防電解智能微細電火花脈沖電源設計*

張 敏 王 洋 吉 方 劉廣民 張勇斌

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

脈沖電源是電火花加工機床的重要組成部分。脈沖電源的作用是把工頻交流電流轉換成一定頻率的脈沖電流，以供給電極放電間隙所需要的能量來蝕除金屬［1］。脈沖電源對電火花加工的生產率、表面質量、加工精度、加工過程的穩定性和工具電極損耗等技術經濟指標有很大影響。

電火花工作液在加工過程中會產生少量的氫氧根離子(OH－)，當工件接正極，在電場作用下，OH－離子會在工件上不斷聚集，造成鐵、鋁、銅、鋅、鈦、鎢的氧化和腐蝕，并使硬質合金材料中的結合劑——鈷成離子狀態溶解在水中，形成工件表面的“軟化層”。傳統的RC張弛式和獨立式電源沒有消電離環節［2－3］，易發生電弧性脈沖放電，電極損耗嚴重［4］。電解加工和消電離不完全制約著電火花加工的效率、表面質量、加工精度和加工穩定性的提高［5］。基于以上問題，本文設計了一種加工模式可調、具有防電解和消電離功能的智能微細電火花脈沖電源。脈沖電源以ARM為核心，結合復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)共同作用，產生高頻可調的脈沖波形，滿足電火花微細加工的要求。同時，平均電壓檢測結合單脈沖檢測的方式保證了放電狀態檢測的準確性和實時性。

1 電火花微細加工微能脈沖電源系統設計

電火花微細加工微能脈沖電源系統由脈沖主回路模塊、控制模塊、檢測模塊3個部分組成，原理框圖如圖1所示。

脈沖主回路模塊包括工作電壓調節單元、正負脈沖產生單元、獨立式和RC式選擇單元、極性切換單元、消電離單元等幾部分。脈沖主回路模塊在控制模塊作用下，將工頻電流轉化為脈沖電流，作用于加工間隙，為電極加工提供所需的能量，并具有防電解和消電離功能。

控制模塊由核心控制單元ARM、時序控制單元CPLD、驅動、隔離單元、觸摸屏單元、液晶顯示(LCD)單元和通信單元等幾部分構成。控制模塊的作用如下:

(1)完成加工信息(電加工參數、放電狀態等)的顯示以及電加工參數的在線設置;

(2)產生高頻脈沖控制信號，控制脈沖的產生以及選取加工電壓、電流、極性;

(3)處理放電狀態檢測信息;

(4)傳遞間隙放電狀態信號到運動控制卡，控制加工中電極伺服運動;

(5)與上位機通信，為上位機控制、嵌入式系統調試保留了接口。

檢測模塊由電壓檢測單元、單脈沖檢測單元和模數(A/D)轉換單元等幾部分構成。檢測模塊的作用是檢測間隙放電狀態，將信息實時反饋給控制模塊以完成對放電加工的智能控制。

2 脈沖主回路設計

2.1 脈沖主回路功能設計

脈沖主回路原理如圖2所示。交流電經工作電壓調節單元，轉變為直流電U1和U2;功率場效應管(metal－ oxide － semiconductor field effect transistor，MOSFET)開關Q1到Q5構成正、負脈沖產生單元;開關K1、K2并聯選擇回路能夠調整加工電流，滿足粗、中、精加工工藝要求;開關K3完成獨立式和RC式脈沖加工方式的切換，進一步擴大電源的使用范圍和滿足不同的加工工藝的要求;開關K4、K5聯合動作，構成極性切換單元，進行微細加工極性切換。在脈沖主回路中，設計了輔助的消電離單元。

2.2 防電解功能分析

微細電火花加工中，通常采用負極性、長脈沖進行粗加工，可以得到較高的蝕除速度和較低的電極損耗;采用正極性、短脈沖精加工，可以得到較好的加工質量。

在微細電火花加工中，會伴隨發生電解加工。采用負極性加工時，增加電極損耗;采用正極性加工時，形成表面“軟化層”。但是通常情況下，粗加工時電解加工的影響可以忽略，精加工時對表面加工質量影響很大。

防電解可以采用交變脈沖，平均電壓為0，使在工作液中的OH－離子電極與工件之間處于振蕩狀態，不趨向工件和電極，防止工件材料的氧化。采用交變脈沖還能夠起到消電離的作用，使放電通道中的帶電粒子復合為中性粒子，恢復放電通道處間隙介質的絕緣強度，以免在同一處重復放電而導致電弧放電［6］。

