CN111277138A - 针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源及其加工方法，该电源包括主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、AD模块、FPGA数字控制电路，其中主功率电路采用交错并联同步整流Buck变换器，用于给间隙充电，提供三刀加工的放电能量；所述电流检测电路和电压检测电路用于实时检测三刀加工过程中间隙的电流和电压信号；所述AD模块用于将采集的间隙电流和电压转换为数字信号；所述FPGA数字控制电路根据间隙电压、电流数字信号，生成控制开关管的导通关断的PWM，第二刀引入能量补偿策略，在电极丝中间不易放电，击穿等待时间长时加大电流阈值，增大爆炸力，对工件突出部分进行大能量修刀。本发明有效避免了腰鼓的产生。

Description

针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源及其加工方法
技术领域
本发明涉及高速往复走丝(中走丝)电火花线切割高频脉冲电源，特别是涉及一种针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源及其加工方法。
背景技术
随着现代工业的不断发展，被加工的材料多种多样，这对加工精度、难度、加工速度等都有了更高的要求，传统的机械加工方式已经很难满足现代加工材料的要求。电火花加工是在一定的液体介质中，通过两极间可控的连续脉冲性火花放电对金属材料进行熔化、气化蚀除加工的方法，电火花线切割加工节能脉冲电源已经逐渐被引入电力电子技术。现有加工机床使用的脉冲电源大部分仍采用电阻式，无法控制电流，能量损耗严重。也有少部分的节能无阻式脉冲电源简单的引入电感储能放电，虽然电流在一定程度上已经可以控制，但是第二刀由于大能量修刀，爆炸力持续时间长，导致电极丝摆动，使得电极丝中间部分不易放电，普遍存在腰鼓问题，实际加工效果并不好，尤其是对厚工件(100mm及以上)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源及其加工控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，包括主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、AD模块、FPGA数字控制电路，其中主功率电路采用交错并联同步整流Buck变换器，用于给间隙充电，提供三刀加工的放电能量；所述电流检测电路和电压检测电路用于实时检测三刀加工过程中间隙的电流和电压信号；所述AD模块用于将采集的间隙电流和电压转换为数字信号；所述FPGA数字控制电路根据间隙电压、电流数字信号，生成控制开关管的导通关断的PWM。
进一步的，所述脉冲电源主功率电路包括直流源，输入电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电感、第二电感。所述直流源，输入电容、第一开关管、第二开关管、第一电感构成第一路Buck电路，第三开关管、第四开关管、第二电感构成第二路Buck，第二路Buck输入输出并在第一路Buck输入输出上，第一电感和第二电感耦合，构成两路交错并联的同步整流Buck变换器，变换器输出正极接工件，负极接电极丝，将电源接入间隙。
进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管采用Infineon公司的型号为IRFB4229的MOSFET。
进一步的，所述电流检测电路采用电流检测芯片ACS733。
进一步的，所述电压检测电路采用仪表用放大器。
进一步的，所述FPGA的数字控制电路采用EP4CE15F23C8。
进一步的，所述AD模块选用AD9226。
一种基于上述中走丝线切割脉冲电源的加工控制方法，包括如下步骤：
步骤一：第一刀加工开始时，FPGA控制第一开关管、第三开关管导通，第二开关管、第四开关管关断，两路Buck同开，输入电压加在间隙两端，给间隙充电；FPGA通过比较间隙电压值与给定电压阈值来判断间隙是否击穿，当FPGA接收到的间隙电压值等于或低于给定电压阈值时，代表间隙击穿，这段时间为等待击穿时间，间隙击穿后放电电流开始快速上升，当电流值上升至FPGA设置的电流阈值后，控制第一开关管导通，固定时间后控制第一开关管关闭，第二开关管导通，第一路Buck工作；第一开关管导通相位延迟180°后第三开关管导通，固定时间后Q3关断，第四开关管导通，第二路Buck工作，自此开始进入两路交错并联，通过采集间隙电流，与给定值比较后FPGA输出PWM控制开关管，进行平均电流控制；到达设置的交错时间后，FPGA控制第一开关管、第三开关管关断，第二开关管、第四开关管导通，两路Buck全关，间隙电流下降；
步骤二：重复步骤一，到达所设置的第一刀结束坐标后，第一刀加工结束；
步骤三：第一刀加工结束后开启第二刀加工，第二刀开始时FPGA控制第一开关管、第三开关管导通，第二开关管、第四开关管关断，间隙充电，FPGA开始进行能量补偿；当间隙电流上升至给定电流阈值时，第一开关管、第三开关管关断，第二开关管、第四开关管导通，两路Buck全关，间隙电流下降；
