CH625446A5

CH625446A5 -

Info

Publication number: CH625446A5
Application number: CH343577A
Authority: CH
Inventors: Ernst Buehler; Costantino Tadini
Original assignee: Agie Ag Ind Elektronik
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1981-09-30
Also published as: JPS53115996A; DE2735403A1; SE432551B; SE7709883L; IT1085364B; FR2384385A1; US4163887A; DE2735403C3; FR2384385B1; JPS6116571B2; GB1533949A; DE2735403B2; BR7705789A

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator zum elektroerosiven Bearbeiten mittels elektrischer Entladungen zwischen einer Werkzeugelektrode und einer Werkstückelektrode, bestehend aus einer Hauptspannungsquelle, einem einstellbaren Steueroszillator und mehreren Impulsverstärkerschaltungen mit Leistungstransistoren, deren Kollektoranschlüsse über je einen Strombegrenzungswiderstand auf den Generatorausgang geschaltet sind.

Wie im allgemeinen in der Fertigungstechnik, besteht auch bei der funkenerosiven Bearbeitung dauerhaft der Wunsch nach einer Steigerung der Abtragsleistung des Verfahrens ohne eine übermässige Erhöhung des Werkzeugverschleisses in Kauf nehmen zu müssen. Es ist bekannt, dass die abtragsintensivsten Impulse diejenigen sind, die bei kurzer Dauer der Entladung einen möglichst hohen Energieumsatz erreichen können, das heisst, die innerhalb dieser kurzen Entladedauer einen besonders starken Entladestrom erzeugen können. Bei der funkenerosiven Bearbeitung ist besonders im Verfahren des funkenerosiven Schneidens der Bedarf nach stromintensiven Kurzimpulsen vorrangig, da man im allgemeinen auf den Verschleiss der Elektrode weniger Rücksicht zu nehmen hat. Diese kann vielmehr durch Erhöhung der Drahtlaufgeschwindigkeit zu einer Kompensation des Verschleisses herangezogen werden. Bei der Anwendung von stromstarken Kurzimpulsen kann weiterhin vorteilhaft ausgenutzt werden, dass sich die Physik des Abtragsmechanismus von einem «Schmelzabtrag» mehr zu einem «Abtrag durch Verdampfen» verlagert. In Verbindung mit dieser letztgenannten Abtragungsart besteht der Vorteil, dass eine relativ geringe Schädigung der Oberflächen des bearbeiteten Werkstücks entsteht, da sich eine sehr scharfe Temperaturgrenze zwischen dem durch die Verdampfung erfassten Materialanteil und dem übrigen Werkstoff bildet. Bei der Anwendung für das funkenerosive Schneiden zeigt sich in der Praxis heute ausserdem die Schwierigkeit, dass Stromimpulse, welche mehrere Mikrosekunden dauern, durch die unvermeidbare Bewegung der sensiblen Drahtelektrode (Schwingung) in ihren Parametern während der Entladung be-einflusst werden. Durch den Einsatz von stromstarken Kurzimpulsen im 1-Mikrosekundenbereich kann erreicht werden, dass dieser störende Einfluss des Drahtes auf den Entladeverlauf eliminiert wird, weil die Entladung im Vergleich zu dem Bewegungsverhalten der Elektrode viel zu kurzzeitig erfolgt.

Es ist für das Gebiet der Funkenerosion bekannt, die elektrischen Schaltkreise der Impulsgeneratoren auf der Basis von Transistoren oder Thyristoren zu realisieren. Die Entwicklung solcher Impulsgeneratoren, bevorzugt für das funkenerosive Senken, begann etwa um 1960 und wurde damals schon charakterisiert in DE-AS 1 126 047. Diese sind in der Zwischenzeit Allgemeingut geworden und werden entsprechend auch in den Normen als «statische Impulsgeneratoren» beschrieben. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist die Erzeugung leistungsstarker Kurzimpulse im Bereich von 1 fis und einigen hundert Ampere mittels Halbleiter immer ein ungelöstes Problem geblieben und wurde gewöhnlich durch Zuhilfenahme von Speichermitteln umgangen.

— Leistungstransistoren haben nämlich die unangenehme Eigenschaft, dass sie beim Impulsbetrieb immer eine nicht kontrollierbare Ausschalt-Verzögerungszeit aufweisen. Es sind zwar sogenannte « Antisättigungsschaltungen» bekannt, welche für den Signal-Anwendungsbereich Verbesserungen bringen, für den Leistungsbereich jedoch absolut ungenügend wirken. Solche Schaltungen würden auch sofort ungemein aufwendig.

