AT405582B - Vorrichtung zum behandeln eines werkstückes in einer gasentladung - Google Patents

Description

ΑΤ 405 582 Β

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln eines Werkstückes in einer Gasentladung, mit einem das Werkstück aufnehmenden Behandlungsgefäß, mit einer an das Behandlungsgefäß und das Werkstück als Elektroden angelegten Spannungsquelle und mit einem in Abhängigkeit von der Elektrodenspannung über eine Steuereinrichtung betätigbaren Trennschalter zwischen der Spannungsquelle und dem. Werkstück bzw. dem Behandlungsgefäß, wobei die an einen Geber für die Elektrodenspannung angeschlossene Steuereinrichtung eine Vergleicherstufe aufweist, die eingangsseitig einerseits an dem Ausgangssignal dieses Gebers und anderseits an einem Vergleichssignal für eine untere Elektrodengrenzspannung anliegt und ausgangsseitig den Trennschalter bei einer Unterscnreitung der Elektrodengrenzspannung ansteuert.

Zur Oberflächenbehandlung von stählernen Werkstücken in einer Gasentladung werden die zu behandelnden Werkstücke als Kathode in ein Behandlungsgefäß eingesetzt, das als Anode geschaltet ist, so daß das bei einem entsprechenden Unterdrück im Behandlungsgefäß befindliche Gas in dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden ionisiert wird, was in weiterer Folge zu einem für die Werkstückbehandlung wesentlichen lonenstrom führt, der allerdings nicht über eine zulässige Obergrenze ansteigen darf, wenn Beschädigungen des Werkstückes vermieden werden sollen. Es muß daher die Ausbildung von Lichtbögen und der damit verbundene Anstieg des lonenstromes tunlichst vermieden werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, den lonenstrom bzw. dessen Anstieg zu überwachen, um beim Überschreiten eines oberen Grenzwertes die Elektroden möglichst noch vor der Ausbildung eines Lichtbogens von der Spannungsquelle zu trennen. Diese Vorkehrungen sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß der lonenstrom bereits eine das Werkstück gefährdende Größe erreicht, bevor die Gefahr eines Lichtbogens erkannt und die Spannungsquelle abgeschaltet werden kann.

Zur frühzeitigen Lichtbogenerkennung wurde bereits vorgeschlagen (EP 0 528 163 A1), nicht feste Grenzen für Strom und Spannung zu überwachen, sondern die zeitlichen Veränderungen der Elektrodenspannung, um in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Augenblickswert und einem Mittelwert der Elektrodenspannung die Spannungsquelle über eine Vergleicherstufe von den Elektroden zu trennen. Dabei wird der Umstand ausgenützt, daß vor dem Zünden eines Lichtbogens die Spannung für mehrere Millisekunden auf 150 bis 300 V zusammenbricht. Außerdem soll durch eine der Kathode vorgeschaltete Drossel sichergestellt werden, daß der Kathodenstrom innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes nur unwesentlich ansteigen kann. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist allerdings, daß sie eine Gleichspannungsquelle voraussetzt und für Spannungsquellen zur gepulsten Spannungsversorgung ungeeignet ist, die jedoch für viele Anwendungsfälle vorteilhatte Betriebsbedingungen schafft. Aufgrund des üblichen Tastverhältnisses ist nämlich bei einer gepulsten Spannungsversorgung eine Mittelwertbildung der Elektrodenspannung als Vergleichssignal nicht zielführend. Außerdem kann der Zusammenbruch der Elektrodenspannung auf 150 bis 300 V vor dem Zünden des Lichtbogens für die vorzeitige Lichtbogenerkennung deshalb nicht ausgenützt werden, weil die Pulsdauer hiefür nicht ausreicht. Schließlich ist bei der im Zusammenhang mit einer gepulsten Spannungsversorgung im allgemeinen geforderten hohen Stromdynamik das Vorsehen einer Drossel nicht möglich.

