旋轉超聲振動輔助電火花加工自適應脈沖電源設計

徐明剛， 宋恩禹， 吳志偉

（北方工業大學機械與材料工程學院，北京100144）

0 引 言

隨著我國科技水平的不斷提升，對制造業的生產能力也提出了新的要求，特種加工技術因其獨特的優勢而逐漸替代原有的傳統加工方式，成為當今制造業的發展重心[1]。電火花加工又稱電加工（Electrical Discharge Machining，即EDM），屬于無接觸式和可控性好的加工，利用在工作液中電極絲和工件之間的間隙脈沖能量的產熱對被加工工件進行材料去除，是一種高效環保的技術[2]。不僅能夠彌補機械加工中切削和磨削等宏觀切削力的諸多不足，也可加工任何硬度和強度的導電難加工金屬材料，具有安全高效等諸多優點，目前己廣泛應用于航天航空、儀表儀器等精密制造領域。

如圖1所示，當工具電極在絕緣工作液中向被加工工件靠近時，加載在兩端的極間電壓將在電極絲與被加工工件間“相對最靠近點”產生電極擊穿，形成放電通道，當加工間隙達到微米級或者更小時，其放電通道內具有極高的電流密度（104～107A/mm2），電離子瞬時活性產生的高溫（12 000 ℃）使得工作液及被加工工件氣化和熱分解，電蝕被加工工件金屬分子，完成加工過程，若進行持續穩定的放電，則可加工凹槽或小孔[3]。在超聲發生器提供的高頻下，工具電極頻繁地進行振動結合電蝕除過程中的磨損，導致加工間隙變化范圍較大，其加工間隙狀態介于電火花放電及開路間，同時加速工作液循壞，便于排屑，利用超聲的空化作用和泵吸作用提高加工效率[4-5]。引入主軸旋轉加工激勵實現循環液的快速流動及在空氣動力學中加速電蝕除屑的排屑過程。從我國自主研制出“自動化數控線切割機床”以來，各種脈沖電源層出不窮，本文針對實驗室自主研發的旋轉超聲振動輔助電火花機床的實際需求，設計了一款自適應脈沖電源。采用自適應控制機制來控制脈沖電源的放電間隙和脈寬調制問題，最大程度利用電能利用率并實現脈沖電源自我調節的高效性和實時性。

圖1 旋轉超聲振動輔助電火花加工原理圖

1 電源性能指標

由電火花加工極間電壓的經驗值公式[6-7]可知，極間電壓可對加工間隙內的單個脈沖能量產生影響，且當加工間隙維持不變時，其增大電壓導致加工間隙內電流增大，產生的爆炸效果也就越為明顯，導致加工精度的降低和表面粗糙度的增高，故要求在輸出極間電壓與頻率和占空比之間保持平衡，以在保證加工精度的前提下提升加工效率，使得加工后的電蝕碎屑在下次脈沖作用時已經排除。

式中：q為單個脈沖蝕除量；K為材料工藝系數；f為脈沖電源輸出頻率；u（t）為極間放電電壓；i（t）為極間電流值。

表面粗糙度實驗的經驗公式[8]為

式中：Rmax為被加工工件表面粗糙度；KR為加工工藝系數；te為單個脈沖的放電周期；Ae為單個脈沖幅值電流。

提出了脈沖電源的性能指標：脈沖電源輸出的極間電壓為直流0～200 V之間連續可調，輸出頻率為0～10 kHz，通過按鍵實現占空比在0～100%范圍內連續可調。滿足在不同加工工況下的輸出，但其占空比一般不宜超過75%,需要預留出足夠的消解電離時間。自適應控制機制需要具有實效性、良好的人機交互界面及穩定性。

2 脈沖電源硬件設計

旋轉超聲振動輔助電火花脈沖電源由于在加工過程中存在工具電極消耗、機床伺服進給量不及時，以及排屑不足等諸多干擾因素，使得其加工間隙狀態很難得到穩定控制。本文采用芯片邏輯資源豐富、運行速度快且能夠應對復雜情況的FPGA作為核心處理器，在晶體管脈沖電源的基礎上進行設計，其總體設計規劃如圖2所示。

圖2 脈沖電源實現框圖

主控電路由FPGA作為核心芯片，進行與上位機的數據傳輸通信、脈間脈寬自適應調節及PWM波控制主電路MOSFET功率管的信號發生；上位機通過RS232通信協議經過USB串口接收采集到的極間電壓電流參數，以及改進后的BP神經網絡在線調節Z軸伺服電動機的進給量，實現對加工間隙的調整；脈間脈寬自適應調節經過FPGA基礎判別后調整輸出的占空比，實現對極間電壓的輸出調整；功率放大電路由6N137隔離光耦及三極管S8050對電壓及電流進行放大，避免電氣特性不一致所造成的干擾，維持輸出PWM信號的穩定；驅動電路由IR2101（s）驅動提供滿足主電路兩個MOSFET開關管快速導通和截止的大電流；數據采集電路采集加工間隙內的實時極間電壓與電流值，并經過平均電壓電路和MAX11210轉化電路發送給FPGA主控芯片做基礎加工狀態的判別；電源模塊經穩壓直流電路輸出的直流電壓轉化為5.0 V和3.3 V輸出電壓，為各模塊功能電路、散熱風扇及顯示屏等提供穩定的工作電壓，維持脈沖電源的穩定工作。

