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Generator zum Erzeugen von Arbeitsimpulsen für die elektrisch
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abtragende Metallbearbeitung mit mindestens einem Hauptstromkreis
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen von Arbeitsimpulsen für die
elektrisch abtragende Metallbearbeitung mit mindestens einem Hauptstromkreis zum
Erzeugen von Impulsformen, die auf mindestens ein Liektrodenpsar übertragen werden
und als Arbeitsimpulse einen durch das Elektrodenpaar gebildeten Arbeitsspalt durchschlagen.
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Die vorliegeide Erfindung hat die Aufgabe, den in der DE-PS 28 22F
086 beschriebenen Generator weiter zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl
N von Hauptstromkreisen mit ihrem einen Ende parallel an einer Spannungs- oder Stromquelle
angeschlossen sind, und jeder Hauptstromkreis an seinem anderen Ende durch eine
Plimärwicklung
eines Impulsübertragers abgeschlossen ist, wobei jeder Hauptstromkreis folgende
weitere Bauteile enthält: - einen ersten in Serie zur Spannungs- und/oder Stromquelle
ængeordneten Schalter zum Regeln des Stromflusses bzw. der Impulsform im Hauptstromkreis;
- einen zweiten Schalter, dessen einer Pol zwischen einem Energiespeicher und einer
Seite der Primärwicklung liegt und dessen anderer Pol an der Spannungsquelle und/oder
Stromquelle liegt, zum Erzeugen einer Ueberspannung im Hauptstrokrel.s in Funktion
mit dem Energiespeicher und der Primärwicklung, so dass ein Arbeitsimpuls den Arbeitsspalt
durchschlägt; - einen dritten Schalter, dessen einer Pol an der Spannungs-und/oder
Stromquelle und dessen anderer Pol an der anderen Seite der Primärwicklung liegen,
zum Erzeugen einer steilen Abfallflanke der Impulsform.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die gesamte Schaltungsanordnung des Generators
und des Arbeitsspaltes für das elektrische Abtragen; Figuren 2, 3 und 4 Einzelheiten
aus der Anlage der Fig. 1.
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Die Fig. 1 zeigt einen Generator, der aus einer Anzahl N von Hauptstromkreisen
besteht. Zur besseren Illustrierung sind nur drei Stromkreise dargestellt. Jeder
Stromkreis besteht aus den gleichen Bauelementen und ist auf seinen beiden Seiten
in bestimmter Weise geschaltet, was im folgenden näher erläuter wird. Das eine Ende
sämtlicher Hauptstromkreise, welche in der Anzahl N vorhanden sind, ist mit dem
einen Pol der Spannungsquelle bzw. Stromquelle 1 verbunden. Jeder der
Hauptstromkreise
hat einen eigenen Abschluss auf seinem anderen Ende. Dieser wird durch eine Primärwicklung
111, 112, 113 N bewerkstelligt. Die Primärwicklungen sämtlicher Hauptstromkreise
gehören zu einem Impulsübertrager 100, dessen Sekundärwicklung 104 über die Leitungen
4 an der Werkzeugelektrode 6 und Werkstückelektrode 7 angeschlossen sind. Jeder
Hauptstromkreis enthält einen in Serie zur Quelle 1 angeordneten ersten Halbleiterschalter
Tll, T21, TNl, einen Messfühler 21, 22, 2N, einen Energiespeicher 31, 32, 3N, einen
zweiten Halbleiterschalter T12, T22, TN2, einen dritten Halbleiterschalter T31,
T32, T3N sowie eine Freilaufdiode Dl, D2, DN und weitere Dioden Diol, D12, D21,
D22, DN1, DN2. Die Fig. 1 zeigt wegen der einfacheren Illustrierung nur einen Halbleiterschalter.
