DE2547767A1

DE2547767A1 - Generator zur funkenerosiven metallbearbeitung

Info

Publication number: DE2547767A1
Application number: DE19752547767
Authority: DE
Inventors: Ernst Buehler; Werner Dr Ullmann
Original assignee: Agie Charmilles SA
Current assignee: Agie Charmilles SA
Priority date: 1975-06-17
Filing date: 1975-10-24
Publication date: 1976-12-23
Also published as: SE419418B; DE2547767B2; BR7600056A; FR2314801A1; FR2314801B1; IT1055126B; SE7512371L; CH591920A5; DE2547767C3

Description

A.G. für industrielle Elektronik Losone

AGIE Losone bei Locarno Schweiz

Generator zur funkenerosiven Metallbearbeitung

Die Erfindung betrifft einen Generator für die funkenerosive Metallbearbeitung, welcher Generator die Amplitude, die Repetitionsfrequenz, das Tastverhältnis und die Form der am Arbeitsspalt anliegenden Arbeitsimpulse steuert.

Für die funkenerosive Metallbearbeitung wird neben der Steuerbarkeit der Arbeitsimpulse nach zeitlicher Dauer, Tastverhältnis, Wiederholungsfrequenz und Amplitude auch die Form des Arbeitsimpulses als einstellbar angestrebt. Die Bedeutung der Form der Arbeitsimpulse einschliesslich der Zeit für die Anstiegsflanke und Abfallflanke des Arbeitsimpulses hat man seit einiger Zeit erkannt und daher verschiedene Generatortypen entwickelt.

Die Formgebung der Arbeitsimpulse durch die alten Relaxationsgeneratoren (LC/RLC Generatoren) war beschränkt durch die Bauelemente. Es wurde nur mit sinusförmigen oder sinusformähnlichen Arbeitsimpulsen erodiert. Durch die Einführung des Leistungstransistors bei den neuen Generatoren wurde mit rechteckförmigen Arbeitsimpulsen erodiert. Die neuen Generatoren waren auch nicht in der Lage die Formen der Arbeitsimpulse zu ändern und

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zu steuern. Man hat daher einen alten und einen neuen Generator kombiniert. Diese in der DT-OS 2 320 702 beschriebene Generatorkombination enthält ausser dem elektroerosiven Stromkreis eine Induktivität für die Formgebung des Arbeitsimpulses. Die Formgebung ist abhängig von der Zeitkonstante der Induktivität. Daher besteht keine Variationsmöglichkeit zu einer gezielten Formgebung für verschiedene Typen von Erodierarbeiten.

Man versuchte auch eine grosse Anzahl von neuen Transistor-Generatoren sequentiell zu verbinden um hierdurch einen Arbeitsimpuls zusammensetzen zu können aus den Impulsen der vielen Generatoren. Diese in der US-PS 3 655 937 (BE 13378) beschriebene Anordnung von einer grossen Anzahl Generatoren hat ebenfalls eine beschränkte Variationsmöglichkeit für eine gezielte Formgebung für verschiedene Typen von Erosionsarbeiten·

Aufgabe der Erfindung ist, einen Generator zu konzipieren, der jede denkbare Formgebung eines Arbeitsimpulses gestattet, für spezifische Erosionsprozesse.

Ein Zweck der Erfindung ist auch darin zu sehen, einen Generator zu schaffen, der in sehr kurzer Zeit, d.h. in der Grössenordnung der Dauer eines Arbeitsimpules, die Form des Arbeitsimpulses ändern kann. Dies ist im Hinblick auf die jetzt entwickelten Optimierungs-Regelsysteme von Bedeutung. Solche Regelsysteme sind zum Beispiel beschrieben in der' US-PS 3 859 186 (BE 15 335), US-SN 401 185 (BE 15561), CH-Anm. 2110/75 (BE 16812). Die von diesen modernen Regelsystemen geforderte schnelle Aenderung der Arbeitsimpulse wird von den bekannten Generatoren nicht erfüllt. Die Erfindung bringt daher eine vorteilhafte Anpassung des Generators an diese modernen Regelsysteme, so dass nicht nur die Form des Arbeitsimpulses, sondern auch die anderen Parameter wie Amplitude, Repetitionsfrequenz, .Tastverhältnisse (duty factor) des Arbeitsimpulses innerhalb einer Periodendauer geändert werden

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können. Unter Periodendauer wird die Dauer des Arbeitsimpulses und der anschliessenden Pause verstanden.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Anordnung:

- eine erste Schaltungsexnrichtung erzeugt ein oberes Pegelsignal als maximale Hüllkurve und ein unteres Pegelsignal als minimale Hüllkurve, welche Hüllkurven die Amplitude, die Repetitionsfrequenz, das Tastverhältnis und die Form des gewünschten Arbeitsimpulses darstellen;

- eine zweite Schaltungseinrichtung vergleicht das als Pegelsignale empfangene Hüllkurvenpaar mit dem Stromzustand im eine Energiequelle und den Arbeitsspalt enthaltenden, funkenerosiven Stromkreis, der Leitungen mit bestimmten Kenndaten aufweist, und gibt das Vergleichsergebnis als Ausgangssignal zu einer nachfolgenden, dritten Schaltungsexnrichtung;

- die dritte Schaltungsexnrichtung schliesst mittels dem Schaltelement die im funkenerosiven Stromkreis vorgesehene Energiequelle an den Arbeitsspalt oder trennt die Energiequelle vom Arbeitsspalt in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses der zweiten Schaltungsexnrichtung, so dass infolge der bestimmten Kenndaten der Leitungen ein Arbeitsimpuls am Arbeitsspalt entsprechend dem Hüllkurvenpaar entsteht;

- eine Diode ist parallel zur Energiequelle und dem Schaltelement angeordnet, so dass nach dem Trennen der Energiequelle vom Arbeitsspalt der Stromzustand im funkenerosiven Stromkreis entsprechend den gewählten Kenndaten der Leitungen eine bestimmte Zeit andauert.