防電解功能主要是通過正負脈沖產生單元完成。電火花加工中要充分利用極性效應，因此交變脈沖不是對稱的脈沖，用于防電解的負脈沖幅值電壓通常低于火花放電的維持電壓。

根據主回路設計，選擇電壓U1進行加工，U2防電解。Q1作用是把直流電U1變成加工正脈沖。控制系統發出高頻脈沖信號，控制Q1的通、斷時間，調節脈沖的脈寬和脈間，滿足不同加工工藝要求。Q2和Q4作用是把直流電U2轉化為防電解的負脈沖。具體時序如圖3所示。圖中:U間隙為電極與工件之間間隙電壓;i間隙為電極與工件之間間隙電流。

［t0，t1］:U1作用下，擊穿延時。在這段時間內，Q1、Q5處于導通，Q2、Q3和Q4處于關斷，產生正脈沖，此時間隙電壓為U1，間隙電流為0，這種狀態持續到t1時刻。

［t1，t2］:U1作用下，正脈沖間隙放電。t1時刻，間隙被擊穿，進入間隙放電階段，進行放電加工，產生間隙電流，間隙電壓維持在火花放電的維持電壓。此階段Q1和Q5導通，Q2、Q3和Q4關斷，這種狀態持續到t2時刻。

［t2，t3］:U2作用下，負脈沖防電解和消電離。在t2時刻，Q1、Q3、Q5關斷，Q2和 Q4導通，產生負脈沖，完成防電解和消電離，此時間隙電壓瞬時變成－U2，間隙電流瞬時變成0。U2的幅值小于電火花放電的維持電壓U0，不能進行放電加工。此種狀態持續到t3時刻，完成一個放電加工周期。在此之后進入到下一個加工周期。

如果具有防電解作用，則要求在一個脈沖周期內平均電壓為0，并且要充分利用極性效應，即滿足:

2.3 電源模式分析

本電源具有防電解式、獨立式、RC式和雙路交替式等電源模式，多模式加工，可以滿足不同加工工藝的要求。

(1)防電解式:這種電源模式采用交變脈沖進行加工，平均電壓為0，文中進行了詳細論述，在此不再贅述。

(2)獨立式:開關K3斷開，正負脈沖產生模塊產生脈寬、脈間可調的正脈沖或者負脈沖，構成了獨立式電源模式。同時消電離單元在脈間完成消電離。獨立式具有脈沖頻率高、脈沖參數容易調節、脈沖波形較好等特點，通常用于粗加工和精加工。

(3)RC式:開關K3閉合，正負脈沖產生模塊產生脈寬、脈間可調的正脈沖或者負脈沖，構成了RC式電源模式。同時消電離單元在脈間完成消電離。RC式在小功率時可以獲得很窄的脈寬和很小的單脈沖能量，可用于光整加工和精微加工。

(4)雙路交替式:電壓U1和U2同時進行加工，產生幅值為U1、U2的相間脈沖進行加工。能夠獲得更加窄的脈寬和更加小的脈沖能量，提高脈沖頻率，用于精加工。消電離單元在脈間完成消電離。具體時序如圖4所示。

2.4 獨立消電離

使用單一脈沖加工時，脈間自動消電離不完全，需要使用獨立的消電離單元，為放電通道的帶電粒子提供一個輔助的泄放通道，達到消電離作用。

3 控制模塊分析

本系統具有人機交互功能，人機界面友好，操作直觀方便，要求控制內核需具備運行操作系統的能力。同時控制系統還需承擔放電狀態檢測的數據處理和算法控制。基于這些要求，選用ARM作為核心控制器。

放電加工參數控制單元是微細電火花脈沖電源中的核心單元，負責包括脈沖參數、加工電流、加工極性等多項放電加工參數的控制。由于ARM需要承擔復雜的全局控制任務，并且其IO接口有限，因此為了簡化系統設計并實現IO的擴展，利用CPLD完成加工參數(脈寬、脈間、開關時序、加工電流、加工極性以及加工電容等)控制、異常放電狀態檢測以及A/D、D/A轉換時序控制等任務。CPLD與ARM的接口采用靜態存儲控制(Static memory control，SMC)接口，數據通過外部數據總線進行交換和傳輸，ARM主要負責為其下達控制命令，控制任務則由CPLD完成。CPLD的內部功能框圖以及接口設計如圖5所示。