In de Praxis können ohne weiteres auch mehrere Halbleiterschalter zu einem Paket
zusammengefasst sein. Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
der Fig. 1 näher erläutert. Es sei angenommen, dass der Generator 8 die gewünschte
Form des Arbeitsimpulses enthalten soll, der den Arbeitsspalt 5 zwischen der Werkzeugelektrode
6 und dec Werkstückelektrode 7 durchschlagen soll. Dieser Generator kann ein Funktionsgenerator,
ein einstellbares Potentiometer oder eine bestimmte Referenz spannung sein. Im vorliegenden
Fall soll dieser Generator 8 eine stufenförmige Anstiegs flanke und eine senkrecht
abfallende Abstiegsflanke des Arbeitsimpulses enthalten.
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Ueber die Leitung 82 gibt er ein Signal auf den Komparator 9.
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Dieser Komparator vergleicht die Signale, welche von den Messfühlern
21, 22, 2N über die Filter 101, 102, 10N Auskunft geben über den Stromverlauf in
den einzelnen Hauptstromkreisen.
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Da im vorliegenden Augenblick kein Hauptstromkreis einen Stromfluss
aufweist, gibt der Komparator 9 über die Leitungen 911, 912 und 9lN Steuersignale
auf die Halbleiterschalter Tll, T21, TN1, welche im folgenden als erste Schalter
bezeichnct werden.
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Diese Steuersignale werden jedoch so zueinander synchronisiert,
dass
der Halbleiterschalter Tll in dem Stromkreis durchgeschaltet wird, welcher Stromkreis
in der Fig. 1 zuunterst gezeichnet ist. Ueber die Synchronisationsleitung 81, welche
zwischen dem Generator 8 und der Steuer schaltung 11 vorhanden ist und in der Fig.
1 nur angedeutet wurde, ist der zweite Schalter T12 ebenfalls in den leitenden Zustand
geschaltet worden. Infolge der Quelle 1 fliesst nun ein Strom ber die geschlossenen
bzw. durchgeschalteten Halbleiterschalter Tll und T12 und ladet hierbei den Energiespeicher
31 auf, der in der Fig. 1 als Induktivität bzw. Drossel dargesteilt ist. Eine kurze
Zeit nach dem Durchschalten des Halbleiterschalters Tll wird durch den Komparator
9 der Halbleiterschalter T21 des nächsten Hauptstromkreises durchgeschaltet. Der
zweite Schalter T22 des gleichen Hauptstromkreises ist über die Synchronisationsleitung
31 bereits durchgeschaltet. Sobald also der erste Schalter T21 in seinen leitenden
Zustand gebracht worden ist, fliesst ein Strom über den Messfühler 22, Drossel oder
Induktivität 32, zweiter Schalter T22 zurück zur Quelle 1. Der nächste Hauptstromkreis
wird ebenfalls nach kurzer Zeit von z.B. 1 - 5/u sec über die Leitung 91N in den
leitenden Zustand gebracht. Kurz vorher ist der zweite Schalter TN2 dieses Hauptstromkreises
ebenfalls in den leitenden Zustand gesteuert worden. Dies erfolgt über die Steuerschaltung
11. Es fliesst auch hier ein Strom über den Messfühler 2N, Induktivität 3.es, zweiter
Schalter TN2 zurück zur Quelle 1. Bisher wurde gesagt, dass die ersten Schalter
Tll, T21, TNl der Hauptstromkreise in einer gewissen zeitlichen Relation zueinander
durch den Komparator 9 über die Leitungen 911, 912, 9lN angesteuert werden. Es ist
ohne weiteres auch möglich, dass sämtliche ersten Schalter der Hauptstromkreise
gleichzeitig eingeschaltet werden können.
