專利名稱：一種兩級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：
本實(shí)用新型屬于精密放電加工脈沖電源，具體涉及一種兩級限脈寬的精密放電加
工脈沖電源。采用本實(shí)用新型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)，前次放電的電弧沒有完全消電離即發(fā)生下次放電，就會導(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開通和關(guān)閉開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)脈沖放電的。由于 晶體管獨(dú)立式脈沖電源無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控制開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)，所以可通過對極間放電狀態(tài)的 檢測，實(shí)現(xiàn)對放電過程的自適應(yīng)控制。然而，由于開關(guān)元件的開關(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O. li!S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)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源， 使單脈 寬縮小到納秒級，以減小單脈沖能量。 —種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源，包括直流可調(diào)恒壓源El，電阻陣列選 擇開關(guān)SR1 SRn，電容陣列選擇開關(guān)SC1 SCn，高功率并聯(lián)電阻陣列Rl Rn，并聯(lián)加工 電容陣列Cl Cn，測量電阻R22，測量電容C22，前級場效應(yīng)管Ql，后級場效應(yīng)管Q2，二極 管Dl ，放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，驅(qū)動電路I ，驅(qū)動電路11 ，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)過電阻陣列選擇開關(guān)SR1 SRn與高功率電阻Rl Rn —一對應(yīng)電連接，再依次經(jīng)過前級場效應(yīng)管Ql， 二極管Dl，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第一路接后級場效應(yīng)管Q2， 形成脈沖下降沿限制電路；前級場效應(yīng)管Q1接電容陣列選擇開關(guān)SC1 SCn與加工電容陣 列Cl Cn，形成放電能量輔助電路；二極管Dl第二路接電阻R22， C22及AD電路，形成放 電狀態(tài)檢測電路；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)動電路I及場效應(yīng)管 Ql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) 動電路II及場效應(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 選擇開關(guān)SR1 SRn和電容陣列選擇開關(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。 本實(shí)用新型的特點(diǎn)是前級場效應(yīng)管Q1和后級場效應(yīng)管Q2串聯(lián)，且后級場效應(yīng)管 Q2與放電正極？+和放電負(fù)極P-并聯(lián)，構(gòu)成對脈寬的兩級限制，當(dāng)脈沖電源處于工作狀態(tài) 時(shí)，前后兩級場效應(yīng)管Ql和Q2被反相驅(qū)動，前級場效應(yīng)管Ql導(dǎo)通時(shí)，后級場效應(yīng)管Q2關(guān) 斷，恒壓源E1輸出的電能經(jīng)過高功率并聯(lián)電阻陣列Rl 1 11被直接送到正負(fù)放電電極？+ 和P-之間，開路時(shí)引發(fā)脈沖的上升沿，前級場效應(yīng)管Ql關(guān)斷時(shí)，后級場效應(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。 本實(shí)用新型由于采用了兩級主動限脈寬電路，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。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。


圖1是兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源主電路連接圖。 圖2是圖l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)施方式
圖1中，本實(shí)用新型是一種兩級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，電阻陣列選擇開關(guān)SR1 SRn，電容陣列選擇開關(guān)SC1 SCn，高功率并聯(lián)電阻陣 列Rl Rn，并聯(lián)加工電容陣列Cl Cn，測量電阻R22，測量電容C22，前級場效應(yīng)管Ql，后 級場效應(yīng)管Q2， 二極管Dl ，放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，驅(qū)動電路I ，驅(qū)動電路11 ，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E1經(jīng)過電阻陣列選擇 開關(guān)SR1 SRn與高功率電阻Rl Rn —一對應(yīng)電連接，再依次經(jīng)過前級場效應(yīng)管Ql， 二極 管Dl，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Dl第一路接 后級場效應(yīng)管Q2，形成脈沖下降沿限制電路；前級場效應(yīng)管Ql接電容陣列選擇開關(guān)SC1 SCn與加工電容陣列Cl Cn，形成放電能量輔助電路；二極管Dl第二路接電阻R22， C22及 AD電路，形成放電狀態(tài)檢測電路；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)動電 路I及場效應(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