— Thyristoren anderseits bedürfen schon ganz spezieller Massnahmen, um sie überhaupt wider aus dem leitenden Zustand zu bringen. Ausserdem sind diese Elemente in der Betriebsfrequenz, Stromanstiegszeit und Spannungsanstiegszeit heute noch zu engen Grenzen unterworfen. Anwendungen findet man z.B. in der Radartechnik (Radar Handbook, Seiten 7-85, Merril Skolnik, Verlag McGraw-Hill). Es wurden auch andere Schaltungen bekannt, wo für stromstarke Kuizimpulse sogenannte Wasserstoff-Thyratrons verwendet wurden (z.B. im russischen Erosionsgenerator A671.45 beschrieben in «Elektrochemistry in Industriai Processing and Biology», Nr. 6, Nov./Dez. 1975, Seite 83).

Diese Elemente bieten zwar sehr gute Impulseigenschaften, doch sind sie mit den bekannten Nachteilen der Röhrentechnik behaftet: übermässig hohe Betriebsspannung von mehreren tausend Volt, lange Vorheizzeit, hohe Verlustleistung, kurze

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

625 446

Lebensdauer; ausserdem sind Thyratrons auch frequenzmässig zu strak limitiert und zum Abschalten verlangen sie im Prinzip dieselben Massnahmen wie Thyristoren.

Auf dem Gebiet des Senkerodierens ist eine in der CH-PS 550 634 beschriebene Generatorschaltung bekannt geworden, die zur Erzielung einer hohen Produktivität, feiner Oberflächenrauheit und guter Stabilität H.F.-Impulse für den Arbeitsspalt erzeugt, die im Grössenbereich bis zu 2000 kHz bei allerdings unzureichender Stromstärke von nur einigen wenigen Amperes liegen, wobei die Transistoren im Sättigungsbereich betrieben werden, was unerwünschte Zeitverzögerungen in den einzelnen Schaltzuständen ergibt.

In einer weiteren, in der DE-AS 1 565 094 beschriebenen Generatorschaltung für Senkerodieren wird bei Auftreten eines Kurzschlusses im Arbeitsspalt die Leistungszufuhr zum augenblicklichen Arbeitsimpuls aufrechterhalten, jedoch die Leistungszufuhr für die zeitlich folgenden Arbeitsimpulse reduziert. Die in dieser Generatorschaltung benutzten Impulsverstärker haben Leistungstransistoren, deren Kollektoranschlüsse über je einen Strombegrenzungswiderstand auf den Ausgang der Generatorschaltung gelegt sind. Leistungsstarke Kurzimpulse können nicht erzeugt werden.

Die Erfindung hat die Aufgabe, beim funkenerosiven Schneiden folgende Probleme zu lösen:

— Steigerung der Abtragsleistung beim funkenerosiven

Schneiden,

— Vermeidung von Oberflächenschäden,

— Vermeidung von negativen Auswirkungen durch Schwingungen der drahtförmigen Schneidelektrode,

— Minimierung des schaltungstechnischen Aufwandes,

— Parameter-Beherrschung — insbesondere Impulszeit, Synchronisation und extrem hohe Stromamplitude.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierte Schaltungsanordnung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erklärt:

Fig. 1 Prinzipschaltbild des erfindungsgemässen Impulsgenerators;

Fig. 2 Prinzipskizze für eine Impulsverstärkerschaltung;

Fig. 3a)-d) Skizzen für die synchrone Überlagerung von mehreren Teilimpulsen zu einem gesamten Entladeimpuls;

Fig. 4a)-d) Skizzen für die Überlagerung von nichtsynchronen mehreren Einzelimpulsen zu einem gesamten Entladeimpuls;

Fig. 5 Skizze für die Anordnung der Zuleitungen vom Impulsgenerator zur Entladestrecke.

In der Fig. 1 enthält die Schaltung für den Impulsgenerator eine Haupt-Gleichspannungsquelle 1, aus der die Entladestrecke über die Ausgangsklemmen 4 mit stromstarken Kurzimpulsen versorgt wird. Der Zeittakt dieser Impulse wird an einem einstellbaren Oszillator 3 bestimmt, der die Impulsverstärkerschaltungen oder -stufen 20,30, nO steuert, die die Impulse dann über Strombegrenzungswiderstände 24,34, n4 an die Entladestrecke schalten. Eine gleich aufgebaute Impulsverstärkerschaltung bzw. -stufe wird dabei als Treiberschaltung für die weiteren Impulsverstärkerstufen verwendet, die auf die Entladestrecke arbeiten.

