專利名稱：一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源的制作方法
技術領域：
本發明屬于精密放電加工脈沖電源，具體涉及一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源。 采用本發明可以獲得脈沖脈寬窄、放電能量微小的電源。
背景技術：
在精密電火花加工、精密電解加工等精密制造領域，通常需要一種微能脈沖電源，它是 實現精密電加工的一個關鍵單元。它能夠在正、負電極之間高頻釋放電能，從而產生瞬間的 高溫、高壓，可熔化甚至氣化零件的微小局部材料，達到對零件進行精密微細去除加工的目 的。材料最小去除量與單脈沖的能量有關，單脈沖能量越小，其放電去除材料的量就越少， 即放電痕越小，熱影響區域也越小。無數單脈沖放電痕的累加就形成了零件被加工去除的表 面。在一定的脈沖電壓下，脈寬越窄，則單脈沖的能量越小，單脈沖放電的時間越短，在零 件表面產生的放電痕就會更小。這樣，縮短脈寬，就可降低脈沖能量，實現表面粗糙度值更 低、變質層更薄、顯微裂紋更少、表面質量更高的電加工。
現有的脈沖電加工電源中，主要分為RC馳張式脈沖電源和晶體管獨立式脈沖電源。前者 雖然可獲得幾十納秒脈寬的窄脈沖，但由于其放電回路向電容器充電需要時間而不能得到很 高的放電頻率，這嚴重地影響著電加工的效率；另外，RC馳張式脈沖電源輸出的能量不易控 制，因為放電回路無法控制脈沖間隙的時間，當相繼兩次脈沖的間隙時間特別短時，前次放 電的電弧沒有完全消電離即發生下次放電，就會導致向電容器充電的電流直接流向正負電極 之間，形成異常放電而使正常放電無法進行下去，不利于加工出高質量的零件表面。晶體管 獨立式脈沖電源是通過開通和關閉開關元件來實現脈沖放電的。由于晶體管獨立式脈沖電源 無需向電容器充電而花費時間，所以它能實現高頻放電從而達到很高的加工效率，且由于其 放電可通過控制開關元件來實現，所以可通過對極間放電狀態的檢測，實現對放電過程的自 適應控制。然而，由于開關元件的開關速度以及控制電路元件的延時，傳統的晶體管獨立式 脈沖電源還很難實現微細電加工所需的脈寬為數十納秒的脈沖，電壓脈寬通常在0. ltis以 上，為了實現更精密、更高質量的電加工，甚至納米級尺寸精度的電加工，需要脈寬更窄、 能量更小的脈沖電源。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源，使單脈寬縮 小到納秒級，以減小單脈沖能量。
一種兩級限脈寬的精密放電加丄脈沖電源，包括直流可調恒壓源El，電阻陣列選擇開關SRl SRn，電容陣列選擇開關SCl SCn，高功率并聯電阻陣列Rl Rn，并聯加工電容陣列 Cl; Cn，測量電阻R22，測量電容C22，前級場效應管Ql,后級場效應管Q2，—極管D1，放 電電極正極P+，放電電極負極P-，驅動電路I ，驅動電路II，可編程邏輯器件，下位單片機， 上位計算機，AD電路;直流可調恒壓源El經過電阻陣列選擇開關SRl SRn與高功率電阻Rl Rn—一對應電連接，再依次經過前級場效應管Q1， 二極管D1，放電電極正極P+，放電電極 負極P-，形成脈沖上升沿限制電路；二極管D1第一路接后級場效應管Q2，形成脈沖下降沿 限制電路；前級場效應管Ql接電容陣列選擇開關SCl SCn與加工電容陣列Cl Cn，形成放 電能量輔助電路；二極管D1第二路接電阻R22， C22及AD電路，形成放電狀態檢測電路；上 位計算機依次與下位單片機、可編程邏輯器件、驅動電路I及場效應管Q1電連接，形成脈沖 上升沿控制電路；上位計算機依次與下位單片機、可編程邏輯器件、驅動電路II及場效應管 Q2電連接，形成脈沖下降沿控制電路；下位單片機再分別與電阻陣列選擇開關SRl SRn和 電容陣列選擇開關SCl SCn電連接，分別形成電阻阻值選擇電路和電容容值選擇電路。
