射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源及其控制方法

摘要

本申请公开了一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源及其控制方法，该电源包括：振荡波频率调控单元与第一直流稳压电源相连，振荡波频率调控单元通过第一直流稳压电源供电，用于产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号；振荡波幅值调控单元与第二直流稳压电源和振荡波频率调控单元相连，振荡波幅值调控单元通过第二直流稳压电源供电，用于将正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值；振荡波叠加单元与振荡波幅值调控单元相连，用于将振荡波幅值调控单元放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号。该电源可提高电火花加工过程中微小加工间隙动态变化中脉冲有效放电率。

权利要求

1.一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源，其特征在于，包括：振荡波频率调控单元、振荡波幅值调控单元和振荡波叠加单元；

所述振荡波频率调控单元与第一直流稳压电源相连，所述振荡波频率调控单元通过所述第一直流稳压电源供电，用于产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号；

所述振荡波幅值调控单元与第二直流稳压电源和振荡波频率调控单元相连，所述振荡波幅值调控单元通过所述第二直流稳压电源供电，用于将所述正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值；

所述振荡波叠加单元与所述振荡波幅值调控单元相连，用于将所述振荡波幅值调控单元放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号；

所述振荡波叠加单元包括：射频环形器和特性阻抗转换电路；

所述射频环形器用于将放大后的所述正弦波振荡信号单向传输至所述特性阻抗转换电路；

所述特性阻抗转换电路用于通过电阻分压将放大后的所述正弦波振荡信号输出至工具电极和工件的两端，以将放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号上。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述振荡波频率调控单元包括：压控振荡器和调频电位器；

所述调频电位器用于改变所述第一直流稳压电源输入所述压控振荡器的电压，调控所述压控振荡器的输出信号频率在MHZ至GHz级频率范围内可连续调节；

压控振荡器用于输出正弦波振荡信号。

3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述振荡波幅值调控单元包括：射频功率放大器和功率切换开关；

所述功率切换开关用于切换所述射频功率放大器内部不同的衰减量通路，以使所述射频功率放大器得到不同幅值的放大倍数；

射频功率放大器用于将所述正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值。

4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述特性阻抗转换电路包括50Ω大功率高频无感电阻。

5.一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法，权利要求1‑4任一项所述的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源用于执行所述射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法，其特征在于，包括：产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号；

将所述正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值；

将放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号。

说明书

射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源及其控制方法

技术领域

[0001] 本申请涉及特种加工技术领域，特别涉及一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源及其控制方法。

背景技术

[0002] 电火花加工是基于工具电极与工件之间脉冲式火花放电实现材料去除的过程。脉冲电源性能直接影响电火花加工工艺效果，目前电火花加工常用脉冲电源还仍然存在加工中脉冲有效放电率低的问题，特别是对于微小加工间隙和微能量放电的微细电火花加工。

[0003] 微细电火花加工中最佳放电间隙只有微米量级，而且受加工产物排出和加工液更新困难等影响，具有随机性大、微观瞬时变化的非线性特征，这造成在给定的电源参数(输出脉冲波形)难以匹配时变的微小加工间隙，而靠机械较低频响的主动伺服控制工具电极进退来匹配合理微米级放电间隙难于达到理想效果，这个过程可以理解为：当工具电极和工件极间距离较大时，极间介质无法击穿处于开路状态，此时控制工具电极快速进给；当工具电极端部通过最佳放电间隙范围时，正常放电才会发生；但由于此最佳放电间隙范围非常狭小，且控制工具电极的常规主轴机械频响低，工具电极会过冲超过此最佳放电间隙范围而进入短路状态。因此，在实际加工过程中主轴欠进给和过进给是常态，造成常规脉冲电源的脉冲有效放电率低至只有10‑20％。