步骤四、重复步骤三，到达所设置的第二刀结束坐标后，第二刀加工结束。
步骤五：第二刀加工结束后开启第三刀加工，FPGA控制第一开关管、第三开关管导通，第二开关管、第四开关管关闭，第一开关管、第三开关管导通后电流上升，到达导通时间后第一开关管、第三开关管关断，经过死区时间后，第二开关管、第四开关管导通，间隙电流下降；
步骤六：重复上述步骤五，到达所设置的第三刀结束坐标后，第三刀加工结束，取出工件。
进一步的，步骤1中，在FPGA中设置了一个电流上升最大时间td，当间隙电流在td内未上升到给定电流阈值，FPGA直接控制两路Buck全关。
进一步的，步骤2中，电流阈值设置与等待击穿时间有关，设置等待击穿时间在0-1μs以内的单次放电电流阈值为Id_set，等待击穿时间在2-3μs以内的单次放电电流阈值为1.2Id_set，等待击穿时间在3-5μs以内的单次放电电流阈值为1.5Id_set。
本发明与现有技术相比，其显著特点：1)主功率电路采用交错并联同步整流Buck变换器，采用有着极低通态电阻的MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗，不仅大大提高了DC/DC变换器的效率，而且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压，适用于低压大电流，电路结构简单，动态响应高，电流上升下降速度快，纹波小，加工过程全可控，电路稳定可靠。2)由于采用了耦合电感技术，进一步减小了第一刀加工电路交错时电流纹波，电流可实现高精度连续可调，满足线切割日常加工需求，并进一步加快第二刀加工时电流上升下降速度，减小放电脉宽，爆炸力持续时间短，使得电极丝摆动幅度小。3)第二刀引入能量补偿策略，在电极丝中间不易放电，击穿等待时间长时加大电流阈值，增大爆炸力，对工件突出部分进行大能量修刀，有效避免了腰鼓的产生。
附图说明
图1为本发明针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源的系统结构图。
图2为本发明电压检测电路图。
图3为本发明电流检测电路图。
图4为本发明FPGA数字控制电路图。
图5为本发明第一刀加工PWM时序以及间隙电压电流波形图。
图6为本发明第二刀加工PWM时序以及间隙电压电流波形图。
图7为本发明第三刀加工PWM时序以及间隙电压电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，包括主功率电路、电压检测电路、电流检测电路和FPGA数字控制电路，其中主功率电路采用交错并联同步整流Buck变换器，用于给间隙充电，提供三刀加工的放电能量；所述电流检测电路和电压检测电路用于实时检测三刀加工过程中间隙的电流和电压信号；所述FPGA数字控制电路接收实时间隙电压、电流信号，生成控制开关管的导通关断的PWM。
所述脉冲电源主功率电路包括直直流源E，输入电容Cin、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电感L1、第二电感L2。所述直流源E，输入电容Cin、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感L1构成第一路Buck电路，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第二电感L2构成第二路Buck，第二路Buck输入输出并在第一路Buck输入输出上，第一电感L1和第二电感L2耦合，构成两路交错并联的同步整流Buck变换器，变换器输出正极接工件，负极接电极丝，将电源接入间隙。
所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4采用Infineon公司的型号为IRFB4229的MOSFET，DS耐压VDSS最高300V，额定电流在25℃时ID为46A，开关管导通电阻38mΩ，导通上升时间31ns，导通延迟时间18ns，保证了间隙的快速充电击穿，基本满足线切割加工所需电压电流需求。
如图2所示，电压检测电路采用运算放大电路，通过差分采样将间隙输出电压转换为FPGA数模转换模块可接受电压范围。
如图3所示，电流检测电路采用电流检测芯片ACS732，带宽1MHz，可测±40A电流，采用常规5V供电，通过放大调理电路将检测电流值转换为FPGA数模转换模块可接受电压范围的电压信号。
如图4所示，所述FPGA数字控制电路包括EP4CE15F23C8和AD9226，AD9226接收间隙输出电压电流模拟信号，转换为数字信号传输给EP4CE15F23C8，由EP4CE15F23C8生成相应PWM控制主功率电路。
针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：第一刀加工开始时，FPGA控制第一开关管Q1、第三开关管Q3导通，第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，两路Buck同开，输入电压E加在间隙两端，给间隙充电。
