DE2125749B2

DE2125749B2 - Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbogen

Info

Publication number: DE2125749B2
Application number: DE2125749A
Authority: DE
Inventors: Ernst Frederik Avenarius; Jasper Anton Van Utrecht Best; Jan Willem De Zeeuw
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-05-25
Publication date: 1980-01-31
Also published as: CH530843A; FR2099228A5; DE2125749A1; CA941463A; US3746930A; NL7008914A; DE2125749C3; GB1334600A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbogen im Arbeitsspalt bei Funkenerosionsbearbeitung.

Bei der Materialabtragung der Funkenerosion bilden sich manchmal Lichtbogen statt regelmäßiger Funken, wodurch das Werkstück und die Werkzeugelektrode beschädigt werden.

Der zeitliche Verlauf des Spannungsimpulses zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode bei Lichtbogen ist von dem bei Funken verschieden. Außerdem sind die Werte von Strömen und Spannungen im Arbeitsspalt für Lichtbogen und Funken voneinander verschieden. Lichtbogen lassen sich mt Hilfe von Deteklorsystemen erkennen, deren Wirkung sich auf diese physikalischen Erscheinungen gründet. Die Parameter derartiger Detektorsysteme sind aber von der Einstellung der die Entladungsimpulse liefernden Speisequelle und von dem Material des Werkstückes und der Werkzeugelektrode abhängig. Diese Detektorsysteme sind daher stark an den speziellen Funkenerosionsvorgang, für den sie entworfen sind, gebunden, so daß sie nicht allgemein brauchbar sind. Es ist bekannt, daß bei Funkenentladungen die Spannung am Arbeitsspalt eine HF-Geräusrhkompo-

nente aufweist (Schriftenreihe Feinbearbeitung, Heft 39, Eckhard »Elektroerosive Metallbearbeitung«, Seite 12). Außerdem ist es bekannt, das Vorhandensein bzw. Schwinden einer Wechselstromkomponente höherer Frequenz auf der Spannung am

:5 Arbeitsspalt als Kriterium für gute bzw. entartete Entladungen auszunutzen (CH-PS 336137).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbogen im Arbeitsspalt bei Funkenerosionsbearbeitung zu schaffen, die unabhängig vom speziellen Bearbeitungsfall und von der Einstellung der Speisequelle zuverlässig arbeitet. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt an den Eingangsklemmen einer Rauschdetektorschaltung angeschlossen ist, daß die Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung mit dem Eingangskreis einer Diskriminatorschaltung verbunden sind, an welchen auch eine Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, und daß eine logische Schaltung vorgesehen ist,

jo deren Eingangsklemmen Signale zugeführt werden, die der Spannung über bzw. dem Strom in dem Arbeitsspalt entsprechen und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Rausehdetektorschaltung verbunden sind.

J5 In dieser Vorrichtung wird zur Lichtbogenerkennung eine an sich bekannte physikalische Eigenschaft von Lichtbogen benutzt, und zwar das Verschwinden der Hochfrequenzrauschkomponente der Spannung über dem Arbeitsspalt sofort beim Auftreten von Lichtbogen. In der Diskriminal.^fchaltung wird die Rauschspannung mit einer Bezugsspannung verglichen. Die Ausgangsspannung der Diskriminatorschaltung gibt aber noch keine eindeutige Anzeige über das Auftreten von Lichtbogen.

v> Um einen Lichtbogen erkennen zu können, muß beim Fehlen der Rauschspannung festgestellt werden, ob Strom oder Spannung im Arbeitsspalt vorhanden ist. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung eine logische Schaltung, deren Eingangsklemmen Signale

vi zugeführt werden, die Spannung und Strom im Arbeitsspalt anzeigen und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung verbunden sind.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsge-

,■-, mäßen Vorrichtung ist zwischen den Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung ein Schalter angebracht, dessen Steuerkreis mit den Ausgangsklemmen der logischen Schaltung verbunden ist. Dadurch kann verhindert werden, daß bei kleinen Intervallzeiten die erkannten Rauschspannungsimpulse zueinander addiert werden und daß die Einschaltimpulse der Speisequelie weitergeleitet werden.

Vorzugsweise ist die Diskriminatorschaltung ein Operationsverstärker, dessen eine Eingangsklemme

mit einer Ausgangsklemme der Rauschdetektorschaltung und dessen andere Eingangsklemme mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Dadurch läßt sich eine genaue und von der Temperatur unabhän-

gige Detektionsschwelle erhalten,

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann einen Teil einer Schutzschaltung zum Unterdrücken von Lichtbogen in einer Funkenerosionseinrichtung bilden. Dabei können die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Impulszählvorrichtung verbunden sein. Nach dem Auftreten einer gewissen Anzahl von Impulsen in einem bestimmten Zeitintervall kann der Impulszähler ein Signal abgeben, wodurch z. B. dL· Speisequelle und der Arbeitsspalt ent- >o koppelt werden. Auch können die von der Diskriminatorschaltung abgegebenen Impulse einem integrierenden Netzwerk zugeführt und kann mit der Ausgangsspannung dieses Netzwerkes ein Relais, das die Speisequelle abschalten kann, gesteuert werden, is

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf der Spannung als Funktion der Zeit zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück bei Funkenentladungen,

Fig. 2 eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer logischen Schaltung,

Fig. 3 die Weise, auf die bei kleinen Int-rvallzeiten die erkannten Rauschspannungsimpulse zueinander addiert werden können, und

Fig. 4 ein vollständiges Schaltbild einer praktischen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung. -

In Fig. 1 bezeichnet U_€ die Spannung der Werkzeugelektrode bei geerdetem Werkstück bei normalen Funkenentladungen. Die Zeit t ist als Abszisse aufgetragen. In dieser Figur sind:

die Zündzeit,

die Impulsdauer der von einem Impulsgenerator gelieferten Impulse,
: die Intervallzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen,

— i_o : die Funkenzeit,

+ t_inl : die Periodendauer,
die Abfallzeit.

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Statt regelmäßiger Funken über die ganze Erosionsoberfläche bilden sich manchmal Lichtbogen, vermutlich infolge einer Verschmutzung des Ionisationskanals durch von der Elektrode, dem Werkzeug oder dem Dielektrikum herrührende Teilchen, oder auch durch Kurzschlüsse der Weikzeugeiektrode und des Werkstückes. Dadurch zieht sich die Werkzeugelektrode etwas zurück, wonach dann wieder Funken- oder Lichtbogenbildung auftritt. Das Werkstück und ί<> die Werkzeugelektroci; sind dann aber bereits schwer beschädigt.

Die gi'ngigen Vorrichtungen zur Lichtbogenerkennung weisen den Nachteil auf, daß sie nur bei einer bestimmten Einstellung der Speisequelle und bei bestimmten Materialien der Werkzeugelektrode und des Werkzeugstückes brauchbar sind. Nach der Erfindung wird die Tatsache benutzt, daß die bei Funkenentladung auftretende Rauschspannung bei Bogenentladungen fehlt. Das Detektionsverfahren, dem die Mes- e>o sung von Rauschen zugrunde liegt, weist keinen der vorerwähnten Nachteile auf.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung nach der Erfindung. In dieser Figur bezeichnet E eine Werkzeugelektrode und W eine Werkstück. Ein Impulsgenerator G er- bs zeugt Entladungen zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Elektrodenspannung ein Hochfrequenzrauschen überlagert, wenn die Entladungen Funkenentladungen sind, Wenn jedoch BogenenUadungen auftreten, ist das Hochfrequenzrauschen verschwunden, In einer Rauschdetektorschaltung wird die etwa vorhandene Rauschspannung durch ein differenzierendes Netzwerk i?₍ C₁ von der Elektrodenspannung getrennt. Die Rauschspannung wird von einer Diode O, gleichgerichtet. Ober einem Belastungswiderstand K₂ erscheinen Spannungsimpulse.

Zur weiteren Verarbeitung der über dem Widerstand R₂ auftretenden Spannung wird eine Diskriminatorschalrung verwendet. Die über dem Widerstand R₂ auftretende Spannung wird einem der Eingänge der Diskriminatorschaltung zugeführt und in dieser Schaltung mit der von einer Bezugsspannungsquelle V_ref herrührenden Spannung verglichen. Die Diskriminatorschaltung gibt nur dann einen Ausgangsimpuls ab, wenn der über A₂ erscheinende Spannungsimpuls einen bestimmten Mindestwert aufweist.

Für die Diskriminatorschaltung könnte ein Transistor mit einer bestimmten Vorsrnnnung verwendet werden. Ein derartiger Mindestwcrtdetektor hat jedoch die folgenden Nachteile:

- große Temperaturempfindlichkeit,

- eine Änderung des Niveaus führt auch eine Änderung der Gleichstromeinstellung des Transistors und somit auch der Verstärkung und der Dynamik herbei,

- die Detektionsschwelle wird durch die I_b-V_he-Kennlinie des Transistors bestimmt und weist eine unzureichende Schärfe auf. Bei Anwendung eines Operationsverstärkers als Diskriminatorschaltung werden die erwähnten Nachteile vermieden.

Die vom Operationsverstärker V weitergeleiteten Impulse werden von der Diode D₂ gleichgerichtet und können z. B. mit Hilfe eines Voltmeters M angezeigt werden.

Um einen Lichtbogen erkennen zu können, muß festgestellt werden, ob beim Vorhandensein von Strom und Spannung Rauschen fehlt. Zu diesem Z-'eck ist in die Vorrichtung eine logische Schaltung L. aufgenommen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Schaltung hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Dem mit u bezeichneten Eingang wird ein der Spannung entsprechendes, und dem mit / bezeichneten Eingang ein dem Strom zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück entsprechendes Signal zugeführt. Über dem Ausgang der logischen Schaltung steht stets eine positive Spannung, es sei denn, daß die beiden Eingangsspannungen von null verschieden sind, d.h. wenn der Strom und die Spannung zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode beide nicht gleich null sind.

Der Ausgang der logischen Schaltung ist mit demjenigen Eingang des Operationsverstärkers V verbunden, dem auch die Spannung über dem Widerstand A₂ zugeführt wird. Der Operationsverstärker wird nur dann Ausgangsimpulse abgeben, wenn die Summe der Spar nung über A₂ und der von der logischen Schaltung abgegebenen Spannung unter einen bestimmten Wert absinkt; mit anderen Worten, wenn sowohl Strom als auch Spannung zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode vorhanden ist und außerdem Rauschen fehlt.

Bei kleinen Inturvallzeiten zwischen den Impulsen ergibt sich wegen des Vorhandenseins der Streukapazität C₂ die Möglichkeit, daß zu einem Impuls ein Teil

des vorangehenden Impulses addiert wird (sog. »pile-up«-Effekt). Dies ist in Fig. 3, in der die Zeit t als Abszisse und die Spannung über dem Widerstand A₂ als Ordinate aufgetragen sind, veranschaulicht. In Fig. 3a sind die Impulse an der Werkzeugelektrode dargestellt; Fig. 3b zeigt, wie die erkannten Impulse (d. n. die Impulse über dem Widerstand R₂) zueinander addiert werden. Durch das Addieren der Impulse bleibt die Spannung über dem Widerstand R₁ größer als die mit der gestrichelten Linie D angedeutete Detektionsschwelle. Infolge des »pile-up«-Effekts wird der im Zeitintervall I₁-I₂ auftretende Lichtbogen nicht erkannt.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 wird »pile-up« durch die Anwendung eines schnell wirkenden linearen Tores in Form eines npn-Transistors T₁ in gemeinsamer Emitterschaltung ohne feste Kollektorspannung vermieden. Die Basis des Transistors T₁ ist mit dem Atisoano der Inokchen Schaltuno /. verhiinden. Wenn nicht sowohl Strom als auch Spannung im Arbeitsspalt besteht, ist die logische Ausgangs-Spannung der logischen Schaltung und somit auch die Basis des Transistors T₁ positiv, so daß jedes positive Signal am Kollektor des Transistors T₁ kurzgeschlossen wird. Beim Vorhandensein sowohl eines Stromes als auch einer Spannung im Arbeitsspalt ist die Basisspannung des Transistors T₁ gleich null, so daß dieser gesperrt ist und das Signal weitergeleitet wird. Die Streukapazität C₂ wird nach jedem Funken in einigen Nanosekunden entladen. In Fig. 3c sind die Impulse über dem Widerstand A₂ dargestellt für den Fall, daß der Transistor T₁ vorhanden ist. Im Zeitintervall t-i₂ liegt die Spannung unterhalb der Detektionsschwelle D; der in diesem Zeitintervall auft'etende Lichtbogen kann nun erkannt werden.

Ein zusätzlicher Vorteil des linearen Tores ist der, daß es die Einschaltimpulse des Impulsgenerators kurzschließt. Die Frequenzen dieser Einschaltimpulse liegen innerhalb des Frequenzbereiches des Rauschens, so daß die Einschaltimpulse ohne Anwendung des linearen Tores als Rauschen wahrgenommen würden.

Die Kombination der logischen Schaltung und des Schaltungselements T₁ der Vorrichtung nach Fig. 2 kann naturgemäß durch eine Kombination einer anderen logischen Schaltung und eines anderen linearen Tores ersetzt werden, vorausgesetzt, daß diese Kombination derart gewählt wird, daß die Streukapazität C₂ entladen wird, wenn nicht sowohl Strom als auch Spannung zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück von null verschieden sind.

Die vom Operationsverstärker gelieferten Impulse können einer nicht dargestellten Impulszählvorrichtung zugeführt werden, die ihrerseits mit einer Schutzschaltung verbunden sein kann, derart, daß die Verb.ndung zwischen der Speisequelle und dem Arbeitsspalt unterbrochen wird, wenn die Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit einen gewissen Wert überschreitet. Auch kann die vom Operationsverstärker gelieferte Spannung integriert werden (siehe Fig. 2). Die integrierte Spannung (die Spannung über dem Kondensator C₃) kann dann zum Schalten eines Relais verwendet werden. Dieses Relais kann seinerseits einen Teil einer Schutzschaltung der Funkenerosionseinrichtung bilden.

Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Relais. Fi g. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Relais. Um eine größere Erregung des Relais R zu erzie-

len, kann dieses Relais in den Ausgangskreis eines Verstärkers aufgenommen werden. In Fig. 4 besteht der Verstärker aus einem Transistor T₂. Natürlich können auch mehrere Transistoren in Reihe geschaltet oder auch andere Verstärkerelemente verwendet werden.

Dadurch, daß die Steuerspannung über ein Potentiometer R dem Verstärkerelement zugeführt wird, kann das Niveau, auf dem das Relais anzieht, eingestellt werden.

Zwei anti-parallel geschaltete Dioden D_i und D_t dienen zur Vermeidung hoher Spannungsspitzen. Ein Reihenwiderstand R_b begrenzt den Spitzenstrom.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 wird am Anfang der ZUndzeit der Kondensator C. über den Wider-

-Ί' stand R₁ aufgeladen. Dadurch kann ein Spitzenstrom von einigen Ampere zu fließen anfangen, wodurch die logische Schaltung eine Ausgangsspannung von 0 V aufweist, so daß der Transistor T₁ gesperrt und das Signal weitergeleitet wird. Dies kann dadurch verhin dert werden, daß der Spitzenstrom auf einen Wert un terhalb der Wahrnehmungsschwelle der logischen Schaltung herabgesetzt wird. Dies wird dadurch erzielt, daß der Widerstand A₁ fortgelassen, der Widerstand R₆ vergrößert und der Kondensator C₁ angepaßt

in werden. Eine Vergrößerung des Widerstandes R_f führt infolge der Diodenstreukapazitäten eine Herabsetzung des Detektionswirkvngsgrades herbei. Es wird eine Zwischenlösung gewählt, indem der Widerstand R₆ nicht geändert, aber der Kondensator C₁ (die

)5 Zeitkonstante) um einen Faktor 10 herabgesetzt wird Die Zeit, in der der Strom die Detektionsschwelle der logischen Schaltung überschreitet, wird dann derart kurz, daß die logische Schaltung nicht mehr auf der obenerwähnten Spitzenstrom anspricht.

■to Wenn nicht sowohl Strom als auch Spannung im Arbeitsspalt vorhanden ist, liefert die logische Schaltung eine positive Ausgangsspannung. Die Streukapazität C₂ würde dann aufgeladen werden, wodurch die Detektionsschwelle um die Spannung der Streu kapazität über der Streukapazität C₂ erhöht wird. Dies kann dadurch vermieden werden, daß eine zusätzliche Diode D₅ angeordnet wird.

Die zu der Zenerdiode D₁ parallelgeschaltete Diode D₆ muß verhindern, daß negative Spannunger über dem Meßgerät M auftreten.

Die vom Operationsverstärker V weitergeleiteter Impulse werden von der Diode D₂ gleichgerichtet und von dem Widerstand R₉ und dem Kondensator C₁ integriert.

In einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 4 wiesen die Wideretände folgende Werte auf: A₂ = 10 kQ, A₃ = 0,1 Q, R₄ = 3,9 kQ, A₅ = 3,9 kQ, R₆ = 68 Ω, A₇ = 100 Q, R_s = 100 Ω, Ä, = 680 Q, A₁₀ = 10 kQ, während das Potentiometei

R einen Wert von 10 kQ hatte. Die Kapazitäten dei Kondensatoren betrugen C₁ = 47 pF, C₃ = 0,1 uF C₄ = 1 uF. Die Dioden D₁, D₁, D₅ und D₆ warer Germaniumdioden vom Typ OA 90. Die Dioden D und D₄ waren Siliciumdioden. Die Zenerspannunj

der Zenerdiode D_z betrug 5,3 V. Die npn-Transistoren T, und T, waren vom Typ MM 71 bzw. BC 109

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbogen im Arbeitsspalt bei Funkenerosionsbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt an den Eingangsklemmen einer Rauschdetektorschaltung angeschlossen ist, daß die Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung mit dem Eingangskreis einer Diskriminatorschaltung verbunden sind, an welchen auch eine Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, und daß eine logische Schaltung (L) vorgesehen ist, deren Eingangsklemmen Signale zugeführt werden, die der Spannung über bzw. dem Strom in den Arbeitsrpalt entsprechen und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung ein Schalter (T₁) angebracht ist, dessen Steuerkreis mit den Ausgangsklemmen der logischen Schaltung verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorschaltung ein Operationsverstärker ( V) ist, dessen eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme der Rauschdetektorschaltung und dessen andere Eingangsklemme mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist.

4. Schutzschaltung zum Unterdrücken von Lichtbogen während einfi Funkenerosionsvorgangs mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dad«-ch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Schaltvorrichtung für die Speisequelle verbunden sind.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Impulszählvorrichtung verbunden sind.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit dem Eingangskreis eines integrierten Netzwerkes verbunden sind, in dessen Ausgangskreis ein Relais (/?) aufgenommen ist.