专利名称：电火花小孔加工高低压复合脉冲电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于电火花髙速小孔加工机床的高低压复合脉冲电源。
背景技术：
现行的高速小孔加工机床脉冲电源都有限流电阻，加工中产生大量的热能降 低了加工效率，增大了脉冲电源的体积。传统的脉冲电源上升沿陡，电极损耗大， 加工成本高。当加工孔的深径比大时，由于放电电蚀产物难于排出，电极损耗高， 加工效率低。
在授权公告号CN1325215C中公开的"循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电 源"，该脉冲电源由主振电路、驱动电路、电流检测电路、直流电源以及功率放大电
路组成。
传统电源有限流电阻设计，发热量大且电能利用率低；另外，脉冲电源体积大， 成本髙。检测回路采用平均电压采样法，反映加工状态具有一定的滞后时间，加工电 流为矩形波，上升沿陡，管状电极损耗大，在大电流粗加工时，到长时间短路，容易 拉弧，增加工时。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种电火花小孔加工高低压复合脉冲电源，该脉冲电源 采用高中压复合加工模式，高压用于击穿放电间隙，中压大电流进行加工。增大放电 间隙有利于排屑，电极损耗小。采用击穿等待的方法，实现等能量加工，髙效的电火
制周期的触发信号，避免了短路大电流的电能损耗，提高了电能利用率。
本实用新型的一种电火花小孔加工髙低压复合脉冲电源，该脉冲电源包括有主振 电路、驱动回路、检测回路、直流电源以及功率放大回路，其特征在于还包括有击 穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块，击穿周期内非 正常火花处理，莫块、大电流加工周期非正常火花处理+莫块设置于主振电路与检澜回路
之间；所述直流电源包括有高压直流电源、中压直流电流；
所述检测回路用于实时在线检测放电间隙中空载、短路、火花三种放电状态，以及在击穿周期内和大电流加工周期内的空载持续时间7;(空载周期)、短路持续时间 ;、火花持续时间7;
所述击穿周期内非正常火花处理模块用于将接收的空载周期 ;与设定空载时间 ^相比，若7^>7^，则输出等待信号7V给主振回路；
所述大电流加工周期非正常火花处理模块用于将接收的大电流加工周期内的短路持续时间 ;与设定短路时间7;。相比，若7;〉7;。，则输出间歇式抑制周期触发信号给主振回路；
所述中压直流电源用于在功率放大回路中的T2、 T3导通，Ti关断的大电流火花 放电加工；中压直流电源输出80V 90V。
所述高压直流电源中&闭合时Ei输出为高压直流电源，为后续中压大电流火花 放电提供击穿通道；高压直流电源输出100V 150V。
所述功率放大回路根据驱动回路输出的驱动信号进行导通、关断功率开关管，从 而实现多功能加工回路切换，以及在一台加工小孔机床上实现两种电源的工作方式。
所述主振回路用于输出控制信号经驱动回路驱动后作用到功率放大回路中的功 率开关管上。
图1是本实用新型电火花加工小孔脉冲电源的结构框图。
图2是本实用新型电火花加工小孔脉冲电源的电路原理图。
图3是本实用新型另一种电火花加工小孔脉冲电源的电路原理图。
图4是放电间隙等能量波形图。
图5是短路切断波形简示图。
图6A是三角形电流波形图。
图6B是倒T形电流波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
本实用新型是一种适用于电火花髙速小孔加工机床在加工小孔用的脉冲电源,该 脉冲电源由主振电路、驱动回路、检测回路、击穿周期内非正常火花处理模块、大电
流加工周期非正常火花处理模块、中压直流电源、高压直流电源以及功率放大回路组
成(参见图l所示)。击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花