Der Treiberstrom dieser ersten Stufe wird durch den Strombegrenzungswiderstand 14 gemeinsam mit dem Spannungsabfall auf den Primärwicklungen der Impulstransformatoren 21,31, nl bestimmt. Auch die Treiberschaltung besitzt einen Impulstransformator 11 der die Oszillatortaktsignale in die Treiberschaltung überträgt. Die Hilfsgleichspannungsquelle 2 versorgt die Treiberstufe 10 und die Impulsverstärkerstufen 20, 30, nO mit einer Spannung deren Wirkungsweise in Verbindung mit der Erklärung der Fig. 2 im einzelnen beschrieben werden wird. Durch Steuereingänge 16,26, 36, n6 kann über die Transistoren 15, 25,35, n5 die Ansteuerung der Treiberstufe 10 bzw. die der Impulsverstärkerstufen 20,30, nO ausser Funktion gesetzt werden.

Zur Kompensation der Leitungsinduktivitäten der verschiedenen Schaltkreise werden die RC-Glieder 200 verwendet, 201/202 für die Treiberstufe und 203/204,205/206, 200+n/200+m für die nachgeschalteten Impulsverstärkerstufen. Auch die kapazitiven Wirkungen der Leitungen erfahren eine Kompensation durch das LR-Glied 100, d.h. durch die Induktivität 101 und den Widerstand 102.

In Fig. 2 wird am Beispiel der Treiberstufe 10 die Funktion dieser Impulsverstärkerstufen erklärt. Für alle folgenden Stufen 20, 30, nO gilt analog das hier gesagte. Vom einstellbaren Oszillator 3 wird der Impulssteuerstrom IS auf den Impulstransformator 11 geschaltet. Dieser Impulstransformator 11 besteht aus drei Wicklungen NI, N2 und N3. Der Impulssteuerstrom IS wird auf die Sekundärseite des Transformators 11 transformiert und erzeugt in der Wicklung N2 den Basisstrom IB für den Leistungstransistor 12. Die Sekundärwicklung N2 ist zwischen die Leitung 2b der Spannungsquelle 2 und die Basis des Leistungstransistors 12 geschaltet. Auf dieser Wicklung N2 erscheint beim Anlegen eines Steuerimpulses IS die Spannung V2 der Spannungsquelle 2,+ die Vorwärts-Basisdurch-lassspannung VBE des Leistungstransistors 12, und es beginnt der Basisstrom zu fliessen.

Diese auf der Wicklung N2 anliegende Spannung wird im Verhältnis N3 zu N2 auch in der Wicklung N3 induziert. Der Leistungstransistor 12 wird durch den Basisstrom IB eingeschaltet und zieht über die Spannungsquelle 1, über die Leistung la und das Lastnetzwerkt 17 den Laststrom IL. Der Leistungstransistor 12 wird soweit eingeschaltet bis seine Durchlassspannung VCE auf den Wert abgesunken ist, wo die Diode 13 vorwärtsleitend wird. In diesem Moment beginnt der Strom ID zu fliessen und bewirkt gleichzeitig eine Reduktion des Basisstromes IB, da der angebotene Steuerstrom Is ungefähr konstant bleibt. Diese Reduktion des Basisstromes IB bewirkt nun ihrerseits, dass der Leistungstransistor 12 weniger strak eingeschaltet wird, d.h. dass sich seine Spannung VCE wiederum erhöht. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, das näherungsweise unter Vernachlässigung der Durchlassspannung der Diode 13 und der Basis-Druchlassspannung VBE des Leistungstransistors 12 folgendennassen beschrieben werden kann:VCE = ungefähr (V2) x N3 : N2.

Die Spannungsquelle 2 kann beispielsweise eine Spannung V2 von 5V haben und der Transformator 11 kann z.B. aus Nl = 2 Windungen, N2 = 2 Windungen, N3 = 4 Windungen aufgebaut sein. Mit diesen Werten ergibt sich eine geregelte Transistoreinschaltspannung VCE des Leistungstransistors 12 von 5 V X 4 : 2 = 10V. Man sieht, dass man mit der Hilfsspannungsquelle 2 und der Konstruktion des Impulstransformators 11 jede beliebige Einschaltspannung VCE des Leistungstransistors 12 einstellen kann. Weiterhin versorgt diese Hilfsspannungsquelle 2 während der Pause, wenn kein Steuerstrom Is anliegt, die Basis des Leistungstransistors 12 mit einer reversen Spannung, was diesem eine höhere Sperrspannung und bessere Abschalteigenschaften verleiht.

Die relativ hohe und aktiv geregelte Einschaltspannung VCE des Leistungstransistors 12 ermöglicht ebenso ein sehr rasches und verzögerungsfreies Abschalten desselben. Der Diodenstrom ID, welcher über den Transistor 12 abgeleitet wird, belastet in nur unbedeutendem Masse diesen Transistor, da er nach dem Transformatorprinzip um so kleiner ist, je höher die Spannung über der Wicklung N3. Uber den Steuereingang 16 kann der Hilfstransistor 15 eingeschaltet werden, welcher seinerseits die Sekundärwicklungen N2 und N3 des Pulstransformators 11 kurzschliesst. Dadurch werden die Steuerstromimpulse auf der Sekundärseite kurzgeschlossen und die Basis des Leistungstransistors 12 wird auf die Leitung 2b hinunterge5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

625 446

4

schaltet, was eine sichere Sperrung desselben ermöglicht. Auf diese Weise kann in jedem beliebigen Zeitpunkt jede beliebige Impulsverstärkerstufe 10,20,30, nO trotz anliegenden Steuersignalen ausgeschaltet werden. Es ergibt sich somit eine einfache und schnelle Emstellmöglichkeit des Impulsstromes auf der Bearbeitungselektrode.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Impulsverstärkerstufen 10, 20,30, nO sieht vor, die Impulstransformatoren 11, 21,31,nlsozu konstruieren, dass sie nach einer definierten Steuerstromimpulslänge des Stromes Is in Sättigung übergehen, somit auf der Sekundärseite kein Signal mehr liefern, und damit selbst bei einem fehlerhaften Steuersignal eine Überlastung der Leistungstransistoren 12,22, 32, n2 verhindern. Dies ermöglicht bedeutende Einsparungen bei der Dimensionierung der Leistungselemente da sie nur für den Impulsbetrieb ausgelegt werden müssen.

Die Fig. 3 und 4 dokumentieren die Wichtigkeit der einwandfreien zeitlichen Synchronisation der einzelnen Impulsverstärkerstufen 20, 30, nO. Die Fig. 3a), 3b), 3c) zeigen beispielsweise drei einwandfrei synchronisierte Impulsströme IL1, IL2 und Ij3, welche auf dem gemeinsamen Ausgangspunkt der Generatorschaltung -FS summiert werden, und dort den Summenimpuls IFS bewirken. Man sieht sofort, dass die Impulshöhe dieses Gesamtimpulses gleich der Summe der einzelnen Impulshöhen der Teilimpulse wird. Die Flankensteilheit dieses Summenimpulses wird beträchtlich grösser als die der Einzelimpulse, da die Ein- und Ausschaltzeiten beibehalten werden.

Die Fig. 4a), 4b) und 4c) zeigen wiederum drei Einzelimpulse IL1, IL2 und Il3 welche jeweils nur um den Betrag ihrer Einschaltzeiten At zeitlich versetzt sind. Der Summenimpuls in Fig. 4d) dieser schlecht synchronisierten Einzelimpulse erreicht nur noch eine Flankensteilheit die ungefähr gleich der Einzelimpulse ist und eine Impulshöhe die nur noch zwei Drittel der Summe der Impulshöhen der Einzelimpulse entspricht. Der Unterschied zwischen einem Bearbeitungsimpuls wie in Fig. 3d) und jenem in Fig. 4d) ist augenfällig. Man sieht dass das Hauptproblem von stromstarken Kurzimpulsen in der Erzeugung von steilen Einzelimpulsen und deren einwandfreien zeitlichen Synchronisation besteht. Diese Probleme werden durch die Schaltungsanordnung wie sie nach Fig. 2 erklärt wird und durch die Serieschaltung der Primärwicklungen der Impulstransformatoren 21,31 bis nl gemäss Fig. 1, in idealer s Weise gelöst.

Fig. 5 zeigt eine vorgeschlagene Ausführungsform der Verkabelung von den Generator-Ausgangsklemmen + FS/- FS bis in den Bearbeitungsraum der funkenerosiven Drahtschneidmaschine. Da solche Drahtschneidmaschinen heute bedeutende Dimensionen erreichen, Verfahrwege der Achsen von annähernd 1 Meter sind schon geläufig, muss der Verkabelung, bei der Anwendung von stromstarken Kuizimpulsen, besondere Bedeutung geschenkt werden. Von den Ausgangsklemmen der Generatorschaltung + FS/- FS werden die Stromimpulse vorteilhafterweise über mehrere verdrillte Leiterpaare 305, 306 resp. 307,308 (wovon nur je ein Paar gezeichnet ist) in den Arbeitsraum der Maschine gebracht. Das Werkstück 300 führt in bekannter Weise die der Schnittkontur entsprechenden Bewegungen relativ zur Drahtelektrode 310 in den beiden Achsen X und Y aus. Die Drahtelektrode 310 wird von einer Drahtvorratsrolle 303 abgewickelt und wenn sie die Erosionszone passiert hat, von der Rolle 304 aufgewickelt.

