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Gesteuerter Generator zur Elektroerosion
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denverschleiss, Oberflächengüte und Abbildungsgenauigkeit massgeblich von der elektrischen Datierung ! des Funkenerosionsimpulsgenerators ab. Die Aufgabe eines Funkenerosionsimpulsgenerators besteht darin, nichtstationäre elektrische Entladungen in dem mit einem Dielektrikum gefüllten Erosionsspalt hervorzu- rufen, d. h. den Erosionsspalt periodisch unter Spannung zu setzen, um eine optimale periodische Energie- absorption an der Werkstückelektrode mit dem Ziel des optimalen Materialabtrages an der Werkstück- elektrode bei möglichst geringem relativem Elektrodenverschleiss zu ermöglichen.
Nach den neuesten Erkenntnissen der Erosionstechmk muss ein Funkenerosionsgenerator in der Lage sein, Impulse zu erzeugen, die die folgenden Voraussetzungen erfüllen :
1. Die Impulse müssen möglichst unabhängig vom Zustand des Erosionsspaltes sein, d. h. die Form und die Grösse des Erosionsspaltes dürfen höchstens einen geringen Einfluss auf die Impulsdaten ausüben.
2. Die Form, Breite und Amplitude der Impulse müssen unabhängig variabel sein. Vorzugsweise müssen Rechteckimpulse erzeugt werden können.
3. Die Polarität der Impulse muss unabhängig vorzugsweise kontinuierlich, von unipolaren Impulsen einer Polarität zu unpolaren Impulsen der andern Polarität einstellbar sein, um die Energieabsorption an der Werkzeug- und Werkstückelektrode verändern zu können.
4. Die Breite der Impulse muss unabhängig von der Impulsenergie einstellbar sein. Da die optimale
Impulsbreite sowohl von dem Material des Werkstückes und der Elektrode als auch von der Impulsenergie und der wirtschaftlich zulässigeaabbildungsgenauigkeit abhängig ist, ist ein grosser Variationsbereich er- forderlich. Die Einstellung der Impulsbreite soll möglichst kontinuierlich sein, um auch eine eventuell geforderte möglichst kontinuierliche Steuerung des relativen Elektrodenverschleisses, der u. a. eine Funk- tion der Impulsbreite ist, vornehmen zu können.
5. Die Impulsfolgefrequenz muss unabhängig von der Impulsbreite einstellbar sein.
6. Die Impulsenergie muss mit einem möglichst guten elektrischen Wirkungsgrad, geringem techni- schem Aufwand und hoher Betriebssicherheit auf den Funkenspalt übertragen werden.
Es ist ohne weiteres einzusehen, dass diese Bedingungen bei den bisher praktisch ausschliesslich ver- wendeten Kippgeneratoren und Schwingkreisgeneratoren nicht erfüllt werden können, da hier der Span- nungs-und Stromverlauf von den Parametern der Funkenstrecke direkt beeinflusst wird.
Neben diesen ungesteuerten Generatoren, die nach dem Schwing-bzw. Kippkreissystem arbeiten, ist auch ein gesteuerter Impulsgenerator bekanntgeworden, bei dem ein Taktgeber über eine Schalteinrich- tung den Strom zwischen Stromquelle und Funkenspalt steuert. Dieser bekannte gesteuerte Impulsgenera- tor verwendet jedoch insbesondere zwischen Spannungsquelle und Taktgeber Schaltungselemente, die eine
Speicherwirkung für elektrische Ladung besitzen. Diese Schaltungselemente mit Speicherwirkung und die in diesem Zusammenhang erforderlichen Übertragungsglieder beeinflussen jedoch die zu variierenden Im- pulsdaten je nach deren Koordinierung unterschiedlich, so dass eine unabhängige Einstellung nicht mög- lich ist.
