微细电化学加工纳秒脉冲电源的研制
基于CPLD的多功能微细电加工电源的研制
Ｔｈ ｅ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＣＰ ＬＤ
ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｕ ｎｉ ｔ ｉ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ．Ａｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐ ｕｌ ｓ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ＥＤＭ ａ ｎ ｄ ＥＣＭ ｉ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ．Ｔｈｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ＥＤＭ ａ ｎｄ ＥＣＭ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ＣＰＬＤ； ｍｉ ｃ ｒ ｏ ＥＤＭ ； ｍｉ ｃ ｒ ｏ ＥＣＭ ； ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ
工， 又 能 用 于 微 细 电 化 学 加 工 。 微 细 电 火 花 加 工 电
很大 提高 。独立 式脉 冲 电源 具有脉 冲放 电不 受 电
《 电加工与模具》 ２ ０ １ ３ 年第 ２ 期
设 计・ 研 究
基于 Ｃ Ｐ Ｌ Ｄ 的 多功 能微 细 电加 工 电源 的研 制
樊友文 ， 褚旭 阳 ， 陆连 强 ， 刘 刚 ， 洪 永 强
（厦 门大学物 理与机 电工 程学 院 ， 福建 厦 门 ３ ６ １ ０ ０ ５）
摘要 ： 为 了解决微 能脉 冲 电源发展 中遇到 的功 能单 一 、 集成 度 不 高等 问题 ， 设计 了 多功 能微 细 电加 工脉 冲 电源。 以单片机 和 Ｃ Ｐ Ｌ Ｄ作 为微 控制 器 ， 利 用模块 化的 方法对 关键 模块 进行设 计 ， 并运 用Ｑ ｕ ａ ｒ ｔ ｕ ｓ 软 件对 高频脉 冲发 生单元进 行仿 真 ， 得 到微 细 电火花和 微 细 电化 学的脉 冲 波形 ， 通 过 对
μs级可调脉冲电源及微细电解加工应用
（ ｎ ｕ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ ， ｕ ｉａ ３ ０ １ Ｈ Ａ ｈ ｉ ｎｖ ｓｙ ｆ ｉ ｅａ ｄＴ ｃ ｎｌ ｙ Ｈ ａｎｎ２ ２ ０ ，Ｃ Ｎ） ｅ ｉ Ｓ ｎ ｏ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｅ ａ ｄ ｔ ｏｉ ｇ Ｐ ｏ ｅ ｓ ｄ ｔ ｅ ｔ ａ ｏ ｅ Ｅ ｅ ｔ ｃ ｅ ｃ ｌｍｉｒ ｃ ｉ ｉ ｇ ｂ ｓｎ ｓｒ ｃ ： ｅ ｅｏ ｅ ｈ ａ ｈ ｄ ｎ ｏ ｌ ． ｒ ｃ ｓ ｅ ｈ ｒ ｌ ｆｔ ｌ ｃｒ ｈ ｍｉａ ｃ ｏ ｍａ ｈ ｎ ｎ ｙ ｕ ｉ ｇ ｎ ｉ ｈ ｏ
４ 微细 电解￣ －试验 ｊｒ ｎ－
在 Ｄ Ｋ １０ Ｊ３ ５ 数控电解加工机床上 ， 进行了一些微
细 电解 加工 的试验 。
具 ”， 它直接影 响到加 工 尺寸精 度和加 工质 量 。 所 设计 的 阴极 应 当能提供 溶解 表面需 要 的电流分
广泛应 用于 加工制 造业 中 。
之 问 的问隙大 、 阻力 小 ， 量 电解 液 由此 间 隙流 走 ， 大 而
不易流过工件 的细槽 。此 外 ， 细槽 的流程 长， 出口 进 窄 ， 而 产生缺 乏 流体 的死 水 区 。在死 水 区没有 或 很 从
少有 电解 液通 过 ， 件 的溶 解速 度将低 于其 他部位 ， 工 加 工 时就容 易产 生火花 或短 路 。
１ ｒ８ ｉＴ 不 锈 钢 片 ， 在上 面加 工 宽 为 ０ ５ｍｍ、 ＣｌＮ９ ｉ 需 ． 深
为 ０ ３ｍｍ 的迷宫形 多道 细槽 ， 图 １ ． 如 。
路 。另外 ， 此工件加工 的槽比较细小 ， 为达到较好的加 工效果 ， 用 了研 制 的微秒级 可调 脉 冲电源进行 加工 。 应 由于电化学加工不 同于传统 的机械加工 ， 其夹具 和 阴极 的设 计有 其特 殊 的要求 。设计 电解液 的流 向一
纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验_张朝阳
