张 敏 王 洋 吉 方 刘广民 张勇斌

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳 621900)

脉冲电源是电火花加工机床的重要组成部分。脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的脉冲电流，以供给电极放电间隙所需要的能量来蚀除金属［1］。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大影响。

电火花工作液在加工过程中会产生少量的氢氧根离子(OH－)，当工件接正极，在电场作用下，OH－离子会在工件上不断聚集，造成铁、铝、铜、锌、钛、钨的氧化和腐蚀，并使硬质合金材料中的结合剂——钴成离子状态溶解在水中，形成工件表面的“软化层”。传统的RC张弛式和独立式电源没有消电离环节［2－3］，易发生电弧性脉冲放电，电极损耗严重［4］。电解加工和消电离不完全制约着电火花加工的效率、表面质量、加工精度和加工稳定性的提高［5］。基于以上问题，本文设计了一种加工模式可调、具有防电解和消电离功能的智能微细电火花脉冲电源。脉冲电源以ARM为核心，结合复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)共同作用，产生高频可调的脉冲波形，满足电火花微细加工的要求。同时，平均电压检测结合单脉冲检测的方式保证了放电状态检测的准确性和实时性。

1 电火花微细加工微能脉冲电源系统设计

电火花微细加工微能脉冲电源系统由脉冲主回路模块、控制模块、检测模块3个部分组成，原理框图如图1所示。

脉冲主回路模块包括工作电压调节单元、正负脉冲产生单元、独立式和RC式选择单元、极性切换单元、消电离单元等几部分。脉冲主回路模块在控制模块作用下，将工频电流转化为脉冲电流，作用于加工间隙，为电极加工提供所需的能量，并具有防电解和消电离功能。

控制模块由核心控制单元ARM、时序控制单元CPLD、驱动、隔离单元、触摸屏单元、液晶显示(LCD)单元和通信单元等几部分构成。控制模块的作用如下:

(1)完成加工信息(电加工参数、放电状态等)的显示以及电加工参数的在线设置;

(2)产生高频脉冲控制信号，控制脉冲的产生以及选取加工电压、电流、极性;

(3)处理放电状态检测信息;

(4)传递间隙放电状态信号到运动控制卡，控制加工中电极伺服运动;

(5)与上位机通信，为上位机控制、嵌入式系统调试保留了接口。

检测模块由电压检测单元、单脉冲检测单元和模数(A/D)转换单元等几部分构成。检测模块的作用是检测间隙放电状态，将信息实时反馈给控制模块以完成对放电加工的智能控制。

2 脉冲主回路设计

2.1 脉冲主回路功能设计

脉冲主回路原理如图2所示。交流电经工作电压调节单元，转变为直流电U1和U2;功率场效应管(metal－ oxide － semiconductor field effect transistor，MOSFET)开关Q1到Q5构成正、负脉冲产生单元;开关K1、K2并联选择回路能够调整加工电流，满足粗、中、精加工工艺要求;开关K3完成独立式和RC式脉冲加工方式的切换，进一步扩大电源的使用范围和满足不同的加工工艺的要求;开关K4、K5联合动作，构成极性切换单元，进行微细加工极性切换。在脉冲主回路中，设计了辅助的消电离单元。

2.2 防电解功能分析

微细电火花加工中，通常采用负极性、长脉冲进行粗加工，可以得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗;采用正极性、短脉冲精加工，可以得到较好的加工质量。

在微细电火花加工中，会伴随发生电解加工。采用负极性加工时，增加电极损耗;采用正极性加工时，形成表面“软化层”。但是通常情况下，粗加工时电解加工的影响可以忽略，精加工时对表面加工质量影响很大。

防电解可以采用交变脉冲，平均电压为0，使在工作液中的OH－离子电极与工件之间处于振荡状态，不趋向工件和电极，防止工件材料的氧化。采用交变脉冲还能够起到消电离的作用，使放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免在同一处重复放电而导致电弧放电［6］。

