劉 瑛，葛 星，徐明剛，劉貴珍，趙潔明

（北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，北京100043）

近年來，航空航天、微電子及計算機技術的高速發(fā)展對制造業(yè)提出了日趨嚴格的要求，生產(chǎn)實踐中的需求促進了先進制造技術的快速發(fā)展，特種加工技術也相應有了長足的進步[1]。傳統(tǒng)電弧加工由于放電能量大，需采取機械斷弧或流體沖液斷弧等方式防止放電集中[2]。有研究表明，由于振動的疊加能促進放電，在較高頻率和較大振幅的條件下，通過振動的疊加可提升電弧加工過程的穩(wěn)定性，并提高加工速度、降低電極相對損耗，進而提升加工精度[3]。超聲振動輔助電弧加工平臺是為加工超硬材料提供的加工裝置，特別適用于復合加工中對效率和精度有較高要求的領域[4]。超聲振動輔助電弧加工電源對加工的精度和效率有著直接影響[5]。

目前，對超聲振動輔助電弧加工的復合加工模式的研究已有所突破，而對超聲振動輔助電弧加工電源的研究卻不夠深入[6]。同時，國內(nèi)外對電弧加工脈沖電源及超聲發(fā)生器的研究較成熟，但尚未出現(xiàn)一種適應復合加工的復合電源。在超聲振動輔助電弧加工中，需要超聲發(fā)生器（即超聲電源）和脈沖電源分別為超聲振動及電弧加工提供能量，而使用兩種獨立電源的過程繁瑣，不能滿足現(xiàn)代復合加工對高效電源日益增長的需求[7]。超聲振動輔助電弧加工復合電源的研究成果對滿足現(xiàn)代高端機械制造業(yè)需求具有重要的理論及實踐指導意義[8]。

1 復合電源的總體結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)超聲振動輔助電弧加工對電源電參數(shù)的要求，超聲振動輔助電弧加工復合電源的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 超聲振動輔助電弧加工復合電源的總體結(jié)構(gòu)圖

超聲振動輔助電弧加工復合電源由上位機、主芯片控制模塊、整流濾波模塊、驅(qū)動電路模塊及監(jiān)測、反饋模塊組成。其中，上位機的功能是發(fā)出控制指令、顯示參數(shù)變化（電壓、電流等）；主芯片控制模塊主要由主芯片及其外圍電路組成，該模塊需發(fā)出控制信號給驅(qū)動電路，對監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)進行處理并反饋，從而產(chǎn)生脈沖電源所需的PWM波；整流濾波模塊的作用是將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的直流電；驅(qū)動電路模塊主要由超聲發(fā)生器驅(qū)動模塊和脈沖電源驅(qū)動模塊兩部分組成。其中，超聲電源驅(qū)動模塊由驅(qū)動芯片和H橋逆變電路組成，是對主芯片控制電路的信號進行放大的中間模塊；脈沖電源驅(qū)動模塊主要由驅(qū)動芯片和MOSFET開關管組成，其主要作用是放大控制電路的信號，使其能驅(qū)動功率晶體管。

2 整流電路設計

根據(jù)超聲振動輔助電弧加工的要求，復合電源需要穩(wěn)定的直流電壓。超聲振動輔助電弧加工整流濾波電路的工作過程是：先輸入220 V交變電流，再經(jīng)由整流濾波電路輸出110 V直流電壓。整流部分是將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)化為單向脈動的直流電；濾波部分是基于電容的充、放電特點，將不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電。整流變換電路的原理見圖2。

圖2 整流變換器電路原理圖

由于超聲振動輔助電弧加工復合電源的超聲電源部分與脈沖電源部分共用一個整流濾波電路，該電路的主要作用是為超聲驅(qū)動電路及脈沖驅(qū)動電路共同提供穩(wěn)定的直流電壓，其工作流程如下：先輸入220 V單相交流電，經(jīng)由整流電路轉(zhuǎn)化為單向脈動的直流電，再經(jīng)過濾波電路將單向脈動的直流電轉(zhuǎn)化為110 V的平穩(wěn)直流電。