的加工间隙有关。 工件上的加工区域极间间隙最小， 电解液电阻也最小，记为 R1，决定双电层电容充放 电的时间常数τ1=R1C； 非加工区域离工具阴极较远， 电阻较大，记为 R2 ，时间常数 τ2=R2C 。正是由于 τ1<τ2，造成了加工区和非加工区施加相同的脉冲电 压却产生不同的过电位[6]。 根据电化学极化的 Butler-Volmer 方程，电极上 双电层的过电位 φ 影响电化学反应的电流密度 i ⎛ β nF ⎞ (5) i = i 0 exp ⎜ ϕ ⎜ RgTa ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
∗ 航空科学基金(04H52055)和南京航空航天大学博士学位论文创新与创 优基金(BCXJ04-09)资助项目。20060208 收到初稿，20060812 收到修 改稿
前后电极／溶液界面上所发生的物理、化学变化和 电极反应的等效电路，探讨其加工机理。而直流电 解加工和普通脉冲电解加工，都是利用电极过程进 入稳定状态后的电化学反应实现工件材料的去除加 工，常用极化曲线研究，属于稳态加工过程。 本文根据电化学原理建立了纳秒脉冲微细电解 加工的理论模型，分析了影响微细电解加工精度的 工艺因素；并利用所构建的微细电解加工系统，进 行微细电解加工试验，实现了微米级工具电极的制 作和工件微细结构的加工。
i0 ——交换电流密度 β ——电极反应的传递系数 Rg ——气体常数 Ta ——绝对温度 根据法拉第定律：电极界面上发生电化学反应 物质的量 V 与通过的电量和材料的电化学当量成正 比。对于脉冲电解加工，每个脉冲周期 Tp 内的电量 相同。因此电化学去除量为 ton t V = ω Itm = ω m ∫ i (t )Adt = 0 Tp
第 43 卷第 1 期 2007 年 1 月
机 械 工 程 学 报
纳秒级脉冲电源的研究与设计
纳秒级脉冲电源的研究与设计随着脉冲功率技术在军事、医疗、环保等领域的快速发展,对于大功率脉冲电源的上升沿宽度要求日益提高,高功率快脉冲也逐渐成为脉冲功率技术的研究热点和发展趋势。
而如何以较低的成本在提高脉冲电源电压等级的同时陡化脉冲宽度也是研究的难点之一。
以高压快脉冲为技术核心,以小型化、高重频和高效率为发展方向,本论文提出了一种低成本对称式的脉冲发生拓扑,同时以磁压缩技术陡化脉冲宽度,并深入研究了磁开关的控制技术,以实现高稳定性的纳秒级脉冲电源的研制,论文主要内容分为以下三个部分:1、提出了一种具有对称串联结构的高压脉冲电源拓扑,大幅降低成本;基于这种新型的高压脉冲电源拓扑,分析并初步验证了各种工作环境下的可行性。
搭建了该高压脉冲电源的仿真模型,仿真验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下电路的工作原理。
在实验室完成了该高压脉冲电源的研制,实验验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下对于电路的分析,并在实际应用中证明了该拓扑相对于现有研究的优越性。
2、介绍了脉冲磁压缩技术的工作原理,分析了各个磁芯参数对磁开关性能的影响,基于此,确定了磁芯材料的选择,并搭建了磁芯检测平台测量磁芯的磁滞曲线,对比了不同磁芯材料的区别。
基于脉冲电源体积小型化原则,分析了影响磁开关体积的因素,并利用数学模型确定了磁开关参数的最优解。
系统地分析了磁复位原理以及磁复位电路与脉冲电源的匹配问题。
最后搭建了30kV/3kW的纳秒级脉冲电源样机,验证了磁复位原理的可行性,以及在高压大功率应用场合可能遇到的问题及其解决方案。
3、针对电流型磁复位方式存在的不足,指出了对于磁开关控制的必要性,并系统地分析了磁开关控制原理,提出了相应的控制方案。
最后基于PLECS软件搭建了35kV的纳秒级脉冲电源的仿真模型,通过仿真验证了控制方案的可行性和稳定性,并从实际应用角度分析了磁开关的最佳工作区间。
一种纳秒级高压脉冲发生器的研制
高压电器
Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ
直流电压的纹波系数可用公式（ ２） 描述。
Ｓ＝δＵ／Ｕｄ＝Ｉｄ／（ ２ｆＣＵｄ）
（ ２）
显然， Ｃ 值越大， 纹波系数 Ｓ 越小。在该电路中， 选择
１ ｕＦ 的电容以减小 Ｓ。变压器的变比可调， 因此可以
得到不同幅值的高压直流电压。当变压器的高压绕
ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ＜２０ ｎｓ） ｍｕｓｔ ｂｅ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ， ａ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ
ｍｅｒｃｕｒｙ ｒｅｌａｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ
［３］ 陈 衡， 侯善敬． 电力设备故障红外线诊断［ Ｍ］ ． 北京： 中国 电力出版社， １９９９．
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
（ 上接第 １３０ 页）
断路器安全总突变隶属函数值： Ｘ!＝（ ０．９６９， ０．７４９， ０．６１２， ０．３８７） 该高压断路器的运行状态处于“优”阶段， 工作 性能稳定， 故障概率极低。
微小孔的电解加工工艺研究
微小孔的电解加工工艺研究陈辉;王玉魁;王振龙【摘要】为了研究微小孔的电解加工工艺,采用在线加工的微细电极和超短脉冲电压,以及复合电解液电解加工微小孔.通过在线加工电极,避免了电极的二次装夹,提高了加工孔时的定位精度.实验中,分析了不同种类的电解液及其浓度、加工电压以及脉冲宽度对微小孔加工精度的影响.实验结果表明,添加络合剂的钝化电解液既能溶解阳极的电解产物,避免发生短路,提高了加工的稳定性,又不会增大加工间隙.而超短脉冲电压能明显减小微小孔加工的侧面间隙,并保证孔直径的一致性.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】5页(P17-20,31)【关键词】微细电解;微细电极;微小孔;超短脉冲电压【作者】陈辉;王玉魁;王振龙【作者单位】哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TG662微小孔结构在微小机械零件加工中占有重要的比重。
一般将直径0.3～1.0mm的孔称为小孔,将直径＜0.3mm的孔称为微孔。
微小孔的应用十分广泛,如燃料喷嘴(内燃机)、化纤细丝喷嘴、医用流量计、喷码机喷嘴等的微小孔加工[1]。
微小孔的加工方法有机械钻削、冲压、电火花加工、超声加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。
与其他加工方法相比,由于电解加工金属是以离子形式去除,对材料的破坏小,几乎没有切削力,很适合金属材料的微细加工[2]。
电解加工微小孔的方法有多种。
如:掩膜电解加工可在镍、钼、不锈钢等金属材料上加工微小孔,用于喷墨打印机喷嘴和MEMS器件[3];喷射电解液电解加工,可在钛表面快速加工数百个孔,在曲面上也能加工出高深径比的孔,但它的加工精度与掩膜加工相比低很多[4]。
德国的研究人员采用纳秒超短脉冲电源,可把工件上的电化学反应限制在几微米的范围内,为电化学微细加工金属材料奠定了基础。
电化学加工技术
电化学加工技术的概况与展望姓名：代路杰班级：模具1班学号：0930140110-------------------------------------------------------------------------------- 摘要：分析总结电化学加工专业领域的工艺技术及设备的研发和应用概况，展望其近期发展趋势、关键技术及发展战略。
近年来，延续了自20世纪90年代后期以来的良好发展态势，电化学加工专业领域工艺技术水平及设备性能均取得了稳步发展，应用领域进一步扩展，产业发展也达到了一个新的高度。
1 工艺技术研究相对传统加工和其他优势特种加工技术而言，电化学加工的基础理论较为薄弱，工艺技术尚欠成熟。
但正因为如此，其有待研究、开发的空间也更为广阔。
近期，电化学加工工艺技术研究涉及的方向主要集中在超纯水电解加工、微细加工、加工间隙的检测与控制、数字化设计与制造技术等重点领域。
下面分别加以详述。
1.1 超纯水电解加工超纯水电解加工是在常规电解加工原理的基础上, 利用超纯水作电解液，并采用强酸性阳离子交换膜来提高超纯水中OH-离子的浓度, 使电流密度达到足够去除材料的一种新型电解加工工艺方法。
日本学者率先提出以超纯水代替常规电解液，实现绿色、微细电解加工的思想。
国内学者近年来也开展了超纯水电解加工的机理、超纯水小孔电解加工、超纯水电化学扫描直写加工、超声辅助纯水微细电解加工等研究，为超纯水电解加工的应用奠定了基础。
1.2 微细电化学加工微细加工是当前电化学加工研究中最活跃也是最热点的方向。
从原理上而言，电化学加工中材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。
由于金属离子的尺寸非常微小(10-1nm级)，因此，以“离子"方式去除材料的微去除方式使电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域存在着理论上的极大优势，只要精细地控制电流密度和电化学发生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。
基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制
