CN113878183A - 一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，涉及电火花加工领域，工控机向主控制器输出放电参数串行数据，采样模块向主控制器输出放电时间采样信号、异常放电采样信号、材料类型采样信号，主控制器对输入的信号进行模式选择处理后输出低压信号、高压脉冲信号、负脉冲信号至驱动放大模块，驱动放大模块对接收的三种信号进行加强和驱动处理后输出低压回路驱动信号、高压回路驱动信号和负脉冲回路驱动信号至放电主回路；放电主回路输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块，采样模块将间隙电流信号和间隙电压信号与设置的放电间隙电流信号和放电间隙电压信号进行比较后输出信号至主控制器。实现了多种脉冲模式及其参数在线调整的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电火花加工领域，特别涉及一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源。
背景技术
目前绝缘-导电多层结构材料的电火花加工方式，由于不同的材料层具有不同的物理性质，如果采用同一参数进行一次加工成型，则不同材料层的加工表面质量、加工精度会产生差异。为了解决这个问题，现有的脉冲电源通过检测电路实时采集放电间隙的电流、电压波形，通过主控模块判断当前加工的材料类型，根据材料类型判断结果，在线调整电流、电压和脉宽参数，使加工参数与所加工的材料相对应，一定程度上提高了不同材料层的电火花加工表面质量以及加工精度的一致性。
在加工绝缘-导电多层结构材料时，现有的电火花加工脉冲电源仅能在等电压脉宽模式下进行放电参数的调节。等电压脉宽模式是指放电过程中，开路电压始终保持恒定，且脉宽持续时间为恒定值。如专利号为CN201910590893.2的绝缘陶瓷涂层-金属电火花加工的参数自调整脉冲电源，实现的功能就是对电火花加工过程中，放电参数对材料类型实时调整的。而对于绝缘-导电多层结构材料的某些特定的工艺指标，针对加工材料类型的随时改变，不仅要求放电参数的自适应调节，还需要实现脉冲模式的自适应调节，如等电流脉宽模式、高低压复合脉冲模式、正负脉冲模式等。因此，如何解决现有的绝缘-导电多层结构材料电火花加工脉冲电源既能根据材料类型信息在线调整放电参数、又能实时调整脉冲模式的问题成为当前急需解决的问题。
发明内容
针对现有电火花加工脉冲电源的不足，本发明提供一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，能在高压电机启动时，进行电压补偿，稳定电压，降低线损，提高电能质量，实现快速启动。本发明的多模式自适应脉冲电源可根据实时检测的加工材料类型，对多种脉冲模式及其参数进行在线调整，这些脉冲模式包括：等电流脉冲模式、等电压脉冲模式、高低压复合脉冲模式、正负脉冲模式和分组脉冲模式，参照图4，硬件方面等电流脉冲模式、等电压脉冲模式通过低压回路实现；高低压复合模式通过高压回路和低压回路配合实现；正负脉冲模式通过低压回路和负脉冲回路配合实现，分组脉冲模式通过低压回路实现。为了实现这些功能，分别对脉冲电源的硬件电路和主控制器进行了设计。
本发明采用的技术方案是：
一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，它包括工控机和放电间隙，它还包括驱动放大模块1、放电主回路2、采样模块3和主控制器4；
驱动放大模块1包括8路低压回路驱动电路1-1、1路高压回路驱动电路1-2和1路负脉冲回路驱动电路1-3；低压回路驱动电路1-1、高压回路驱动电路1-2和负脉冲回路驱动电路1-3分别采用直流电源独立供电，且不共地；
放电主回路2包括低压脉冲回路2-1、高压脉冲回路2-2、负脉冲回路2-3和放电间隙并联回路2-4；低压脉冲回路2-1、高压脉冲回路2-2、负脉冲回路2-3和放电间隙并联回路2-4相互并联；
采样模块3包括放电时间采样电路3-1、异常放电采样电路3-2和材料类型采样电路3-3；
主控制器4用于接收工控机发送的多层材料电火花加工所需的放电参数串行数据、放电时间采样电路3-1发送的放电时间采样信号、异常放电采样电路3-2发送的异常放电采样信号和材料类型采样电路3-3发送的材料类型采样信号，且根据放电参数串行数据、放电时间采样信号、异常放电采样信号、材料类型采样信号进行模式选择处理，模式选择处理后向驱动放大模块1中的低压回路驱动电路1-1发送低压信号、向高压回路驱动电路1-2发送高压脉冲信号、向负脉冲回路驱动电路1-3发送负脉冲信号；
低压回路驱动电路1-1用于对接收的低压信号进行加强和驱动处理后输出低压回路驱动信号至放电主回路2中的低压脉冲回路2-1；
高压回路驱动电路1-2用于对接收的高压脉冲信号进行加强和驱动处理后输出高压回路驱动信号至放电主回路2中的高压脉冲回路2-2；
负脉冲回路驱动电路1-3用于对接收的负脉冲信号进行加强和驱动处理后输出负脉冲回路驱动信号至放电主回路2中的负脉冲回路2-3；
低压脉冲回路2-1用于根据接收的低压回路驱动信号驱动后输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块3；
高压脉冲回路2-2用于根据接收的高压回路驱动信号驱动后输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块3；
负脉冲回路2-3用于根据接收的负脉冲回路驱动信号驱动后输出间隙电流和间隙电压信号至采样模块3；
放电间隙并联回路2-4用于根据低压脉冲回路2-1、高压脉冲回路2-2和负脉冲回路2-3的被驱动情况工作或不工作，实时反应间隙电流信号和间隙电压信号；放电间隙并联回路2-4还用于并联在放电间隙的间隙正极和间隙负极两端；
