专利名称：电子放电机械加工用的脉冲发生器和该加工适用的方法
技术领域：
本发明涉及电子放电机械加工用的一种脉冲发生器和适宜进行这种加工的一种方法。
新的电火花机械加工方法都需要有设备容量大、适应性强、体积小、效率极高的发生器组件。能适应大多数不同应用场合、满足用户需要而专门提出的满足上述要求的解决方案应该是通用的，扩大设备容量时无需花费很大的开支。
德意志联邦共和国专利2547767(美国专利4，072，842)即在这方面迈进了一步。该专利首次提出了形成电流脉冲纯电子的解决方案。该专利还提出将脉冲发生器直接与数控系统连接。
德意志联邦共和国专利3419945(美国专利4，713，516)公开了上述类型的另一种脉冲发生器。这种发生器有一个或多个能量回收变压器，用来把火花电蚀电路脉冲端的能量回送到直流电压源中。
从德意志联邦共和国专利3639256(美国专利4，766，，281)还知道有一种具有一个或多个充电到一定电压的中间蓄能电容的发生器。多余的电荷能量经一些二极管和一个变压器或电压回送到直流电压源中。
德意志联邦共和国专利2547767的发生器有这样的缺点没有公开将火花电蚀电路脉冲端的能量回送到直流电压源的方法。说得更确切些，这个能量在负荷电阻上白白地转换成热能浪费掉。另一个缺点是空载电压高，发生器是分立的，具有负荷电阻器和分立的直流电压源。因此，这种发生器从其效率、用途的灵活性或体积的小型化等方面就没有多大价值了。德意志联邦共和国专利3419945的发生器，其效率基本上是高的。但据发现，这种发生器要形成耦合得很好以致在各开关元件上只出现容许的峰值电压的能量回收变压器非常困难。另一个严重的问题是，始终存在磁化电流，较长的脉冲有使磁路饱和的危险。因此这种解决方案的特点是生产成本不相称地高，结构体积过大。所以这种发生器历来只用来产生脉冲波前最高达500安/微秒的大电流短脉冲。
德意志联邦共和国专利3639256的解决方案也只适用于大电流短脉冲，当然，甚至高达1000安的电流。因此这种发生器只能用以电子放电钻削和切割金属丝，充其量也只适宜与本发明的发生器在一个系统中结合使用，联合进行钻削、切削和平底扩孔作业。德意志联邦共和国专利3832002(美国专利4，764，653)即公开了这种联合系统。
本发明的目的是改进上述已知的脉冲发生器，提高它们的效率，同时缩小它们的结构体积，降低它们的生产成本。此外还要使发生器的各脉冲参量能在较宽的范围内可以编程，同样还必须能够将系统简单结合起来。
这些目的是借助于本发明的下列特征实现的。
本发明的电子放电机械加工用的脉冲发生器的特征在于，它具有直流电压源(1)，其第一端子接火花通路(2);第一开关元件(10)，将直流电压源(1)的第二端子与火花通路(2)连接;第二开关元件(11)，将回收二极管(21)与火花通路(2)并联连接;控制电路(5)，根据系统接线(6)的控制信号和检流器(4)的测定值控制开关元件(10，11，12，13);其中，开关元件(10，11)断开之后，存于火花电路电感(3)中的能量经回收二极管(21)和充电二极管(23)暂时传送到电容器(37)中，在两个开关元件(10，11)下一次接通时，该能量经开关元件(10，11)和至少一个回收二极管(24，32)再次馈送到火花通路(2)和火花电路电感(3)上。
本发明的好处，具体地说，是各电路可制造得特别小、轻、且造价实惠。例如，一个空载电压为100伏的30安嵌入式发生器可以很方便地配置在普通双式欧洲规格的插入卡上。空载电压为例如100伏、200伏和300伏的10安点火级电路可制成同样的大小。这些脉冲发生器可以和周知的专用高能发生器(德意志联邦共和国专利3639256)结合使用。只要一个直流电压源就足以馈电给所有的发生器。