基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制脉冲功率技术广泛应用于军事、环境保护、生物技术等领域,比如脱硫脱硝、脉冲杀菌、激光管驱动、阴极射线管扫描电路等。
传统脉冲电源的主放电开关主要以真空弧光放电管、氢闸流管、火花隙为主,存在成本高、寿命短、外围电路复杂等缺点。
随着电力电子技术的发展,功率MOSFET和IGBT的性能越来越高,众多研究学者利用MOSFET或IGBT串并联组成高压固态开关替代传统放电开关,进而设计出纳秒级上升沿的高重复频率脉冲发生器。
本文以SiC MOSFET为核心功率器件,设计了一台纳秒级脉冲电源,电源主要技术指标为:输出脉冲峰值可调范围为0~30kV,脉冲重复频率为10Hz~1kHz可调,最大输出电流为80A,脉冲上升时间小于100ns。
本论文的主要工作如下:设计了纳秒脉冲电源的拓扑结构,主电路采用三级Marx发生器结构,研究了SiC MOSFET串联开关的静态和动态电压不均衡机制,给出了影响SiC MOSFET串联均压的关键因素。
针对静态均压电路的特性,明确了均压电阻的设计方法,对于动态均压电路,采用负载侧RCD电路作为均压措施,并确定了相应参数的选取依据。
对比分析了正激式驱动、半桥驱动、反激驱动三种驱动方式的优缺点,确定采用半桥驱动的方式作为SiC MOSFET的串联驱动电路,该电路的隔离强度高、驱动电路设计方便,其驱动变压器的原边和副边绕组匝数均为1匝,可减少其分布参数的影响。
通过实验测试了驱动电路的同步性,其驱动的延迟时间差异小于10ns,同步性良好。
采用Microchip公司的dsPIC33FJl28MC706作为主控制芯片,整个控制系统可以实现频率可调、脉冲幅值可调、过压和过流保护等,最终完成了实验样机的制作和调试,利用针-板反应器负载对电源的性能进行测试,实验结果表明电源满足了设计指标且基本性能良好。
微细电化学加工技术
微细电化学加工技术现状与进展摘要：微细电电化学加工是微细加工领域的一个重要研究方向，电化学加工是利用电化学阳极溶解的原理将零件加工成型，具有工具无损耗、加工表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形等优点，近年来随着电解加工理论的进一步成熟，微细电解加工以其独特的优势有望成为微细加工领域的又一主流技术[1]。
微细电化学在未来的微纳加工中必将大有作为。
本文介绍了国内外微细电化学加工技术、微细电化学加工电源及检测技术的研究现状[2]。
结合国内外微细电化学加工技术的最新进展，系统地综述了微细电化学加工在多个方面的研究情况和工艺特点[3]。
关键词：电化学；电化学加工；微细电化学加工；脉冲电源。
电化学电化学是一项古老的技术，是从研究电能与化学能的相互转换开始形成的。
到20 世纪50 年代中期，苏联、美国和我国才相继开始了电解加工工艺的试验研究，电解加工也逐渐得到了发展。
随着科学技术的不断发展和深入，电化学的研究领域不断拓宽和扩展，在电化学基础上开拓的电化学加工技术，支撑了电铸、电镀、电解冶炼和电解合成、电解加工、材料腐蚀的控制等重要的产业部门，已迅速地发展成为具有重大工业意义的一项技术。
电化学加工电化学加工技术主要是利用金属材料发生氧化还原的电化学过程来实现去除材料和增加材料的目的。
电化学加工技术自问世以来，以其新颖的加工原理而得到了极为广泛的应用，已成为当前机械加工领域中不可缺少的加工方法。
电化学加工技术是一种特种加工技术，目前在微细加工中已占有重要的位置。
由于加工过程是以离子单位方式进行的，所以在微细加工中占有重要的位置。
随着现代电力电子技术的发展，针对电化学加工对精度和表面质量的要求，逐渐采用脉冲电源替代直流电源，而且脉冲电源的频率也在不断提高。
另外，计算机控制技术的发展，使采用简单形状电极加工复杂结构的工件成为可能，使电化学加工技术有了广阔的应用前景[4]。
电化学加工是一种基于在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极，从而将材料去除或沉积的方法，因此。
微细电化学加工电源的设计与研究
ｍ ｉｒ ｃ ｏ ＥＣＭ ｒ ｃ ｓ ．Ｔｈｉ ａ ｅ ｒ ａ ｎｌ ｏ ｅ ｕ ｐ ｙ ｓ ｓ ｅ ｏｒｍ ｉｒ ｐ ｏ ｅｓ ｓｐ ｐ ｒｐ ｅ ｅ ｓａｐ ｗ ｒｓ ｐ ｌ ｙ ｔ￣ｔｆ ｃ ＥＣＭ ｉ ｅｕｄｎｇ ｔ ｅｈａ ｄ ａ ｅ ａ ｈ ｏ ｎ ［ ｌ ｈ ｒ ｗ ｒ ｎｄ ｔ ｅ ｓ ｔ ａ ｅ Ｔｈｅ ｈ ｒ ｗ ａ ｅ ｍ ｏ ［ ｃ ｍ ｐ ｓ ｄ ｏ ｏｌｐ ｒ ｒ ｎ ｉ ｔ ｒａ ｅ ｃｒ ｕ ｔ ｏ ｅ ｍ ｐｌ ｉｒ ａ ｒ — ｏｆｗ ｒ ａｄ ｒ ｄｕｅ ｂ ｏ ｏ ｅ ｆａ ｃ ｉ ｕ ｅ ．