專利名稱:電火花腐蝕金屬加工用的脈沖發(fā)生器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于電火花腐蝕金屬加工用的一種脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器具有一直流電壓源(1)、至少一控制著起碼一儲(chǔ)能電容器(2，2a，2b)的充電的充電調(diào)節(jié)電路(5-8)和至少一將至少一儲(chǔ)能電容器連接到火花隙(11)的開關(guān)器件(3，3a，3b)，電路中儲(chǔ)能電容器與火花隙之間設(shè)有一反向諧振截止二極管(4，4a，4b)，(參看德國專利24，41734)。
電火花腐蝕加工技術(shù)的趨勢是朝愈來愈高的加工速度或機(jī)械加工速度的方向發(fā)展。因此需要有能給火花隙以高重復(fù)率提供高能級(jí)的脈沖發(fā)生器。在金屬絲的電火花腐蝕切割和鉆孔領(lǐng)域中尤其需要脈沖時(shí)間極短而且明確加以限定的高能脈沖。
德國專利2735403＝美國專利4163887已公開了一種脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器能在1微秒時(shí)間范圍內(nèi)提供高達(dá)500安的脈沖電流。目前需要的是在大約2微秒時(shí)間內(nèi)能提供高達(dá)1000安的脈沖電流。在電流值達(dá)到如此之大的情況下，上述那種類型的發(fā)生器就太大了，而且由于效率差，一般只有10%，所以也不經(jīng)濟(jì)。
德國專利3419945公開的脈沖發(fā)生器，效率高于60%。由于這種發(fā)生器是為所有類型的電火花腐蝕加工而設(shè)計(jì)的，因而對(duì)上述用途來說，它在技術(shù)方面就過于復(fù)雜了。此外，其中所用的開關(guān)器件必須切斷全峰值電流，這會(huì)導(dǎo)致不必要的開關(guān)損失。
德國專利2441734公開的一種脈沖發(fā)生器，是借助于一電子控制的充電調(diào)節(jié)器對(duì)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行線性充電，在達(dá)到充電電壓時(shí)，通過開關(guān)器件和隔離變壓器往火花隙中放電。這種脈沖發(fā)生器的放電總是要在儲(chǔ)能電容器完全充電時(shí)開始的，而這在某些情況下會(huì)與火花隙不適宜的情況吻合，因而它在技術(shù)上極為復(fù)雜，可控制的程度有限。
另一種美國專利3485987介紹的脈沖發(fā)生器，其儲(chǔ)能電容器的充電電流系經(jīng)由隔離變壓器耦合到腐蝕電路中。儲(chǔ)能電容器輪流由第一開關(guān)器件充電，由第二開關(guān)器件放電。但這種布局具有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即在“空載脈沖”的情況下，即火花隙不點(diǎn)燃時(shí)，儲(chǔ)能電容器沒有再充電，因而電路只有在隔一個(gè)脈沖之后才工作。此外，兩開關(guān)器件之間經(jīng)由隔離變壓器還有反饋，這只能通過使用高保護(hù)性能的配線加以控制。
還有其它周知的各種諧振回路發(fā)生器線路，它們具有各開關(guān)器件可以直接換向或只以有限的電流換向的優(yōu)點(diǎn)。
帶電子受控充電調(diào)節(jié)器的發(fā)生器有一個(gè)重要的缺點(diǎn)，即它們技術(shù)上的開銷大，而且部分甚至還會(huì)使總的效率變差。不帶受控充電調(diào)節(jié)器的諧振回路發(fā)生器具有流經(jīng)火花隙的電流脈沖難以控制的缺點(diǎn)，這是因?yàn)榍耙粋€(gè)脈沖大大地影響著儲(chǔ)能電容器的充電狀態(tài)。
因此本發(fā)明的問題是改善目前的脈沖發(fā)生器，使它能高效率地產(chǎn)生高能量脈沖。為此，儲(chǔ)能電容器的充電情況應(yīng)與上一次放電無關(guān)，同時(shí)電路的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，占空間不大，工作可靠。
