单脉冲电火花加工电源的设计

第1期(总第152期)2009年2月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.1F eb.文章编号:1672-6413(2009)01-0148-03单脉冲电火花加工电源的设计叶明国,杨胜强,曹明让,王燕青,马丽华(太原理工大学,山西　太原　030024)摘要:单脉冲放电对电火花放电加工机理的研究具有重要的意义,通过对单脉冲放电凹坑的研究可以定性或是定量地分析蚀除率、表面粗糙度与电参数的关系。

适合于课题研究目的的单脉冲放电电源是对单脉冲电火花加工机理深入分析的关键,详细地介绍了一种实验室单脉冲电源的制作方法。

关键词:电火花加工;单脉冲电源;单片机中图分类号:T G66 文献标识码:B收稿日期:2008-06-05;修回日期:2008-09-27作者简介:叶明国(1979-),男,山东烟台人,在读硕士研究生,研究方向:表面光整加工技术。

0　引言电火花放电时,电极表面的材料究竟是怎样被蚀除下来的,这一微观过程的物理本质即是所谓电火花加工的机理。

在实际加工过程中,电火花小孔加工是在连续脉冲放电条件下进行的。

连续脉冲放电加工是一个非常复杂的物理过程,很难确定各个因素对放电的具体影响,而单脉冲放电可以很好地用来分析各个参数对放电过程的影响。

研究单脉冲放电加工是研究电火花放电加工机理的基础,通过对单脉冲放电凹坑的微观因素的研究,我们可以更好地认识在连续脉冲下电火花的加工机理[1]。

但是进行单脉冲放电的研究必须要有满足实验目的的单脉冲放电电源。

此文将详细介绍一种用于放电加工机理研究的单脉冲电源制作方法。

1　单脉冲电火花加工电源的电路设计1.1　单脉冲电火花加工电源的设计方案晶体管脉冲电源自发明以来,因电极损耗低、生产率高、工作稳定性好和加工质量高等优点而一直被广泛应用。

它是利用功率晶体管作为开关元件而获得的单向脉冲,并且具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形好以及自适应控制等优点[2]。

在脉冲波形上人们也相继应用了矩形波、阶梯波、三角波以及梯形波等,各种波型虽然各有优点,但矩形波脉冲电源因其波形稳定、易控、易实现且生产率较高而被广泛采用。

在电火花加工中,脉冲参数与单脉冲放电能量有密切的关系。

单个脉冲的能量若达到10-6J 就可加工出直径 0.001mm 的超微孔。

脉冲参数的精确控制和脉冲放电能量的利用效率对单脉冲放电实验的工艺指标有直接的影响。

所以单脉冲电源设计需要满足以下要求: 脉冲电压的上升沿和下降沿波形要陡; 脉冲的主要参数在很大范围内可调且控制精度高; 脉冲电源要工作稳定可靠,元器件性价比要高,制作简单,体积要小。

基于上述原因确定的单脉冲电源的设计方案见图1。

图1　单脉冲电源的设计方案1.2　控制脉冲信号电路及抗干扰设计采用以PIC16F877单片机为核心的电路来产生脉冲信号。

PIC16F877内采用了哈佛总线结构,即在芯片内部将数据总线和指令总线分离,能使脉冲参数在很大的 s 范围内变化。

它的指令具有单字节、单周期的特点,有利于提高CPU 执行指令的速度,且内置高速振荡电路,使得晶振最高可达20MHz ,是典型的供实验使用的芯片。

PIC16F877及光耦电路见图2。

其工作原理如下:在各个电子元件处于正常工作状态且外接火花放电电压时,若PIC 处于复位状态,按一下SW1开关,单脉冲电源就会输出一个放电脉冲。

若要输出下一个,则需按SW 1使PIC 复位后,再按SW1即可。

本设计可以产生多种不同的脉宽,它是通过拨码开关来选择的,最多可达32种。

PIC16F877中有一个内置的CCP 模块,该模块包含一个16位寄存器,这个寄存器可以作为PWM 主/从工作周期寄存器,在PWM 工作方式下,CCP X 引脚可以产生高达10位分辨率的精确脉宽调制输出[3]。