Durch diese erfindungsgemässe Anordnung sind Spannung und Strom des Arbeitsimpulses am Arbeitsspalt nicht mehr abhängig von den Schwankungen der Speisespannung für den gesamten Generator und

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der Brennspannung am Arbeitsspalt. Hierdurch ergibt sich eine bessere Konstanthaltung der Energie. Infolge dieser Unabhänigkeit des Arbeitsimpulses steigt sein Strom nicht an, wenn im Arbeitsspalt Kurzschluss herrscht. Die Verlustleistung der Leistungsschalter, welche steuerbare Halbleiter, z.B. Transistoren, sind und welche die Arbeitsimpulse im funkenerosiven Stromkreis einschalten und ausschalten, steigt im Kurzschlussfall nicht an. Daher verringert sich im Kurzschlussfall die vom Generator aufgenommene Leistung. Dies wirkt sich günstig auf die Dimensionierung der Leistungsschalter aus.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Generator in Blockdarstellung;

Fig. 2a, 2b, 2c beispielsweise Formen von Küll-

kurven;

Fig. 3, 4, 5 weitere Ausführungsbeispiele des

Generators in Blockdarstellung;

Fig. 6 eine detaillierte Darstellung

eines Teils des Generators;

Fig. 7, 8 die Darstellung einer besonderen

Schaltungsanordnung, für den Generator;

Fig. 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f Formen von Arbeitsimpulsen für

besondere Typen von Erosionsprozessen.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Schaltungseinrichtung 1 zum Erzeugen eines oberen Pegelsignals als maximale Hüllkurve 16

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und eines unteren Pegelsignals als minimale Hüllkurve 17. Die beiden Hüllkurven bzw. Grenzkurven repräsentieren den Bereich, in welchem die Amplitude, die Wiederholungsfrequenz, das Tastverhältnis- und die Form des gewünschten Arbeitsimpulses am Arbeitsspalt 9 liegt. An der ersten Schaltungseinrichtung 1 wird das gewünschte Hüllkurvenpaar 16, 17 eingestellt. Die erste Schaltungseinrichtung kann ein oder mehrere Signalerzeuger oder ein Rechner sein. Mit einem Signalerzeuger kann man einige bestimmte Kurventypen, die häufig für die Funkenerosion verwendet werden, einstellen und das Hüllkurvenpaar 16, 17 erzeugen. Solche Signalerzeuger sind im Handbuch "Linear Applications", second Edition, August 1973, National, auf den Seiten AN 7218 bis AN 7224 ausführlich beschrieben. Mit einem Rechner kann man alle nur denkbaren Kurventypen einstellen und somit alle möglichen Hüllkurvenpaare erzeugen. Bei einem Rechner werden normalerweise die Kurven aus kleinen und kleinsten standardisierten Kurventeilchen zu jedem Typ zusammengesetzt.

In den Fig. 2a, 2b, 2c sind aus der unerschöpflichen Fülle von Kurventypen drei Beispiele dargestellt. Der Auswahl der elektrischen Parameter wie Amplitude, Wiederholungsfrequenz, Tastverhältnis und Form des Arbeitsimpulses am Arbeitsspalt 9, der von der Bearbeitungselektrode 91 und vom Werkstück 9 2 gebildet wird, wird nach Technologie-Entscheidungen getroffen. Mit diesen Angaben über den gewünschten Arbeitsimpuls kann die erste Schaltungseinrichtung 1 die beiden Hüllkurven 16 und 17 erzeugen, nachdem der Abstand zwischen den beiden 'Hüllkurven und somit der Bereich festgelegt ist, in welchem der Arbeitsimpuls, der am Arbeitsspalt 9 angelegt werden soll, vorhanden sein darf. Die Hüllkurve 16 ist der obere bzw. maximale Pegel. Die andere Hüllkurve 17 ist der untere bzw. minimale Pegel. Wenn der Stromwert des Arbeitsimpulses am Arbeitsspalt 9 die maximale Hüllkurve 16 überschreitet oder die minimale Hüllkurve 17 unterschreitet, dann werden gemäss der Erfindung

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Manipulationen am funkenerosiven Stromkreis 4, 5, 6, 7, 8a, 8b, 9 durchgeführt. Diese Manipulationen, die später noch ausführlich.· besprochen werden, sorgen dafür, dass der Arbeitsimpuls im Bereich zwischen diesen Hüllkurven 16, 17 bleibt.

Die Fig. 2a zeigt ein Hüllkurvenpaar 16, 17 mit einem steilen Anstieg von z.B. 0 Volt bis zu 2 Volt Spannung. Dann ergibt sich ein sanfter Anstieg in Gestalt eines "durchhängenden Seils" von z.B. 2 Volt zu 10 Volt Spannung. Anschliessend folgt ein senkrechter Abfall. Der Arbeitsimpuls hat am Arbeitsspalt 9, der von der Bearbeitungselektrode 91 und vom Werkstück 92 gebildet wird, die gleiche Form wie das Hüllkurvenpaar 16, 17 der Fig. 2a. Die Arbeitsimpulse beinhalten sämtliche Parameter wie Stromform, Stromamplitude, Wiederholungsfrequenz und Tastverhältnis .

Es sei nun angenommen, dass der Arbeitsimpuls eine Stromform gemäss den Hüllkurven 16, 17 der Fig. 2a haben soll. Der gesamte Stromanstieg ("hängendes Seil") bringt den Vorteil, dass während des Durchschlags des Arbeitsimpulses zwischen der Bearbeitungselektrode 91 und dem Werkstück 92 im Arbeitsspalt 9 die Stromdichte = Stromstärke pro Flächeneinheit konstant bleibt. Dies liegt daran, dass während des Durchschlags die Fläche des Durchschlagskanals wächst. Anschliessend fällt der Strom des Arbeitsimpulses plötzlich ab. Eine solche Impulsform verbessert die Rauhigkeit der erodierten Oberflächen des Werkstücks 92.

Die Form des Hüllkurvenpaars 16, 17 der Fig. 2b zeigt eine ähnliche Anstiegsflanke wie in der Fig. 2a und eine Äbfallflanke, die bei speziellen Erosionsprozessen die physikalischen Verhältnisse im Arbeitsspalt 9 verbessert.

Das in der Fig. 2c gezeigte Hüllkurvenpaar 16, 17 zeigt eine " spezifische Anstiegsflanke zur Verbesserung der Energie der Entladung des Arbeitsimpulses im Arbeitsspalt 9.

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Anhand der Fig. 1 wird die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Generators näher erläutert. An der ersten Schaltungseinrichtung 1 werden die gewünschten elektrischen Parameter entweder von Hand durch die Bedienungsperson oder durch ein numerisches Steuersystem eingestellt, wie z.B. in den US-PS 3 731 043, US-PS 3 731 044, US-PS 3 731 045 (BE 13886, BE 13887, BE 139 89) beschrieben sind. Dies ist in der Fig. 1 durch den Anschluss 111 symbolisch dargestellt. An diesen Anschluss 111 können auch die bereits erwähnten Optimierungs-Regelsysteme der US-PS 3 859 186, US-SN- 401 185, CH-Anm. 2110/75 (BE 15335, BE 15561, BE 16812) angeschlossen werden. Die erste Schaltungseinrichtung 1 erzeugt nun die Hüllkurven. Es sei nun angenommen, dass das in der Figur 2a gezeigte Hüllkurvenpaar 16, 17 erzeugt wird. Auf der Ausgangsleitung 112 erscheint das obere Pegelsignal als maximale Hüllkurve 16. Auf der Ausgangsleitung 113 erscheint das unter Pegelsignal als minimale Hüllkurve 17. Diese beiden Pegelsignale gelangen in die zweite Schaltungseinrichtung 2. Ferner wird der Stromzustand des funkenerosiven Kreises 4, 5, 6, 7, 8a, 8b, 9 am Messfühler 7 abgegriffen und über Leitun< 21 in die zweite Schaltungseinrichtung 2 gegeben. Die zweite schaltungseinrichtuhg 2, welche normalerweise ein Komparator ist, vergleicht die Pegelsignale 16, 17 mit dem Stromzustand des funkenerosiven Kreises 4, 5, 6, 7, 8a, 8b, 9. Es sei angenommen, dass zu Beginn des Erosionsprozesses der Zustand im funkenerosiven Kreis Null ist. In diesem Fall erzeugt die zweite Schaltungseinrichtung 2 auf ihrer Ausgangsleitung 22 ein Ausgangssignal, welches die dritte Schaltungseinrichtung 3 veranlasst, über die Leitung 31 den Leistungschalter 4 zu schliessen. In der Fig. 1 ist nur ein Schalter gezeichnet worden, da mit der Erfindung auch nur ein einziger Leistungsschalter vollkommen genügt. Selbstverständlich können auch viele dieser Leistungsschalter, die als steuerbare Halbleiter, z.B. Transistoren ausgebildet sind, verwendet werden, so dass ein Multi-Kanal-Generator für die Versorgung von mehreren Bearbeitungselektroden 91 entsteht. Der geschlossene bzw. durchgeschaltete Halbleiter 4 verbindet die Stromquelle 5 mit dem funkenerosiven Kreis.

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Hierdurch baut sich ein Stromzustand im funkenerosiven Kreis auf, dessen Aenderungsgeschwindigkeit durch die bestimmten Kenndaten (z.B. Induktivität und Kapazität) der Leitungen 8a, 8b begrenzt ist. Die Leitungen 8a, 8b haben in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Induktivität im Bereich von 0,5 /jH - 3 ΛΐΗ und eine Kapazität von 0,2 nF - 10 nF. Selbstverständlich können auch andere Bereiche für ähnliche Ausführungsbeispiele nützlich sein. An dem Messfühler oder Detektor 7, der im Beispiel der Fig. 1 ein Widerstand sein kann, wird der Stromzustand im funkenerosiven Kreis detektiert. Das Signal welches diesen Stromzustand repräsentiert, gelangt über Leitung 21 in den dritten Eingang der zweiten Schaltungseinrichtung 2. Dort wird dies Zustandssignal mit den beiden Pegelsignalen der Leitungen 113, 114, welche die beiden Hüllkurven 16, 17 darstellen, verglichen. Wenn das Zustandssignal im Bereich zwischen den beiden Hüllkurven liegt, bleibt das Ausgangssignal der zweiten Schaltungseinrichtung 2 auf der Leitung 22 unverändert, so dass über die dritte Schaltungseinrichtung 3 und Leitung die Leistungsschalter 4 geschlossen, oder anders ausgedrückt, im durchgeschalteten Zustand bleiben. Wenn das Zustandssignal der Leitung 21 höher ist als das obere Pegelsignal der Leitung 112, welches die maximale Hüllkurve 16 darstellt, verschwindet das Signal der Leitungen 22 und 31. Die Leistungschalter 4 werden geöffnet, oder anders ausgedrückt, blockiert. Hierdurch wird die Stromquelle 5 vom funkenerosiven Kreis getrennt. Der Strom in diesem Kreis kann trotz der geöffneten, bzw. blockierten Leistungsschalter 4 über die Diode 6 infolge der geringen Induktivität, welche die Leitungen 8a, 8b bilden., eine kurze Zeit mit gegen den Viert Null gehenden Betrag weiterfHessen. Wenn das Zustandssignal der Leitung 21 unterhalb des unteren Pegelsignals der Leitung 113, das die minimale Hüllkurve 17 darstellt, sinkt, gibt die zweite Schaltungseinrichtung 2 ein Ausgangssignal auf die Leitung 22. Die dritte Schaltungseinrichtung 3 gibt ein Signal auf die Leitung 31, so dass die Leistungsschalter 4 geschlossen, bzw. durchgeschaltet sind.

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Die Quelle 5 wird in den funkenerosiven Kreis eingeschaltet. Durch diese beschriebenen Vorgänge wird erreicht, dass der Stromzustand im funkenerosiven Kreis 5, 7, 8a, 8b, 9 im gewünschten Bereich der beiden Pegelsignale bzw. der beiden Hüllkurven 16, 17 bleibt. Dies ergibt einen Arbeitsimpuls am Arbeitsspalt 9, der genau dem Hüllkurvenpaar 16, 17 entspricht. Der Vergleich zwischen dem Zustandssignal der Leitung 22 und der Pegelsignale der Leitungen 112, 113 erfolgt kontinuierlich. Die elektrischen Parameter wie Amplitude, Wiederholungsfrequenz, Tastverhältnis (duty factor) und die Form der Arbeitsimpulse entsprechen daher genau den, in der ersten Schaltungseinrichtung 1 vorgegebenen Parametern. Wie bereits erwähnt, können am Eingang 11 der ersten Schaltungseinrichtung 1 nicht nur automatische, numerische Steuersysteme sondern auch Optimierungssysteme angeschlossen werden. Besonders bei den modernen Optimierungssystemen müssen die elektrischen Parameter der Arbeitsimpulse sehr schnell geändert werden, wenn eine Tendenz zu einer Entartung der physikalischen Zustände im Arbeitsspalt 9 festgestellt wird. Diese schnelle Aenderung muss während der Dauer eines Arbeitsimpulses durchgeführt werden können, was mit den bekannten Erosionsgeneratoren nicht bewerkstelligt werden konnte. Bei dem erfindungsgemässen Generator ist diese schnelle Aenderung ohne weiteres möglich. Mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. können die Hüllkurvenpaare 16, 17 während der kurzen Zeitdauer eines Arbeitsimpulsesz.B. von der Form der Fig. 2a in die Form der Fig. 2b oder 2c geändert werden. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass mit dem erfindungsgemässen Generator der Fig. 1 nicht nur die speziellen Formen der Figuren 2a, 2b, 2c, sondern sämtliche möglichen, auch die bereits bekannten, Formen der Arbeitsimpulse erzeugt werden können. Dies wird im Zusammenhang mit der Fig. 5 näher erläutert.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt eine Zusatzvorrichtung 10, 11, 12, 13, welche Zündimpulse zum Durchschlagen des Arbeitsspaltes 9 liefert. Diese Zusatzvorrichtung wird an den

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Klemmen 114 in Serie in den funkenerosiven Kreis 5, 6, 7, 8a, 8b,

9 eingefügt, wenn bei extrem breitem Arbeitsspalt 9 erodiert werden soll oder wenn die Quelle 5 nicht ausreichend sein sollte. Die Zündimpulse werden meistens dem Anfangsteil des Arbeitsimpulses überlagert. Dies erfolgt durch den Transistor 11, der über die Synchronisationseinrichtung 13 im richtigen Zeitpunkt die Spannungsquelle 12 einschaltet. Eine Nebenschluss-Diode

10 ist vorgesehen, damit der Strom im funkenerosiven Kreis 4, 5, 6, 7, 8a, 8b, 9 fliessen kann, wenn die Leistungsschalter 4 geöffnet werden, bzw. in den nichtleitenden Zustand gebracht werden. Dies ist im Zusammenhang mit der Figur 1 ausführlich beschrieben worden. Die übrigen Bauelemente der Fig. 3 entsprechen in jeder Hinsicht der Fig. 1,. so dass an dieser Stelle nicht näher auf diese Bauelemente eingegangen wird. Es sei noch darauf hingewiesen, das das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 prinzipiell sämtliche Formen von Arbeitsimpulsen auch mit besonderen Zündimpulsen erzeugen kann. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird nur in den beiden Ausnahmefällen der zu kleinen Spannung der Quelle 5 und bei extrem breitem Arbeitsspalt 9 verwendet.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zeigt die Ueberlagerung eines Zündimpulses auf einen Teil des Arbeitsimpulses. Die Zusatzvorrichtung 10, 11, 12, 13, die aus den gleichen Bauelementen besteht, ist an den Klemmen 114 parallel in den funkenerosiven Kreis 5, 6, 7, 8a, 8b, 9 angeordnet. Die Anordnung der Fig. 4 wird ebenfalls nur in den beiden sehr seltenen Ausnahmefällen verwendet, wenn die Quelle 5 eine zu kleine Spannung hat und wenn mit extrem breitem Arbeitsspalt 9 erodiert werden soll.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Generators mit sogenannter Schnellabschaltung gezeichnet. Dies ist notwendig, wenn gemäss Hüllkurven 16, eine senkrecht abfallende Abfallflanke oder Teile davon wie

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z.B. in den Figuren 2a, 2b verlangt wird. Die Steilheit der Abfallflanke des Arbeitsimpulses soll in diesem extremen Fall grosser sein als die Induktivität und Kapazität der Leitungen 8a und 8b es erlauben. In diesem Fall wird das Schaltelement 160 das ein Transistor sein kann, über die Leitung 161 in Synchronismus zu dem Schaltzustand der Leistungsschalter 4 gesteuert. Die Schnellabschaltung erfolgt durch Oeffnen bzw. durch den nichtleitenden Zustand des Transistors 160. Hierdurch wird die in den Leitungen 8a, 8b gespeicherte Energie sehr schnell in den Energiespeicher 15 umgeladen, so dass der Arbeitsimpuls die gewünschte steile Abfallflanke genau nach Vorschrift der Hüllkurven 16, 17 bekommt. Die Synchronisation zwischen dem Transistor 160 und dem Leistungsschalter 4 wird durch die erste Schaltungseinrichtung 1 gesteuert. Wenn in der ersten Schaltungseinrichtung 1 die Information vorliegt, dass eine Schnellabschaltung des am Arbeitsspalt 9 anliegenden Arbeitsimpulses erforderlich ist, wird ein Schnellabschalter-Signal erzeugt und über die Leitung 116 auf eine weitere, dritte Schaltungseinrichtung 3a gegeben. Diese Schaltungseinrichtung 3a gibt über Leitung 161 ein Signal auf die Basis des Transistors 160, welcher sofort geöffnet bzw. in den nichtleitenden Zustand gebracht wird. Die Umladung der Energie des funkenerosiven Stromkreises in den Energiespeicher 15 erfolgt sofort, so dass der Stromzustand im funkenerosiven Kreis gegen den Wert Null sinkt. Im übrigen ist die Wirkungsweise der Fig. 5 gleich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, so dass an dieser Stelle nicht mehr weiter auf diese gleichen Bauelemente eingegangen wird.

In der Fig. 6 sind die zweite und dritte Schaltungseinrichtung 2, 3 im Detail dargestellt. Die nicht gezeichnete erste Schaltungseinrichtung 1 gibt über die Leitungen 112 und 113 das obere Pegelsignal als maximale Hüllkurve 16 und das untere Pegelsignal als minimale Hüllkurve 17. Ueber die Leitungs 21 gelangt das Zustandsignal vom Detektor 7 ebenfalls in die zweite Schaltungseinrichtung. Die Fig. 6 zeigt, dass die Leitung 112 (maximale Hüllkurve 16J na^if jjein/eii pEiagang eines Komparators 23, und

ORIGINAL INSPECTED

die Leitung 21 (Zustand des funkenerosiven Kreises) auf den nächsten Eingang des gleichen Komparators 23 angeschlossen sind. Die Leitung 113 (minimale Hüllkurve) wird mit dem einen Eingang eines zweiten Komparators 24, und die Leitung 21 mit dem nächsten Eingang des gleichen Komparators verbunden. In diesen beiden Komparatoren werden die Signale miteinander verglichen. Bei Unterschreiten der minimalen Hüllkurve 17 der Leitung gibt der Komparator 24 über seiner Ausgangsleitung 241 ein Signal auf die nachfolgende bistabile Kippstufe 25. Hierdurch wird diese Kippstufe in ihren einen Zustand gesetzt. Dies ergibt ein Signal auf der Ausgangsleitung 22, welches über die beiden Dioden D,, D auf den Transistor Tr₁ gelangt. Dieser Transistor verstärkt das Signal und bringt es auf ein geeignetes Spannungsniveau, um hierdurch die nachfolgenden Transistoren Tr„, Tr , welche als Komplementärstromquelle geschaltet sind, zu steuern. Diese Komplementärstromquelle Tr , Tr ermöglicht eine grosse Variation der Speisespannungen, welche an den Klemmen 32, 33 angelegt werden. Dieser vorteilhafte grosse Aenderungs-Bereich der Speisespannung ergibt sich dadurch, da ein vom Widerstand R_c eingeprägter Strom auf das Basis-Netzwerk der Widerstände R_c, R₀, R und des Kondensators C, des Transistors Tr. und

J O XU _L 4

der von R_fi eingeprägte Strom ebenfalls auf das Basis-Netzwerk der Widerstände R., R_, R_ und des Kondensators C_ des Transistors Tr gegeben wird. Durch diese besondere Anordnung sind die Basis-Signale, welche auf die Transistoren Tr. und Tr gegeben werden, von der Speisespannung an den Klemmen 32, 33 in jeder Beziehung unabhängig. Ferner erlaubt die-Emitter-Komplementärschaltung der beiden Transistoren Tr , Tr₁. bei hohem Strom die Verluste in diesen Transistoren auf einem Minimum zu halten. Die Anordnung der dritten Schaltungseinrichtung 3 erlaubt hohe Ströme der Ausgangssignale auf der Ausgangsleitung 31 bei hoher Schaltgeschwindigkeit und gutem Wirkungsgrad zu geben. Das Signal, welches auf der Leitung 22 auf den Transistor Tr₁ gegeben worden ist, wird verstärkt und mit hoher Geschwindigkeit auf die Leitung 31 zu den Leistungsschaltern 4 gegeben. Die Leistungsschalter 4 werden durch dieses Signal in den leitenden Zustand gebracht eadga^altan-somit die Quelle 5 in den funken-

ORiGINAL INSPECTIÖ

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erosiven Kreis ein. Hierdurch erhöht sich der Betrag des Zustandssignals der Leitung 21, so dass die minimale Hüllkurve 17 auf der Leitung 113 nicht mehr unterschritten ist. Der Komparator 74 gibt kein Signal mehr auf seiner Ausgangsleitung 241. Die bistabile Kippstufe 25 bleibt jedoch in ihrem gesetzten Zustand, so dass die Leistungsschalter 4 ebenfalls im leitenden Zustand verbleiben. Dieser Zustand bleibt so lange aufrechterhalten, wie das Zustandssignal auf der Leitung 21 im gewünschten Bereich zwischen den beiden Hüllkurven 16, 17 (Leitungen 112, 113) liegt. Wenn die maximale Hüllkurve 16 der Leitung 112 durch das Zustandssignal 21 überschritten wird, gibt der Komparator 23 ein Signal auf seiner Ausgangsleitung 231 ab zur bistabilen Kippstufe 25, welche in ihren anderen Zustand rückgesetzt wird. Hierdurch verlöscht das Signal auf der Ausgangsleitung 22. Die Transistoren Tr , Tr₀, Tr. Tr schalten in ihren nichtleitenden

Zustand, so dass das Signal auf der Leitung 31 verlöscht. Die Leistungsschalter 4 trennen nun die Quelle 5 vom funkenerosiven Kreis. An dieser Stelle sei erwähnt, dass das Zuschalten und Abschalten der Quelle 5 durch die Leistungsschalter 4 im funkenerosiven Kreis mehrere Male während der Zeitdauer eines Arbeitsimpulses durchgeführt wird. Die Schaltungsanordnung der Fig. 6 ist für die sehr hohe Schaltgeschwindigkeit konstruiert. Ferner werden die Signale auf der Ausgangsleitung 31 mit relativ hohen Strömen auf die Leistungsschalter 4 gegeben, so dass die einwandfreie Schaltung dieser Schalter gewährleistet ist.

In der Fig. 7 ist eine Schaltung 170 vorgesehen, mit deren Hilfe man die Stromanstiegsgeschwindigkeit messen kann, während der Einschaltdauer der Leistungsschalter 4, d.h. während die Stromquelle 5 des Funkenerosionskreises eingeschaltet ist. Diese Schaltung 170 kann anstelle der bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1, 3, 4, 5 erwähnten Optimierungssysteme verwendet werden. Die Schaltung 17 stellt ein vereinfachtes System zur Optimierung dar. Die Schaltung 170 ist mit ihrem Eingang 171 an die Leitung 21 angeschlossen, auf welcher Leitung das Zustands-

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signal des Funkenerosionskreises liegt. Der eine Ausgang 172 der Schaltung 170 ist an den Eingang 111 der ersten Schaltungseinrichtung 1 anstelle der Optimierungssysteme angeschlossen. Ein zweiter Ausgang 173 der Schaltung 170 ist für die Servoregelung gedacht. Wie noch im Zusammenhang mit der Fig. 8 näher erläutert, misst die Schaltung 170 aufgrund des Zustandssignals der Leitungen 21, 171 die Geschwindigkeit des Stromanstiegs im Funkenerosionskreis und zwar aufgrund der in diesem Kreis angeordneten Elemente. Hierdurch erhält man durch die Schaltung 170 ein genaues, wirklichkeitsgetreues Bild über den Stromanstieg beim Arbeitsimpuls und kann sofort feststellen, ob eine Entartung des Arbeitsimpulses zu erwarten ist oder vielleicht schon vorliegt. Zum Beispiel kann im Arbeitsspalt 9, der von der Bearbeitungselektrode 91 und vom Werkstück 92 gebildet wird, eine Tendenz zum Kurzschluss vorhanden sein. Dies stellt die Schaltung 170 sofort fest und gibt über die eine Ausgangsleitung 172 und über die Eingangsleitung 111 der ersten Schaltungseinrichtung 1 ein Aenderungssignal der Pegelsignale, welche über die Leitungen 112 und 113 als Hüllkurven 16, 17 die elektrischen Parameter des Arbeitsimpulses vorschreiben. Der andere Ausgang 173 der Schaltung 170 gibt auf der Leitung 173 ein analoges Mittelwertsignal für die nicht dargestellte Servo-Anordnung, welche die Bearbeitungselektrode 91 in Richtung Werkstück 92 unter Einhaltung des günstigsten Arbeitsspalts 9 bewegt oder vom Werkstück 92 zurückzieht wenn eine Entartung der Arbeitsimpulse im Arbeitsspalt sich abzeichnet. Die Mess-Schaltung 170 kann in der gleichen Weise., wie es in der Fig. 7 angedeutet ist, in die Ausführungsbeispiele der Fig. 1, 3, 4 und 5 vorgesehen werden.

In der Fig. 8 ist die Schaltung 170 detailliert gezeichnet. Es sei angenommen, dass auf der Leitung 21 ein Zustandssignal vorhanden ist, dessen Kurve unterhalb dieser Leitung gezeichnet ist. Die Polarität des Zustandssignals ist wegen dem Mess-Widerstand 7 negativ. Die Kurve des Zustandssignals zeigt zu

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Anfang einen Stromanstieg im Funkenerosionskreis, dann einen kleinen Abfall und anschliessend einen sehr steilen Stromanstieg, der auf die Tendenz eines Kurzschluss im Arbeitsspalt 9 schliessen lassen könnte. Anschliessend fällt der Strom im Funkenerosionskreis wieder auf den Wert Null ab. Das so geformte Zustandssignal gelangt auf den Verstärker 174, welcher auch ein Differenzierglied enthält. Hier wird das Zustandssignal verstärkt und differenziert. Am Ausgang 176 erhält man ein Signal, wie es in der Nähe.; des dortigen Verbindungspunkts gezeichnet ist. Dem Stromanstieg des Eingangssignals (Leitung 171) entspricht ein positiver, rechteckiger Impuls (Ausgang 176); dem Stromabfall des Eingangssignals entspricht ein negativer, rechteckiger Impuls auf der Ausgangsseite. Der extrem steile Stromanstieg des Eingangssignals macht sich auf der Ausgangsseite durch einen rechteckförmigen Impuls mit grosser positiver Amplitude bemerkbar. Dem Stromabfall des Eingangssignals entspricht der rechteckförmige, negative Impuls auf der Ausgangsseite 176. Dies Signal gelangt auf den einen Eingang des Komparators 177, und in diesem Komparator 177 wird das differenzierte Signal verglichen mit einer Bezugsspannung Uref. Diese Bezugsspannung wird so eingestellt, dass z.B. steile Stromanstiege, welche die Tendenz zu einem Kurzschluss im Arbeitsspalt 9 anzeigen können, auf die Ausgangsleitung 172 des Komparators 177 gegeben werden. Die Bezugsspannung wird bei Inbetriebnahme des erfindungsgemässen Generators unter Berücksichtigung der wirklichkeitsgetreuen Verhältnisse im Funkenerosionskreis eingestellt. Gemäss Fig. 8 gelangt das Ausgangssignal der Leitung 172, welches nur noch die Information des positiven, rechteckigen Impuls mit grosser Amplitude (Tendenz zur Kurzschlussbildung im Arbeitsspalt 9) enthält, auf die Leitung 111 in die erste Schaltungseinrichtung 1. Hier bewirkt dieser Impuls, dass z.B. das obere Pegelsignal, welches auf der Leitung 112 die Hüllkurve 16 darstellt, etwas erhöht wird, und hierdurch wird - vorübergehend natürlich - der Bereich zwischen den beiden Hüllkurven 16, 17 etwas breiter, so dass die

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Welligkeit des Stromzustands im funkenerosiven Kreis erhöht wird. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Signal auf der Ausgangsleitung 172 der Schaltung 170 digital ist und in der ersten Schaltungseinrichtung 1 zur adaptiven Regelung verwendet wird. Das digitale Signal der Ausgangsleitung 172 ist von der Brennspannung Vfs der Funkenstrecke, d.h. der Breite des Arbeitsspalts 9 abhängig. Dies wird im folgenden noch näher erläutert. Von der Ausgangsleitung 176 gelangt das differenzierte Signal des Stromanstiegs im Funkenerosionskreis auf den einen Eingang einer Gleichrichteranordnung 178, deren anderer Eingang an Masse liegt. Der positive Teil des Signals wird gleichgerichtet und über die Leitung 180 dem einen Eingang eines Integrators 179 zugeführt. Das gleichgerichtete Signal besteht nun aus einem negativen Impuls mit einer Pause und dem rechteckförmigen Impuls mit grosser Amplitude, wie es am Ausgang dargestellt ist. Im Integrator 179 wird das Signal integriert und gelangt als analoges Mittelwertsignal auf die Ausgangsleitung 17 3 zu einer nicht gezeichneten Servo-Einrichtung. Das analoge Mittelwertsignal, dessen Form in der Nähe der Ausgangsleitung 173 gezeichnet ist, dient der Steuerung des Servo-Systems d.h. also dem Vorschub bzw. der Rückstellung der Bearbeitungselektrode 91 relativ zum Werkstück 92. Durch die Schaltung wird wie bereits erwähnt, der wirklichkeitsgetreue Stromanstieg im Funkenerosionskreis der Fig. 1, 3, 4, 5, 7 wie folgt gemessen:

di E Vsp - Vfs
dt L L

wobei Vsp = Speisespannung = konstant L = Leitungsinduktivität = konstant Vfs = Brennspannung der Funkenstrecke

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" ¹⁷ " 254776?

daraus folgt:

di

Stromanstieg — = f (Vfs)
dt

Die Schaltung 170 ermöglicht daher eine sehr schnelle Adaption der elektrischen Parameter für die Arbeitsimpulse und eine sehr schnelle Reaktion des Servo-Systems bei unstabilen Entladungen im Arbeitsspalt 9.

In der Fig. 9 sind eine Anzahl von Arbeitsimpulsen dargestellt. Diese Arbeitsimpulse werden durch entsprechend vorgegebene Hüllkurvenpaare 16, 17 gebildet. In der Fig. 9a sind zwei Impulse gezeichnet, deren Scheitel mit dreieckförmigen kleinen Impulsen versehen sind. Solche Arbeitsimpulse verwendet man für eine gute Entfernung des erodierten Materials von der Oberfläche des Werkstücks 92, und zwar während der flüssigen Phase des Materials. Die Arbeitsimpulse der Fig. 9a werden für die erosive Grobarbeit verwendet, bei welcher innerhalb kurzer Zeit möglichst viel Material vom Werkstück 92 abgetragen werden muss.

Die Fig. 9b zeigt Arbeitsimpulse, welche eine dreieckförmige Welligkeit besitzt. Diese Impulse werden ebenfalls für die erosive Grobarbeit verwendet.

Die Fig. 9c zeigt kleine dreieckförmige Impulse mit grossen Pausen zwischen den Impulsen. Diese Impulse werden für die erosive Feinarbeit verwendet, bei welcher der Materialabtrag keine grosse Rolle spielt, sondern die Oberfläche und die genaue Masshaltigkeit die wesentlichen Kriterien sind. Die Fig. 9d, 9e und 9f zeigen spezielle Formen von Arbeitsimpulsen, die bei besonderen erosiven Prozesstypen Verwendung finden. Es handelt sich um Impulsformen wie sie durch die Hüllkurvenpaare 16, 17 der Fig. 2a, 2b, 2c geformt wurden.

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Claims

— 1 R —

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Patentansprüche

l.y Generator für funkenerosive Metallbearbeitung, welcher Generator die Amplitude, die Repetitionsfreguenz, das Tastverhältnis und die Form der am Arbeitsspalt anliegenden Arbeitsimpulse steuert; gekennzeichnet, durch folgende Anordnung :

- eine erste Schaltungseinrichtung (1) erzeugt ein oberes Pegelsignal als maximale Hüllkurve (16) und ein unteres Pegelsignal als minimale Hüllkurve (17), welche Hüllkurven die Amplitude, die Repetitionsfrequenz, das Tastverhältnis und die Form des gewünschten Arbeitsimpulses darstellen;

- eine zweite Schaltungseinrichtung (2) vergleicht das als Pegelsignale empfangene Hüllkurvenpaar (16, 17) mit dem Stromzustand im eine Energiequelle (5). und den Arbeitsspalt (9) enthaltenden, funkenerosiven Stromkreis der Leitungen (8a, 8b) mit bestimmten Kenndaten und gibt das Vergleichsergebnis als Ausgangssignal (22) zu einer nachfolgenden, dritten Schaltungseinrichtung (3);