在本發(fā)明的脈沖發(fā)生器中，此問題是通過這樣的方式解決的充電調(diào)節(jié)電路只含不受控制的元件(5-8)，且該電路取這樣的規(guī)模，使儲(chǔ)能電容器(2，2a，2b)過量充電，且在儲(chǔ)能電容器(2，2a，2b)通過反向充電二極管(5)的反向充電經(jīng)由至少一個(gè)恢復(fù)或再生二極管(6，6a，6b)返回到直流電壓源之后，該過量電能仍然存在，而且開關(guān)器件(3，3a，3b)只有在放電電流衰減之后才轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。本發(fā)明還可以進(jìn)一步作如下有益的擴(kuò)展儲(chǔ)能電容器(2)一方面接到直流電壓源(1)的正極，另一方面經(jīng)由至少一反向充電二極管(5)和反饋轉(zhuǎn)換變壓器(7)的一次繞組(7a)接到直流電壓源的另一負(fù)極，且反饋轉(zhuǎn)換變壓器(7)的二次繞組(7b)系這樣經(jīng)由再生二極管(6)接到直流電壓源(1)上，使得當(dāng)二次繞組(7b)的自感應(yīng)電壓超過直流電壓源(1)的電壓時(shí)，二極管(6)導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容器(2)的充電電壓由直流電壓源(1)和反饋轉(zhuǎn)換變壓器(7)的變壓比固定下來。
第一儲(chǔ)能電容器(2b)一方面接到直流電壓源(1)的第一負(fù)極上，另一方面經(jīng)由第一再生二極管(6a)接至直流電壓源的第二正極上，且第二儲(chǔ)能電容器(2a)一方面接到直流電壓源的第二正極上，另一方面經(jīng)由第二再生二極管(6b)接到直流電壓源的第一負(fù)極上，此外，儲(chǔ)能電容器(2a，2b)在所有情況下都由隔離變壓器(9)的一個(gè)一次繞組(9a，9b)，在所有情況下都經(jīng)由一反向諧振截止二極管(4a，4b)和在所有情況下都經(jīng)由一開關(guān)器件(3a，3b)經(jīng)由火花隙(11)同步而同時(shí)地放電，而且儲(chǔ)能電容器(2a，2b)經(jīng)由連接著遠(yuǎn)離電源極的儲(chǔ)能電容器(2a，2b)各側(cè)的反向充電二極管(5)和電感線圈(8)再充電，直到再生二極管(6a，6b)導(dǎo)通為止，儲(chǔ)能電容器(2a，2b)的充電電壓由電源(1)確定。
所使用的電壓具有這樣的好處，即開關(guān)器件對(duì)它的利用率達(dá)到最佳狀態(tài)，因?yàn)閾Q向只在不通電狀態(tài)下進(jìn)行的。鑒于在充放電電路中實(shí)質(zhì)上只有正弦波脈沖流，因此對(duì)同樣的電流峰值來說，其電能量要比普通三角脈沖的高27%。此外還避免了公知電路的缺點(diǎn)。這尤其影響儲(chǔ)能電容器充電狀態(tài)的效率和明確性以及電路的復(fù)雜性，從而也影響電路的可靠性和結(jié)構(gòu)體積。
高能脈沖的采用大大改進(jìn)了金屬絲切割過程和電火花腐蝕鉆孔過程中的腐蝕過程，因?yàn)榧词构ぜ碗姌O之間發(fā)生金屬短路，電阻加熱作用(達(dá)到工件和/或電極各部分蒸發(fā)的程度)也會(huì)把它熔掉，并能將它轉(zhuǎn)化成可有效除去的等離子體放電。但由于電阻率低，因而這只有在脈沖電流超過500安左右時(shí)實(shí)際上才有可能。
本發(fā)明的脈沖發(fā)生器特別小而輕，因此，舉例說，在一個(gè)雙層Euro板上就不難裝上一個(gè)150安峰值電流的電路，在19英寸支架上制造一個(gè)900安發(fā)生器。這使發(fā)生器的體積減小到現(xiàn)有發(fā)生器體積的至少十分之一。
下面參照附圖介紹本發(fā)明的一些實(shí)施例，但這些實(shí)施例的介紹不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的限制。附圖中圖1是本發(fā)明在充電調(diào)節(jié)電路中有一個(gè)反饋轉(zhuǎn)換變壓器的第一個(gè)實(shí)施例。
圖2是本發(fā)明在充電調(diào)節(jié)電路中有兩個(gè)儲(chǔ)能電容器和一個(gè)電感線圈的第二個(gè)實(shí)施例。
