CN102781616A - 放电加工的火花隙控制 - Google Patents

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Abstract

EDM装置的控制模块，包括：控制器，用于操纵提供给EDM装置的能量，进行电压测量，计算响应，以及控制EDM装置的电极的推进。EDM装置可包括压电晶体，其电并联于施加在电极和工件之间的火花隙的电压。

Description

放电加工的火花隙控制
相关申请
该申请要求于2009年10月21日提交的美国临时专利申请序列号61/253,819的全部巴黎公约权益和优先权，其内容通过引用以其整体并入本文，如同本文完全阐述。
背景
1.领域
该公开内容涉及用于EDM装置和过程的控制装置和方法。
2.一般背景
放电加工，或EDM，是用于加工金属的既定方法和设备。其通过利用放电进行操作，以将金属从工件上去除。在EDM过程中，电极非常靠近工件。以高频脉冲施加高电压。该过程在介电液的存在下发生。这样一般在工件和电极之间最靠近的位置产生火花。当火花猝熄时颗粒被从工作去除。控制火花持续时间(接通时间或活动状态)和恢复时间(断开时间或不活动状态)，以便工件和电极温度不会升高到整体熔化的温度。因此，侵蚀基本上被限制在气化过程。
火花隙的控制至少部分通过侵蚀电极(erosion electrode)与靶之间的距离和间隔限定。如果火花隙过大，等离子体现象(plasma event)可能不会发生。如果火花隙过小，等离子体现象可能不足以去除期望量的材料。如果侵蚀电极接触工件，则在恢复火花隙之前，不会有等离子体现象发生。
概述
根据一些示范性的实施方式，公开了控制模块，包括：开关控制器，其配置用于选择性地开启和关闭将电源连接到EDM装置的侵蚀电极的开关；电压传感器，其配置用于感测火花隙中电压；CPU，其配置用于基于感测的火花隙中电压计算响应指令；以及电机控制器，其配置用于使EDM装置的电机根据响应指令选择性地控制侵蚀电极的位置。
响应指令使火花隙变窄、变宽或者保持相同。响应指令可基于多个感测的火花隙中电压读数计算。电机可配置用于相对于工件可控地放置侵蚀电极。控制模块可通过可脱落电缆(umbilical)连接到EDM装置。
根据一些示范性的实施方式，公开了EDM装置，包括：基座；驱动器机架(driver housing)；电机，其配置用于相对于基座可控地放置驱动器机架；侵蚀电极，其通过置于侵蚀电极和驱动器机架之间的压电晶体连接到驱动器机架；其中EDM装置电连接到配置用于选择性地提供火花隙的电压的电源；其中该压电晶体电连接到电源，与火花隙并联，并且其配置用于响应电源电压推进或回撤侵蚀电极。
压电晶体可配置用于响应电源电压的升高而朝工件推进侵蚀电极。该压电晶体可配置用于响应电源电压的下降而回撤侵蚀电极远离工件。电机可配置用于根据基于感测的火花隙中电压的响应指令选择性地控制火花隙。EDM装置可以是手持设备。该EDM装置可通过可脱落电缆连接到控制模块。
控制模块可包括：开关控制器，其配置用于选择性地开启和关闭将电源连接到EDM装置的侵蚀电极的开关；电压传感器，其配置用于感测火花隙中电压；CPU，其配置用于基于感测的火花隙中电压计算响应指令；以及电机控制器，其配置用于使EDM装置的电机根据响应指令选择性地控制侵蚀电极的位置。
根据一些示范性的实施方式，公开了控制火花隙的方法，包括：测量火花隙的电压样本；将测定的电压与下面其中一项关联：火花隙的开路状态(open state)、等离子体状态以及短路状态(short state)；对电压样本分配权重参数(weight parameter)，其中开路状态、等离子体状态以及短路状态中的每一项都具有唯一的权重参数；基于权重参数确定响应指令；使电机基于响应指令控制火花隙。
开路状态的权重参数对应于将火花隙变宽的响应指令。等离子体状态的权重参数对应于基本上维持火花隙的响应指令。短路状态的权重参数对应于将火花隙变窄的响应指令。
等离子体状态发生在多个等离子体电压范围内的一个中。多个电压范围可以是连续的。多个等离子体电压范围中的每个对应于唯一的权重参数。多个等离子体电压范围可包括：高电压弱等离子体、强等离子体、和低电压弱等离子体。电压样本包括多个测定的火花隙的电压。
确定响应指令可包括：排除对应于在工作循环的不活动期期间所进行测量的测定电压以确定剩余的参数；计算组合参数为剩余的参数的均值，其中该组合参数对应于响应指令；以及使电机基于响应指令控制火花隙。