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An der beschriebenen Wirkungsweise der Stromflüsse ändert sich hierdurch
nichts. Die zweiten Schalter T12, T22, TN2 können sowie so in beiden Fällen gleichzeitig
oder auch in
zeitlicher Sequenz eingeschaltet werden. Die Stromflüsse,
die in den einzelnen Hauptstromkreisen vorhanden sind, werden durch die Messfühler
21, 22, 2N abgegriffen Die Abgriffsignale gelangen über die Filter 101, 102, lON
in den Komparator 9, der den SOLL-Wert der durch den Generator 8 gewünschten Arbeitsimpulsform
vergleicht mit den einzelnen IST-Fornen bzw. IST-Werten der Stromflüsse in den einzelnen
Hauptstronkreisen. Wenn nun SOLL-Wert und IST-Wert übereinstimmen oder wenn der
IST-Wert grösser ist als der SOLL-Wert, so werden die ersten Schalter Teil, T21,
TNl über ihre entsprechenden Leitungen 911, 912, 9lN in den Sperr-Zustand gesteuert.
Der IS't'-Wert in dem betreffenden Hauptstromkreis sinkt also infolge des gesperrten
ersten Schalters. Der Stromfluss bleibt jedoch über die Freilaufdiode Dl oder D2
oder DN des entsprechenden Hauptstromkreises erhalten. Wenn nun der IST-Wert dieses
Hauptstromkreises kleiner wird als der SOLI.-Wert, so erhält der entsprechende erste
Schalter ein Steuersignal aus dem Komparator 9 und wird in den leitenden Zustand
gebracht. Der Komparator 9 sorgt also dafür, dass die IST-Werte der Stromflüsse
in den einzelnen Hauptstromkreisen dem durch den Generator 8 vorgegebenen SOLL-Wert
zu jeder Zeit angepasst ist. Für das weitere Verständnis sei darauf hingewiesen,
dass dia dritten Schalter T31, n32, T3N zu diesem Zeitpunkt im gesperrten Zustand
sich befinden.
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Aus den in den einzelnen Hauptstromkreisen fliessenden Strömen, deren
IST-Werte mittels der ersten Schalter Tll, T21, TNl dem oder den IST-Werten angepasst
werden, wird der Arbeitsimpuls zusammengesetzt. Je mehr Hauptstromkreise vorgesehen
sind, desto kleiner sind die Teile, die zu einem Arbeitsimpuls zusammengesetzt werden
können. Das heisst, je kleiner die Teile sind, desto feiner ist die Auflösung eines
einzelnen Arbeitsimpulses. Im folgenden wird aie Erzeugung eines Arbeitsimpulses
aus den drei in der Fig. 1 dargestellten Hauptstromkreisen
erklärt.
Die Erzeugung erfolgt durch die entsprechende Betätigung der zweiten Schalter T21,
T22, TN2 und dritten Schalter T31, T32, T3N. Es sei angenommen, dass der Arbeitsimpuls
eine treppenförmige Anstiegs flanke und eine sehr steile Abstiegsflanke haben soll.
Wenn nun der zweite Schalter T12 über die Steuerschaltung 11 in den gesperrten Zustand
und der dritte Schalter des gleichen Hauptstromkreises T31 in den leitenden Zustand
geschaltet werden, so fliesst der Strom dieses Hauptstromkreises über die Primärwicklung
111, Schalter T31 zurück zur Quelle 1. Dieser Stromstoss wird von der Primärwicklung111
durch den Impulsübertrager 100 auf seine Sekundärwicklung 104 übertragen und gelangt
über die Leitungen 4 auf den Arbeitsspalt 5, welcher von den beiden Elektroden 6
und 7 gebildet wird. Eine sehr kurze Zeit hiernach (z.B. Nanosekunde oder Mikrosekunde)
steuert die Steuerschaltung 11 den zweiten Schalter T22 und den dritten Schalter
T32 des nächsten Hauptstromkeises so an, dass der zweite Schalter T22 gesperrt wird
und der dritte Schalter T32 in den stromleitenden Zustand gebracht wird. Der Strom
fliesst nun über die Primärwicklung 111, den dritten Halbleiterschalter T32 zurück
zur Quelle 1. Dieser Stromfluss wird durch den Impulsübertrager 100 auf die Sekundärwicklung
104 übertragen und gelangt somit über die Leitungen 4 uf den Arbeitsspalt Di.
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Eine kurze Zeit später (Nanosekunde bzw. Mikrosekunde) steuert die
Steuer schaltung den zweiten Schalter TN2 in den gesperrten Zustand und den dritten
Schalter T3N des nächsten Hauptstromkreises in den leitenden Zustand. Der Stromstoss,
der über die Primärwicklung 113N fliesst, gelangt durch den gleichen Impulsübertrager
100 auf die gemeinsame Sekundärwicklung 104 und über die Leitungen 4 auf den Arbeitsspalt
5. Die Energie aus den Induktivitäten 31, 32, 3N und der Primärwicklungen 111, 112,
113N erzeugt eine höhere Spannung, d.h. eine Ueberspannung, so dass die treppenförmige
Anstiegsflanke des Arbeitsimpulses, der am Arbeitsspalt 5 anliegt, diesen Arbeitsspalt
durchschlagen
kann. Die Abstiegsflanke des Arbeitsimpulses wird dadurch erzeugt, dass die Steuerschaltung
11 die zweiten Halbleiterschalter T12, T22, TN2 in den leitenden Zustand und die
dritten Schalter T31, T32, T3N in den gesperrten Zustand sämtlicher Hauptstromkreise
gleichzeitig bringt. Hierdurch werden die Stromflüsse in sämtlichen Primärwicklungen
111, 112, 113N abrupt unterbrochen, da der Strom über die leitenden zweiten Halbleiterschalter
Tl2, T22, TN2 zurück zur Quelle 1 fliessen kann. Für die Erzeugung des nächsten
Arbeitsimpulses beginnt der Zyklus in gleicher Weise wie bereits beschrieben. Da
die zweiten Schalter und dritten Schalter in jedem Hauptstromkreis in sehr präziser
zeitlicher Uebereinstimmung zueinander in den leitenden oder gesperrten Zustand
gesteuert werden müssen und dies in der Praxis in dem einen oder anderen Fall nicht
so genau und präzise realisierbar ist, besonders wenn sogenannte Schalterpakete
benutzt werden, können unerwünschte Überspannungen in jedem Hauptstromkreis auftreten.
Diese Ueberspannungen werden über die in jedem Hauptstromkreis vorhandenen Dioden
Dll, D12, D21, D22, DNl, DNZ abgebaut . Zu diesem Zweck ist auch der Kondensator
C in einem der Hauptstromkreise vorgesehen. Bisher wurde die Erzeugung von Arbeitsimpulsen
mit treppenförmigen Anstiegsflanken und steilen Abstiegsflanken beschrieben. Selbstverständlich
können Arbeitsimpulse von jeder beliebigen Form erzeugt werden. Je mehr Hauptstromkreise
vorhanden sind, desto grösser ist die Anzahl der einzelnen Teile der Anstiegsflanke.
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Die realisierbare Anstiegsflanke eines jeden Arbeitsimpulses kann
daher sehr präzise und sehr genau der vorgegebenen SOLL-Anstiegsflanke angepasst
werden. Die SOLL-Form der Anstiegswerden flanke kann im Generator 8 gespeicheri.
In diesem Fall wird die Steuerschaltung 11, welche die zweiten und dritten Halbleiterschalter
ansteuert, über die Leitung 81 ihre Steuerbefehle erhalten. Es besteht auch ohne
weiteres die Möglichkeit, dass die SOLL-Form der Anstiegsflanke eines Arbeitsimpulses
in
einer nicht dargestellten numerischen Steueranlage gespeichert ist. In diesem Fall
erhält die Steuerschaltung 11 ihre entsprechenden Steuerbefehle über die angedeutete
Leitung 82.
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In der Fig. 1 sind eine Spannungsquelle bzw. Stromquelle 70, eine
Diode 71 und ein Regelwiderstand bzw. Potentiometer 72 an einer Zuleitung 4 und
an der Werkzeugelektrode 6 angeschlossen. Diese Anordnung liefert eine Hilfsspannung
bzw.
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einen Hilfsstrom, der die Werkzeugelektrode vorwärmen kann.