放电时间采样电路3-1用于接收间隙电流信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较后输出放电时间采样信号；
异常放电采样电路3-2用于接收间隙电流信号和间隙电压信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较，将间隙电压信号与设置的间隙放电电压阈值进行比较，比较后输出异常放电采样信号；
材料类型采样电路3-3用于接收间隙电流信号和间隙电压信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较，将间隙电压信号与设置的间隙放电电压阈值进行比较，比较后输出材料类型采样信号。
本发明中，主控制器4包括串口接收模块4-1、材料类型判别模块4-2、参数调整模块4-3、模式选择模块4-4、PWM生成模块4-5、异常放电状态判别模块4-6、低压脉冲回路控制模块4-7、负脉冲回路控制模块4-8和高压脉冲回路控制模块4-9；
所述串口接收模块4-1用于接收工控机发送的多层材料电火花加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数调整模块4-3；
所述材料类型判别模块4-2用于接收材料类型采样电路3-3发送的材料类型采样信号和PWM生成模块4-5输出的低压回路PWM信号，并根据材料类型采样信号和低压回路PWM信号对材料类型进行判别，判别后输出材料类型判别信号至参数调整模块4-3；
所述参数调整模块4-3用于根据材料类型判别模块4-2输出的材料类型判别信号和放电参数并行数据对参数进行调整，调整后向低压脉冲回路控制模块4-7输出峰值电流信号，向PWM生成模块4-5输出脉宽信号和脉间信号，向模式选择模块4-4输出脉冲模式信号；
所述模式选择模块4-4用于根据脉冲模式信号进行模式选择，并向PWM生成模块4-5输出高压脉冲信号、负脉冲信号和5路模式使能信号；所述5路模式使能信号为使能信号1、使能信号2、使能信号3、使能信号4和使能信号5，用于控制PWM生成模块4-5工作和停止；
所述异常放电状态判别模块4-6用于接收异常放电采样回路2发送的异常放电采样信号和PWM生成模块4-5输出的低圧回路PWM信号，并根据异常放电采样信号和低圧回路PWM信号进行判别，判别后输出异常放电状态判别信号至PWM生成模块4-5；
所述PWM生成模块4-5用于根据接收的放电时间采样电路3-1输出的放电时间采样信号、参数调整模块4-3输出的脉宽信号和脉间信号、模式选择模块4-4输出的高压脉冲信号和负脉冲信号以及模式使能信号、异常放电状态判别模块4-6输出的异常放电状态判别信号生成低圧回路PWM信号、高压回路PWM信号和负脉冲回路PWM信号，并将生成的低圧回路PWM信号输出至低压脉冲回路控制模块4-7，将生成的高压回路PWM信号输出至高压脉冲回路控制模块4-9，将生成的负脉冲回路PWM信号输出至负脉冲回路控制模块4-8；
所述低压脉冲回路控制模块4-7用于根据接收的峰值电流信号和低压回路PWM信号，输出低压信号至驱动放大模块1中的8路低压回路驱动电路1-1；
所述负脉冲回路控制模块4-8用于根据接收的负脉冲回路PWM信号，输出1路负脉冲信号至驱动放大模块1中的负脉冲回路驱动电路1-3；
所述高压脉冲回路控制模块4-9用于根据接收的高压回路PWM信号，输出1路高压脉冲信号至驱动放大模块1中的高压回路驱动电路1-2。
本发明中，所述PWM生成模块4-5包括等电压脉宽模式PWM生成模块4-51、等电流脉宽模式PWM生成模块4-52、分组脉冲模式PWM生成模块4-53、高低压复合脉冲模式PWM生成模块4-54、正负脉冲模式PWM生成模块4-55和PWM输出模块4-56；
所述等电压脉宽模式PWM生成模块4-51用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号1，并对接收的脉宽信号、脉间信号和使能信号1进行等电压脉宽逻辑处理后生成PWM1，且将PWM1输出至PWM输出模块4-56；
所述等电流脉宽模式PWM生成模块4-52用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号2和所述放电时间采样信号，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号2和放电时间采样信号进行等电流脉宽处理后生成PWM2，且将PWM2输出至PWM输出模块4-56；
所述分组脉冲模式PWM生成模块4-53用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号3，并对接收的脉宽信号、脉间信号和使能信号3进行分组脉冲逻辑处理后生成PWM3，且将PWM3输出至PWM输出模块4-56；
所述高低压复合脉冲模式PWM生成模块4-54用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号4和脉冲模式信号前5位数据，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号4和脉冲模式信号前5位数据进行高低压复合脉冲逻辑处理后生成PWM4和高压脉冲PWM，且将PWM4和高压脉冲PWM输出至PWM输出模块4-56；
所述正负脉冲模式PWM生成模块4-55用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号5、脉冲模式信号前5位数据，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号5和脉冲模式信号前5位数据进行正负脉冲逻辑处理后生成PWM5和负脉冲PWM，且将PWM5和负脉冲PWM输出至PWM输出模块4-56；