3 超聲電源主電路設計

根據(jù)超聲振動輔助電弧加工復合電源的需求及總體設計結(jié)構(gòu)，超聲電源主電路為超聲換能器輸入能量，其電路結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 超聲發(fā)生器主電路

超聲電源主電路包括以下兩個部分：

（1）整流電路。根據(jù)超聲振動輔助電弧加工復合電源的需求及總體設計結(jié)構(gòu)要求，選擇橋式整流電路。該整流電路為超聲電源與脈沖電源共用，是將220 V交流電源輸入可調(diào)變壓器，再經(jīng)由橋式整流器、電容濾波器輸出110 V直流電壓，并將其施加到高頻逆變電路的直流側(cè)。

（2）高頻逆變器電路。該電路是超聲電源主電路的主要部分，通過該電路可產(chǎn)生高頻交流電流及進行頻率調(diào)整。逆變器電路的主電路由MOSFET開關管和電容組成。將四個MOSFET開關管分成兩組，分別作為兩個橋臂構(gòu)成H橋逆變電路，MOSFET開關管需要驅(qū)動電路使其導通與閉合；通過控制H橋電路對角橋臂的MOSFET開關管的交替導通與關閉，以實現(xiàn)超聲電源的功率輸出。

4 脈沖電源主電路設計

根據(jù)超聲振動輔助電弧加工復合電源的設計要求，選擇可控式RC脈沖電源作為脈沖電源的主充放電回路。可控式RC脈沖電源的結(jié)構(gòu)基于非獨立RC脈沖電源，并引入獨立脈沖電源常用的開關元器件。

脈沖電源的原理見圖4。可見，脈沖電源的主充放電回路由DC輸入、信號發(fā)生電路、驅(qū)動電路模塊及MOSFET開關管電極間隙等組成。主芯片釋放脈沖信號，經(jīng)由驅(qū)動電路模塊放大，使MOSFET開關管導通或斷開。當MOSFET開關管導通時，對電容充電，之后產(chǎn)生電弧放電。在脈沖間隔期間，MOSFET開關管關閉，小容量電容器輸出一個用于電弧放電加工的窄脈沖并在極間去極化。經(jīng)過一次由信號發(fā)出到去極化的過程，即一次電弧加工放電過程。

圖4 脈沖電源主電路

5 實驗與分析

前文己對超聲振動輔助電弧加工復合電源的原理進行了分析，為了驗證上述設計的主要性能指標及超聲振動輔助電弧加工復合電源的加工效果是否符合設計要求，在超聲振動輔助電弧加工機床上對所設計的復合電源進行了實驗。基于STM32控制芯片的超聲振動輔助電弧加工復合電源實驗樣機的主要參數(shù)如下：輸入電壓為220 V，主回路頻率為50 Hz，輸出電壓為80 V，輸出電流為0.5 A，輸出電壓占空比在1%～95%范圍內(nèi)可調(diào)。

將超聲電源部分的端口與示波器進行連接，進而完成實驗裝置的組成及實驗平臺的建立?？刂浦餍酒a(chǎn)生一個頻率為20 kHz的超聲信號，并通過示波器觀察，得到20 kHz超聲信號頻率下的波形（圖5a）。將脈沖電源端口與示波器相連，采集輸出電壓頻率為50 Hz、電壓值為80 V、占空比為50%的空載電壓波形，CH1收集輸出電壓信號，波形見圖5b。

圖5 不同電源的電壓波形

6 結(jié)束語

本文對超聲振動輔助電弧加工電源的原理進行了研究，設計了適用于超聲振動輔助電弧加工的復合電源，將獨立的超聲發(fā)生器和脈沖電源加以整合，并進行了結(jié)構(gòu)設計，繪制了原理圖。經(jīng)理論分析可知，該復合電源能滿足超聲振動輔助電弧加工的要求，對后續(xù)實驗及樣機開發(fā)具有指導意義。