劉雨蘭，何 宇

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程學(xué)院，江蘇 無錫214153）

國內(nèi)電火花加工高頻脈沖電源經(jīng)歷了張弛式RC 脈沖電源，晶體管式高頻脈沖電源和開關(guān)型高頻脈沖電源[1-3]。隨著研究的深入發(fā)展，發(fā)現(xiàn)這些有阻電路電能浪費(fèi)嚴(yán)重[4]，能源利用效率只有28%左右，且短路大電流加工會損傷加工件表面材質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]。隨之開發(fā)出更具優(yōu)勢的無阻高頻脈沖電源[6-8]，其優(yōu)點(diǎn)是具有響應(yīng)速度快、能源利用率高，效率可達(dá)80%以上，通過恒流、恒壓的控制方法可提高加工效率；缺點(diǎn)是無阻脈沖電源仍采用等頻的矩形或分組脈沖波形，放電擊穿能力弱，加工精度效果變差。為此，本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)控線切割雙脈沖無阻高頻電源，為提高引弧能力，采用高、低壓兩組波形組合加工模式，采用閉環(huán)跟蹤檢測間隙放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了放電信號隨放電加工中的間隙狀態(tài)而自適應(yīng)的控制方法，滿足了高精度、高光潔度、高效率加工的要求。

1 高頻脈沖調(diào)節(jié)機(jī)理

由于電極絲與工件放電時的諸多參數(shù)影響，會發(fā)生過壓、過流、欠壓、欠流現(xiàn)象，其一在放電間隙狀態(tài)中會出現(xiàn)過電流，形成正離子溢出，產(chǎn)生拉弧，造成燒絲和加工面損傷問題；其二高壓引弧后低壓脈沖電流過小，不能維持放電間隙中燒蝕進(jìn)給空間，會出現(xiàn)粘連和短路現(xiàn)象；其三高頻脈沖電源所包含的脈寬、脈間、功率等參數(shù)，由于加工參數(shù)的設(shè)定與加工間隙放電狀態(tài)不匹配，不能發(fā)揮應(yīng)有的加工效果。

輸入加工時必須滿足工件加工條件，即高頻脈沖電源輸出量應(yīng)等于電極絲與加工件端面動態(tài)阻抗所需放電量，如果兩者之間不等時就不能維持穩(wěn)定的間隙正常放電狀態(tài)，所以，恰當(dāng)?shù)膮?shù)輸入量是良好加工狀態(tài)的基本必備條件，只有端面間隙動態(tài)阻抗吸收量與輸入量相等時，才能達(dá)到最好的加工狀態(tài)。

通過以上分析，維持放電間隙電壓是端面放電加工所表現(xiàn)的基本放電形態(tài)，基于這一要素，單片機(jī)通過閉環(huán)采樣電路對放電間隙電壓、間隙電流進(jìn)行采樣，分析運(yùn)算處理后，發(fā)出新的加工參數(shù)指令，使脈沖波形與加工放電吸收能量始終保持一種平衡狀態(tài)，使放電過程中的每個脈沖波形都能得到科學(xué)、有效的控制。

2 雙脈沖無阻高頻電源總體設(shè)計(jì)

基于以上分析，雙脈沖無阻高頻電源的整體架構(gòu)如圖1所示，由低壓回路、高壓回路與單片機(jī)電路三部分組成。

圖1 雙脈沖無阻高頻電源的整體架構(gòu)

為了滿足雙脈沖無阻高頻電源正常工作，供電電源設(shè)置為2 組，低壓回路供電電源為40 V，峰值電流為50 A，作為加工主電源。為提高引弧能力，增設(shè)一組高壓回路，供電電源設(shè)置為120 V，功率20 W，高壓回路中設(shè)有R=180 Ω無感限流電阻，通過高壓脈沖引入，使引弧放電的擊穿能力得到可靠的保證，波形放電時間更為正確。

通過單片機(jī)設(shè)定脈寬、脈間、頻率及功率管數(shù)量，作為初始參數(shù)設(shè)定狀態(tài)，工作時設(shè)定的PWM 波形信號送給雙波形調(diào)制器工作。信號經(jīng)雙波形調(diào)制器后分兩路輸出，一路將信號放大后直接送低壓回路的前置驅(qū)動電路TLP250，驅(qū)動6 只低壓功率管IRP250 工作，此時6 只功率管由單片機(jī)信號決定其輸出狀態(tài)；另一路信號經(jīng)雙波形調(diào)制器進(jìn)行積分后整形放大其占空比為5%～12%的波形，送高壓回路的前置驅(qū)動電路TLP250，驅(qū)動2 只高壓功率管。