ａ ｎ ｅ ｆ ｃ ｉｃ ｉ ，ａ ｐ ｗ ｒａ ］ ｉ ｅ ， ｎｄ ａ ｐ ｏ ｆ ｃ ｓ ｅ ｅ ｔｎ ｉｃ ｉ Ｔ ｈ ｏｆｗａ ｅ ｍ ｕ ｌ ｓ ｃ ｍ ｐ ｓ ｆｔ ｅ ｄ ｉｅ ｎ ｈｅｃ ｎｔｏ ｒ ｇ ａ ．Ｔ ｈ ｏ ｅ ｕ — ｅ ｓ ｄ ｔ ｃ ｉｇ ｃｒ ｕ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｄＵｅ ｉ ｏ ｏｅｄ ｏ ｈ ｒｖ ｒａ ｄ ｔ ｏ ｒ ｌｐ ｏ ｒ ｍ ｅ ｐ ｗ ｒｓ ｐ ｐｔ ｙ ｔ ｍ ｅ ｉ ｅ ａ ｈ ａ ａ ｉｉｌｓｏ ｅ ｅ ａ ｉ ｇ ａ ｖ ｒｅ ｙ ｏ Ｖ Ｖ ｈ ｐ ｓ，ｄ ｔ ｃ ｉ ｇ ａ ｄ ｃ ｔｏ ｌｎ ａ ｈｌ — ｙ ｓ ｓｅ ｄ ｓｇｎ ｄ ｈ ｓｔ ｅｃ ｐ ｂ ｔ ｅ ｆｇ ｎ ｒ ｔｎ ａ ｉｔ ｆ％ ａ Ｃｓ ａ ｅ ｔ ｅｅ ｔｎ ｎ ｏｎ ｒ ｌｉ ｇ ｍ ｃ ｎ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｗ ｈｃ ｓ ｓ ｉａ ｅ ｆ ｒｍ ｉｒ ｎ ｒ ｃｓ 、 ｉｈ ｉ ｕ ｔ ｂｔ ｏ ｃ ｏ ＥＣＭ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒｓ ｉ ］ｒ ＣＭ ， ｐ ｗｅ ｕｐ ｌ ＴｅｏＥ ｔ ｏ ｓ ｐｙ，ｐｒ ｃ ｓ ｅ ｅ ｔｎ ｒ ｏ ｅ ｓ ｄ ｔ ｃ ｉ ｇ，ｓ ｌ ａ ａ ｉｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅｆ ｄ ｐｔ ｏ ｔｏ ｖ
超短脉冲微细电解加工电源及工艺试验
（ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） Ｎａ ａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｕ ｅ ｉ
文章编号 ：１０ —６ Ｘ（０ ８ ０ —０ ５０ ０ ０５５ ２ ０ ）８ ０７ —４
超 短 脉 冲 微 细 电解 加 工 电源 及 工 艺 试 验 术
特别 要求 ．
（ ）电流容量 较 小 ． 据 欧姆定 律 ： ３ 根
， ｏ ／ ＝Ｕ ＇ Ａ Ａ （） ２
效、 稳定的纳秒级微细电解加工脉冲电源． 本研究中 提 出一种 新 型的斩 波 式 超 短 脉 冲 电解 加 工 电源 ， 其 最 窄脉 宽可达 １０ ｓ 大大 改善 微细 电解 的效 果 ． ０ ， ｎ
（ ）电源 的输 出波 形 为 脉 冲 波 ， 脉 冲上 升 和 １ 且 下 降沿 应 不超过 最 小脉 宽 的 ２ ％ ． 频 率 － 占空 比 ０ 其 厂 、 Ｄ、 冲宽度 ｔ 是 微 细 电解 加 工 电源 最 重 要 的Fra bibliotek 数 脉 。
之 一 ， 者 之间 的关 系为 三
ｔ ＝ ／ 。 Ｄｆ （） １
对 于微 细 电解加 工 电 源 ， 般 希 望 其 频率 尽 可 能 地 一 高， 这也 是微 细 电解 加工 电源 的 主要发 展方 向之 一． （ ）电源输 出 的额定 电压 在 １５～１． 围 ２ ． ００ Ｖ范 内连续 可调 （ 由连 续 可调 变 压器 调节 ） 峰值 电压 越 ．
小， 加工 的精 度越 高 ， 实现 微米 级精 度加 工 的 电压 一 般在 ５Ｖ 以下 ， 压 精 度 一般 为 ±５ ， 波 系 数无 稳 ％ 纹
弱了散蚀能力 ， 加工问隙大大降低 ， 加工精度显著提 高 Ｊ国外 研制 的纳秒 级 脉 冲 电 源 已接 近 于 投 入 实 ．
微细孔电加工技术
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微细孔加工过程中排屑 针对微细孔加工排屑困难， 稳定性差等问题， 国
内国外几家单位都进行了超声辅助电火花微细孔加
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《 航空精密制造技术 》 !""# 年第 $% 卷第 $ 期
量， 减少传动链造成的误差， 分辨率和响应速度。以 日本的古谷克司和毛利尚武等人为代表的研究人员 先后研制蠕动式、 冲击式、 椭圆式 $ 种电火花电极直 接驱动机构以及它们的改进型如点阵式机构和自动 式机构。研制利用压电陶瓷的快速伸缩来直接驱动 电极的冲击式机构， 可实现每步 "& "!!’ 的进给， 且 加工稳定，效率提高。国内一些大学和科研单位都 开展了这方面的研究。哈尔滨工业大学成功研制出 基于双定子驻波形线性步进式超声波马达的电极直 接驱动电火花加工装置。清华大学和北京机电研究 院合作开发出蠕动式微进给机构的微细电火花加工 装置， 并在实验条件下， 用紫铜作电极， 在不锈钢工 件上， 在 #""( 电压下， 加工出最小直径为 ")"!’， 深径比大于 % 的微细孔。