30500字硕士毕业论文短弧机床新型脉冲电源的设计与仿真

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：30500字

论点：电弧,脉冲,加工

论文概述：

本文为短电弧加工机床设计了一种新型的脉冲电源，对短电弧加工常用的脉冲电源结构进行了研究分析，并结合本次电源设计的技术要求，提出了一种符合设计要求的新型短电弧加工脉冲电源方

论文正文：

导言

1.1 课题的来源本课题来源于国家自然科学基金项目：“短电弧加工过程中等离子体热压缩效应下材料去除机理研究”，国家自然科学基金项目编号：51065027。

1.2 课题背景及意义
近年来，短电弧特种加工技术的提出引起了电加工行业的广泛关注。该技术对超硬、高强度、高韧性、高耐磨性、严重冷作硬化等导电材料的切削加工具有明显的优势，可有效解决机械制造业面临的一些特殊材料难加工的问题，发展前景广阔[1]。然而，短电弧特种加工技术虽然为机械加工领域提出了一种新的加工方法，但由于发展时间短，其放电加工技术本身还不成熟，尤其是放电加工过程中的放电特性以及材料表面成形机理尚不清楚，该技术仍然处于不断探索阶段。短电弧加工技术主要研究集中在脉冲放电参数(电流脉冲频率、幅值、占空比、波形)对加工效率的影响，放电通道中发生的各种效应，以及放电过程中电压、电流的关系等，这些问题都有待进一步的研究。为此，为进一步对短电弧放电加工技术机理的研究，传统短电弧机床脉冲电源已不能满足对放电加工机理深入研究的需要，故本次设计为短电弧加工机床提出了一种新型的短电弧加工脉冲电源，并完成了对新型脉冲电源主电路及控制电路的研究和设计。新型短电弧机床脉冲电源结合传统脉冲电源主电路拓扑结构的优势，采用PWM 移相全桥控制技术，主要输出方式为恒压输出，具有调频、调压、调脉宽等输出功能，不仅符合短电弧放电加工技术研究的需要，同时该电源还具备效率高、稳定性好、输出纹波小、体积小、重量轻等一系列优点。一方面，新型脉冲电源的多参数可调输出是研究短电弧放电特性分析的必要条件，通过对不同参数放电脉冲的加工效果分析，可找出短电弧加工的加工效率与放电脉冲参数的关系，为进一步提高短电弧放电加工工作效率具有重要的意义；另一方面，新型短电弧机床脉冲电源采用开关技术和移相控制技术，使得电源本身特性好，具有输出参数质量高等特点，是一种新型的节能、高效、绿色无污染、环保型脉冲电源，也是目前特种加工电源的发展趋势。
 1.3 特种电加工电源的发展现状1.3.1 特种电加工现状及发展趋势特种电加工自上世纪四十年代开始，经历了五六十年的发展，它以其高精度、高效性等加工特点在先进制造领域发挥着越来越重要的作用。没有特种电加工，很多特殊材料以及复杂零件的成型可能无法实现，航空、航天等尖端技术行业就没有今天的成就。特种电加工机床是电加工技术的具体应用，它集电力电子技术、计算机技术、自动控制以及高精密机械等现代高新科技于一身，其发展的好坏表明了特种电加工的发展、应用水平和综合制造能力。目前，虽然国内特种电加工技术得到了迅速的发展，但是与国外的发展水平仍有一定的差距。比如我国生产的电火花成形机床中，多轴电火花成形机床的工作效率高达10mm3/min·A，表面粗糙度 Ra可达 0.05-0.1um，电极损耗低于 0.1%，这些工艺性能指标与国外同类型的机床相比差距不大，但是在机床的综合性能及稳定性方面仍有一定的距离。在机床精度方面，多轴电火花成形机床的定位精度可达0.005mm/100mm，重复定位精度达到 0.002mm，该技术指标也与国内相当，但国外的超精密特种电加工数控机床方面，国内还是空白。在操作的智能化方面，国外电加工机床带有 4-5 个工位的工具电极交换装置，而国内电加工机床基本不带刀具库。总的来说，国内特种电加工技术在迅速发展，不断的缩短与国外的差距，在一些核心技术上面，我们仍然还有很长的路要走。但是，特种电加工技术发展的趋势不变，把握好其研究方向对于发展电加工技术具有重要的意义。
 2. 短电弧加工脉冲电源总体方案
 短电弧机床、脉冲电源、高压水汽系统是短电弧加工设备的三大组成部分，而脉冲电源又是短电弧加工的核心内容。随着半导体工业以及电力电子行业的发展，脉冲电源也逐渐从可控硅调压稳压电源向如今高频高效的专用短电弧数控脉冲电源发展。随着短电弧加工技术的不断推广，提高加工精度，改善工件表面加工特性，简化短电弧工艺过程以提高短电弧加工效率，将成为短电弧数控脉冲电源研究的主要目的。
 3. 输入级整流滤波电路的设计分析 ..........183.1 输入整流滤波电路结构及参数设计 ...............183.2 输入整流滤波电路仿真分析 ...........203.3 平波电抗器作用及仿真 ...............213.4 输入软启动电路的仿真 .............233.5 本章小结 ...............244. DC/DC 中间变换电路的设计分析 ............254.1 全桥软开关变换器设计 ..........254.2 功率器件的选择 ...............284.3 高频变压器设计 ..................304.3.1 高频变压器铁芯材料及形状设计.............314.3.2 高频变压器结构的设计 ..................324.3.3 高频变压器偏磁现象及控制方法 ..........354.4 DC/DC 变换电路控制方式的设计分析 ...........364.4.1 PID 控制原理............364.4.2 数字 PI 调节器的建模与仿真 ...............384.4.3 移相脉冲发生器的建模与仿真 ..........414.5 本章小结 ...............465. 后级脉冲产生电路的设计分析 ................475.1 脉冲电压产生电路拓扑设计 ...................475.2 放电回路的设计 .......................495.3 本章小结 ..............50
 总结
 本文为短电弧加工机床设计了一种新型的脉冲电源，并对其进行了研究，其主要的工作内容包括以下几个面：（1）对短电弧加工常用的脉冲电源结构进行了研究分析，并结合本次电源设计的技术要求，提出了一种符合设计要求的新型短电弧加工脉冲电源方案。（2）对比各种变换电路的特点，对所提出的设计方案找出了一种最优的实现方法，主要包括主电路及控制电路的设计。（3）根据电源的技术要求和电路结构的分析，为直流变换电路设计了专用的高频变压器。（4）通过 MATLAB 仿真软件对所设计的主电路及控制电路进行了模型的建立，并完成了电源系统的静、动态仿真。（5）对仿真结果进行了分析研究，结果表明所设计的主电路及控制方案正确可行。（6）最后对所设计脉冲电源的控制电路及驱动电路进行 PCB 制板，完成了具体的实验分析，对实际结果与仿真结果进行了反复的比较与矫正，然后完成了对实际电路的优化。
 参考文献:[1] 张华洋，周建平，梁楚华. 基于电火花加工机理分析的短电弧加工技术机理初探[J]. 特种加工，2008(11):38-42.[2]梁楚华 短电弧加工技术及其应用 [J].现代制造工程.2007, 12:92-94.[3]吕文艳，梁楚华 短电弧加工工件表面特性的研究[J] 机床与液压 2010,38(23)：56-59.[4]张纹，蒋维波. 特种加工技术的应用及发展趋势[J] 农业装备技术 2006，32(3)：24-26.[5]电加工技术的发展现状 专题报告 44-45[6]曹凤国，伏金娟. 中国电加工机床现状及发展趋势[J] 产品与技术 2006(4) 66-71陈远龙，张正元. 电解加工技术的现状与展望[J] 航空制造技术 2010(5)：47-50杜贵平，姜立新. 电镀电源的现状及展望[J] 现代表面技术研究与应用 2005(6)：68-70.高毅 基于电火花加工机床脉冲电源的研究现状与发展趋势[J] 机械与电子 2008(6)：78-79狄士春，于滨，赵万生 电火花加工脉冲电源研究现状与发展趋势[J] 2002，38(4)：15-18