吳 桐，呂 蒙，劉政君，董華軍

（大連交通大學，遼寧大連 116028）

電化學加工又稱為電解加工，是利用電解液中的金屬在外電場的作用下發(fā)生陽極溶解的原理，對金屬材料進行加工的一種方法[1-3]。國外學者曾用頻率50 MHz、脈寬2 ns、電壓2.2 V的連續(xù)超短脈沖，在鎳金屬表面加工出納米級復雜的微細結(jié)構(gòu)[4]；國內(nèi)學者研制出了峰值電流400 A、輸出頻率30 kHz的可調(diào)脈沖電源，成功應用于齒輪的光整加工[5]。因此，電化學加工通常采用較大占空比的脈沖電流進行粗加工，保證加工效率；采用較小占空比的脈沖電流進行精加工，保證加工精度。然而，粗、精加工相互分離，單次加工使用單一的電源參數(shù)，很難達到加工效率與加工精度的雙重保證。

為解決上述問題，本文提出一種基于工件加工進程自動調(diào)節(jié)輸出參數(shù)的脈沖電源設計方案。電源控制系統(tǒng)通過對比工件的總加工量和當前進給量，自動調(diào)節(jié)輸出脈沖電流的占空比和頻率。在加工初期輸出最大占空比脈沖，獲得較快的蝕除速度；剩余蝕除量越小，則輸出脈沖的占空比越小，從而獲取較高的成形精度與表面質(zhì)量，達到效率與精度兼顧的目的，在保證加工質(zhì)量的基礎上節(jié)約了工時。

1 脈沖電源參數(shù)對電化學加工的影響

脈沖電源的頻率f、脈沖寬度 Tp、占空比 D、輸出電壓V、輸出電流i等是脈沖電化學加工的主要參數(shù)。其中，脈沖頻率f與占空比D對加工精度、表面質(zhì)量及加工效率的影響尤為重要。

根據(jù)法拉第定律可知，電化學加工時的陽極電極溶解量（無析出）與通過的電流大小、電解時間成正比。因此，金屬的理論溶解質(zhì)量W表示為：

式中：η為電流效率；Q為通過反應區(qū)域的電量；I為通過反映區(qū)域的電流；t為反應時間；K為溶解金屬的電化學當量。

實驗研究表明，隨著頻率提高及脈寬變窄，電化學加工的精度和表面質(zhì)量也有所提高[5-6]。在電流與效率不變的情況下，去除量與占空比成正比，即占空比與加工精度、表面質(zhì)量成反比。當脈沖頻率一定時，占空比越小，加工效率越低，精度越高；反之，加工效率提高，精度降低。目前，在去除量較大、精度要求不高時，一般采用較低的脈沖頻率和較大的占空比，以提高加工效率；而微細加工常采用較高的脈沖頻率和較小的占空比來保證加工精度[7]。

本文設計的脈沖電源可根據(jù)加工余量自動調(diào)節(jié)輸出頻率和占空比，其具體參數(shù)如下：輸出電壓為 0～30 V；輸出電流為 0～200 A；輸出頻率為 0.3～60 kHz，調(diào)節(jié)步長 0.5 kHz；輸出占空比為 0～90%，調(diào)節(jié)步長 2%；最小輸出脈寬為 1.5 μs。

2 脈沖電源設計方案

2.1 脈沖發(fā)生與參數(shù)調(diào)節(jié)模塊的設計

脈沖發(fā)生與參數(shù)調(diào)節(jié)模塊主要包括MCU主控制模塊、參數(shù)輸入模塊、顯示模塊[8]、加工余量反饋模塊、電路保護模塊等（圖1），其主要功能如下：

（1）提供人機界面，用戶可方便地監(jiān)測電路工作狀態(tài)及輸入相關工藝參數(shù)。

（2）獲取用戶輸入的工藝參數(shù)和進給機構(gòu)的運行參數(shù)。

（3）通過設定的參數(shù)和進給機構(gòu)運行狀態(tài)判斷加工階段，并調(diào)節(jié)電源輸出脈沖的頻率和占空比。

（4）快速響應電路的保護信號，防止故障發(fā)生。

圖1 脈沖發(fā)生與參數(shù)調(diào)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)框圖

MCU主控制模塊通過參數(shù)輸入模塊獲取總加工量、脈沖輸出曲線等，實時控制脈沖信號的輸出，并能在短時間內(nèi)獲取電路保護信號切斷輸出，還可通過通訊協(xié)議獲取機床伺服進給機構(gòu)的進給量，通過與設定的總進給量對比，計算得到實時加工進行階段，并產(chǎn)生頻率和占空比與加工階段相適應的脈沖信號。

保護電路單元能獲取斬脈沖電路的故障信號，如短路、過流、過熱、過壓等[9]，并將故障信號整合為簡單有效的保護信號實時傳輸至MCU。

2.2 大功率斬脈沖模塊的設計

斬脈沖功率單元（圖2）選用耐壓100 V通流能力110 A的功率MOSFET模塊并聯(lián)，每組開關管都具有特性相同的緩沖濾波網(wǎng)絡，以防止高頻工作狀態(tài)下的電壓過沖[10]。并聯(lián)后，每組開關管額定通流能力＞200 A，且留有10%的冗余，以保證電路的過載能力。MCU輸出的脈寬調(diào)制信號通過驅(qū)動電路加載至MOSFET的柵極[11]，控制功率MOSFET并聯(lián)單元的開斷，從而輸出預期的脈沖電流波形。

圖2 電化學斬脈沖主電路設計框圖

功率MOSFET驅(qū)動單元采用IR2110集成驅(qū)動芯片，可直接兼容單片機輸出的TTL信號。如圖3所示，邏輯電源VDD與邏輯地引腳VSS分別接單片機5 V電壓和單片機地；VCC與COM分別為低端固定電源和低端公共接地；VB與VS分別為高端浮置電源和高端浮置公共端，耐壓500 V[12]。本設計采用高端輸入輸出通道，TTL信號輸入，12 V PWM脈沖輸出，輸出電流最大為2 A[13]。二極管D3保證輸出關斷時，MOSFET門極電容能快速放電，有效關斷MOSFET；D1防止開關過程中高電壓串入芯片，導致芯片損壞。當電路出現(xiàn)故障時，可將SHUT引腳置位，快速關斷驅(qū)動芯片的輸出，保護后級電路。

圖3 驅(qū)動信號放大與隔離原理圖

2.3 系統(tǒng)保護模塊的設計

系統(tǒng)保護模塊見圖4，采用TL431可編程精密穩(wěn)壓源作為參考基準[11]，電路工作電壓與電流采樣信號通過分壓電路分壓后，一路引入比較器，輸出為數(shù)字量保護信號；另一路引入電壓跟隨器，輸出為模擬量監(jiān)控信號。比較器與電壓跟隨器都使用LM324運算放大器搭建，數(shù)字量信號輸出采用光電隔離，防止信號干擾。

圖4 保護電路基本結(jié)構(gòu)框圖

3 實驗結(jié)果

根據(jù)本文所述原理及方法，使用單片機搭建實驗電路進行驗證。采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，其具備脈沖捕獲功能，用于檢測進給機構(gòu)驅(qū)動電機的脈沖數(shù)，獲得當前進給量。設當前進給量為Fc，總加工量為Ft，令K=Fc/Ft表示加工進度，則在電路輸出占空比D與K分別滿足圖5所示的兩種關系時進行實驗。

圖5 加工過程中輸出脈沖占空比曲線

圖5 a是固定占空比加工模式，脈沖電源輸出參數(shù)不跟隨加工進程發(fā)生變化，當前電化學脈沖加工大多采用該模式。圖5b是占空比曲線調(diào)節(jié)輸出，占空比隨加工的進行逐漸減小，且加工余量越小，輸出占空比越小。

實驗用外置脈沖發(fā)生器模擬機床進給量，設工具陰極每進給1 mm的對應脈沖數(shù)nt=2560。在系統(tǒng)輸入脈沖數(shù)分別為n1=512、n2=950、n3=1613、n4=2048時進行輸出波形采樣，脈沖輸出波形見圖6。

圖6 脈沖輸出波形

4 結(jié)論

本文提出了一種能跟隨加工量自動調(diào)節(jié)輸出占空比的電化學光整脈沖電源設計方案，適用于中小零件的加工。在保證零件加工精度和表面質(zhì)量的基礎上，能進一步提高加工效率，彌補了固定占空比參數(shù)加工的不足。實驗結(jié)果表明，脈沖電源輸出數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，達到了預期的設計和應用要求。由于條件限制，本文只對占空比調(diào)節(jié)功能進行了設計和完善；在此基礎上，還可對頻率調(diào)節(jié)和占空比、頻率混合調(diào)節(jié)進行更深入的實驗研究，為電化學光整加工電源設計提供新的思路。

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