專利名稱：激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖電源及其與激光器電源的分時(shí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有通過(guò)計(jì) 算機(jī)控制激光加工和電解射流加工進(jìn)行分時(shí)加工的功能，適用于激光電解射流復(fù)合加工。
背景技術(shù)：
隨著航空航天、精密器械產(chǎn)品朝著精密化、集成化以及高性能、高可靠性的方向快 速發(fā)展，在產(chǎn)品零件中出現(xiàn)了大量形狀各異的微結(jié)構(gòu)，其中金屬合金材料上的微細(xì)孔、型 槽、摩擦副表面微凹坑、表面紋理刻線等一系列典型微細(xì)結(jié)構(gòu)在航空航天、精密器械等領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)加工技術(shù)有著迫切的需求。激光加工和電解加工都是在上世紀(jì)五、六十年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的特種加工工 藝，由于其各具不同的優(yōu)越性而得到發(fā)展和應(yīng)用。這兩種加工工藝都具有各自突出的特點(diǎn)， 在微結(jié)構(gòu)的加工方面，激光加工易于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化。但激光加工后會(huì)在 加工表面產(chǎn)生厚度達(dá)0.01mm 0. Imm數(shù)量級(jí)的再鑄層以及殘余應(yīng)力、微裂紋而影響疲勞 強(qiáng)度，例如在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，其渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、燃燒室等高溫工作零件上，設(shè)計(jì) 有幾十個(gè)到數(shù)萬(wàn)個(gè)直徑在0. Imm 1.5mm之間的氣膜冷卻孔，在沖擊載荷、熱載荷工作條 件下更嚴(yán)重影響零件使用的安全可靠性，因而限制了激光加工在航空、航天等高可靠性產(chǎn) 品中的應(yīng)用。就一般產(chǎn)品而言，由于再鑄層中所存在的微裂紋、殘余應(yīng)力，致使零件損壞而 出現(xiàn)事故的情況也時(shí)有發(fā)生。再鑄層、微裂紋是激光加工的“唯一致命弱點(diǎn)(the Achilles heel) ”。電解加工作為一種基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的減材加工技術(shù)，在加工過(guò)程中，工件陽(yáng)極 上的金屬原子不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解，其材料的減少過(guò)程是以離子的形 式進(jìn)行。由于金屬離子的尺寸非常微小，因此，這種微溶解去除方式使得電解加工技術(shù)在微 細(xì)制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。電射流小孔加工工藝，原是國(guó)外綜合比較激 光打孔、電子束打孔、電火花小孔加工方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)后，在金屬型管電極小孔加工方法 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種小孔加工方法，其重要特點(diǎn)是表面不產(chǎn)生任何金相缺陷，加工表面 可達(dá)到無(wú)微裂紋、無(wú)變質(zhì)層、無(wú)殘余應(yīng)力的“三無(wú)”效果，非常適合加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪 葉片的深小孔、孔軸線與表面夾角很小的斜孔和群孔。如果能將激光加工與電解加工進(jìn)行復(fù)合，將可望達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì) 效果。已獲授權(quán)的國(guó)家發(fā)明專利《噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法及裝置》(專利號(hào) ZL200610041595. 