圖1是電路簡單結(jié)構(gòu)的示意圖。直流電壓源1的正極接到儲(chǔ)能電容器2上。放電電路并聯(lián)到儲(chǔ)能電容器上，電路中有一串聯(lián)聯(lián)接的開關(guān)器件3、一反向諧振截止二極管4、一引線電感線圈10和一火花隙11。發(fā)生器的輸出端子標(biāo)以G+和G-。
給儲(chǔ)能電容器2充電的充電電路含有連接到儲(chǔ)能電容器2另一個(gè)極的反向充電二極管5和與其串聯(lián)連接的反饋轉(zhuǎn)換變壓器7的一次繞組7a。一次繞組7a的另一端接到直流電壓源1的負(fù)極。反饋轉(zhuǎn)換變壓器7的二次繞組7b與恢復(fù)或再生二極管6串聯(lián)聯(lián)接，再并聯(lián)聯(lián)接到直流電壓源1上。反饋?zhàn)儞Q變壓器7兩繞組7a、7b按圖1中所示的點(diǎn)表示其極性。
圖1電路的作用如下。接通直流電壓源1時(shí)，儲(chǔ)能電容器2通過反向充電二極管5和一次繞組7a的電感線圈被充電到將近兩倍所述電源電壓。只要反饋轉(zhuǎn)換變壓器7的變壓比(7a∶7b)小于1，再生二極管6就會(huì)只有在該充電過程中才導(dǎo)通。這時(shí)如果使開關(guān)器件3導(dǎo)通，則儲(chǔ)能電容器就通過火花隙11、引線電感線圈10、反向諧振截止二極管4和開關(guān)器件3放電，所儲(chǔ)存的部分電能被轉(zhuǎn)換成火花能。所儲(chǔ)存的電能較大的部分流回儲(chǔ)能電容器2中，再次按相反的極性給儲(chǔ)能電容器2充電。反向諧振截止二極管4起防止繼續(xù)放電的作用，因?yàn)槔^續(xù)放電會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)電流脈沖，從而使電極嚴(yán)重?fù)p壞，這是我們所不希望的。在放電過程中，儲(chǔ)能電容器2的電壓一旦小于直流電壓源1的電壓時(shí)，正弦放電電流就開始流經(jīng)反向充電二極管5、一次繞組7a的電感線圈和直流電壓源1中。反饋轉(zhuǎn)換變壓器7的極性是這樣設(shè)定的，使得在此階段再生二極管6在截止方向上受壓。在此反向充電過程中，直流電壓源1產(chǎn)生過量電能，此過量電能等于充電電流對(duì)電流-時(shí)間的積分乘以直流電壓源1的電壓值。電路取這樣的規(guī)模，使該過量電能正好大得足以彌補(bǔ)火花能和電路中的損失。若在放電過程中所消耗掉的電能小于所提供的過量電能，則儲(chǔ)能電容器2只被充電到這樣的程度，使二次繞組7b中的自感應(yīng)電壓大于電源1的電壓。由于從這時(shí)起再生二極管6開始導(dǎo)通，因而儲(chǔ)存在反饋轉(zhuǎn)換變壓器7的電感線圈中的過量電能返回到直流電壓源1中。變壓器7鐵心最好是鐵氧體制成的，而且?guī)Э諝庀?，采用公知的雙線無感繞法工藝，使得盡管有空氣隙但可以達(dá)到良好的磁耦合。假設(shè)電源1的電壓為E，一次繞組7a與二次繞組7b的變壓比為n，則儲(chǔ)能電容器2的充電電壓為E·(1+n)。反向充電二極管5的大小應(yīng)足以承受至少E·2n的電壓，再生二極管6則應(yīng)足以承受至少E·(2+2/n)。在小型發(fā)生器的情況下，E值一般為100伏，N＝2，充電電壓為300伏，容許采用高效的400伏二極管。放電電流更高，引線電感線圈10的電感值更大時(shí)，充電電壓可能需要500伏甚至1000伏以上。
圖1一般顯示無需受控元件以控制電容器的充電的情況。實(shí)際上有諸如二極管和反饋轉(zhuǎn)換器的電感線圈之類的純無功元件就夠了。為了在火花放電之后使儲(chǔ)能電容器的過量電能可返回到直流電壓源1中，可以令開關(guān)器件3只有在通過反向充電二極管5的反向充電電流大致上衰減時(shí)才導(dǎo)通。開關(guān)器件3由圖中未示出的脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，該發(fā)生器的最大開關(guān)頻率系按這樣的方式加以限制，使其能確保只有當(dāng)再生結(jié)束時(shí)才能開始新的放電(開關(guān)器件3成為導(dǎo)通)。驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件3的驅(qū)動(dòng)脈沖，其脈沖持續(xù)時(shí)間應(yīng)使其如此之長，使得開關(guān)器件3只有當(dāng)放電電流已衰減時(shí)才截止。
