CN1781639A - 用于监控和控制电侵蚀的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控电侵蚀组件(100)中的机械加工的方法，该电侵蚀组件(100)具有电源(20)和从工件(14)跨越间隙(12)设置的电极(10)，该方法包括在电压波形的一半脉宽的时间延迟td之后测量电压波形上的一个点处的电压。对于电压波形的多个脉冲重复测量以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点。平均这些电压以获得平均电压，将平均电压和至少一个阈值电压比较，以判断机械加工是否在控制之中。如果比较显示该工艺不在控制之中，则产生控制信号，设置该控制信号以调节电源的运行参数，以及如果产生了控制信号则将其施加给电源。

Description

用于监控和控制电侵蚀的方法和系统
技术领域
本发明通常涉及一种电侵蚀，尤其是涉及用于监控和控制电侵蚀工艺的系统和方法。
背景技术
电化学机械加工(ECM)和放电机械加工(EDM)是用于加工物体例如燃气轮机部件中的材料的传统工艺。ECM工艺通常在电极和工件之间的间隙中流过电流，用于精确去除工件上的大量材料，以获得其具有基本上平滑表面的所需的最终结构。EDM工艺在电极和工件之间循环介质液体，并在电极和工件之间的间隙中产生放电。例如，使用EMD以通过涡轮转子叶片和喷嘴叶片的表面钻小薄膜冷却孔。
ECM和EDM工艺都使用直流(DC)电压下的电流以对从工件去除的材料通电。然而，在ECM中，电解液(导电液体)在电极和工件之间循环，用于允许工件材料的电化学溶解，以及冷却和冲洗其间的间隙区域。相反，EMD工艺在间隙中循环非导电(介电)液体以允许在间隙中的放电用于去除工件材料。如这里所用的，应当这样理解术语“电侵蚀”，即施加在电极和工件之间的间隙中循环电解液(导电液体)的这些电加工工艺，这些工艺能够实现高速的材料去除和减少对工件的热损伤。
有利地是，和在多种应用中的其它电加工方法，例如像blisk粗加工和机械加工相比，电侵蚀工艺提供更快速的机械加工并具有更高的效率。通常，在应用电侵蚀组件的工艺中，电势差产生在电极和要被加工的工件之间的间隙两端，引起在间隙中放电。根据电侵蚀工艺的物理过程，当机械加工电极(阴极)接近被间隙隔开的工件(阳极)表面时，由于电极和阳极工件两端的电压导致通过间隙发生放电。构成机械加工区的间隙充满具有中等到低导电率的液体电解液介质，以及该间隙允许电解液流动，除了提供用于放电或者用于电侵蚀点火的适当介质之外，其从间隙去除侵蚀的微粒。间隙两端的“正常”放电引起对工件期望的机械加工。另一方面“非正常”放电导致机械加工中不希望有的错误，其对被机械加工的工件的表面抛光可能有直接的影响。在一些情况中，由于因缺乏有效控制的短路导致可能损坏工件或者电侵蚀组件。
通过及时和正确地监控放电类型、检测非正常放电并由此采取正确的措施可以避免这些错误。然而，当前在EDM中使用的用于监控放电类型的系统对于监控电侵蚀工艺通常是不足够的和/或不适当的，并且在检测放电类型中通常会产生错误。该错误可能就是非正确地将正常放电区分类成非正常放电，以及反之亦然，其使得电侵蚀工艺容易遭受上述的危险。例如，许多传统EDM组件使用点火延迟检测方法检测放电是正常还是非正常。在点火延迟检测方法中，具有点火延迟的放电被认为是正常的，反之那些没有点火延迟的那些被认为是非正常的。然而，如上所述，电侵蚀工艺使用电解液代替用于通常EDM工艺的电介质液体。因此，对于电侵蚀工艺，大量没有点火延迟的脉冲是正常放电，并且当用于监控电侵蚀工艺时，传统点火延迟检测方法不正确地将许多正常放电区分类成非正常的。