本发明的其它特征如下至少一个第二电容器(38)，经至少一个串联的充电二极管(26)串联转接到电容器(37)，其中，在开关元件(10，11)断开之后，存于火花电路电感(3)中的能量经回收二极管(21)、该至少一个逐次充电的二极管(26)和充电二极管(23)连续传送到电容器(37)和所述至少第二电容器(38)中，在两个开关元件(10，11)下一次接通时，该能量经开关元件(10，11)、回收二极管(24)和至少一个第二回收二极管(25，27，32)再次并联馈到火花通路(2)和火花电路电感(3)中。
电容器(37，38)配置得到使主要通过第二开关元件(11)的接通而传送到电容器(37，38)中的能量，在脉冲电流通过回收二极管(24，25，27，32)和第二开关元件(11)衰减之后，馈回直流电压源(1)中。
电容器(37，38)配置得使启动二极管(22)和至少一个第二回收二极管(25)在直流电压源1在各情况下经充电电阻器(35，36)接上时，充电到直流电压源1的电压值，且电容器(37，38)的大小取得使该电压值的变化量因能量的暂存而小于10%左右。
第一开关元件(10)与直流电压源(1)的第二端子之间串联连接有一个或多个倍压电路(13，30，40，12，28，39)，且它们的电容器(39，40)经回收二极管(21)、开关元件(11)、充电二极管(31，29)和分流二极管(28，30)充电到直流电压源(1)的电压值。
另一个充电电阻器(41)，在接上直流电压源(1)时，倍压电路(13，30，40，12，28，39)的电容器(39，40)经所述另一个充电电阻器(41)和分流二极管(28，30)充电到直流电压源的电压值。
通过在火花通路(2)点火之前经系统接线(6)选择的由第一开关元件(10)和倍压电路(13，30，40，12，28，39)的开关元件(12，13)组成的组合连接确定火花通路(2)上的空载电压。
通过在火花通路(2)点火之后经系统接线(6)选择的由第一开关元件(10)和倍压电路(13，30，40，12，28，39)的开关元件(12，13)组成的组合连接确定脉冲电流前沿的陡度。
通过由检流器(4)测定脉冲电流并将其与控制电路(5)中的阈值相比较，确定火花通路(2)的点火时间。
控制电路(5)将脉冲电流的测定值和点火时间以及有关系统状态的信息回报给系统接线(6)。
多个这些脉冲发生器与单个直流电压源(1)连接。
直流电压源(1)的电压值选取火花通路(2)的保持电压和开关元件(10)和分流二极管(28，30)上的电压降的总和的数量级。
现在参看附图更详细地说明本发明的下列实施例。
图1 示出了脉冲发生器的第一实施例，其脉冲前沿波前和脉冲后沿波前的陡度大致相等。
图2 示出了脉冲发生器的第二实施例，其脉冲后沿波前的陡度约为脉冲前沿波前的两倍。
图3 示出了脉冲发生器的第三实施例，其空载电压和脉冲前沿陡度都控一定程序控制。
图4 是图3脉冲发生器的一些信号的时间关系曲线。
图1 示出了本发明所提出的脉冲发生器的最简单实施例。直流电压源1的一个极(通常是正极)经发生器的第一输出端G＋直接与火花通路2的第一电极连接。电荷放电设备及其配线以及脉冲发生器本身，它们的合成杂散电感以火花电路电感3表示。这个火花电路电感3在多数情况下足以限制脉冲的陡度，并经开关元件10、11调制任何所要求形状的脉冲。火花电路电感3太小时，可能需要在例如检流器4与发生器的第二输出端G-之间加一个附加电感。检流器4必须能够实时检测脉冲电流，因为它必须给控制电路5的电流调节回路提供实际电流值50。
检流器4可参看德意志联邦共和国专利3405442，控制电路5可参看上述德意志联邦共和国专利2547767。但显然，按目前技术发展的水平，控制电路5实际上完全是应用门阵列技术制取的。因此，这里考虑采用美国圣约瑟XILINX公司的XC 3000系列的可编程门阵列元件。此外还需要将开关元件10、11、12、13的各控制输出端51、52、53、54在电气上彼此隔离开来。
这个控制技术详载于下列三种书刊中ALOISI“Tout savior sur le mosfet de puissance”(“你想要知道的功率金属氧化物半导体场效应晶体管”)第51至64页，1990，Motorola，Toulouse(法文);
