DE1926885C3 - Schaltungsanordung zur Feststellung anormaler Betriebszustände bei Funkenerosionsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Feststellung anormaler Betriebszustände bei Funkenerosionsmaschinen mit einem zwischen Bearbeitungselektrode und Werkstück vorhandenen Bearbeitungsspalt, bei welcher die Spannung am Bearbeitungsspalt innerhalb eines Bezugszeitintervalls mit einer Sollwertspannung verglichen wird.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Elektrofunken wird in einem zwischen einem Werkstück und einer Bearbeitungselektrode vorhandenen Bearbeitungsspalt, der im allgemeinen mit einem elektrisch isolierenden Medium — wie Öl — gefüllt ist, eine elektrische Entladung ausgelöst Innerhalb des Bearbeitungsspaltes können jedoch sehr oft anormale Betriebszustände auftreten, indem beispielsweise das elektrisch isolierende Medium stark ionisiert wird, wodurch die Spannungsfestigkeit zusammenbricht. Unter diesen Umständen wird selbst bei sehr niederen Spannungen eine elektrische Entladung aufrechterhalten. Bei Funkenerosionsmaschinen mit einer kontinuierlichen Ausgangsspannung bildet sich somit innerhalb des Bearbeitungsspaltes ein kontinuierlicher Lichtbogen hoher Intensität, durch welchen auf dem bearbeiteten Werkstück starke Narben hervorgerufen werden.

Derartige anormale Lichtbogenzustände werden oft bei Bearbeitungseinrichtungen beobachtet, bei welchen die Erzeugung des Elektrofunkens durch Entladung eines Kondensators erzeugt wird. Um derartige anormale Zustände festzustellen, wurde bereits vorgeschlagen, an dem Bearbeitungsspalt einen Widerstand anzubringen und an demselben den Mittelwert der Spannung zu messen. Wenn dieser Mittelwert ungefähr der in der Größenordnung von 20 V liegenden Lichtbogenbrennspannung entspricht, bedeutet dies das Auftreten eines anormalen Betriebszustandes.

Auch bei Funkenerosionsmaschinen, die an Stelle eines Relaxationsgenerators einen vom Zustand des Arbeitsspaltes unabhängigen Impulsgenerator aufweisen, können anormale Betriebszustände auftreten. Es ist bereits eine Einrichtung bekannt (deutsche Auslegeschrift 11 90 594), bei welcher der Betriebszustand des Arbeitsspaltes dadurch überwacht wird, daß ein Kondensator von einer Prüfgleichspannung über einen Widerstand aufgeladen und die Kondensatorspannung vom Zustand des Spaltes beeinflußt wird. Der Kondensator kann dabei sowohl durch einen normalen Bearbeitungsfunken als auch durch einen Kurzschluß entladen werden. Dabei zeigt eine bestimmte Mindestspannung am Kondensator die Entionisierung des Arbeitsspaltes an.

Entsprechend der US-Patentschrift 30 18 411 galt die Lehre, daß eine unverzügliche Abschaltung noch

ίο während des ersten gestörten Impulses erfolgen sollte.

Es sind ferner Einrichtungen bereits bekannt (schweizerische Patentschrift 4 38 519 und französische Patentschrift 14 67 780), bei welchen die am Bearbeitungsspalt auftretende Spannung nach Mittelwertsbildung in einem Kondensator einem Relais zugeführt wird, um bei Auftreten anormaler Betriebszustände im Spalt die Stromzufuhr mit einer gewollten, einstellbaren Verzögerung abzuschalten. Dort ist jedoch der von dem Kondensator gebildete Mittelwert von dem Zeitintervall zwischen den an dem Bearbeitungsspalt auftretenden Impulsen, der Impulsdauer und anderen Faktoren abhängig. Dadurch verändert sich das Kriterium, welches für die Festlegung eines anormalen Betriebszustandes herangezogen wird.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art ist durch die DE-AS 12 67 767 bekanntgeworden. Bei einem anormalen Betriebszustand, z. B. Kurzschluß, wird dort eine solche Verstellung der Elektrode in bezug auf das Werkstück veranlaßt, daß der Bearbeitungsspalt vergrößert und damit erneut ein normaler Betriebszustand erreicht wird. Das Bezugszeitintervall ist dort durch einen Arbeitsimpuls vorgegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche nicht sofort bei einer ersten kurzzeitigen Störung im Arbeitsspalt sondern erst bei länger andauernder Störung anspricht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein über einen einstellbaren Widerstand von einer Prüfglexhspannungsquelle aufzuladender Kondensator vorgesehen ist, daß der Kondensator von der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors überbrückt ist, dessen Basis-Emitter-Strecke über eine Zenerdiode an die Spannung am Bearbeitungsspalt gelegt ist, und daß die Zeitkonstante der Entladung des Kondensators über den Transistor wesentlich kleiner als die Zeitkonstante der Ladung des Kondensators über den einstellbaren Widerstand ist. An den Kondensator ist eine Betätigungseinrichtung angeschlossen, die beim Obersteigen eines bestimmten Spannungswertes am Kondensator einen anormalen Betriebszustand anzeigt.

Das Bezugszeitintervall ist vorzugsweise länger als die Dauer von wenigstens zehn aufeinanderfolgenden Impulsen einschließlich der zwischenliegenden Impulspausen.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema einer Funkenerosionsmaschine mit einem einen Kondensator aufweisenden Relaxationsoszillator,

Fig.2 ein Diagramm zur Darstellung des an dem Bearbeitungsspalt der Einrichtung gemäß F i g. 1 auftretenden Spannungsverlaufes,

F i g. 3 ein Schaltschema einer mit Spannungsimpulsen arbeitenden Funkenerosionsmaschine,
F i g. 4 ein Schaltschema einer mit einer Einrichtung

gemäß der vorliegenden Erfindung versehenen Funkenerosionsmaschine und

Fig.5a, 5b schematische Darstellungen der auftretenden Spannungsverläufe zur Erläuterung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung.

In F i g. 1 der Zeichnung ist eine Funkenerosionsmaschine bekannter Konstruktion mit einem Kondensator-Relaxationsoszillator dargestellt Die Anordnung besteht aus einer Gleichstromquelle 10, an welcher in Serie ein Ladewiderstand 12 und ein Kondensator angeordnet sind. Der Kondensator 14 liegt parallel zu dem zwischen einer Bearbeitungselektrode 16 und einem Werkstück 18 vorhandenen Bearbeitungsspalt.

Fig.2 zeigt die an dem Bearbeitungsspalt 16, 18 auftretende Spannung bei der in Fig. 1 dargestellten Funkenerosionsmaschine. In dieser Fig.2 stellt die Ordinate die an dem Bearbeitungsspalt auftretende Spannung dar, während die Abszisse der Zeitachse entspricht Während des normalen Betriebszustandes der Funkenerosionsmaschine wird der Kondensator 14 zuerst von der Gleichstromquelle 10 über den Widerstand 12 entsprechend einer Exponentialkurve 20 aufgeladen, bis die Durchschlagspannung an dem elektrisch isolierenden Medium eintritt Zu diesem Zeitpunkt liefert der Kondensator 14 einen Stromstoß in den Bearbeitungsspalt 16, 18, wodurch im Bearbeitungsspalt eine normale elektrische Entladung kurzer Dauer eintritt Diese Entladung dient zur elektrischen Bearbeitung des Werkstückes 18 und weist eine Spannung auf, die im wesentlichen der geringfügige Schwankungen aufweisenden horizontalen Linie 22 entspricht

Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß beim Betrieb einer in F i g. 1 dargestellten Funkenerosionsmaschine innerhalb des Bearbeitungsspaltes gelegentlich ein anormaler Betriebszustand eintritt, was zu einem kontinuierlichen Lichtbogen führt. Bei einem kontinuierlichen Lichtbogen tritt eine Spannung auf, wie sie beispielsweise durch die Linie 24 dargestellt ist, die anschließend an die exponentiate Kurve folgt und somit der Linie 22 von F i g. 2 sehr ähnlich, jedoch wesentlich langer ist. Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung kann ein anormaler Betriebszustand durch einen an dem Bearbeitungsspalt angelegten Widerstand festgestellt werden, an welchem die mittlere Spannung gemessen wird. Die den Linien 22,24 entsprechenden Spannungen sind im allgemeinen wesentlich geringer als die am Anfang der elektrischen Entladung auftretende Spannung und betrafen im allgemeinen etwa 20 V.

Wie beschrieben, können bei einer Bearbeitungseinrichtung mit aufeinanderfolgenden Impulsen ebenfalls ein kontinuierlicher Lichtbogen und demzufolge Narben an dem bearbeiteten Werkstück auftreten. F i g. 3 zeigt eine Funkenerosionsmaschine dieser Art, bei welcher ein Impulsgenerator 30 an der Elektrode 18 und dem Werkstück 16 angeschlossen ist, so daß Impulse dem Bearbeitungsspalt 16, 18 zugeführt werden. Selbst wenn in dem elektrisch isolierenden Medium des Bearbeitungsspaltes 16, 18 ein Abfall der elektrischen Isolation eintritt, treten im allgemeinen keine kontinuierlichen Lichtbogen auf, da in den Impulspausen ein Wiederaufbau der elektrischen Isolation möglich ist. Trotzdem können auch bei derartigen Funkenerosionsmaschinen innerhalb des Bearbeitungsspaltes gelegentlich anormale Betriebszustände auftreten.

Es ist jedoch, wie gesagt, unzweckmäßig, den Mittelwert der Spannung am Spalt zur Feststellung anormaler Betriebszustände zu verwenden, da bei Veränderung der Impulspause bzw. -dauer eine Veränderung dieses Mittelwertes und somit des Kriteriums eines anormalen Betriebszustandes erfolgt Mit HiUe der vorliegenden Erfindung können hingegen anormale Betriebszustände selbst bei impulsbetriebenen Funkenerosionsmaschinen unabhängig von Impulsdauer und -pause festgestellt werden, indem gemessen wird, ob an dem Bearbeitungsspalt innerhalb einer bestimmten Zeit eine Spannung auftritt, die höher als die Lichtbogenspannung ist

In F i g. 4 ist eine Funkenerosionsmaschine mit einer nach der vorliegenden Erfindung arbeitenden Schaltungsanordnung versehen. Ähnlich wie in F i g. 3 ist ein Impulsgenerator 40 an dem zwischen der Elektrode 16 und dem Werkstück 18 vorhandenen Bearbeitungsspalt angeschlossen. Der Generator 40 ist bekannter Konstruktion (s. beispielsweise US-Patentschrift 32 92 040). Es sei angenommen, daß der Impulsgenerator 40 Impulse erzeugt, deren Dauer 500 Mikrosekunden beträgt, wobei Impulspausen zwischen 0 und 1 Sekunde vorgesehen sein können. Die Impulspause ist je nach dem zu bearbeitenden Material und der Bearbeitungsart, & h. der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit und der Bearbeitungsgenauigkeit gewählt Die Materialien der Elektrode 16 und des Werkstückes 18 bestimmen, welches der beiden Elemente an der positiven Klemme des impulsgenerators 40 angeschlossen sein muß. Gemäß F i g. 4 ist die positive Klemme des Generators 40 mit der Bearbeitungselektrode 16 und die negative Klemme mit dem Werkstück 18 verbunden. Der zwischen der Elektrode 16 und dem Werkstück 18 vorhandene Bearbeitungsspalt ist mit einem geeigneten isolierenden Medium — beispielsweise öl — gefüllt

Wie in F i g. 4 dargestellt, ist der Bearbeitungsspalt 16, 18 an einen Spannungsteilerkreis angeschlossen, der aus zwei in Serie angeschlossenen Widerständen 42, 44 besteht Der Verbindungspunkt der Widerstände 42,44 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 46 verbunden. Die Zenerdiode 46 spricht auf die an dem Verbindungspunkt der Widerstände 42, 44 auftretenden Spannungen oberhalb eines Schwellwertes in bezug auf den Verbindungspunkt des Widerstandes 44 und des Werkstückes 18 an, wodurch eine Bezugsspannung erzeugt wird, deren Bedeutung im folgenden noch beschrieben werden soll. Die Zenerdiode 46 ist mit ihrer Anode an die Basiselektrode b eines npn-Transistors 48 angeschlossen. Der Transistor 48 liegt mit seinem Emitter e an dem Verbindungspunkt des Widerstandes 44 und des Werkstückes 18 und mit seinem Kollektor c an einem Kondensator 50, dessen anderer Anschluß mit dem Emitter edes Transistors 48 verbunden ist.

Der Kondensator 50 ist ferner über einen veränderbaren Widerstand 52 mit der positiven Klemme einer Gleichstromquelle 54 verbunden, während die negative Klemme dieser Gleichstromquelle 54 mit dem Emitter e des Transistors 48 verbunden ist

In Fig.5a ist die an dem Bearbeitungsspalt gemäß F i g. 4 auftretende Spannung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt Der Impulsgenerator 40 liefert an den zwischen Elektrode 16, 18 vorhandenen Bearbeitungsspalt Impulse, wobei T\ die Impulsdauer und T₂ die Dauer der Impulspausen ist Wie dargestellt besteht der Impuls 60 aus zwei Impulsteilen 62,64. Der Impulsteil 62 entspricht dem Leerlauf, solange keine elektrische Entladung an dem Bearbeitungsspalt 16, 18 auftritt. Dieser Impulsteil 62 weist somit eine Spannung auf, die höher ist als die während der Entladung auftretende Spannung. Die Leerlaufspannung muß genügend hoch

sein, um an dem Bearbeitungsspalt eine elektrische Entladung auszulösen und beträgt beispielsweise 80 V. Die Lichtbogenspannung kann hingegen beispielsweise 20 V betragen und entspricht dem Impulsstück 64, das geringfügige Pulsationen aufweist, wie dies in Fig.5a dargestellt ist.

Das Verhältnis der Widerstände 42, 44 ist derart gewählt, daß beim Auftreten des Leerlaufimpulsstückes 62 an dem Widerstand 44 ein Spannungsabfall auftritt, der genügend groß ist, um eine Zündung der Zenerdiode zu erreichen. Die Zenerdiode 46 verbleibt jedoch in ihrem nicht leitenden Zustand, solange an dem Bearbeitungsspalt die Lichtbogenspannung besteht. Bei den oben beschriebenen Leerlauf- und Lichtbogenspannungen können die Widerstände 42, 44 Werte von 10 und 3,3 kOhm aufweisen, so daß während des Leerlaufes am Widerstand 44 ein Spannungsabfall von ungefähr 20 V und während des Auftretens eines Lichtbogens von etwa 5 V auftritt, wobei die Zenerspannung der Zenerdiode 46 ungefähr 12 V beträgt

Der Durchschlag der Zenerdiode 46 erzeugt an dem Transistor 48 einen Basisstrom, wodurch die Kellektor-Emitter-Strecke des Transistors 48 leitend wird, so daß der Kondensator 50 kurzgeschlossen ist Wenn hingegen an dem Bearbeitungsspalt ein Lichtbogenspannungsimpuls 64 auftritt, bleibt die Zenerdiode 46 im nichtleitenden Zustand, wodurch an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 48 ein hoher Widerstand auftritt.

Der Kondensator 50 wird von der Gleichstromquelle 54 über einen veränderbaren Widerstand 52 derart aufgeladen, daß die am Kondensator 50 auftretende Spannung in vorgegebener Weise mit der Zeit zunimmt. Die Ladegeschwindigkeit wird durch die durch den Kondensator 50 und den Widerstand 52 gebildete Zeitkonstante bestimmt Bei einem Stromkreis mit den oben beschriebenen Werten kann der Kondensator 50 eine Kapazität von 0,2 μί^:, der veränderliche Widerstand 52 einen maximalen Widerstandswert von 50 kOhm und die Gleichspannungsquelle eine Ausgangsspannung von 24 V aufweisen. Diese Werte der einzelnen Schaltkomponenten werden im Anwendungsfall verschieden gewählt.

F i g. 5b zeigt die Veränderung der am Kondensator 50 auftretenden Spannung in bezug auf die Zeitachse, die der von F i g. 5a entspricht Wie bereits beschrieben, bewirkt das Auftreten eines Leerlaufimpulsteils 62 an dem Bearbeitungsspalt einen Kurzschluß des Kondensators 50 über den Transistor 48, so daß an demselben keine Spannung auftritt. Somit wird jedesmal, wenn ein Leerlaufimpulsteil 62 an dem Bearbeitungsspalt auftritt der Kondensator 50 bis auf einen Nullwert entladen. Wahrend des Auftretens eines Fup.ker.impulsteüs 64 und der Impulspausen T^ wird jedoch der Transistor 48 daran gehindert den Kondensator 50 kurzzuschließen, da keine Spannung auftritt die höher als die Lichtbogenspannung ist wie dies in dem Bereich 66 vor. F i g. 52 dargestellt ist Der Kondensator 50 wird somit nicht entladen, so daß sieine Ladung kontinuierlich ansteigt wie dies auf der rechten Seite von F i g. 5 dargestellt ist Sobald die an dem Kondensator 50 auftretende Spannung gemäß F i g. 5b einen bestimmten Wert E₀ — in dem vorliegenden Fall 12 V — erreicht hat sobald die aufsteigende Linie die horizontal gestrichelte Linie 68 vein F i g. 5b schneidet wird innerhalb des Bearbeitungsspaltes ein anormaler Betriebszustand in einer noch zu beschreibenden Weise festgestellt

Wenn an dem Bearbeitungsspalt irgendein Leerlaufimpulsabschnitt 62 auftritt, bevor die am Kondensator 50 vorhandene Spannung die Bezugsspannung Eo erreicht, dann schließt der Transistor 48 den Kondensator 50 kurz, wodurch die an demselben stehende Spannung in der bereits beschriebenen Weise bis auf Null abfällt. Daraufhin beginnt sich der Kondensator 50 in der bereits erwähnten Weise erneut zu laden.

Es sei angenommen, daß der Transistor 48 den Kondensator 50 nicht kurzschließt. Es tritt somit ein Bezugszeitintervall auf, bei welchem die an dem Kondensator 50 auftretende Spannung von 0 bis zur Bezugsspannung Eo angestiegen ist. Sobald innerhalb der Bezugszeit kein Leerlaufimpulsteil 64 auftritt, wird festgestellt, daß ein anormaler Betriebszustand herrscht. Die Bezugszeit kann eingestellt werden, indem der veränderbare Widerstand 52 verändert wird. Die Bezugszeit beträgt vorzugsweise wenigstens 10 Spannungsimpulse 60 einschließlich der dazwischen auftretenden Impulspausen T2. Da sich das Medium innerhalb des Bearbeitungsspaltes 16, 18 in manchen Fällen erst nach zwei oder drei Elektrofunkenentladungen in den Impulspausen regenerieren kann, werden bei einer zu kurzen Bezugszeit anormale Betriebszustände zu oft festgestellt, was eine Verminderung der Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung zur Folge hat.

Nachdem die an dem Kondensator 50 auftretende Spannung die Bezugsspannung Eo erreicht hat, wird ein. an dem Kondensator gemäß Fig.4 angeschlossene Betätigungseinrichtung 56 ausgelöst Diese Betätigungseinrichtung 56 kann bekannter Konstruktion sein und beispielsweise ein Relais aufweisen, das auf einen bestimmten Spannungswert der Größe Eo anspricht. In bekannter Weise bewirkt die Betätigungseinrichtung 56 entweder eine Unterbrechung der Stromzufuhr von der Gleichstromquelle 40, wodurch das Auftreten von Impulsen an dem Bearbeitungsspalt unterbrochen wird, oder eine Verstellung der Elektrode in bezug auf das Werkstück, wodurch der Bearbeitungsspalt vergrößert und damit erneut ein normaler Betriebszustand erreicht wird.

Während die vorliegende Erfindung für impulsbetriebene Funkenerosionsmaschinen beschrieben worden ist so können doch Funkenerosionsmaschinen mit Kondensatorentladung ebenfalls durch das Vorsehen von Widerständen 42,44 der Zenerdiode 46, des Transistors 48. des Kondensators 50, des veränderbaren Widerstandes 52 und der Gleichstromquelle 54 gesteuert werden. Zu diesem Zweck sind die Widerstände 42, 44 an der Bearbeitungselektrode 16 und dem Werkstück 18 der in F1 g. 1 dargestellten Einrichtung angeschlossen. Die Zenerdiode 46 ist derart gewählt daß sie für niedrigere

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Spannungen des normalen Bearbeitungsfunkens nicht leitend ist daß sie jedoch ihre Leitfähigkeit erhält sobald Spannungen vorliegen, die höher als die Lichtbogenspannungen sind.

Unter der Annahme, daß die Gleichstromquelle 10 eine Spannung von 80 V aufweist kann die Lichtbogenspannung etwa 20 V betragen und die Zenerdiode bei 30 V in ihren leitenden Zustand gelangen. Ähnlich wie bei der in F ι g. 4 dargestellten Anordnung erreicht die am Kondensator auftretende Bezugsspannung einen bestimmten Wert wenn die Zenerdiode nicht innerhalb ω eines vorgegebenen Zeitraumes in ihren leitenden Zustand gebracht worden ist Wenn dies jedoch nicht eintritt wird innerhalb des Bearbeitungsspahes ein anormaler Betriebszustand festgestellt

Bei der Funkenerosionsmaschine mit Kondensatorentladungen treten an dem Bearbeitungsspalt keine Impulspausen auf. Demzufolge wird die Bezugszeit zur Feststellung eines anormalen Betriebszustandes relativ kurz festgelegt. Die Bezugszeit soll vorzugsweise lang

genug gewählt werden, um innerhalb dieses Zeitraumes das Auftreten einer Mehrzahl von beispielsweise 3 oder 5 exponential ansteigender Kurven 20 gemäß F i g. 2 zu ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Feststellung anormaler Betriebszustände bei Funkenerosionsmaschinen mit einem zwischen Bearbeitungselektrode und Werkstück vorhandenen Bearbeitungsspalt, bei welcher die Spannung am Bearbeitungsspalt innerhalb eines Bezugszeitintervalls mit einer Sollwertspannung verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein über einen einstellbarer. Widerstand (52) von einer Prüfgleichspannungsquelle (54) aufzuladender Kondensator (50) vorgesehen ist, daß der Kondensator (50) von der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors (48) überbrückt ist, dessen Basis-Emitter-Strecke über eine Zenerdiode (46) an die Spannung am Bearbeitungsspalt gelegt ist, und daß die Zeitkonstante der Entladung des Kondensators (50) ■aber den Transistor (48) wesentlich kleiner als die Zeitkonstante der Ladung des Kondensators (50) über den einstellbaren Widerstand (52) ist