偿，以利于更精细等级的电火花加工。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种电火花电路，其特征在于，包括第一放电开关模块、第二放电开关模块、第一交流接触器、桥式开关、负载、第一直流电源和第二直流电源；

在执行所述第二加工条件时，所述第一交流接触器断开以使所述第二放电开关模块与所述第一放电开关模块实现物理隔离，所述桥式开关用于使所述第二放电电流由所述电极流向所述工件，并由所述工件通过所述桥式开关回流至所述第二直流电源的负极；

所述电火花电路还包括第二交流接触器、电感器和第一电阻，所述第二交流接触器、所述电感器和所述第一电阻均串接在所述第二直流电源的负极和所述桥式开关之间；

2.如权利要求1所述的电火花电路，其特征在于，所述电火花电路还包括第一二极管和第二电阻，所述第一二极管的阴极与所述第一放电开关模块电连接，所述第一二极管的阳极通过所述第二电阻与所述第一直流电源的负极连接。

3.如权利要求1所述的电火花电路，其特征在于，所述电火花电路还包括第一交流直流变换模块，所述第一交流直流变换模块用于将外部的第一交流电源转换为直流电以生成所述第一直流电源。

4.如权利要求3所述的电火花电路，其特征在于，所述第一交流直流变换模块包括第一变压器、二极管桥堆和滤波电容器，所述第一变压器用于将所述第一交流电源变压降压；所述二极管桥堆用于将变压降压后的交流电整流为脉动直流电；所述滤波电容器用于将所述脉动直流电滤波稳压后生成所述第一直流电源；

或所述第一交流直流变换模块包括第一变压器、二极管桥堆、滤波电容器和第三电阻；所述第一变压器用于将所述第一交流电源变压降压；所述二极管桥堆用于将变压降压后的交流电整流为脉动直流电；所述滤波电容器用于将所述脉动直流电滤波稳压后生成所述第一直流电源；所述第三电阻用于作为所述第一直流电源的假负载。

5.如权利要求1所述的电火花电路，其特征在于，所述电火花电路还包括第二交流直流变换模块，所述第二交流直流变换模块用于将外部的第二交流电源转换为直流电以生成所述第二直流电源。

6.如权利要求5所述的电火花电路，其特征在于，所述第二交流直流变换模块包括第二变压器和AC-DC转换器，所述第二变压器用于将所述第二交流电源变压降压；所述AC-DC转换器用于将变压降压后的交流电变换为直流电以生成所述第二直流电源。

7.如权利要求6所述的电火花电路，其特征在于，所述第二交流直流变换模块还包括PWM控制器，所述PWM控制器用于对所述AC-DC转换器输出的直流电进行负载补偿。

8.如权利要求1所述的电火花电路，其特征在于，所述第一放电开关模块的IP支路包括IP4支路、IP8支路、IP16支路和IP32支路；

所述第二放电开关模块的IP支路包括IP0.1支路、IP0.2支路、IP0.4支路、IP1支路和IP2支路。

9.如权利要求8所述的电火花电路，其特征在于，所述第一放电开关模块包括第一限流电阻网络和第一放电管模块，所述第一限流电阻网络中的若干限流电阻和所述第一放电管模块中的若干放电管一一对应连接以构成所述第一放电开关模块的IP支路；

10.如权利要求8所述的电火花电路，其特征在于，所述IP8支路由两个所述IP4支路并联组成；

和/或，所述IP16支路由4个所述IP4支路并联组成；

和/或，所述IP32支路由8个所述IP4支路并联组成。

11.一种电火花加工装置，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的电火花电路。