根据一些示范性的实施方式，公开了控制火花隙的方法，包括：测量火花隙的多个电压，其中电压通过具有活动期和不活动期的工作循环的电源提供；对多个测定电压的每个分配权重参数；基于测定的多个电压计算组合参数，其中组合参数对应于响应指令；以及使电机基于响应指令控制火花隙。
使电机控制火花隙引起等离子体现象的比率提高。权重参数对应于火花隙的开路状态、至少一种等离子体状态以及短路状态中的一个，每种状态具有对应的权重参数。组合参数可以是权重参数的均值。可以只在工作循环的活动期期间测量多个电压。
计算组合参数可以包括：排除对应于在工作循环的不活动期期间测定的电压的权重参数，其中组合参数是在排除步骤之后剩余的参数的均值。测量多个电压可以以测量期间不超过工作循环的脉冲周期的间隔完成。
附图
通过结合附图参考下列详述，本公开内容上述的特征和目标将变得更加清楚，附图中同样的参考数字表示同样的要素，并且其中：
图1显示一个工人对工件应用手持EDM装置的示图。
图2显示根据示范性的实施方式的EDM装置和控制组件的框图。
图3A显示电压读数的范围以及对应的权重参数的图的示范性实施方式。
图3B显示电压读数的范围以及对应的权重参数的图的示范性实施方式。
图4A显示火花隙控制方法的操作流程图。
图4B显示火花隙控制方法的操作流程图。
图4C显示火花隙控制方法的操作流程图。
图5A显示EDM装置和电源的示意图。
图5B显示具有压电晶体的EDM装置和电源的示意图。
图6显示具有压电晶体的EDM装置的示意图。
图7显示用传统控制器执行的过程期间采集的数据的图示。
图8显示用直接耦合压电激活配置(direct-coupled piezo-activatedconfiguration)执行的过程期间采集的数据的图示。
图9显示用新型测量和响应系统执行的过程期间采集的数据的图示。
详述
如本文使用的，“火花隙(spark gap)”是指限定侵蚀电极66和工件之间最短距离的间隔。
根据一些示范性的实施方式，EDM装置50可以配置用于通过放电加工(“EDM”)侵蚀至少一部分工件。EDM装置50可以是EDM系统1的一部分，包括支持和控制组件。EDM装置50可以是集成工作站(integrated workstation)的一部分，包括支持设备14。如图1所示，根据一些示范性的实施方式，EDM装置50可以由用户手持。例如，EDM装置50可以是EDM系统1的一部分，EDM系统1通过支持设备14提供动力、控制和介电液(其也可以是冷却剂)。柔性可脱落电缆16使EDM装置50和支持设备14互相连接以便可以按需要放置手持装置。
根据一些示范性的实施方式，EDM装置50可以被放置以移除延伸穿过一个或多个框架的紧固件。EDM装置的配置和使用的进一步公开内容在于2010年4月22日公布的美国专利公布号2010/0096365；2010年4月29日公布的WIPO公布号WO2010/048339；以及2001年5月1日授权的美国专利号6,225,589中提供，其全部内容通过引用并入本文，如同在本文完全阐明。可以靠近工件提供EDM装置50的侵蚀电极66，并对其施用电荷。定义为侵蚀电极66和工件之间间隔的火花隙可以得到保持。接地电极62可以放置与工件接触和导电。可选地，接地电极62可以是工件所在的表面或其附着的表面，或者可以是所述表面的一部分。可以在火花隙中提供介电液。随着电荷的施加，介电液中可能发生分解(breakdown)，然后产生等离子体现象，其中电荷经由气化的介电液通过火花隙，由此至少一部分的工件被侵蚀和去除。在给定的温度或接近给定的温度下，介电液的流动可以将侵蚀的部分从火花隙移除，并且保持附近的组件。
根据一些示范性的实施方式，如图2所示，控制模块20包括CPU22、开关控制器24、电机控制器30和电压传感器90。控制模块20可以是随身携带的装置50或支持设备14。
根据一些示范性的实施方式，CPU 22配置用于操纵和控制控制模块20和其他系统的组件，以及在控制模块20内收集、编译、分析和计算数据。CPU 22可以由用户根据提供的程序设计或操作运行。
根据一些示范性的实施方式，开关控制器24配置用于选择性地操作将电源40与EDM装置的至少一个电极相连的开关26。开关26的操作可以依照程序化的工作循环。例如，开关控制器24的操作可以确定到EDM装置的电极的直流电流的工作循环。还例如，可以通过其它机械装置提供工作循环，并且开关26可以运转以在运转的同时操纵EDM装置的其它方面。