圖2是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的示意圖，其原理與圖1的類似。與圖1電路不同的地方在于有兩個(gè)儲(chǔ)能電容器2a，2b和兩個(gè)放電電路3a，4a，9a;3b，4b，9b。該電路的結(jié)構(gòu)如下直流電壓源1并聯(lián)聯(lián)接有串聯(lián)聯(lián)接的第一儲(chǔ)能電容器2a和在截止方向上連接的再生二極管6b，直流電壓源1還并聯(lián)聯(lián)接有串聯(lián)聯(lián)接的再生二極管6a和第二儲(chǔ)能電容器2b(字母a實(shí)際上表示第一個(gè)電路，字母b表示第二個(gè)電路)。以儲(chǔ)能電容器2b和再生二極管6b為一方，以儲(chǔ)能電容器2b和再生二極管6a為另一方，這兩方之間的兩公共連接點(diǎn)用串聯(lián)聯(lián)接的反向充電二極管5和電感線圈8彼此連接起來。
第一儲(chǔ)能電容器2a并聯(lián)聯(lián)接有串聯(lián)聯(lián)接的隔離變壓器9的一次繞組9a、反向諧振截止二極管4a和開關(guān)器件3a。與此相對(duì)應(yīng)，第二儲(chǔ)能電容器2b也并聯(lián)聯(lián)接有串聯(lián)聯(lián)接的隔離變壓器9的另一個(gè)一次繞組9b、反向諧振截止二極管4b和開關(guān)器件3b。隔離變壓器的二次繞組9c與兩一次繞組9a、9b磁耦合。二次繞組9c的兩端以發(fā)生器端子G+和G-表示，火花隙11(連同其引線電感線圈10)即按圖1接到端子G+和G-上。
該電路的作用如下。充電調(diào)節(jié)電路連同元件5至8以固定的過量電能工作，每個(gè)儲(chǔ)能電容器2a、2b的過量電能為直流電壓源1的電壓值乘以充電電流對(duì)時(shí)間的積分值的一半。
接通直流電壓源1時(shí)，兩儲(chǔ)能電容器2a、2b即通過反向充電二極管5和電感線圈8被充電到接近直流電壓源1的電壓。放電過程基本上與第一個(gè)回路的相同，區(qū)別在于，兩開關(guān)器件3a和3b系同步且同時(shí)導(dǎo)通，因而促使與其相連的儲(chǔ)能電容器2a或2b放電，于是所述電容器的兩脈沖電流就通過兩一次繞組9a、9b耦合輸出到發(fā)生器的輸出端。這具有這樣的好處，即直流電壓源1無需與電源在電流上進(jìn)行隔離。發(fā)生器輸出端(G+，G-)的電壓還可以使其與隔離變壓器的變壓比匹配。儲(chǔ)能電容器2a、2b的下列充電過程再次經(jīng)由反向充電二極管5和電感線圈8進(jìn)行，直到儲(chǔ)能電容器2a、2b已充電到直流電壓源1的電壓值為止。這時(shí)再生二極管6a和6b導(dǎo)通，同時(shí)電感線圈8中的過量電能在電源1中被回收。通過選擇電感線圈8的大小可以選擇反向充電時(shí)間。此反向充電時(shí)間一方面使其盡量短(例如5至10微秒)，使脈沖頻率高，另一方面，在反向充電時(shí)間過短的情況下，充電電流會(huì)變高到不必要的程度，而且時(shí)間過短，以致使開關(guān)器件3a、3b不能進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。這也適用于圖1的電路。
兩電路的開關(guān)器件3、3a和3b可以選用現(xiàn)成的快速電子開關(guān)，從雙極晶體管，到金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、矩形脈沖開關(guān)(GTO)、半導(dǎo)體可控整流器，直到，在極端的情況下，氫閘流管，都可采用。諸如硅可控整流器之類的反向截止開關(guān)也可以取代反向諧振截止二極管4、4a、4b的作用，這進(jìn)一步簡化了線路。在圖2的電路中，標(biāo)出的各黑點(diǎn)表示繞組9a、9b和9c繞制時(shí)的極性。
