TWI779362B

TWI779362B - 可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機

Info

Publication number: TWI779362B
Application number: TW109134196A
Authority: TW
Inventors: 陳裕愷; 吳永駿; 宋朝宗; 李旻峰
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-10-01
Also published as: TW202215762A

Abstract

本發明提供一種可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機。此可調式放電加工電源產生電路包括一LLC諧振電源轉換器以及一放電加工電力轉換電路。LLC諧振電源轉換器用以產生一放電加工電源，來提高加工速度、加工迴路之效率、以及輸出電流之穩定性與可調性。放電加工電力轉換電路利用以全橋轉換電路，藉以根據加工的不同，輸出直流脈波或交流脈波。

Description

可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機

本發明係關於一種放電加工機，更進一步來說，本發明係關於一種可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機。

放電加工機是藉由電能轉換成熱能，使工件融化的加工方式，放電加工的優點在於能加工普通數值控制(Computer Numerical Control，CNC)工具機難以加工切削的材料與複雜形狀工件，放電加工並不是使用刀頭切削，不會產生刀痕，加工件精度較佳。

第1圖繪示為先前技術的放電加工機的操作示意圖。請參考第1圖，放電加工機的組成可大致分為三部分，脈波電源100、具導電性的電極101、與具導電性的工件102。將電極與工件同時放置於加工液中，兩者在加工前保持著較遠的距離，當加工開始時，此時電極101與工件102上會有相反之電極，當電極101逐漸靠近加工件102，直到縮小至10μm或更小的距離時，因電極101與工件102之間具有電位差，形成電場，當電場強度高過加工液之耐壓強度時，就令放電發生，而放電所發生之位置上將會產生高達5000~10000℃的高溫，使得工件在如此高溫的狀況下熔融與氣化，此時因在微小面積上形成氣化造成之壓力，熔融之工件噴散並被加工液帶走，並在微小面積上形成放電痕跡，並持續重複放電，直到加工出想要之形狀。

又，放電加工機一般分為兩類，線切割機與深孔機，在傳統電源系統多以電阻、電容(RC)式電源系統，如2A圖所示，第2A圖繪示為先前技術的放電加工機的電路圖。請參考第2A圖，直流型態放電加工機主要將能量先儲存於電容中，當電極以及加工物間靠近至極小的距離(例如為μm等級的距離)，兩端呈現短路狀態，此時電容會對加工物件放電並在極短的時間下放電結束。類似這種電阻、電容(RC)電源迴路系統雖然組成元件簡單且容易獲得高峰直之電流，但在電容在沒有控制的情況下充飽電後隨即放電，在這種情況下容易造成不正常放電，使的加工溝槽的精度與寬度皆會有所影響，且多數電源損耗將發生在電阻上。

另外，深孔機多以直流(Direct Current，DC)脈波輸出主要輸出電流，如第2B圖所示。第2B圖繪示為先前技術的直流型態放電加工機的電路圖。在此例中，根據使用者所選的工作模式，選擇限流電阻RL1或RL2作為控制電流輸出用，並透過電晶體QD1、QD2控制輸出脈波寬度(頻率)以進行加工。

然而，直流電源搭配電晶體Q1、Q2與限流電阻R1、R2做為主要加工電源或以RC做為放電電路的方式，耗損於限流電阻上功率消耗相當大，實際應用在加工上的電能非常低，也使得放電加工之加工精度受到影響。

本發明的一目的在於提供一種可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機，用以同時使用交流與直流放電加工模式，並進一步增加能源轉換效率。

有鑒於此，本發明提供一種可調式放電加工電源產生電路，適用於一放電加工機，其中，此放電加工機包括一放電加工電極以及一工件電極，此可調式放電加工電源產生電路包括一LLC諧振電源轉換器以及一放電加工電力轉換電路。LLC諧振電源轉換器用以產生一放電加工電源。放電加工電力轉換電路包括一控制電路、一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件、一第四開關元件以及一第五開關元件。

