DE1440427A1

DE1440427A1 - Auf einer elektrischen Entladung beruhende Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE1440427A1
Application number: DE19611440427
Authority: DE
Inventors: Wanttaja Glenn Ewald; Haupt Robert Harold
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1960-10-27
Filing date: 1961-10-26
Publication date: 1968-11-21
Also published as: US3228863A; GB948388A

Description

dr. MOLLER-BORi dipl.-ing. GRALFb

DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL 1440427 PATENTANWÄLTE

Hme Unterlagen

ϊ 1, April .JUS M/Ho - P 14 40 427.4

G 1 19 0

General Motors Corporation Detroit, Michigan, U.S.A.

Auf einer elektrischen Entladung beruhende Werkzeugmaschine

Die Erfindung betrifft allgemein eine auf einer elektrischen Entladung beruhende Werkzeugmaschine und ins-/ besondere ein Steuersystem, das (obwohl nicht ausschließlich) bei Geräten zur elektrolytischen Materialabtragung verwendet werden kann. \

Sie Erfindung befaßt sich mit der genauen Steuerung

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der Vorschubgeschwindigkeit der Elektroden, um eine vorbestiramte Spaltweite automatische aufrechtzuerhalten.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig., 1 eine schematische Blockdarstellung des auf einer elektrischen Entladung beruhenden Bearbeitungsgerätes gemäß, der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bei dem Gerät nach Fig. 1 verwendbaren Steuersystems;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines weiteren für das Gerät nach Fig. 1 geeigneten Steuersysteme;

Fig. 4 eine Ansicht von für das System nach Fig. 3 verwendete Werkzeug- und Werkstückelektroden,

Fig. 5 einen Schnitt nach Lini« 5-5 in Fig. 4-,

Fig. 6 ein scheaatiachea Schaltbild einea Steutrkreiaee, der bei dem Syatt« nach Fig. 3 Ibendet werden kann;

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Pig. 7 ein Blockschaltbild eines weiteren Steuersystems, welches bei dem Gerät nach Fig. 1 verwendet werden kann; und

Fig. 8 Teilschnitte der Werkzeug- und Werkstück- und 9

elektroden sowie deren Anordnung bei dem Steuersystem nach Fig. 7·

Nach Fig. 1 sind 1o und 12 die Elektroden des Gerätes, welche im folgenden als das Werkzeug bzw. als das Werk· stück bezeichnet werden* Das Werkzeug to ist derart gegenüber dem Werkstück 12 angeordnet, daß zwischen ihnen ein Spalt bestimmter Weite entsteht* Sas Werkstück 12 ist in einem Behälter 14 isoliert von diesem untergebracht, welcher einen geeigneten Elektrolyten in einer solchen Menge enthält, daß er eine Materialabtragung von dem Werkstück 12 durch chemische Einwirkung hervorrufen kann. Dieser Materialabtragungsprozeß wird durch Anlegen einer geeigneten Energieversorgung 16 an den zwischen dem Werkzeug 1o und dem Werkstück 12 gebildeten Spalt beschleunigt; das Werkzeug 1o bildet die Kathode und das Werkstück 12 die geerdete Anode. Der Spalt ist für den herrschenden Zustand und die gewünschten Ergebnisse, d. h. Werkstückoberflächenzustand und Materialabtragungsgeschwindig-

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- M- -keiten optimal eingestellt.

Wenn die Materialabtragung nach diesem Verfahren vorgenommen wird, ist es wegen des Anwachsens des Spaltabstandes notwendig, das Werkzeug 1o und das Werkstück zusammen zu bewegen, wenn der optimale Spaltabstand aufrechterhalten werden soll. Das wird durch eine Vorschubeinrichtung 18 erreicht. Bei diesem Beispiel bewegt die Vorschubeinrichtung 18 über ein durch einen Stellmotor 22 betätigtes Zahnrad 2o das Werkzeug 1o relativ zu dem Werkstück 12 auf und nieder. Alternativ kann das Werkstück 12 bewegt werden, während statt des Zahnrades 2o und des Stellmotors 22 ©in Kolbenmotor direkt mit der zu bewegenden Elektrode verbunden sein kann. Außerdem können auch beide Elektroden bewegt werden, wenn das für eine wirksame Verwendung des Gerätes erforderlich ist. Der Steilmotor 22 empfängt bei dieser Ausführungsform über einen Servoverstärker 24· Signale von einem Steuersystem 26; diese Signal© bewirken, daß der Servomotor 22 die Vorschubgeschwindigkeit erhöht oder erniedrigt, wie das erforderlich ist, um die vorbestimmte optimale Spaltweite aufrecht zu erhalten.

V/ie festgestellt wurde, kann die Vorschubgeseiixndigkeit konstant sein. Es gibt jedoch viele sowohl innere als

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auch äußere Faktoren, die von Zeit zu Zeit eine Nachstellung des Spaltabstandes erfordern, wenn eine konstante Vorschubgeschwindigkeit verwendet wird. Hierzu kann ein Steuersystem 26a nach Pig. 2 verwendet werden. "Bei den System 26a ist eine Elektrolyt-Versorgungsleitung 28 mit einer öffnung 3o in dem Werkzeug 1o verbunden; sie umfaßt ein Strömungsmeßgerät 32, welches die Strömungsgeschwindigkeit des eintretenden Elektrolyten feststellt· Weiter steht eine Abzweigung 54 mit der Leitung 28 in Verbindung, um die öffnung Jo mit einem Rückwirkdruckmesser 36 zu verbinden. Die Heßgeräte 32 und 36 erzeugen in Abhängigkeit von der Strömung und dem Druck des Elektrolyten Wechselsignale· Wenn bei dieser Meßgerätanordnung der Abstand zwischen Werkzeug 1o und Werkstück 12 verändert wird, ändert sich der resultierende Rückwirkdruck in ähnlicher Weise und ruft ein entsprechendes Signal hervor, das an den Eingang eines Umformers und Verstärkers geliefert wird. Außerdem wird an den Eingang des Umformers und Verstärkers 38 ein Signal aus dem Strömungsmesser 32 angelfjt. Dieses Signal ermöglicht es, die Strömung mit dem Rückwirkdruck in Beziehung zu setzen, da eine erhöhte Strömung in ähnlicher Weise den Rückwirkdruck ansteigen läßt, während eine verminderte Strömung den Rückwirkdruck vermindert. Wenn die Strömung immer konstant ist, ist der Strömungsmesser 32 nicht

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notwendig. Die Veränderungen des Rückwirkdrucksignals bei einer bestimmten Strömung werden in ein Gleichstrom-Steuersignal umgeformt und wenn erforderlich verstärkt, bevor sie an den Servoverstärker 24 übertragen werden. Wenn die Meßgeräte 32 und 36 Gleichstrom-Steuersignal· liefern, wird der Umformer nicht benötigt. Der Servoverstärker-'24 besitzt eine Bezugsspanrnungsquelie 4oj er ist so geschaltet, daß das Steuersignal mit dem Bezugssignal durch eine Summierungsstufe verglichen wird, um ein für den Stellmotor 22 verwendetes Ausgangs- oder Fehlersignal zu erzeugen, welches sowohl die Bewegungerichtung als auch den Abstand anzeigt, in der bzw. um den da· Werkzeug bewegt werden sraß, um den gewünschten Spaltabstand herzuotellen. Wenn das dem Stellmotor 22 zugeführte Fehlersignal z. B. negativ ist, kann der Stellmotor 22 bewirken, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges anwächst. Wenn das Steuersignal dagegen positiv ist, kann das Werkzeug 1o zurückgezogen werden. In jedem Falle wird das Werkzeug so lange bewegt, bis ein NuIl-Fehlersignal entsteht.

Bin weiteres Steuersystem ist in Pig· 3 veranschaulicht. Bei diesem System 26b werden eine oder Bohrer« Induktivitäten oder Spulenanordnung^ 42 verwendet.