处理模块设置于主振电路与检测回路之间。在本实用新型中，主振电路、驱动回路、
检测回路是现有电火花高速小孔加工机床的常规电路结构。
所述检测回路用于实时在线检测放电间隙中空载、短路、火花三种放电状态，以 及在击穿周期内和大电流加工周期内的空载持续时间i;(空载周期)、短路持续时间
t;、火花持续时间7;;
所述击穿周期内非正常火花处理模块用于将接收的空载周期 ;与设定空载时间
L。相比，若^>7^，则输出等待信号7^给主振回路；
所述大电流加工周期非正常火花处理模块用于将接收的大电流加工周期内的短
路持续时间 ;与设定短路时间7;。相比，若7;> ;。，则输出间歇式抑制周期触发信号 K给主振回路；
所述中压直流电源用于在功率放大回路中的T2、 Ts导通，^关断的大电流火花 放电加工*,中压直流电源输出80V 90V。
所述高压直流电源中K2闭合时Ei输出为髙压直流电源，为后续中压大电流火花 放电提供击穿通道；高压直流电源输出100V 150V。
所述功率放大回路根据驱动回路输出的驱动信号进行导通、关断功率开关管，从 而实现多功能加工回路切换，以及在一台电火花高速小孔加工机床上实现两种电源的 工作方式。
所述主振回路用于输出控制信号经驱动回路驱动后作用到功率放大回路中的功 率开关管上。
在本实用新型中，通过控制第一功率开关L的开、断时间，使大电流火花放电 的加工电流脉宽相等，实现等能量加工；通过控制交流接触器K的切换实现粗、精加工。
在本实用新型中，功率放大回路中的功率开关管选取1MBH60D功率管。参见 图2所示的功率放大回路的电路结构为，第二直流电源E2的正极连接有第二功率开 关T2的集电极、第四二极管D4的阴极，第二直流电源E2的负极连接有第一直流电 源Ei的负极、第五二极管Ds的阳极、第二二极管D2的阳极、第三功率开关T3的发 射极；第一直流电源Ei的正极与第一功率开关1\的集电极连接，第一功率开关1\
的发射极与第五二极管D5的阴极连接，且第一功率开关T\的发皿与第二电感L2 的2端连接；第二电感L2的1端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴 极与第一电感In的1端连接；第二功率开关T2的发射极与第三二极管D3的阳极连
接，第三二极管D3的阴极与第二二极管D2的阴极连接，且第三二极管D3的阴极与
第一电感^的1端连接；第一电感Lt的2端与交流接触器KM的1端连接，交流 接触器KM的2端、4端连接在铜管电极上，交流接触器KM的3端连接在第一电 感"的l端上；第三功率开关T3的集电极与第四二极管D4的阳极连接，工件连接 在第三功率开关T3的集电极上。
在本实用新型中，参见图3所示的另一种功率放大回路，由于电感与电阻均能 实现分压的作用，在击穿控制回路也可以釆用电阻R替代第二电感L2 。第二直流电 源E2的正极连接有第二功率开关T2的集电极、第四二极管D,的阴极，第二直流电 源E2的负极连接有第一直流电源Et的负极、第五二极管D5的阳极、第二二极管D2 的阳极、第三功率开关T3的发射极；第一直流电源￡1的正极与第一功率开关1\的 集电极连接，第一功率开关t的发射极与第五二极管Ds的阴极连接，且第一功率开 关T,的发射极与电阻R的2端连接；电阻R的1端与第一二极管Dt的阳极连接， 第一二极管Dt的阴极与第一电感.^的l端连接；第二功率开关T2的发I^与第三 二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与第二二极管D2的阴极连接，且第三 二极管D3的阴极与第一电感k的1端连接；第一电感k的2端与交流接触器KM 的1端连接，交流接触器KM的2端、4端连接在铜管电极上，交流接触器KM的 3端连接在第一电感k的1端上；第三功率开关T3的集电极与第四二极管D4的阳 极连接，工件连接在第三功率开关T3的集电极上。