HAESSIG(Zurerlassiger Betrieb von Mosfets”(“金属氧化物半导体场效应晶体管的可靠运行”)1989年5月10/12期的“电子杂志”(Zeitschrift Elektronik)第55至63页(德文);
GLOGOLJA“Schalten hoher Spannungen mit SIPMOS”(“用单行排齐封装的金属氧化物半导体切换高电压”)1986年第4期的“西门子元件24”(Siemens Components 24)第132至136页(德文)。
控制电路5还有一个系统端6。这是接到超驰控制系统的一个普通双向接口，如例如德意志联邦共和国专利3640987(美国专利4，903，213)所述的那一种。
接上直流电源1时，电容37经一般的二极管22和第一充电电阻器35在例如1秒钟内充电到直流电压源1的电压值。充电电阻器35产生的功率损耗不大(小于1瓦)。
现在需要借助于控制电路5提供电流脉冲。为此，通过控制输出端51使第一开关元件10接通。于是发生器的第二输出端G-经检流器4、去耦二极管20和第一开关元件10连接到直流电压源1的第二个极(-)。以后的情况就取决于火花通路2的情况。若该通路不带负荷，则通路两端就出现等于直流电压源1的空载电压。点火或火花通路2短接时，脉冲电流开始流通，其前沿波前的陡度与整个火花电路电感3上的合成电压成正比，与电感3的电感值成反比。
这时在控制电路5内连续将检流器4传送的实际电流值50与系统接线6所要求的电流值进行比较。若所要求的电流减去现行的电流值为负，则第二开关元件11接通，第一开关元件10断开。这样就将直流电压源1与火花电路2、3隔开，这时火花电路电感3作为能源起作用，从而经检流器4、回收二极管21、第二开关元件11和火花通路2在电流直截下降的过程中维持脉冲电流。这个下降的陡度与脉冲电流回路4、21、11、2的合成电压成正比，与火花电路电感3的值成反比。
若控制电路5中的比较结果因实际电流值50下降而又变为正，则第二开关元件再次经控制输出端51接通，于是又开始整个上述循环过程。应该指出的是，所要求的电流值也可以在一个脉冲过程中经系统接线6加以改变。由于将实际值与要求值进行比较，因而火花电路2、3内的脉冲电流会在脉冲波前陡度所限制的可能范围内遵循要求值的这种形式。
脉冲终了时，系统接线6将要求的电流值置零或甚至负值，从而使两个开关元件经控制输出端51、52断开。这时，脉冲电流只能流经检流器4、回收二极管21、电容37、充电二极管23和火花通路2。但由于电容37已充电到直流电压源1的值，存在于火花电路电感3中的磁能就以电能的形式很快再加到电容37中。
电容37的大小取得使电压的增量小于10%左右，一般约为1%。这时可以看到，后沿脉冲电流波前即使在火花通路2短接时其陡度至少与前沿电流波前的相同。一般说来，回收暂存于电容37中的能量有两种可能的方式。第一种方式是第二开关元件在脉冲电流衰减之后但脉冲仍处于暂停状态时接通，从而使回收电流可以经回收二极管24、电容37和第二开关元件11流回直流电压源1。电容37一旦再次达到直流电压源1的电压值时，该回收电流就消失。
第二种可能方式是等待回收过程，直到下一个脉冲为止。若这时两个开关元件10、11都接通，脉冲电流就从电容37出来，流经第二开关元件11、火花通路2、火花电路电感3、检流器4、去耦二极管20、第一开关元件10和回收二极管24。
能量在第一种可能方式的情况下完全供直流电压源1使用，在第二种可能方式的情况下主要消耗在火花间隙2上。能量回收的性质当然取决于系统接线6，并视乎操作条件而定。按图1程序控制几个电路的情况下，可以利用例如第一种可能形式。