- die dritte Schaltungseinrichtung (3) schliesst mittels dem Schaltelement (4) die im funkenerosiven Stromkreis (8a, 8b) vorgesehene Energiequelle (5) an den Arbeitsspalt (9) oder trennt die Energiequelle (5) vom Arbeitsspalt (9) in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses der zweiten Schaltungseinrichtung (2), so dass infolge der bestimmten Kenndaten der Leitungen ein Arbeitsimpuls am Arbeitsspalt (9) entsprechend dem Hüllkurvenpaar (16, 17) entsteht;

- eine Diode (6) ist parallel zur Energiequelle (5) und dem Schaltelement (4) angeordnet, so dass nach dem Trennen der Energiequelle (5) vom Arbeitsspalt (9) der Stromzustand im funkenerosiven Stromkreis entsprechend den gewählten Kenn-

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" ¹⁹ " 254776?

daten der Leitungen (8a_f 8b) eine bestimmte Zeit andauert.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltungseinrichtung (1) aus mindestens einem Signalgenerator oder aus einem Rechner besteht und einen Eingang (111) aufweist für den Anschluss eines numerischen Steuersystems oder Optimierungssystem oder Regelgeräts (170) zum Steuern und Regeln der als Hüllkurven (16, 17) vorliegenden Pegelsignale.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltungseinrichtung (2) für jede Hüllkurve (16, 17) einen Komperator (23, 24) enthält, dessen einer Eingang mit der Leitung (112, 113) des entsprechenden Pegelsignals und dessen anderer Eingang mit der Leitung

(21) des Zustandssignals des funkenerosiven Kreises verbunden sind, wobei jeder Komperator an einer nachgeordneten bistabilen Kippstufe (25) angeschlossen ist (Fig. 1, 3, 4, 5, 6, 7)

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schaltungseinrichtung (3) enthält:

- eine Transistorstufe (Tr₁) zur Verstärkung des Ausgangssignals der zweiten Schaltungsanordnung (2) ;

- eine als Komplementär-Stromquelle geschaltete Transistorstufe (Tr«, Tr₃), die über aus Widerständen und Kondensatoren (R₁-, R₀, C,, R,„; R-, R-, C„, R_) bestehende

DoX XU 4 / £. y

Stromkreise mit nachfolgenden Transistoren (Tr., Tr ) verbunden ist, so dass diese beiden Transistoren ₄ Tr.) von den Speisespannungen (32, 33) unabhängige Basis signale von der Komplementär-Stromquelle (Tr „, Tr ~) bekommen ;

durch Mittel (C,, C„) zur Erhöhung der Schaltgeschwindig-

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keit der Transistoren (Tr , Tr„, Tr , Tr.). (Fig. 6)

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der funkenerosive Kreis (4, 5, 6, 8a, 8b, 9) einen Detektor (7) enthält, der auf den augenblicklichen Stromzustand im funkenerosiven Kreis anspricht und ein Stromzustand repräsentierendes Signal erzeugt für die Leitung (21) zu der zweiten Schaltungseinrichtung (2) zum Vergleichen mit dem als Pegelsignale empfangenen Hüllkurvenpaar (16, 17).

(Fig. 1, 3, 4, 5, 7)

6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der funkenerosive Kreis eine Hochspannungswelle (12) enthält, die zur Erzeugung von Zündimpulsen durch Halbleiterschalter (11) in Synchronismus (13) zu den Arbeitsimpulsen dient, wobei eine Nebenschluss-Diode (10) vorgesehen ist zum ungehinderten Durchfluss des Stroms der Arbeitsimpulse. (Fig. 3, 4)

7. Generator nach Ansrpuch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im funkenerosiven Kreis ein Energie speicherndes Element (15) über eine Diode (14) in Zusammenarbeit mit einem weiteren Halbleiter-Schalter (160) vorgesehen ist, welcher Halbleiter-Schalter (160) von der ersten, zweiten und dritten Schaltungseinrichtung (1, 2, 3) so steuerbar ist, dass bei Vorhandensein eines Stromzustands oberhalb des Werts Null im funkenerosiven Kreis der Halbleiterschalter (160) i, leitenden Zustand ist, und im nichtleitenden Zustand ist, wenn der Strom- oder Spannungszustand des funkenerosiven Kreises den Wert Null annehmen soll. (Fig. 5)

8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgerät (170) mit seinem Eingang (171) am Detektor (7) des funkenerosiven Kreises (4, 5, 8a, 8b, 9) angeschlossen ist, auf das Zustandssignal der Leitung (21) ansprechbar ist, die Geschwindigkeit der Anstiegsflanke des Arbeitsimpulses misst, Ausgangssignale

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erzeugt und über Leitung (111) in die erste Schaltungseinrichtung (1) gibt zum Steuern der als Hüllkurvenpaar (16, 17) vorliegenden Pegelsignale. (Fig. 7)

9. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgerät (170) folgende Bauteile enthält:

- einen Stromkreis (174) zum Verstärken und Differenzieren des Zustandssignals, welches vom Detektor (7) des funkenerosiven Kreises geliefert ist;

- einen Vergleichsstromkreis (177) zum Vergleichen des differenzierten Zustandssignals (176) mit einer einen oberen Wert der Aristiegsgeschwindigkeit repräsentierenden Bezugsspannung (Uref), wobei oberhalb dieser Bezugsspannung liegende Beträge des differenzierten Zustandssignals das Hüllkurvenpaar (16, 17) in der ersten Schalteinrichtung (1) beeinflussen;

- eine Gleichrichterschaltung (178) zum Gleichrichten des differenzierten Zustandssignals (176);

- einen Integrator-Stromkreis (179) zum Integrieren des gleichgerichteten Zustandssignals (180), so dass eine nachgeordnete Vorschubeinrichtung für die Bewegung der Bearbeitungselektrode (91) und/oder des Werkstücks (92) mittels des integrierten Zustandssignals steuerbar ist. (Fig. 8)

23.9.1975
Gp/db

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