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Einrichtung zur formgebenden Bearbeitung eines elektrisch leitenden
Werkstückes durch eine Reihe von Funkenentladungen
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durch ein verstärktes Signal geregelt, welches als Resultat einer Integration der Spannung erhalten wird, die über dem zwischen Werkzeug und Werkstück vorhandenen Spalt besteht, sowie dadurch, dass man sie algebraisch mit einer Spannung addiert, welche dem im Spalt fliessenden Strom direkt proportional ist.
Wie eingehender aus der Fig. 2 der Zeichnung ersichtlich ist, umfassen die Mittel 26, welche den Elektroden-Werkzeugvorschubmechanismus-der den Vorschubmotor 36 einschliesst-regeln, einen
Integrationsteil I und einen spannungsvergleichenden Teil, der insgesamt mit C bezeichnet ist, einen insgesamt mit A bezeichneten Zwischenverstärker und einen insgesamt mit 0 bezeichneten Ausgangs- teil.
Der Integrationsteil enthält ein Paar Diodengleichrichter 55 und 56. Die Anode des Gleichrichters 55 ist direkt über ein Kabel 55a mit der ArbeitsfunkeI1leitung 54W verbunden, um der Anode direkt jene
Spannung zuzuführen, die der vom Werkstück gebildeten Elektrode von dem die Arbeitsfunken liefernden
Kreis aufgedrückt wird.
Der Strom, der in dem die Arbeitsfunken liefernden Kreis fliesst, wird durch Vermittlung einer Strom- spule 58 aufgenommen, die um eben diese Arbeitsfunkenleitung 54W gelegt ist. Es ist leicht verständlich, dass der in der Arbeitsfunkenleitung fliessende Strom in der Spule eine Spannung induziert, u. zw. vermöge der zwischen diesen Teilen bestehenden induktiven Kopplung, und dass die über der Spule entwickelte
Spannung dem in der Leitung 54W fliessenden Strom direkt proportional ist. Diese Spule ist durch die
Leitung 56a mit der Kathode des Gleichrichterrohres 56 verbunden. Vorzugsweise sind die Kabel 55a und 56a Koaxialkabel, deren Aussenleiter mit der Arbeitsfunkenleitung 54T und mit Masse verbunden sind.
Die Kathode des Gleichrichters 55 ist mit einer aus einem Widerstand 60 und einem Kondensator 61 bestehenden Parallelanordnung (RC-Glied) verbunden. Die Anode des Gleichrichters 56 ist mit einem ähnlichen, aus einem Widerstand 62 und einem Kondensator 63 bestehenden RC-Glied verbunden. Vorzugsweise enthalten die Widerstandsglieder 60 und 62 Potentiometer, welche es erlauben, jeden Teil der zwischen ihnen und Masse entwickelten integrierten Spannung auszuwählen, u. zw. wünschenswerterweise in einem mit dem angestrebten Arbeitsbereich der Schaltung vergleichbaren Ausmass.
Die durch Einstellung der Arme der Potentiometer 60 und 62 gewählte Spannung wird einer spannungsteilenden Doppelkette zugeführt, welche die Vergleichsstufe C des Reglers 26 umfasst. Die Spannungteilerkette besteht aus Widerständen 64,65, 66 und 67.
Die aus diesem Vergleichsabschnitt resultierende Spannung erscheint am Verbindungspunkt der Widerstände 65 und 66 und wird über dem Widerstand 68 und Masse entwickelt. Der Widerstand 68 ist als Potentiometer ausgebildet, regelt den Verstärkungsgrad und dient dazu, dem Zwischenverstärker A das Eingangssignal zuzuführen. Der Zwischenverstärker enthält eine Triode 70, mit deren Gitter der Isolationswiderstand 69 verbunden ist. Die für den Betrieb der Triode erforderliche Anodenspannung kann aus irgendeiner geeigneten Quelle über die Leitung 71 bezogen werden, in die ein Anodenwiderstand 72 geschaltet ist. Die Kathode der Triode 70 ist über den Widerstand 73 an Masse gelegt. Die Gitterspannung der Röhre 70 wird mittels eines die Widerstände 74 und 74A enthaltenden Spannungsteilers hervorgebracht.
Die Triode 70 wirkt als Gleichspannungsverstärker um ein verstärktes Eingangs- oder Steuersignal an den Ausgangsverstärkerteil 0 zu legen. Demgemäss ist die Anode der Triode 70 direkt, über einen Isolationswiderstand 75, mit dem Gitter einer Hälfte eines Gleichstrom-Gegentaktkraftverstärkers 80,81 verbunden, der die Ausgangsstufe 0 der Regeleinrichtung 26 vorstellt.
Der Ausgangsverstärker enthält ein Paar von gittergesteuerten Hochvakuumröhren 80 und 81, deren Kathoden direkt miteinander und über einen Widerstand 82 mit Masse verbunden sind. Das Gitter der Röhre 80 trägt eine bestimmte Vorspannung, die ihm über eine Leitung 84 von einer geeigneten äusseren Quelle zugeführt wird. Die Leitung 84 enthält einen Isolationswiderstand 85 und ein Potentiometer 86, durch welches die Gittervorspannung nach Wunsch eingestellt werden kann. Das Gitter der Vakuumröhre 81 ist direkt an Masse gelegt. Die Anodenspannung der Röhren 80 und 81 kann aus irgendeiner äusseren, positives Potential besitzenden Quelle bezogen werden und wird mittels einer Leitung 87 dem Verbindungspunkt der beiden Anodenwiderstände 88 und 89 zugeführt. Gegenüberliegende Enden dieser Widerstände sind je mit einer Anode verbunden.
Demgemäss wirken die Kathoden der Vakuumröhren 80 und 81, bei an Masse gelegtem Gitter der Röhre 81, im wesentlichen wie ein kathodengekoppelter Gegentakt-Kraftverstärker. Die Kreiskol1stanten sind so gewählt, dass die Anodenspannung der Röhre 81 im wesentlichen konstant bleibt, während die Anodenspannung der Röhre 80 über und unter jene der Röhre 81 schwingt, u. zw. entsprechend dem Eingangssignal, das von der Verstärkerstufe A an das Gitter der Röhre 80 gelegt wird.
Es ist demgemäss ersichtlich, dass die Signalspannung, die aus dem Ausgangsteil 0 der die Spaltbreite regelnden Einrichtung 26 stammt, ein elektronisch verstärktes Signal umfasst, welches an den
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von den Anoden der Röhren 80 bzw. 81 kommenden Leitungen 90 und 91 greifbar ist. Das elektronisch verstärkte Ausgangssignal kann dazu verwendet werden, um Geschwindigkeit und Drehsinn eines kleinen
Motors direkt zu steuern, soferne die mechanische Belastung dies erlaubt. Ist die Belastung grosser, so muss für eine weitere Verstärkung gesorgt werden, indem der Verstärkerausgang dazu verwendet wird, um die
Feldwicklung 92 eines Gleichstromgenerators 94 zu erregen, der in geeigneter Weise von einem mit konstanter Drehzahl umlaufenden Motor (nicht dargestellt) angetrieben wird.
Die Ausgangsspannung des
Generators wird sodann dem Anker des Gleichstrommotors 36 zugeführt, mit dessen Hilfe die Verstell- bewegung der Werkzeugelektrode T, Fig. l, hervorgebracht wird. Vorzugsweise ist der Generator 94 eine mit Ankerrückwirkung erregte Maschine, die einen primären Ankerkreis aufweist, der den Erregungs- ankerstrom führt und welcher Kreis durch Kurzschliessen der primären Ankerbürsten vervollständigt wird.
Die Ausgangsspannung erscheint über den Bürsten des Ankersekundärkreises und wird, wie gezeigt, dem
Anker des Vorschubmotors 36 mittels Leitungen 95 und 96 zugeführt, wobei das Motorfeld durch eine äussere Quelle über die Leitung 97 erregt wird.
Untersucht man die im Integrationsteil des Funkenstreckenreglers 26 vorhandenen Gleichrichter 55 und 56 des Näheren, so ist ersichtlich, dass der Gleichrichter 55 eine integrierte Spannung von positivem
Vorzeichen und der Gleichrichter 56 eine integrierte Spannung von negativem Vorzeichen hervorbringt.
