基于Atmega16的電火花穿孔機加工脈沖電源的設(shè)計

1、 基于Atmega16的電火花穿孔機加工脈沖電源的設(shè)計 劉雨蘭Summary針對現(xiàn)有電火花穿孔機加工脈沖電源的問題，設(shè)計了一種新型的數(shù)字式加工脈沖電源，采用Atmegal6單片機實現(xiàn)脈沖電源的核心控制，詳細介紹了整體設(shè)計要求，硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該加工脈沖電源參數(shù)設(shè)置范圍寬，操作簡便且顯示直觀，波形穩(wěn)定，加工效率高，實現(xiàn)了加工脈沖電源的先進控制?！綤ey】電火花穿孔機 加工脈沖電源 數(shù)字式 單片機 Atmega161 引言電火花穿孔機由機床本體、加工脈沖電源、主軸旋轉(zhuǎn)頭、高壓水泵等構(gòu)成，其中，加工脈沖電源的性能直接影響著孔加工的精度、效率及其穩(wěn)定性。目前大多數(shù)電火花穿孔機

2、加工脈沖電源有著諸多缺陷，其一仍采用RC振蕩電路和74系列的數(shù)字芯片作為核心電路實現(xiàn)信號輸出，其輸出波形的參數(shù)不夠理想，致使加工精度低，其二脈寬、脈間、電流等參數(shù)設(shè)定仍然是碼盤式和波段開關(guān)結(jié)構(gòu)，大小無法直觀顯示，只能憑經(jīng)驗判斷，其三由于采用碼盤操作，此開關(guān)容易壞，故障率非常高。鑒于此，本文利用Atmegal6單片機優(yōu)勢，設(shè)計了一種新型的數(shù)字式加工脈沖電源，可滿足不同材質(zhì)、不同厚度的孔加工工藝要求，實現(xiàn)了孔加工的優(yōu)良性能控制。2 整體設(shè)計要求為適應(yīng)各種材料的高速電火花穿孔加工，本文設(shè)計的加工脈沖電源具體技術(shù)要求為：（1）脈沖參數(shù)大范圍可調(diào)：脈沖頻率：500Hz-50KHz，無級可調(diào);占空比：10

3、%-50%，無級可調(diào)。（2）具有大的脈沖加工能量，加工電流大?。?A-40A可調(diào)。（3）加工波形穩(wěn)定，負載運行無失真。3 硬件設(shè)計3.1 結(jié)構(gòu)框圖加工脈沖電源由高頻脈沖控制板、高頻功率驅(qū)動板、供電模塊組成，如圖1所示。供電模塊具有較強的穩(wěn)壓，分別提供5V、15V、80V可靠的直流電源，使用安全，可靠性高，在損壞時也不會對負載造成危害。高頻脈沖控制板主要包括單片機最小系統(tǒng)、參數(shù)顯示電路、按鍵控制電路、PWM脈沖波形輸出電路、功率管開通信號輸出電路。操作者可通過按鍵控制電路進行參數(shù)設(shè)定，設(shè)定合適的脈沖頻率、占空比、加工電流，單片機根據(jù)接收到的設(shè)定，運算后產(chǎn)生相應(yīng)PWM波形輸出，并同時輸出功率管開通

4、信號。高頻功率驅(qū)動板接受到這些信號后，經(jīng)過前置驅(qū)動電路、功率放大電路，形成具有一定能量的脈沖波，加到電極與工件兩端，從而進行電火花穿孔加工。3.2 高頻脈沖控制板的電路設(shè)計高頻脈沖控制板電路圖如圖2所示，核心控制芯片采用AVR單片機Atmega16，配置外部晶振16MHz，可實現(xiàn)脈沖參數(shù)的精準控制。參數(shù)顯示電路選用3個2位LED數(shù)碼顯示器，74HC573的輸入端連接單片機的PBO-PB7口，輸出使能端分別連接PA3、PA4，進行數(shù)碼管的位選與段選，可實現(xiàn)高頻脈沖頻率、占空比、功率管開通3個參數(shù)的實際值顯示。按鍵控制電路設(shè)置6個按鍵，連接單片機的PCO-PC5口，分別進行參數(shù)的設(shè)定控制。利用At