0)就是將激光加工與噴射液束電解電解加工進(jìn)行復(fù)合，以激光加工為主 去除材料，噴射液束電解加工作用主要用于去除激光加工產(chǎn)生的再鑄層，試驗(yàn)表明噴射液 束電解-激光復(fù)合加工具有較高的加工效率，且能有效減薄再鑄層。但由于激光加工與 噴射液束電解加工是同時(shí)進(jìn)行、同時(shí)結(jié)束，而且其噴射液束電解加工電壓較低(一般低于 50V)，雖能夠有效減薄再鑄層，但無(wú)法根除再鑄層。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種既能使得激光與電解射流同時(shí)復(fù)合加工，又能使得激光與電解射流分時(shí)組合加工的分時(shí)控制系統(tǒng)及控制方法， 以適用于激光電解射流的復(fù)合加工。技術(shù)方案本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)，包括電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源、脈沖發(fā)生電路、微處理器控制電路、功率放大電路、脈沖Nd:YAG激光器電源和過(guò)流保護(hù) 電路；脈沖發(fā)生電路輸出端連接微處理器控制電路的輸入端，微處理器控制電路的輸出端 分別連接功率放大電路和脈沖Nd:YAG激光器電源的輸入端，電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電 源和過(guò)流保護(hù)電路的輸出端分別接微處理器控制電路的輸入端，功率放大電路的輸出端連 接噴嘴，工件連接電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源的正極。所述的激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)的控制方法，由電壓連續(xù)可調(diào)的直流 穩(wěn)壓電源與脈沖發(fā)生電路構(gòu)成脈沖電源，所述微處理器控制電路接口電路輸出端A的電壓 信號(hào)是高電平時(shí)，電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源輸出的直流電流流過(guò)電解射流加工接口 P ； 輸出端A的電壓信號(hào)是低電平時(shí)，電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源輸出的脈沖電流流過(guò)電解 射流加工接口 P;微處理器控制電路的計(jì)算機(jī)控制接口電路的輸出端B是高電平時(shí)進(jìn)行電 解射流加工，輸出端B是低電平時(shí)停止電解射流加工；微處理器控制電路的計(jì)算機(jī)控制接 口電路的輸出端C的電平信號(hào)由低電平上升為高電平時(shí)，觸發(fā)脈沖Nd: YAG激光器電源產(chǎn)生 一個(gè)激光脈沖；通過(guò)控制微處理器控制電路(III)的計(jì)算機(jī)控制接口電路的輸出端B和C， 實(shí)現(xiàn)激光加工和直流電解射流加工分時(shí)進(jìn)行。有益效果對(duì)于已經(jīng)開(kāi)展研究的激光電解射流復(fù)合加工技術(shù)，目前存在以下幾個(gè) 問(wèn)題其中激光加工作用與電解射流加工作用是同時(shí)進(jìn)行的，雖然取得了顯著的減薄激光 加工產(chǎn)生的再鑄層的效果，但很難甚至無(wú)法完全去除再鑄層；且其電解射流加工中采用的 多為直流電源，其定域性較差，加工的孔、槽的錐度較大；電解射流加工施加的直流電場(chǎng)會(huì) 減弱激光加工的作用效果，使得激光加工的效率顯著下降。針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明專利中提 供的分時(shí)控制系統(tǒng)能夠?qū)す饧庸ず碗娊馍淞骷庸ぴ诩庸r(shí)間匹配關(guān)系上進(jìn)行控制，并通 過(guò)提高電解加工電壓增強(qiáng)電解射流加工的作用效果，利用本發(fā)明提供的電解射流用高壓脈 沖電源和激光器電源的分時(shí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光加工與脈沖電解射流加工的作用時(shí)間匹配 關(guān)系，能夠根除激光加工產(chǎn)生的再鑄層，且不會(huì)因直流電場(chǎng)削弱激光加工效果，同時(shí)發(fā)揮激 光加工和電解射流加工的高效率，使之具有較高的綜合加工效率，從而對(duì)航空航天、精密器 械中可靠性要求較高的零件上廣泛存在的尺寸在0. Imm 1.5mm之間的小孔、窄槽、微凹 坑、紋理刻線等微結(jié)構(gòu)的加工，可達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效而又高表面質(zhì)量之加工目標(biāo)。