工具电极直接驱动机构的 研究已引起人们的高度关注。 电火花微细孔加工控制系统灵敏度直接关系到 微细孔加工能否有效进行。控制系统的关键是电火 花放电时的检测环节和控制环节。目前放电间隙信 号检测采用的方法主要有：击穿延时检测方法、间 隙脉冲放电状态分类统计法、适时采样与门槛电压 的比较法、脉冲电压的积分法等检测方法。一些研 机构正进行进一步的研究探索，如哈尔滨工业大学 在采用间隙电流检测法来检测放电间隙是否击穿 时，提高用间隙电流的变化 * +, - +. / 作为间隙击穿 检测的依据，最大限度地缩短了击穿检测时间的滞 后，提高了系统的灵敏度；南京航空航天大学根据 电火花微细孔加工的特点，把多传感器融合技术应 用到复杂的微细孔电火花间隙检测领域，避免了单 一传感器的局限性，系统的可靠性显著提高。控制 方法已从过去的单片机向 01 机智能模糊控制方向 发展。为提高电火花微细孔加工质量提供了有力的 保证。 !" # 微能脉冲电源 脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所 需要的电压，并在间隙击穿后提供能量以蚀除工件 材料。接受放电间隙的影响程度分类，可分为非独 立脉冲电源和独立式脉冲电源。非独立式电源的典 型代表是 21 驰张式脉冲电源， 其特点： 结构较为简 单， 在蚀除物排除上有一定的自适应作用， 使用较方 便。缺点是加工时脉冲电参数不稳定。独立式脉冲
一种新型窄脉宽脉冲电源的设计与实现
中图 分 类 号 ：Ｐ ９ Ｔ ２ Ｄ Ｉ１ ．９３ ｊｉ ｎ １０ Ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０７—１４ ２ １． ２０ ３ ｓ ４ Ｘ．０２ ０ ．０
在 航空 航 天 、 密 仪 器 和 生 物 医学 等 精 密 机 精 械 加工 领域 ， 随着 加 工精度 要求 的提 高 ， 电化学 微
面可以防止在加工过程中由于短路或者其他原因 损坏前 端 电路 部 分 ， 到 信 号 隔 离 及 滤 波 作 用 。 起
６ １７在应 用 中 ， 了抗 干 扰 ， 电 源 端 需 接 ０ １ Ｎ３ 为 在 ．
的去耦 电容； 了限流， 为 还需在光耦的 ２脚与 ３ 脚之 间串接一个 ４０Ｑ 的电阻 …。 ７ 为了对脉冲整形 ， 得到所需的超窄脉冲信号 ， 利用 ６ １７的上升 沿较 为缓 慢 的 特点 ， 其 输 出 Ｎ３ 将 信号通过后端脉冲整形芯片 ７ Ｈ １ ， ４ Ｃ ４ 经两次反相 整形 输 出得 到 。 由于 ７ Ｈ １ ４ Ｃ ４为六 反 相 施 密 特触
可 以 １ ．５。 ２ 为单 位对 相 位步 进调 节 。 １
为方便频率调节， 采用 Ａｍ ｌ ｔｅ公司的 ５ 系列单 １
片机 Ａ ８Ｓ１ Ｔ９５ 控制 Ａ ９５ 产 生频率 可调 的正弦波 Ｄ ８１
图 ３ 两级 仃型 Ｌ Ｃ低 通滤波器的电路结 构
信号 。Ａ ８Ｓ１ Ｔ９５ 单片机 内部 为增强 型的 ＲＳ ＩＣ结 构 Ｄ ，Ｕ Ｔ ８ Ｅ Ｄ ７ １ ３ 信 号 整形 电路 ． 具有每 １ Ｈ 实现 １ Ｉｓ ｚ Ｍ Ｍ／ 的数据处理能力 ， 为方便 为得到所需的超窄脉冲信号 ， 需利用快速光耦 使用 ，Ｔ９５ 还支持 在线编程 。Ａ ８Ｓ１单片机与 Ａ ８Ｓ１ Ｔ９５ 结合 脉 冲整形 电路 。将 Ａ ９５ 产生 的 ５～１ ｚ Ｄ８１ ０ＭＨ Ａ ９５ Ｄ ８ １的连接示意图如图 ２ 所示 。 的正弦波信号 ， 通过快速光耦及脉冲整形电路变换实现脉冲 信 号 的超 窄脉 宽 ， 宽最小可达 １ Ｓ并且脉宽 和 脉 ０Ｂ，
基于FPGA的纳秒级微细电解加工脉冲电源的研制
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ｃｉｖｄ ｔｈ ｍ ｍ ，ｈ ａａ ｅｅｓ ｆ ｈ ｏ ｅ ｓｐ ｌ ｃｎｂ ｄｕｔｄｏ ｎ ｙｔｅｈｓ ｃｒ— ｈｅｅ ．Ａ ｅｓ ｅｔ ｅ ｔｅｐ ｒｍ ｔ ｅｐｗ ｒ ｕ ｐｙ ａ ｅａｊｓ ｎｌ ｅｂ ｏｔ ｏ ｔ ａ ｉ ｒｏｔ ｅ ｉ ｈ ｎ
ｐ ｔｒ ｏ ｈｅ ｅｅ ｔｏ ｈ ｍ ｉａ ｉｒ －ｍａ ｈ ｎ ｎ ｙ ｔｍ ． Ｔｈ ｙ ｔｍ ｅ ｔ ｎ ｉａ ｅ ｔ ａ ａ ａ ｅｅ ｓ ｓ ｃ ｓ ｕ ｅ ｆｔ ｌ ｃｒ ｃ ｅ ｃ ｌｍ ｃ ｏ ｃ ｉ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｅ ｓ ｓｅ ｔ ｓｓｉ ｄ ｃ ｔ ｈ ｔｐ ｒｍ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ
相 较 于其他 微 细加 工 方 法 ， 细 电化 学 加 工 具 有 微
非 接触 、 削 力 、 热 熔 除等 特 点 ， 无切 无 已经 在 某 些 特 殊