電路設(shè)計(jì)中間隙放電兩端設(shè)置了電流、電壓檢測電路，單片機(jī)經(jīng)檢測電路采集間隙放電兩端的電流、電壓動態(tài)變量信號，經(jīng)運(yùn)算比較后，發(fā)出指令信號送位移電路，微調(diào)高壓脈沖波形初始角觸發(fā)時間，實(shí)現(xiàn)高壓脈沖波形初始角的超前和滯后輸出狀態(tài)。同時雙波形調(diào)制器可在單片機(jī)指令下改變PWM 波形5%～12%占空比，從而輸出一個合適的高壓脈沖，滿足加工端面間隙放電條件的電量參數(shù)，使間隙放電在一個良好的狀態(tài)下進(jìn)行。

3 雙脈沖高頻波形分析

電火花線切割機(jī)床是利用高頻脈沖放電形成電火花進(jìn)行燒蝕加工的，掃描儀在線檢測雙脈沖工況波形如圖2 所示，本文所設(shè)計(jì)的雙脈沖波形組合，是指正常情況下低壓脈沖與高壓脈沖在同一時間出現(xiàn)即初始角相同，其占空比不在同一時間消失的脈沖波形，但根據(jù)工件材料的不同厚度，高壓脈沖波形的出現(xiàn)可與低壓脈沖波形進(jìn)行移位調(diào)整，以適應(yīng)不同材料的引弧時間。

加工時，當(dāng)電極絲與工件接近時高壓脈沖擊穿放電，同時低壓脈沖在高壓引弧狀態(tài)下一同進(jìn)入放電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了高壓引弧，低壓燒蝕的電火花線切割放電加工狀態(tài)。

通過掃描儀可以發(fā)現(xiàn)，加工回路產(chǎn)生的不同負(fù)載阻抗波形，如空載、短路、正常加工、欠負(fù)載，這4 種工作狀態(tài)的波形如圖3 所示。第一個波形為雙脈沖組合在加工端面的空載波形，線5 為雙脈沖高壓，線4 為雙脈沖低壓。第二個波形為欠負(fù)載加工波形，線3 為欠負(fù)載加工電壓，輸入加工電流過大，加工件不能完全吸收，進(jìn)給速度過慢絲損嚴(yán)重。第三個波形為正常加工波形，線2 所表示的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)都滿足加工工藝的配置要求，即高頻雙脈沖電源輸出量等于加工放電間隙吸收量，在自適應(yīng)功能狀態(tài)下，通過對每個波形在間隙放電過程中的采樣、分析、比較控制狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了普通開環(huán)難以控制的逐波控制的加工方法。第四個波形為過載或短路加工波形，線1 所表現(xiàn)為電流、電壓都處在短路狀態(tài)，此時加工間隙放電呈拉弧或短路狀態(tài)，加工件表面有嚴(yán)重?zé)齻臀⒓?xì)裂紋，同時進(jìn)給反常，會出現(xiàn)燒絲、斷絲和短路現(xiàn)象。

圖2 掃描儀在線檢測雙脈沖工況波形

4 應(yīng)用測試

雙脈沖無阻高頻電源與單脈沖無阻高頻電源加工效率等有明顯差距，數(shù)控線切割加工時進(jìn)行了兩種電源的切割加工對比，在實(shí)際動態(tài)測試中，鉬絲以13 m/s 速度運(yùn)動，被加工板材厚度為40 mm 時其動態(tài)阻值0.6～1.4 Ω，當(dāng)板材改為80 mm 時其動態(tài)阻值0.41～0.85 Ω，基于這一動態(tài)變量，則以厚度為40 mm 和80 mm 的45#鋼和45#淬火鋼進(jìn)行試驗(yàn)，其參數(shù)對比如表1 所示，該表參數(shù)為實(shí)際現(xiàn)場記錄。

表1 雙脈沖無阻電源與單脈沖無阻電源加工對比表

當(dāng)使用單脈沖無阻高頻電源加工時，電壓在40 V 左右，加工過程中隨著工件厚度的增加其放電狀態(tài)變差，效率下降，易造成顫型放電，損傷鉬絲和加工面光潔度下降，擊穿能力變差。如表1 所示，當(dāng)提高單電源電壓60 V 時，放電得到改善，其加工效率為7 800 mm2/h 左右，耗電量為1.2 kW·h 左右，但鉬絲損傷嚴(yán)重。采用雙脈沖無阻高頻電源加工時，加工效率得到了明顯提升，每小時提升了1 500 mm2以上，能源利用率上升8%以上，加工性能也有所改善。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的雙脈沖波形組合加工可使電火花數(shù)控線切割加工的工藝性能得到極大改善和提升，同時，本高頻電源設(shè)計(jì)中采用了閉環(huán)采樣控制設(shè)計(jì)，實(shí)時調(diào)整高壓脈沖的初始角和占空比，較好地解決了間隙放電中出現(xiàn)的過流、欠壓等異常放電狀態(tài)，為進(jìn)一步提升切割質(zhì)量打開了新局面。