一种用于超声电火花加工的复合脉冲电源的制作方法

本发明涉及超声电火花加工的供电技术，具体是一种用于超声电火花加工的复合脉冲电源。

背景技术：

随着模具制造、航空航天、工程机械等行业的高速发展，对陶瓷、复合材料、硬质合金等高性能、难加工材料及其精密超精密加工技术的应用需求不断增长，超声电火花加工作为特种与精密加工技术的一种，也越来越得到人们的青睐。在现有技术条件下，超声电火花加工普遍采用两套电源分别进行供电（一套电源单独给放电间隙供电，另一套电源单独给超声波换能器供电）。然而，此种供电技术由于自身原理所限，一方面无法保证超声电火花加工过程中火花放电脉冲频率与超声波振动脉冲频率同步，另一方面无法锁定火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差，由此导致加工效率低、加工质量差。基于此，有必要发明一种全新的电源，以解决现有超声电火花加工的供电技术无法保证超声电火花加工过程中火花放电脉冲频率与超声波振动脉冲频率同步、无法锁定火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有超声电火花加工的供电技术无法保证超声电火花加工过程中火花放电脉冲频率与超声波振动脉冲频率同步、无法锁定火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差的问题，提供了一种用于超声电火花加工的复合脉冲电源。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于超声电火花加工的复合脉冲电源，包括主电路、控制电路；

所述主电路包括火花放电脉冲产生电路、超声波振动脉冲产生电路；

所述火花放电脉冲产生电路包括第一整流滤波模块、第一直流斩波模块、第一调压放电模块；

所述第一整流滤波模块包括由第一至第六二极管组成的三相桥式整流电路、第一电容；

所述第一直流斩波模块包括第一至第四三极管；

所述第一调压放电模块包括脉冲变压器、第七至第十二极管、第五三极管、第六三极管、第二电容、第三电容、工具电极与工件之间的放电间隙；

三相桥式整流电路的三个输入端分别与三相交流电源的第一根相线、第二根相线、第三根相线连接；第一电容的两端分别与三相桥式整流电路的正输出端、负输出端连接；

第一三极管的集电极、第三三极管的集电极均与三相桥式整流电路的正输出端连接；第二三极管的集电极与第一三极管的发射极连接；第四三极管的集电极与第三三极管的发射极连接；第二三极管的发射极、第四三极管的发射极均与三相桥式整流电路的负输出端连接；

脉冲变压器的初级线圈的两端分别与第一三极管的发射极、第三三极管的发射极连接；脉冲变压器的次级线圈的数目为两个，且第一个次级线圈的匝数大于第二个次级线圈的匝数；脉冲变压器的第一个次级线圈的两端分别与第七二极管的阳极、第八二极管的阴极连接；第七二极管的阴极与第五三极管的集电极连接；脉冲变压器的第二个次级线圈的两端分别与第九二极管的阳极、第十二极管的阴极连接；第九二极管的阴极与第六三极管的集电极连接；第五三极管的发射极、第六三极管的发射极均与工具电极的接线端连接；第八二极管的阳极、第十二极管的阳极均与工件的接线端连接；第二电容的两端分别与第五三极管的发射极、第八二极管的阳极连接；第三电容的两端分别与第六三极管的发射极、第十二极管的阳极连接；