[0004] 实验研究已表明：在极间辅助高频机械振动可有效提高工具电极端部穿过最佳放电间隙范围的几率，通过调节合适的振动幅值能使脉冲有效放电率与振动频率正相关，从而可以大幅提高电火花加工效率。但受制于高频振动机械机构及其驱动电源性能限制，辅助高频机械振动的频率和幅值难以同时主动控制并达到更高，这样只能得到有限提高脉冲有效放电率的效果。而且，辅助机械振动增加了主轴或工装夹具设计的复杂性和难度，在局部空间受限或者复杂结构的主轴/工件情况下加工工艺系统难以集成辅助振动机构，这进一步限制了辅助高频机械振动在电火花加工中的应用。

发明内容

[0005] 本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0006] 为此，本申请的一个目的在于提出一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源，该电源将脉冲电源设计为输出脉冲电压信号上叠加可控幅值和频率的射频级振荡波，提高电火花加工过程中动态变化的微小加工间隙内脉冲有效放电率。

[0007] 本申请的另一个目的在于提出一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法。

[0008] 为达到上述目的，本申请一方面实施例提出了一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源，包括：振荡波频率调控单元、振荡波幅值调控单元和振荡波叠加单元；

[0009] 所述振荡波频率调控单元与第一直流稳压电源相连，所述振荡波频率调控单元通过所述第一直流稳压电源供电，用于产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号；

[0010] 所述振荡波幅值调控单元与第二直流稳压电源和振荡波频率调控单元相连，所述振荡波幅值调控单元通过所述第二直流稳压电源供电，用于将所述正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值；

[0011] 所述振荡波叠加单元与所述振荡波幅值调控单元相连，用于将所述振荡波幅值调控单元放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号。

[0012] 另外，根据本申请上述实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源还可以具有以下附加的技术特征：

[0013] 可选地，在本申请的一个实施例中，所述振荡波频率调控单元包括：压控振荡器和调频电位器；

[0014] 所述调频电位器用于改变所述第一直流稳压电源输入所述压控振荡器的电压，调控所述压控振荡器的输出信号频率在MHZ至GHz级频率范围内可连续调节；压控振荡器用于输出正弦波振荡信号。

[0015] 可选地，在本申请的一个实施例中，所述振荡波幅值调控单元包括：射频功率放大器和功率切换开关。

[0016] 所述功率切换开关用于切换所述射频功率放大器内部不同的衰减量通路，以使所述射频功率放大器得到不同幅值的放大倍数；射频功率放大器用于将所述正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值。

[0017] 可选地，在本申请的一个实施例中，所述振荡波叠加单元包括：射频环形器和特性阻抗转换电路；

[0018] 所述射频环形器用于将放大后的所述正弦波振荡信号单向传输至所述特性阻抗转换电路；所述特性阻抗转换电路用于通过电阻分压将放大后的所述正弦波振荡信号输出至工具电极和工件的两端，以将放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号上。

[0019] 可选地，在本申请的一个实施例中，所述特性阻抗转换电路包括50Ω大功率高频无感电阻。

[0020] 为达到上述目的，本申请另一方面实施例提出了一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法，包括：产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号；将所述正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值；将放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号。

[0021] 本申请实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源及其控制方法，具体以下有益效果：

[0022] 1、通过空载电压高频振荡的方式提高了电火花加工过程中微小加工间隙动态变化中放电击穿频率，实现在工具电极端部相对于工件表面极间间隙变化过程中快速匹配上合适的放电电压，大幅度提高了脉冲电源的有效脉冲利用率。

[0023] 2、在硬件上实现了将原脉冲电源输出脉冲电压信号上叠加射频级振荡波，振荡波的幅值和频率调控方便，能够作为单独的射频级振荡模块插接于RC式、开关管‑RC复合式、单开关斩波式、双开关斩波式等传统脉冲电源电路，易于集成，具有较好的通用性。

[0024] 3、可以提高电火花加工过程的稳定性，可应用于电火花穿孔加工、电火花成形加工、电火花线切割加工等多种加工工艺，降低工具电极损耗，提供加工精度和加工效率。