所述PWM输出模块4-56用于对接收的异常放电状态判别信号、所述PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、高压脉冲PWM、负脉冲PWM进行分路处理后，输出低圧回路PWM信号至低压脉冲回路控制模块4-7，输出高压回路PWM信号至高压脉冲回路控制模块4-9，输出负脉冲回路PWM信号至负脉冲回路控制模块4-8。
本发明中，该脉冲电源还包括分压截波采样电路，分压截波采样电路用于对放电主回路2输出的间隙电压信号进行钳位抗干扰处理，并输出钳位抗干扰处理后的间隙电压信号至采样模块3中的材料类型采样电路3-3；
分压截波采样电路包括二极管D8、二极管D9、电阻R5、电阻R6和电压跟随器，二极管D8、二极管D9串联，电阻R5、电阻R6串联，
电阻R5的一端连接放电间隙的间隙正极，电阻R5的另一端同时二极管D8的阳极和电压跟随器的输入端，电阻R6的一端同时连接放电间隙的间隙负极、二极管D9的阳极、电压跟随器的输入端和公共地；二极管D8的阴极连接截波供电电压U1；
电压跟随器输出钳位抗干扰处理后的间隙电压信号至采样模块3中的材料类型采样电路3-3。
本发明中，该脉冲电源还包括涡流传感器，涡流传感器用于采集间隙电流信号，并将采集的间隙电流信号传输至采样模块3中的放电时间采样电路3-1、异常放电采样电路3-2和材料类型采样电路3-3。
本发明中，低压回路驱动电路1-1包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器4发出的低压信号经光电隔离模块隔离加强后传送至低压驱动模块，经驱动模块5驱动后控制晶体管开通；
低压回路驱动电路1-1中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；低压回路驱动电路1-1中的晶体管采用IRFP450。
本发明中，高压回路驱动电路1-2包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器4发出的高压脉冲信号经光电隔离模块隔离加强后传送至驱动模块，经驱动模块驱动后控制晶体管开通；
高压回路驱动电路1-2中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；高压回路驱动电路1-2中的晶体管采用IRF820A。
本发明中，负脉冲回路驱动电路1-3包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器4发出的负脉冲信号经光电隔离模块隔离加强后传送至驱动模块，经驱动模块驱动后控制晶体管开通；
负脉冲回路驱动电路1-3中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；负脉冲回路驱动电路1-3中的晶体管采用IRF830A。
有益效果：本发明所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，实时检测和判断当前加工的材料类型，主控制器根据材料类型采样信号、放电时间采样信号和异常放电采样信号，在线调节脉冲模式和放电参数，控制低压脉冲回路、高压脉冲回路和负脉冲回路的放电时序，实现火花放电的在线调节。该脉冲电源可基于所加工的材料类型，自适应调节脉冲模式和放电参数，进一步提高不同材料层的电火花加工表面质量以及加工精度的一致性。本发明的多模式自适应脉冲电源可根据实时检测的加工材料类型，对多种脉冲模式及其参数进行在线调整。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的脉冲电源总体结构图；
图3是本发明的主控制器的结构框图；
图4是本发明的主控制器的PWM生成模块的结构框图；
图5是本发明的分压截波采样电路的结构示意图；
图6是本发明的低压回路驱动电路、高压回路驱动电路和负脉冲回路驱动电路的结构图；
图7是本发明的主控制器的模式选择模块程序流程图；
图8是本发明的放电主回路的低压脉冲回路、高压脉冲回路、负脉冲回路和放电间隙并联回路的结构关系图；
图9是本发明的PWM生成模块中的PWM输出模块的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1至9说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，它包括工控机和放电间隙，它还包括驱动放大模块1、放电主回路2、采样模块3和主控制器4；
驱动放大模块1包括8路低压回路驱动电路1-1、1路高压回路驱动电路1-2和1路负脉冲回路驱动电路1-3；低压回路驱动电路1-1、高压回路驱动电路1-2和负脉冲回路驱动电路1-3分别采用直流电源独立供电，且不共地；
放电主回路2包括低压脉冲回路2-1、高压脉冲回路2-2、负脉冲回路2-3和放电间隙并联回路2-4；低压脉冲回路2-1、高压脉冲回路2-2、负脉冲回路2-3和放电间隙并联回路2-4相互并联；
采样模块3包括放电时间采样电路3-1、异常放电采样电路3-2和材料类型采样电路3-3；
主控制器4用于接收工控机发送的多层材料电火花加工所需的放电参数串行数据、放电时间采样电路3-1发送的放电时间采样信号、异常放电采样电路3-2发送的异常放电采样信号和材料类型采样电路3-3发送的材料类型采样信号，且根据放电参数串行数据、放电时间采样信号、异常放电采样信号、材料类型采样信号进行模式选择处理，模式选择处理后向驱动放大模块1中的低压回路驱动电路1-1发送低压信号、向高压回路驱动电路1-2发送高压脉冲信号、向负脉冲回路驱动电路1-3发送负脉冲信号；
低压回路驱动电路1-1用于对接收的低压信号进行加强和驱动处理后输出低压回路驱动信号至放电主回路2中的低压脉冲回路2-1；
高压回路驱动电路1-2用于对接收的高压脉冲信号进行加强和驱动处理后输出高压回路驱动信号至放电主回路2中的高压脉冲回路2-2；