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Jede dieser Induktivitäten ist gemäß den Fig. 4 und innerhalb des Werkzeuges 1o angeordnet. Die Zahl dieser Anordnungen 42 hängt von der Größe und dem Umriß des Werkzeuges 1o und des Werkstückes 12 ab. Wenn mehrere Spulenanordnungen 42 erforderlich sind, kann ein Wahlschalter 44 verwendet werden, um die einzelnen Spulenanordnungen 42 mit einer Brücke 46 zu verbinden. Der Wahlschalter 44 kann durch einen Motor 48 betätigt werden, so daß jede Spulenanordnung während einer bestimmten Zeit mit dem einen Zweig der Brücke 46 einzeln verbunden ist. Ein weiterer Zweig der Brücke 46 liefert eine Bezugsgröße? er umfaßt eine Bezugsspulenanordnung .50» welche gegenüber einem Bezugswerkstück 52 angeordnet ist. Der Abstand zwischen der Bezugsspulenanordnung 50 und dem Bezugswerkstück kann nach Wunsch verändert werden, um den Spaltabstand einzustellen, bei dem der Materialabtragungsprozeß ausgeführt werden soll. Es ist zu beachten, daß das Bezugswerkstück 52 die gleichen magnetischen und leitenden Eigenschaften wie das Werkstück 12 hat. Die anderen Zweige der Brücke 46 umfassen Impedanzen und 54; die Impedanz 54 ist zwecks Eichung einstellbar.

Wenn der Abstand der Spulenanordnungen 42 relativ zum

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Werkstück 12 dem der Bezugsspulenanordnung 5o und des Bezugswerkstückes 52 entspricht, und wenn weiter der Eingang der Brücke 46 mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, ist ein Null-Ausgangssignal vorhanden, da die Brücke 46 sich im Gleichgewicht befindet. Wenn jedoch eine Abweichung vorhanden ist, entsteht eine Unsymmetriespannung mit einer Phase, die durch den Abstand des Werkzeuges 1o von dem Werkstück 12 bestimmt ist, d_e h. dadurch, ob der Spaltabstand geringer oder größer als der vorherbestimmte ist. Diese Spannung kann, wenn erforderlich, durch einen Verstärker 5& verstärkt und dann an den Eingang eines Phasen-Detektors 58 angelegt werden. An diesem Punkt wird ein Gleichstrom-Fehlersignal erzeugt, dessen Polarität und Größe dem Differenzbetrag zwischen tatsächlichem und gewünschtem Spaltabstand entspricht und die weiter davon abhängt, ob der tatsächliche Abstand zu klein oder zu groß ist. Es kann wieder angenommen werden, daß, wenn der Abstand zu klein ist, die Polarität des Fehlersignales positiv ist, ein negatives Fehlersignal wird dagegen hervorgerufen, wenn der Spaltabstand zu groß ist»

Wenn nur eine Spulenanordnung verwendet wird, kann das Fehlersignal direkt über den Servoverstärker 24 an den

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Stellmotor 22 nach Fig. 1 angelegt werden, um zu bewirken, daß die geeignete Korrektur in der an Hand des Steuer-systems nach Fig. 2 erläuterten Weise vorgenommen wird. Wenn jedoch mehrere Spulenanordnungen 42 vorhanden sind und der Wählschalter 44 zusammen mit einem Steuerkreis 6o verwendet wird, kann der Mittelwert der Fehlersignale von allen Spulenanordnungen 42 integriert werden, um eine mittlere Fehlersignalspannung hervorzurufen und an den Serroverstärker 24 anzulegen. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Kreises ist in Fig. 6 dargestellt, wofeine Integrationsstufe 62 mit einer geeigneten Zeitkonstanten zur Bildung des Mittelwertes aller Fehlersignale dargestellt ist. Wenn eine der Spulenanordnungen 42 anzeigen sollte, daß das Werkzeug 1o an dem Kontrollpunkt sich in einem gefährlich geringen Abstand von dem Werkstück 12 befindet, bewirkt das sich ergebende Fehlersignal vorzugsweise, daß der Prozeß gestoppt wird. Somit kann das bei diesem Zustand erzeugte Fehlersignal z. B. 4as bewirken, daß der Betrieb der Integrationsstufe 62 unterbrochen und die

Energieversorgung 16 abgeschaltet wird.