因此，在电侵蚀工艺中存在精确检测和区分电压放电的必要。从而，还期望具有精确的监控和控制的电侵蚀工艺和系统。
发明内容
本发明的一个方面在于用于监控电侵蚀组件中的机械加工的方法，该组件具有电源和从工件跨越间隙设置的电极。在多脉冲导通周期中，电源通过在电极和工件之间施加电势差对电极供电。该方法包括在电压波形的一半脉宽Δτ的时间延迟td之后测量电压波形上的一个点处的电压。对于电压波形的多个脉冲重复该测量以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点。然后平均这些电压以获得平均电压，以及将平均电压和至少一个阈值电压Vth比较，以判断机械加工是否在控制之中。如果比较显示该工艺不在控制之中则产生控制信号，设置该控制信号以调节电源的运行参数，以及如果产生了控制信号则将该控制信号施加给电源。
本发明的另一个方面在于用于监控电侵蚀组件中的机械加工的另一种方法，该组件具有电源和从工件跨越间隙设置的电极。在电压波形的一半脉宽Δτ的时间延迟td之后测量电压波形上的一个点处的电压。对于电压波形的多个脉冲重复该测量以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点，脉冲对应窗口(window)。将这些电压和阈值电压Vth比较以将脉冲分类成正常或者非正常放电脉冲。如果比较显示预定数量的非正常脉冲存在于窗口中则产生控制信号。设置该控制信号以调节电源的运行参数，以及如果产生了控制信号则将其施加给电源。
本发明的另一个方面在于包括电极的电侵蚀组件，设置该电极用于机械加工从电极跨越间隙设置的工件。当在电极和工件之间施加电势差时进行机械加工。设置电源以对电极供电，其也包括在电侵蚀组件中，该电侵蚀组件还包括控制器，设置该控制器以在电压波形的一半脉宽Δτ的预定时间延迟td之后检测电压波形上的一个点处的电压。还设置该控制器，以对多个脉冲重复该测量来获得多个电压，每个电压对应各自脉冲上的点。然后控制器比较这些电压和阈值电压Vth以判断机械加工工艺是否在控制之中。如果比较显示机械加工工艺不在控制之中则该控制器产生控制信号，设置该控制信号以调节电源的运行参数，以及如果产生控制信号则将该控制信号施加给电源。
附图说明
当参考附图阅读下述的详细描述时本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更容易理解，其中在所有的附图中相同的符号表示相同的部分，其中：
图1是根据本发明的实施例的电侵蚀组件的示意图；
图2描述了使用电侵蚀组件监控和控制机械加工的方法的流程图；
图3描述了使用电侵蚀组件监控和控制机械加工的另一种方法的流程图；
图4是描绘在使用电侵蚀组件的机械加工中的多种放电类型的曲线图；
图5是描绘施加的控制信号的例子的波形；
图6是描绘施加的控制信号的另一例子的波形；以及
图7是描绘施加的控制信号的又一个例子的波形。
具体实施方式
图1描述根据本发明的实施例的电侵蚀组件100。电侵蚀组件100包括配置以用于机械加工的电极10，从要被机械加工的工件14跨越间隙12设置。间隙12和至少部分电极和工件浸没在电解液介质(图中未示出)中。设置电源20用于产生放电对工件进行机械加工。典型地，放电使得工件的机械加工点的微粒和工件分离，由此机械加工工件14。通过施加电势差为ΔV的脉冲，电源20对电极10供电以在横跨电极10和工件14的间隙12中产生这种放电。施加的具有脉宽Δτ的多个脉冲产生具有多脉冲导通和脉冲关断状态的施加的电压波形。响应于施加的电压波形，在间隙12中的放电产生表示间隙12中的电压的电压波形，并且电压波形包括多个放电脉冲。可以理解的是施加的波形(具有施加的脉冲)和电压波形(具有放电脉冲，或者“脉冲”)是不同的。提供伺服控制器30用于控制组件100中的机械运动，包括控制间隙12，即电极10和工件14的相对运动，用于对准。提供控制器40，用于监控和控制使用电侵蚀组件100的电侵蚀工艺或者机械加工。控制器40连接到电源20、伺服控制器30、电极12和工件14。
