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關(guān)鍵字： 模具加工；自適應(yīng)；電源；單片機(jī) 摘　要： 電火花加工是當(dāng)前模具加工的重要方法，電火花加工機(jī)床的電源已經(jīng)成為現(xiàn)階段加工質(zhì)量和效率提高的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外研究的各種自適應(yīng)脈沖電火花電源的原理和方法進(jìn)行了介紹，分析了其優(yōu)點(diǎn)和缺陷。并介紹了一種基于C8051單片機(jī)的新型電火花線切割自適應(yīng)電源的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)模具加工過(guò)程中加工條件的劇烈變化，大大提高線切割加工過(guò)程的穩(wěn)定性和模具加工質(zhì)量。

電火花加工（EDM）作為模具制造的重要加工方法，已得到廣泛應(yīng)用，并有著其它加工方法無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)。其中電火花成型加工主要是用于各種型腔模，而電火花線切割則適用于加工各種形狀的沖模[1]。脈沖電源作為電火花加工機(jī)床的主要組成部分，提供擊穿加工介質(zhì)所需要的電壓，并在間隙擊穿后提供能量以蝕除金屬。現(xiàn)在常規(guī)的電火花脈沖電源大多采用簡(jiǎn)單的機(jī)械操作，這種加工方式既對(duì)機(jī)床操作人員要求極高，又容易引起及其電氣故障。而采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)的脈沖電源，可以根據(jù)加工電流或間隙電壓的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工電流脈沖波形，為機(jī)床操作提供方便，也有利于延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命。脈沖電源的設(shè)計(jì)采用了模塊化處理，利于調(diào)試，又加強(qiáng)了抗干擾與可靠性設(shè)計(jì)[2]。傳統(tǒng)形式的電火花加工脈沖電源雖然在某些場(chǎng)合有應(yīng)用，但是已不能完全滿足加工的一些要求，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)脈沖電源技術(shù)的要求也越來(lái)越高，隨之也涌現(xiàn)出了許多新型的自適應(yīng)脈沖電源[3]

1 目前的幾種自適應(yīng)電源的設(shè)計(jì)思路。

近來(lái)，電火花加工機(jī)床的發(fā)展方向和熱點(diǎn)是自適應(yīng)的、智能化的和綠色的電源。目前有多所大學(xué)和研究所的科技人員都在研究和開(kāi)發(fā)自適應(yīng)電源，并且也取得了一定的成果。他們的設(shè)計(jì)思路主要有兩種：

1.1自適應(yīng)加工精度規(guī)準(zhǔn)的脈沖電源，電源能夠根據(jù)不同的加工規(guī)準(zhǔn)，自動(dòng)選擇機(jī)床的參數(shù)，如進(jìn)給速度，脈沖寬度，脈沖間隔和脈沖電壓，原理如下：

線切割加工是一種技術(shù)性很強(qiáng)的工作，加工出的零件質(zhì)量的好壞，在很大程度上依賴于操作者的技術(shù)水平。此種自適應(yīng)加工脈沖電源通過(guò)建立線切割加工的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，使線切割工業(yè)實(shí)現(xiàn)資源共享，還可降低對(duì)操作人員的要求，盡量排除加工中的人為因素對(duì)加工零件的質(zhì)量的影響，以提高加工零件的質(zhì)量及加工自動(dòng)化程度，為電火花加工的CAM，F(xiàn)MS打下基礎(chǔ)[4]。但是建立加工數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)工作量龐大的工作，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有可靠的符合各種生產(chǎn)條件的穩(wěn)定數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2自適應(yīng)控制機(jī)床伺服系統(tǒng)的脈沖電源，原理如圖2所示