權(quán)利要求
1.電火花腐蝕金屬加工用的一種脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器具有一直流電壓源(1)、至少一控制著起碼一儲(chǔ)能電容器(2，2a，2b)的充電的充電調(diào)節(jié)電路(5-8)和至少一將至少一儲(chǔ)能電容器連接到火花隙(11)的開關(guān)器件(3，3a，3b)，電路中儲(chǔ)能電容器與火花隙之間有一反向諧振截止二極管(4，4a，4b)，該脈沖發(fā)生器的特征在于，充電調(diào)節(jié)電路中只含不受控制的元件(5-8)，且該電路取這樣的規(guī)模，使儲(chǔ)能電容器(2，2a，2b)過量充電，且在儲(chǔ)能電容器(2，2a，2b)通過反向充電二極管(5)的反向充電經(jīng)由至少一個(gè)恢復(fù)或再生二極管(6，6a，6b)返回到直流電壓源之后，該過量的電能仍然存在，而且開關(guān)器件(3，3a，3b)只有在放電電流衰減之后才轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的脈沖發(fā)生器，其特征在于，儲(chǔ)能電容器(2)一方面接到直流電壓源(1)的正極，另一方面經(jīng)由至少一反向充電二極管(5)和反饋轉(zhuǎn)換變壓器(7)的一次繞組(7a)接到直流電壓源的另一負(fù)極，且反饋轉(zhuǎn)換變壓器(7)的二次繞組(7b)系這樣經(jīng)由再生二極管(6)接到直流電壓源(1)上，使得當(dāng)二次繞組(7b)的自感應(yīng)電壓超過直流電壓源(1)的電壓時(shí)，二極管(6)導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容器(2)的充電電壓由直流電壓源(1)和反饋轉(zhuǎn)換變壓器(7)的變壓比固定下來。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的脈沖發(fā)生器，其特征在于，第一儲(chǔ)能電容器(2b)一方面接到直流電壓源(1)的第一負(fù)極上，另一方面經(jīng)由第一再生二極管(6a)接至直流電壓源的第二正極上，且第二儲(chǔ)能電容器(2a)一方面接到直流電壓源的第二正極上，另一方面經(jīng)由第二再生二極管(6b)接到直流電壓源的第一負(fù)極上，此外，儲(chǔ)能電容器(2a，2b)在所有情況下都經(jīng)由隔離變壓器(9)的一個(gè)一次繞組(9a，9b)，在所有情況下都經(jīng)由一反向諧振截止二極管(4a，4b)和在所有情況下都經(jīng)由一開關(guān)器件(3a，3b)經(jīng)由火花隙(11)同步而同時(shí)地放電，而且儲(chǔ)能電容器(2a，2b)經(jīng)由連接著遠(yuǎn)離電源極的儲(chǔ)能電容器(2a，2b)各側(cè)的反向充電二極管(5)和電感線圈(8)再充電，直到再生二極管(6a，6b)導(dǎo)通為止，儲(chǔ)能電容器(2a，2b)的充電電壓由電源(1)確定。
專利摘要
電火花腐蝕金屬加工用的一種脈沖發(fā)生器，包含給儲(chǔ)能電容器(2)充電用的充電調(diào)節(jié)電路(5-8)，該電路只采用不受控的元件。儲(chǔ)能電容器(2)經(jīng)由開關(guān)器件(3)正弦放電到火花隙(11)上。無論上一個(gè)脈沖的情況如何，下述充電總是按確定的形式進(jìn)行，以致能產(chǎn)生一致的脈沖。儲(chǔ)能電容器(2)以過量電能充電，且在火花放電恢復(fù)之后，該過量電能仍然留在直流電壓源(1)中。開關(guān)器件(3)只有當(dāng)放電電流已基本上衰減時(shí)才截止。這種脈沖發(fā)生器特別適用于產(chǎn)生金屬絲切割和電火花腐蝕鉆孔用的高能脈沖。
文檔編號(hào)H03K3/537GK87107913SQ87107913
公開日1988年6月1日 申請(qǐng)日期1987年11月17日
發(fā)明者恩斯特·布勒 申請(qǐng)人:洛迦諾電子工業(yè)股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan