基于FPGA的纳秒脉冲微细电解加工电源的研制

摘要

微细电解加工是一种以离子方式去除材料的特种加工方式，具有加工精度高、工具无损耗、无残余应力变形存在以及与零件硬度无关等显著优点。因此，从理论上来说，微细电解加工和现在的数控技术等相结合，可以实现微细结构的高精度加工。
　　 本文在分析了影响微细电解加工中各种的因素的基础上，从影响微细电解加工的关键因素——加工电源去考虑，自行研制适用于微细电解加工的纳秒脉冲电源。该电源设计的整体方案采用直流加斩波的方式，输出脉冲电压峰峰值最高可达10V，脉冲的最高频率是5MHz，占空比最小可达0.02，最终输出的脉冲最小脉宽可达80ns以下。该电源的研制是基于FPGA的芯片而进行的，由FPGA芯片编程产生高频脉冲，该脉冲经过信号放大后驱动斩波MOSFET的开通和关断，对主电路的直流电压斩波，最终输出脉冲宽度达到纳秒级的脉冲电压。硬件电路的设计包括了主电路直流调压的设计、驱动电路驱动放大脉冲信号的设计、检测电路短路保护的设计三个方面，绘制出了电路图并制作出PCB板。
　　 在应用FPGA芯片开发时使用Verilog语言进行编程，使程序灵活易懂，代码效率更高，编程的设计包括了高频脉冲发生的设计，按键调节参数的程序设计，检测信号的处理编程设计。最终可输出形状规整的5MHz的脉冲方波，该脉冲信号用于控制MOSFET的开通与关断;其频率和占空比可以通过FPGA开发板上的物理按键来调节。应用FPGA的设计软件QuartusⅡ进行设计，对所设计出的程序都采用Modelsim软件进行仿真，确定程序无误后进行上板调试。调试采用SignalTapⅡLogic Analyzer来进行，在分析器中调用出所需的信号进行监测。最后根据设计的需求和实际的输出优化FPGA的输出参数，使最终输出的信号达到最优化程度。
　　 结合微细电解加工的特点，在装备上进行了相应的微细电解加工实验。分别对不同的加工电压、电解液、电解液浓度、占空比和电极形状等进行了试验和比较，经过分析研究，得出了以上各加工参数对微细电解加工效果的影响规律。应用微细圆柱电极和加工出的微细螺旋电极分别进行微细孔的加工实验，分别加工出不同的微结构，进一步通过对比验证了不同加工因素对加工效果的影响和机床的精度及稳定性。

目录

摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 本课题的研究背景

1．3 微细电解加工技术的国内外研究现状

1．3．1 高频脉冲微细电解加工技术

1．3．2 高频脉冲电源的发展概况

1．3．3 微束流电解加工技术

1．3．4 电化学掩膜加工

1．3．5 其他微细电解加工方法

1．4 本课题的研究概况

1．4．1 课题研究目的和意义

1．4．2 课题来源

1．4．3 课题研究内容及目标

第二章 微细电解加工的理论基础

2．1 电化学加工的基本理论

2．1．1 电化学反应过程

2．1．2 电极电位的形成

2．1．3 电极的极化

2．1．4 电解加工机理

2．2 微细电解加工的基础条件

2．2．1 微细电解加工的误差形成

2．2．2 实现微细电解加工的基本技术条件

2．3 高频、窄脉冲电解加工基本原理

2．3．1 微细电解的等效电路分析

2．3．2 超短脉冲电解加工方法

2．4 本章小结

第三章 电源的整体设计和硬件电路设计

3．1 电源的整体设计要求

3．2 电源的整体设计方案

3．3 主电路的设计

3．4 控制电路的设计

3．4．1 驱动放大电路的设计

3．4．2 斩波电路的设计

3．5 检测电路的设计

3．5．1 电解加工间隙检测方法

3．5．2 本电源间隙检测方法

3．6 电源PCB板的制作

3．6．1 PCB设计的一般原则

3．6．2 PCB及电路抗干扰措施

3．7 电源的整机制作

3．8 本章小结

第四章 FPGA的编程设计

4．1 数字电路的设计方法

4．2 编程语言的选择

4．2．1 VHDL语言

4．2．2 Verilog语言

4．3 控制脉冲程序的设计

4．3．1 基准时钟的倍频

4．3．2 脉冲计数的编程

4．3．3 脉冲程序的仿真

4．3．4 脉冲程序的上板调试

4．4 按键程序的设计

4．5 检测程序的设计

4．5．1 检测程序的流程

4．5．2 检测程序的调试

4．6 本章小结

第五章 工艺实验

5．1 微细电极的制作

5．2 微细孔加工实验

5．2．1 脉宽对加工的影响

5．2．2 电压对加工的影响

5．2．3 电解液对加工的影响

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