FPGA通过比较间隙电压值与给定电压阈值来判断间隙是否击穿，当FPGA接收到的间隙电压值等于或低于给定电压阈值时，代表间隙击穿，这段时间为等待击穿时间，间隙击穿后放电电流开始快速上升，当电流值上升至FPGA设置的电流阈值后，第一开关管Q1导通，固定时间后Q1关断，第二开关管Q2导通，第一路Buck工作；第一开关管Q1导通相位延迟180°后第三开关管Q3导通，固定时间后Q3关断，第四开关管Q4导通，第二路Buck工作，自此开始进入两路交错并联，通过采集主回路电流，与给定值比较后FPGA输出PWM控制开关管，进行平均电流控制，到达设置的交错时间后，FPGA控制第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，第二开关管Q2、第四开关管Q4导通，两路Buck全关，间隙电流下降。
为了防止特殊加工状况出现降低加工效率，在FPGA中设置了一个电流上升最大时间td，当间隙电流在td内未上升到给定电流阈值，FPGA直接控制两路Buck全关。
步骤二：重复步骤一，到达所设置的第一刀结束坐标后，第一刀加工结束。
步骤三：第一刀加工结束后开启第二刀加工，第二刀开始时FPGA控制第一开关管Q1、第三开关管Q3导通，第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，间隙充电，FPGA开始进行能量补偿；
由于电极丝中间部分不易放电，等待击穿时间长，根据这一特性，设置等待击穿时间在0-1μs以内的单次放电电流阈值为Id_set，等待击穿时间在2-3μs以内的单次放电电流阈值为1.2Id_set，等待击穿时间在3-5μs以内的单次放电电流阈值为1.5Id_set，其中Id_set的系数可根据实际加工情况调整。
当间隙电流上升至给定电流阈值时，第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，第二开关管Q2、第四开关管Q4导通，两路Buck全关，间隙电流下降。
步骤四、重复步骤三，到达所设置的第二刀结束坐标后，第二刀加工结束。
步骤五：第二刀加工结束后开启第三刀加工，FPGA控制第一开关管Q1、第三开关管Q3导通，第二开关管Q2、第四开关管Q4关闭，第一开关管Q1、第三开关管Q3导通后电流上升，到达导通时间后第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，100ns死区时间后第二开关管Q2、第四开关管Q4导通，间隙电流下降。导通时间可根据实际加工效果调整。
步骤六：重复上述步骤五，到达所设置的第三刀结束坐标后，第三刀加工结束，取出工件。
上述方案中，加工前会绘制加工图形，第一刀加工到设置的位置坐标后自动切换到第二刀进行修刀，修到第二刀设置的坐标后自动开始第三刀。
综上所述，本发明在第一加工开始时两路全通，电流迅速上升，当上升至FPGA设定的电流阈值后开始进入交错，并采用平均电流控制，到达交错时间后两路全关进入放电脉间；第二刀两路同开，由于耦合电感，电流迅速上升，到达设定的电流阈值后两路同关，电流迅速下降，在保证大能量前提下减小了放电脉宽，同时通过FPGA引入能量补偿控制方法，加大电极丝中间部分放电能量；第三刀时两路同开电流上升，到达给定的开关管导通时间后两路同关。本发明结合脉冲电源电路原理与数字控制方式，实现了第一刀加工放电电流高精度的连续可调，并有针对性的实时控制第二刀每一次放电的能量，在保证高效率高精度稳定加工的同时，避免了腰鼓问题。

Claims (10)

1.针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，包括主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、AD模块、FPGA数字控制电路，其中主功率电路采用交错并联同步整流Buck变换器，用于给间隙充电，提供三刀加工的放电能量；所述电流检测电路和电压检测电路用于实时检测三刀加工过程中间隙的电流和电压信号；所述AD模块用于将采集的间隙电流和电压转换为数字信号；所述FPGA数字控制电路根据间隙电压、电流数字信号，生成控制开关管的导通关断的PWM。
2.根据权利要求1所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，所述脉冲电源主功率电路包括直流源(E)，输入电容(Cin)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一电感(L1)、第二电感(L2)。所述直流源(E)，输入电容(Cin)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一电感(L1)构成第一路Buck电路，第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第二电感(L2)构成第二路Buck，第二路Buck输入输出并在第一路Buck输入输出上，第一电感(L1)和第二电感(L2)耦合，构成两路交错并联的同步整流Buck变换器，变换器输出正极接工件，负极接电极丝，将电源接入间隙。