根据一些示范性的实施方式，电压传感器90配置用于感应、测量或者记录EDM装置的两个电极(即，侵蚀电极66和接地电极62)的电压差。该电压差代表施加在火花隙的电压。因此，可以从电压传感器90的操作推断出等离子体现象、短路或开路的发生。电压传感器90可以通过任意两点进一步确定电压差，每一点与火花隙两侧的一侧导电。可以使用其他用于直接或间接确定电压的配置和机械装置，如本领域普通技术人员应当理解的。
根据一些示范性的实施方式，电机控制器30配置用于控制EDM装置的电机60。例如，如本文进一步公开的，可以基于控制模块的运行由电机60维持或改变火花隙的尺寸。
根据一些示范性的实施方式，电机控制器30实现侵蚀电极66相对于EDM装置50的基座52的推进和回撤。呈现的基座52优选地是手持EDM装置的一部分，其至少支撑侵蚀电极66、接地电极62和用于可控地提供介电液（其可作为冷却剂）的组件、或者至少是手持EDM系统的手持部分。
根据一些示范性的实施方式，电机60操纵侵蚀电极66和电极驱动器机架58中至少一个相对于基座52和靶/工件中至少一个的位置。例如，电机60可以是线性电机或者任何适用于实现线性运动的电机。例如，步进电机可以用于电机60。可以提供其它电机和电极的组合来实现侧向运动或者给侵蚀电极66提供其它动作。当提供EDM装置50至工件时，侵蚀电极66相对于基座52的位置可以对应于侵蚀电极66相对于工件的位置。
对侵蚀电极66提供的电脉冲可以引起火花隙的电压差。取决于火花隙中的条件，该脉冲可具有至少三种结果中的一种。
第一种，因为电压不足以克服介电液的绝缘性能，可能没有分解介电液。这被认为是“开”路，其中没有电子流动，这是因为没有等离子体现象发生。如本文所用的，火花隙的“开路状态(open state)”是指这样的状态，其中火花隙中的条件不足以造成(1)电介质分解和(2)电压通过在火花隙的电流释放。在开路状态中，没有等离子体现象发生。
第二种，可能有电子流从侵蚀电极66直接到工件，这是因为由侵蚀电极66和工件直接接触而造成的“短路”。该电流可能绕过介电液；因此没有电介质分解或者等离子体现象发生。如本文所用的，火花隙的“短路状态(short state)”是指这样的状态，其中火花隙中的条件不足以造成电介质分解，但其中电压被从侵蚀电极66到工件的电流释放。在短路状态中，没有等离子体现象发生。
第三种，电压可能足够高以克服介电液的绝缘性能，引起其在火花隙中的等离子体现象期间分解。因为在等离子体现象期间发生侵蚀，当等离子体现象发生更频繁时EDM装置有效率地运转。如本文所用的，火花隙的“等离子体状态(plasma state)”是指这样的状态，其中火花隙中的条件足以造成(1)电介质分解和(2)电压通过在火花隙的电流释放。在等离子体状态中，发生等离子体现象。
根据一些示范性的实施方式，电机60可以基于侵蚀过程期间进行的测量，至少部分地用于调整侵蚀过程期间火花隙的尺寸。例如，可发生等离子体现象的电压(在此期间介电液“分解”)可以表示为等式1：
VG=EDS*D                (等式1)
“VG”是火花隙的电压，“EDS”是介电液的介电强度(即，可以承受而不造成分解的最大电场强度)，“D”是侵蚀电极66和工件之间的距离(即，火花隙的尺寸)。
可以基于选择的介电液的已知特性了解介电液的介电强度。另外，可以在该过程期间测量引起等离子体现象及等离子体现象期间的电压。因此，火花隙的距离可以表示为等式2：
D=VG/EDS                (等式2)
因为火花隙中的条件(比如，火花隙的小尺寸)，可能无法直接测量VG。而是，可以通过从阳极电极和阴极电极(即侵蚀电极66和接地电极62)离火花隙的远侧进行的测量推断火花隙的电压，如图2所示。可以认为在阳极和阴极的电压降提供了VG的精确计算，其可以表示为等式3：
VG=VM-VA-VC              (等式3)
“VM”是电压传感器测量的电压，“VA”是靠近阳极附近的间隙中的电压降(一般是恒定的，并可以基于电极材料和介电特性确定)，“VC”是靠近阴极附近的间隙中的电压降(一般是恒定的，并可以基于电极材料和介电特性确定)。
因此，等式2可以表示为等式4：
D=(VM-VA-VC)/EDS         (等式4)
基于该计算，可以确定火花隙的距离，并且在该过程期间可以进行适当的修正以将距离维持在优选的范围内。当距离维持在优选的范围，引起等离子体现象的脉冲数可增加。