Die einzigen Erosionsgeneratoren, die keine Speichermittel besitzen, sind mit speziellen Polschuhen ausgerüstet, rotierende Gleich- oder Wechselstromgeneratoren, die in Abhängigkeit von der ihnen übermittelten Drehzahl Impulsfolgen abgeben, die gegebenenfalls über einen einstellbaren Vorwiderstand di-
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rekt auf die Funkenstrecke übertragen werden können. Auch diese Generatoren gestatten keine unabhängige Einstellung von Impulsfolgefrequenz und Impulsform, Impulshöhe, Impulsbreite usw.
Es ist nun ein Zweck der vorliegenden Erfindung, einen gesteuerten Impulsgenerator zu schaffen, welcher die ober aufgeführten Bedingungen erfüllt, d. h. eine unabhängige Einstellung von Impulsbreiten, Impulsamplituden, f-uigefrequenz usw. gestattet. Kennzeichen für die Erfindung ist, dass dieser Stromkreis höchstens unter Zwischenschaltung speicherfreier Schaltelemente mit mindestens einer Spannungsquelle, d. h. einer Energiequelle mit einem bei den gegebenen Belastungsverhältnissen vernachlässigbaren Innenwiderstand, verbunden ist.
Die Erfindung soll anschliessend an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Im
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beispiel eines Impulsgenerators für Funkenerosion unter Verwendung von gesteuerten Halbleiterelementen mit Thyratroncharakteristik als Schaltglieder.
Der in Fig. 1 schematisch gezeigte Impulsgenerator besteht aus einer Spannungsquelle 1, einem
Schaltglied 2, einem Taktgeber 3 und einer Funkenstrecke 4 als Verbraucher.
Unter'Spannungsquelle" soll nachfolgend gemäss dem üblichen technischen Sprachgebrauch eine
Einrichtung zur Abgabe elektrischer Energie verstanden werden, die bezüglich der auftretenden Belastungsbedingungen einen vernachlässigbar kleinen Innenwiderstand besitzt. Die Spannungsquelle l erzeugt die elektrische Spannung für die Funkenstrecke. Die Spannungsquelle 1 kann als Netzgleichrichter ausgebildet sein, der eine Gleichspannung abgibt, oder als Wechselspannungsquelle. Die Höhe der von der
Spannungsquelle 1 abgegebenen Spannung ist einstellbar, da diese Spannung die Maxirnalspannung darstellt, die zu dem Erosionsspalt bzw. Funkenspalt gelangt. Der von der Spannungsquelle l über das Schaltglied 2 zu dem Verbraucher 4 fliessende Strom wird nun inAbhängigkeit von dem Taktgeber 3 zeit- lich unterbrochen.
Der Taktgeber 3, dem nur eine Steuerfunktion zukommt, kann beispielsweise als Multivibrator ausgebildet sein, bei welchem die Parameter der abgegebenen Impulse einstellbar sind.
Vorzugsweise ist der Taktgeber so ausgebildet, dass die Impulsfolgefrequenz und die Breite der Impulse unabhängig voneinander einstellbar sind.
Das Schaltglied 2 erfüllt nun die Aufgabe, den von der Spannungsquelle 1 zu dem Verbraucher 4 fliessenden Strom entsprechend dem Programm des Taktgebers zu unterbrechen. Als Schaltglieder können vorzugsweise gesteuerte Halbleiterelemente, z. B. Transistoren, verwendet werden. Daneben ist es auch möglich. Gasentladungsstrecken zu verwenden, wenngleich diese nur relativ geringe Impulsfolgefrequenzen zulassen. Als Gasentladungsstrecke kommen z. B. Kaltkathodenröhren, Thyratrons, Ignitrons und Funkenstrecken in Betracht. Ferner könnten Hochvakuumelektronenröhren verwendet werden. Normale Schalter kommen für diesen Zweck infolge der sehr schnellen Kontaktabnutzung bei hohen Leistungen und der extrem niederen Impulsfolgefrequenzen nicht in Betracht.
Die als Schaltglieder verwendeten Schaltungselemente besitzen vorzugsweise einen sehr geringen Innen- bzw. Durchlasswiderstand und einen hohen Sperrwiderstand und können höchstens geringe Ladungmengen speichern.