所述超声波振动脉冲产生电路包括第二整流滤波模块、第二直流斩波模块、逆变模块、第二调压放电模块；

所述第二整流滤波模块包括由第十一至第十四二极管组成的单相全波整流电路、第四电容；

所述第二直流斩波模块包括第七三极管、第十五二极管、第一电感；

所述逆变模块包括第八至第十一三极管、第十六至第十九二极管、第五至第八电容；

所述第二调压放电模块包括高频变压器、第一电阻、超声波换能器；

单相全波整流电路的两个输入端分别与三相交流电源的第三根相线、中性线连接；第四电容的两端分别与单相全波整流电路的正输出端、负输出端连接；

第七三极管的集电极与单相全波整流电路的正输出端连接；第十五二极管的阴极与第七三极管的发射极连接；第十五二极管的阳极与单相全波整流电路的负输出端连接；

第八三极管的集电极、第十三极管的集电极均通过第一电感与第七三极管的发射极连接；第九三极管的集电极与第八三极管的发射极连接；第十一三极管的集电极与第十三极管的发射极连接；第九三极管的发射极、第十一三极管的发射极均与单相全波整流电路的负输出端连接；第十六二极管的阴极与第八三极管的集电极连接；第十六二极管的阳极与第八三极管的发射极连接；第十七二极管的阴极与第九三极管的集电极连接；第十七二极管的阳极与第九三极管的发射极连接；第十八二极管的阴极与第十三极管的集电极连接；第十八二极管的阳极与第十三极管的发射极连接；第十九二极管的阴极与第十一三极管的集电极连接；第十九二极管的阳极与第十一三极管的发射极连接；第五电容的两端分别与第八三极管的集电极、发射极连接；第六电容的两端分别与第九三极管的集电极、发射极连接；第七电容的两端分别与第十三极管的集电极、发射极连接；第八电容的两端分别与第十一三极管的集电极、发射极连接；

高频变压器的初级线圈的两端分别与第八三极管的发射极、第十三极管的发射极连接；高频变压器的次级线圈的一端通过第一电阻与超声波换能器的一端连接，另一端与超声波换能器的另一端连接；

所述控制电路包括电流传感器、施密特触发器、反相器、频率预置计数器、pwm调制电路、锁相电路、选频电路、第一驱动电路、第二驱动电路、脉冲发生器；

电流传感器安装于工件的接线端；电流传感器的输出端分别与施密特触发器的输入端、pwm调制电路的第一输入端连接；施密特触发器的输出端分别与反相器的输入端、第六三极管的基极连接；反相器的输出端与第五三极管的基极连接；频率预置计数器的输出端与pwm调制电路的第二输入端连接；pwm调制电路的输出端与锁相电路的输入端连接；锁相电路的输出端分别与选频电路的输入端、第一驱动电路的输入端连接；选频电路的输出端与第二驱动电路的输入端连接；第一驱动电路的输出端分别与第一三极管的基极、第二三极管的基极、第三三极管的基极、第四三极管的基极连接；第二驱动电路的输出端分别与第八三极管的基极、第九三极管的基极、第十三极管的基极、第十一三极管的基极连接；脉冲发生器的输出端与第七三极管的基极连接。

具体工作过程如下：一、主电路的工作过程：三相交流电先经第一整流滤波模块进行整流滤波，再经第一直流斩波模块转换成占空比可调的脉冲直流电，该脉冲直流电施加于脉冲变压器的初级线圈，由此使得脉冲变压器的第一个次级线圈产生高压脉冲直流电、第二个次级线圈产生低压脉冲直流电。在此过程中，电流传感器实时测量工件的接线端的电流，测得的电流值作为施密特触发器和pwm调制电路的反馈控制信号。在pwm调制电路输出的脉冲波的周期内，当放电间隙未被击穿时，电流传感器测得的电流值为零，此时施密特触发器输出低电平，反相器输出高电平，第五三极管导通，第六三极管截止，高压脉冲直流电经第二电容、第三电容进行滤波后施加于放电间隙，使得放电间隙产生高压电脉冲，由此促使放电间隙被快速击穿。当放电间隙被击穿后，电流传感器测得的电流值较大，此时施密特触发器输出高电平，反相器输出低电平，第五三极管截止，第六三极管导通，低压脉冲直流电经第二电容、第三电容进行滤波后施加于放电间隙，使得放电间隙产生火花放电，工具电极由此对工件进行蚀除加工，直至脉冲波的周期结束（此时极间电介质消电离，放电间隙恢复为绝缘状态）。在脉冲波的周期内，若电流传感器测得的电流值超过规定阈值，则表明极间即将发生短路，此时反馈控制信号控制pwm调制电路中止输出脉冲波，由此避免因极间短路而损坏工件和工具电极。与此同时，单相交流电依次经第二整流滤波模块、第二直流斩波模块、逆变模块进行整流滤波、直流斩波调压、逆变后施加于高频变压器的初级线圈，由此使得高频变压器的次级线圈产生脉冲交流电。脉冲交流电经第一电阻进行限流后施加于超声波换能器，由此使得超声波换能器产生超声波振动脉冲。二、控制电路的工作过程：频率预置计数器设定火花放电脉冲频率、超声波振动脉冲频率，并将设定好的频率值发送至pwm调制电路，pwm调制电路由此输出相应频率的脉冲波，并将脉冲波发送至锁相电路，锁相电路根据脉冲波的频率值以及预先设定好的相位差（火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差）生成控制信号。所生成的控制信号分为两路：第一路经第一驱动电路施加至第一直流斩波模块，由此对脉冲直流电的频率进行控制，从而对火花放电脉冲频率进行控制。第二路先经选频电路进行带通滤波，再经第二驱动电路施加至逆变模块，由此对脉冲交流电的频率进行控制，从而对超声波振动脉冲频率进行控制。通过上述控制，一方面保证了火花放电脉冲频率与超声波振动脉冲频率严格同步，另一方面锁定了火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差。在此过程中，脉冲发生器生成控制信号。该控制信号施加至第二直流斩波模块，由此对脉冲交流电进行调压。

基于上述过程，与现有超声电火花加工的供电技术相比，本发明所述的一种用于超声电火花加工的复合脉冲电源通过采用全新的结构和原理，一方面保证了火花放电脉冲频率与超声波振动脉冲频率严格同步，另一方面锁定了火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差，由此有效提高了加工效率、有效改善了加工质量。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有超声电火花加工的供电技术无法保证超声电火花加工过程中火花放电脉冲频率与超声波振动脉冲频率同步、无法锁定火花放电脉冲与超声波振动脉冲的相位差的问题，适用于超声电火花加工。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明中pwm调制电路的电路原理图。

图3是本发明中锁相电路的电路原理图。

图4是本发明中选频电路的电路原理图。

图5是本发明中第一驱动电路的电路原理图。

图6是本发明中第二驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

一种用于超声电火花加工的复合脉冲电源，包括主电路、控制电路；

所述主电路包括火花放电脉冲产生电路、超声波振动脉冲产生电路；

所述火花放电脉冲产生电路包括第一整流滤波模块、第一直流斩波模块、第一调压放电模块；

所述第一整流滤波模块包括由第一至第六二极管vd1~vd6组成的三相桥式整流电路、第一电容c1；

所述第一直流斩波模块包括第一至第四三极管vt1~vt4；

所述第一调压放电模块包括脉冲变压器t1、第七至第十二极管vd7~vd10、第五三极管vt5、第六三极管vt6、第二电容c2、第三电容c3、工具电极与工件之间的放电间隙h；

三相桥式整流电路的三个输入端分别与三相交流电源的第一根相线u、第二根相线v、第三根相线w连接；第一电容c1的两端分别与三相桥式整流电路的正输出端、负输出端连接；

第一三极管vt1的集电极、第三三极管vt3的集电极均与三相桥式整流电路的正输出端连接；第二三极管vt2的集电极与第一三极管vt1的发射极连接；第四三极管vt4的集电极与第三三极管vt3的发射极连接；第二三极管vt2的发射极、第四三极管vt4的发射极均与三相桥式整流电路的负输出端连接；

