数控电火花加工脉冲电源设计和实践

1、数控电火花加工脉冲电源设计和实践【摘要】本文设计的新型脉冲电源，可以预先设置 参数数值并根据检测的间隙状态，通过pwm脉宽调制自动调 节电火花加工参数，实现参数的自适应控制，并有效地解决 脉冲电源的散热及电流响应不敏捷问题。【关键词】脉冲电源；加工参数；自适应控制0引言目前，大多数数控电火花加工脉冲电源为晶体管式脉冲 电源，它是一种基于斩波原理的独立式脉冲电源，这种电源 具有脉冲频率高、调节脉冲参数方便、脉冲波形较好、易于 实现多回路加工和加工过程自动化、体积小等优点，其独立 式电源及其派生电路已经广泛应用于电火花加工中，但它存 在着两个方面的严重不足：一是，电源利用率低，电源的效 率只有20

2、%25%。主要因为直流电源电压（80v左右）与火 花间隙维持电压（20v25v左右）之间的电压差全部降在限 流电阻上，限流电阻和加工间隙通过相同的电流，致使75% 80%的电能消耗在限流电阻上。不仅造成电能的极大浪费， 而且限流电阻由于散热需要而体积庞大、材料昂贵，故而脉 冲电源内部的散热问题一直是电源电柜设计的关键，通常在 脉冲电源内部必须附设电源风扇和排风通道，这又进一步导 致电能的更大消耗和电柜体积加大。另外，一般电火花加工 脉冲电源粗加工平均电流高达100a左右，脉冲电源工频变 压器绕组截面积巨大，这也导致脉冲电源重量惊人，体积庞 大；二是，加工的峰值电流的响应速度低，而且加工电流值

3、不稳定，随着加工状态变化而变化。如工具和电极短路时， 间隙电压为零，此时加工电流快速增大，进一步恶化了加工 状态，容易引起拉弧，甚至烧伤工件表面，因此，研究新型 脉冲电源已迫在眉睫。1脉冲电源参数自适应控制的基本原理自适应控制电源，要求能根据加工过程中的变化条件， 自动改变脉冲电源的电参数，以保持加工在最佳状态下进 行，从而实现稳定加工，并达到较好的工艺指标。脉冲电源 的电参数有脉冲波形、脉冲宽度、脉冲停歇时间以及脉冲电 压和电流幅值等。在电火花加工过程中产生不利于加工进行的变化因素 很多，例如，放电间隙导电率的变化、加工工件的几何形状、 面积随着加工深度的变化、工作液压力及流量的变化、脉冲

4、电源电参数的变化等。电参数自适应控制电路原理如图lo取加工电流和加工 电压作为被测参数，即将采集来的电压、电流信号经模数转 换电路(a/d)变为数字量，经计算机采集，作为主程序的 运行状态的输入量，由计算机进行处理后，分别送入高频振 荡及控制电路、脉冲整形及变换电路。同时，脉冲整形及变 换电路也受计算机控制，经变换产生出可调的脉冲宽度和脉 冲间隔，通过具有占空比可调的脉冲波形去控制igbt的导 通与关闭，从而控制电极与工件的放电状态，使加工得以顺 利进行。图1电参数自适应控制电路原理框图在电火花加工过程中，将实际极间电压和极间参考电压 进行比较，也即把从测量环节得来的信号和“给定值”的信 号进

5、行比较，以及在调整脉宽效果不明显时通过调节脉冲的 频率来实现电流的自适应变化。2电火花加工电源参数自适应控制的具体实现电火花加工自适应控制的主要控制环节有：2. 1进给控制进给控制的作用是及时调整间隙的大小。间隙过大时， 加工会停止；间隙过小时会造成拉弧烧伤或短路，调节间隙 的大小也间接调整了工作电流。进给控制依据是放电蚀除特 性曲线(如图2)o图2蚀除特性曲线不同的加工规准，对应着不同的蚀除特性曲线vs=f (ug),每一曲线的a点为最大加工速度的工作点，此时的 极间电压ug即为最佳的极间加工电压。所以，对每一加工 规准，找出ug,进给控制时将目前的极间电压与最佳的极间 加工电压进行比较，将

6、两者的差值作为进给的依据，即若u-ug v=b 60 til. 1 ipl. 4,其中p 工件比重,单位：g/cm3f频率f=b 单位：hzs 加工面积单位：cm2ip 放电电流峰值 单位：ati 脉冲宽度 单位：us当进行某一具体加工时，式中p、s、ip可看成一定的 常数。加工参数选取相应脉宽、脉间电参数ti=60us, to=20us 代入上式，加工过程中首先通过检测及状态判别电路判别当 前加工状态，若为正常则按初始设定值进行加工，若不正常 则可在保持频率不变的情况下通过调节脉冲宽度ti的大小 来控制加工速度的快慢，最终使电极间隙相应增大或缩小， 并处在合适的范围，以保证加工过程的稳定进行

7、。2.2脉冲间隔、脉冲宽度及抬刀的自适应控制根据放电间隙的状态，自动调节脉冲宽度和脉冲间隔的 大小。当发生电弧时，通过状态判别电路检测出该状态，并 相应减小脉冲宽度值及增加脉冲间隔值，以防止或避免拉弧 烧伤；当加工处于正常但不是最佳状态时，相应增大脉宽的 大小及减少脉冲间隔值，以提高加工速度，充分发挥脉冲电 源的潜力。在电火花成型加工过程中，当放电间隙状态发生恶化， 如短路时，可通过减小脉冲频率来降低加工速度，使加工间 隙增大；同时当放电间隙状态异常且减小频率又不见效时， 还要迅速抬刀以改善间隙状况，通过调用底层接口函数以控 制轴的运动来实现抬刀动作。由于人为规定抬刀时间和频率 不易正确掌握，抬刀频率过高则降低了加工速度，抬刀频率 低了又易产生拉弧烧伤。因此，根据间隙的状态来自动控制 抬刀的时间和频率是完全必要的。图3电弧调整控制流程图发生短路或电弧时的控制流程分别如图3和图4所示。3结论图4短路调整控制流程图实践证明，有效地解决电极进给速度、