Entscheidend ist bei dem gezeigten Impulsgenerator, dass zwischen dem Schaltglied und dem Erosionsspalt bzw. dem Verbraucher 4 keinerlei Speicherelemente eingeschaltet sind. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass derartige Schaltungselemente, die bisher immer für erforderlich gehalten wurden, nicht nur keine Vorteile bringen, sondern einen gesteuerten Ablauf des Erosionsprozesses gemäss der weiter oben beschriebenen Aufgabenstellung verunmöglichen.
Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Funkenerosionsimpulsgenerators mehr im einzelnen. Der Generator besteht in gleicher Weise wie der Generator gemäss Fig. 1 aus einer Spannungsquelle 1, einem Schaltglied 2, einem Taktgeber 3 und dem Verbraucher bzw. dem Erosionsspalt 4.
Der Taktgeber 3 besteht hier aus einem Multivibrator, der zwei Transistoren 5 und 6 aufweist. Die Emittoren 7 und 8 sind mit einer Leitung 9 verbunden, die beispielsweise positives Potential gegenüber den Kollektoren 10 und 11 besitzt. Die Kollektoren 10 und 11 sind über Widerstände 12 bzw. 13 mit dem negativen Pol 14 einer Speisespannungsquelle verbunden. Die Basiselektroden 15 und 16 sind über Widerstände 17 und 18 mit einem einstellbaren Widerstand 19 verbunden, der anderseits an die Speisespannungsleitung 14 angeschlossen ist. Mit dem einstellbaren Widerstand 19 können im Zusammenhang mit den Kondensatoren 20 und 21 Impulsbreite und Impulsfolgefrequenz der abgegebenen Impulse eingestellt werden.
Die Kollektorelektrode 10 des Transistors 5 ist über einen einstellbaren Kondensator 20 mit der
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Basiselektrode 16 des Transistors 6 verbunden, während anderseits die Kollektorelektrode 11 des Transi- stoic 6 über den einstellbaren Kondensator 21 mit der Basiselektrode 15 des Transistors 5 verbunden ist. Es ist ohne weiteres zu ersehen, dass die beschriebene Schaltung einen Multivibrator darstellt, bei welchem die Impulsfolgefrequenz und die Impulsbreite von den Kondensatoren 20 und 21 und von dem Widerstand 19 abhängen. Die vorzugsweise rechteckigen Ausgangsimpulse werden an dem Kollektor 11 des Transistors
6 abgenommen.
Das Schaltglied 2 besteht z. B. aus einem vierstufigen Transistorverstärker, wobei die ersten drei Stu- fen durch die Transistoren 22,23 und 24 gebildet sind, deren Kollektoren Über Widerstände 25,26 und 27 mit der Speiseleitung 14 verbunden sind. Die Emittoren und die Basiselektrode des jeweils nächstfolgenden Transistors sind über Widerstände 28,29 und 30 mit einer Speisespannungsleitung 31 verbunden, die gegenüber der Speisespannungsleitung 9 auf positivem Potential gehalten wird. Die Basiselektrode des er- sten Transistors 22 ist über einen Widerstand 32 ebenfalls mit der Speiseleitung 31 verbunden.
Die letzte Stufe des Transistorverstärkers besteht aus den beiden parallelliegenden Transistoren 33 und 34. Die Basiselektroden dieser beiden Transistoren sind mit dem Emitter des Transistors 24 verbunden. Die Kollektoren sind mit dem Funkenspalt verbunden, während die Emittoren über Widerstände 35 und 36 an die vorzugsweise auf Massepotential gehaltene Speisespannungsleitung 9 angeschlossen sind.