用常规装置的火花隙控制
目前一些负反馈控制系统被提供用于一般的应用。例如，伺服控制机构(Servo control mechanisms)，比如由Galil Motion Control,
Figure BDA00001795803800081
(Rocklin,California)提供的那些，基于过程期间读取的读数提供运动控制。然而，这种用于一般应用的系统不足以用于根据本公开内容的一些示范性实施方式的EDM装置。
例如，测试的某些伺服机构(servomechanisms)基于大于由电源40提供到侵蚀电极66的脉波周期的循环周期执行电压读数。例如，以范围在大约1.2毫秒到10毫秒之间的间隔对每800微秒提供的脉冲进行读数。因为读数间隔比脉冲周期要长，因此该伺服机构无法对每个脉冲读数。
另外，某些伺服机构未能解决没有脉冲提供的情况。例如，对于90%的工作循环(即，90%的活动状态)，电压读数在没有脉冲提供的持续期内(即，10%的不活动状态)读取。因此，一些电压读数在等离子体现象由于工作循环的不活动状态而未实现的期间读取。任何基于这种读数采取的活动都基于不当的前提，即读数真实代表在工作循环的活动状态期间的情况。
另外，某些伺服机构限于基于单个阈值分析读数。例如，将电压读数与目标电压相比较。如果读数高于目标，执行向一个方向的推进。如果读数低于目标，执行向相反方向的推进。没有伺服机构的读数和响应会引起电极位置的维持。这是有问题的，只要至少基本上维持电极比其推进或回撤更有效。另外，基于获取的测量值大小，两个推进选项中只出现一个，而不是众多种类。因此，未考虑与目标阈值的偏差的大小。
用新型测量和响应系统的火花隙控制
根据一些示范性的实施方式，本文公开了新型测量和响应系统及方法。该新型测量和响应系统及方法为根据本公开内容的EDM装置提供更有效的性能结果。根据一些示范性的实施方式，公开了对火花隙中条件的测量和响应的方法。
根据一些示范性的实施方式，控制模块20的电压传感器90可以在小于或基本小于脉冲周期的测量期间进行电压测量。例如，可以每40微秒进行一次测量。对于具有周期大约800微秒的脉波，这在一个脉冲周期中提供大约20次测量。其使系统能够响应每次脉冲进行任何期望的调整。
根据一些示范性的实施方式，可以限定火花隙电压的范围，其中每次测量被确定在一个范围内。例如，如图3A和图3B所示，火花隙电压可以归类于多个范围中的一个。可以提供任何数量的范围，限定每个范围的上限和下限可以是可设计的。中间范围可以定义为发生等离子体现象的优选范围。
根据一些示范性的实施方式，如图3A所示，低电压的范围可对应于短路状态，其中火花隙过窄而不能促进等离子体现象。中电压的范围可对应于火花隙的等离子体状态，其中火花隙的尺寸合适以促进等离子体现象。高电压的范围可对应于火花隙的开路状态，其中火花隙过宽而不能促进等离子体现象。
根据一些示范性的实施方式，如图3B所示，在中间范围之上和之下的一个或多个范围可以表示发生等离子体现象但是强度和有效性都较低的电压。中间范围表示存在强等离子体现象的理想条件的一个或多个电压。至少一个范围可以对应于火花隙中的低电压弱等离子体状态，其中弱等离子体现象出现在低于最佳的电压。至少一个范围可以对应于火花隙中的高电压弱等离子体状态，其中弱等离子体现象出现在高于最佳的电压。
根据一些示范性的实施方式，如图3A和3B所示，根据对应于进行的测量的范围，可对火花隙电压的测量分配“权重参数”。权重参数可以粗略成比例于或者以其它方式表示测定的电压与目标电压的偏差。例如，测定的中间范围的火花隙电压可以分配权重参数0，表示可能不需要调整。测定的高于中间范围的范围（一个或多个）内的火花隙电压可以分配正值，测定的低于中间范围的范围（一个或多个）内的火花隙电压可以分配负值。根据一些示范性的实施方式，进行的测量可用于计算参数，如图4A、图4B和图4C所示。每个权重参数对于其对应的范围可以是唯一的。
根据一些示范性的实施方式，公开了对火花隙中条件的测量、处理和响应的方法。如图4A所示，过程可始于操作102。在操作104，EDM装置可确定为处于“开”或“关”状态，如通过用户或操作员提供的。在操作106，如果装置关断，该过程可终止。在操作108，测量火花隙的电压。在操作110，根据设计的标准对测定的电压分配权重参数。分配权重参数可以是或包括处理电压读数或对电压读数应用算法，以确定响应指令。例如，分配权重参数可以是或包括确定测定的电压和目标电压之间的差。在操作112，如果需要的话，可以根据基于权重参数和测定的电压中至少一个的响应指令确定调整。响应指令的分派可以是或包括基于权重参数产生用于调整或不调整火花隙的协议。如果不需要调整，那么过程可返回到操作104。如果需要调整，那么根据响应指令在操作114可以控制和调整火花隙。该过程可以通过一个或多个重复进行循环。
根据一些示范性的实施方式，可合并多个进行的测量，计算组合参数，如图4B和图4C所示。在控制模块20可以以小于或基本上小于脉冲周期的周期进行电压测量的情况下，多个这种测量可以表示一个脉冲周期内或跨多个脉冲周期的情况。
如图4B所示，过程可始于操作202，继续到操作204，或者任选地结束于操作206。在操作208，测量火花隙的电压并且在操作210分配权重。在操作212，可以确定是否已经进行了足够的测量。如果否，则在操作208进行更多测量。如果是，则可在操作214过滤测量或权重参数，由此去除非周期的或不活动状态期间进行的测量或参数。因此，提供剩余的参数为未在操作214被去除的那些。在操作216，合并剩余的参数，提供组合参数。该组合参数可以是多个电压测量值、分别分派于多个电压测量值的多个权重参数、或者任何其它表示火花隙中条件的数值。组合参数可以是平均数、加权平均数，或者用于合并多个数据点的任何其它数学的和统计学的计算。在操作220，可基于组合参数确定响应指令，并相应地操纵火花隙。
本领域的技术人员将认识到范围、计算和分配的数值仅仅是用于本公开系统的示范性实施方式的象征代表；对本文明确示出的示范性实施方式的各种改变可以在本公开的范围内，因为系统可以被设计以适应这类改变。
如图4C所示，过程可始于操作302，在操作304继续，或者任选地结束于操作306。在操作308，确定是否有脉冲正在提供(例如，在工作循环的活动状态而非不活动状态)。如果有脉冲，则过程继续至操作310，在此测量火花隙的电压并在操作312对该电压分配权重。如果没有脉冲，则过程等待，直至脉冲返回。在操作314，可以确定是否已经进行了足够的测量。如果否，过程可以返回至操作308。如果是，则在操作316合并权重参数或测定的电压，提供组合参数。在操作320可基于该组合参数确定响应指令，并相应地操纵火花隙。
根据一些示范性的实施方式，如图4B和图4C所示，组合参数可以排除通过控制模块20确定的对应于不活动期(即，没有工作循环的期间)的数值。因为开关控制器24和电压传感器90都是通过控制模块20在中央操作，可以同时使用各自的操作数据。例如，测量可以通过电压传感器90进行，并根据测量是否是在开关控制器24已使开关26开启时进行注释。因此，基于剩余的电压测量值或权重参数计算组合参数。也可在电压传感器90进行测量的时候做出这种确定和排除；控制模块20可选择性地忽略在开关26开启时进行的测量。此外，电压传感器90可以配置用于仅当已知开关控制器已使开关26关闭时操作，如图4C所示。
根据一些示范性的实施方式，电机控制器30的操作可以基于控制模块20的测量和计算。例如，侵蚀电极66的推进或回撤可以基于测定的电压、权重参数或组合参数中的至少一项来实现。侵蚀电极66的推进或回撤可以与实现最佳尺寸火花隙所需的移动量成比例，如通过控制模块20计算的。
上述过程可作为一套要执行的指令存储于计算机系统的存储器中。此外，执行上述过程的指令可以可选地存储于其它形式的机器可读介质中，包括磁盘、光盘以及相关介质。例如，描述的过程可以存储在通过磁盘驱动器(或者计算机可读介质的驱动器)存取的机器可读介质比如磁盘或光盘上。另外，指令可以通过数据网络以编译的及链接版本的形式下载到计算装置中。
可选地，执行上述过程的逻辑可在另外的计算机或机器可读介质中执行，比如作为大规模集成电路(LSI’s)的离散硬件元件，专用集成电路(ASIC’s)，固件例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM’s)；和电的、光的、声的以及其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等等)。
用直接耦合压电激活配置的火花隙控制
根据一些示范性的实施方式，火花隙尺寸的控制可以迅速并自动地通过压电晶体64或其它对施加其上的电压响应的结构进行操纵，如图5B和图6所示。例如，根据一些实施方式，侵蚀电压66可连接到驱动器机架58，驱动器机架58可以在适当的轨道上可滑动地安装在基座52上。电机60可以相对于工件推进或回撤驱动器机架58—从而推进或回撤侵蚀电极66。压电晶体64可以安装在驱动器机架58和侵蚀电极66之间。
根据一些示范性的实施方式，压电晶体64可以直接连接到侵蚀电极66和接地电极62，从而引起EDM侵蚀过程的相同DC脉冲也对压电晶体64通电。电学上压电晶体64与火花隙并联，如图5B和图6所示。假设初始是开路条件，电压脉冲的启动使得压电晶体64相对于基座52和电极驱动器机架58中的至少一个延伸侵蚀电极66。
图5B显示了EDM装置的说明性直接耦合压电激活(“DCPA”)配置的示意图，与图5A所示的说明性常规EDM装置相对比。两个系统都图解说明了工件96、侵蚀电极66和电极驱动器机架58。都与在工件96和侵蚀电极66之间传递DC脉冲的电源40连接。在两种情况下，电极驱动器机架58都可以基于包括本文公开的方法在内的各种方法调整工件96和侵蚀电极66之间的间隙。根据一些示范性的实施方式，DCPA装置具有位于侵蚀电极66和电极驱动器机架58之间的压电晶体64。
例如，在DCPA装置和常规装置中，DC脉冲接通时间和断开时间可以在50-1000微秒的范围内。然而，许多有源闭环控制装置(activeclosed-loop control device)的响应时间(包括测量和响应进行的动作)可以是大约3毫秒或更慢，其不足以在每个DC脉冲的时期内提供期望的响应，如本文所述。因此在常规系统中，在侵蚀电极66和工件96之间提供一些脉冲通过小于最佳火花隙的尺寸，并且等离子体没有出现或在去除材料方面是低效的。
在这种情况下，压电晶体64可以提供更快速的响应调整，以操纵火花隙的尺寸并为等离子体现象的频繁出现创造更适宜条件。根据一些示范性的实施方式，对于每个DC脉冲，压电晶体64充电并扩展，因此驱动电极向前，直至DC脉冲结束，压电晶体64回撤。压电晶体64的响应时间通常比得上或快于DC脉冲的接通和断开时间。通常，压电推进反应时间为大约300微秒，回撤反应时间在30微秒的范围内，二者与典型EDM电源的接通时间和断开时间一致。因此，压电晶体64能够适应火花隙并在脉冲期间实时对间隙做小的调整，显著提高了从工件去除材料的效率。
根据一些示范性的实施方式，电机60通过触发器92或邻近开关94等启动。随着侵蚀电极66朝着工件96向前，电荷施加到侵蚀电极66。在电压足够高且火花隙的尺寸足够小时发生等离子体现象，允许电流穿过火花隙。电压随后的下降使压电晶体64断电，以撤回侵蚀电极66的前面，远离工件96。自电源40达到顶点后，电弧熄灭。电弧造成等离子体量，并且当电弧熄灭时，等离子体瓦解。正是这种等离子体瓦解引起局部震动，从工件撞击掉疏松的材料块。该疏松的材料被介电液快速地洗掉。自电弧熄灭后，电压借助电源40升高，侵蚀电极66推进，并引发新的电弧。
根据一些示范性的实施方式，新型测量和响应系统可以与压电晶体配置结合。例如，可以如本文公开的提供和操作新型测量和响应系统，其中系统的启动施加到驱动器机架58。可以如本文公开的提供压电晶体64与新型测量和响应系统协同操作。
实验应用的对比结果
根据记录的实验数据，EDM过程使用以下进行：(A)Galil MotionControl,
Figure BDA00001795803800131
(Rocklin,California)的传统控制器，(B)压电晶体配置，(C)新型测量和响应系统以及(D)压电晶体以及新型测量和响应系统的结合。图7、图8和图9显示了收集的数据的图示。基于等离子体现象的侵蚀效率进行比较，以产生可比的侵蚀所需的时间为代表。图7、图8和图9显示优化材料去除速率的机电控制的进度。每张图展示了作为时间(x轴)函数的火花隙平均电压(y轴)。作为闭环火花隙控制的结果，该图有波动。
根据一些示范性的实施方式，将高频50-70伏特DC方波施加到电极和紧固件，紧固件作为正极。如果火花隙正确则等离子体出现，并且在大约14-18伏特的电压。与高频脉冲同时地，出现低频振荡，因为控制系统基于测定的平均电压连续地调整火花隙。如果电压反馈系统太不精确，最佳的电极间隙将持续地过冲并出现短路。典型的EDM机床不能够快速反应，这部分由于机床内放置的元件的质量，所以当火花隙在过大和过小之间波动时短暂出现等离子体，且等离子体效率低。因此典型EDM的材料去除率低。
图7说明传统机械装置的操作数据，并阐明了火花隙控制的性能。等离子体，定义为在大约14-18伏特区域内的活动（以虚线矩形强调），只零星地在开路和短路情况之间出现，总计大约占全部时间的10-15%。