在本实用新型中，第二功率开关T2 、第三功率开关Ts 、第二二极管D2 、第 三二极管D3 、第四二极管D4 、第一电感k和开关KM构成桥式功率放大回路。
在本实用新型中，第一直流电源Ei为输出高压直流电源。
在本实用新型中，第二直流电源E2为输出中压直流电源。
在本实用新型中，第一功率开关Tp第二电感L2、第五二极管Dp第一二极 管D!构成髙压击穿控制电路(参见图2所示)。第一功率开关Tp电阻R、第五二 极管D"第一二极管Di构成髙压击穿控制电路(参见图3所示)。该击穿控制电路
可以在线切割的放电加工中实现髙压击穿、中压火花放电功能，为后续火花放电提供 较大的放电通道，以利于排屑，提高加工效率。
在本实用新型中，第一电感I^与交流接触器Ki形成粗、精加工切换回路。交流 接触器KM的1端与2端闭合、3端与4端断开实现精加工，交流接触器KM的3 端与4端闭合、1端与2端断开实现粗加工。
本实用新型的创新点
(一) 高中压复合加工
Tl、 T2先导通，T2、 T3导通，Tl截止，实现高中压复合加工。TP 丁3导通， 1关断，先进行高压小电流击穿，1\关断。T2、 T3导通进行大电流中压火花放电， 实现高压击穿、中压大电流火花放电加工。
(二) 短路延时切断功能
击穿延时周期内，如长短路时，^间歇式导通，实现短路延时切断功能。参见 图5所示，当1关断，Tp 1导通，在击穿通道时，会出现长时间短路状态，当检 测回路检测到短路时间^,经过长时间非火花放电处理回路进行比较处理后，确认为
长短路时间Q,则发生间歇式抑制周期的触发信号，通过主振回路将Tp T3关断，
功率放大回路无直流输入，后再击穿空载时间Q，待检测回路检测到火花电压延时 截止(图中B点，B点为延时结束信号)，此时火花大电流进行加工，获得后一周期 的火花时间Q，这样保证管状电极无长时间的大电流通过，避免了电极拉弧的可能， 也节约了工时，提髙了效率。图中，Q-Q，即两个脉宽周期内的火花时间是相等 的；L-^,即在前后或者后续的火花加工时的电流脉宽是相等的；^表示击穿回
路的短路时间，？;2表示击穿回路的长短路时间。
(三) 中压加工中的大电流短路切断功能
大电流加工周期内，如长短路，T2间歇式导通，实现大电流短路切断功能。当 T2、 T3导通时，由于此时是大电流的火花放电状态，利用检测回路将检测到的M0信 号作为主振回路的间歇式抑制周期的触发信号，关闭Tp T2、 T3，功率放大回路无 直流输入，避免大电流时的短路长时间发生造成的拉弧。还可以将T2先关闭一个单 位时间经过两个单位时间后TV Ts导通，再进行检测，如检测到还是短路, 再次关断T2，再次导通T" Ts直至没有长短路发生。
(四) 等能量加工
(1) T1、 T3导通，T2截止 在第一功率开关L与第三功率开关T3同时导通，第二功率开关T2截止时，直
流电源E通过第二电感L2为间隙提供小电流(2A 8A)的击穿电压(35V 55V)， 该击穿电压为后续的大电流火花放电提供击穿通道。
(2) T2、 Ts导通,1\截止 当第二功率开关T2与第三功率开关T3同时导通，第一功率开关^截止时，直
流电源E给间隙提供大电流(5A 150A)的加工电压(60V 70V),使间隙发生 火花放电加工。参见图4所示，在等能量加工状态下将检测回路的空载信号作为主振回路的延 时信号，则当第一功率开关Tp第三功率开关T3导通时进行小电流髙压击穿，在击 穿时间内，检测回路检测到空载周期信号；该空载周期信号经击穿周期内非正常火花 处理模块输出等待信号，此时主振回路用于控制功率放大回路中的功率开关管的开、 断。在第一功率开关TV第三功率开关T3持续导通，检测回路检测到火花电压时(图 中B点，B点为延时结束信号)，延时截止，即第一功率开关1\关断，第二功率开关 T2、第三功率开关T3导通；在第二功率开关T2、第三功率开关Ts导通进行大电流火 花放电，小电流击穿使得后续脉宽(B脉宽)内无空载出现，持续火花放电，由于后 续脉宽不进行延时处理，设定的T2、 T3同时导通时间恒定，大电流火花放电时间相 等。即^-^，实现每次放电能量相等，放电凹坑均匀，加工光洁度高。^表示前一 波形的电流脉宽，62后一波形的电流脉宽。
