專利名稱：一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密放電加工脈沖電源，具體涉及一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源。 采用本發(fā)明可以獲得脈沖脈寬窄、放電能量微小的電源。
背景技術(shù)：
在精密電火花加工、精密電解加工等精密制造領(lǐng)域，通常需要一種微能脈沖電源，它是 實(shí)現(xiàn)精密電加工的一個(gè)關(guān)鍵單元。它能夠在正、負(fù)電極之間高頻釋放電能，從而產(chǎn)生瞬間的 高溫、高壓，可熔化甚至氣化零件的微小局部材料，達(dá)到對(duì)零件進(jìn)行精密微細(xì)去除加工的目 的。材料最小去除量與單脈沖的能量有關(guān)，單脈沖能量越小，其放電去除材料的量就越少， 即放電痕越小，熱影響區(qū)域也越小。無(wú)數(shù)單脈沖放電痕的累加就形成了零件被加工去除的表 面。在一定的脈沖電壓下，脈寬越窄，則單脈沖的能量越小，單脈沖放電的時(shí)間越短，在零 件表面產(chǎn)生的放電痕就會(huì)更小。這樣，縮短脈寬，就可降低脈沖能量，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度值更 低、變質(zhì)層更薄、顯微裂紋更少、表面質(zhì)量更高的電加工。
現(xiàn)有的脈沖電加工電源中，主要分為RC馳張式脈沖電源和晶體管獨(dú)立式脈沖電源。前者 雖然可獲得幾十納秒脈寬的窄脈沖，但由于其放電回路向電容器充電需要時(shí)間而不能得到很 高的放電頻率，這嚴(yán)重地影響著電加工的效率；另外，RC馳張式脈沖電源輸出的能量不易控 制，因?yàn)榉烹娀芈窡o(wú)法控制脈沖間隙的時(shí)間，當(dāng)相繼兩次脈沖的間隙時(shí)間特別短時(shí)，前次放 電的電弧沒(méi)有完全消電離即發(fā)生下次放電，就會(huì)導(dǎo)致向電容器充電的電流直接流向正負(fù)電極 之間，形成異常放電而使正常放電無(wú)法進(jìn)行下去，不利于加工出高質(zhì)量的零件表面。晶體管 獨(dú)立式脈沖電源是通過(guò)開(kāi)通和關(guān)閉開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖放電的。由于晶體管獨(dú)立式脈沖電源 無(wú)需向電容器充電而花費(fèi)時(shí)間，所以它能實(shí)現(xiàn)高頻放電從而達(dá)到很高的加工效率，且由于其 放電可通過(guò)控制開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以可通過(guò)對(duì)極間放電狀態(tài)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)放電過(guò)程的自 適應(yīng)控制。然而，由于開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)速度以及控制電路元件的延時(shí)，傳統(tǒng)的晶體管獨(dú)立式 脈沖電源還很難實(shí)現(xiàn)微細(xì)電加工所需的脈寬為數(shù)十納秒的脈沖，電壓脈寬通常在0. ltis以 上，為了實(shí)現(xiàn)更精密、更高質(zhì)量的電加工，甚至納米級(jí)尺寸精度的電加工，需要脈寬更窄、 能量更小的脈沖電源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源，使單脈寬縮 小到納秒級(jí)，以減小單脈沖能量。
一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加丄脈沖電源，包括直流可調(diào)恒壓源El，電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SRl SRn，電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SCl SCn，高功率并聯(lián)電阻陣列Rl Rn，并聯(lián)加工電容陣列 Cl; Cn，測(cè)量電阻R22，測(cè)量電容C22，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql,后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2，—極管D1，放 電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，驅(qū)動(dòng)電路I ，驅(qū)動(dòng)電路II，可編程邏輯器件，下位單片機(jī)， 上位計(jì)算機(jī)，AD電路;直流可調(diào)恒壓源El經(jīng)過(guò)電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SRl SRn與高功率電阻Rl Rn—一對(duì)應(yīng)電連接，再依次經(jīng)過(guò)前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1， 二極管D1，放電電極正極P+，放電電極 負(fù)極P-，形成脈沖上升沿限制電路；二極管D1第一路接后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2，形成脈沖下降沿 限制電路；前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql接電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SCl SCn與加工電容陣列Cl Cn，形成放 電能量輔助電路；二極管D1第二路接電阻R22， C22及AD電路，形成放電狀態(tài)檢測(cè)電路；上 位計(jì)算機(jī)依次與下位單片機(jī)、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路I及場(chǎng)效應(yīng)管Q1電連接，形成脈沖 上升沿控制電路；上位計(jì)算機(jī)依次與下位單片機(jī)、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路II及場(chǎng)效應(yīng)管 Q2電連接，形成脈沖下降沿控制電路；下位單片機(jī)再分別與電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SRl SRn和 電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SCl SCn電連接，分別形成電阻阻值選擇電路和電容容值選擇電路。