图8说明相同控制系统的操作数据，但是通过直接耦合压电激活(DCPA)配置增强。恰当调整的DCPA增加了等离子体活动至大约占全部时间的20-30%。DCPA增加系统展现的循环时间比没有DCPA的快大约30%。
图9说明新型测量和响应系统的操作数据。该系统没有DCPA，避免了在每个脉冲上使电压短路并导致60-70%时间的等离子体。图9描述的系统展现的循环时间比图7描述的传统机械装置快大约50%。
DCPA配置与新型测量和响应系统的结合相对没有DCPA的新型测量和响应系统(图中没有显示)提供了额外10-15%的改进。
虽然已经依据目前认为是最实用和优选的实施方式描述了方法和工具，但应当理解，公开内容并不需要限于公开的实施方式。其意欲涵盖包括在权利要求的精神和范围内的各种变型和类似的安排，其范围应当按照广义的解释以便包括所有这些变型和类似的结构。本公开内容包括所附权利要求的任何和所有的实施方式。
还应当理解在不偏离本发明的本质的情况下可以做各种改变。这种改变也隐含包括在说明书中。它们也落入本发明的范围内。应当理解本公开意欲产生一项专利，其独立地涵盖本发明的众多方面又作为总体系统，并以方法和设备模式。
另外，本发明的各种要素与权利要求的每一项也可以通过各种方式实现。应当理解本公开内容包括每一项这种变型，不管是任何设备实施方式、方法或者过程实施方式的实施方式变型，还是甚至仅仅是这些的任意要素的变型。
特别地，应当理解，公开内容涉及本发明的要素时，每个要素的用词可以用等价的设备术语或方法术语表达——即便只是功能或结果相同。
应当认为这种等价的、更广义的或甚至更上位的术语包括在每个要素或动作的描述中。需要时这类术语可以替换以使本发明要求的隐含地宽的覆盖范围清楚。
应当理解，所有的动作可以表示为进行该动作的装置或引起该动作的要素。
类似地，应当理解公开的每项物理要素包括该物理要素所促进的动作的公开内容。
在本专利中所述的所有专利、出版物或其它参考文献通过引用并入本文。另外，对于每个使用的术语，应当理解，除非其在本申请中的使用与这种解释不一致，否则应当理解对于每个术语并入了普通词典的定义，并且所有定义、可选术语和同义词，比如包括在技术人员公认的标准技术词典和最新版Random House Webster's UnabridgedDictionary的至少一中的都通过引用并入本文。
最后，在信息公开声明(Information Disclosure Statement)中或其他与本申请一起提交的信息声明中列举的所有对比文件附于此并通过引用并入本文；然而，对于上面的每项，在可能认为这种通过引用并入的信息或声明与这项/这些发明的授权不一致的情况，这类声明明确地不被认为是申请人所做。
在这方面，应当理解，出于实际的原因，且为了避免潜在地增加数百个权利要求，申请人只提出具有初始从属关系的权利要求。
应当理解，以超范围法条要求的程度存在支持——包括但不限于美国专利法35USC 132或其它类似的法律——以允许增加在一个独立权利要求或概念下提出的各种从属关系或其它要素的任一种，作为任何其它独立权利要求或概念下的从属关系或要素。
在进行非实质性替代的情况，在申请人实际上没有撰写任何权利要求以字面包括任何具体实施方式的情况，以及在其它适用的情况，不应当理解申请人以任何方式意欲或实际地放弃这种覆盖范围，因为申请人不能够简单地预期所有的可能性；合理地，不应当预期本领域技术人员撰写字面包括了这类可选实施方式的权利要求。
此外，根据传统的权利要求解释，常规词语“包括(comprising)”的使用用于主张本文的“开放式(open-end)”权利要求。因此，除非文中另作规定，应当理解术语“包括(compromise)”或变型比如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”，意欲暗示包括所述的要素或步骤，或者要素或步骤的组，但不排除任何的其它要素或步骤或者要素或步骤的组。
这些术语应当解释为其最广义的形式以便给予申请人法律允许的最广的覆盖范围。

Claims (27)

1.一种控制火花隙的方法，包括：
测量火花隙的电压样本；
将测定的电压样本与下面其中一项关联：所述火花隙的开路状态、等离子体状态以及短路状态；
给所述电压样本分配权重参数，其中所述开路状态、所述等离子体状态以及所述短路状态中的每一项具有唯一的权重参数；
基于所述权重参数确定响应指令；
使电机基于所述响应指令控制所述火花隙。
