单脉冲电火花加工电源的设计

第1期(总第152期)

2009年2月机械工程与自动化

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文章编号:1672-6413(2009)01-0148-03

单脉冲电火花加工电源的设计

叶明国,杨胜强,曹明让,王燕青,马丽华

(太原理工大学,山西　太原　030024)

摘要:单脉冲放电对电火花放电加工机理的研究具有重要的意义,通过对单脉冲放电凹坑的研究可以定性或是定量地分析蚀除率、表面粗糙度与电参数的关系。适合于课题研究目的的单脉冲放电电源是对单脉冲电火花加工机理深入分析的关键,详细地介绍了一种实验室单脉冲电源的制作方法。关键词:电火花加工;单脉冲电源;单片机中图分类号:T G66 文献标识码:B

收稿日期:2008-06-05;修回日期:2008-09-27

作者简介:叶明国(1979-),男,山东烟台人,在读硕士研究生,研究方向:表面光整加工技术。

0　引言

电火花放电时,电极表面的材料究竟是怎样被蚀除下来的,这一微观过程的物理本质即是所谓电火花加工的机理。在实际加工过程中,电火花小孔加工是在连续脉冲放电条件下进行的。连续脉冲放电加工是一个非常复杂的物理过程,很难确定各个因素对放电的具体影响,而单脉冲放电可以很好地用来分析各个参数对放电过程的影响。

研究单脉冲放电加工是研究电火花放电加工机理的基础,通过对单脉冲放电凹坑的微观因素的研究,我们可以更好地认识在连续脉冲下电火花的加工机理[1]

。但是进行单脉冲放电的研究必须要有满足实验目的的单脉冲放电电源。此文将详细介绍一种用于放电加工机理研究的单脉冲电源制作方法。1　单脉冲电火花加工电源的电路设计1.1　单脉冲电火花加工电源的设计方案

晶体管脉冲电源自发明以来,因电极损耗低、生产率高、工作稳定性好和加工质量高等优点而一直被广泛应用。它是利用功率晶体管作为开关元件而获得的单向脉冲,并且具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形好以及自适应控制等优点[2]。在脉冲波形上人们也相继应用了矩形波、阶梯波、三角波以及梯形波等,各种波型虽然各有优点,但矩形波脉冲电源因其波形稳定、易控、易实现且生产率较高而被广泛采用。

在电火花加工中,脉冲参数与单脉冲放电能量有密切的关系。单个脉冲的能量若达到10-6J 就可加工出直径 0.001mm 的超微孔。脉冲参数的精确控制和脉冲放电能量的利用效率对单脉冲放电实验的工艺指标有直接的影响。所以单脉冲电源设计需要满足以下

要求: 脉冲电压的上升沿和下降沿波形要陡; 脉冲的主要参数在很大范围内可调且控制精度高; 脉冲电源要工作稳定可靠,元器件性价比要高,制作简单,体积要小。基于上述原因确定的单脉冲电源的设计方案见图1。

图1　单脉冲电源的设计方案

1.2　控制脉冲信号电路及抗干扰设计

采用以PIC16F877单片机为核心的电路来产生脉冲信号。PIC16F877内采用了哈佛总线结构,即在芯片内部将数据总线和指令总线分离,能使脉冲参数在很大的 s 范围内变化。它的指令具有单字节、单周期的特点,有利于提高CPU 执行指令的速度,且内置高速振荡电路,使得晶振最高可达20MHz ,是典型的供实验使用的芯片。

PIC16F877及光耦电路见图2。其工作原理如下:在各个电子元件处于正常工作状态且外接火花放电电压时,若PIC 处于复位状态,按一下SW1开关,单脉冲电源就会输出一个放电脉冲。若要输出下一个,则需按SW 1使PIC 复位后,再按SW1即可。本设计可以产生多种不同的脉宽,它是通过拨码开关来选择的,最多可达32种。

PIC16F877中有一个内置的CCP 模块,该模块包含一个16位寄存器,这个寄存器可以作为PWM 主/从工作周期寄存器,在PWM 工作方式下,CCP X 引脚可以产生高达10位分辨率的精确脉宽调制输出[3]。在实验过程中,若时间精度要求不严格或不考虑占空比,则可由图2的XT5中接RC6端子输出单脉冲;若需精确控制时间或考虑占空比,则可采用接CCP X 引脚输出,由PWM 加上内部时间寄存器可精确灵活地实现各种脉宽输出。

为了避免在实验过程中受到外界条件和元器件本身的干扰,在控制信号和驱动放大之间加入6N137光电耦合器。光电耦合器的输入端必须与工作电压完全隔离。为了尽可能节省电源,采用一个三端稳压器LM 7805把15V 电压稳定降压在5V 供给光电耦合器。L1端15V 电压串联上拉电阻,保证光电耦合器输出端

为高电平[4]

。

图2　P IC 16F 877及光耦工作电路

1.3　功率驱动放大开关电路设计

由PIC 产生单脉冲后,经过功率放大后驱动场效应管的导通与截止来控制电火花加工电源的接通与断开,从而产生我们需要的单脉冲,控制脉冲宽度t j 即为电火花加工电源单脉冲的宽度t i ,实验中所需要的具体的脉冲宽度通过PIC 编程来实现。根据功率级使用的开关元件不同,可以分为闸流管式、电子管式、晶闸管式、晶体管式、绝缘栅双极晶体管式(IG-BT )和功率场效应管式(M OSFET)等多种类型,在此我们选用场效应管IRFP250N,此管最高电流可达30A ,能充分保证电路电流的需要。功率驱动选择M OSFET 专用驱动芯片

TPS2812P,最大电流可达2A [5]

,二者结合可以保证M OSFET 的迅速开通。为了避免突然断电后形成反流,在场效应管漏极串联一个二级管FR604;为了释放断路时场效应管端电压,给场效应管并联一个二级管FR304,同时为了保证栅极电压在一定幅值范围内变化,故接入对接的两个稳压管。图3即为运用上述元件

构成的脉冲电源开关驱动电路部分原理图。

图3　功率开关驱动电路(部分)

总原理图制成以后可通过Protel 99SE 或是pr oteus 制成PCB 板,然后刻成线路板。

由于电火花放电的击穿电压通常大于间隙电压,为了使场效应管处于正常工作状态,使用图3印制后的电路板做实验时,必须在外接直流电源与MOSFET 之间加限流电阻R 。通常在加工中,因工具电极材料不同形成的工具电极与工件之间的间隙电压也不同,故电阻值要根据间隙电压和每只M OSFET 场效应管所通过的工作电流I 来计算。假设每只MOSFET 场效应

管需要通过的电流为I ,电极间隙电压为u ,外接直流

电源为U ,则串联的电阻值为:

R =(U -u )/I 。1.4　消振处理

产生的单脉冲是通过手动按键来输出的。平时按键开关总是处于断开状态,当按下键时它才闭合,按键产生的波形通常如图4所示,这是因为无论是按下键还是放开键人的手都会产生抖动。

脉冲放电痕和电蚀产物的大小主要取决于单个脉

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