為了實現真正意義上的獨立電源系統，脈沖電源需具備終端輸入和輸出設備以完成脈沖電源加工狀態的在線顯示和加工參數的在線設置功能。設計了觸摸屏單元和LCD單元，采用LCD觸摸屏技術，即在LCD表面貼裝觸摸屏組件，從而完成信息顯示與輸入的一體化和虛擬化。

為增加電源應用的廣泛性，在可以獨立完成脈沖電源功能的同時，為上位機保留了控制接口，設計了通信單元。通信單元包含RS232、RS485串口、USB以及以太網等，即能夠實現對脈沖電源加工參數的控制，同時接收脈沖電源送來的狀態檢測數據并進行處理，又能夠實現嵌入式系統開發的程序的下載、在線調試等功能。

4 檢測模塊分析

檢測環節是電火花加工設備中一個必不可少的重要組成部分，它的性能好壞直接影響到加工過程的穩定性和加工質量。本系統采用平均電壓檢測和單脈沖狀態檢測相結合的方式。

平均電壓檢測原理如圖6所示。間隙電壓經R1、R3以及電容C1濾波后成為平均值，又經R2分壓取其一部分，輸出的Vout即為表征間隙平均電壓的信號，該信號經過隔離運放后再經過一次高頻濾波送給A/D進行采樣處理，轉換后的數據通過ARM處理器發送給上位機進行處理或由ARM處理器直接處理。D1主要用作防止電容C1通過R1迅速放電，D2起電壓嵌位保護作用。電阻R3的作用是進一步消除平均電壓上的高頻干擾。隔離運放的作用是減小模擬電路對采樣電壓的高頻干擾。圖中R1C1充電時間常數應略大于WC放電時間常數。

在一定的工具、工件材料、工作液介質及脈沖參數等條件下，可以通過估算與經驗而認為在穩定的放電加工過程中，其間隙電壓或電流平均值應處于某一個區間之內。當間隙電壓平均值超出范圍上限時，認為放電加工過程趨于空載加工狀態;而間隙電壓平均值低于范圍下限，加工過程則趨于電弧放電或短路狀態。

平均電壓檢測法的響應速度較慢，不能保證在發生異常放電時做出及時反應。因此設計了單脈沖檢測，實時監測放電狀態，方案如圖7所示。

間隙電壓經過R1、C1阻容濾波電路，獲得平穩的峰值電壓，通過R2分壓，提取峰值電壓信號Vpv。Vpv與參考電壓進行比較，比較后的結果通過高速光耦，傳遞到ARM和CPLD中進行處理。在實際設計中通常設計多路進行比較，如果Vref是短路參考電壓，低于該值則認為此次脈沖為短路脈沖，如果在一定時間內短路脈沖達到了一定比例則認為發生了異常放電。在單脈沖檢測中，R1C1時間常數應遠小于脈沖放電時間與脈沖間隔時間，否則該電路將變為間隙電壓平均值檢測電路。

5 結語

本電源通過交變脈沖方法實現了防電解和消電離功能;加工模式可調，特別是實現了獨立式和RC式的有機結合;設計了獨立的消電離單元，解決了傳統脈沖電源脈間消電離不完全的問題。電源以ARM和CPLD為控制核心，實現真正意義上的獨立電源系統;保留了上位機控制，增加了電源應用的廣泛性;引入了LCD觸摸屏技術，具有良好的人機交互功能;平均電壓檢測結合單脈沖檢測保證極間放電狀態檢測的實時性和準確性。該電源具有智能、獨立、適用工藝范圍廣等特點，有一定的實用價值。

［1］任忠輝，宋博巖，韓榮第，等.電火花微能脈沖電源研究現狀［J］.電加工與模具，2006(3):29－32.

［2］趙亞利，郭烈恩，楊閃閃，等.電火花微細加工微能脈沖電源模塊的研究［J］.機械工程師，2009(3):116.

［3］胡滿紅，李勇，佟浩，等.微細電火花加工用可控式RC電源的設計和實驗［J］.電加工與模具，2009(2):7.

［4］周明.電火花微孔加工工藝規律的研究［D］.大連:大連理工大學，2001:7－9.

［5］劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［6］徐海.往復走絲線切割窄脈寬無阻脈沖電源的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007:4－5.

［7］韓守國.多功能微細電加工脈沖電源研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006:32 －36.