第一開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第一開關元件的第一端耦接放電加工電源，第一開關元件的控制端耦接該控制電路，第一開關元件的第二端耦接該放電加工電極。第二開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第二開關元件的第一端耦接該第一開關元件的第二端，第二開關元件的控制端耦接該控制電路，第二開關元件的第二端耦接一共接電壓。第三開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第三開關元件的第一端耦接該放電加工電源，第三開關元件的控制端耦接該控制電路，第三開關元件的第二端耦接該工件電極。第四開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第四開關元件的第一端耦接該第三開關元件的第二端，第四開關元件的控制端耦接該控制電路，第四開關元件的第二端耦接該共接電壓。第五開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第五開關元件的第一端耦接放電加工電源，第五開關元件的控制端耦接該控制電路，第五開關元件的第二端耦接共接電壓。當進行一直流加工時，根據使用者的設定，控制電路依序控制第一開關、第四開關導通，之後控制電路控制第一開關、第四開關截止並控制第五開關導通，以產生直流脈衝電流，當進行一交流加工時，根據使用者的設定，控制電路依序控制第一開關、第四開關導通，之後控制電路控制第一開關、第四開關截止並控制第五開關導通，之後，控制電路控制控制第五開關截止，並控制第二開關、第三開關導通，以產生直流脈衝電流。

本發明另外提供一種放電加工機，此放電加工機包括一放電加工電極、一工件電極以及一可調式放電加工電源產生電路，此可調式放電加工電源產生電路包括一LLC諧振電源轉換器以及一放電加工電力轉換電路。LLC諧振電源轉換器用以產生一放電加工電源。放電加工電力轉換電路包括一控制電路、一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件、一第四開關元件以及一第五開關元件。

依照本發明較佳實施例所述之可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機，上述可調式放電加工電源產生電路更包括一阻抗元件，其中，阻抗元件的第一端耦接放電加工電源，阻抗元件的第二端耦接第五開關元件的第一端。在一較佳實施例中，阻抗元件係一電阻。

依照本發明較佳實施例所述之可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機，上述LLC諧振電源轉換器包括一諧振電路、一切換電路以及一整流濾波電路。諧振電路包含一變壓器。切換電路耦接諧振電路的變壓器之一次側，以控制LLC諧振電源轉換器的操作頻率。整流濾波電路耦接諧振電路的變壓器之二次側，用以輸出該放電加工電源。

依照本發明較佳實施例所述之可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機，上述諧振電路包括一諧振電容以及一諧振電感。其中，諧振電感的第一端耦接諧振電容的第二端，諧振電感的第二端耦接變壓器的一次側的第一端。在一較加實施例中，切換電路包括一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體以及一第四電晶體。第一電晶體的第一源汲極耦接一電源電壓，第一電晶體的第二源汲極耦接該諧振電容的第一端。第二電晶體的第一源汲極耦接該諧振電容的第一端，第二電晶體的第二源汲極耦接一次測共接電壓。第三電晶體的第一源汲極耦接該電源電壓，該第三電晶體的第二源汲極耦接該變壓器的一次側的第二端。第四電晶體的第一源汲極耦接該變壓器的一次側的第二端，該第四電晶體的第二源汲極耦接該該一次測共接電壓，其中，控制電路控制第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體以及第四電晶體的閘極以控制LLC諧振電源轉換器。

依照本發明較佳實施例所述之可調式放電加工電源產生電路以及使用其之放電加工機，上述變壓器的二次側包括一第一端、一第二端以及一中間抽頭端，且整流濾波電路包括一整流電容、一第五電晶體以及一第六電晶體。整流電容的第二端耦接該變壓器的二次側的中間抽頭端。第五電晶體的第一源汲極耦接該變壓器的二次側的第一端，第五電晶體的第二源汲極耦接該整流電容的第一端。第六電晶體的第一源汲極耦接該變壓器的二次側的第二端，第六電晶體的第二源汲極耦接該整流電容的第一端，其中，中間抽頭端耦接共接電壓。