圖1是直流電流和脈沖電流電源與分時(shí)控制系統(tǒng)的電路框圖。圖2是直流電流和脈沖電流電源與分時(shí)控制系統(tǒng)的電路原理圖。圖3是微處理器控制電路(III)輸出端口 B和C的電平信號(hào)波形。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖1、2、3所示，實(shí)施例中的電源裝置包括電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源I，脈沖發(fā)生電路II，微處理器控制電路III，功率放大電路IV，脈沖Nd:YAG激光器電源電路V，過(guò) 流保護(hù)電路VI。脈沖發(fā)生電路II輸出端連接微處理器控制電路III的輸入端，微處理器控 制電路III輸出端連接功率放大電路IV的輸入端，功率放大電路IV的輸出端連接噴嘴，工 件連接電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源I的正極?；魻栯娏鱾鞲衅鹘釉诠β史糯箅娐稩V的 輸出端與噴嘴之間的連線上，霍爾電流傳感器的輸出信號(hào)線連接在過(guò)流保護(hù)電路VI的輸 入端，過(guò)流保護(hù)電路VI的輸出端連接功率放大電路IV的輸入端。微處理器控制電路III 的接口電路輸出端C連接脈沖Nd: YAG激光器電源電路V的輸入端D。所述微處理器控制電路III包括計(jì)算機(jī)、接口電路、第一和第二繼電器K1、K2以及 第一和第二開(kāi)關(guān)S1、S2，其中計(jì)算機(jī)的輸出端接接口電路的輸入端，接口電路的輸出端A接 第一繼電器Kl的輸入端，接口電路的輸出端B接第二繼電器K2的輸入端，接口電路的輸出 端C接脈沖Nd:YAG激光器電源V的輸入端，第一繼電器Kl與第一開(kāi)關(guān)Sl對(duì)應(yīng)吸合設(shè)置， 第二繼電器K2與第二開(kāi)關(guān)S2對(duì)應(yīng)吸合設(shè)置，第一開(kāi)關(guān)Sl的2、3腳為常閉，第一開(kāi)關(guān)Sl的 1、3腳為常開(kāi)，第二開(kāi)關(guān)S2的1、2腳為常開(kāi)，第一開(kāi)關(guān)Sl的3腳與第二開(kāi)關(guān)S2的1腳連 接，第一開(kāi)關(guān)Sl的1腳接直流電源VCC，第一開(kāi)關(guān)Sl的2腳接脈沖發(fā)生電路II的輸出端， 第二開(kāi)關(guān)S2的2腳接功率放大電路IV的輸入端。所述功率放大電路IV由電阻R3、復(fù)合三極管Q1、功率開(kāi)關(guān)管Q2、噴嘴與工件組成 的電解射流加工接口 P組成，電解射流加工接口 P設(shè)置于功率開(kāi)關(guān)管Q2的輸出極與電壓連 續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源I的正極之間，功率開(kāi)關(guān)管Q2的源極分別與第三電阻R3的一端和 復(fù)合三極管Ql的發(fā)射極連接接地，電阻R3的另一端分別接復(fù)合三極管Ql的基極、微處理 器控制電路III的輸出端連接過(guò)流保護(hù)電路VI的輸出端，復(fù)合三極管Ql的集電極接功率 開(kāi)關(guān)管Q2的柵極。實(shí)施例1，激光-直流電解射流的分時(shí)加工。微處理器控制電路III中的開(kāi)關(guān)S2 閉合和Sl開(kāi)關(guān)1、3連接時(shí)，高電平信號(hào)輸入功率放大電路IV，使功率放大電路IV的復(fù)合三 極管Q1、功率開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，Q2的導(dǎo)通使噴嘴接電源負(fù)極，于是在電源負(fù)極、噴嘴、噴射液 束、工件、電源正極形成電流回路，產(chǎn)生的直流電流對(duì)工件進(jìn)行陽(yáng)極電解溶解即直流電解加 工。在直流電解射流加工的同時(shí)，微處理器控制電路III的接口電路輸出端B和C的電平 信號(hào)波形是分時(shí)的，見(jiàn)圖3，使激光加工和直流電解射流加工分時(shí)進(jìn)行。