除了其它功能之外，通常设置控制器40，以控制电源20在电极10和工件14之间施加电势差为ΔV的脉冲、测量间隙12上的电压、产生可选择的时间间隔、在时间间隔(或者时间延迟)过去之后启动测量、平均电压值、比较电压值以及产生控制信号以调节电源20。
在不受限制的情况下，除了其它的之外，控制器40可以包括微处理器或者其它计算装置、电压测量装置、计时装置、脉冲产生装置、电压比较装置、数据存储装置。所有的这些装置都是本领域公知的，并且在不超出本发明的范围的情况下可以使用任何适当的这种装置。
图2描述了根据本发明实施例的用于监控电侵蚀组件100中的机械加工的方法。根据方法S100，在开始(S110)机械加工之后，测量(S120)从施加的电压波形的施加的脉冲的脉冲导通状态开始的至少一半施加的脉宽Δτ的指定时间延迟td之后的一个点处的电压。例如，时间延迟td可以变化到施加的脉宽Δτ的三分之二，并且这种变化包括在本发明的范围内。对于电压波形的多个脉冲重复(S130)如上所述的对电压的测量，在从施加的波形的施加的脉冲的脉冲导通状态开始的指定时间延迟之后进行每次测量。可以将多个电压测量的数量设置为预定的数量，例如四个(4)电压测量。平均(S140)所测量的多个电压以获得平均电压Vavg。然后比较(S150)平均电压Vavg和阈值电压Vth以判断机械加工是否在控制之中。在实施例中，判断包括如果Vavg小于Vth则显示机械加工“不在控制之中”。如果机械加工显示为“不在控制之中”，则产生(S160)控制信号以调节电源20的至少一个运行参数。在参数中，电源的运行参数包括施加的脉冲的脉冲导通或者脉冲关断的持续时间、施加的脉冲的电压、在施加的脉冲中施加的电流。如果产生了控制信号，则将控制信号提供给(S170)电源。
可以理解的是，在参数中，可以使用任何多种平均技术进行平均，包括简单平均、逐点平均，但是不局限于此。例如，可以重复预定数量的如上所述的电压测量，并可以平均这些测量值。预定间隔被称为窗口(在图5-7中也用数字302表示)，该间隔可以包括多个脉冲。在一个例子中，窗口对应六个(6)脉冲并由此相当于等于六个(6)施加的脉宽(6*Δτ)的间隔。该例子是示意性的，并且本发明不局限于对应于任何指定数量的脉冲的窗口。在另一个实施例中，窗口是可变间隔的飞行窗口，设置该飞行窗口的可变间隔以包括可变数量的脉冲。通过增加或者减少测量的脉冲的数量，飞行窗口有利地考虑到对工艺的灵活监控。
可以设置控制信号以多种方式调节电源20。根据图5描述的一个实施例，控制信号指示电源20将所施加的脉冲之间的脉冲关断周期300的持续时间增加到脉冲关断周期310的更长持续时间。情况304表示施加控制信号的时间，以及在图6和7中也分别表示类似的情况。在图5的实施例中，在情况304施加控制信号，并且该控制信号描述成，在施加控制信号之前使得两个同步脉冲之间的脉冲关断周期持续时间300增加到施加控制信号之后的更长的脉冲关断周期持续时间310。根据图6描述的另一个实施例，控制信号指示电源20将施加的脉冲的脉冲导通周期320的持续时间减少到脉冲导通周期330的持续时间。根据图7描述的又一个实施例，控制信号指示电源20改变施加到电侵蚀组件100的峰值电流密度。该改变包括当峰值电流到达由数字340表示的峰值电流阈值极限时降低施加给机械加工点的峰值电流密度。在其它参数中，按照每一种特定的机械加工条件和期望的机械加工质量可以改变如所述的这种脉冲导通或者脉冲关断持续时间、阈值极限的值。各种这些值将容易地被本领域技术人员想到并包括在本发明的范围和精神之内。