负脉冲回路驱动电路1-3用于对接收的负脉冲信号进行加强和驱动处理后输出负脉冲回路驱动信号至放电主回路2中的负脉冲回路2-3；
低压脉冲回路2-1用于根据接收的低压回路驱动信号驱动后输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块3；
高压脉冲回路2-2用于根据接收的高压回路驱动信号驱动后输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块3；
负脉冲回路2-3用于根据接收的负脉冲回路驱动信号驱动后输出间隙电流和间隙电压信号至采样模块3；
放电间隙并联回路2-4用于根据低压脉冲回路2-1、高压脉冲回路2-2和负脉冲回路2-3的被驱动情况工作或不工作，实时反应间隙电流信号和间隙电压信号；放电间隙并联回路2-4还用于并联在放电间隙的间隙正极和间隙负极两端；
放电时间采样电路3-1用于接收间隙电流信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较后输出放电时间采样信号；
异常放电采样电路3-2用于接收间隙电流信号和间隙电压信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较，将间隙电压信号与设置的间隙放电电压阈值进行比较，比较后输出异常放电采样信号；
材料类型采样电路3-3用于接收间隙电流信号和间隙电压信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较，将间隙电压信号与设置的间隙放电电压阈值进行比较，比较后输出材料类型采样信号。
本实施方式中，本发明的自适应脉冲电源可根据实时检测的加工材料类型，对多种脉冲模式及其参数进行在线调整，这些脉冲模式包括：等电流脉冲模式、等电压脉冲模式、高低压复合脉冲模式、正负脉冲模式和分组脉冲模式。为了实现这些功能，分别对脉冲电源的硬件电路和主控制器进行了设计。
本发明的主控制器对串口接收模块、参数调整模块、PWM生成模块进行了改进，并增加了模式选择模块。其中，串口接收模块和参数调整模块在接收和调整原有电流、脉宽、脉间参数的基础上，增加了接收脉冲模式数据的寄存器和在线调整脉冲模式的功能。
驱动放大模块在8路低压回路驱动电路的基础上，增加了1路高压回路驱动电路和1路负脉冲回路驱动电路。三种回路间不共地，且分别采用直流电源进行独立供电。
放电主回路由低压脉冲回路、高压脉冲回路、负脉冲回路和放电间隙并联回路组成，原理图如8所示。
低压脉冲回路由低压直流电源E1供电，由8路放电回路组成。每一路放电回路均包括晶体管Q1、二极管D1、电阻R1和二极管D4。高压脉冲回路为高低压复合加工提供高压击穿电压，由高压直流电源E2供电，它包括晶体管Q2、二极管D2、电阻R2和二极管D5。为了降低高压回路对峰值电流的影响，且限流电阻R2的阻值在1KΩ以上。负脉冲回路为正负脉冲波形提供负脉冲，在脉间初始阶段导通，使脉间阶段的快速消电离。负脉冲回路的极性与其他两个回路相反，为防止放电间隙的反向击穿，直流电源E3应选取较低的电压值24V。二极管D1、D2和D3的作用是为电源反接提供保护和阻止高压回路电流流过低压回路。二极管D4、D5和D6的作用是减弱或消除限流电阻两端杂散电感对电路的影响。负脉冲回路包括晶体管Q3、二极管D3、电阻R3、二极管D6、二极管D7。放电间隙并联回路包括MOSFET Q4和电阻R4，其作用是为主回路(低压脉冲回路、高压脉冲回路、负脉冲回路)和放电间隙在脉间阶段提供放电通路，释放主回路中电容和杂散电感存储的电荷和实现放电间隙的快速消电离。该并联回路在脉间阶段导通，在脉宽阶段关断。由于负脉冲可以实现间隙的快速消电离，因此正负脉冲模式下间隙并联回路不导通。
本实施方式中，对于采样模块，为了实现等电流脉冲模式，增加了放电时间采样电路。该采样模块检测间隙电流信号和间隙电压信号，将其与所设置的间隙放电电流阈值和间隙放电电压阈值进行比较后输出放电时间采样信号、异常放电采样信号和材料类型采样信号，得到所需采样信号后，为了降低干扰信号的影响并确保采样时间的准确，基于多层结构材料的工艺标准及放电波形试验，阈值设置值为0.4A。
具体实施方式二、参照图1-3和图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，主控制器4包括串口接收模块4-1、材料类型判别模块4-2、参数调整模块4-3、模式选择模块4-4、PWM生成模块4-5、异常放电状态判别模块4-6、低压脉冲回路控制模块4-7、负脉冲回路控制模块4-8和高压脉冲回路控制模块4-9；
所述串口接收模块4-1用于接收工控机发送的多层材料电火花加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数调整模块4-3；
所述材料类型判别模块4-2用于接收材料类型采样电路3-3发送的材料类型采样信号和PWM生成模块4-5输出的低压回路PWM信号，并根据材料类型采样信号和低压回路PWM信号对材料类型进行判别，判别后输出材料类型判别信号至参数调整模块4-3；
所述参数调整模块4-3用于根据材料类型判别模块4-2输出的材料类型判别信号和放电参数并行数据对参数进行调整，调整后向低压脉冲回路控制模块4-7输出峰值电流信号，向PWM生成模块4-5输出脉宽信号和脉间信号，向模式选择模块4-4输出脉冲模式信号；
所述模式选择模块4-4用于根据脉冲模式信号进行模式选择，并向PWM生成模块4-5输出高压脉冲信号、负脉冲信号和5路模式使能信号；所述5路模式使能信号为使能信号1、使能信号2、使能信号3、使能信号4和使能信号5，用于控制PWM生成模块4-5工作和停止；