(五) 放电状态下的粗加工、精加工切换 当交换接触器KM的1端、2端闭合，3端、4端关断，进行粗加工模式，由于电感的电流不能突变的特点，放电间隙的电流缓慢上升，抑制间隙电流峰值，有利于 进行长脉宽大电流的粗加工；当交流接触器l端、2端关断，3端、4端闭合，切换 成精加工模式，由于此脉冲电源无限流电阻，电流上升斜率大，可进行大电流窄脉宽 的精加工，实现放电凹坑小，加工表面光洁度高。
(六) 等能量、等周期加工模式切换 可以通过控制第二功率开关1\开断，实现等能量和等周期加工模式的切换，适
应不同的加工要求，当T1加工中一直断开，实现等周期加工，当T1加工中击穿周 期内导通，实现等能量加工。当大脉宽大电流粗加工时，切换到等能量加工模式，提 高加工效率；当进行窄脉宽小电流精加工时，进给不稳时，可切换到等周期模式。
(七) 管状电极损耗小
参见图6A、图6B所示，通过使T2、 T3交替导通和关断，实现三角波电流波形, 此电流波形上升沿缓，下降沿陡，可以减小管状电极损耗；通过使1\、 T3先导通， T2、 T3后导通，周期结束同时关断实现倒T形电流波形，先小电流预热，后大电流 加工，降低管状电极损耗。
(八) 能量利用率高由于脉冲电源没有限流电阻，电流提供的能量基本上都供 给了放电间隙，大大提高了能量利用率。
权利要求1、一种电火花小孔加工脉冲电源，该脉冲电源包括有主振电路、驱动回路、检测回路、直流电源以及功率放大回路，其特征在于还包括有击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块，击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块设置于主振电路与检测回路之间；所述直流电源包括有高压直流电源、中压直流电流；所述检测回路用于实时在线检测放电间隙中空载、短路、火花三种放电状态，以及在击穿周期内和大电流加工周期内的空载持续时间Td、短路持续时间Ts、火花持续时间Te；所述击穿周期内非正常火花处理模块用于将接收的空载周期Td与设定空载时间Td0相比，若Td＞Td0，则输出等待信号TW给主振回路；所述大电流加工周期非正常火花处理模块用于将接收的大电流加工周期内的短路持续时间Ts与设定短路时间Ts0相比，若Ts＞Ts0，则输出间歇式抑制周期触发信号TR给主振回路；所述中压直流电源用于在功率放大回路中的T2、T3导通，T1关断的大电流火花放电加工；中压直流电源输出80V～90V；所述高压直流电源中K2闭合时E1输出为高压直流电源，为后续中压大电流火花放电提供击穿通道；高压直流电源输出100V～150V；所述功率放大回路根据驱动回路输出的驱动信号进行导通、关断功率开关管，从而实现多功能加工回路切换，以及在一台电火花高速小孔加工机床上实现两种电源的工作方式；所述主振回路用于输出控制信号经驱动回路驱动后作用到功率放大回路中的功率开关管上。
2、 根据权利要求l所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于功率放大回路的 电路结构为，第二直流电源(E2)的正极连接有第二功率开关(T2)的集电极、 第四二极管(D4)的阴极，第二直流电源(E2)的负极连接有第一直流电源(E》 的负极、第五二极管(D5)的阳极、第二二极管(D2)的阳极、第三功率开关(T3) 的发射极；第一直流电源(E》的正极与第一功率开关(T》的集电极连接，第 一功率开关(T》的发射极与第五二极管(D5)的阴极连接，且第一功率开关(T\) 