脉冲变压器t1的初级线圈的两端分别与第一三极管vt1的发射极、第三三极管vt3的发射极连接；脉冲变压器t1的次级线圈的数目为两个，且第一个次级线圈的匝数大于第二个次级线圈的匝数；脉冲变压器t1的第一个次级线圈的两端分别与第七二极管vd7的阳极、第八二极管vd8的阴极连接；第七二极管vd7的阴极与第五三极管vt5的集电极连接；脉冲变压器t1的第二个次级线圈的两端分别与第九二极管vd9的阳极、第十二极管vd10的阴极连接；第九二极管vd9的阴极与第六三极管vt6的集电极连接；第五三极管vt5的发射极、第六三极管vt6的发射极均与工具电极的接线端连接；第八二极管vd8的阳极、第十二极管vd10的阳极均与工件的接线端连接；第二电容c2的两端分别与第五三极管vt5的发射极、第八二极管vd8的阳极连接；第三电容c3的两端分别与第六三极管vt6的发射极、第十二极管vd10的阳极连接；

所述超声波振动脉冲产生电路包括第二整流滤波模块、第二直流斩波模块、逆变模块、第二调压放电模块；

所述第二整流滤波模块包括由第十一至第十四二极管vd11~vd14组成的单相全波整流电路、第四电容c4；

所述第二直流斩波模块包括第七三极管vt7、第十五二极管vd15、第一电感l1；

所述逆变模块包括第八至第十一三极管vt8~vt11、第十六至第十九二极管vd16~vd19、第五至第八电容c5~c8；

所述第二调压放电模块包括高频变压器t2、第一电阻r1、超声波换能器f；

单相全波整流电路的两个输入端分别与三相交流电源的第三根相线w、中性线n连接；第四电容c4的两端分别与单相全波整流电路的正输出端、负输出端连接；

第七三极管vt7的集电极与单相全波整流电路的正输出端连接；第十五二极管vd15的阴极与第七三极管vt7的发射极连接；第十五二极管vd15的阳极与单相全波整流电路的负输出端连接；

第八三极管vt8的集电极、第十三极管vt10的集电极均通过第一电感l1与第七三极管vt7的发射极连接；第九三极管vt9的集电极与第八三极管vt8的发射极连接；第十一三极管vt11的集电极与第十三极管vt10的发射极连接；第九三极管vt9的发射极、第十一三极管vt11的发射极均与单相全波整流电路的负输出端连接；第十六二极管vd16的阴极与第八三极管vt8的集电极连接；第十六二极管vd16的阳极与第八三极管vt8的发射极连接；第十七二极管vd17的阴极与第九三极管vt9的集电极连接；第十七二极管vd17的阳极与第九三极管vt9的发射极连接；第十八二极管vd18的阴极与第十三极管vt10的集电极连接；第十八二极管vd18的阳极与第十三极管vt10的发射极连接；第十九二极管vd19的阴极与第十一三极管vt11的集电极连接；第十九二极管vd19的阳极与第十一三极管vt11的发射极连接；第五电容c5的两端分别与第八三极管vt8的集电极、发射极连接；第六电容c6的两端分别与第九三极管vt9的集电极、发射极连接；第七电容c7的两端分别与第十三极管vt10的集电极、发射极连接；第八电容c8的两端分别与第十一三极管vt11的集电极、发射极连接；

高频变压器t2的初级线圈的两端分别与第八三极管vt8的发射极、第十三极管vt10的发射极连接；高频变压器t2的次级线圈的一端通过第一电阻r1与超声波换能器f的一端连接，另一端与超声波换能器f的另一端连接；

所述控制电路包括电流传感器b、施密特触发器k、反相器s、频率预置计数器、pwm调制电路、锁相电路、选频电路、第一驱动电路、第二驱动电路、脉冲发生器；

电流传感器b安装于工件的接线端；电流传感器b的输出端分别与施密特触发器k的输入端、pwm调制电路的第一输入端连接；施密特触发器k的输出端分别与反相器s的输入端、第六三极管vt6的基极连接；反相器s的输出端与第五三极管vt5的基极连接；频率预置计数器的输出端与pwm调制电路的第二输入端连接；pwm调制电路的输出端与锁相电路的输入端连接；锁相电路的输出端分别与选频电路的输入端、第一驱动电路的输入端连接；选频电路的输出端与第二驱动电路的输入端连接；第一驱动电路的输出端分别与第一三极管vt1的基极、第二三极管vt2的基极、第三三极管vt3的基极、第四三极管vt4的基极连接；第二驱动电路的输出端分别与第八三极管vt8的基极、第九三极管vt9的基极、第十三极管vt10的基极、第十一三极管vt11的基极连接；脉冲发生器的输出端与第七三极管vt7的基极连接。