所述异常放电状态判别模块4-6用于接收异常放电采样回路2发送的异常放电采样信号和PWM生成模块4-5输出的低圧回路PWM信号，并根据异常放电采样信号和低圧回路PWM信号进行判别，判别后输出异常放电状态判别信号至PWM生成模块4-5；
所述PWM生成模块4-5用于根据接收的放电时间采样电路3-1输出的放电时间采样信号、参数调整模块4-3输出的脉宽信号和脉间信号、模式选择模块4-4输出的高压脉冲信号和负脉冲信号以及模式使能信号、异常放电状态判别模块4-6输出的异常放电状态判别信号生成低圧回路PWM信号、高压回路PWM信号和负脉冲回路PWM信号，并将生成的低圧回路PWM信号输出至低压脉冲回路控制模块4-7，将生成的高压回路PWM信号输出至高压脉冲回路控制模块4-9，将生成的负脉冲回路PWM信号输出至负脉冲回路控制模块4-8；
所述低压脉冲回路控制模块4-7用于根据接收的峰值电流信号和低压回路PWM信号，输出低压信号至驱动放大模块1中的8路低压回路驱动电路1-1；
所述负脉冲回路控制模块4-8用于根据接收的负脉冲回路PWM信号，输出1路负脉冲信号至驱动放大模块1中的负脉冲回路驱动电路1-3；
所述高压脉冲回路控制模块4-9用于根据接收的高压回路PWM信号，输出1路高压脉冲信号至驱动放大模块1中的高压回路驱动电路1-2。
本实施方式中，模式选择模块程序流程图如图7所示，将脉冲模式信号的8位二进制数分为1-5位和6-8位两部分。1-5位为脉冲模式信号前5位数据，6-8位为脉冲模式信号后3位数据，后3位数据表示脉冲电源的六种脉冲模式；前5位数据根据脉冲模式的不同具有不同的含义，如果为高电压复合脉冲模式则代表高压脉冲的提前时间，如果为正负脉冲模式，则为负脉冲持续时间。
具体实施方式三、参照图1-4和图9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，所述PWM生成模块4-5包括等电压脉宽模式PWM生成模块4-51、等电流脉宽模式PWM生成模块4-52、分组脉冲模式PWM生成模块4-53、高低压复合脉冲模式PWM生成模块4-54、正负脉冲模式PWM生成模块4-55和PWM输出模块4-56；
所述等电压脉宽模式PWM生成模块4-51用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号1，并对接收的脉宽信号、脉间信号和使能信号1进行等电压脉宽逻辑处理后生成PWM1，且将PWM1输出至PWM输出模块4-56；
所述等电流脉宽模式PWM生成模块4-52用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号2和所述放电时间采样信号，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号2和放电时间采样信号进行等电流脉宽处理后生成PWM2，且将PWM2输出至PWM输出模块4-56；
所述分组脉冲模式PWM生成模块4-53用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号3，并对接收的脉宽信号、脉间信号和使能信号3进行分组脉冲逻辑处理后生成PWM3，且将PWM3输出至PWM输出模块4-56；
所述高低压复合脉冲模式PWM生成模块4-54用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号4和脉冲模式信号前5位数据，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号4和脉冲模式信号前5位数据进行高低压复合脉冲逻辑处理后生成PWM4和高压脉冲PWM，且将PWM4和高压脉冲PWM输出至PWM输出模块4-56；
所述正负脉冲模式PWM生成模块4-55用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号5、脉冲模式信号前5位数据，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号5和脉冲模式信号前5位数据进行正负脉冲逻辑处理后生成PWM5和负脉冲PWM，且将PWM5和负脉冲PWM输出至PWM输出模块4-56；
所述PWM输出模块4-56用于对接收的异常放电状态判别信号、所述PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、高压脉冲PWM、负脉冲PWM进行分路处理后，输出低圧回路PWM信号至低压脉冲回路控制模块4-7，输出高压回路PWM信号至高压脉冲回路控制模块4-9，输出负脉冲回路PWM信号至负脉冲回路控制模块4-8。
本实施方式中，PWM生成模块的结构框图如图4所示，在原有等电压脉宽波形PWM生成模块的基础上，增加了等电流脉冲PWM生成模块、分组脉冲波形PWM生成模块、高低压复合脉冲波形PWM生成模块、正负脉冲波形PWM生成模块和PWM输出模块。为了实现脉冲模式和参数自适应调整，通过使能信号(使能信号1至使能信号5)控制每个模块的工作和停止状态。各个模块根据输入的脉宽、脉间等信号和模块自身的逻辑结构进行PWM信号的输出。PWM输出模块接收PWM生成模块中其他各模块的输出信号，并根据异常放电状态判别信号进行分路处理，分成高压回路PWM信号、低压回路PWM信号和负脉冲回路PWM信号输出。。在脉冲模式及其参数自适应调整过程中，由于每个模块具有独立的时序，为了防止各模块的计时器在脉冲模式调节过程中超出其阈值，每个模块的计数器均具有过阈值清零功能，以确保程序的正常运行。
PWM输出模块原理图如图9所示。
“shortct_n”为异常放电状态判别信号，通过非门对其取反，PWM1～PWM5作为或门的输入端，或门输出后与取反的“shortct_n”作为与门输入端；
当“shortct_n”为逻辑“0”且PWM1～PWM5任意为逻辑“1”时，则输出低圧回路PWM信号；
输入信号“负脉冲PWM”与取反的“shortct_n”作为与门输入端，当“shortct_n”为逻辑“0”且“负脉冲PWM”为逻辑“1”时，则输出负脉冲回路PWM信号；
输入信号“高压脉冲PWM”与取反的“shortct_n”作为与门输入端，当“shortct_n”为逻辑“0”且“高压脉冲PWM”为逻辑“1”时，则输出高压回路PWM信号。
具体实施方式四、参照图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，该脉冲电源还包括分压截波采样电路，分压截波采样电路用于对放电主回路2输出的间隙电压信号进行钳位抗干扰处理，并输出钳位抗干扰处理后的间隙电压信号至采样模块3中的材料类型采样电路3-3；
分压截波采样电路包括二极管D8、二极管D9、电阻R5、电阻R6和电压跟随器，二极管D8、二极管D9串联，电阻R5、电阻R6串联，
电阻R5的一端连接放电间隙的间隙正极，电阻R5的另一端同时二极管D8的阳极和电压跟随器的输入端，电阻R6的一端同时连接放电间隙的间隙负极、二极管D9的阳极、电压跟随器的输入端和公共地；二极管D8的阴极连接截波供电电压U1；
电压跟随器输出钳位抗干扰处理后的间隙电压信号至采样模块3中的材料类型采样电路3-3。
为了防止在模式调整过程中，高压回路和低压回路的交替导通对间隙电压采样的影响，确保材料类型检测和异常放电检测可适用于所有脉冲模式，设计了分压截波采样电路，如图6所示。由分压电路和双二极管钳位电路组成，钳位电路为分压电路的后级，其供电电压为U1。钳位电路可将R2两端电压稳定的钳位在0V到U1范围之内，截波电压为钳位电路工作在临界值U1时的间隙输入电压U0。电压跟随器的作用为减小电路的输出阻抗，用以减小该电路对后级电路的干扰。
具体实施方式五、参照图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，该脉冲电源还包括涡流传感器，涡流传感器用于采集间隙电流信号，并将采集的间隙电流信号传输至采样模块3中的放电时间采样电路3-1、异常放电采样电路3-2和材料类型采样电路3-3。
具体实施方式六、本实施方式是对实施方式五所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，低压回路驱动电路1-1包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器4发出的低压信号经光电隔离模块隔离加强后传送至低压驱动模块，经驱动模块5驱动后控制晶体管开通；
低压回路驱动电路1-1中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；低压回路驱动电路1-1中的晶体管采用IRFP450。
具体实施方式七、本实施方式是对实施方式六所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，高压回路驱动电路1-2包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器4发出的高压脉冲信号经光电隔离模块隔离加强后传送至驱动模块，经驱动模块驱动后控制晶体管开通；
高压回路驱动电路1-2中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；高压回路驱动电路1-2中的晶体管采用IRF820A。
具体实施方式八、本实施方式是对实施方式七所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源的进一步说明，本实施方式中，负脉冲回路驱动电路1-3包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器4发出的负脉冲信号经光电隔离模块隔离加强后传送至驱动模块，经驱动模块驱动后控制晶体管开通；
负脉冲回路驱动电路1-3中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；负脉冲回路驱动电路1-3中的晶体管采用IRF830A。
实施方式至八中，低压回路驱动电路1-1、高压回路驱动电路1-2、负脉冲回路驱动电路1-3的原理图如图6所示，输入信号经光电隔离器隔离加强后，通过驱动模块来实现信号的驱动放大，所选用的驱动模块均为TPS2812，可实现最大2A的电流输出。针对所加工材料的工艺需求和各回路的开路电压、电流值，低压、高压、负脉冲回路驱动电路的晶体管Q型号分别选择IRFP450、IRF820A和IRF830A。以电压波形上升沿15μs计算，所选栅极输入电阻Q1的阻值分别为10Ω、21Ω和12Ω。
本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情况或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
Claims (8)
1.一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，它包括工控机和放电间隙，其特征在于，它还包括驱动放大模块(1)、放电主回路(2)、采样模块(3)和主控制器(4)；
驱动放大模块(1)包括8路低压回路驱动电路(1-1)、1路高压回路驱动电路(1-2)和1路负脉冲回路驱动电路(1-3)；低压回路驱动电路(1-1)、高压回路驱动电路(1-2)和负脉冲回路驱动电路(1-3)分别采用直流电源独立供电，且不共地；
放电主回路(2)包括低压脉冲回路(2-1)、高压脉冲回路(2-2)、负脉冲回路(2-3)和放电间隙并联回路(2-4)；低压脉冲回路(2-1)、高压脉冲回路(2-2)、负脉冲回路(2-3)和放电间隙并联回路(2-4)相互并联；
采样模块(3)包括放电时间采样电路(3-1)、异常放电采样电路(3-2)和材料类型采样电路(3-3)；