对无载电压为100伏的30安发生器来说，电容37的值一般为100微法时，其重量可能为14克，容积为12毫升，价格约为2马克。另一方面，同一个发生器的回收变压器，重量为450克，容积250毫升，价格约50马克。此外，能量回收变压器会在开关元件10、11引起另外的大于130伏的过电压峰。这个峰值在图1电路的情况下且导电通路导电情况良好时小于10伏。这体现了这个电路的极大好处。
图2的实施例，其工作方式与图1的实施例相当。但该电路增设了第二电容38、串联充电二极管26、第二和第三回收二极管25、27和第二充电电阻器36。这种布局使后沿脉冲电流波前的陡度加倍。其原因在于，空载电路21、38、26、37、23中的电压在两个开关元件10、11因两个电容器37、38串联连接而断开之后翻了一番。在能量回收过程中，两个电容器37、38分别经开关元件10、11和直流电压源1的回收二极管24、25、27与火花电路2、3并联连接，并再次放电到直流电压源1的值。同样，当然，通过反复插入另一些电路25、26、27、36、38可以进一步提高空载电路中的电压，因而提高脉冲电流的断开速率。但在这种情况下，开关元件10、11应设计成能用于更高的电压。为了能够从火花通路2的电蚀口区除去经电蚀的微粒，非常重要的一点是要使陡斜的后沿波前起码达10安/微秒左右和以上，这一点对提高被除去的切屑输出量也是很重要的。
图3又增设了一些电路，即倍压电路13、30、40、12、28、39。此实施例适宜产生相当于直流电压源1电压值的倍数的空载电压。同样，如果开关元件12、13只在火花通路2点火之后接通，也可以使前沿脉冲电流波前的陡度比只有直流电压源1的情况下大若干倍。
在此情况下，在接上直流电压1时，电容器40、39也经另一个充电电阻器41、两个充电二极管31、29和分流二极管30、28充电到直流电压源1的电压值。这时，如果在适当的时间经控制输出端54、53接通开关元件13、12，则可以将电容器40、39个别或同时与直流电压源1串联连接。这样做的结果是使第一开关元件10这时可以将若干倍直流电压源1的电压值转接到火花回路2、3上。
在各情况下，当第二开关元件11接通时，电容器40、39再次经两个充电二极管31、29充电到直流电压源的电压值。为此，第二开关元件11与另一个回收二极管32串联连接。因此，这里开关元件13、12决不能与第二开关元件11同时接通，因为在这种情况下，直流电压源1会经启动二极管22、第二回收二极管25和充电二极管31、29以及分流二极管30短接。
至于充电二极管31、29，也有两种可供选择的连接方式。
例如，我们可以把充电二极管31的正极与充电二极管23的正极连接起来，充电二极管29的正极与回收二极管21的正极连接起来。在这种情况下，电容40也要充电到直流电压源1的值。另一方面，电容39则要充电到直流电压源1的值的3倍。这样，若开关元件10、12、13同时接通，则最大空载电压会达直流电压源1的值的5倍。当然，图1、2和3可以采取完全不同的组合和合成方式。
倍压电路13、30、40也可以只采用一个，甚至也可以采用两个以上。有一个有意思的选择方案是选取直流电压源1的电压正好高得使其与火花通路2上的维持电压与二极管20、28、30以及第一开关元件10上的电压降的总和相当。这样做的结果使电流前沿波前在第一开关元件接通时正好变水平。这样就可以无需经常开关而可以产生振幅恒定的长脉冲。然后由倍压电路13、30、40、12、28、39产生前沿脉冲波前。所有开关元件10、11、12、13断开时，产生后沿脉冲波前。
由于直流电压源1的第一端子(+)直接接发生器的第一输出端G+，因而几个脉冲发生器可以共用直流电压源1。若在这种接线中有一些开关元件，则几个脉冲发生器并联连接时，会处于不明确的情况。在第二发生器输出端G-的情况就没有这种危险，因为检流器4会即刻检测出不明确的偏差。在脉冲发生器有好几个的情况下，各组件的脉冲发生器和火花通路2之间的配线最好分开进行，这样做有好处。这样，每个组件也有自己的火花电路电感，大大减少了各脉冲发生器的相互影响。
图4示出口U2、I50、U51、U52、U53、U54等信号对时间t的关系曲线。U表示电压信号，I电流信号，后面的数目字在各情况下是指图3中的编号。
