专利名称：一种大斜度电流上升沿的高频脉冲电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用电极代替刀具，以电流高度集中的作用在工件上的金属加工装置的电源领域，主要用于电火花高速走丝线切割机床，也可用于电火花成形机床和其他需要可控电流上升沿和下降沿斜度的脉冲电源。
电火花线切割脉冲电源是线切割机床的重要组成部分，是影响线切割加工工艺指标最关键的设备之一。为了获得较好的工艺指标，在一定的条件下，主要取决于高频脉冲电源的脉冲波形和电参数等性能。原子能出版社1986年出版的由王至尧同志著的《电火花线切割工艺》一书中的第五章＂电火花线切割脉冲电源＂第101页至122页较系统地介绍了目前国内外高频脉冲电源的现有技术情况以及描述了高频脉冲电源的脉冲波形、电参数等性能与加工切割速度、表面粗糙度、电极丝损耗等工艺指标的相互关系。总之，从各主要加工工艺指标以及电极丝损耗对脉冲电源电参数的要求来看，电参数的选择对加工工艺指标来说是相互矛盾的。由于现有的各种脉冲电源提供的加工电流波形受到电参数的制约，所以从脉冲电源提供的波形对加工工艺指标的影响来看，现有的各种放电脉冲波形对加工工艺指标以及电极丝损耗来说又是顾此失彼。为了达到比较好的加工效果，目前各生产厂家生产的电火花线切割脉冲电源都有较宽的电参数选择范围，以适应不同加工的要求。为了延缓脉冲电流上升冲击，减少电极丝损耗，目前各生产厂家采用的方法归纳起来有两种一是以杭州无线电专用设备一厂为代表的采用设计一个特殊电路，使功率三极管的基极电流平缓上升，延长三极管开关工作状态线性过渡区的时间，这种方法减少电极丝损耗的效果良好，但增加了功率三极管的功耗，整机能量利用率低，成本增加；二是以苏州第三光学仪器厂率先提出的利用功率管输出管限流电阻的电感，来延缓脉冲电流的上升沿斜度，这种方法由于电路中加接保护功率输出管的续流二极管，造成了一个较长的电流下降沿，延长了放电间隙介电状态恢复时间。上述两种方法共同的缺点是由于受到最小脉冲宽度的限制，电流上升斜度时间只能限制在2～7μs之间。
本实用新型的目的是提供一种具有大斜度上升沿电流波形的高频脉冲电源，该电源在相同放电能量条件下(即相近的加工切割速度情况下)，可降低被加工件的表面粗糙度和减少电极丝损耗，与现有的各种高频脉冲电源相比具有更好的综合性能指标和加工的稳定性。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种大斜度电流上升沿的高频脉冲电源，包括振荡器、用于产生脉宽和脉冲停歇的主脉冲生成电路、脉冲功率管驱动电路和脉冲功率放大器，振荡器、主脉冲生成电路、脉冲功率管驱动电路以及脉冲功率放大器成串状连接，振荡器输出一时钟信号输入至主脉冲生成电路，主脉冲生成电路输出的脉冲信号经脉冲功率管驱动电路进行前置放大，再经脉冲功率放大器放大后输出至火花间隙，该电源还包括一个至少由两个基本阶梯时序信号单元串接叠加而成的阶梯形时序信号发生电路，所述脉冲功率管驱动电路和脉冲功率放大器的个数与基本阶梯时序信号单元个数相等，其各基本单元的输入端与主脉冲生成电路的输出端相连接，由主脉冲生成电路来控制阶梯时序信号的起始和复位时间，各上一级基本单元的输出端与其下一级基本单元的数据输入端相连接，其各基本单元的输出端分别与各相应的脉冲功率驱动电路和脉冲功率放大器相连接，各脉冲功率放大器的输出端成并联状态，且每个功率放大器的功率管回路中都串有一只限流电阻，随着各功率管按脉冲时序时间关系的先后导通，脉冲电源的内阻也按脉冲时序关系逐级减少，则脉冲电流就按时序关系阶梯形增大，形成一个具有多阶梯上升沿脉冲电流波形的电流输出。
为使上述技术方案的效果更好，本实用新型进一步的目的是提供一种可调电流上升沿斜度的高频脉冲电源，在各档脉宽规准情况下，该电源的电流上升沿斜度可调，从而使脉冲电源具有较好的综合工艺指标。