Unter Verwendung des Steuersysteme nach Fig· 3 können sowohl magnetische als auch nichtmagnetische leitende

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Werkstücke bearbeitet werden. Wenn das Werkstück 12 magnetisch ist, verändert der Abstand zwischen den Spulenanordnungen 42 und dem Werkstück 12 die magnetische Verbindung oder Kopplung zwischen ihnen und verändert demgemäß die Impedanz in (km Zweig der Brücke 46, an den die Spulenanordnungen 42 angelegt sind. Bei diesem Beispiel wird dadurch die Induktivität verändert, und zwar in anwachsendem Sinne, wenn das Werkzeug 1o und das Werkstück 12 näher aneinander bewegt werden. Wenn das Werkstück 12 andererseits nichtmagnetisch ist, induziert die Wechselstromquelle 55 über die Spulenanordnungen 42 Wirbelströme in dem nichtmagnetischen Werkstück 12, Me WirbelStromstärke wird größer, wenn der Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück 12 abnimmt; die Änderung der Wirbelstroastärke beeinfluß die Impedanz der Spulenanordnungen 42 dadurch, daß der Scheinwiderstand geringer wird, wenn der Spaltabstand abniamt.

Das andere Steuersystem, das in de» Gerät nach Fig. 1 verwendet werden kann, ist dme System 26c, das in lig. 7 dargestellt ist· Bei diesen Systra sind in des Werkzeug 1o entweder nach fig· 8 getrennte Send·« und Eapfangeübtrtragtr 64 und 66 oder nach Fig, 9 ein ko«-

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binierter Sende- und Empfangsübertrager 68 eingebaut. Zur Erläuterung werden nur die Übertrager 64 und 66 beschrieben, da der kombinierte Übertrager in wesentlichen in der gleichen Weise arbeitet. Die übertrager 64 und 66 sind gemäß Fig. 7 geschaltet; der Sendeübertrager 64 ist mit dem Ausgang eines Impulsoszillators 7o verbunden. Der gleiche Impulsoszillator 7o besitzt einen weiteren Ausgang, der mit einem Flip-Flop-Multivibrator 72 verbunden ist; dieser arbeitet als Schalter. Der Impulsoszillator 7o erzeugt vorzugsweise Ultraechallfrequenzen, so daß, wenn ein Impulssignal erzeugt wird, es gleichzeitig auf den Multivibrator (wobei es diesen einschaltet) und auf den Sendeübertrager 64 gegeben wird. Der Sendeübertrager sendet das Impulssignal gegen die Oberfläche des Werkstückes 12, von der es auf Grund der Anordnung der Übertrager reflektiert wird; es wird dann von dem Empfangsübertrager 66 aufgenommen. Das reflektierte Impulssignal wird dann auf den Multivibrator 72 gegeben, und zwar über den Wahlschalter 44, wenn mehrere Sätze dieser Übertrager 64 und 66 oder des kombinierten Übertragers 68 auf Grund der Art des zu bearbeitenden Werkstückes 12 erforderlich sind. Das reflektierte Impulssignal schaltet den Multivibrator 72 ab. Wenn die beiden durch den Oszillator 7o gleichzeitig erzeugten Impulse gleichartig an den Multivibrator geliefert

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werden, wirkt das den Multivibrator 72 einschaltende Impulssignal dem abschaltenden Impulssignal entgegen, und der Multivibrator 72 erzeugt kein Ausgangssignal. Wegen der auf Grund des Abstandes zwischen Werkzeug 1o und Werkstück 12 hervorgerufenen Zeitverzögerung bleibt der Multivibrator 72 jedoch während eines dem Spaltabstand entsprechenden Zeitintervalle eingeschaltet; während dieses Zeitintervalles entstellt ein proportionales Ausgangs-Steuersignal. Das Steuersignal aus dem Multivibrator 72 wird an einen RC-K^eIs angelegt, um ein mittleres Gleichspannungs-Steuersignal zu erhalten, welches darauf direkt an den Servoveretärker 24 geliefert wird, wenn nur ein Satz von Übertragern verwendet wird. Wenn mehrere verwendet werden, kann ein Steuerkreiß 6o wie bei.dem Steuersystem 26b nach ]?ig. 3 verwendet werden, um einen Mittelwert der Steuersignale von allen Übertragersätzen zu erhalten« Dieser Mittelwert wird an den Servoverstärker 24 geliefert und mit der Bezugs spannung aus der Quelle 4o des Systems nach Fig. 2 verglichen. Der Servoverstärker 24 liefert das entsprechende Fehlersignal an den Stellmotor 22, wie das bei Erläuterung des Systeme nach Fig. 2 beschrieben wurde. Wenn ein Satz von Übertragern 64 und 66 anzeigt, daß das Werkzeug sich an dem Bereich, den der Satz von Übertragern 64 und

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66 steuert, zu nahe an dem Werkstück 12 befindet, kann der Prozeß gestoppt werden.