4程邏輯器件、驅(qū)動電路II及場效應(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關(guān)SR1 SRn和電容陣列選擇開關(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。 本實(shí)用新型中的直流可調(diào)恒壓源El型號為MSZ-HLHY-55，兩路驅(qū)動電路均采用高 速光耦和高速驅(qū)動芯片，高速光耦采用6N137，高速驅(qū)動芯片采用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。 本實(shí)用新型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)通電阻陣列選擇開關(guān)和電容陣列選擇開 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，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)動電路I和驅(qū)動電路II工作，從而控制 場效應(yīng)管Ql和Q2前后兩級的導(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 級場效應(yīng)管Ql和Q2被反相驅(qū)動，且串聯(lián)，而后級場效應(yīng)管Q2與正負(fù)放電電極P+和P-并 聯(lián)，構(gòu)成對脈寬的兩級限制。前級場效應(yīng)管Ql導(dǎo)通時(shí)，后級場效應(yīng)管Q2關(guān)斷，恒壓源El輸 出的電能經(jīng)過高功率并聯(lián)電阻陣列Rl Rn被直接送到正負(fù)放電電極P+和P-之間，開路 時(shí)引發(fā)脈寬的上升沿；前級場效應(yīng)管Ql關(guān)斷時(shí)，后級場效應(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-，開路時(shí)引發(fā)脈寬的下降沿。嚴(yán)格控制兩級場效應(yīng)管Q1 和Q2的時(shí)序就可以輸出納秒級的窄脈沖。 圖2是圖l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，本實(shí)用新型的脈沖電源輸出的最小脈寬小于60納秒。
權(quán)利要求一種兩級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，電阻陣列選擇開關(guān)SR1～SRn，電容陣列選擇開關(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，測量電阻R22，測量電容C22，前級場效應(yīng)管Q1，后級場效應(yīng)管Q2，二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負(fù)極P-，驅(qū)動電路I，驅(qū)動電路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)過電阻陣列選擇開關(guān)SR1～SRn與高功率電阻R1～Rn一一對應(yīng)電連接，再依次經(jīng)過前級場效應(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第一路接后級場效應(yīng)管Q2，形成脈沖下降沿限制電路；前級場效應(yīng)管Q1接電容陣列選擇開關(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)動電路I及場效應(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)動電路II及場效應(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關(guān)SR1～SRn和電容陣列選擇開關(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；其特征在于前級場效應(yīng)管Q1和后級場效應(yīng)管Q2串聯(lián)，且后級場效應(yīng)管Q2與放電正極P+和放電負(fù)極P-并聯(lián)，構(gòu)成對脈寬的兩級限制，當(dāng)脈沖電源處于工作狀態(tài)時(shí)，前后兩級場效應(yīng)管Q1和Q2被反相驅(qū)動，前級場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通時(shí)，后級場效應(yīng)管Q2關(guān)斷，恒壓源E1輸出的電能經(jīng)過高功率并聯(lián)電阻陣列R1～Rn被直接送到正負(fù)放電電極P+和P-之間，開路時(shí)引發(fā)脈沖的上升沿，前級場效應(yīng)管Q1關(guān)斷時(shí)，后級場效應(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。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源。本實(shí)用新型中的可調(diào)穩(wěn)壓電源E1，限流電阻陣列R1～Rn，前級場效應(yīng)管Q1和放電電極正極P+順序電連接。后級場效應(yīng)管Q2與前級場效應(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，兩級場效應(yīng)管被高頻反相驅(qū)動，分別控制輸出放電脈沖的上升沿和下降沿，實(shí)現(xiàn)兩級限脈寬，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B23H1/02GK201467083SQ20092008074
公開日2010年5月12日 申請日期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, 劉廣民, 吉方, 張勇斌, 張連新 申請人:中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所