为达到此目的，在上述技术方案的基础上，所述电源还包括一个可调频率斜度脉冲生成电路，所述可调频率斜度脉冲生成电路为一个可调频振荡器，其输出的可调频率脉冲信号输入阶梯时序信号发生电路，用于改变各阶梯形的时序时间。
所述基本阶梯时序信号单元为一个寄存器中的一路或为一个触发器或为一个计数器中的一路。
由于上述技术方案的运用，本实用新型与普通电感限流型线切割机高频脉冲电源在同一台JK7732电火花线切割机床上进行加工工艺指标对比试验，其结果表明本实用新型具有以下优点1.相同表面粗糙度条件下，加工效率高。
上述普通型高频脉冲电源加工参数为Ton＝40μs，Ton/Toff＝1/5，电感限流上升沿时间为2μs，平均加工电流为2.7A。本实用新型加工参数为Ton＝64μs，Ton/Toff＝1/4，斜度时钟周期为4μs，斜度时间为4μs×12＝48μs，平均加工电流为5.2A。切割试件均为20mm的圆柱。本实用新型加工效率提高70％。对照粗糙度比较样块，两种电源切割的工件相差无几，但从手感情况来看，普通型电源切割工件的表面轮廓呈尖峰状，而本实用新型切割工件的表面无明显尖峰状，呈较平滑状起伏不平。
虽然一次电火花放电是瞬间完成的，但从电火花的产生、扩大到形成一个放电通道是有一个发展过程的，大斜度上升沿的脉冲电流波形可以降低电火花产生初期的电流密度，并随着电火花的扩大加大电流，从而可以减小电极丝损耗和降低电极丝上的凹坑深度，并使工件上的每次电蚀的凹坑呈浅平状。从图6中可以看出，两条曲线反映的切割表面宏观形貌与前述电流波形脉冲放电的坑穴情况相吻合。
2.电极丝损耗小。
将普通型高频脉冲电源与本实用新型都在平均电流为3A条件下加工6小时，发现前者电极丝很快从黑色变为花白，用放大镜观察电极丝表面有密布凹坑，造成整个电极丝粗细不均；而本实用新型的电极丝表面呈微花白色，用放大镜观察电极丝表面匀称，无明显凹坑。另外普通高频脉冲电源的最大平均加工电流一般要控制在3A之内，否则容易早期断丝，而大斜度电流上升沿的高频脉冲电源，可以长期工作在平均加工电流为5～6A的情况下不断丝。
3.加工稳定性好。
普通高频电源在3A以上平均加工电流状态下工作，从示波器观察放电波形和数控柜的间隙电压表上看到切割状态开始不稳定，而本实用新型在5～6A加工电流状态下工作，示波器上显示的放电波形稳定，数控柜间隙电压表表示值稳定，机床工作台步进电机显示的相位发光二极管的跳动速度也平稳。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述附
图1为本实用新型电路方框图。
附图2为本实用新型一个实施例的电路原理图。
附图3为本实用新型基本阶梯时序信号单元为寄存器时的时序信号发生器电路图。
附图4为本实用新型基本阶梯时序信号单元为触发器时的时序信号发生器电路图。
附图5为本实用新型基本阶梯时序信号单元为计数器时的时序信号发生器电路图。
附图6为本实用新型与普通型高频脉冲电源加工试件表面粗糙度支承率曲线对比图。实线为普通线切割脉冲电源加工试件表面粗糙度支承率曲线；虚线为本实用新型加工试件表面粗糙度支承率曲线。
实施例一由附
图1、2和3可知，一种可调电流上升沿斜度的高频脉冲电源，包括振荡器、用于产生脉宽和脉冲停歇的主脉冲生成电路、可调频率斜度脉冲生成电路、由12个基本阶梯时序信号单元串接叠加而成的阶梯形时序信号发生电路、脉冲功率管驱动电路和脉冲功率放大器，振荡器、可调频率斜度脉冲生成电路、阶梯形时序信号发生电路、脉冲功率管驱动电路以及脉冲功率放大器成串状连接，振荡器输出端的另一路与主脉冲生成电路的输入端连接，主脉冲生成电路的输出端与阶梯形时序信号发生电路的复位端RST连接。考虑到抗干扰性的影响，本实用新型全部采用4000系列CMOS数字集成电路，+12V供电，这样抗干扰能力比采用晶体管多谐振荡器或TTL集成电路高10倍。