2.权利要求1所述的方法，其中：
所述开路状态的权重参数对应于将所述火花隙变宽的响应指令；
所述等离子体状态的权重参数对应于基本上维持所述火花隙的响应指令；以及
所述短路状态的权重参数对应于将所述火花隙变窄的响应指令。
3.权利要求1所述的方法，其中所述等离子体状态发生在多个等离子体电压范围的一个内。
4.权利要求3所述的方法，其中所述多个等离子体电压范围是连续的。
5.权利要求3所述的方法，其中所述多个等离子体电压范围的每个对应于不同的权重参数。
6.权利要求3所述的方法，其中所述多个等离子体电压范围包括：高电压弱等离子体、强等离子体和低电压弱等离子体。
7.权利要求1所述的方法，其中所述电压样本包括多个测定的所述火花隙的电压。
8.权利要求7所述的方法，其中确定响应指令包括：
排除对应于在工作循环的不活动期期间进行的测量的测定电压以确定剩余参数；
计算组合参数为所述剩余参数的均值，其中所述组合参数对应于响应指令；以及
使电机基于所述响应指令控制所述火花隙。
9.控制火花隙的方法，包括：
测量火花隙的多个电压，其中所述电压通过具有活动期和不活动期的工作循环的电源提供；
给测定的所述多个电压的每个分配权重参数；
基于测定的多个电压计算组合参数，其中所述组合参数对应于响应指令；以及
使电机基于所述响应指令控制所述火花隙。
10.权利要求9所述的方法，其中使所述电机控制所述火花隙引起等离子体现象的比率升高。
11.权利要求9所述的方法，其中所述权重参数对应于以下之一：所述火花隙的开路状态、至少一种等离子体状态以及短路状态，每种状态具有对应的权重参数。
12.权利要求9所述的方法，其中所述组合参数是所述权重参数的均值。
13.权利要求9所述的方法，其中只在所述工作循环的活动期期间测量所述多个电压。
14.权利要求9所述的方法，其中计算组合参数还包括：排除对应于在所述工作循环的不活动期期间测定的电压的权重参数，其中所述组合参数是在所述排除步骤之后剩余的参数的均值。
15.权利要求9所述的方法，其中测量多个电压以测量期间不超过所述工作循环的脉冲周期的间隔执行。
16.一种控制模块，包括：
开关控制器，其配置用于选择性地开启和关闭将电源连接到EDM装置的侵蚀电极的开关；
电压传感器，其配置用于感测火花隙中电压；
CPU，其配置用于基于所述火花隙中所感测的电压计算响应指令；以及
电机控制器，其配置用于使所述EDM装置的电机根据所述响应指令选择性地控制所述侵蚀电极的位置。
17.权利要求16所述的控制模块，其中所述响应指令使所述火花隙变窄、变宽或保持相同。
18.权利要求16所述的控制模块，其中所述响应指令基于所述火花隙中的多个感测的电压读数计算。
19.权利要求16所述的控制模块，其中所述电机配置用于相对于工件可控地放置所述侵蚀电极。
20.权利要求16所述的控制模块，其中所述控制模块通过可脱落电缆连接到所述EDM装置。
21.一种EDM装置，包括：
基座；
驱动器机架；
电机，其配置用于相对于所述基座可控地放置所述驱动器机架；
侵蚀电极，其通过置于所述侵蚀电极和所述驱动器机架之间的压电晶体连接到所述驱动器机架；
其中所述EDM装置电连接到配置用于选择性地提供火花隙的电压的电源；
其中所述压电晶体电连接到所述电源，与所述火花隙并联，并且其配置用于响应所述电源的电压推进或回撤所述侵蚀电极。
22.权利要求21所述的EDM装置，其中所述压电晶体配置用于响应所述电源的电压升高朝工件推进所述侵蚀电极。
23.权利要求21所述的EDM装置，其中所述压电晶体配置用于响应所述电源的电压下降回撤所述侵蚀电极远离工件。
24.权利要求21所述的EDM装置，其中所述电机配置用于根据基于所述火花隙中感测的电压的响应指令，选择性地控制所述火花隙。
25.权利要求21所述的EDM装置，其中所述EDM装置是手持设备。
26.权利要求21所述的EDM装置，其中所述EDM装置通过可脱落电缆连接到控制模块。
27.权利要求26所述的EDM装置，其中所述控制模块包括：
开关控制器，其配置用于选择性地开启和关闭将所述电源连接到所述EDM装置的所述侵蚀电极的开关；
电压传感器，其配置用于感测所述火花隙中电压；
CPU，其配置用于基于所述火花隙中感测的电压计算响应指令；以及
电机控制器，其配置用于使所述EDM装置的电机根据所述响应指令选择性地控制所述侵蚀电极的位置。
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