的发ltm与第二电感(L2)的2端连接；第二电感(L2)的1端与第一二极管(D》 的阳极连接，第一二极管(D》的阴极与第一电感Li的1端连接；第二功率开关(T2)的发射极与第三二极管(D3)的阳极连接，第三二极管(D3)的阴极与 第二二极管D2的阴极连接，且第三二极管(D3)的阴极与第一电感(L》的1 端连接；第一电感(L0的2端与交流接触器(KM)的1端连接，交流接触器 (KM)的2端、4端连接在铜管电极上，交流接触器(KM)的3端连接在第一 电感(LJ的1端上；第三功率开关管(T3)的集电极与第四二极管(D4)的阳 极连接,工件连接在第三功率开关管(T3)的集电极上。
3、 根据权利要求1所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于功率放大回路的 电路结构为，第二直流电源(E2)的正极连接有第二功率开关(T2)的集电极、 第四二极管(D4)的阴极，第二直流电源(E2)的负极连接有第一直流电源(E》 的负极、第五二极管(D5)的阳极、第二二极管(D2)的阳极、第三功率开关(T3) 的发射极；第一直流电源(EJ的正极与第一功率开关(TJ的集电极连接，第 一功率开关(T》的发射极与第五二极管(D5)的阴极连接，且第一功率开关(T》 的发射极与电阻R的2端连接；电阻R的1端与第一二极管(DJ的阳极连接， 第一二极管(D》的阴极与第一电感、的1端连接；第二功率开关(T2)的发 射极与第三二极管(D3)的阳极连接，第三二极管(D3)的阴极与第二二极管 D2的阴极连接，且第三二极管(D3)的阴极与第一电感(LJ的l端连接；第一 电感(L》的2端与交流接触器(KM)的1端连接，交流接触器(KM)的2 端、4端连接在铜管电极上，交流接触器(KM)的3端连接在第一电感(L》的 1端上；第三功率开关(T3)的集电极与第四二极管(D4)的阳极连接，工件连 接在第三功率开关(T3)的集电极上。
4、 根据权利要求2或3所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于第二功率开 关(T2)、第三功率开关(T3)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极 管(D4)、第一电感(LJ和交流接触器(KM)构成桥式功率放大回路。
5、 根据权利要求2所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于第一功率开关(T\)、第二电感(L2)、第五二极管(D5)、第一二极管(DJ构成击穿控制电 路。
6、 根据权利要求3所述的电火花小孔加工脉冲电源，其特征在于第一功率开关(T\)、电阻(R)、第五二极管(D5)、第一二极管(D》构成击穿控制电路。
专利摘要本实用新型公开了一种适用于数控电火花线切割加工的电火花小孔加工高低压复合脉冲电源，该脉冲电源包括有主振电路、驱动回路、检测回路、击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块、高压直流电源、中压直流电流以及功率放大回路，击穿周期内非正常火花处理模块、大电流加工周期非正常火花处理模块设置于主振电路与检测回路之间。所述检测回路用于实时在线检测间隙放电状态，并将击穿时的空载周期信号作为主振回路的等待信号，大电流加工周期信号作为主振回路的间歇式抑制周期触发信号，通过控制第一功率开关(T<sub>1</sub>)的开、断时间，从而实现多功能加工回路切换，以及在一台线切割机上实现两种电源的工作方式。
文档编号B23H7/14GK201175797SQ20082010722
公开日2009年1月7日 申请日期2008年4月8日 优先权日2008年4月8日
发明者诗 李, 李冬庆, 白俊磊, 白基成, 邓冠群, 郭永丰, 兰 陈, 河 黄 申请人:哈尔滨工业大学;江苏冬庆数控机床有限公司