这里假设，在时间t＝0时，从花通路2处于绝缘(不导通)的状态，且开关元件10经控制输出端51接通。于是，火花通路2上出现其值等于例如100伏的直流电压源值的空载电压U2。在时间t＝1时，开关元件12也通过控制输出端53接通。这样，电容39转入与电压源1串联连接的状态，于是空载电压U2增加到200伏。在时间t＝2时，开关元件13也通过控制输出端54接通。于是空载电压U2增加到300伏。
现在假设在时间t＝3时火花通路2点火，于是产生一般为25伏的保持电压U2。这时脉冲电流I50开始与大约10微享的火花电路电感3上大约274伏的电压成正比例地线性上升。在时间t＝4时，开关元件13通过电流输出端54断开，从而使脉冲电流I50这时进一步与175伏成正比地上升。在时间t＝5时，开关元件12也经控制输出端53断开，这时脉冲电流I50仍然只正比于75伏上升。在时间t＝5时，第二开关元件11通过控制输出端52接通，以便接通空载电路21、11、32，第一开关元件10则经控制输出端51断开。这时，火花电路电感3的能量加到火花通路2上，同时脉冲电流I50与25伏保持电压成正比地下降。在时间t＝7和t＝8之间，第一开关元件10这时再次闭合，于是脉冲电流I50再次与75伏成正比地上升。最后，在时间t＝9时，第二开关元件11也断开，这时脉冲电流I50与电容器37、38和火花通路2上的电压的和(即225伏)成正比地急剧下降。
在时间t＝10时，火花电路电感3中的能量消耗殆尽，脉冲电流I50变为零，火花放电就结束了。这里假设，开关元件和二极管都是理想元件，但实际上它们的电压降虽然小，还是必须考虑的。
在发生器工作期间，控制电路5收到控制电极运动的伺服系统和可能的话自适应参量控制系统所需要的基本上全部信息。有关本方法更详细的资料可参看上述德意志联邦共和国专利24547767，结合图8阅读。在那种情况下，模拟电路当然不难以数字的方式模仿，或者用软件程序代替。
至于开关元件10、11、12、13，最好采用功率金属氧化物半导体场效应晶体管，目前这种元件价钱便宜。但也可以采用双极功率晶体管或更新式的绝缘栅场效应晶体管等。唯一的要求是开关速度足够快，而且可以受控断开。
权利要求
1.电子放电机械加工用的一种脉冲发生器，具有直流电压源(1)，其第一端子接火花通路(2)；第一开关元件(10)，将直流电压源(1)的第二端子与火花通路(2)连接；第二开关元件(11)，将回收二极管(21)与火花通路(2)并联连接；控制电路(5)，根据系统接线(6)的控制信号和检流器(4)的测定值控制开关元件(10，11，12，13)；其特征在于，开关元件(10，11)断开之后，存于火花电路电感(3)中的能量经回收二极管(21)和充电二极管(23)暂时传送到电容器(37)中，在两个开关元件(10，11)下一次接通时，该能量经开关元件(10，11)和至少一个回收二极管(24，32)再次馈到火花通路(2)和火花电路电感(3)上。
2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于其起码一个的第二电容器(38)，该电容器经至少一个串联的充电二极管(26)串联转接到电容器(37)，其中，在开关元件(10，11)断开之后，存于火花电路电感(3)中的能量经回收二极管(21)、该至少一个逐次充电的二极管(26)和充电二极管(23)连续传送到电容器(37)和所述至少第二电容器(38)中，在两个开关元件(10，11)下一次接通时，该能量经开关元件(10，11)、回收二极管(24)和至少一个第二回收二极管(25，27，32)再次并联馈到火花通路(2)和火花电路电感(3)中。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲发生器，其特征在于，电容器(37，38)配置得到使主要通过第二开关元件(11)的接通而传送到电容器(37，38)中的能量，在脉冲电流通过回收二极管(24，25，27，32)和第二开关元件(11)衰减之后，馈回直流电压源(1)中。