Zur Energieversorgung einer Gasentladungskammer mit gesteuerten Stromimpulsen ist es bekannt (US 4 733 137 A), die Primärwicklung eines für die Energieversorgung der Gasentladungskammer vorgesehenen Transformators an eine Wechselrichterbrückenschaltung anzulegen, über die die Primärwicklung des Transformators kurzgeschlossen werden kann, um einen entstehenden Lichtbogen in der Gasentladungskammer zu unterdrücken. Zur Erkennung eines Lichtbogens werden die Änderungen der Elektrodenspannung in einem Vergleicher überwacht, indem ein Spannunssignal mit einem zeitverzögerten Spannungssignal verglichen wird. Tritt ein Lichtbogen auf, so ergibt sich ein starker Spannungsabfall, der ein Kurzschließen der Primärwicklung des Transformators über die Wechselrichterbrückenschaltung bedingt. Da die Steuerung der Stromimpulse über eine Steuereinrichtung erfolgt, die in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators geschaltet ist und entsprechende induktive Widerstände zur Glättung von Stromschwankungen aufweist, wobei zu diesen induktiven Widerständen eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist, kann die Spannung in der Gasentladungskammer rasch herabgesetzt werden, weil wegen der parallel geschalteteten Freilaufdiode der Stromfluß durch die induktiven Widerstände nicht unterbrochen werden muß. Voraussetzung für eine solche Lichtbogenunterdrückung ist, daß der Lichtbogenstrom aufgrund der vergleichsweise hohen Ausgangsimpedanzen begrenzt bleibt, was bei einer Energieversorgung mit Stromimpulsen gegeben ist, nicht aber bei einer Energieversorgung über eine Spannungsquelle, die naturgemäß eine geringe Ausgangsimpedanz aufweist, so daß mit einem raschen Anstieg des lonenstromes gerechnet werden muß.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Behandeln eines Werkstückes in einer Gasentladung der eingangs geschilderten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß eine frühzeitige Lichtbogenerkennung auch bei einer gepulsten Spannungsversorgung möglich wird, um die Spannungsquelle rechtzeitig vor einem für das Werkstück gefährlichen Anstieg des lonenstromes abschal- 2

AT 405 582 B ten zu können.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß daß bei einer Spannungsquelle für eine gepulste Spannungsversorgung an der Vergleicherstufe ein einer vorgegebenen Elektrodengrenzspannung entsprechendes Vergleichssignal anliegt, daß der Trennschalter über ein Und-Gatter ansteuerbar ist, dessen s Eingänge einerseits mit den Ausgangssignalen der Vergleicherstufe und anderseits mit zu den Spannungsimpulsen der Spannungsquelle synchronen Steuersignalen beaufschlagbar sind, und daß die Steuereinrichtung dem Geber für die Elektrodenspannung zugeordnet ist und über einen Lichtwellenleiter den der Spannungsquelle zugehörigen Trennschalter ansteuert.

Da der einerseits von der eingestellten Spannung und anderseits von der Ausgangsimpedanz der 70 Spannungsquelle abhängige Anstieg des lonenstromes eine Folge des der Lichtbogenausbildung vorausgehenden Spannungseinbruches zwischen den Elektroden innerhalb eines lonisationskanales ist, kann durch, die Überwachung der Elektrodenspannung, also der Spannung zwischen dem Behandlungsgefäß und dem Werkstück, die Ausbildung eines Lichtbogens frühzeitig erkannt und die Spannungsquelle abgeschaltet werden, bevor der ionenstrom eine für das Werkstück gefährliche Größe erreicht hat, weil eben zwischen 75 dem Spannungseinbruch und dem lonenstromanstieg auf eine unzulässige Größe eine für die Abschaltzeit ausreichende Zeitspanne zur Verfügung steht. Mit der Verwendung von Impulsgeneratoren würde allerdings ohne zusätzliche Maßnahmen am Ende jedes Spannungsimpulses der Trennschalter betätigt werden. Aus diesem Grunde wird der Trennschalter über ein Und-Gatter angesteuert, das eingangseitig einerseits mit den Ausgangssignalen der Vergleicherstufe und anderseits mit zu den Spannungsimpulsen der Spannungs-20 quelle synchronen Steuersignalen beaufschlagt wird. Liegt ein Spannungseinbruch innerhalb der durch die Steuersignale angezeigten Spannungsimpulslänge, so führt dieser Spannungseinbruch zu einer Betätigung des Trennschalters, um einen sonst auftretenden Lichtbogen zu unterdrücken. Fällt der über den Geber für die Elektrodenspannung erfaßte Spannungseinbruch mit dem Ende eines Spannungsimpulses zusammen, so wird dieser Spannungseinbruch als Ende des Spannungsimpulses erkannt und kein Steuersignal an den 25 Trennschalter weitergeleitet.

Damit trotz längerer Steuerleitungen die Ansprechzeiten für den Trennschalter klein gehalten und eine hohe Sicherheit gegenüber äußeren Störeinflüssen erzielt werden kann, wird die Steuereinrichtung dem Geber für die Elektrodenspannung zugeordnet, wobei die Ansteuerung des Trennschalters für die Spannungsquelle über einen Lichtwellenleiter erfolgt, der eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit sicherstellt, 30 und zwar bei einer geringen Störanfälligkeit, zumal wegen der Zuordnung der Steuereinrichtung zum Spannungsgeber keine Meßdaten zu übertragen sind.

In der Zeichnung ist der Anmeldungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Elektrodenspannung einer herkömmlichen Vorrichtung mit einer Spannungsabschaltung aufgrund einer Überwachung des lonenstromes, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des lonenstromes bei 35 einer Spannungsabschaltung aufgrund einer Überwachung des lonenstromes, Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Elektrodenspannung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei einer Spannungsabschaltung aufgrund einer Überwachung der Elektrodenspannung,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des lonenstromes entsprechend einer Spannungsabschaltung nach der Fig. 3, 40 Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln eines Werkstückes in einer Gasentladung in einem vereinfachten Blockschaltbild und

Fig. 6 eine Steuersignalübertragung zwischen der Steuereinrichtung für den Trennschalter und dem Trennschalter in einem vereinfachten Blockschaltbild.

Wie der Fig. 5 entnommen werden kann, wird das zu behandelnde Werkstück 1 in ein Behandlungsge-45 fäß 2 eingesetzt, das mit einem unter einem entsprechenden Unterdrück stehenden Behandlungsgas gefüllt ist. Das Werkstück 1 und das Behandlungsgefäß 2 bilden dabei an eine Spannungsquelle 3 angeschlossene Elektroden, zwischen denen ein elektrisches Feld für eine Gasentladung aufgebaut wird. Damit der zwischen den Elektroden fließende Ionenstrom nicht eine das Werkstück 1 gefährdende Größe erreichen kann, muß der Ionenstrom begrenzt und die Ausbildung von Lichtbögen verhindert werden. Zu diesem 50 Zweck wird die Spannungsquelle 3 bei einer unzulässigen Erhöhung des lonenstromes über einen Trennschalter 4 abgeschaltet, der Uber eine Steuereinrichtung 5 ansteuerbar ist.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art wird der Ionenstrom I überwacht und in der Steuereinrichtung für den Trennschalter 4 mit einem vorgegebenen oberen Grenzwert ls verglichen, wie dies in der Fig. 2 im Zusammenhang mit der Fig. 1 näher veranschaulicht ist. Tritt gemäß der Fig. 1 im Zeitpunkt ti ein 55 Spannungseinbruch der Elektrodenspannung E auf, so steigt der Ionenstrom I in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung und der Ausgangsimpedanz der Spannungsquelie 3 rasch an, bis er im Zeitpunkt die Größe des Grenzwertes ls erreicht, der erheblich oberhalb des durchschnittlichen lonenstromes liegen muß, um übliche Stromschwankungen zu berücksichtigen. Die über die Steuereinrichtung erfaßte Über- 3

Claims (2)