[0025] 本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

[0026] 本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0027] 图1为根据本申请一个实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的结构示意图；

[0028] 图2为射频级振荡波模块插接于RC式、开关管‑RC复合式、单开关斩波式、双开关斩波式等传统脉冲电源示意图；

[0029] 图3为根据本申请一个实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源操作流程图；

[0030] 图4为根据本申请一个实施例的基于射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源放电波形示例图；

[0031] 图5为根据本申请一个实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法流程图。

具体实施方式

[0032] 下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

[0033] 基于背景技术中提到的问题，本申请提出高频振荡电信号主动匹配动态变化的合理微米级放电间隙思想，提出一种射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源，将脉冲电源设计为输出脉冲电压信号叠加上可控幅值和频率的射频级振荡波，提高电火花加工过程中微小加工间隙动态变化中脉冲有效放电率，大幅度提高脉冲电源的脉冲有效放电率。因为此射频级振荡波是一种电信号，不受机械结构频响的影响，振荡正弦波信号频率可达到MHZ至GHz，通过调控高频振荡电压幅值即可实现适应于变化的极间间隙放电，即可实现在工具电极端部相对于工件表面极间间隙变化过程中快速匹配上合适的放电电压，而且这种高频振荡电压信号更有利于触发放电，从这两方面原理上大幅度提高脉冲有效放电率。

[0034] 下面参照附图描述根据本申请实施例提出的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源及其控制方法。

[0035] 首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源。

[0036] 图1为根据本申请一个实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的结构示意图。

[0037] 如图1所示，该射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源包括：振荡波频率调控单元、振荡波幅值调控单元和振荡波叠加单元。

[0038] 振荡波频率调控单元与第一直流稳压电源相连，振荡波频率调控单元通过第一直流稳压电源供电，用于产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号。

[0039] 振荡波幅值调控单元与第二直流稳压电源和振荡波频率调控单元相连，振荡波幅值调控单元通过第二直流稳压电源供电，用于将正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值。

[0040] 振荡波叠加单元与振荡波幅值调控单元相连，用于将振荡波幅值调控单元放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号。

[0041] 具体地，振荡波频率调控单元和振荡波幅值调控单元通过两个直流稳压电源分别供电以消除级联干扰。

[0042] 可选地，在本申请的一个实施例中，振荡波频率调控单元包括：压控振荡器和调频电位器。调频电位器用于改变第一直流稳压电源输入压控振荡器的电压，调控压控振荡器的输出信号频率在MHZ至GHz级频率范围内可连续调节；压控振荡器用于输出正弦波振荡信号。

[0043] 可选地，振荡波频率调控单元也可以采用能够产生MHZ至GHz级频率范围振荡波形的晶体振荡器和其他LC振荡器。

[0044] 可选地，在本申请的一个实施例中，振荡波幅值调控单元包括：射频功率放大器和功率切换开关；功率切换开关用于切换射频功率放大器内部不同的衰减量通路，以使射频功率放大器得到不同幅值的放大倍数；射频功率放大器用于将正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值。其中，射频功率放大器放大能量由直流稳压电源提供。

[0045] 可选地，在本申请的一个实施例中，振荡波叠加单元包括：射频环形器和特性阻抗转换电路；射频环形器用于将放大后的正弦波振荡信号单向传输至特性阻抗转换电路；特性阻抗转换电路用于通过电阻分压将放大后的正弦波振荡信号输出至工具电极和工件的两端，以将放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号上。

[0046] 可以理解的是，射频环形器将放大后的振荡波单向传输至特性阻抗转换电路，特性阻抗转换电路通过电阻分压将正弦振荡波输出至工具电极和工件的两端，防止高频信号的反射泄漏和减少高频振荡信号功率传输损失，达到将调控的射频级振荡波叠加至极间输出脉冲电压信号上。

[0047] 可选地，特性阻抗转换电路由50Ω大功率高频无感电阻组成，实现阻抗转换功能且不消耗电功率，50Ω大功率高频无感电阻与设定频率下的射频功率放大器内阻和射频电缆特征阻抗相等，使得射频功率放大器、传输线、负载三者之间不发生功率反射，功率传输效率最大。

[0048] 作为一种具体的实施方式，图1中各器件的参数示例范围：连接调频电位器的直流稳压电源：12V、63mA；压控振荡器：136～174MHz、5mW(7dBm)；连接射频功率放大器的直流稳压电源：12.5V、8.5A；射频功率放大器：10/20/30/40/50W。

[0049] 射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的工作原理为：射频功率放大器输出特定频率和特定幅值的正弦振荡波经过射频环形器叠加至特性阻抗转换电路两端，脉冲电源输出脉冲电压将正弦波振荡基准抬高，在工具电极和工件两端得到叠加了高频振荡波的脉冲电压信号，实现在工具电极端部相对于工件表面极间间隙变化过程中快速匹配上合适的放电电压。因此，该射频级振荡波模块易于集成，能够单独插接于RC式、开关管‑RC复合式、单开关斩波式、双开关斩波式等传统脉冲电源电路，如图2所示，具有较好的通用性。

[0050] 如图3所示，该射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的具体操作步骤为：(1)打开直流稳压电源E1(12V、63mA)；(2)调节调频电位器旋钮，控制压控振荡器输出如图4所示频率为160MHz正弦振荡波；(3)打开射频功率放大器50W对应的功率切换开关；(4)打开直流稳压电源E2(12.5V、8.5A)，工具电极与工件间即产生如图4所示叠加了振荡峰‑峰值为
40V的射频级振荡波的脉冲电压信号。

[0051] 根据本申请实施例提出的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源，为提高脉冲电源的有效脉冲利用率，将脉冲电源设计为输出脉冲电压信号上叠加可控幅值和频率的射频级振荡波，提高电火花加工过程中微小加工间隙动态变化中脉冲有效放电率。电路实现是利用压控振荡器产生MHZ至GHz级频率正弦波信号，通过调频电位器调控信号频率，并经过射频功率放大器放大至所需的振荡幅值，振荡幅值由功率切换开关调控，采用射频环形器防止高频信号的反射泄漏，通过设计的特性阻抗转换电路来减少高频振荡信号功率传输损失，达到将调控的射频级振荡波叠加至极间输出脉冲电压信号上。

[0052] 其次参照附图描述根据本申请实施例提出的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法。

[0053] 图5为根据本申请一个实施例的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法流程图。

[0054] 如图5所示，该射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法包括：

[0055] 步骤S1，产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号。

[0056] 步骤S2，将正弦波振荡信号放大到实际所需的振荡幅值。

[0057] 步骤S3，将放大后的正弦波振荡信号叠加至极间输出脉冲电压信号。

[0058] 结合图1所示的具体结构，该控制方法具体包括，打开连接调频电位器的直流稳压电源E1；通过调节调频电位器旋钮控制压控振荡器输出波形频率；通过功率切换开关的开闭预先设定射频功率放大器的放大倍数；打开连接射频功率放大器的直流稳压电源E2，工具电极与工件间即产生脉冲电压信号叠加了设定幅值和频率的射频级振荡波。

[0059] 需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

[0060] 根据本申请实施例提出的射频级振荡波叠加的电火花加工用脉冲电源的控制方法，通过振荡波频率调控单元产生所需的MHZ至GHz级频率范围的正弦波振荡信号，输入给振荡波幅值调控单元将信号放大到所需的振荡幅值，然后通过振荡波叠加单元将特定频率幅值的射频级振荡波叠加至极间输出脉冲电压信号上。振荡波频率调控单元和振荡波幅值调控单元通过两个直流稳压电源分别供电以消除级联干扰。可以提高脉冲电源的脉冲有效放电率。

[0061] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0062] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0063] 尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。