系統(tǒng)對(duì)線切割機(jī)床電極絲間隙狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后反饋給控制器，然后控制機(jī)床的進(jìn)給，以得到一個(gè)比較理想的加工間隙，如此來(lái)防止電弧和短路的產(chǎn)生。此方法可以提高加工表面的質(zhì)量，但是缺陷在于放電間隙的放電狀態(tài)極其復(fù)雜，與放電間隙、工作液、工件的加工面積等等諸多因素有關(guān)。加工過(guò)程中如果由于瞬間排屑條件不好，或者工件本身有缺陷，間隙檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)反饋后會(huì)給控制系統(tǒng)一個(gè)假象，誤以為是進(jìn)給過(guò)多或者太少。然后系統(tǒng)會(huì)前進(jìn)或者后退，這種進(jìn)給的不連貫性導(dǎo)致加工表面質(zhì)量變壞，加工效率降低。由于脈間必須保證消電離和排屑的需要，而微細(xì)電加工中加工介質(zhì)和加工材料的不同導(dǎo)致了不同的加工條件，需要的脈間時(shí)間也各不相同^[5]。所以電源發(fā)出的脈沖信號(hào)的占空比必須可調(diào)，滿足高精度和高速的電加工要求。

2 自適應(yīng)控制PWM輸出的脈沖電源

為了提高線切割自適應(yīng)系統(tǒng)的控制精度，降低發(fā)生誤判斷的概率，提高加工質(zhì)量和效率，本試驗(yàn)室提出了一種基于C8051單片機(jī)的新型數(shù)控電火花脈沖電源設(shè)計(jì)方法。由單片機(jī)控制高速A/D采集放電電壓數(shù)值，根據(jù)電壓閾值判斷放電間隙狀態(tài)，按需求調(diào)整PWM輸出，調(diào)節(jié)放電間隙大小，從而有效提高了放電間隙的控制精度，減少了電弧和短路現(xiàn)象，提高加工表面的表面質(zhì)量。

數(shù)控電火花脈沖電源的組成如圖3所示。由單片機(jī)控制器、信號(hào)調(diào)理模塊、功率放大模塊和鍵盤及顯示模塊幾個(gè)部分組成。單片機(jī)控制器為系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)運(yùn)算核心，完成數(shù)據(jù)采集和反饋信號(hào)生成等功能；信號(hào)調(diào)理模塊在放電間隙電壓輸出與脈沖電源之間構(gòu)造光電隔離電路并將輸出電壓調(diào)整到系統(tǒng)A/D可接受范圍；信號(hào)放大模塊用于將單片機(jī)的PWM輸出放大并送線切割機(jī)床；鍵盤及顯示模塊用于人機(jī)交互。

2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作流程如軟件流程圖如圖4所示：

系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)被加工工件的材料與厚度（不規(guī)則工件取其最大厚度）以及需要達(dá)到的表面粗糙度，由鍵盤輸入推薦最優(yōu)脈寬和脈間，系統(tǒng)自動(dòng)載入V1、V2閾值電壓的值，系統(tǒng)開(kāi)始工作。同時(shí)，單片機(jī)控制A/D連續(xù)對(duì)放電電壓采樣、比較大小，然后判斷系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，然后根據(jù)需求不斷調(diào)整PWM的輸出參數(shù)，使加工處于理想的火花放電狀態(tài)，直至加工結(jié)束。

3 結(jié)束語(yǔ)

高頻、脈寬脈間任意可調(diào)的自適應(yīng)電源是提高模具電火花加工機(jī)床加工效率和質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)一種基于新型的C8051Fxxx系列單片機(jī)的高效自適應(yīng)電源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了能滿足要求的電源。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲得了滿意的工藝效果。證明了自適應(yīng)電源研究方向的可行性，也證明了單片機(jī)控制的自適應(yīng)電源是一種很有發(fā)展前景的脈沖電源技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]南歡.電火花加工變質(zhì)層對(duì)模具成型表面的影響.模具制造技術(shù)，2006（7）：70～73.

[2]徐健，葉漢民，蔣存波，職燕.電火花加工中數(shù)控脈沖電源的設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)與研究，2006（10）：39～41.

[3]狄士春，王弢，于濱，趙萬(wàn)生. 電火花加工脈沖電源研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程師，2002（10）：6～9.

4]朱琳生，趙建民. 電火花加工用自適應(yīng)型高頻脈沖電源 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1995（5）：47~49.

[5] Fuzhu Han , Shinya Wachi , Masanori Kunied . Improvement of machining characteristics of micro-EDM using transistor type isopulse generator and servo feed control [J]. Precision Engineering, 2004,28：378~385.