3.根据权利要求1所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，所述第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)采用Infineon公司的型号为IRFB4229的MOSFET。
4.根据权利要求1所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，所述电流检测电路采用电流检测芯片ACS733。
5.根据权利要求1所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，所述电压检测电路采用仪表用放大器。
6.根据权利要求1所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，所述FPGA的数字控制电路采用EP4CE15F23C8。
7.根据权利要求1所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源，其特征在于，所述AD模块选用AD9226。
8.根据权利要求1-7任一项所述针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：第一刀加工开始时，FPGA控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)导通，第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)关断，两路Buck同开，输入电压(E)加在间隙两端，给间隙充电；FPGA通过比较间隙电压值与给定电压阈值来判断间隙是否击穿，当FPGA接收到的间隙电压值等于或低于给定电压阈值时，代表间隙击穿，这段时间为等待击穿时间，间隙击穿后放电电流开始快速上升，当电流值上升至FPGA设置的电流阈值后，控制第一开关管(Q1)导通，固定时间后控制第一开关管(Q1)关闭，第二开关管(Q2)导通，第一路Buck工作；第一开关管(Q1)导通相位延迟180°后第三开关管(Q3)导通，固定时间后Q3关断，第四开关管(Q4)导通，第二路Buck工作，自此开始进入两路交错并联，通过采集间隙电流，与给定值比较后FPGA输出PWM控制开关管，进行平均电流控制；到达设置的交错时间后，FPGA控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)关断，第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)导通，两路Buck全关，间隙电流下降；
步骤二：重复步骤一，到达所设置的第一刀结束坐标后，第一刀加工结束；
步骤三：第一刀加工结束后开启第二刀加工，第二刀开始时FPGA控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)导通，第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)关断，间隙充电，FPGA开始进行能量补偿；当间隙电流上升至给定电流阈值时，第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)关断，第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)导通，两路Buck全关，间隙电流下降；
步骤四、重复步骤三，到达所设置的第二刀结束坐标后，第二刀加工结束；
步骤五：第二刀加工结束后开启第三刀加工，FPGA控制第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)导通，第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)关闭，第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)导通后电流上升，到达导通时间后第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)关断，经过死区时间后，第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)导通，间隙电流下降；
步骤六：重复上述步骤五，到达所设置的第三刀结束坐标后，第三刀加工结束，取出工件。
9.根据权利要求8所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源的加工方法，其特征在于，步骤1中，在FPGA中设置了一个电流上升最大时间td，当间隙电流在td内未上升到给定电流阈值，FPGA直接控制两路Buck全关。
10.根据权利要求8所述的针对腰鼓问题加工用中走丝线切割脉冲电源的加工方法，其特征在于，步骤2中，电流阈值设置与等待击穿时间有关，设置等待击穿时间在0-1μs以内的单次放电电流阈值为Id_set，等待击穿时间在2-3μs以内的单次放电电流阈值为1.2Id_set，等待击穿时间在3-5μs以内的单次放电电流阈值为1.5Id_set。
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