5、mega16單片機的PWM功能，PD4口直接輸出符合設(shè)定要求的脈沖波形。功率管開通信號輸出電路中，6路開關(guān)量輸出分別是PDO-PD3，PD5-PD6，以滿足加工電流的多種選擇。3.3 高頻功率驅(qū)動板的電路設(shè)計前置驅(qū)動電路選用TLP250芯片，TLP250適用于柵極驅(qū)動的IGBT管和大功率MOSFET管。功率放大電路選用絕緣柵VMOS大功率場效應(yīng)管IRF250，該類管高頻區(qū)線性好、開關(guān)速度快、輸出電流大、耐壓高。電路如圖3所示，TLP250輸入端回路均由單片機端口控制，直接連接P控制信號和功率管開通信號，輸出端直接控制兩只MOS功率管，驅(qū)動板中共設(shè)計6組這樣的電路，控制12只功率管，最大電流為4

6、0A。通過這種控制方法可滿足控制功率管管數(shù)的通斷和電流調(diào)整要求。4 軟件設(shè)計在硬件的基礎(chǔ)上高頻脈沖模塊需進行軟件設(shè)計，軟件設(shè)計工具選用ImageCraft的ICCAVR軟件，整體采用模塊化設(shè)計方法，整個軟件部分由初始化模塊、參數(shù)設(shè)定及存儲模塊、高頻脈沖波控制計算模塊、輸出模塊、顯示模塊組成。軟件設(shè)計流程圖如圖4所示，上電后單片機1/0口初始化，定時器1初始化，參數(shù)讀取。在主循環(huán)中，判斷按鍵是否按下，如果是，進行參數(shù)設(shè)定及存儲，顯示，高頻脈沖波控制計算，參數(shù)輸出;如果否，進行電參數(shù)顯示。脈沖波控制是利用Atmega16單片機中具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器1，通過改變輸出

7、比較寄存器OCR1A、OCR1B設(shè)定值來精確實現(xiàn)的。工作模式選擇相頻修正PWM模式，輸出的PV/M頻率計算公式為：式中f輸出PWM波的頻率（KHz），fclk外部晶振的頻率（16MHz），N分頻因子（8分頻），TOP設(shè)定計數(shù)上限值。由此可見，改變設(shè)定的TOP值（即輸出比較寄存器OCR1A設(shè)定值），可進行PWM波的頻率調(diào)節(jié)：改變OCR1B的設(shè)定值，可進行PWM波的占空比調(diào)節(jié)。OCR1B=OCR1AA%=（10A）/f（3），式中A占空比。則高頻脈沖波控制計算程序如下：unsigned char Fre_ZKB（unsigned char f，unsigned char A）DDRD|=BIT（4

8、）|BIT（5）;TCCR1A=0 x63;TCCR1B=0 x12;OCR1A=1000/f，OCR1B=（10*A）/f;5 運行測試結(jié)果設(shè)計的加工脈沖電源應(yīng)用于電火花穿孔機，進行實際孔加工測試，所測加工脈沖波形如圖5（a）脈沖頻率500Hz、占空比10%，圖5（b）脈沖頻率500Hz、占空比50%。圖6（a）脈沖頻率10KHz、占空比10%，圖6（b）脈沖頻率10KHz、占空比50%。圖7（a）脈沖頻率50KHz、占空比10%，圖7（b）脈沖頻率50KHz、占空比50%。結(jié)果表明，該加工脈沖電源調(diào)節(jié)控制性能好，可滿足不同材質(zhì)、不同厚度的孔加工工藝要求。6 結(jié)束語本文設(shè)計了一種數(shù)字式電火花穿孔機加工脈沖電源，運行結(jié)果表明該加工脈沖電源控制先進，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖參數(shù)、電流大小的寬范圍設(shè)定，實時顯示，自動保存，上電后參數(shù)自動調(diào)用恢復(fù)，加工波形的精準控制，以及加工時的穩(wěn)定輸出，整體智能化程度高，不易出故障，設(shè)備加工效率得到了充分發(fā)揮和提升，應(yīng)用前景廣闊。Reference1張海峰，王立峰，劉建勇.小孔加工電火花脈沖電源實驗研究J.中國機械工程，2016，27（13）：1735-1739.2趙衍青.CPUD器件在電火花加工脈沖電源中的應(yīng)用J.機電信息，2014，36：52-53.3胡沁春等.基于FPGA的電火