3 脈沖電源軟件設計

如圖3所示，通常情況下，將單個脈沖的放電狀態可分為三大類：開路、放電和短路；其中放電又可分為三種狀態：電火花放電、過渡電弧放電和穩定電弧放電[9-10]。

1） 開路。此時加工間隙還未被擊穿，電壓在60 V以上且沒有電流。

2）正常電火花放電。極間電壓穩定在20～30 V區間伴有明顯的擊穿延遲，擁有不同于其他放電狀態的強烈高頻分量。

3）過渡電弧放電。介于電火花放電和穩定電弧放電之間的過渡狀態，在一定時間內通過增加輸出的占空比或者增大加工間隙可恢復至電火花放電狀態。

4）穩定電弧放電。無擊穿延遲特性且不存在高頻分量。

5）短路。維持電壓為零，極間電流陡增，會影響脈沖電源的性能，應杜絕此現象的發生。

圖4所示為FPGA數據采集判別機制的流程圖，當采集到的極間電壓U＞Uflag2時，其狀態可能為正常電火花放電或開路狀態，引入第二個門檻閾值Uflag1進行準確判別；當U＜Uflag1時，其加工間隙為穩定的電火花放電，此周期內判別結束，保持輸出的占空比及頻率即可，并等待下一次判別；若U＞Uflag1,則為開路狀態，此時由于加工間隙較大，工具電極和被加工工件未接觸，還未加工，無需改變輸出的初始占空比及頻率，加快Z軸的進給量，使其進入加工狀態。

圖3 電火花加工基礎放電間隙狀態分類

圖4 數據采集判別機制

當采集到的極間電壓U＜Uflag2時，其加工間隙狀態可能為過渡電弧放電，穩定電弧及短路狀態；若此時只增大脈沖電源的占空比，增加極間電壓，當出現短路時，會損壞工具電極且出現燒傷被加工工件表面的現象，因此需要引入FPGA內IP軟核的短路計數器。當其脈沖計數大于短路脈沖數時，判別為短路，減小輸出的占空比及頻率，且Z軸伺服電動機應及時回升，增大加工間隙；當其脈沖計數小于短路脈沖數時，判別為電弧放電，此時加工間隙之間的狀態為過渡電弧或穩定電弧放電，此時增大占空比的輸出；若為過渡電弧放電，則隨著Z軸的進給量不斷增加，則極間電壓的增大，會使得其加工狀態有過渡電弧放電轉變為電火花加工放電狀態，實現加工間隙的改變；若為穩定電弧放電，則可通過Z軸進給量的調整實現其加工狀態的改變。

本文中使用自主研發的旋轉超聲振動輔助電火花加工機床的Z軸采用精密伺服電動機通過光柵尺及IMAC運動控制卡相結合作為閉環反饋運動控制，常規PID控制的抗干擾能力較差，難以實現快速精準的控制，基于BP神經網絡調節的PID控制器對比例系數KP、積分系數Ki和微分系數Kd進行調整，具有良好的魯棒性能并輸出優化結果。多層神經網絡可以很好地解決復雜的非線性多分類問題，利用3層網絡結構逼近任何非線性連續函數，具有一定的容錯性。以極間電壓、極間電流、脈沖寬度及脈沖間隔為輸入，以輸出Z軸伺服電動機進給量為輸出的控制策略，實現對加工間隙的實時調整。PID學習算法流程圖如圖5所示。

圖5 PID學習算法流程圖

4 功能性實驗

通過功能性實驗來驗證電路設計是否達到設計要求，由圖6可以看出，主控芯片內脈沖發生器產生的脈沖控制信號的上升及下降沿無明顯高頻振蕩現象，為輸出穩定波形打下堅實的基礎，但其電壓幅值僅為3.3 V, 需要經功率放大后作用于主從電回路的MOSFET開關管上，如圖7所示，經放大后PWM波形較為穩定，電壓幅值無毛刺現象且滿足驅動要求。

圖6 主控芯片輸出PWM波形

5 結 語

根據脈沖電源在電火花加工中的性能要求，采用FPGA主芯片作為主控單元經過基礎加工間隙狀態的判別和BP神經網絡優化相結合來監測脈沖放電間隙的狀態，應用平均電壓門檻閾值法及高頻分量電壓監測法相結合來判別及控制輸出的脈沖寬度，并結合Z軸的進給量實現對間隙加工狀態的實時調整，保障其加工間隙始終處于電火花加工狀態，實現提高加工效率的目的。

圖7 驅動電路輸出PWM波形