1. AT 405 582 B schreitung des Grenzwertes ls führt zu einer Ansteuerung des Trennschalters 4, der nach einer unvermeidbaren Ansprechzeit die Spannungsquelle 3 zum Zeitpunkt t? abschaltet, was einen völligen Zusammenbruch der Elektrodenspannung E und einen entsprechenden Abbau des lonenstromes I zur Folge hat. Da somit bei einem Spannungseinbruch zur Zeit t, der lonenstrom bis ?um Zeitpunkt U ansteigt, kann die 5 Spannungsquelle 3 erst bei einer das Werkstück bereits gefährdenden Stromstärke über den Trennschalter 4 abgeschaltet werden. Im Gegensatz dazu wird nach der Erfindung nicht der lonenstrom I, sondern die Elektrodenspannung E überwacht, und zwar mit Hilfe eines Gebers 6, so daß die jeweilige Elektrodenspannung E mit einer unteren Grenzspannung Es verglichen werden kann, um im Falle eines Unterschreitens dieser Grenzspannung Es jo den Trennschalter 4 über die Steuereinrichtung 5 abzuschalten. In der Fig. 3 ist dieser mit dem Zeitpunkt der Grenzwertunterschreitung praktisch übereinstimmende Zeitpunkt der Spannungsunterschreitung mit ti,2 bezeichnet. Die Abschaltung erfolgt nach einer entsprechenden Ansprechzeit für den Trennschalter 4 zum Zeitpunkt fe, wie dies der Fig. 4 entnommen werden kann. Beim Vergleich der Fig. 1 und 2 mit den Fig. 3 und 4 ergibt sich, daß bei einer Stromüberwachung gemäß den Fig. 1 und 2 der lonenstrom I um die 15 Zeitspanne (fe - ti) länger ansteigt als bei der Spannungsüberwachung, bei der der Zeitpunkt des Spannungszusammenbruches praktisch mit dem Zeitpunkt der Erkennung der Grenzüberschreitung zusammenfällt. Für die Werkstückbehandlung empfiehlt sich der Einsatz einer Spannungsquelle 3 für eine gepulste Spannungsversorgung. In den Fig. 1 bis 4 sind die vollständigen Spannungs- bzw. Stromimpulse strichliert 2o angedeutet. Damit der Spannungszusammenbruch am Ende eines Spannungsimpulses nicht zum Abschalten des Trennschalters 4 führt, ist gemäß der Fig. 5 eine entsprechende Erkennungsschaltung 7 vorgesehen, die nur dann das Steuersignal der Steuereinrichtung 5 zum Betätigen des Trennschalters 4 an diesen weitergibt, wenn der über den Geber 6 festgestellte Spannungseinbruch innerhalb eines Spannungsimpulses liegt. 25 In der Fig. 6 ist die Ansteuerung des Trennschalters 4 näher dargestellt. Über den an die Anschlußklemmen 8 der Elektroden angeschlossenen, als Spannungsteiler ausgebildeten Geber 6 wird ein der Elektrodenspannung proportionaler Wert an die Steuereinrichtung 5 weitergeleitet, die diesen Spannungswert in einer Vergleicherstufe 9 mit einem über einen Eingang 10 vorgegebenen Grenzspannungswert vergleicht und beim Unterschreiten dieses Grenzspannungswertes eine monostabile Kippstufe 11 ansteuert, 30 die einen Transistorschalter 12 kurzzeitig öffnet, so daß eine in dem Kreis dieses Transistorschalters 12 vorgesehene Photodiode 13 einen Lichtblitz abgibt, der über einen Lichtwellenleiter 14 zu der die Spannungsquelle 3 einschiießenden ansteuert, die einen Transistorschalter 12 kurzzeitig öffnet, so daß eine in dem Kreis dieses Transistorschalters 12 vorgesehene Photodiode 13 einen Lichtblitz abgibt, der über einen Lichtwellenleiter 14 zu der die Spannungsqueile 3 einschließenden Energieversogungseinheit 15 35 geleitet wird. Dieser Lichtblitz beaufschlagt eine Photodiode 16, die leitend wird, so daß der zufolge des dadurch bedingten Stromflusses an einem ohmschen Widerstand 17 auftretende Spannungsabfall über eine Vergleicherstufe 18 erfaßt werden kann, die nur dann ein Steuersignal abgibt, wenn der Spannungsabfall einen vorgegebenen Stellwert überschreitet. Der Ausgang der Vergleicherstufe 18 liegt an einem Und-Gatter 19 an, dessen anderer Eingang 20 mit zu den Spannungsimpulsen der Spannungsquelle 3 40 synchronen Steuersignalen beaufschlagt wird, so daß das Und-Gatter 19 nur dann durchschaltet, wenn der über den Geber 6 erfaßte Spannungseinbruch innerhalb eines Spannungsimpulses liegt. Über eine nachge-ordnete monostabile Kippstufe 21 wird der Trennschalter 4 für eine Zeitspanne betätigt, die einen Abbau des Lichtbogenkanals erlaubt. 45 Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Behandeln eines Werkstückes in einer Gasentladung, mit einem das Werkstück aufnehmenden Behandlungsgefäß, mit einer an das Behandlungsgefäß und das Werkstück als Elektroden angelegten Spannungsquelle und mit einem in Abhängigkeit von der Elektrodenspannung über so eine Steuereinrichtung betätigbaren Trennschalter zwischen der Spannungsquelle und dem Werkstück bzw. dem Behandlungsgefäß, wobei die an einem Geber für die Elektrodenspannung angeschlossene Steuereinrichtung eine Vergleicherstufe aufweist, die eingangsseitig einerseits an dem Ausgangssignal dieses Gebers und anderseits an einem Vergleichssignal für eine untere Elektrodengrenzspannung anliegt und ausgangsseitig den Trennschalter bei einer Unterschreitung der Elektrodengrenzspannung 55 ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Spannungsquelle (3) für eine gepulste Spannungsversorgung an der Vergleicherstufe (9) ein einer vorgegebenen Elektrodengrenzspannung entsprechendes Vergleichssignal anliegt, daß der Trennschalter (4) über ein Und-Gatter (19) ansteuerbar ist, dessen Eingänge einerseits mit den Ausgangssignalen der Vergleicherstufe (9) und anderseits mit zu den 4 AT 405 582 B Spannungsimpulsen der Spannungsquelle (3) synchronen Steuersignalen beaufschlagbar sind, und die Steuereinrichtung (5) dem Geber (6) für die Elektrodenspannung zugeordnet ist und über einen Lichtwellenleiter (14) den der Spannungsquelle (3) zugehörigen Trennschalter (4) ansteuert. ‘ Hiezu
2. 2 Blatt Zeichnungen 5