主控制器(4)用于接收工控机发送的多层材料电火花加工所需的放电参数串行数据、放电时间采样电路(3-1)发送的放电时间采样信号、异常放电采样电路(3-2)发送的异常放电采样信号和材料类型采样电路(3-3)发送的材料类型采样信号，且根据放电参数串行数据、放电时间采样信号、异常放电采样信号、材料类型采样信号进行模式选择处理，模式选择处理后向驱动放大模块(1)中的低压回路驱动电路(1-1)发送低压信号、向高压回路驱动电路(1-2)发送高压脉冲信号、向负脉冲回路驱动电路(1-3)发送负脉冲信号；
低压回路驱动电路(1-1)用于对接收的低压信号进行加强和驱动处理后输出低压回路驱动信号至放电主回路(2)中的低压脉冲回路(2-1)；
高压回路驱动电路(1-2)用于对接收的高压脉冲信号进行加强和驱动处理后输出高压回路驱动信号至放电主回路(2)中的高压脉冲回路(2-2)；
负脉冲回路驱动电路(1-3)用于对接收的负脉冲信号进行加强和驱动处理后输出负脉冲回路驱动信号至放电主回路(2)中的负脉冲回路(2-3)；
低压脉冲回路(2-1)用于根据接收的低压回路驱动信号驱动后输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块(3)；
高压脉冲回路(2-2)用于根据接收的高压回路驱动信号驱动后输出间隙电流信号和间隙电压信号至采样模块(3)；
负脉冲回路(2-3)用于根据接收的负脉冲回路驱动信号驱动后输出间隙电流和间隙电压信号至采样模块(3)；
放电间隙并联回路(2-4)用于根据低压脉冲回路(2-1)、高压脉冲回路(2-2)和负脉冲回路(2-3)的被驱动情况工作或不工作，实时反应间隙电流信号和间隙电压信号；放电间隙并联回路(2-4)还用于并联在放电间隙的间隙正极和间隙负极两端；
放电时间采样电路(3-1)用于接收间隙电流信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较后输出放电时间采样信号；
异常放电采样电路(3-2)用于接收间隙电流信号和间隙电压信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较，将间隙电压信号与设置的间隙放电电压阈值进行比较，比较后输出异常放电采样信号；
材料类型采样电路(3-3)用于接收间隙电流信号和间隙电压信号，并将间隙电流信号与设置的间隙放电电流阈值进行比较，将间隙电压信号与设置的间隙放电电压阈值进行比较，比较后输出材料类型采样信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，主控制器(4)包括串口接收模块(4-1)、材料类型判别模块(4-2)、参数调整模块(4-3)、模式选择模块(4-4)、PWM生成模块(4-5)、异常放电状态判别模块(4-6)、低压脉冲回路控制模块(4-7)、负脉冲回路控制模块(4-8)和高压脉冲回路控制模块(4-9)；
所述串口接收模块(4-1)用于接收工控机发送的多层材料电火花加工所需的放电参数串行数据，将其按照相应的逻辑结构转换成放电参数并行数据发送给参数调整模块(4-3)；
所述材料类型判别模块(4-2)用于接收材料类型采样电路(3-3)发送的材料类型采样信号和PWM生成模块(4-5)输出的低压回路PWM信号，并根据材料类型采样信号和低压回路PWM信号对材料类型进行判别，判别后输出材料类型判别信号至参数调整模块(4-3)；
所述参数调整模块(4-3)用于根据材料类型判别模块(4-2)输出的材料类型判别信号和放电参数并行数据对参数进行调整，调整后向低压脉冲回路控制模块(4-7)输出峰值电流信号，向PWM生成模块(4-5)输出脉宽信号和脉间信号，向模式选择模块(4-4)输出脉冲模式信号；
所述模式选择模块(4-4)用于根据脉冲模式信号进行模式选择，并向PWM生成模块(4-5)输出高压脉冲信号、负脉冲信号和5路模式使能信号；所述5路模式使能信号为使能信号1、使能信号2、使能信号3、使能信号4和使能信号5，用于控制PWM生成模块(4-5)工作和停止；
所述异常放电状态判别模块(4-6)用于接收异常放电采样回路(2)发送的异常放电采样信号和PWM生成模块(4-5)输出的低圧回路PWM信号，并根据异常放电采样信号和低圧回路PWM信号进行判别，判别后输出异常放电状态判别信号至PWM生成模块(4-5)；
所述PWM生成模块(4-5)用于根据接收的放电时间采样电路(3-1)输出的放电时间采样信号、参数调整模块(4-3)输出的脉宽信号和脉间信号、模式选择模块(4-4)输出的高压脉冲信号和负脉冲信号以及模式使能信号、异常放电状态判别模块(4-6)输出的异常放电状态判别信号生成低圧回路PWM信号、高压回路PWM信号和负脉冲回路PWM信号，并将生成的低圧回路PWM信号输出至低压脉冲回路控制模块(4-7)，将生成的高压回路PWM信号输出至高压脉冲回路控制模块(4-9)，将生成的负脉冲回路PWM信号输出至负脉冲回路控制模块(4-8)；
所述低压脉冲回路控制模块(4-7)用于根据接收的峰值电流信号和低压回路PWM信号，输出低压信号至驱动放大模块(1)中的8路低压回路驱动电路(1-1)；
所述负脉冲回路控制模块(4-8)用于根据接收的负脉冲回路PWM信号，输出1路负脉冲信号至驱动放大模块(1)中的负脉冲回路驱动电路(1-3)；
所述高压脉冲回路控制模块(4-9)用于根据接收的高压回路PWM信号，输出1路高压脉冲信号至驱动放大模块(1)中的高压回路驱动电路(1-2)。
3.根据权利要求2所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，所述PWM生成模块(4-5)包括等电压脉宽模式PWM生成模块(4-51)、等电流脉宽模式PWM生成模块(4-52)、分组脉冲模式PWM生成模块(4-53)、高低压复合脉冲模式PWM生成模块(4-54)、正负脉冲模式PWM生成模块(4-55)和PWM输出模块(4-56)；