本發(fā)明的特點(diǎn)是前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql和后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2串聯(lián)，且后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與放電 正極P+和放電負(fù)極P-并聯(lián)，構(gòu)成對(duì)脈寬的兩級(jí)限制，當(dāng)脈沖電源處于工作狀態(tài)時(shí)，前后兩級(jí) 場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2被反相驅(qū)動(dòng)，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通時(shí)，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2關(guān)斷，恒壓源E1 輸出的電能經(jīng)過(guò)高功率并聯(lián)電阻陣列Rl Rn被直接送到正負(fù)放電電極P+和P-之間，開(kāi)路時(shí) 引發(fā)脈沖的上升沿，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1關(guān)斷時(shí)，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，正負(fù)放電電極？+和？-之間的電能被直接釋放到負(fù)極P-，開(kāi)路時(shí)引發(fā)脈沖的下降沿。
所述下位單片機(jī)采用單片機(jī)或DSP，可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片。 所述下位單片機(jī)為C8051F單片機(jī)，可編程邏輯器件采用MAX7000A芯片。 本發(fā)明由于采用了兩級(jí)主動(dòng)限脈寬電路，分別限制電源輸出脈沖的上升沿和下降沿，可 產(chǎn)生納秒級(jí)脈寬，最窄脈寬優(yōu)于60ns，其放電能量非常微小，而且頻率穩(wěn)定，易于控制，適 用于微納米尺度的精密放電加工。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源主電路連接圖。
圖2是圖1所示連接電路中的正負(fù)放電電極P+和P-兩端間輸出的一幅電壓脈沖波形圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中，本發(fā)明是一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源，包括直流可調(diào)恒壓源E1， 電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SRl SRn，電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SCl SCn，高功率并聯(lián)電阻陣列Rl Rn, 并聯(lián)加工電容陣列Cl Cn，測(cè)量電阻R22，測(cè)量電容C22，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2， 二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，驅(qū)動(dòng)電路I，驅(qū)動(dòng)電路II，可編程邏 輯器件，下位單片機(jī)，上位計(jì)算機(jī)，AD電路等。直流可調(diào)恒壓源El經(jīng)過(guò)電阻陣列選擇開(kāi)關(guān) SRl SRn與高功率電阻Rl Rn—一對(duì)應(yīng)電連接，再依次經(jīng)過(guò)前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql， 二極管D1， 放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，形成脈沖上升沿限制電路；二極管D1第一路接后級(jí)場(chǎng) 效應(yīng)管Q2，形成脈沖下降沿限制電路；前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql接電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SCl SCn與加 工電容陣列Cl Cn，形成放電能量輔助電路；二極管D1第二路接電阻R22， C22及AD電路， 形成放電狀態(tài)檢測(cè)電路；上位計(jì)算機(jī)依次與下位單片機(jī)、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路I及場(chǎng) 效應(yīng)管Q1電連接，形成脈沖上升沿控制電路；上位計(jì)算機(jī)依次與下位單片機(jī)、可編程邏輯器 件、驅(qū)動(dòng)電路II及場(chǎng)效應(yīng)管Q2電連接，形成脈沖下降沿控制電路；下位單片機(jī)再分別與電阻 陣列選擇開(kāi)關(guān)SRl SRn和電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SCl SCn電連接，分別形成電阻阻值選擇電路 和電容容值選擇電路。
本發(fā)明中的直流可調(diào)恒壓源El型號(hào)為MSZ-HLHY-55，兩路驅(qū)動(dòng)電路均采用高速光耦和高 速驅(qū)動(dòng)芯片，高速光耦采用6N137，高速驅(qū)動(dòng)芯片采用MC33152， AD電路中的AD芯片采用 AD775,上位計(jì)算機(jī)采用通用工控機(jī)，下位單片機(jī)采用8位C8051F高速單片機(jī)，可編程邏輯 器件采用Altera公司的MAX7000A芯片。
本發(fā)明的脈沖電源是這樣工作的先由上位計(jì)算機(jī)設(shè)定工作參數(shù)，如脈寬、脈間、電壓、 電流、電容、極性等，通過(guò)RS232接口下載到下位單片機(jī)中，下位單片機(jī)主要完成五項(xiàng)工作 第一，設(shè)定所需工作電壓；第二，分別導(dǎo)通電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)和電容陣列選擇開(kāi)關(guān)，確定放 電主電路中的電阻值和電容值；第三，向可編程邏輯器件發(fā)送脈沖參數(shù)；第四，從AD電路采 集放電間隙電壓信號(hào)，判斷放電狀態(tài)；第五，將脈沖電源運(yùn)行狀態(tài)和放電狀態(tài)等參數(shù)反饋回 上位計(jì)算機(jī)?？删幊踢壿嬈骷刂乞?qū)動(dòng)電路I和驅(qū)動(dòng)電路II工作，從而控制場(chǎng)效應(yīng)管Ql和 Q2前后兩級(jí)的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)序，即控制輸出脈寬和脈間。工作時(shí)，前后兩級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql 和Q2被反相驅(qū)動(dòng)，且串聯(lián)，而后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與正負(fù)放電電極P+和P-并聯(lián)，構(gòu)成對(duì)脈寬的 兩級(jí)限制。前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通時(shí)，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2關(guān)斷，恒壓源E1輸出的電能經(jīng)過(guò)高功 率并聯(lián)電阻陣列Rl Rn被直接送到正負(fù)放電電極P+和P-之間，開(kāi)路時(shí)引發(fā)脈寬的上升沿； 前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Ql關(guān)斷時(shí)，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，正負(fù)放電電極P+和P-之間的電能被直接釋 放到負(fù)極P-，開(kāi)路時(shí)引發(fā)脈寬的下降沿。嚴(yán)格控制兩級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2的時(shí)序就可以輸出 納秒級(jí)的窄脈沖。