4.根据权利要求1或2所述的脉冲发生器，其特征在于，电容器(37，38)配置得使启动二极管(22)和至少一个第二回收二极管(25)在直流电压源1在各情况下经充电电阻器(35，36)接上时，充电到直流电压源1的电压值，且电容器(37，38)的大小取得使该电压值的变化量因能量的暂存而小于10%左右。
5.根据权利要求1或2所述的脉冲发生器，其特征在于，第一开关元件(10)与直流电压源(1)的第二端子之间串联连接有一个或多个倍压电路(13，30，40，12，28，39)，且它们的电容器(39，40)经回收二极管(21)、开关元件(11)、充电二极管(31，29)和分流二极管(28，30)充电到直流电压源(1)的电压值。
6.根据权利要求5所述的脉冲发生器，其特征在于另一个充电电阻器(41)，在接上直流电压源(1)时，倍压电路(13，30，40，12，28，39)的电容器(39，40)经所述另一个充电电阻器(41)和分流二极管(28，30)充电到直流电压源的电压值。
7.根据权利要求5所述的脉冲发生器，其特征在于，通过在火花通路(2)点火之前经系统接线(6)选择的由第一开关元件(10)和倍压电路(13，30，40，12，28，39)的开关元件(12，13)组成的组合连接确定火花通路(2)上的空载电压。
8.根据权利要求5所述的脉冲发生器，其特征在于，通过在火花通路(2)点火之后经系统接线(6)选择的由第一开关元件(10)和倍压电路(13，30，40，12，28，39)的开关元件(12，13)组成的组合连接确定脉冲电流前沿的陡度。
9.根据权利要求1至8所述的脉冲发生器，其特征在于，通过由检流器(4)测定脉冲电流并将其与控制电路(5)中的阈值相比较，确定火花通路(2)的点火时间。
10.根据权利要求1至9所述的脉冲发生器，其特征在于，控制电路(5)将脉冲电流的测定值和点火时间以及有关系统状态的信息回报给系统接线(6)。
11.根据权利要求1至10所述的脉冲发生器，其特征在于，多个这些脉冲发生器与单个直流电压源(1)连接。
12.根据权利要求1至11所述的脉冲发生器，其特征在于，直流电压源(1)的电压值选取火花通路(2)的保持电压和开关元件(10)和分流二极管(28，30)上的电压降的总和的数量级。
13.产生电子放电机械加工用的脉冲发生器的脉冲的一种方法，该脉冲发生器具有直流电压源(1)，其第一端子接火花通路(2);第一开关元件(10)，将直流电压源(1)的第二端子与火花通路(2)连接;第二开关元件(11)，将空载二极管(21)与火花通路(2)并联连接;控制电路(5)，根据系统接线(6)的控制信号和检流器(4)的测定值控制开关元件(10，11，12，13);其特征在于，在上述接线中，在开关元件(10，11)断开之后，存于火花电路电感(3)中的能量暂时经回收二极管(21)和充电二极管(23)传送入电容器(37)中，且在所述接线中，在两个开关元件(10，11)下次接通时，该能量经开关元件(10，11)和至少一个回收二极管(24，32)再馈送到火花通路(2)和火花电路电感(3)中。
全文摘要
电子放电机械加工用的一种脉冲发生器，既不装有负荷电阻器也不装有磁性元件。脉冲电流由检流器4连续检测，再将该测定值馈到控制电路5上。经过开关元件10，11和火花电路电感，脉冲电流根据系统接线6所要求的要求值产生。在脉冲终了时，火花电路电感3中的能量排入电容器37，38中，再从那里回收入直流电压源1中，或者在下一个电流脉冲时回收入火花电路2，3中。只用两个开关元件10，11就能实现这种设计。
文档编号B23H1/02GK1064829SQ92101739
公开日1992年9月30日 申请日期1992年3月12日 优先权日1991年3月12日
发明者E·布勒 申请人:洛迦诺电子工业股份有限公司