Diese Spannungen erscheinen über Potentiometern 60 bzw. 62, deren Arme miteinander durch das Ver- gleichnetzwerk C in Verbindung stehen, welch letzteres aus der Kette von spannungsteilenden Wider- ständen 64,65, 66 und 67 besteht, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände 65 und 66 mit der Ein- gangsseite des Verstärkungsreglers 68 zu dem Zwecke verbunden ist, um die algebraische Summe der
Spannungen, die durch Einstellung der Arme der Potentiometer 60 und 62 gewählt worden ist, über dem
Verstärkungsregler erscheinen zu lassen.
Wenn der zwischen dem Werkzeug T und dem Werkstück W vorhandene Arbeitsspalt solcher Beschaffenheit ist, dass er einen Unterbrechungszustand definiert, d. h. wenn sich das Elektrodenwerkzeug in hinreichendem Abstand vom Werkstück W befindet, um eine Ionisation des Dielektrikums, das zwischen Elektrode und Werkstück vorhanden ist, auszuschliessen, so wird kein Strom über die Arbeitsfunkenleitungen 54W und 54T fliessen. Demgemäss wird nur der Gleichrichter 55 leitend, und die dem den
Verstärkungsgrad regelnden Potentiometer 68 angelegte Spannung hat positives Vorzeichen. Die bei offenem Stromkreis über der Funkenstrecke vorhandene Spannung, die dem Gleichrichter 55 angelegt wird, bleibt während der Zeitdauer, während welcher von der die Funkenentladungsenergie liefernden
Quelle ein Kraftimpuls geliefert wird, im wesentlichen konstant.
Wird unbeschadet des Vorhandenseins einer dem unterbrochenen Kreis entsprechenden Spannung das Elektrodenwerkzeug T dem Werkstück W hinreichend genähert, um den Arbeitsspalt zu"zünden", so sinkt die im Spalt bestehende Spannung nach der Ionisation des Dielektrikums F auf ungefähr 22 V. Der Abstand zwischen den Elektrodenwerkzeugen und dem Werkstück bestimmt die Zeit, während welcher eine Spannung von konstantem Wert angelegt werden muss, um eine Ionisation herbeizuführen. Diese ver- änderliche Spannung, die dem Gleichrichter 55 angelegt wird, bestimmt die Spannung, die über dem Potentiometer 60 aufgebaut wird.
Es ist ersichtlich, dass die zur Herbeiführung einer Ionisation erforderliche Zeit umso grösser ist, je grösser der Abstand zwischen der Werkzeugelektrode T und dem Werkstück W ist, und dass, als Folge davon, auch der Wert der über dem Potentiometer 60 erscheinenden Spannung umso grösser ist. Diese Schwankung bestimmt das Ausmass des durch diesen Teil des Integrationsnetzwerkes I erzeugten Signales. Zusammenfassend gesagt, ist also die erzeugte Spannung ein Maximum bei den Zustand eines offenen Stromkreises ergebendem Spalt und ein Minimum bei kurzgeschlossenem Funkenspalt.
In den Fig. 3, 4,5 und 6 sind die im Spalt bestehenden Spannungen, Egap, während verschiedener sich ändernder Abstände zwischen Werkzeug und Elektrode über der Zeit t aufgetragen. Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf für einen den offenen Stromkreis ergebenden Spalt. Fig. 4 zeigt die Spannung, die von einem von der Entladungsenergiequelle 44 gelieferten Energieimpuls erzeugt wird und welche sich über den Spalt gegen Ende des Energieimpulses entlädt. Fig. 5 zeigt den Verlauf der über dem Spalt vorhandenen Spannung für einen Impuls, der sich relativ früher über den Spalt entlädt, und Fig. 6 diesen Spannungsverlauf für einen kurzgeschlossenen Spalt, aufgetragen über einen Zeitmassstab.