本發明的精神在於在放電加工機的可調式放電加工電源產生電路中，前級電路採用LLC諧振電源轉換器增加了電源的穩定性以及工作效率，後級電路則採用全橋為主的轉換電路，藉此，根據不同的加工模式，轉換出放電加工機所需的交流放電脈衝以及直流放電脈衝。因此，本發明實現軟性切換特性並提升整體轉換器效率，並可以支援各種不同加工模式，且提高了加工精度。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

100:脈波電源

101:具導電性的電極

102:具導電性的工件

RL1、RL2:限流電阻

QD1、QD2:電晶體

301:放電加工電極

302:工件電極

303:可調式放電加工電源產生電路

40:LLC諧振電源轉換器

41:放電加工電力轉換電路

VIN:放電加工電源

401:控制電路

Q1:第一開關元件

Q2:第二開關元件

Q3:第三開關元件

Q4:第四開關元件

Q5:第五開關元件

R:阻抗元件

70:全橋切換電路

71:諧振電路

72:整流濾波電路

M1:第一電晶體

M2:第二電晶體

M3:第三電晶體

M4:第四電晶體

M5:第五電晶體

M6:第六電晶體

CR:諧振電容

LR:諧振電感

T:變壓器

CL:整流電容

CL、一M5以及一M6。

VCOM:一次測共接電壓

VDC:電源電壓

第1圖繪示為先前技術的放電加工機的操作示意圖。

第2A圖繪示為先前技術的交流型態放電加工機的電路圖。

第2B圖繪示為先前技術的直流型態放電加工機的電路圖。

第3圖繪示為本發明一較佳實施例的放電加工機之系統方塊圖。

第4圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之系統方塊圖。

第5圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之直流脈波電流輸出波形圖。

第6圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之交流脈波電流輸出波形圖。

第7圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之LLC諧振電源轉換器40的電路圖。

第3圖繪示為本發明一較佳實施例的放電加工機之系統方塊圖。請參考第3圖，此放電加工機包括一放電加工電極301、一工件電極302以及一可調式放電加工電源產生電路303。第4圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之系統方塊圖。請參考第4圖，可調式放電加工電源產生電路303包括一LLC諧振電源轉換器40以及一放電加工電力轉換電路41。LLC諧振電源轉換器40用以產生一放電加工電源VIN。放電加工電力轉換電路41包括一控制電路(未繪示)、一第一開關元件Q1、一第二開關元件Q2、一第三開關元件Q3、一第四開關元件Q4、一第五開關元件Q5以及一阻抗元件R。

第5圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之直流脈波電流輸出波形圖。請參考第4圖以及第5圖。

在T0~T1期間，當t=T0時，LLC諧振電源轉換器40輸出由定電壓轉換成定電流，頻率由高頻逐漸降低直到輸出電流穩定，並使輸出電流呈現緩慢上升的狀態，第一開關元件Q1、第四開關元件Q4導通，此時電極為正極性，此狀況下為正極性加工。

在T1~T2期間，當t=T1，時，第一開關元件Q1、第四開關元件Q4持續導通，此時LLC諧振電源轉換器40為定電流並呈現穩定輸出指定電流。

在T2~T3期間，當t=T2時，第一開關元件Q1、第四開關元件Q4截止，第五開關元件Q5導通，LLC諧振電源轉換器40轉換成定電壓模式並進入間歇狀態，使電極與物件間恢復零電壓，並準備下個脈波輸出。

第6圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之交流脈波電流輸出波形圖。請參考第4圖以及第6圖。

在T0~T1期間，當t=T0時，LLC諧振電源轉換器40之輸出由定電壓轉換成定電流，頻率由高頻逐漸降低直到輸出電流穩定，並使輸出電流逐漸上升的狀態，第一開關元件Q1、第四開關元件Q4導通。此時電極為正極性，此狀況下為正極性加工。

在T1~T2期間，當t=T1時，第一開關元件Q1、第四開關元件Q4持續導通，此時LLC諧振電源轉換器40為定電流並呈現穩定輸出指定電流。

在T2~T3期間，當t=T2時，第一開關元件Q1、第四開關元件Q4截止，第五開關元件Q5導通，此時LLC諧振電源轉換器40轉換成定電壓模式並呈現間歇模式，使電極與物件間恢復零電壓，並準備下個脈波輸出。