圖2是圖1所示連接電路中的正負(fù)放電電極P+和P-兩端間輸出的一幅電壓脈沖波形圖。 從圖中可以看出，本發(fā)明的脈沖電源輸出的最小脈寬小于60納秒。
權(quán)利要求
1.一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源，包括直流可調(diào)恒壓源E1，電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SR1～SRn，電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SC1～SCn，高功率并聯(lián)電阻陣列R1～Rn，并聯(lián)加工電容陣列C1～Cn，測(cè)量電阻R22，測(cè)量電容C22，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2，二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，驅(qū)動(dòng)電路I，驅(qū)動(dòng)電路II，可編程邏輯器件，下位單片機(jī)，上位計(jì)算機(jī)，AD電路；直流可調(diào)恒壓源E1經(jīng)過(guò)電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SR1～SRn與高功率電阻R1～Rn一一對(duì)應(yīng)電連接，再依次經(jīng)過(guò)前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1，二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，形成脈沖上升沿限制電路；二極管D1第一路接后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2，形成脈沖下降沿限制電路；前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1接電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SC1～SCn與加工電容陣列C1～Cn，形成放電能量輔助電路；二極管D1第二路接電阻R22，C22及AD電路，形成放電狀態(tài)檢測(cè)電路；上位計(jì)算機(jī)依次與下位單片機(jī)、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路I及場(chǎng)效應(yīng)管Q1電連接，形成脈沖上升沿控制電路；上位計(jì)算機(jī)依次與下位單片機(jī)、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路II及場(chǎng)效應(yīng)管Q2電連接，形成脈沖下降沿控制電路；下位單片機(jī)再分別與電阻陣列選擇開(kāi)關(guān)SR1～SRn和電容陣列選擇開(kāi)關(guān)SC1～SCn電連接，分別形成電阻阻值選擇電路和電容容值選擇電路；其特征在于前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1和后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2串聯(lián)，且后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與放電正極P+和放電負(fù)極P-并聯(lián)，構(gòu)成對(duì)脈寬的兩級(jí)限制，當(dāng)脈沖電源處于工作狀態(tài)時(shí)，前后兩級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q2被反相驅(qū)動(dòng)，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通時(shí)，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2關(guān)斷，恒壓源E1輸出的電能經(jīng)過(guò)高功率并聯(lián)電阻陣列R1～Rn被直接送到正負(fù)放電電極P+和P-之間，開(kāi)路時(shí)引發(fā)脈沖的上升沿，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1關(guān)斷時(shí)，后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，正負(fù)放電電極P+和P-之間的電能被直接釋放到負(fù)極P-，開(kāi)路時(shí)引發(fā)脈沖的下降沿。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源，其特征在于所述下位單片 機(jī)采用單片機(jī)或DSP，可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源，其特征在于所述下位單片 機(jī)為C8051F單片機(jī)，可編程邏輯器件采用MAX7000A芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種兩級(jí)限脈寬的精密放電加工脈沖電源。本發(fā)明中的可調(diào)穩(wěn)壓電源E1，限流電阻陣列R1～Rn，前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1和放電電極正極P+順序電連接。后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1串聯(lián)電連接，與正負(fù)放電兩電極P+，P-并聯(lián)電連接，兩級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管被高頻反相驅(qū)動(dòng)，分別控制輸出放電脈沖的上升沿和下降沿，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)限脈寬，限制輸出脈寬最小達(dá)到60納秒，從而輸出微能放電脈沖。
文檔編號(hào)B23H1/02GK101579761SQ20091005923
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者何建國(guó), 劉廣民, 方 吉, 張勇斌, 張連新 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所