所述等电压脉宽模式PWM生成模块(4-51)用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号1，并对接收的脉宽信号、脉间信号和使能信号1进行等电压脉宽逻辑处理后生成PWM1，且将PWM1输出至PWM输出模块(4-56)；
所述等电流脉宽模式PWM生成模块(4-52)用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号2和所述放电时间采样信号，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号2和放电时间采样信号进行等电流脉宽处理后生成PWM2，且将PWM2输出至PWM输出模块(4-56)；
所述分组脉冲模式PWM生成模块(4-53)用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号3，并对接收的脉宽信号、脉间信号和使能信号3进行分组脉冲逻辑处理后生成PWM3，且将PWM3输出至PWM输出模块(4-56)；
所述高低压复合脉冲模式PWM生成模块(4-54)用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号4和脉冲模式信号前5位数据，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号4和脉冲模式信号前5位数据进行高低压复合脉冲逻辑处理后生成PWM4和高压脉冲PWM，且将PWM4和高压脉冲PWM输出至PWM输出模块(4-56)；
所述正负脉冲模式PWM生成模块(4-55)用于接收所述脉宽信号和脉间信号，还用于接收所述使能信号5、脉冲模式信号前5位数据，并对接收的脉宽信号、脉间信号、使能信号5和脉冲模式信号前5位数据进行正负脉冲逻辑处理后生成PWM5和负脉冲PWM，且将PWM5和负脉冲PWM输出至PWM输出模块(4-56)；
所述PWM输出模块(4-56)用于对接收的异常放电状态判别信号、所述PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、高压脉冲PWM、负脉冲PWM进行分路处理后，输出低圧回路PWM信号至低压脉冲回路控制模块(4-7)，输出高压回路PWM信号至高压脉冲回路控制模块(4-9)，输出负脉冲回路PWM信号至负脉冲回路控制模块(4-8)。
4.根据权利要求3所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，该脉冲电源还包括分压截波采样电路，
分压截波采样电路用于对放电主回路(2)输出的间隙电压信号进行钳位抗干扰处理，并输出钳位抗干扰处理后的间隙电压信号至采样模块(3)中的材料类型采样电路(3-3)；
分压截波采样电路包括二极管D8、二极管D9、电阻R5、电阻R6和电压跟随器，二极管D8、二极管D9串联，电阻R5、电阻R6串联，
电阻R5的一端连接放电间隙的间隙正极，电阻R5的另一端同时二极管D8的阳极和电压跟随器的输入端，电阻R6的一端同时连接放电间隙的间隙负极、二极管D9的阳极、电压跟随器的输入端和公共地；二极管D8的阴极连接截波供电电压U1；
电压跟随器输出钳位抗干扰处理后的间隙电压信号至采样模块(3)中的材料类型采样电路(3-3)。
5.根据权利要求4所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，该脉冲电源还包括涡流传感器，涡流传感器用于采集间隙电流信号，并将采集的间隙电流信号传输至采样模块(3)中的放电时间采样电路(3-1)、异常放电采样电路(3-2)和材料类型采样电路(3-3)。
6.根据权利要求5所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，低压回路驱动电路(1-1)包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器(4)发出的低压信号经光电隔离模块隔离加强后传送至低压驱动模块，经驱动模块(5)驱动后控制晶体管开通；
低压回路驱动电路(1-1)中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；低压回路驱动电路(1-1)中的晶体管采用IRFP450。
7.根据权利要求6所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，高压回路驱动电路(1-2)包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器(4)发出的高压脉冲信号经光电隔离模块隔离加强后传送至驱动模块，经驱动模块驱动后控制晶体管开通；
高压回路驱动电路(1-2)中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；高压回路驱动电路(1-2)中的晶体管采用IRF820A。
8.根据权利要求7所述的一种用于多层材料电火花加工的多模式自适应脉冲电源，其特征在于，负脉冲回路驱动电路(1-3)包括光电隔离模块、驱动模块和晶体管；主控制器(4)发出的负脉冲信号经光电隔离模块隔离加强后传送至驱动模块，经驱动模块驱动后控制晶体管开通；
负脉冲回路驱动电路(1-3)中的驱动模块采用驱动芯片TPS2812；负脉冲回路驱动电路(1-3)中的晶体管采用IRF830A。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220104 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |