CN114523166B - 往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统及方法，控制系统包括脉冲发生及控制模块，若干探测引燃模块和若干主脉冲模块，电压骤降与电流泄放模块，包括若干路感应电流释放单元，控制模块的控制芯片根据脉冲控制开关输出的脉宽大小、加工电流以及通电导线的线长得出脉间段控制开关的接通时长。能明显改善往复走丝电火花线切割机床放电回路中的线路电感对粗加工的影响和精细修刀加工时脉冲后沿的陡降性，从而实现较好的粗加工表面质量和精修加工所需的百纳秒级放电脉冲，获得较低的最终表面粗糙度。

Description

往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及机加工设备领域，特别涉及一种往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统及方法。
背景技术
电火花线切割加工方法是采用线状电极，利用火花放电原理对金属材料工件进行切割的一种加工方法。经过几十年的发展，作为我国独创的往复走丝电火花线切割机床以其独特的加工方法、较好的加工效果、较高的性价比在航空、航天、军工、模具、机械制造等领域得到了极其广泛的应用。
电火花加工是通过脉冲放电实现对工件的蚀除，每次放电都会在工件的加工面上产生一个放电坑，无数放电坑的累积形成加工面，放电坑的最大深度决定了加工表面粗糙度，而单个放电脉冲能量的大小决定了放电坑的深度，因此，单个脉冲放电能量是决定表面粗糙度的关键因素。单个放电脉冲的能量是放电电压、放电电流和脉冲宽度的函数，即W0 [1] (W0:单个脉冲能量；u:极间间隙瞬时放电电压；i: 极间间隙瞬时放电电流；ti:放电持续时间（脉冲宽度）)。在一定的电压和电流情况下，脉冲宽度越小，持续放电时间就越短，单个放电脉冲能量就越小，表面粗糙度就越低[2]。根据试验及分析，往复走丝电火花线切割加工过程中，在空载电压和峰值电流不变，当放电脉冲宽度为百纳秒时，可实现Ra 1.0μm以下表面粗糙度的电火花线切割微细加工效果，（[1] 曹凤国.电火花加工[M].北京：化学工业出版社2014.6；[2] 蒋军、韩福柱.放电电流对电火花线切割精加工表面粗糙度的影响规律研究[J].电加工与模具，2006（1）: 9-11）。
在实际放电过程中，由于放电回路中存在寄生电感等非线性因素及蚀除物排出的不确定性，容易产生极间短路现象，从而引起工件的加工表面局部烧伤，出现不正常的大凹坑，给精修带来困难；由于VMOS场效应管的关断滞后特性，放电脉冲下降沿会出现严重的拖尾现象（图2），造成实际放电脉冲宽度远大于设定的脉宽值，单个脉冲能量过大，使得加工表面粗糙度变差，严重影响了该类机床在制造领域的高要求应用。
目前，往复走丝电火花线切割机床配置的脉冲电源的脉冲宽度可做到微秒级，有的产品号称可以做到纳秒级。实际上这只是脉冲电源控制信号输出端的脉冲宽度，如果不采取有效措施，放电间隙的实际放电脉冲宽度远大于此，单个放电脉冲能量过大，使得加工表面的粗糙度严重变差。因此粗加工的等能量控制及精修加工真正确保百纳秒级的放电脉冲宽度，是提高机床表面加工质量和加工效率的重要因素之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统，其能有效及时的消耗电路中的感应电流，同时能精准控制脉冲波的放电脉宽时间，从而有效抑制电火花放电脉冲的拖尾现象。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统，其用于抑制放电脉冲拖尾现象，系统包括脉冲发生及控制模块、若干探测引燃模块和若干主脉冲模块，所述脉冲发生及控制模块包括控制芯片、多路电连接于所述控制芯片上的引燃探测控制开关、主脉冲控制开关、设于所述控制芯片上的脉间段控制开关，其特征在于：所述系统还包括用于在探测引燃模块运行时使极间电压骤降；在主脉冲模块运行时，提供电流泄放通路，以消除由于放电回路的线路分布电感而在脉冲后沿产生的感应电动势对放电间隙的影响的电压骤降与电流泄放模块，所述电压骤降与电流泄放模块包括若干路感应电流释放单元，所述控制芯片根据脉冲控制开关输出的脉宽大小、加工电流以及主回路线路电感得出所述脉冲间隔控制开关的接通时长。
优化的，所述探测引燃模块包括分别与各个所述脉冲控制开关相连接探测引燃单元，每个所述探测引燃单元包括栅极与和其对应的脉冲控制开关相连接的第一VMOS管、与所述第一VMOS管的源极相连接的第一功率电阻、与所述第一功率电阻并联的第一保护电阻以及第一二极管，所述第一功率电阻与所述电极丝电连接，所述第一VMOS管的漏极与所述脉冲供电电源的负极相电连接。
优化的，所述主脉冲模块包括分别与各个所述脉冲控制开关相连接主脉冲单元，每个所述主脉冲单元包括栅极与和其对应的脉冲控制开关相连接的第二VMOS管、与所述第二VMOS管的源极相连接的第二功率电阻、与所述第二功率电阻并联的第二保护电阻以及第二二极管，所述第二功率电阻与所述放电丝电连接，所述第二VMOS管的漏极与所述脉冲供电电源的负极相电连接。
优化的，所述电压骤降与电流释放模块包括栅极与和其对应的所述脉间段控制开关电连接的脉间段控制开关管、连接于所述脉间段控制开关管的源极和所述脉冲供电电源的正极之间的骤降电阻和泄放电阻，所述脉间段控制开关管的漏极与电极丝电连接。
本发明还提供了一种基于上述所述往复走丝电火花线切割机床的电源控制的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
a.利用电感测量仪在线测量整个放电回路的线路电感L，利用记忆示波器测量出放电脉冲下降沿瞬间的放电间隙电压值Ui和下一个放电脉冲上升沿前瞬间的放电间隙电压值Uo；
b. 根据测得的电感L、电压Ui和电压Uo计算泄放电阻值以及电阻接入时间，
骤降电阻的计算方法如下：
在线切割水基工作液放电状态下，极间放电击穿电压为40-50V，保证极间不击穿的电压低于40V，精加工时放电脉冲下降沿瞬间的最大峰值电流为12A，骤降电阻RA最高阻值为：RA=40/12=10/3Ω，所述骤降电RA阻值RA小于10/3Ω；
电阻接入时间的计算方法如下：
脉冲发生及控制模块对电压骤降与电流释放模块的控制综合了产生电感电流各因素的影响，当回路中的电流发生突变时，由放电回路中的线路电感和电阻形成的RL回路所产生感应电动势可由以下公式描述：
ui=Ui*e（-t/τ）=Uo；
t为放电时间；τ为放电时间常数，τ=L/R ；R为线路上的等效电阻RX 与间隙电阻RJ之和；
由上公式推导出Uo=0时的释放时间t =（Ln Ui-1）*L/（RX ＋RJ）；；
c. 启动探测引燃模块与主脉冲模块对工件表面进行粗加工，探测引燃模块对放电极间放电状态进行探测引燃，同时控制主脉冲模块进入加工的程度，实现等能量放电加工，同时控制极间接入电压骤降与电流泄放模块，持续接入时间为t；
d. 启动探测引燃模块对工件表面进行精加工，同时控制极间接入电压骤降与电流泄放模块，持续接入时间为t。
优化的，保证极间不击穿的电压以36V计算，精加工时放电脉冲下降沿瞬间的最大峰值电流为12A，骤降电阻值RA的计算公式为：RA=36/12=3Ω。
本发明的有益效果在于：明显降低往复走丝电火花线切割加工中不正常凹坑出现率，明显改善放电回路中脉冲后沿的陡降性，从而实现真实的百纳秒级放电脉冲，获得较低表面粗糙度的加工效果。电火花放电精修加工要获得Ra0.8以下的表面粗糙度就必须采用脉宽为1us以下，脉间在6us以下的高频脉冲放电进行修整加工，该极间接入电压骤降与电流泄放模块电路能极大地降低微细放电精修加工中微小脉冲在关断时由于VMOS场效应管的关断滞后特性导致的拖尾现象发生，从而获得精准有效的脉宽脉间波形，真正实现超窄脉冲精修加工，确保最佳粗糙度的稳定实现。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为采用启用极间接入电压骤降与电流泄放模块电路时的放电波形图；
图3为采用未启用极间接入电压骤降与电流泄放模块电路时的放电波形图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：
往复走丝电火花线切割机床包括往复走丝电火花线切割机床的电源控制系统及放电脉冲波处理方法，其用于实现放电加工的等能量控制，抑制放电脉冲拖尾。
实现放电加工的等能量控制和抑制电火花线切割机放电脉冲拖尾包括脉冲发生及控制模块、若干探测引燃模块、若干主脉冲模块以及电压骤降与电流泄放模块，所述脉冲发生及控制模块包括控制芯片，多路电连接于所述控制芯片上的探测引燃控制开关，主脉冲控制开关，设于所述控制芯片上的脉间段控制开关，用于在引燃探测模块运行时的极间电压骤降、在主脉冲模块运行时的极间消除感应电流的电压骤降与电流泄放模块，所述电压骤降与电流泄放模块包括若干路寄生电流泄放单元，所述控制芯片根据脉冲控制开关输出的脉宽大小、加工电流以及通电导线的线长得出所述脉间段控制开关的接通时长。所述电压骤降与电流泄放模块包括栅极与和其对应的所述脉间段控制开关电连接的脉间段控制开关管、连接于所述脉间段控制开关管的源极和所述脉冲供电电源的正极之间的骤降电阻RA和泄放电阻，所述脉间段控制开关管的漏极与电极丝电连接。
所述探测引燃模块包括分别与各个所述脉冲控制开关相连接探测引燃单元，每个所述探测引燃单元包括栅极与和其对应的脉冲控制开关相连接的第一VMOS管、与所述第一VMOS管的源极相连接的第一功率电阻、与所述第一功率电阻并联的第一保护电阻RB1以及第一二极管D1，所述第一功率电阻与所述放电丝电连接，所述第一VMOS管的漏极与所述脉冲供电电源的负极相电连接。
所述主脉冲模块包括分别与各个所述脉冲控制开关相连接主脉冲单元，每个所述主脉冲单元包括栅极与和其对应的脉冲控制开关相连接的第二VMOS管、与所述第二VMOS管的源极相连接的第二功率电阻、与所述第二功率电阻并联的第二保护电阻RB2以及第二二极管D2，所述第二功率电阻与所述电极丝电连接，所述第二VMOS管的漏极与所述脉冲供电电源的负极相电连接。
具体而言：
脉冲发生及控制模块包括：
多路具、探测、引燃控制功能的探测引燃控制开关Y1…Y4…和多路主脉冲控制开关V1…V12…和脉间段加入骤降电阻的脉间段控制开关SW0，本实施例中，脉间段控制开关设置有一个。
探测引燃模块包括
第一VMOS管Y11…Y41…、第一功率电阻RY1…、
主脉冲模块包括第二VMOS管V11、V21…和第二功率电阻RV1、…。
电压骤降与电流泄放模块包括：脉间段控制开关管SW01和骤降电阻RA。
脉冲发生及控制模块通过多路探测引燃控制开关Y1…Y4进行探测和引燃控制，根据探测的结果作出处理：1）.遇短路未击穿即停止脉冲发送，待跟踪退出短路状态后，重新探测。2).遇空载未击穿即加速脉冲发送，加快跟踪使之击穿。一旦击穿正常，多路主脉冲控制开关V1、V2…V12打开，这样就保证了每一加在工件上的脉冲波都是有效波，不仅有效的利用好了放电能量，而且还保证不会发生对工件表面施加无效能量，造成工件表面产生非正常凹坑。
探测引燃模块的多路第一VMOS管Y11…Y41和主脉冲模块的多路第二VMOS管V11、V21…分别经与各自对应的第一功率电阻RY1、…、RV1…形成放电通路。
脉间段控制开关管SW0控制电压骤降与电流泄放模块上脉间段控制开关管SW01，脉间段控制开关管SW0与脉间段控制开关管SW01的栅极电连接，骤降电阻RA的一端与脉冲供电电源输出正端相连，另一端与脉间段控制开关管SW01源极相连，脉间段控制开关管SW01的漏极与放电加工的负极（电极丝）相连。在放电加工进入脉间段后，脉冲发生及控制模块上的脉间段控制开关SW0打开放电极间脉间期加入电压骤降与电流泄放模块上脉间段控制开关管SW01，脉间段控制开关管SW01将骤降电阻RA和泄放电阻接入放电的正负极回路中，强行将间隙电压陡降至放电击穿电压以下。在脉间段即将结束前的某时间点，脉冲发生及控制模块上的脉间段控制开关SW0关断电压骤降与电流释放模块上的脉间段控制开关管SW01，控制电路又回归至放电加工状态。
基于上述所述往复走丝电火花线切割机床的电源控制系统的方法，它包括以下步骤：
a.利用电感测量仪在线测量整个放电回路的线路电感L，利用记忆示波器测量出放电脉冲下降沿瞬间的放电间隙电压值Ui和下一个放电脉冲上升沿前瞬间的放电间隙电压值Uo；
b.根据测得的电感L、电压Ui和电压Uo，计算骤降电阻及骤降电阻接入时间，
电阻接入时间的计算方法如下：
脉冲发生及控制模块对电压骤降与电流释放模块的控制综合了产生感应电流各因素的影响，当回路中的电流发生突变时，由放电回路中的线路电感和电阻形成的RL回路所产生感应电动势可由以下公式描述：ui=Ui*e（-t/τ）=Uo；
t为放电时间；τ为放电时间常数，τ=L/R ；R为线路上的等效电阻RX 与间隙电阻RJ之和；
由上公式推导出Uo=0时的释放时间t =（Ln Ui-1）*L/（RX ＋RJ）；
c．由于功率VMOS管的特性决定了关断时必定有延迟，而目前市场上购买的管子特性与理论值存在较大差距，加上工作电流较大时，其关断延时会大大增加。由脉冲电源、极间（电极与工件之间）、限流电阻和VMOS管等构成的整个回路中，在脉宽变为脉间后，回路还会继续保持通路状态。由于极间等效电阻较大，间隙两端的电压仍然较高，还会继续处于放电状态。本发明中，在探测引燃模块工作的精加工时，在脉冲间隔的整个时段内，强行在极间接入骤降电阻，从而使由脉冲电源、极间（电极与工件之间）、限流电阻和VMOS管等构成的整个回路中，根据分压原理，迫使极间电压骤降至放电击穿电压以下，强行停止放电，间隙处于消电离状态，保证了精加工时放电脉宽的精准度，可有效抑制放电窄脉冲的拖尾现象。
骤降电阻的计算方法如下：
在线切割水基工作液放电状态下，极间放电击穿电压为40-50V，精加工时放电脉冲下降沿瞬间的最大峰值电流为12A，所以骤降电阻值RA小于10/3Ω即可，最优，保证极间不击穿的电压以36V计算，骤降电阻值RA的计算公式为：RA=36/12=3Ω；
d. 启动探测引燃模块与主脉冲模块对工件表面进行粗加工，探测引燃模块对放电极间放电状态进行探测引燃，同时控制主脉冲模块进入程度，实现等能量放电加工，同时控制极间接入电压骤降与电流泄放模块，持续接入时间为t；
e. 启动探测引燃模块对工件表面进行精加工，同时控制极间接入电压骤降与电流泄放模块，持续接入时间为t。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种往复走丝电火花线切割机床用脉冲电源的控制系统，其用于抑制放电脉冲拖尾现象，系统包括脉冲发生及控制模块、若干探测引燃模块和若干主脉冲模块，所述脉冲发生及控制模块包括控制芯片、多路电连接于所述控制芯片上的引燃探测控制开关、主脉冲控制开关、设于所述控制芯片上的脉间段控制开关，其特征在于：所述系统还包括用于在探测引燃模块运行时使极间电压骤降；在主脉冲模块运行时，提供电流泄放通路，以消除由于放电回路的线路分布电感而在脉冲后沿产生的感应电动势对放电间隙的影响的电压骤降与电流泄放模块，所述电压骤降与电流泄放模块包括若干路感应电流释放单元，所述控制芯片根据脉冲控制开关输出的脉宽大小、加工电流以及主回路线路电感得出所述脉冲间隔控制开关的接通时长；所述探测引燃模块包括分别与各个所述脉冲控制开关相连接探测引燃单元，每个所述探测引燃单元包括栅极与和其对应的脉冲控制开关相连接的第一VMOS管、与所述第一VMOS管的源极相连接的第一功率电阻、与所述第一功率电阻并联的第一保护电阻以及第一二极管，所述第一功率电阻与电极丝电连接，所述第一VMOS管的漏极与所述脉冲供电电源的负极电连接；所述主脉冲模块包括分别与各个所述脉冲控制开关相连接主脉冲单元，每个所述主脉冲单元包括栅极与和其对应的脉冲控制开关相连接的第二VMOS管、与所述第二VMOS管的源极相连接的第二功率电阻、与所述第二功率电阻并联的第二保护电阻以及第二二极管，所述第二功率电阻与电极丝电连接，所述第二VMOS管的漏极与所述脉冲供电电源的负极相电连接；所述感应电流释放单元包括栅极与和其对应的所述脉间段控制开关电连接的脉间段控制开关管、连接于所述脉间段控制开关管的源极和所述脉冲电源的正极之间的骤降电阻，所述脉间段控制开关管的漏极与电极丝电连接。
2.一种基于权利要求1中所述往复走丝电火花线切割机床的电源控制系统的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：
a.利用电感测量仪在线测量整个放电回路中的线路电感L，利用记忆示波器测量出放电脉冲下降沿瞬间的放电间隙电压值Ui和下一个放电脉冲上升沿前瞬间的放电间隙电压值Uo；
b.根据测得的电感L、电压Ui和电压Uo计算泄放电阻值以及电阻接入时间，
骤降电阻的计算方法如下：
在线切割水基工作液放电状态下，极间放电击穿电压为40-50V，保证极间不击穿的电压低于40V，精加工时放电脉冲下降沿瞬间的最大峰值电流为12A，骤降电阻RA最高阻值为：RA＝40/12＝10/3Ω，所述骤降电RA阻值RA小于10/3Ω；
电阻接入时间的计算方法如下：
脉冲发生及控制模块对电压骤降与电流释放模块的控制综合了产生电感电流各因素的影响，当回路中的电流发生突变时，由放电回路中的线路电感和电阻形成的RL回路所产生感应电动势可由以下公式描述：
ui＝Ui*e(-t/τ)＝Uo；
t为放电时间；τ为放电时间常数，τ＝L/R；R为线路上的等效电阻RX与间隙电阻RJ之和；
由上公式推导出Uo＝0时的释放时间t＝(Ln Ui-1)*L/(RX+RJ)；
c.启动探测引燃模块与主脉冲模块对工件表面进行粗加工，探测引燃模块对放电极间放电状态进行探测引燃，同时控制主脉冲模块进入加工的程度，实现等能量放电加工，同时控制极间接入电压骤降与电流释放模块，持续接入时间为t；
d.启动探测引燃模块对工件表面进行精加工，同时控制极间接入电压骤降与电流释放模块，持续接入时间为t。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：保证极间不击穿的电压以36V计算，精加工时放电脉冲下降沿瞬间的最大峰值电流为12A，骤降电阻值RA的计算公式为：RA＝36/12＝3Ω。
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