在T3~T4期間，當t=T4時，LLC諧振電源轉換器40之輸出由定電壓轉換成定電流，頻率由高頻逐漸降低直到輸出電流穩定，並使輸出電流呈現緩慢上升的狀態，第二開關元件Q2、第三開關元件Q3導通，此時電極為負極性，此狀況下為負極性加工。

在T4~T5期間，當t=T4時，第二開關元件Q2、第三開關元件Q3持續導通，此時LLC諧振電源轉換器40為定電流並呈現穩定輸出指定電流。

在T5~T6期間，當t=T5時，第二開關元件Q2、第三開關元件Q3截止，第五開關元件Q5導通，LLC諧振電源轉換器40轉換成定電壓模式並呈現間歇模式，使電極與物件間恢復零電壓，並準備下個脈波輸出。

第7圖繪示為本發明一較佳實施例的可調式放電加工電源產生電路303之LLC諧振電源轉換器40的電路圖。請參考第7圖，在此實施例中，LLC諧振電源轉換器40包括全橋切換電路70、諧振電路71以及整流濾波電路72。全橋切換電路70包括第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3以及第四電晶體M4。諧振電路71包括一諧振電容CR、一諧振電感LR以及變壓器T的激磁電感(未繪示)。整流濾波電路72包括一整流電容CL、一第五電晶體M5以及一第六電晶體M6。

第一電晶體M1的第一源汲極耦接一電源電壓VDC，第一電晶體M1的第二源汲極耦接諧振電容CR的第一端。第二電晶體M2的第一源汲極耦接諧振電容CR的第一端，第二電晶體M2的第二源汲極耦接一次測共接電壓VCOM。第三電晶體M3的第一源汲極耦接電源電壓VDC，第三電晶體M2的第二源汲極耦接變壓器的一次側的第二端。第四電晶體M4的第一源汲極耦接變壓器的一次側的第二端，第四電晶體M4的第二源汲極耦接該一次測共接電壓VCOM。諧振電感LR的第一端耦接諧振電容CR的第二端，諧振電感LR的第二端耦接變壓器T的一次側的第一端。

又，在此實施例中，變壓器T的二次側的設計採用中間抽頭的設計。整流電容CL的第二端耦接變壓器的二次側的中間抽頭端。第五電晶體M5的第一源汲極耦接該變壓器T的二次側的第一端，第五電晶體M5的第二源汲極耦接整流電容CL的第一端。第六電晶體M6的第一源汲極耦接變壓器T的二次側的第二端，第六電晶體M6的第二源汲極耦接整流電容CL的第一端。其中，控制電路401控制第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3、第四電晶體M4、第五電晶體M5以及第六電晶體M6的閘極以控制LLC諧振電源轉換器40。

LLC諧振電源轉換器40的設計主要是設計零電壓/電流切換，避免切換損失並增加效率。故設計上一般會採用根據負載變動頻率的控制方式，並根據負載條件，設計諧振參數。然而，若不考慮切換損失的部分，亦可以採用普通的電源轉換器，本發明不以此為限。再者，整流濾波電路72在此實施例雖採用第五電晶體M5以及第六電晶體M6做舉例，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，本發明亦可以採用單向性導通元件，例如功率二極體，以進行整流。故本發明亦不以此為限。再者，切換電路70在此實施例是以全橋轉換器做舉例，所屬技術領域具有通常知識者應當知道，半橋亦可以實施。故本發明亦不以此為限。

綜上所述，本發明的精神在於在放電加工機的可調式放電加工電源產生電路中，前級電路採用LLC諧振電源轉換器增加了電源的穩定性以及工作效率，後級電路則採用全橋為主的轉換電路，藉此，根據不同的加工模式，轉換出放電加工機所需的交流放電脈衝以及直流放電脈衝。因此，本發明實現軟性切換特性並提升整體轉換器效率，並可以支援各種不同加工模式，且提高了加工精度。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。