在本實(shí)施例中，微處理器控制電路III的接口電路輸出端A為高電平時(shí)，繼電器K1 吸合，開(kāi)關(guān)Sl的1、3端連接。接口電路輸出端B為高電平時(shí)，繼電器K2吸合，開(kāi)關(guān)S2閉 合；接口電路輸出端B為低電平時(shí)，繼電器K2不吸合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)。在本實(shí)施例的激光加 工中，接口電路輸出端C輸出脈沖信號(hào)的上升沿觸發(fā)激光脈沖加工。實(shí)施例2，激光-脈沖電解射流的分時(shí)加工。微處理器控制電路III中的開(kāi)關(guān)S2 閉合和Sl開(kāi)關(guān)2、3連接時(shí)，脈沖信號(hào)輸入功率放大電路IV，使功率放大電路IV的復(fù)合三極 管Q1、功率開(kāi)關(guān)管Q2產(chǎn)生脈沖導(dǎo)通，Q2的導(dǎo)通使噴嘴接電源負(fù)極，于是在電源負(fù)極、噴嘴、 噴射液束、工件、電源正極回路中產(chǎn)生脈沖電流，脈沖電流對(duì)工件進(jìn)行脈沖電解。在脈沖電 解射流加工的同時(shí)，微處理器控制電路III的接口電路輸出端B和C的電平信號(hào)波形是分 時(shí)的，見(jiàn)圖3，使激光加工和脈沖電解射流加工分時(shí)進(jìn)行。在本實(shí)施例中，微處理器控制電路III的接口電路輸出端A為低電平時(shí)，繼電器Kl不吸合，開(kāi)關(guān)Sl的2、3端連接。接口電路輸出端B為高電平時(shí)，繼電器K2吸合，開(kāi)關(guān)S2閉合；接口電路輸出端B為低電平時(shí)，繼電器K2不吸合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)。在本實(shí)施例的激光加工中，接口電路輸出端C輸出脈沖信號(hào)的上升沿觸發(fā)激光脈沖加工。
在實(shí)施例1和2中，過(guò)流保護(hù)電路VI中的霍爾電流傳感器測(cè)得的電解加工電流值 小于可調(diào)電阻R8設(shè)定的電流值，過(guò)流保護(hù)電路VI中的比較器LM311輸出低電平，晶閘管 SCR截止，電解加工的電平信號(hào)能正常通過(guò)微處理器控制電路III輸出端進(jìn)入功率放大電 路IV輸入端，進(jìn)行正常電解加工；霍爾電流傳感器測(cè)得的電解加工電流值大于可調(diào)電阻R8 設(shè)定的電流值，比較器LM311輸出高電平，使晶閘管SCR導(dǎo)通，從微處理器控制電路III輸 出的電解加工電平信號(hào)被晶閘管SCR導(dǎo)通接地，功率放大電路IV的Ql、Q2截止，從而停止 電解加工。
權(quán)利要求
一種激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)，其特征在于包括電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源(I)、脈沖發(fā)生電路(II)、微處理器控制電路(III)、功率放大電路(IV)、脈沖Nd:YAG激光器電源(V)和過(guò)流保護(hù)電路(VI)；脈沖發(fā)生電路(II)輸出端連接微處理器控制電路(III)的輸入端，微處理器控制電路(III)的輸出端分別連接功率放大電路(IV)和脈沖Nd:YAG激光器電源(V)的輸入端，電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源(I)和過(guò)流保護(hù)電路(VI)的輸出端分別連接微處理器控制電路(III)的輸入端，功率放大電路(IV)的輸出端連接噴嘴，工件連接電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源(I)的正極。