有利地，这些技术参与将机械加工工艺恢复到正常状态，并还减少了施加给机械加工点的能量由此最小化对电极和工件的损害。根据本发明的又一个实施例，当机械加工工艺不受控制时，控制信号指示电源20关断。可以理解的是，通过适当地设置控制信号，可以应用如上所述的任何一种策略，替换的策略或者上述策略的各种组合。
在某些情况中，机械加工工艺可以变成“不受控制”，其可以表示连续发生“不在控制之中”的放电，即使在施加控制之后该放电也无法重新恢复到正常状态。例如，在各种情况中，这种“不受控制”的情况可以发生在电极变形、周期电弧、不良的电解液冲洗条件、由于电解液不足导致的无法控制的电弧上。例如，通过关断电源，由上述的策略还可以控制这些情况。然后在适当的间隔时间之后或者在已经采取另一种补救操作之后，可以重新进行机械加工。
还应当注意的是，放电脉冲可以分类成正常或者非正常以表示放电的常态。这两种分类“正常”和“非正常”分别对应于期望的和不期望的机械加工性能。在某些情况中，多个密集的非正常放电脉冲可以对应于“不在控制之中的”工艺。在某些其它的情况中，多个连续的非正常放电脉冲可以对应于“不受控制”的工艺。在正常机械加工的条件下，正常脉冲的数量基本上大于非正常脉冲的数量。在正常放电中，通过放电释放的能量用作爆炸能量以去除工件材料，如微粒。
正常放电的例子包括，如图4所示的例子，具有点火延迟210的正常放电和不具有点火延迟220的正常放电，但是不局限于此。在非正常放电中，其包括放电的“电弧”状态或者“短路”状态，可能产生大量的电流，从而产生大量的能量。然而，在非正常放电中释放的大部分能量转化成可能损坏电极10或者工件14的多余热能，并且在一些情况中，导致工件表面不期望的变形。例如在图4中示出非正常放电的例子，在其中，包括具有点火延迟230的电弧、不具有点火延迟240的电弧、电弧和放电组合的250(短路和变形的波形图)。在图4上标记阈值电压Vth并且在测量点(时间延迟td之后)大于Vth的放电电压值表示正常放电，而小于Vth的放电电压值表示非正常放电。选择阈值电压值Vth用于区分正常放电和非正常放电，并可以用于经验地判断具体的电侵蚀组件设置。阈值电压值Vth基于机械加工条件，例如要被机械加工的材料和使用的电解液而改变。在一个实施例中，阈值电压值Vth为大约14.3V。这里可以理解的是在图4中，由Vth表示的电压值是示意性的不意味着是按比例的。
在图3中描述用于监控电侵蚀组件中的机械加工的方法S200的实施例。一旦开始(S210)机械加工，从施加的电压波形的施加脉冲的脉冲导通导通状态开始的所施加的脉宽Δτ的至少一半的指定时间延迟td之后，测量(S220)电压。例如，时间延迟td可以变化成所施加的脉宽Δτ的三分之二，并且这种变化不局限于本发明。对电压波形的多个脉冲重复(S230)如上所述的电压测量，在从施加的波形的施加的脉冲的脉冲导通状态开始的指定时间延迟之后进行每次测量。在S230中测量的多个脉冲对应于是预定间隔的窗口。在一个实施例中，窗口是飞行窗口。然后比较(S240)对应于多个脉冲的多个测量电压和至少一个阈值电压Vth，以区分窗口中每个放电脉冲是正常或者是非正常。如上所述，判断包括如果对那个脉冲测量的电压小于Vth则表示脉冲为非正常的。如果比较显示窗口中预定数量的脉冲都为非正常的，则产生(S250)控制信号以调节电源20的至少一个运行参数。在一个例子中，将产生控制信号所需的非正常脉冲的预定数量设置为六个(6)。然而，这个数量仅仅是例子，并且窗口不受任何指定脉冲数量的限制。如果产生了控制信号，则将该控制信号施加(S260)给电源。
还如前面所述的，设置控制信号，以通过调节电源20的运行参数，使用任何一种控制策略或者控制策略的组合。这里应当注意的是，可以测量单个脉冲电压测量值以用于产生控制信号。还应当注意的是，还可能有多个阈值电压值用于比较，类似于Vth。例如，可以包括第二阈值Vth2(在图中没有示出)，并且如果测量的电压大于Vth2则脉冲被分类为非正常，并且本领域技术人员将想起各种这些适当的电压阈值，并不限制本发明。
如上所述的技术和系统的使用有利地考虑到良好的被监控和控制的机械加工工艺。除了其它之外的优点，最小化有时可能是不可逆的或者不能处理的对工件的意外损坏，由此降低制造各种部件的成本和在某些情况中的周期。所公开的方法和系统还提供了用于电侵蚀工艺的改善的在线监控系统。
尽管这里已经示出和描述了本发明的仅仅某些特征，但是本领域技术人员将想起多种变形和改变。因此，可以理解的是，所附的权利要求旨在覆盖所有落在本发明的实际精神内的这些变形和改变。
元件列表
  101214203040100210220230240250300302304310320330340   电极间隙工件电源伺服控制器控制器电侵蚀组件具有点火延迟的正常放电不具有点火延迟的正常放电具有点火延迟的电弧不具有点火延迟的电弧变形的波形图脉冲关断周期窗口施加控制信号的情况增加的脉冲关断周期脉冲导通周期减少的脉冲导通周期在放电期间的峰值电流密度

Claims (10)

1、一种用于监控电侵蚀组件(100)中的机械加工的方法，该组件(100)具有电源(20)和从工件(14)跨越间隙(12)设置的至少一个电极10，通过在多个脉冲导通周期中在电极和工件之间施加电势差ΔV的电源对该电极供电，所述方法包括：
在电压波形的至少大约一半脉宽Δτ的指定时间延迟td之后测量电侵蚀组件的电压波形上的一个点处的电压；
对于电压波形的多个脉冲重复测量，以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点；
平均这些电压以获得平均电压；
比较平均电压和至少一个阈值电压Vth以判断机械加工是否在控制之中；
如果比较显示该工艺不在控制之中，则产生至少一个控制信号，设置该至少一个控制信号以调节电源的至少一个运行参数；以及
如果已经产生了控制信号，则将至少一个控制信号施加给电源。
2、如权利要求1的方法，其中多个脉冲对应于窗口(302)，以及其中平均包括逐点平均，所述方法还包括选择窗口尺寸。
3、如权利要求1的方法，其中电侵蚀组件是脉冲的电侵蚀组件(100)，其中所述测量开始于脉冲导通状态之后的时间延迟间隔td并在脉冲关断状态时结束，以及其中至少一个控制信号是选自于由以下指令组成的组中的指令以用于电源(20)，所述组包括：增加多个脉冲关断周期中至少一个的持续时间的指令、减少至少一个脉冲导通周期的持续时间的指令、改变提供到电侵蚀组件的峰值电流密度的指令、关断电源的指令以及它们的组合。
4、一种用于监控电侵蚀组件(100)中的机械加工的方法，该组件(100)具有电源(20)和从工件(14)跨越间隙(12)设置的至少一个电极10，通过在多个脉冲导通周期中在电极和工件之间施加电势差ΔV的电源对该电极供电，所述方法包括：
在电压波形的至少大约一半脉宽Δτ的指定时间延迟td之后测量电侵蚀组件的电压波形上的一个点处的电压；
对于电压波形的多个脉冲重复测量，以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点，其中脉冲对应于窗口(302)；
