CN1131071A - 控制电火花刻蚀工序的方法与设备 - Google Patents
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Abstract
在工件(7)和电极(6)、如一个微钻孔电极之间控制电火花刻蚀工序的方法和设备，按如下措施使刻蚀工序受干扰较少，即沿待刻蚀段的第一测试段至少测量一个工序参数，由测量值至少求得一个控制值并把此值用到一个待刻蚀段的随后时间的刻蚀间距中。控制值优先用于控制电极(6)的适宜进给速度。按如下措施可进一步减少干扰，即把短路区分为机械短路和其它形式的短路及在机械短路时电极运动的控制不同于其它形式的短路。
Description
本发明涉及控制电火花刻蚀工序、即切割和挖槽工序的方法和设备。
电火花刻蚀工序用于通过电极对导电工件进行的高精密加工。制成工件的形状由不同因素如电极形状、加工强度等所决定。对加工的质量、特别是对所希望精度的调整而言，除精确的轮廓控制外，加工电极尽可能恒定和稳定的特性具有决定性的作用；特别重要的是尽可能精确保持电极与正在加工的工件区域之间当时所希望的工艺条件所需要的距离；同样对从属于此的加工时间和加工强度也需进行精确控制。这些特别是对很薄的和柔韧的电极是有困难的，例如把它们应用于微刻蚀领域、如微钻孔时。在此，特别是在故障情况下、如短路时将出现困难。
在文献CH-PS-525061(KONDO)中公开发表了电火花刻蚀工序自动控制的基础理论。其中主要包括若干测量电压和电流的检测装置、和一个对这里取得的信息进行处理的逻辑电路和一个在此基础上控制电火花刻蚀工序的控制装置。电极的运动依据当时实际狭缝的电导率(即电极与工件之间介质的电导率)经一个伺服机构来实现。此外，短路或电弧等故障通过限制短路电流或者将电极从工件移开加以排除。
专利文献EP-A-0333170(AGIE)或US-DS-4864091把额定距离即对于加工工件实际所希望的工艺条件相应的距离、与刻蚀电极与工件之间的实际距离进行比较。由此比较可能得到一个误差信号，此误差信号经低通滤波器电路传送到电极运动的控制电路。当时的实际距离优先由实际的刻蚀电压求得。
专利文献US-PS-5159167(CHAIKIN等)借助电火花传感器研究了电极的位置控制和借助对放电的“完全的”控制研究了对孔径尺寸的精确调整。
专利文献DE 3204799A1(YAMADA等)涉及一种工件放电加工设备，该设备在“加工过程结束时”，即在电极穿透工件的瞬间自动关断。
由文献DE 3300552C2(GARBAJS等)已知一种电火花刻蚀加工工序的控制方法，在这种方法中，检测在工具和被加工工件之间的工作狭缝中出现的放电脉冲并且基于其当时的电压分布特性对其进行分析。此外，此方法对不规则的放电和基于电流短路所产生的短路脉冲加以区分，根据此区分刻蚀机以不同方式作出反应。
这种已知设备和/或方法往往不能适当地对刻蚀条件的突然变化作出反应，比如对微钻孔电极在钻透工件底边的瞬间所出现的突然变化作出反应。从此瞬间开始刻蚀冲洗液体即可以向下流动或者更概括地说流过工件。从而冲洗压力、冲洗速度和冲洗液的运动方向出现极大的改变。因此，电极的位置变得不稳，在钻孔狭缝中形成气泡，并且已被刻蚀下的颗粒(只要这些颗粒还位于钻孔狭缝中)同样也将改变运动方向而且再被向下冲洗。从而导致“非机械的”或者“其它的”短路、电压突然改变和控制测量值的失真，因为狭缝电压失去了其正常的意义(与狭缝宽度成比例)。在此，已知的控制系统对上述情况作出反应，把电极快速撤回，并由此增加了非稳定性，或者不管实际上所实现的加工结果是否与所希望的相符而结束加工。其结果特别是在第一种情况下导致了在钻孔的出口区域电极滞留时间加长。因为这些已知的方法和/或设备不能把此种极端情况作为极端情况加以处理，所以在非稳定过程期间继续发出刻蚀脉冲，这些脉冲把孔径不规则地、和以不希望的以及不可控制的方式增大。
以上述情况为出发点，本发明的目标是实现无干扰的电火花刻蚀工序。本发明从两个方面的构思实现了此目标。
根据本发明的第一方面(即权利要求1)，规定一种控制至少一个在至少一个工件和至少一个电极、特别是一个微钻孔电极之间的电火花刻蚀工序的方法，其中，至少在一个待刻蚀段的一个间距内要采集至少一个工序参数的若干测量值。由这些至少一个工序参数的测量值求得(模拟的或者随后的)一个或者数个控制数值，并把这些值、至少是其中部分值在至少一个随后时间的刻蚀间距内应用于控制电火花刻蚀工序。根据本发明的第二方面(即权利要求15)，提出一种适用于此方法的设备，该设备配备有用于至少一个工件和一个电极之间相对运动的驱动器和驱动器控制部件、用于产生刻蚀火花的发生器部件、用于测量工序参数数值的部件、用于将这些测量数值转换为控制值的部件和存储部件。其中，用于测量工序参数数值的部件至少在一个待刻蚀段的一个间距内采集至少一个工序参数的若干测量值。将这些测量值转换为控制值的部件由至少一个工序参数的若干测量值中求得一个或数个控制值。存储部件存储这样获得的这些控制值，并且驱动器控制部件最后把这些数值、至少这些值中的一部分应用于控制至少一个随后时间的刻蚀间距。
这些方法和这种设备有可能给电火花刻蚀机以简单方式和对操作人员无负担地单独求得较无干扰的刻蚀运行所需预先给出的控制数值。这些即可以在一个特别为其准备的测试段上进行，也可以在一个待刻蚀段的间距内进行。因此原则上可以自动求得在不同的工作参数下任意的工件-电极组合对的特征值。如此得到的数据即可以只用于“测试工件”、也可以用于任意多种同类的工件。这里特别提供了一种可能性，即通过适当的控制值把干扰在预备区内基本上排除。
在一个优先实施结构中(权利要求2)至少求得的控制值之一合有一个适合于所希望工件加工的电极进给速度。此进给速度优选地小于在测量间距内(权利要求3和4)的平均进给速度，并且此速度由测量间距中的平均进给速度与一个系数相乘求得，此系数小于1(权利要求5)，并且优选地是电极直径/工件厚度的比值的函数(权利要求6)。在本发明的另一优先实施结构中(权利要求7)，电极在至少一个跟随在测量间距之后的间距中，特别是在终端间距中以所求得的进给速度至少如末出现短路情况那样长时间地保持恒定运动。
这些优先实施结构的优点是由下列情况产生的：特别是当电极以一个过高的速度运动时，由于直接与工件接触而导致“机械”短路。因此，在测量间距内电极将必须(如与当前技术水平相当)有规律地在短路之后重新撤回。但是如果同时求得一个合适的进给速度，那么就可以在所有跟随在测量间距之后的间距内用“较安全”的速度基本避免这样的“机械”短路。这种办法提供了一个显著的较无干扰的、从而更精密的刻蚀工序。上面介绍的各实施结构导致此正面效应的不同等级。其中，根据本发明的第一方面中的一个构思(权利要求5和6)，还使本发明的一个特别简单的和同时特别适合操作者工作的操作控制成为可能。
根据本发明的第一方面即(权利要求1-7中之一)所述，本发明还提出了另一种方法(即权利要求8)，这种方法对机械的和其它形式的短路加以区分，并且在机械短路时电极运动的控制不同于其它形式的短路。根据本发明的第二方面，本发明又提出了一种相适应的设备(即权利要求16)，该设备配备有测量工序参数数值的部件、和把这些测量值转换成控制值或控制信号的部件。其中，在出现短路时，测量工序参数数值的部件测量与此有关的重要数值。在这些测量数值的基础上，将测量数值转换成控制数值的部件对机械的和其它形式的短路加以区分并且在机械短路时给出不同于在其它形式短路时的控制数值或控制信号。
非机械短路例如有可能由已经被刻蚀掉的、在冲洗液体中的颗粒所引起。因为这些颗粒可以很快地被冲走，所以对此类短路状况采用不同于处理机械短路状况的方法进行处理是有意义的。特别是对短路状况的这种区别处理为保持基本上较无干扰的刻蚀运行提供可能性。正是通过一个“较安全的”进给速度与此种区分短路的处理方法相结合才能够特别有效地减少刻蚀运行时的干扰(权利要求1和8以及15和16的组合)。
机械的和其它形式短路的区分优选地借助短路电压和/或短路持续时间来进行(权利要求9)，其中，短路持续时间-阈值优选地应该是电极直径/工件厚度比值的一个函数(权利要求10)。(机械短路有比较长的持续时间和较少的电压)。在机械短路期间电极优选地以恒定的速度后退，而与此相反，特别是在另一种短路期间，电极以进给速度Va前进(权利要求11)。(一旦机械短路被排除，那么电极就重新以速度Va向前运动。)其中，后退速度优选地大于进给速度(权利要求12)。
本发明的这种结构能够以特别简单的方式对短路分别加以处理。因此可对短路容易作出灵活反应，从而能够减小其反应所引起的附加干扰。特别是上述微钻孔时在钻孔出口处出现的短路，如上所述，它们具有非机械性质，不再导致非稳定状态，从而避免相关精度的下降。
在本发明另一个优选实施结构中，待刻蚀的段被精确地分成两个间距，其中之一也用于求得一个或多个控制数值，特别是用于求得在另一间距内电火花刻蚀工序的进给速度，其中，第一间距与第二间距之比是电极直径/工件厚度比值的函数(权利要求13)。
以这种方式保证了刻蚀机的操作特别简便：比如在工件微钻孔时操作人员只要输入电极直径和工件厚度就可以确定整个刻蚀过程。
在本发明方法的另一个优选实施结构中设计了微钻孔用的电极并且钻孔直径由进给速度Vb控制，此速度不能大于Va，并且按照公式Vb＝kd*Ni*kk*4/(Pi*D*D)和当时所希望的孔径确定，其中各符号定义如下(权利要求14)：
Ni＝单位时间放电次数
D＝所希望的孔径(＝2*sqrt(A/Pi))
A＝相应的面积(kd*Ni*kk/Vb)
Kd＝电蚀量系数＝每次放电电蚀下来的体积
kk＝有效系数＝短路次数与放电次数之比
Pi＝3.1415…
Sqrt＝平方根
Vb＝进给速度
其中，针对每个确定的加工任务通过实验求得kd。如果除平均进给速度外，也测量了单位时间的放电次数和单位时间的短路次数与单位时间的脉冲次数之比并且取平均值，那么Ni和kk可以在测量段范围内确定。
以这种方式有可能采用有限数量的电极直径精确地进行任何微钻孔。即，火花刻蚀微钻孔的直径是为刻蚀掉材料而向火花间隙所提供的能量的函数。在恒定的功率下此直径是电极在各钻孔位置滞留时间的函数、从而是进给速度Vb的函数。同时保证了按照本发明基本无干扰的刻蚀运行。
下面借助几个实施例和附图进一步阐述本发明。这些附图如下：
图1.本发明刻蚀机一种实例的框图；
图2.本发明刻蚀机的局部详图；
图3.电极直径/工件厚度的比值与乘数系数Ka的函数关系曲线；
图4.电极直径/工件厚度的比值与系数Ks的函数关系曲线；
图5.电极直径/工件厚度的比值与短路时间阈值Dkm的函数关系曲线；
图6.用已知控制方案在一个电火花刻蚀微钻孔处的电极位置的时间图；
图7.本发明刻蚀机在一个电火花刻蚀微钻孔处的电极位置的时间图；
图8.用已知控制方案进行18个微钻孔的批量加工时出口孔径分散宽度的分布；和
图9.用本发明控制方案进行18个微钻孔的批量加工时出口孔径分散宽度的分布。
根据附图电火花刻蚀机按照本发明的方法对工件7至少分两个间距进行加工。其中有决定性意义的是，在至少一个间距内为电火花刻蚀工序求得一个或多个控制值并且用于至少另一个间距内。此外，有可能例如把求得的控制值在一个另外的中间间距内进行检验。但是把整个刻蚀段优先只分成两个间距，下面把这些间距简称为测量间距和输出间距。这两个间距的长度比用系数Ks表示。(对此满足：Ms＝(1－Ks)*s及As＝Ks×s，其中，Ms＝测量段，As＝输出段，S＝刻蚀段总长或工件厚度。)。
在测量间距内，电火花刻蚀机基本上按已知方法和采用已知设备的部件工作。为此(如图1作为示例示出)，一个已知伺服系统2与一个驱动器4和一个电动机4a相连接以控制电极6与工件7的相对位置。发生器8提供刻蚀脉冲。测量电路3分析间隙或电火花间隙电压并且给伺服系统2提供控制信号。编码器5向数字控制装置9提供关于电极6位置的信息。数据控制装置9计算出进给速度，以及借助操作人员输入的数据计算电极直径/工件厚度之比，计算乘数系数Ka、间距长度之比Ks、短路时间-阈值Dkm和比较器阈值Kza。此外，在测量间距的处理期间测量单位时间放电次数和单位时间短路次数与单位时间脉冲次数之比，并且求出这些测量值和进给速度的平均值。求出的平均进给速度与系数Ka相乘，此系数小于1。这样得到的速度称为输出速度Va。此外，数字控制装置9还确定一个后退速度Vr，此速度大于Va。
数字控制装置9将在测量间距内求得的控制数值Vr、Va、Dkm、Kza传送给一个特殊的伺服系统1。如果到达了测量间距和输出间距的交界处，那么数字控制装置就用特殊伺服系统1与驱动器4之间的信号联系取代已知伺服系统2与驱动器4之间的控制信号联系，所以现在电极位置的控制由本发明的设备1接替。作为另一种选择，本发明方法例如也可以借助一个或多个相应的程序化的通用计算机代替下面叙述的设备来实现。此外，有可能把伺服系统1和/或伺服系统2和/或数字控制装置9组合在一起，比如在上述的通用计算机内组合。当然，其中需要一个快速处理器，因为电路的响应时间必须很短。
在图2中详细示出了特殊伺服系统1。前进速度(Va)和后退速度(Vr)存储在寄存器11以及10中。数据选择器19开始在位置ac，并停留在此位置，直到RS-触发器21改变其状态，即一直到确定真实的机械短路出现为止。为了对此进行判断，脉冲电压被存储在寄存器14中，其幅度与比较器15中的阈值Kza进行比较，并且在计数器17中按照节拍发生器16的节拍对短路持续时间计数。这样求得的短路持续时间通过一个优选地为数字式的比较器18与短路持续时间-阈值Dkm进行比较。如果这个短路持续时间大于由短路持续时间阈值Dkm给出的时间，那么RS-触发器21就开始工作，并且数据选择器19向寄存器20提供后退速度Vr。这个寄存器存储Vr并将其传送给驱动器4。所以电极6向后运动。一旦短路被排除，RS-触发器21就翻转，于是电极重新以Va向前运动。
图3示出电极直径/工件厚度的比值与乘数系数Ka的函数关系曲线。对深的微钻孔此系数必须小于较浅的钻孔，因为深孔冲洗情况较差。乘数系数Ka表示进给速度Va的一个相对上限。如上所述，比Va较小的速度提供额外的控制孔径尺寸的可能性。
图4示出电极直径/工件厚度的比值与系数Ks的函数关系曲线。对深的微钻孔，由于与Ka相同的原因，此系数必须小于较浅的钻孔。对比值电极直径/工件厚度：＝V＝1/10例如有Ks＝0.1的良好结果。
图5示出电极直径/工件厚度的比值与短路持续时间-阈值Dkm的函数关系曲线。对深微钻孔此阈值必须大于较浅的钻孔，因为较差的冲洗情况自然会增加刻蚀过程不稳定性。对V＝1/10例如有Dkm＝0.6的良好结果。
图6示出用已知控制方案或不采用本发明的设备在电火花刻蚀微钻孔时电极位置的时间分布。画斜线的面积示出在钻透时工序的分散性，即在成批加工时所得结果分布在此区域内。
图7示出用本发明的设备在电火花刻蚀微孔时电极位置的时间分布图。在重复实验中加工曲线总是恒定的和可重复的。
图8示出用已知加工方案在批量加工18个微孔时分散宽度或与输出孔径给定值的偏差分布。人们看到结果有-6微米到+4微米的可观起伏。
图9示出用本发明设备在批量加工18个微孔时输出孔径分散宽度的分布。人们看到结果有明显的改进。仍然还存在的起伏是由其它影响工艺的因素所造成并为+/-1微米。
Claims (18)
1.在至少一个工件(7)和至少一个电极(6)特别是微钻孔电极之间控制至少一个电火花刻蚀工序的方法，其特征在于，
a，至少在一个待刻蚀段的一个间距内采集至少一个工序参数的若干测量值，
b，由至少一个工序参数的这些测量值求得一个或多个控制值，并且
c，这些值至少其中有一部分在至少一个随后时间的刻蚀间距中用于控制电火花刻蚀工序。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，至少所求得的控制值之一含有一个适合于所希望工件加工的数个电极(6)的进给速度(Va)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进给速度(Va)由在测量间距内电极(6)的平均进给速度求得。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，进给速度(Va)小于测量间距内的平均进给速度。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，进给速度(Va)由在测量间距内的平均进给速率乘以系数(Ka)求得，此系数小于1。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，乘数系数(ka)是电极直径/工件厚度比值的函数。
7.根据上述任一项权利要求所述方法，其特征在于，电极(6)至少在一个时间上跟随在测量间距之后的刻蚀间距中、特别是在刻蚀段的终端间距中用求得的进给速度(Va)至少如来出现短路情况那样长时间地保持恒定运动。
8.根据上述任一项权利要求所述方法，其特征在于，对机械的和其它形式的短路予以区分并且在机械短路时电极运动的控制与其它形式的短路不同。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，机械的和其它形式的短路的区分是利用短路电压和/或短路持续时间进行的。
10.根据权利要求8或9所述方法，其特征在于，短路持续时间可与短路持续时间-阈值(Dkm)相比较，其中，短路持续时间-阈值(Dkm)是电极直径/工件厚度比值的函数。
11.根据权利要求8至10其中之一所述方法，其特征在于，电极(6)在机械短路期间以恒定的速度后退，而与此相反，特别是在其它形式的短路期间电极向前运动。
12.根据权利要求11所述方法，其特征在于，后退速度大于进给速度。
13.根据上述任一项权利要求所述方法，其特征在于，至少一个待刻蚀的段被精确地分成两个间距，其中，第一个间距用于求得一个或多个控制值、特别是取得进给速度(Va)以用于第二间距内电火花刻蚀工序，其中第一间距与第二间距的比值(ks)是电极直径/工件厚度比值的函数。
14.根据上述任一项权利要求所述方法，其特征在于，为微钻孔设计了电极(6)并且钻孔直径是由进给速度(Vb)控制，此速度不大于根据权利要求1至7其中之一所求得的进给速度(Va)，并且根据公式Vb＝kd*Ni*kk*4/(Pi*D*D)和所希望的孔径D来确定，其中
Ni＝单位时间放电次数
D＝所希望的孔径(＝2*sqrt(A/Pi))
A＝相应的面积(kd*Ni*kk/Vb)
Kd＝电蚀量系数＝每次放电电蚀下来的体积
kk＝有效系数＝短路次数与放电次数之比
Pi＝3.1415…
Sqrt＝平方根
Vb＝进给速度
15.在至少一个工件(7)和至少一个电极(6)、特别是一个微钻孔电极之间实现和控制至少一个电火花刻蚀工序的设备，该设备包括：实现至少一个工件和至少一个电极之间相对运动的驱动器和驱动器控制部件(1、2、4、4a、9)、产生刻蚀火花的发生器部件(8)、测量工序参数数值的部件(3、5)、把这些测量数值转换成控制值的部件(9)以及存储部件(10-14)，其特征在于，
a，测量工序参数数值的部件(3、5)在一个待刻蚀段的至少一个间距内，为至少一个工序参数采集若干数值，
b，转换这些测量值为控制值的部件(9)由至少一个工序参数的测量值求得一个或多个控制值，
c，存储部件(10-14)存储如此得到的控制值，并且
d，驱动器控制部件(1、2、9)应用这些值、至少是部分控制值来控制至少一个随后时间的刻蚀间距。
16.根据权利要求15所述装置，此装置配备有测量工序参数数值的部件(3、5)和把这些测量值转换成控制值或控制信号的部件(9、10-19、21)，其特征在于，
a，测量工序参数数值的部件(3、5)在出现短路时测量与此有关的重要参数，
b，把这些测量值转换成控制值的部件(9、10-19、21)根据这些测量值区分机械的和其它形式的短路并且
c，在机械短路时给出与其它形式短路时不同的控制值或控制信号。
17.根据权利要求15和16所述设备，其特征在于，转换部件(9、10-19、21)包括：
a，存储部件(10、11)，存储所求得的控制值、特别是存储一个对一个所希望的工件加工适当的进给速度(Va)和退后速度(Vr)，
b，一个数据选择器部件(19)，由存储部件(9)和(10)中选出一个，
c，一个控制数据选择器部件(19)的开关部件(21)，以及
d，一些短路判断部件(12-18)，这些部件把短路划分为主要的或机械的、以及非主要的或其它形式的，以便在机械短路时由开关部件(21)和随后的数据选择器部件(19)以后退速度(Vr)使电极(6)后退直至短路终止。
18.根据权利要求17所述设备，其特征在于，这些短路判断部件(12-18)在一个寄存器(14)中存储一个脉冲电压，其幅度与一个比较器(15)中的电压阈值(Kza)比较，在计数器(17)中按照一个节拍发生器(16)的节拍对短路持续时间计数，并且将用此方法求得的短路持续时间通过一个比较器(18)与一个短路持续时间-阈值(Dkm)比较，并把相应的控制信号传送给开关部件(21)。
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