在实验过程中,若时间精度要求不严格或不考虑占空比,则可由图2的XT5中接RC6端子输出单脉冲;若需精确控制时间或考虑占空比,则可采用接CCP X 引脚输出,由PWM 加上内部时间寄存器可精确灵活地实现各种脉宽输出。

为了避免在实验过程中受到外界条件和元器件本身的干扰,在控制信号和驱动放大之间加入6N137光电耦合器。

光电耦合器的输入端必须与工作电压完全隔离。

为了尽可能节省电源,采用一个三端稳压器LM 7805把15V 电压稳定降压在5V 供给光电耦合器。

L1端15V 电压串联上拉电阻,保证光电耦合器输出端为高电平[4]。

图2　P IC 16F 877及光耦工作电路1.3　功率驱动放大开关电路设计由PIC 产生单脉冲后,经过功率放大后驱动场效应管的导通与截止来控制电火花加工电源的接通与断开,从而产生我们需要的单脉冲,控制脉冲宽度t j 即为电火花加工电源单脉冲的宽度t i ,实验中所需要的具体的脉冲宽度通过PIC 编程来实现。

根据功率级使用的开关元件不同,可以分为闸流管式、电子管式、晶闸管式、晶体管式、绝缘栅双极晶体管式(IG-BT )和功率场效应管式(M OSFET)等多种类型,在此我们选用场效应管IRFP250N,此管最高电流可达30A ,能充分保证电路电流的需要。

功率驱动选择M OSFET 专用驱动芯片TPS2812P,最大电流可达2A [5],二者结合可以保证M OSFET 的迅速开通。

为了避免突然断电后形成反流,在场效应管漏极串联一个二级管FR604;为了释放断路时场效应管端电压,给场效应管并联一个二级管FR304,同时为了保证栅极电压在一定幅值范围内变化,故接入对接的两个稳压管。

图3即为运用上述元件构成的脉冲电源开关驱动电路部分原理图。

图3　功率开关驱动电路(部分) 总原理图制成以后可通过Protel 99SE 或是pr oteus 制成PCB 板,然后刻成线路板。

由于电火花放电的击穿电压通常大于间隙电压,为了使场效应管处于正常工作状态,使用图3印制后的电路板做实验时,必须在外接直流电源与MOSFET 之间加限流电阻R 。

通常在加工中,因工具电极材料不同形成的工具电极与工件之间的间隙电压也不同,故电阻值要根据间隙电压和每只M OSFET 场效应管所通过的工作电流I 来计算。

假设每只MOSFET 场效应管需要通过的电流为I ,电极间隙电压为u ,外接直流电源为U ,则串联的电阻值为:R =(U -u )/I 。

1.4　消振处理产生的单脉冲是通过手动按键来输出的。

平时按键开关总是处于断开状态,当按下键时它才闭合,按键产生的波形通常如图4所示,这是因为无论是按下键还是放开键人的手都会产生抖动。

脉冲放电痕和电蚀产物的大小主要取决于单个脉・149・　2009年第1期 叶明国,等:单脉冲电火花加工电源的设计冲的放电能量,所以单脉冲能量的精确控制是实现微细电火花加工的关键技术之一。

在单脉冲电火花加工实验中,由于每次只产生一个脉冲,进行一次放电,脉冲的参数和能量对实验结果影响很大。

按键时产生的抖动若不能消除,将直接影响脉冲的能量和参数,因此实验过程中必须消除抖动。

消除抖动的方法有两种:一种是用软件消除,软件消除抖动需通过编程来实现;另一种是硬件消除,通常可以在输出端加R -S 触发器或是单稳态电路[6]。

图4　按键波形1.5　脉冲的生成脉冲的产生需由编程来实现,编程语言包括汇编语言和C 语言。

C 语言作为高级语言虽然具有易学、灵活的特点,但汇编语言因具有针对性强、执行速度快等特点,在PIC 编程领域中仍占居主导地位。

对于图2单片机,要输出不同脉宽的脉冲信号,可以通过基址加PORTB 的值作为偏移地址查表的方式输出,也可以由PIC16F877内置的一个定时寄存器定时输出,或是由PWM 和定时器来输出。