Durch einen Vergleich dieser Figuren ist ersichtlich, dass der dem offenen Stromkreis zugeordnete Spalt das stärkste Signal über dem Potentiometer 60 hervorbringt. Ein nur wenig schwächeres Signal wird über diesem Potentiometer durch einen Impuls erzeugt, der sich über dem Spalt kurz vor Erreichen des Impulsendes entlädt, d. h. mit einem Spalt, der nur wenig enger ist als jener, der dem unterbrochenen Stromkreis zukommt, aber ausreicht, um eine Ionisation des Dielektrikums und ein Überspringen des Funkens zu erlauben. Eine grössere gegenseitige Annäherung der Werkzeugelektrode und des Werkstückes W führt zu einem stark abgeschwächten Signal über dem Potentiometer 60, wie dies die
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Fig. 5 erkennen lässt.
Besteht Kurzschluss, so ist ersichtlich (Fig. 6), dass nur der Spannungsabfall vorhanden ist, der in den Leitungen 54W und 54T auftritt, die das Werkstück W und das Werkzeug T mit der die
Entladungsenergie liefernden Quelle 44 verbinden, um über dem Potentiometer 60 einen Spannungsabfall zu erzeugen, und demgemäss wird in diesem Falle ein Minimalsignal erzeugt.
Der Gleichrichter 56 arbeitet unter der Wirkung der in der Spule 58 induzierten Spannung, welche
Spule induktiv an die Werkstückleitung 54W der durch Funkenwirkung bearbeitenden Maschine gekoppelt ist. Über die Spule 58 tritt eine Maximalspannung dann auf, wenn der Arbeitsspalt kurzgeschlossen ist, und eine Minimal- oder Nullspannung, wenn der Spalt eine dem offenen Stromkreis entsprechende Breite aufweist. Die Spannungen, Egg, die über der Spule in der Zeit t auftreten, verhalten sich bei sich ändernden Spaltbreiten so, wie dies in den Fig. 7, 8,9 und 10 dargestellt ist.
Demgemäss zeigt die Fig. 7 die Spulenspannung E58 für den dem unterbrochenen Stromkreis entsprechenden Spaltzustand : Fig. 8 zeigt den Verlauf der Spulenspannung, wenn der Spalt nahe dem Ende des von der Entladungsenergie liefernden Energieimpulses zündet ; Fig. 9 zeigt die Spulenspannung, wenn der Spalt kurz nach Beginn des von der Energiequelle gelieferten Impulses zündet, und Fig. 10 zeigt den Spannungsverlauf für einen kurz- geschlossenen Spalt.
Für den Fachmann leuchtet es ein, dass der im Spalt fliessende Strom und die über den Enden der
Spule 58 auftretende Spannung die gleiche Wellenform haben werden.
Des weiteren ist ersichtlich, dass der mit der Spule 58 verbundene Gleichrichter 56 über dem Potentiometer 62 eine negative Spannung verursacht. Diese negative Spannung ist der Dauer und Grösse des Stromes, der in der Funkenenergie führenden Leitung 54W zwischen der die Funkenenergie liefernden
Quelle 44 und dem Werkstück W fliesst, proportional.
Man erkennt, dass die über dem Potentiometer 60 entwickelte Spannung bei einem Spalt, der den Zustand des offenen Stromkreises herstellt, ein Maximum, und bei kurzgeschlossenem Spalt ein Minimum ist. Die über dem Potentiometer 62 auftretende Spannung ist bei einem Spalt, der dem Zustand des offenen Stromkreises entspricht, ein Minimum, und bei kurzgeschlossenem Spalt ein Maximum. Zufolge der Anordnung der Gleichrichter 55 und 56 haben diese Spannungen entgegengesetzte Vorzeichen, und wenn sie durch das Vergleichsnetzwerk C des Reglers 25 algebraisch addiert werden, erhält man eine sich stetig und "weich" ändernde Signalspannung, welche ein Mass für den zwischen dem Elektrodenwerkzeug und dem Werkstück bestehenden Abstand ist, der den Spalt G vorstellt.
Das Ausgangssignal des Vergleichsnetzwerkes C wird sodann dem Zwischenverstärker A zugeführt und das aus ihm bezogene Signal wird dazu verwendet, um das aus der Ausgangsstufe 0 stammende Signal zu regeln. Die letztgenannte Signalspannung besorgt die Regelung des Vorschubmotors 36 der durch Funkenwirkung formgebenden Maschine, gleichgültig, ob die Leitungen 90 und 91 direkt mit ihm verbunden sind oder die Signalspannung weiterverstärkt wird, beispielsweise durch Zwischenschaltung des Gleichstromgenerators 92,94, in welchem das aus der Ausgangsstufe 0 kommende Signal zur Feldverstärkung dient.
Vorzugsweise werden die Kreiskonstanten der Verstärkerstufen A und 0 so gewählt, dass sie eine wesentlich grössere Verstärkung ergeben als normalerweise verlangt werden würde, u. zw. um maximale Empfindlichkeit zu sichern.
Im Spaltgrössenregler 26 wird für die Zwecke der Stabilisierung mit Rückführung gearbeitet. Wie gezeigt, umfasst die vorliegende Einrichtung einen Tachometergenerator 98, von welchem das Rückführsignal abgeleitet wird. Dieser Rückführsignalgenerator ist mit dem Antriebsmotor 36 direkt gekuppelt, um von ihm angetrieben zu werden, und ist elektrisch so geschaltet, dass bei Tätigkeit des Motors 36 im Sinne eines Zurückziehens des Werkzeuges T hinsichtlich des Werkstückes W ein positives Signal über eine Leitung 99 der Anode einer Hochvakuumröhre 100, die hier die Form einer Triode aufweist, angelegt wird. Die andere, negative Elektrode des Rückführsignalgenerators 98 ist über eine Leitung 101 und einen Gleichrichter 102 an Masse gelegt.
Die Anodenspannung der Röhre 100 wird von einem Spannungsteiler gewonnen, der in Serie liegende Widerstände 104 und 105 aufweist, die geerdet sind. Das Gitter der Röhre 100 wird von der äusseren Energiequelle mit einer fixen negativen Verzögerungsspannung versorgt, u. zw. mittels einer Leitung 106, die einen Isolationswiderstand 107 enthält, der mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 104 und 105 verbunden ist und von dort zum Gitter der Röhre 100 führt.
Wenn der Antriebsmotor 36 von der Ausgangsstufe 0 ein Signal erhält, dessen Grösse ausreicht, um seine Drehung im Sinne einer Zurückziehung des Werkzeuges T vom Werkstück W unter Einhaltung einer vorbestimmten Geschwindigkeit durchzuführen, so erzeugt der Rückführsignalgenerator 98 eine Spannung, die der Motorgeschwindigkeit proportional ist. Die Verzögerungsvorspannung ist zweckmässig so gewählt, dass die als Folge des Rückführsignals auftretende Unterdrückung bei ungefähr 7fF/o einer eingestellten Motorgeschwindigkeit einsetzt, wodurch eine schnelle Beschleunigung auf die maximale Rückziehungsgeschwindigkeit ermöglicht wird, bevor noch die negative Rückführung einsetzt.
Die während der Motor-
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reversierung auftretende Riickführungsregelung ist sehr sorgfältig ausgelegt, damit sie nur in der Nähe der maximalen Motordrehzahl wirksam wird und als drehzahlbegrenzendes Hilfsmittel wirkt, das nur im obersten Drehzahlbereich wirksam ist. Wenn die Ausgangsstufe 0 ein Signal liefert, um eine Motor- umdrehung im umgekehrten Sinne herbeizuführen, so wird die Rückführung dauernd als positive Spannung in der Leitung 101 angelegt, die über einen Gleichrichter 108 zum Arm des Kathodenpotentiometers 73 der Röhre 70 der Verstärkerstufe A geführt wird. Das Potentiometer 73 ermöglicht eine Einstellung, um das Rückführsignal in einem vorbestimmten Punkt des Drehzahlbereiches des Antriebsmotors wirksam werden zu lassen.
Es hat sich gezeigt, dass eine solche Einstellmöglichkeit von beträchtlichem unter- stützendem Wert für den Ausgleich der mechanischen Periode der vollständigen Servoschleife ist. Der zur
Masse führende Rücklaufweg ist in diesem Falle über den Widerstand 109 vorhanden, der zwischen der
Anode der Röhre 100 und Masse liegt, wobei der Widerstand als Spannungsteiler wirkt.
Somit ist eine positive Rückführung vorhanden, bis der Motor in der Richtung läuft, die ihm durch die aus der Ausgangsstufe 0 stammende Signalspannung vorgeschrieben wird. Es ist ersichtlich, dass die Ruckführspannung dazu beiträgt, eine schnelle Umkehrung zu bewirken, und das gesamte Verstärkungs- ausmass der spaltregelnden Einrichtungen 26 vergrössert, wenn der Motor bei geringen Geschwindigkeiten arbeitet.
Es ist dem Fachmanne klar, dass es, wenn man den Ausgang der die Spaltbreite einstellenden Einrichtung 26 direkt zum Antrieb eines Vorschubmotors zu verwenden wünscht, ohne dass eine zusätzliche Signalverstärkung durch Vorsehung des Gleichstromgenerators 92 erfolgt, vorteilhaft sein wird, die nur aus Erläuterungsgründen gezeigten Trioden 80 und 81 der Ausgangsstufe 0 durch Hochvakuumpenthoden zu ersetzen. Dieser Austausch kann sehr einfach durch bekannte schaltungstechnische Massnahmen erfolgen, um den Ersatz durch Penthoden geeigneter Charakteristik durchzuführen. Die Antriebsspannung oder das Regelsignal, das zur Gitterspeisung in der Ausgangsstufe 0 auftritt, reicht aus, um Penthoden der Art betreiben zu können, wie sie für den Fall eines solchen Austausches in Frage kommen.
Die beschriebene Funkenspalt-Regeleinrichtung ist elektronischer Art und verwendet Vakuumröhren.
Für manche Anwendungszwecke mag es wünschenswert sein, an Stelle der Vakuumröhren Schaltelemente anderer Art zu verwenden. So ist es für den Fachmann nicht schwierig, die Diodengleichrichter 55 und 56 durch Selen-, Germanium- oder Siliziumgleichrichter zu ersetzen. Wenn dies geschieht, mag es erforderlich sein, in die Leitungen 55a und 56a zusätzlich Serienwiderstände einzufügen, um die wünschens- werte Veränderung der Zeitkonstanten der Kondensatoren 61 und 63 herbeizuführen, welche mit den Potentiometern 60 und 62 des Integrationsnetzwerkes I parallel liegen. Ausserdem ist festzustellen, dass der Arm des den Verstärkungsgrad bestimmenden Reglers 68 auch dazu verwendet werden kann, einen Magnetverstärker zu regeln.
In der vorhergehenden Beschreibung ist eine als Beispiel zu verstehende Regeleinrichtung beschrieben worden, welche die Relativlage der Werkzeugelektrode T und des Werkstückes W durch Betätigung eines Vorschubmotors 36 regelt. Der Vorschubmotor steht mit dem Werkzeughalter über eine Vorschubspindel 30, eine Transportmutter 32 und eine Übertragungseinrichtung 34 in Verbindung. Es ist ersichtlich, dass der für die Zwecke der Erläuterung gezeigte Elektromotor durch einen flüssigkeitsbetriebenen Motor ersetzt werden könnte. Ferner ist ersichtlich, dass die Verstellmittel 30-36, die für die Ausführung der Verstel- bewegung dienen, eine grosse Zahl verschiedenster Ausführungen zulassen, deren Regelung die beschriebene Einrichtung ebenfalls ausführen könnte.
Beispielsweise könnten die Elemente 30,32 und 34 durch ein geeignetes druckmittelbetätigtes Verstellgerät ersetzt werden, wobei die Doppeleingangsregelmittel, welche den Gegenstand der Erfindung bilden, dazu verwendet werden könnten, um den Fluss des Arbeitmediums und damit auch die funkenführende Grösse des Spaltes vermittels geeigneter Ventile zu regeln.
PATENTANSPRÜCHE s lu Einrichtung zur formgebenden Bearbeitung eines elektrisch leitenden Werkstückes durch eine Reihe
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