Fernerhin ist über die Leitung 37 die Spannungsquelle 1 ebenfall.. mit der Speisespannungsleitung 9 ver- bunden. Die mit 4 bezeichnete Funkenstrecke, die in bekannter Weise eine Werkzeugelektrode E und ein
Werkstück W besitzt, ist somit über die beiden parallelliegenden Transistoren 33 und 34 mit der Span- nungsquelle 1 verbunden. Aus dem Schaltbild ist ohne weiteres zu ersehen, dass in diesem Stromkreis keine Schaltelemente enthalten sind, die Speicherwirkung besitzen.
Wenn der Taktgeber 3 einen entsprechenden Impuls abgibt, werden die Transistoren zwischen Emit- ter und Kollektor leitend, wobei sich die Schaltleistung von Stufe zu Stufe verstärkt. Die letzte Stufe, die den Transistor 24 enthält, schaltet nun die beiden parallelliegenden Transistoren 33 und 34, die di- rekt in dem Stromkreis der Funkenstrecke liegen. Nach Abschluss eines vom Taktgeber abgegebenen Im- pulses werden die Transistoren gesperrt, so dass auch der die Funkenstrecke enthaltende Stromkreis unter- brochen wird. Da sich in dem Schaltglied 2 keinerlei Kondensatoren oder Spulen befinden, erfolgt die
Schaltung weitgehend unabhängig von der Folgefrequenz und praktisch trägheitslos. Die Amplitude der zu dem Erosionsspalt 4 gelangenden Impulse ist in erster Linie von der Höhe der einstellbaren Spannung ab- hängig, die von dem Netzteil l abgegeben wird.
Folgefrequenz und Impulsbreite sind bei dem Taktgeber einstellbar.
Es ist zu ersehen, dass mit dem gezeigten Impulsgenerator praktisch alle Erosionsbedingungen erfüllt werden können, da die einzelnen Parameter der Erosionsimpulse frei und unabhängig voneinander wähl- bar sind.
Mit dem in Fig. 3 gezeigtei : Schahglied ist die Polarität der zu der Funkenstrecke gelangenden Im- pulse praktisch kontinuierlich einstellbar. Das Schaltglied ist somit an einen Taktgeber anschliessbar, welcher positive und negative Impulse abgeben kann, wobei die Funkenstrecke in gleicher Weise mit po- sitiven oder negativen Leistungsimpulsen gespeist wird.
Das in Fig. 3 gezeigte Schaltglied besitzt einen aus zwei Transistoren 40 und 41 bestehenden Diffe- renzverstärker, bei welchem die beiden Emittoren über einen Rückkopplungswiderstand 42 mit der auf positiver Spannung gehaltenen Speiseleitung verbunden sind. Die Kollektoren sind über je einen Wider- stand 44 und 45 mit der auf negativem Potential gehaltenen Speiseleitung 46 verbunden. Die Basiselek- troden sind über Widerstände 47 und 48 mit dem Taktgeber verbunden. Zwischen den beiden Kollektoren erscheint somit, wenn auf die Widerstände 47 und 48 ein Impuls übertragen wird, eine Spannungsdifferenz, die proportional zu der Impulsamplitude ist.
An die Kollektoren der beiden Transistoren 40 una 41 sind die Basiselektroden zweier weiterer Tran- sistoren 49 und 50 angeschlossen, die die abgegebene Differenzspannung weiterhin verstärken. Die Emit- toren sind über einen gemeinsamen Widerstand 51 mit der Leitung 43 und die Kollektoren über die Wider- stände 52 und 53 mit der Leitung 46 verbunden. Zur Stabilisierung der Verstärkung sind zwei Gegenkopp- lungswiderstände 54 und 55 vorgesehen.
Die in Fig. 3 nicht gezeigte Spannungsquelle gibt zwei unabhängige Ausgangsspannungen I und II ab, wobei der positive Pol der Spannung I mit dem Werkstück und der positive Pol der Spannung 11 mit der
Werkzeugelektrode verbunden ist. Die beiden negativen Pole der beiden Ausgangsspannungen sind über je einem Schaltglied mit der Werkzeugelektrode E bzw. mit dem Werkstück W verbunden. Der mit der Ausgangsspannung 1 verbundene zweistufige Verstärker besteht aus einem ersten Transistor 60, dessen Emitter mit den Basiselektroden der beiden parallelgeschalteten Transistoren 61 und 62 verbunden ist. Die
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Basiselektrode des Transistors 60 ist an den Kollektor des Transistors 49 angeschlossen. Die Emittoren der Transistoren 61 und 62 sind über Widerstände 63 bzw. 64 mit der Werkzeugelektrode E verbunden.