比较每个电压和至少一个阈值电压Vth，以将每个脉冲分类成正常或者非正常的放电脉冲；
如果比较显示至少预定数量的非正常放电脉冲存在于窗口中，则产生至少一个控制信号，设置该至少一个控制信号以调节电源的至少一个运行参数；以及
如果已经产生了控制信号，则将该至少一个控制信号施加给电源。
5、一种用于机械加工工件(14)的电侵蚀方法，包括：
a)使用电源(20)通过在电极和工件之间施加电势差ΔV对电侵蚀组件(100)的至少一个电极(10)供电，该至少一个电极设置在工件附近，通过间隙(12)隔开电极和工件；
b)监控电极和工件之间的电压，所述监控包括：
在电压波形的至少大约一半脉宽Δτ的指定时间延迟td之后测量电侵蚀组件的电压波形上的一个点处的电压；
对于电压波形的多个脉冲重复测量，以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点；
平均这些电压以获得平均电压；
比较平均电压和至少一个阈值电压Vth以判断机械加工是否在控制之中；
如果比较显示该工艺不在控制之中，则产生至少一个控制信号，设置该至少一个控制信号以调节电源的至少一个运行参数；以及
如果已经产生了控制信号，则将该至少一个控制信号施加给电源。
6、如权利要求5的方法，其中判断包括：如果平均电压小于至少一个阈值电压则显示机械加工不在控制之中。
7、如权利要求5的方法，其中电侵蚀组件是脉冲的电侵蚀组件(100)，其中所述测量开始于脉冲导通状态之后的时间延迟间隔td并在脉冲关断状态时结束，以及其中至少一个控制信号是选自于由以下指令组成的组中的指令，该组包括：增加多个脉冲关断周期中至少一个的持续时间的指令、减少至少一个脉冲导通周期的持续时间的指令、改变提供到电侵蚀组件的峰值电流密度的指令、关断电源的指令以及它们的组合。
8、一种电侵蚀组件(100)包括：
至少一个电极(10)，设置成当在所述电极和工件之间施加电势差ΔV时，跨越间隙(12)机械加工工件(14)；
电源(20)，设置成给所述电极(10)供电；和
控制器(40)，设置成：
在电压波形的至少大约一半脉宽Δτ的指定时间延迟td之后测量电侵蚀组件的电压波形上的一个点处的电压；
对于电压波形的多个脉冲重复测量，以获得多个电压，每个电压对应各个脉冲中的点；
比较电压和至少一个阈值电压Vth以判断机械加工工艺是否在控制之中；
如果比较显示该机械加工工艺不在控制之中，则产生至少一个控制信号，设置该至少一个控制信号以调节所述电源的至少一个运行参数；以及
如果已经产生了控制信号，则将该至少一个控制信号施加给电源。
9、如权利要求8的电侵蚀组件(100)，其中设置所述控制器以通过下述步骤比较电压：
平均这些电压以获得平均电压；以及
比较平均电压和至少一个阈值电压Vthreshold以判断机械加工工艺是否在控制之中。
10、一种用于监控电侵蚀组件(100)中的机械加工工艺的方法，该组件(100)具有电源(20)和从工件(14)跨越间隙(12)设置的至少一个电极10，通过在多个脉冲导通周期中在电极和工件之间施加电势差ΔV的电源对该电极供电，所述方法包括：
从脉冲的脉冲导通状态的指定时间延迟td之后测量电侵蚀组件的电压波形的脉冲上的一个点处的电压，该时间延迟td是电压波形的至少大约一半脉宽Δτ；
比较测量的电压和至少一个阈值电压Vthreshold以判断机械加工工艺是否在控制之中；
如果比较显示该工艺不在控制之中，则产生至少一个控制信号，设置该至少一个控制信号以调节电源的至少一个运行参数；以及
如果已经产生了控制信号，则将该至少一个控制信号施加给电源。
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