防电解功能主要是通过正负脉冲产生单元完成。电火花加工中要充分利用极性效应，因此交变脉冲不是对称的脉冲，用于防电解的负脉冲幅值电压通常低于火花放电的维持电压。

根据主回路设计，选择电压U1进行加工，U2防电解。Q1作用是把直流电U1变成加工正脉冲。控制系统发出高频脉冲信号，控制Q1的通、断时间，调节脉冲的脉宽和脉间，满足不同加工工艺要求。Q2和Q4作用是把直流电U2转化为防电解的负脉冲。具体时序如图3所示。图中:U间隙为电极与工件之间间隙电压;i间隙为电极与工件之间间隙电流。

［t0，t1］:U1作用下，击穿延时。在这段时间内，Q1、Q5处于导通，Q2、Q3和Q4处于关断，产生正脉冲，此时间隙电压为U1，间隙电流为0，这种状态持续到t1时刻。

［t1，t2］:U1作用下，正脉冲间隙放电。t1时刻，间隙被击穿，进入间隙放电阶段，进行放电加工，产生间隙电流，间隙电压维持在火花放电的维持电压。此阶段Q1和Q5导通，Q2、Q3和Q4关断，这种状态持续到t2时刻。

［t2，t3］:U2作用下，负脉冲防电解和消电离。在t2时刻，Q1、Q3、Q5关断，Q2和 Q4导通，产生负脉冲，完成防电解和消电离，此时间隙电压瞬时变成－U2，间隙电流瞬时变成0。U2的幅值小于电火花放电的维持电压U0，不能进行放电加工。此种状态持续到t3时刻，完成一个放电加工周期。在此之后进入到下一个加工周期。

如果具有防电解作用，则要求在一个脉冲周期内平均电压为0，并且要充分利用极性效应，即满足:

2.3 电源模式分析

本电源具有防电解式、独立式、RC式和双路交替式等电源模式，多模式加工，可以满足不同加工工艺的要求。

(1)防电解式:这种电源模式采用交变脉冲进行加工，平均电压为0，文中进行了详细论述，在此不再赘述。

(2)独立式:开关K3断开，正负脉冲产生模块产生脉宽、脉间可调的正脉冲或者负脉冲，构成了独立式电源模式。同时消电离单元在脉间完成消电离。独立式具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形较好等特点，通常用于粗加工和精加工。

(3)RC式:开关K3闭合，正负脉冲产生模块产生脉宽、脉间可调的正脉冲或者负脉冲，构成了RC式电源模式。同时消电离单元在脉间完成消电离。RC式在小功率时可以获得很窄的脉宽和很小的单脉冲能量，可用于光整加工和精微加工。

(4)双路交替式:电压U1和U2同时进行加工，产生幅值为U1、U2的相间脉冲进行加工。能够获得更加窄的脉宽和更加小的脉冲能量，提高脉冲频率，用于精加工。消电离单元在脉间完成消电离。具体时序如图4所示。

2.4 独立消电离

使用单一脉冲加工时，脉间自动消电离不完全，需要使用独立的消电离单元，为放电通道的带电粒子提供一个辅助的泄放通道，达到消电离作用。

3 控制模块分析

本系统具有人机交互功能，人机界面友好，操作直观方便，要求控制内核需具备运行操作系统的能力。同时控制系统还需承担放电状态检测的数据处理和算法控制。基于这些要求，选用ARM作为核心控制器。

放电加工参数控制单元是微细电火花脉冲电源中的核心单元，负责包括脉冲参数、加工电流、加工极性等多项放电加工参数的控制。由于ARM需要承担复杂的全局控制任务，并且其IO接口有限，因此为了简化系统设计并实现IO的扩展，利用CPLD完成加工参数(脉宽、脉间、开关时序、加工电流、加工极性以及加工电容等)控制、异常放电状态检测以及A/D、D/A转换时序控制等任务。CPLD与ARM的接口采用静态存储控制(Static memory control，SMC)接口，数据通过外部数据总线进行交换和传输，ARM主要负责为其下达控制命令，控制任务则由CPLD完成。CPLD的内部功能框图以及接口设计如图5所示。

为了实现真正意义上的独立电源系统，脉冲电源需具备终端输入和输出设备以完成脉冲电源加工状态的在线显示和加工参数的在线设置功能。设计了触摸屏单元和LCD单元，采用LCD触摸屏技术，即在LCD表面贴装触摸屏组件，从而完成信息显示与输入的一体化和虚拟化。

为增加电源应用的广泛性，在可以独立完成脉冲电源功能的同时，为上位机保留了控制接口，设计了通信单元。通信单元包含RS232、RS485串口、USB以及以太网等，即能够实现对脉冲电源加工参数的控制，同时接收脉冲电源送来的状态检测数据并进行处理，又能够实现嵌入式系统开发的程序的下载、在线调试等功能。

4 检测模块分析

检测环节是电火花加工设备中一个必不可少的重要组成部分，它的性能好坏直接影响到加工过程的稳定性和加工质量。本系统采用平均电压检测和单脉冲状态检测相结合的方式。

平均电压检测原理如图6所示。间隙电压经R1、R3以及电容C1滤波后成为平均值，又经R2分压取其一部分，输出的Vout即为表征间隙平均电压的信号，该信号经过隔离运放后再经过一次高频滤波送给A/D进行采样处理，转换后的数据通过ARM处理器发送给上位机进行处理或由ARM处理器直接处理。D1主要用作防止电容C1通过R1迅速放电，D2起电压嵌位保护作用。电阻R3的作用是进一步消除平均电压上的高频干扰。隔离运放的作用是减小模拟电路对采样电压的高频干扰。图中R1C1充电时间常数应略大于WC放电时间常数。

在一定的工具、工件材料、工作液介质及脉冲参数等条件下，可以通过估算与经验而认为在稳定的放电加工过程中，其间隙电压或电流平均值应处于某一个区间之内。当间隙电压平均值超出范围上限时，认为放电加工过程趋于空载加工状态;而间隙电压平均值低于范围下限，加工过程则趋于电弧放电或短路状态。

平均电压检测法的响应速度较慢，不能保证在发生异常放电时做出及时反应。因此设计了单脉冲检测，实时监测放电状态，方案如图7所示。

间隙电压经过R1、C1阻容滤波电路，获得平稳的峰值电压，通过R2分压，提取峰值电压信号Vpv。Vpv与参考电压进行比较，比较后的结果通过高速光耦，传递到ARM和CPLD中进行处理。在实际设计中通常设计多路进行比较，如果Vref是短路参考电压，低于该值则认为此次脉冲为短路脉冲，如果在一定时间内短路脉冲达到了一定比例则认为发生了异常放电。在单脉冲检测中，R1C1时间常数应远小于脉冲放电时间与脉冲间隔时间，否则该电路将变为间隙电压平均值检测电路。

5 结语

本电源通过交变脉冲方法实现了防电解和消电离功能;加工模式可调，特别是实现了独立式和RC式的有机结合;设计了独立的消电离单元，解决了传统脉冲电源脉间消电离不完全的问题。电源以ARM和CPLD为控制核心，实现真正意义上的独立电源系统;保留了上位机控制，增加了电源应用的广泛性;引入了LCD触摸屏技术，具有良好的人机交互功能;平均电压检测结合单脉冲检测保证极间放电状态检测的实时性和准确性。该电源具有智能、独立、适用工艺范围广等特点，有一定的实用价值。

［1］任忠辉，宋博岩，韩荣第，等.电火花微能脉冲电源研究现状［J］.电加工与模具，2006(3):29－32.

［2］赵亚利，郭烈恩，杨闪闪，等.电火花微细加工微能脉冲电源模块的研究［J］.机械工程师，2009(3):116.

［3］胡满红，李勇，佟浩，等.微细电火花加工用可控式RC电源的设计和实验［J］.电加工与模具，2009(2):7.

［4］周明.电火花微孔加工工艺规律的研究［D］.大连:大连理工大学，2001:7－9.

［5］刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［6］徐海.往复走丝线切割窄脉宽无阻脉冲电源的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007:4－5.

［7］韩守国.多功能微细电加工脉冲电源研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006:32 －36.