考虑到加工参数的一致性和稳定性，本实用新型采用晶体振荡，振荡器由8MHZ石英谐振晶体和六反相集成电路CD4069的两个非门组成，其输出的8MHZ时钟信号一路供主脉冲TON/TOFF生成电路；一路接八模似开关CD4051的第一开关X0作为最高频率的斜度时钟脉冲；另一路供给斜度脉冲发生器4024的时钟端CLK相连接。所述用于产生脉宽和脉冲停歇的主脉冲生成电路由CMOS数字电路和两个BCD码选择开关组成，两个BCD码选择开关分别用于控制脉宽TON和停歇TOFF。所述可调频率斜度生成电路由CD4024七行波进位二进制计数器和八模似开关CD4051组成，CD4024按二进制关系对来自CD4069的时钟脉冲信号进行分频；由CD4024各输出端输出的分频后的脉冲按频率的高低依次输入到CD4051的X1到X7七个输入端；通过外接的BCD码开关来改变CD4051的地址，从而选择八模似开关中的一个接通，从CD4051的八模似开关的公共端X获得所需频率的斜度脉冲信号；为了防止电火花强干扰信号的窜入，在CD4051各地址端前均加上有RC低通滤波器来阻止电火花高频干扰信号对电源的干扰。所述阶梯形时序信号发生电路由三个四输出的CD4015双静态移位寄存器串联组成，即将第一级寄存器的数据端D接V+(+12V)，第二、三级寄存器的数据端D分别接各自上一级寄存器的未输出端Q3；三个寄存器的三个时钟端CLK并接后，与可调频率斜度脉冲生成电路中CD4051的输出端X连接；三个寄存器的复位端RST并接后，与主脉冲TON/TOFF生成电路连接；其工作过程如下当主脉冲TON/TOFF生成电路处在脉宽TON状态时，其输出低电平，使三个寄存器CD4015从复位状态进入工作状态，随着各个斜度脉冲的到来，三个寄存器CD4015的各输出端依次输出高电平，每一个斜度脉冲的周期时间即为每个阶梯的持续时间，这样随着斜度脉冲频率的变化，也改变了每个阶梯的持续时间，进而决定了整个电源阶梯电流波形的时序时间。当主脉冲结束，即脉宽从TON状态进入TOFF状态时，主脉冲生成电路输出高电平信号，这样使三个CD4015寄存器同时复位，所以三个寄存器CD4015的输出端全部瞬时输出低电平，从而结束这一族斜度时序信号。为了解决CMOS电路与后级晶体管电路的电平衔接接口，本实用新型选用了CD4050六缓冲同相变换器作为接口电路。由于我们曾对CMOS缓冲器并联驱动、晶体管的集电极和射极输出、图腾柱输出电路和晶体管互补驱动五种VMOS管驱动电路进行对比试验和测试，发现晶体管互补电路最为理想，VMOS管的输出波形失真最小，高频开关好，并且VMOS功率输出管功耗低，所以本实用新型实施例选用晶体管互补电路作为VMOS管的驱动电路，该互补电路由R13-N 1K、C7-N 200P、R14-N 20欧姆、T2-N 9013NPN型晶体三极管和T3-N 9012PNP型晶体三极管组成；所述脉冲功率管驱动电路由与基本阶梯时序信号单元数相同的12路结构一样的脉冲功率管驱动电路组成，它们分别与上述的阶梯形脉冲时序信号发生器的12个输出端对应连接。驱动电路的第一级为晶体管射极输出电路，其输入阻抗高，与CMOS电路匹配；第二级为晶体管互补电路，与后级的VMOS的栅极相连接，C7-N 200P为加速电容，以改善晶体管互补电路的输出波形。所述脉冲功率放大器由12只IRF640VMOS管和12只15欧姆/50瓦的线绕无感电阻组成，每个VMOS管和每个无感电阻组成一路，且无感电阻串接在VMOS管回路中，12路脉冲功率放大器之间呈并联状态，其输入端与脉冲功率管驱动电路中的第二级互补电路的输出端连接，其输出端至火花间隙，由于限流无感电阻的阻值一样，其电源的脉冲上升沿阶梯形波的包络线为一直线，如要得到一个曲线状电流上升沿包络线，可通过选用不同阻值的限流电阻来实现；随着各脉冲功率管驱动电路按时序信号的次序先后输出高电平，各VMOS管也按时序先后导通，脉冲功率放大器的内阻也随时序关系减少，即火花间隙处的加工电流按时序关系逐级增大，形成一个具有多阶梯上升沿脉冲电流波形的电流输出。由于高频脉冲电源输出导线的分布电感和加工区分布电容的影响，在加工区实际放电电流的上升沿近似阶梯形波的包络线，本实用新型的实施例从实际加工工出发，若要选择不同的加工电流，在每路VMOS管的漏极回路中还串接有一只开关K1-N或继电器来切换工作的VMOS管的数量，从而来改变最大的加工电流；图2中D1-N为钳位二极管，选用快恢复二极管以保护VMOS管；D2为脉冲负跳变毛剌去除二极管。Z1-N为13V稳压管，用于切除13V以上的电压信号毛剌，以保护VMOS功率管。R18-N3K/3W电阻为VMOS功率管的负载电阻，以使VMOS功率管在轻载状态下有一个较好的输出波形。上述阶梯形时序信号发生电路中的基本阶梯时序信号单元为12个，在实际应用中可根据情况对该基本单位的数量作增减。
实施例二，由图4可知，本实施例所述基本阶梯时序信号单元为一个触发器，其它与实施例一基本相同。
实施例三，由图5可知，本实施例所述基本阶梯时序信号单元为一个计数器中的一路，其它与实施例一基本相同。
权利要求1.一种大斜度电流上升沿的高频脉冲电源，包括振荡器、用于产生脉宽和脉冲停歇的主脉冲生成电路、脉冲功率管驱动电路和脉冲功率放大器，振荡器、主脉冲生成电路、脉冲功率管驱动电路以及脉冲功率放大器成串状连接，振荡器输出一时钟信号输入至主脉冲生成电路，主脉冲生成电路输出的脉冲信号经脉冲功率管驱动电路进行前置放大，再经脉冲功率放大器放大后输出至火花间隙，其特征在于该电源还包括一个至少由两个基本阶梯时序信号单元串接叠加而成的阶梯形时序信号发生电路，所述脉冲功率管驱动电路和脉冲功率放大器的个数与基本阶梯时序信号单元个数相等，其各基本单元的输入端与主脉冲生成电路的输出端相连接，由主脉冲生成电路来控制阶梯时序信号的起始和复位时间，各上一级基本单元的输出端与其下一级基本单元的数据输入端相连接，其各基本单元的输出端分别与各相应的脉冲功率驱动电路和脉冲功率放大器相连接，各脉冲功率放大器的输出端成并联状态，且每个功率放大器的功率管回路中都串有一只限流电阻，随着各功率管按脉冲时序时间关系的先后导通，脉冲电源的内阻也按脉冲时序关系逐级减少，则脉冲电流就按时序关系阶梯形增大，形成一个具有多阶梯上升沿脉冲电流波形的电流输出。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于所述电源还包括一个可调频率斜度脉冲生成电路，所述可调频率斜度脉冲生成电路为一个可调频振荡器，其输出的可调率脉冲信号输入阶梯时序信号发生电路，用于改变各阶梯形的时序时间。
3.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于所述基本阶梯时序信号单元为一个寄存器中的一路。
4.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于所述基本阶梯时序信号单元为一个触发器。
5.根据权利要求1或2所述的电源，其特征在于所述基本阶梯时序信号单元为一个计数器中的一路。
专利摘要一种电火花线切割机床大斜度电流上升沿的高频脉冲电源，包括振荡器、主脉冲生成电路、脉冲功率管驱动电路和脉冲功率放大器，其特征在于还包括至少由两个基本单元串接叠加而成的阶梯形时序信号发生电路，上述驱动电路和放大器的个数与基本阶梯时序信号单元个数相等并呈并联状态，且每个放大器的功率管回路中都串有一只限流电阻。本实用新型的特点是相同表面粗糙度条件下，相对加工效率高；电极丝损耗小；加工稳定性好。
文档编号B23H1/02GK2231836SQ9523963
公开日1996年7月24日 申请日期1995年4月20日 优先权日1995年4月20日
发明者顾元章, 顾纪章 申请人:顾元章