2.如權(quán)利要求1所述的激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)，其特征在于所述微處理 器控制電路(III)包括計(jì)算機(jī)、接口電路、第一和第二繼電器(K1、K2)以及第一和第二開(kāi) 關(guān)(S1、S2)，其中計(jì)算機(jī)的輸出端接接口電路的輸入端，接口電路的輸出端A接第一繼電器 (K1)的輸入端，接口電路的輸出端B接第二繼電器(K2)的輸入端，接口電路的輸出端C接 脈沖Nd:YAG激光器電源(V)的輸入端，第一繼電器(K1)與第一開(kāi)關(guān)(S1)對(duì)應(yīng)吸合設(shè)置， 第二繼電器(K2)與第二開(kāi)關(guān)(S2)對(duì)應(yīng)吸合設(shè)置，第一開(kāi)關(guān)(S1)的2、3腳為常閉，第一開(kāi) 關(guān)(S1)的1、3腳為常開(kāi)，第二開(kāi)關(guān)(S2)的1、2腳為常開(kāi)，第一開(kāi)關(guān)(S1)的3腳與第二開(kāi) 關(guān)(S2)的1腳連接，第一開(kāi)關(guān)(S1)的1腳連接直流電源VCC，第一開(kāi)關(guān)(S1)的2腳接脈沖 發(fā)生電路(II)的輸出端，第二開(kāi)關(guān)(S2)的2腳接功率放大電路(IV)的輸入端。
3.如權(quán)利要求1所述的激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)，其特征在于所述功率放 大電路(IV)由電阻R3、復(fù)合三極管Q1、功率開(kāi)關(guān)管Q2、噴嘴與工件組成的電解射流加工接 口 P組成，電解射流加工接口 P設(shè)置于功率開(kāi)關(guān)管Q2的輸出極與電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓 電源(I)的正極之間，功率開(kāi)關(guān)管Q2的源極分別與電阻R3的一端和復(fù)合三極管Q1的發(fā)射 極連接接地，電阻R3的另一端分別接復(fù)合三極管Q1的基極、微處理器控制電路(III)的輸 出端和過(guò)流保護(hù)電路(VI)的輸出端，復(fù)合三極管Q1的集電極接功率開(kāi)關(guān)管Q2的柵極。
4.一種如權(quán)利要求1所述的激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于由電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源(I)與脈沖發(fā)生電路(II)構(gòu)成脈沖電源，所述微處理 器控制電路(III)接口電路輸出端A的電壓信號(hào)是高電平時(shí)，電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電 源(I)輸出的直流電流流過(guò)電解射流加工接口 P ；輸出端A的電壓信號(hào)是低電平時(shí)，電壓連 續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源(I)輸出的脈沖電流流過(guò)電解射流加工接口 P ；微處理器控制電路 (III)的計(jì)算機(jī)控制接口電路的輸出端B是高電平時(shí)進(jìn)行電解射流加工，輸出端B是低電平 時(shí)停止電解射流加工；微處理器控制電路(III)的計(jì)算機(jī)控制接口電路的輸出端C的電平 信號(hào)由低電平上升為高電平時(shí)，觸發(fā)Nd:YAG激光器電源(V)產(chǎn)生一個(gè)脈沖激光，通過(guò)控制 微處理器控制電路(III)的計(jì)算機(jī)控制接口電路的輸出端B和C，實(shí)現(xiàn)激光加工和直流電解 射流加工分時(shí)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種激光電解射流復(fù)合加工分時(shí)控制系統(tǒng)及控制方法，本發(fā)明系統(tǒng)包括電壓連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，脈沖發(fā)生電路，微處理器控制電路，功率放大電路，脈沖Nd:YAG激光器電源電路，過(guò)流保護(hù)電路。本發(fā)明方法通過(guò)脈沖發(fā)生電路的可調(diào)電位器調(diào)節(jié)電解射流加工用脈沖電源的頻率和占空比，通過(guò)微處理器控制電路中的輸出端，計(jì)算機(jī)控制電源裝置輸出直流電流或高頻脈沖電流，并能夠?qū)崿F(xiàn)高頻脈沖電解射流加工和激光加工的分時(shí)作用。
文檔編號(hào)H02M9/00GK101829819SQ20101001793
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者余毅權(quán), 吳彥農(nóng), 徐家文, 王超恒, 袁立新, 趙建社, 黃巍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)