的微 细 加 工 场 合 获 得 较 好 效 果 。利 用 这 种 工 艺 ，
德 国 Ｆｉ Ｈ ｂ ｒ 究 所 、 国 的 Ｉ Ｍ 以及 国 内的 ｒ — ａｅ 研 ｚ 美 Ｂ
滤 波 ， 成 直 流 电 压 。。 电 路 存 在 外 部 干 扰 时 ， 形 ： 若
南京 航 空航 天 大 学 胡 、 海 交 通 大 学 等机 构 先 后 Ｊ上
制作 了微米 量级 的微 孔 、 、 与 其他 微细 结构 。 槽 坑
电源及 其 品 质 是 微 细 电 化 学 加 工 的 关 键 影 响 因
数， 产生高频脉冲控制信号。结构如图 ４ 主要由单片 ，
机及外 围电路 、 Ｐ Ｄ及 控 制逻 辑 、 线 驱 动及 极 问脉 ＣＬ 总
冲采样 与转 换 电路构 成 。
图 ２ 脉 冲 电源 的主 电路
图 中的 删
为 电源开 关控 制信 号 ， 由系统计 算 机
直接 控制 ， 通过 固态 继 电器 Ｓ Ｒ实 现 电 源 的开关 。通 Ｓ
１ 工 作 原 理 与 总 体 结 构
１ １ 工作原 理 ．
纳秒 脉 冲电源 的 直 流部 分 电路 结 构 如 图 １所 示 ， ２０Ｖ工 频交 流 电经 降压变 压 后进 人 全 桥整 流 与 电 容 ２ 滤 波 电路 ， 到直流 电压 。而后 ， 过 Ｒ 、 功 率 三 得 经 Ｃ与 极 管 Ｖ 成 的调 节 电路 ， 输 出端经 过 电容 Ｃ 再 次 Ｔ构 在
利 用纳 秒 及 以下级 持续 时 间的超 短脉 冲 电流去 除 材料时， 电化学 加工 能 够 将 电化学 蚀 除局 限在 电极 顶 尖 散 腐 纳 极
室 阶段 ， 尚存 在 参数 调节 范 围有 限 、 较 为单一 等 问 功能 题 。针 对上 述 问题 ， 结合 微细 电化 学加 工 的发展 ， 文 本
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａｃ ｏ ｄｎｇ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｈ ｒ ｃ ｅ ｆｅ ｅ ｔｏ ｈ ｍｉ ａ ｉｒ —ｍａ ｈ ｎ ｎ ｔａ ｔ ｃ ｒ ｉ ｈ ｒ ｃ ｓｉ ｇ ｃ ａ ａ ｔｒｏ ｌｃ ｒ ｃ ｅ ｃ ｌｍ ｃ ｏ ｃ ｉ ｉ ｇ，ａｎａ ｏ ｅ ｏ ｕ ｓ ｏ ｒｓ — ｎ ｓ ｃ ｎｄ ｐ ｌｅ ｐ ｗｅ ｕｐ
ｐｙ ｉ ｖ ｌ ｐ ｄ ｗｉ ｌ ｓｄｅ ｅｏ ｅ ｔ ａ ＣＰＬＤ ｅ ｉｅ ＥＰＭ７１ ０，ａ ｄ ａ ８ ｂ ｔ ｍｉｒ ｃ ｎｔｏｌｒ Ｓ ｈ ｄ ｖｃ ６ ｎ ｉ ｃ ｏ ｏ ｒ ｌｅ ＴＣ１ ２Ｃ５ ０Ｓ Ａ６ ２． Ｓ ｅ ｉ ｌ ｐ ｃａ ｋ ｙ ｏ ｒ ｎ ２ ２ ｃ ｍｍｕ ｉａ ｉｎ ｃｒ ｕ ｔｕ ｅ ｏ ｒ ｍｅ ｅ ｅ ｔ ｓｂ ｌ ，ａ ｄ ｄｉｐ ａ ｉｃ ｔｗｉ ｅ ｂ ａ ｄ ａ ｄ ＲＳ ３ ｏ ｎ ｃ ｔｏ ｉｃ ｉ ｓ ｄ ｆｒｐａａ ｔｒ ｓ ｔｉ ｉ ｕｉ ｎｇ ｔ ｎ ｓ ｌｙ ｃ ｒｕｉ ｔ ｈ １ ６ ４ ＬＣＤ ｄ ｌ ｓ ａｓ ｅ ｌｚ ｄ Ｓ ｈ ｔｆｉ ｎ ｌ ｎ－ｍａ ｈｎｅ ｉ ｔｒａ ｅ ｆ ｔ ｐ ｗｅ ｓ ｐｐ ｙ ｓ ａ ２８ ｍｏ ｕ ｅ ｉ ｌｏ ｒ ａｉｅ Ｏ ｔ ａ ｒｅ ｄ ｙ ｍａ ｃ ｉ ｎ ｅｆ ｃ ｏ ｈｅ ｏ ｒ ｕ ｌ ｉ －
素， 高频 、 脉 宽脉 冲 电源是微 细 电化 学加 工 的重要 研 窄
究 内容 ¨ ｍ 。 目前 ， 细 电化 学 加 工 电 源 尚处 在 实 验 ’ 微
升 高 ，Ｔ 基一 射 级 电压 下 降 ， Ｖ 。 发 基级 电 流 随 之
江 苏 省 自然 科 学 基 金 （ Ｋ ０ ９ ５ ） 江苏 省 高校 ｆ然 科 学 基 金 （９ Ｊ４ ０ ０ ） 南 京 工 程 学 院基 金 （ Ｘ ００ ４ Ｂ ２０ ３ ０ ； １ ０ ＫＢ６０５ ； Ｋ Ｊ７０ ）
因此 ， 出电压 较 为稳定 。 输
放大电路 ，ｉ Ｓ ｇ被放大至加工电压 ； 通过 Ｒ 、 Ｒ 构 Ｑ与 成 的电 流放大 ， 电极 一 工具 之 间得 到实 际加工 电流 。
图 ３ 脉 冲 电 源 的结 构 组 成
图 １ 脉冲 电源 直流部分 电路
系统 提供 两种模 式 对 电源输 出的脉 冲信 号进 行 设
ｊｓ ｄｔ ｌｓ ｔａ ０ ｎ ， ｈｃ ｕｔ ｌ ｆ ｌ ｔ ｃｅ ｉａ ｍ ｃｏ ｍａｈｎｎ ． ｕ ｔ ｓ ｈ ｎ２ ｓ ｗ ｉ ｉ ｓｉ ｂｅｏ ｅｅ ｒ ｈ ｍ ｃｌ ｉｒ— ｃ ｉｉｇ ｅ ｏｅ ｈｓ ａ ｒ ｃｏ
Ｋｅ ｗｏｒ ｙ ｄｓ：Ｅｌｃ ｒ ｃ ｍｉａ ｃ ｏ ｅ ｔｏ ｈｅ ｃ ｌＭｉ ｒ －ｍａ ｈ ｎ ｎ ｃ ｉ ｉ ｇ；Ｐ ｗｅ ｕ ｐ ｙ；Ｎａ ｓ ｃ ｎ ｏ ｒＳ ｐ ｌ ｎｏ ｅ ｏ ｄ；Ｐｕ ｓ ｒ ｍｅ ｅ ｌｅ Ｐａａ ｔｒ
摘 要： 根据微 细 电化 学加 工 的工艺 特 点 ， 用 Ｃ Ｌ 器 件 Ｅ Ｍ７ ６ 采 ＰＤ Ｐ １０与 ８位 单 片 机 Ｓ Ｃ ２ ５ ６ Ｓ 设 计 Ｔ １ Ｃ Ａ ０ ２，
了微 细 电化学 加工 纳秒 脉 冲电 源 。脉 冲 参数 设 置 通 过 专用 键 盘 或 Ｒ ２ ２实现 ， Ｓ３ 参数 显 示 采 用 国显 电子 的 １８ ４液 晶模 块 实现 ， ２６ 人机 界面 友好 。通 过 Ｒ ２ ２ 电源 可 以接 受主 控计 算 机 的 实 时参 数 调 Ｓ３ ，
过适 当 的控制 逻 辑 ， 态 地 改 变 控 制 信 号 ｓ 的高 低 动
电平 状态 ， 现 开关 管 Ｑ． Ｑ 的通 断时 序 ， 实 与 即在 工 具 电极 与工 件之 间得 到加工 要求 的脉 冲 电流 。
１ ２ 系统 结构 ．
罔
图４ 逻辑控制 电路原理
善 哥
电源 的系统结 构如 图 ３所示 ， 受运 算速 度 限制 ， 系
主
一
・
ｌ 主题 ：特种加Ｚ技术
。 １ ｐＣ ！ｐ ｃ ｌ ｃ Ｉ ｎ ｝ ｃ ｎ ｌ￣ Ｏ Ｉ ｂ ｅ ｌ ￥ ａ Ｍａ ｎｎ ａ ｅ ｈ ｏｏ Ｙ Ｉ
减小 ， 引起发射极电流下降 ， 拉低输 出直 流电压 Ｖ ； 反之 ， ｉ下 降一 上 升一 基 极 电流 增 大一 ： 升 。 Ｖｃ ） 上
极， 形成 脉 冲电流 脉宽 ； 反之 ， 制信 号 ｓ 控 ／ 高 电平 ， ｇ为
开关 管 Ｑ， 和导 通 ， 止 ， 到 加 工 电 流 脉 问 。 电 饱 Ｑ截 得 路 中的 Ｑ 、 ．Ｑ 选用 ２ ２ ６ Ｎ ３ ９系列 高频 开关 管 ， 高开 关 最 速度小 于 ２ ｓＤ， 用 Ｂ Ｖ ６系列 快恢 复 二极 管 ， ０ｎ； 选 Ｙ２ 反
Ｚ ＨＡＮＧ Ｊａ ｈ ａ，ＧＥ Ｈｏ ｇ ｕ，Ｌ ｎ ｓ ｅ ｇ ＡＮＧ Ｌ ｉｎ ｕ ｎｙ ＩＨｏ ｇ ｈ ｎ ，Ｆ ｉ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｕ ｍ ｔ ｎ ａｊ ｇＩｓｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｊ ｇ２ １７ Ｈ Ｓ ｈｏ ｏ Ａ ｔ ａｉ ，Ｎ ｎｉ ｎｔｕｅ ｆ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｎ ｎｉ ，Ｃ Ｎ） ｏ ｏ ｎ ｉ Ｔ ｏ ｎ １ １６
出低 电平 ， 开关 管 Ｑ。 止 ， ： 和导 通 ， 截 Ｑ饱 电流经 开关 管 Ｑ 由工件 流 向工 具 电极 ， 过 工 具 电极 到 达 电 源 阴 ， 经
少， 同时微 细加 工对 电源 的控制 实 时性要 求不 高 ， 加之
串 口通讯 简洁 可靠 ， 在工业 现场 应用 较 为广泛 ， 因而系 统 选用 串行 通讯 实现 电源 与 主控 计 算 机 的数 据 交互 。 通 过 串行通 讯 接 口 Ｒ ２ ２ 微 细 加 工 系 统 主 控 计 算 机 Ｓ３ ， 可 以直 接对 脉 冲的脉 宽 、 问等 参数进 行 设定 ， 脉 通讯 波 特 率选 择 １５２ ０ Ｂ Ｓ 考 虑 到实 际 应 用 ， １ ０ ／ ； 系统 按 键 较
整 。测试 表 明 ， 宽 、 间等 脉 冲参数 可调 ， 脉 脉 且调 节方 便 ， 用 性 强。 输 出脉 宽 、 间可 以调 至 ２ ｓ 通 脉 ０ａ
以 下 。 于微 细 电化 学 加工 。 适
关键 词 ： 细 电化学 加工 电源 微
中图分 类 号 ： Ｇ６ ２ Ｔ ６
纳秒
脉 冲参 数
向恢 复时 间 ３ Ｓ ０Ｉ 。 Ｉ
少 ， 而采用 独立 式键 盘 ， 接送 单 片机 Ｐ Ｌ供检 索 。 故 直 Ｉ 这里 的单 片机 系 统 指单 片 机 最 小 系 统 ， 括 时 钟 包
电路 与 复位 电路等 。
２ 逻 辑 控 制 电路 设 计
２ １ 电路 原理 ．
逻辑 控制 电路接 收 串行通 讯或 键盘 输入 的脉 冲参
主题 ：特种加工技术 ｌ
Ｉ ｐｃ ： ｐ ｃａ Ｍａ ｈｎｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ’ ｏ ｔｓ ￣ ｅ ｔｌ ｃ ｉ ｇ Ｉ ｃ ｎ ｌｇ ｉ
微 细 电化 学 加 工 纳 秒 脉 冲 电源 的研 制
张建华 葛 红宇 李宏胜 方 力
（ 南京工 程 学院 自动化 学 院 ， 苏 南京 ２ １６ ） 江 １ １ ７
ｐ ｌ ｕａ ｏ ｎ ｕｓ ｔ ｖｌ ｒ ｏ ｔｏｂ ｄｕｔ ．Ｔ ｅｐ ｌ ｕａ ｏ ｒ ｕｓ ｔ ｖｌ ａ ｅａ — ｕｓ ｄ ｒｔ ｎａ ｄｐ ｌ ｉ ｅ ａ ａｅ ｐ ｔ ｅａｊｓ ｄ ｈ ｕｓ ｄ ｒ ｉｎｏ ｌ ｉ ｅ ａ ｃｎｂ ｄ ｅ ｉ ｅｎ ｒ ｅ ｅ ｔ ｐ ｅｎ ｒ