所述pwm调制电路包括555定时器、数字比较器、第二电阻r2、第三电阻r3、第九电容c9、第十电容c10、第二十二极管vd20；555定时器的第一引脚接地；555定时器的第二引脚作为时钟信号端；555定时器的第三引脚通过第三电阻r3与数字比较器的第一输入端连接；555定时器的第四引脚一方面与正电源端vdd连接，另一方面依次通过第二电阻r2、第九电容c9接地；555定时器的第五引脚作为pwm调制电路的第一输入端；555定时器的第六引脚通过第九电容c9接地；555定时器的第七引脚通过第九电容c9接地；555定时器的第八引脚一方面与正电源端vdd连接，另一方面依次通过第二电阻r2、第九电容c9接地；数字比较器的第二输入端作为pwm调制电路的第二输入端；数字比较器的输出端作为pwm调制电路的输出端；第十电容c10的一端与数字比较器的第一输入端连接，另一端接地；第二十二极管vd20的阴极与555定时器的第三引脚连接；第二十二极管vd20的阳极与数字比较器的第一输入端连接。

所述锁相电路包括模糊控制器、比例模块、微分模块、积分模块、相位比较器、滤波器、压控振荡器；模糊控制器的输入端作为锁相电路的输入端；模糊控制器的输出端分别与比例模块的输入端、微分模块的输入端、积分模块的输入端连接；比例模块的输出端、微分模块的输出端、积分模块的输出端均与相位比较器的输入端连接；相位比较器的输出端与滤波器的输入端连接；滤波器的输出端与压控振荡器的输入端连接；压控振荡器的输出端一方面作为锁相电路的输出端，另一方面分别与相位比较器的输入端、模糊控制器的输入端连接。

所述选频电路包括cpu、过零比较器、直接数字式频率合成器、传输模块；cpu的第一输入端作为选频电路的输入端；cpu的第二输入端与过零比较器的输出端连接；cpu的输出端与直接数字式频率合成器的输入端连接；直接数字式频率合成器的输出端与传输模块的输入端连接；传输模块的输出端作为选频电路的输出端；cpu与传输模块双向连接；过零比较器与直接数字式频率合成器双向连接。

所述第一驱动电路包括第二十一至第二十三二极管vd21~vd23、第十二三极管vt12、第四电阻r4；第四电阻r4的一端作为第一驱动电路的输入端，另一端分别与第二十一二极管vd21的阳极、第二十二二极管vd22的阳极、第二十三二极管vd23的阴极连接；第二十一二极管vd21的阴极与第十二三极管vt12的集电极连接；第二十二二极管vd22的阴极、第二十三二极管vd23的阳极均与第十二三极管vt12的基极连接；第十二三极管vt12的集电极与正电源端vcc连接；第十二三极管vt12的发射极作为第一驱动电路的输出端。

所述第二驱动电路包括第二十四至第二十六二极管vd24~vd26、第十三三极管vt13、第五电阻r5；第五电阻r5的一端作为第二驱动电路的输入端，另一端分别与第二十四二极管vd24的阳极、第二十五二极管vd25的阳极、第二十六二极管vd26的阴极连接；第二十四二极管vd24的阴极与第十三三极管vt13的集电极连接；第二十五二极管vd25的阴极、第二十六二极管vd26的阳极均与第十三三极管vt13的基极连接；第十三三极管vt13的集电极与正电源端vcc连接；第十三三极管vt13的发射极作为第二驱动电路的输出端。

所述第一至第十三三极管vt1~vt13均为npn型三极管。