Die Emitter-Kollektorstrecke der Transistoren 61 und 62 verbindet somit über die Widerstände 63 und 64 den negativen Pol der Spannung I mit der Werkzeugelektrode E, so dass der Stromkreis der Spannung I geschlossen ist, wenn die beiden parallelliegenden Transistoren leitend sind.
Der Transistorverstärker, der den negativen Pol der Spannung II mit dem Werkstück W verbindet, ist völlig gleich aufgebaut ; er besteht aus den Transistoren 60', 61'und 62', wobei die Emittoren über Widerstände 63'bzw. 64'den Stromkreis schliessen. Die Basiselektrode des Transistors 60'ist mit dem Kollektor des Transistors 50 verbunden.
In gleicher Weise wie bei dem Beispiel der Fig. 2 ist die Speisespannung für den Funkenspalt einstellbar.
Erscheint an den Widerständen 47 und 48 ein Impuls, beispielsweise mit positiver Polarität, werden die Transistoren 41, 50, 60', 61'und 62'leitend, so dass die Spannung II mit der oben angegebenen Polarität zu der Funkenstrecke gelangt. Erscheint hingegen an den Widerständen 47,48 ein Taktimpuls negativer Polarität, werden die Transistoren 40, 49, 60, 61 und 62 leitend, so dass die Spannung l an der Funkenstrecke erscheint, jedoch mit entgegengesetzter Polarität wie die Spannung II. Es ist daher zu ersehen, dass an der Funkenstrecke Impulse gleicher Polarität erscheinen. wie an den Widerständen 47 und 48. Im übrigen wird darauf hingewiesen, dass keine Kapazitäten oder Induktivitäten in den Stromkreis eingeschlossen sind, so dass die z.
B. vom Schaltglied geformten Impulse der Funkenstrecke unverzerrt zugeführt werden. Generatoren der beschriebenen Art sind somit bis zu Impulsfolgefrequenzen in der Grö- ssenordnung der Umschaltzeit der vorzugsweise verwendeten gesteuerten Halbleiter verwendbar.
Fig. 4 zeigt einen Impulsgenerator, unter der Verwendung von pnpn-Halbleitern. Halblenerdieser Art können auch als steuerbare Gleichrichter bezeichnet werden. Sie besitzen eine Charakteristik, die etwa der Charakteristik von Thyratronröhren entspricht. Wenn Gleichrichter dieser Art einmal durch einen Steuerimpuls gezündet werden, bleiben diese so lange leitend, bis die Anodenspannung kurzzeitig unterbrochen wird. Gleichrichter dieser Art sind im Handel erhältlich.
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Von den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind eine Reihe von Abweichungen möglich. So kann beispielsweise als Spannungsquelle bereits ein Impulsgenerator verwendet werden, dessen Impulse durch das Schaltglied umgeformt werden. Der Taktgeber kann im übrigen auch als impulsformendes Glied aus- gebildet werden, welches synchron von der Spannungsquelle gesteuert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gesteuerter Generator zur Elektroerosion, bei welchem in den den Erosionsspalt sowie höchstens ohmsche Widerstände enthaltenden Stromkreis eine von einem Taktgeber gesteuerte praktisch trägheits- lose Schalteinrichtung verlegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Stromkreis höchstens unter Zwi- schenschaltung speicherfreier Schaltelemente mit mindestens einer Spannungsquelle, d. h. einer Energie- quelle mit einem bei den gegebenen Belastungsverhältnissen vernachlässigbaren Innenwiderstand, ver- bunden ist.