Das System.nach Fig. 2 kann in der gleichen Weise wie die Systeme nach den Fig. 3 und 7 den Abstand an mehreren Punkten zwischen dem Werkstück 12 und dem Werkzeug 1o kontrollieren. Das kann durch Verwendung mehrerer öffnungen 3o und mehrerer Rückwirkdruckaesser 36 zusammen mit einem Wahlschalter 44 und einem Stfuerkreis 6o geschehen. Wie zuvor beschrieben, kann vor der Lieferung an den Servoverstärker 24 _/ der Hittelwert der Fehlersignale gebildet «irden.

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Claims

Unterlagen (Art. 7 § 1 Abs. 2 Nr. 1 Satz 3 des Xnderungsge9. v. 4.9.1967)

P a t e η t a ns ρ r ü c h β

1. !Regelvorrichtung für die Spaltweite zwischen den Elektroden einer nach obm elektrolytischen Materialabtragungsverfahr®n arbeitenden Elektroerosionsmasehine, welche entsprechend dem Wert eines von der Spaltweite abhängigen Parameters ein Hegelsignal an ein die Spaltweiteneinstellung bewirkendes Servosystem liefert, dadurch gekennzeichnet , d&S die als Werkzeug (Ίο) dienende Elektrode an verschiedenen Stellen der Arbeitsfläche getrennte elektrische oder akustische Wandler (42, 64, 66, 68) aufweist, die unabhängige, d*a jeweiligen örtlichen Spaltabstand entsprechend· Hegelsignale erzeugen.

2. Hegelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Wandler (42) als Induktionsspulen ausgebildet sind und »ittAle WecheelstroB gespeist wer-

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Neue Unteriagen (Art 711 Abt. 2 Nr. I Saft 3 d«· Xnd«runo*g·* v. 4.9.1S87)

den, wobei die Stromstärke in jeder Induktionsspule bei der Kopplung mit einem magnetischen oder unmagnetischen Werkstück (12) einen dem an der jeweiligen Induktionsspule herrschenden Spaltabstand entsprechenden Wert annimmt·

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktionsspulen (42) mittels des Wahlschalters (44-) nacheinander in einen Zweig der Wechselstrom-* brücke (46) geschaltet werden, deren anderer Zweig eine mit einem Bezugswerkstüak (52) zusammenwirkende Bezugsinduktivität (5o) enthält, und daß das bei einer Abweichung vom eingestellten Spaltabstand infolge einer Störung des Brükkengleichgewichts auftretende und in Phase und Wert der Abweichung entsprechende Ausgangssignal der Brücke über den Servoverstärker (56) unmittelbar oder über das Integrierglied (62) an den Stellmotor (22) gelegt wird oder zur Abschaltung der ßpannungsquelle (16) verwendet wird.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß die Ultraschallwandler als akutische Geber (64) und als Schallempfänger (66) ausgebildet sind, wobei zur Bestimmung des jeweiligen Spaltabstandes die Zeit bis zum Empfang der ausgesendeten und vom Werkstück reflektierten Impulse dient.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß derselbe Ultraschallwandler (68) gleichzeitig als akustischer Geber und als Empfänger dient.

6. Regelvorrichtung nach Anspruch 4 und 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Ultraschallwandler mittels eines Wahlschalters (44) nacheinander an einen Multivibrator (72) geschaltet werden, der von dem Pulsgenerator (7o) die gleichen Impulse erhält, wie die Ultraschallwandler, wobei am Ausgang des Multivibrators ein der Zeitdifferenz zwischen Aussendung und Empfang entsprechendes Regelsignal auftritt, das der jeweiligen Spaltweite entspricht und über die Integrierstufe (74) der Servoschleife (2o, 22, 24) zugeführt wird.

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in ähnlicher Weise mißt wie der Kondensator 48. Wenn sich mit anderen Worten die Spannung an dem Kondensator 48 und der Primärwicklung J8 an der vorstehend beschriebenen Weise ändert, verändert sich die Spannung an der Geberwicklung 86 ebenfalls. Die sich ergebende Steuerspannung kann also in der oben beschriebenen Weise zur Betätigung der Spaltweiten-Steuereinrichtung 26 verwendet werden.

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