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Diese Vorwärmung empfiehlt sich bei besonders dünnen Werkzeugelektroden
wie z.B. drahtförmigen Elektroden mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,8 mm Querschnitt.
Die Vorwärmung durch diese Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 70 macht sich
nur zwischen den einzelnen Arbeitsimpulsen, d.h. in den sogenannten Pausen bemerkbar.
Da diese Schaltungsanordnung nicht in jedem Fall benutzt werden muss, ist sie in
der Fig. 1 durch eine gestrichelt gezeichnete Leitung angeschlossen.
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Desgleichen ist in der Fig. 1 eine Spanlungsquelle bzw. Strornquelle
50 vorgesehen, welche in einer Reihenschaltung mit einem Potentiometer bzw. Regelwiderstand
51 und mit einer Diode D6 parallel zum Arbeitsspalt 5 anaeordnet ist. Diese Reihenschaltung
50, 51, D6 ist an der Leitung 4 gestrichelt eingezeichnet, was darauf hindeuten
soll, dass sie nicht ih jedem Fall benutzt wird. Die Quelle 50, welche eine Gleichspannung
bzw. einen Gleichstrom liefert, wirkt sich im Arbeitsspalt 5 in der Weise aus, dass
zwischen den Arbeitsimpulsen eine geringfügige Elektrolyse vorhanden ist.
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Diese geringfügige Elektrolyse dient zur Reinigung der elektroerosiv
aktiven Flächen der Werkzeugelektrode 6 und der Werkstückelektrode 7. Mit Hilfe
des Regelwiderstands bzw. Potentiometers 51 wird eine Spannung von weniger als 1
Volt an den Arbeitsspalt 5 gelegt. Der Strom wird so eingestellt,
dass
weniger als 1 Ampere durch den Arbeitsspalt 5 fliessen.
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Die Diode D6 verhindert, dass die Arbeitsimpulse aus der Sekundärwicklung
104 in die Quelle 50 gelangen können.
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Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Schaltungsanordnung der
Fig. 1. In der Fig. 1 kann die Quelle 70 zur Speisung eines Elektromagneten 110
benutzt werden. Der Magnet 110 dient dazu, die Evakuation der verschmutzten dielektrischen
Flüssigkeit aus dem sehr schmalen Arbeitsspalt 5 zu verstärken und somit die Reinigung
der Funkenstelle zu erhöhen. In diesem Fall wird eine dielektrische Flüssigkeit
benutzt, welche magnetische Eigenschaften hat. In der Zeitschrift "Elektronik-Industrie"
7/8, 1974, werden im Aufsatz "Magnetische Flüssigkeiten als vielseitige Werkstücke"
solche magnetische Dielektrika beschrieben.
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Die Fig. 3 zeigt dieselbe Anordnung wie die Fig. 2. Während in der
Fig. 2 die Quelle 70 eine Gleichspannungsquelle oder Gleichstromquelle ist, zeigt
die Pig. 3 eine Wechselstromquelle 70. Bei Verwendung einer Wechselstromquelle 70
entfällt die Diode 71. Der Magnet 110 wird durch die Wechselstromquelle 70 gespeist,
so dass die Evakuation des verschmutzten Dielektrikums aus dem sehr engen Arbeitsspalt
5 verstärkt wird und somit die Reinigung der Funkenstelle erhöht wird. In diesem
Fall wird eine magnetische Flüssigkeit als Dielektrikum benutzt.
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Die Fig. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie in den Figuren 2 und 3,
jedoch mit einer Spannungsquelle 75, deren Strom bzw.
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Spannung über die Leitung 84 von der Steuerschaltung 11 oder von einer
Optimalisierungsanlage gesteuert wird. Diese Anordnung kann auch mit beliebig anderen
Generatoren benutzt werden oder in Verbindung mit in CH-PS 527 018 beschriebenen
Verfdhren und Einrichtung zum Verbessern der während des elektroerosiven Bearbeitungsvorganges
im Arbeitsspalt auftretenden Verhältnisse.
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L e e r s e i t e