本發明的特點是前級場效應管Ql和后級場效應管Q2串聯，且后級場效應管Q2與放電 正極P+和放電負極P-并聯，構成對脈寬的兩級限制，當脈沖電源處于工作狀態時，前后兩級 場效應管Q1和Q2被反相驅動，前級場效應管Q1導通時，后級場效應管Q2關斷，恒壓源E1 輸出的電能經過高功率并聯電阻陣列Rl Rn被直接送到正負放電電極P+和P-之間，開路時 引發脈沖的上升沿，前級場效應管Q1關斷時，后級場效應管Q2導通，正負放電電極？+和？-之間的電能被直接釋放到負極P-，開路時引發脈沖的下降沿。
所述下位單片機采用單片機或DSP，可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片。 所述下位單片機為C8051F單片機，可編程邏輯器件采用MAX7000A芯片。 本發明由于采用了兩級主動限脈寬電路，分別限制電源輸出脈沖的上升沿和下降沿，可 產生納秒級脈寬，最窄脈寬優于60ns，其放電能量非常微小，而且頻率穩定，易于控制，適 用于微納米尺度的精密放電加工。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。
圖1是兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源主電路連接圖。
圖2是圖1所示連接電路中的正負放電電極P+和P-兩端間輸出的一幅電壓脈沖波形圖。
具體實施例方式
圖1中，本發明是一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源，包括直流可調恒壓源E1， 電阻陣列選擇開關SRl SRn，電容陣列選擇開關SCl SCn，高功率并聯電阻陣列Rl Rn, 并聯加工電容陣列Cl Cn，測量電阻R22，測量電容C22，前級場效應管Q1，后級場效應管Q2， 二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負極P-，驅動電路I，驅動電路II，可編程邏 輯器件，下位單片機，上位計算機，AD電路等。直流可調恒壓源El經過電阻陣列選擇開關 SRl SRn與高功率電阻Rl Rn—一對應電連接，再依次經過前級場效應管Ql， 二極管D1， 放電電極正極P+，放電電極負極P-，形成脈沖上升沿限制電路；二極管D1第一路接后級場 效應管Q2，形成脈沖下降沿限制電路；前級場效應管Ql接電容陣列選擇開關SCl SCn與加 工電容陣列Cl Cn，形成放電能量輔助電路；二極管D1第二路接電阻R22， C22及AD電路， 形成放電狀態檢測電路；上位計算機依次與下位單片機、可編程邏輯器件、驅動電路I及場 效應管Q1電連接，形成脈沖上升沿控制電路；上位計算機依次與下位單片機、可編程邏輯器 件、驅動電路II及場效應管Q2電連接，形成脈沖下降沿控制電路；下位單片機再分別與電阻 陣列選擇開關SRl SRn和電容陣列選擇開關SCl SCn電連接，分別形成電阻阻值選擇電路 和電容容值選擇電路。
本發明中的直流可調恒壓源El型號為MSZ-HLHY-55，兩路驅動電路均采用高速光耦和高 速驅動芯片，高速光耦采用6N137，高速驅動芯片采用MC33152， AD電路中的AD芯片采用 AD775,上位計算機采用通用工控機，下位單片機采用8位C8051F高速單片機，可編程邏輯 器件采用Altera公司的MAX7000A芯片。
本發明的脈沖電源是這樣工作的先由上位計算機設定工作參數，如脈寬、脈間、電壓、 電流、電容、極性等，通過RS232接口下載到下位單片機中，下位單片機主要完成五項工作 第一，設定所需工作電壓；第二，分別導通電阻陣列選擇開關和電容陣列選擇開關，確定放 電主電路中的電阻值和電容值；第三，向可編程邏輯器件發送脈沖參數；第四，從AD電路采 集放電間隙電壓信號，判斷放電狀態；第五，將脈沖電源運行狀態和放電狀態等參數反饋回 上位計算機。可編程邏輯器件控制驅動電路I和驅動電路II工作，從而控制場效應管Ql和 Q2前后兩級的導通和關斷的時序，即控制輸出脈寬和脈間。工作時，前后兩級場效應管Ql 和Q2被反相驅動，且串聯，而后級場效應管Q2與正負放電電極P+和P-并聯，構成對脈寬的 兩級限制。前級場效應管Q1導通時，后級場效應管Q2關斷，恒壓源E1輸出的電能經過高功 率并聯電阻陣列Rl Rn被直接送到正負放電電極P+和P-之間，開路時引發脈寬的上升沿； 前級場效應管Ql關斷時，后級場效應管Q2導通，正負放電電極P+和P-之間的電能被直接釋 放到負極P-，開路時引發脈寬的下降沿。嚴格控制兩級場效應管Q1和Q2的時序就可以輸出 納秒級的窄脈沖。
圖2是圖1所示連接電路中的正負放電電極P+和P-兩端間輸出的一幅電壓脈沖波形圖。 從圖中可以看出，本發明的脈沖電源輸出的最小脈寬小于60納秒。
權利要求
1.一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源，包括直流可調恒壓源E1，電阻陣列選擇開關SR1～SRn，電容陣列選擇開關SC1～SCn，高功率并聯電阻陣列R1～Rn，并聯加工電容陣列C1～Cn，測量電阻R22，測量電容C22，前級場效應管Q1，后級場效應管Q2，二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負極P-，驅動電路I，驅動電路II，可編程邏輯器件，下位單片機，上位計算機，AD電路；直流可調恒壓源E1經過電阻陣列選擇開關SR1～SRn與高功率電阻R1～Rn一一對應電連接，再依次經過前級場效應管Q1，二極管D1，放電電極正極P+，放電電極負極P-，形成脈沖上升沿限制電路；二極管D1第一路接后級場效應管Q2，形成脈沖下降沿限制電路；前級場效應管Q1接電容陣列選擇開關SC1～SCn與加工電容陣列C1～Cn，形成放電能量輔助電路；二極管D1第二路接電阻R22，C22及AD電路，形成放電狀態檢測電路；上位計算機依次與下位單片機、可編程邏輯器件、驅動電路I及場效應管Q1電連接，形成脈沖上升沿控制電路；上位計算機依次與下位單片機、可編程邏輯器件、驅動電路II及場效應管Q2電連接，形成脈沖下降沿控制電路；下位單片機再分別與電阻陣列選擇開關SR1～SRn和電容陣列選擇開關SC1～SCn電連接，分別形成電阻阻值選擇電路和電容容值選擇電路；其特征在于前級場效應管Q1和后級場效應管Q2串聯，且后級場效應管Q2與放電正極P+和放電負極P-并聯，構成對脈寬的兩級限制，當脈沖電源處于工作狀態時，前后兩級場效應管Q1和Q2被反相驅動，前級場效應管Q1導通時，后級場效應管Q2關斷，恒壓源E1輸出的電能經過高功率并聯電阻陣列R1～Rn被直接送到正負放電電極P+和P-之間，開路時引發脈沖的上升沿，前級場效應管Q1關斷時，后級場效應管Q2導通，正負放電電極P+和P-之間的電能被直接釋放到負極P-，開路時引發脈沖的下降沿。
2. 根據權利要求1所述的兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源，其特征在于所述下位單片 機采用單片機或DSP，可編程邏輯器件采用CPLD或FPGA芯片。
3. 根據權利要求1所述的兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源，其特征在于所述下位單片 機為C8051F單片機，可編程邏輯器件采用MAX7000A芯片。
全文摘要
本發明公開了一種兩級限脈寬的精密放電加工脈沖電源。本發明中的可調穩壓電源E1，限流電阻陣列R1～Rn，前級場效應管Q1和放電電極正極P+順序電連接。后級場效應管Q2與前級場效應管Q1串聯電連接，與正負放電兩電極P+，P-并聯電連接，兩級場效應管被高頻反相驅動，分別控制輸出放電脈沖的上升沿和下降沿，實現兩級限脈寬，限制輸出脈寬最小達到60納秒，從而輸出微能放電脈沖。
文檔編號B23H1/02GK101579761SQ20091005923
公開日2009年11月18日 申請日期2009年5月7日 優先權日2009年5月7日
發明者何建國, 劉廣民, 方 吉, 張勇斌, 張連新 申請人:中國工程物理研究院機械制造工藝研究所