程序经MPLAB IDE 环境运行调试后生成二进制.hex 文件,用烧写器将.hex 文件烧入PIC16F877。

把写入程序的PIC16F877插到线路板之后,接入各个电源,电火花单脉冲电源即制作完毕。

2　单片机单脉冲信号程序仿真为了验证程序的可行性,可采用功能强大的电子电路仿真软件pro teus 进行虚拟单片机仿真,通过示波器来观察输出的波形。

在仿真之前,要将程序源代码在M PLAB IDE 环境中运行调试无错误后所生成的.hex 文件加载到PIC16F877中,执行debug 中的execute 保存文件,运行start/debug,打开示波器调整参数,然后操作手动开关,示波器显示相应的波形,仿真结果见图5。

图5　仿真结果图3　结论单脉冲电源的设计是进行电火花加工机理研究的重要组成部分,单片机产生的单脉冲信号的精确性对单脉冲电源的性能起着决定性作用。

基于PIC 16F 877的这种电火花单脉冲电源结构简单、制作方便、性能稳定,能产生各种不同参数的矩形单脉冲。

通过pr oteus 软件的模拟仿真表明,这种电源产生的矩形波脉冲波形稳定、易控、易实现。

同时这种电源制作机理对于那些需要进行梯形波、三角波或是阶梯波的电火花单脉冲电源研究的实验者来讲,也具有一定的借鉴和启发作用。

参考文献:[1]　李明辉.电火花加工理论基础[M ].北京:国防工业出版社,1989.[2]　刘晋春,赵家齐,赵万生.特种加工[M ].北京:机械工业出版社,2004.[3]　彭树生,庄志洪,赵惠唱.P IC 单片机原理及应用[M ].北京:机械工业出版社,2001.[4]　马仕龙.基于单脉冲电火花加工的材料蚀除机理研究[D ].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006:30-31.[5]　任忠辉,宋博岩,韩荣第,等.电火花微能电源研究现状[J].电加工与模具,2006(3):29-32.[6]　谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M ].北京:清华大学出版社,2006.Design of a Single Pulse Generator for EDMYE Ming -guo ,YANG Sheng -qiang ,CAO Ming -rang ,WANG Yan -qing ,MA Li -hua(T aiyuan University of T ech nology,T aiyuan 030024,China)Abstract :T he single pulse discharg e has impo rt ant meaning to t he resear ch of EDM mechanism.People can r esearch t he r elation betw een r emo ving ra ting ,r oughness of sur face and electrica l par ameter s by r esear ch on the sing le pulse dischar ge micr o -pit s .It isnecessit y to ha ve a suitable sing le pulse g ener ato r to study the pr ocess o f EDM .One w ay of ma king the single pulse genera tor will be intr oduced in the paper in det ail.Key words :EDM ;sing le pulse g enerat or ;micr opr ocesso r(上接第147页)Design of Radio Frequency Reader Used inLubricant Oil Refueling SystemWANG Ying ,BA Peng(College of M echanical Engineer ing ,Shenyang Ligong Univer sity ,Shenyang 110168,C hina )Abstract :T aking M CU A T 89C52as the cor e,by use o f r adio fr equency ident ification techno lo gy and go od human-co mputerinter actio n int erface,this paper desig ned a r adio frequency r eader fo r lubr icant o il r efueling sta tio n,gav e t he hardw are config uration and so ftwa re flow chart .Desig ning a CA N bus communication mode ensur ed t he sy st em to ex change data r eliably a nd stably .Key words :lubricant oil r efueling st atio n;RF ID;HCI interface;CA N bus・150・　机械工程与自动化 2009年第1期　。