Die Stromimpulse werden über die Kontakte 301 und 302 auf die Drahtelektrode 310 übertragen. Die erfindungsgemäs-sige Anordnung sieht vor, dass die Leiterpaare 305, 306 resp. 307, 308 bis in die Nähe dieser Stromkontakte verdrillt werden, wobei danach die Leitungen 305a und 307a in einer möglichst engen Schlaufe auf die Aufspanntische 321 links und 320 rechts gebracht werden.

Diese Schlaufen sind so angeordnet, dass bei irgendeiner Tischbewegung die einte Schlaufe soviel vergrössert wird wie die andere sich verkleinert, mit dem Ziel die resultierende Induktivität im Arbeitsraum konstant zu halten, und gleichwohl ein unbehindertes Arbeiten zu ermöglichen. Damit, und in Verbindung mit den Massnahmen zur Kompensation der Leitungsinduktivitäten wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurden, ist es möglich auch Gross-Maschinen mit einwandfreien Kurzimpulsen zu versorgen.

15

20

25

30

s

4 Blatt Zeichnungen

Claims

625 446

1) die Impulsverstärkerschaltungen über Impulstransformatoren angesteuert werden, die je eine Primärwicklung und je zwei Sekundärwicklungen aufweisen, und dass

1. Generator zum elektroerosiven Bearbeiten mittels elektrischer Entladungen zwischen einer Werkzeugelektrode und einer Werkstückelektrode, bestehend aus einer Hauptspannungsquelle, einem einstellbaren Steueroszillator und mehreren Impulsverstärkerschaltungen mit Leistungstransistoren, deren Kollektoranschlüsse über je einen Strombegrenzungswiderstand auf den Generatorausgang geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Impulsverstärkerschaltung einen Steuereingang besitzt, welcher über einen Hilfstransistor die Sekundärwicklungen des Impulstransformators kurzschliesst und dadurch die Steuersignale dieser Impulsverstärkerschaltung unterdrückt.

2) die Emitteranschlüsse der Leistungstransistoren gemeinsam an den entsprechenden Pol der Hauptspannungsquelle und an den ungleichnamigen Pol einer Hilfsspannungsquelle (2) geführt sind, deren anderer Pol mit den ersten Anschlüssen aller ersten Sekundärwicklungen der Impulstransformatoren verbunden ist, und dass

3) je der zweite Anschluss dieser ersten Sekundärwicklungen zusammen mit dem ersten Anschluss der zweiten Sekundärwicklungen an den Basisanschluss des zugeordneten Leistungstransistors angeschlossen ist, und dass

4) je der zweite Anschluss der zweiten Sekundärwicklungen über je eine Diode mit dem Kollektoranschluss des zugeordneten Leistungstransistors verbunden ist, wobei die Spannung der Hilfsspannungsquelle und das Windungszahlverhältnis der beiden Sekundärwicklungen so gewählt werden, dass infolge der transformatorischen Rückkopplung die Leistungstransistoren in keinem Falle gesättigt werden, und dass

5) die Primärwicklung des Impulstransformators einer ersten Impulsverstärkerschaltung an den einstellbaren Oszillator angeschlossen ist, während alle Primärwicklungen der folgenden Impulsverstärkerschaltungen vom Kollektoranschluss des Leistungstransistors dieser ersten Impulsverstärkerschaltung in Serie geschaltet, über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem anderen Pol der Hauptspannungsquelle verbunden werden, und dass

6) parallel zu jedem Strombegrenzungswiderstand eine Widerstand-Kondensator-Kombination geschaltet ist und weiter eine Widerstand-Induktivität-Kombination zum Generatorausgang parallelgeschaltet ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulstransformatoren der Impulsverstärkerschaltungen so dimensioniert sind, dass sie nach Überschreitung einer bestimmten Impulszeit in Sättigung übergehen und die Leistungstransistoren der Impulsverstärkerschaltungen dadurch selbsttätig in den nichtstromleitenden Zustand überführen.