DE3523688A1

DE3523688A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung der waermebeanspruchungen einer drahtelektrode einer funkenerosionsschneidemaschine

Info

Publication number: DE3523688A1
Application number: DE19853523688
Authority: DE
Inventors: Georges-André Borex Marendaz
Original assignee: Agie Charmilles New Technologies SA
Current assignee: Agie Charmilles New Technologies SA
Priority date: 1984-07-17
Filing date: 1985-07-03
Publication date: 1986-01-30
Also published as: CH657554A5; JPS6133825A; US4675491A

Description

^DR--^|NG- OIFL.-PHYS. H. STURieS

PATENTANWÄLTE ο c ο Q C ο ο

DlPL-ING. P. EICHLER 0 Ό I OOOQ

DIPL-ING. P. EICHLER

BRAHMSSTRASSE 29, 5600 WUPPERTAL 2

Charmilles Technologies S.A., 109, rue de Lyon, 1203 Geneva, Schweiz

Verfahren und- Vorrichtung zur Überwachung der Wärmebe- ■ anspruchun'g'en einer -Drähte! ektröde einer Funkeherosions· sehn e i d einas-ch-i ne

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Überwachung der Wärmebeanspruchungen einer zwischen zwei Führungen einer funkenerosiven Drahtschneidemaschine längsverstellbaren Drahtelektrode, bei dem das Vorhandensein einer Entladung auf einem bestimmten, der Funkenerosion dienenden Längsabschnitt der Drahtelektrode ermittelt wird.

Beim funkenerosiven Drahtschneiden wird die Drahtelektrode thermischen Beanspruchungen unterworfen, die die Entladungsstromstärke begrenzen und infolgedessen die Bearbeitsgeschwindigkeit. Diese Beanspruchungen sind einerseits die Erwärmung durch den Joule-Effekt und andererseits die von den Entladungen herrührende Wärme.

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Diese letzte Beanspruchung, die eine bedeutende Rolle bei dem bisher wenig bekannten Phänomen des Drahtbruchs spielen könnte, hängt in großem Maße von der Verteilung der Entladungen über die aktive Länge der Drahtelektrode ab. In der Tat bewirkt eine anormale Konzentration von Entladungen dicht beieinander eine lokale Erwärmung, die die Ursache des Drahtbruchs sein kann.

Es wurden bereits Verfahren zur Überwachung der Verteilung der Entladungen in dem aktiven Bereich der Drahtelektrode vorgeschlagen. Z. B. beschreiben die DE-OS 30 26 508 und JP-53-64899 Schaltungen, die den Draht in Abschnitte unterteilen und die denjenigen Abschnitt bestimmen, auf dem die Entladung stattfindet. Es wird ein Signal abgegeben, wenn eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgende Entladungen auf demselben Abschnitt auftreten. Dieses bekannte Verfahren ist nicht ausreichend, um ein Maß für die tatsächliche Erwärmung der Drahtelektrode zu liefern. Bei gesteigerter Wiederholungsfrequenz der Entladungen und bei relativ großer Zeitkonstante, mit der die Wärme von einem Elektrodenabschnitt abfließt, kann in diesem Abschnitt eine kritische Temperatur erreicht werden, selbst wenn die in diesem Abschnitt erfolgenden Entladungen nicht dicht aufeinanderfolgen. Daher ist das bekannte Kriterium der Anzahl der nacheinander erfolgenden Entladungen zwar notwendig, aber nicht ausreichend, um eine anormale Erwärmung der Drahtelektrode zu signalisieren.

Um diesem Mangel abzuhelfen, geht die Erfindung davon aus, die auf die Drahtelektrode ausgeübten thermischen Beanspruchungen mit einer Hilfsschaltung zu überwachen, die eine thermische Abbildung der Drahtelektrode und ihrer Umgebung ist, wobei diese Ab-

bildung in jedem Augenblick in Abhängigkeit von einer bekannten Meßschaltung für die Entladungsstellen steht.

Das neue Überwachungsverfahren wird dadurch gekennzeichnet, daß jeder Entladung eine repräsentative Größe des Wärmezuflusses einer Entladung eines Drahtabschnitts zugeordnet und gespeichert wird, daß diese Größe entsprechend einer vorbestimmten Zeitfunktion zur Simulierung des Wärmeabflusses in die Arbeitsflüssigkeit verringert wird und daß ein Signal zur Veränderung eines Arbeitsparameters abgegeben wird, sobald die Summe aller gespeicherten Größen ein bestimmtes Niveau erreicht.

Es wird also ein neuer Parameter eingeführt, nämlich die Geschwindigkeit, mit der die Wärme in der Drahtelektrode und deren Umgebung abfließt. Die Temperatur eines Elektrodenabschnitts hängt also von der momentanen Bilanz zwischen dem Zufluß und dem Abfluß der Wärme ab. Das Wärmemodell kann noch vervollständigt werden durch die vernünftige Wahl einer Zeitfunktion, mit der die gespeicherten Werte aus dem Speicher abfließen, und mit der Einführung einer Simulationsfunktion für die Längsverstellung der Drahtelektrode in der Punkenerosionszone.

Die Erfindung wird anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Vorrichtungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Funkenerosionsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung,

Fig. 2 die Wärmeausbreitung in der Drahtelektrode,

Fig. 3 einen Programmablaufplan einer ersten Simula tionsschaltung,

Fig. 4 ein Funktionsschema einer zweiten Simulationsschaltung,

Fig. 5 ein Detail des Schemas der Fig. 4,

Fig. 6 ein Funktionsschema einer dritten Simulationsschaltung und
Fig. 7 eine Variante des Funktionsschemas der Fig.

Die in Fig. 1 dargestellte Funkenerosionsmaschine weist eine Drahtelektrode 1 als Werkzeugelektrode und ein Werkstück 2 als weitere Elektrode auf, an die aufeinanderfolgende Spannungsimpulse mit einem Generator 3 gelegt werden, um in einem zwischen den Elektroden 1, 2 gelegenen Arbeitsbereich 4 Entladungen hervorzurufen.

Die Drahtelektrode 1 wird im Arbeitsbereich 4 in ihrer Längsrichtung verstellt, wobei sie über Kontakte 5, und über Rollen 7, 8 läuft. Diese Teile sind an einer Gabel 9 befestigt. Die Gabel 9 und das Werkstück 2 werden relativ zueinander mit nicht dargestellten numerisch gesteuerten Servomotoren gemäß einer programmierten Bahn verstellt. Der Arbeitsstrom wird dem Arbeitsbereich 4 über die Drahtelektrode 1 und die beiden Kontakte 5, 6 zugeführt, die beiderseits dieses Arbeitsbereichs 4 angeordnet und mit einer der Klemmen des Generators 3 verbunden sind, dessen andere Klemme direkt mit dem zu bearbeitenden Werkstück 2 verbunden ist.

Eine Meßschaltung 10 für die Entladungsstellen ist an die Kontakte 5, 6 angeschlossen und erlaubt denjenigen Abschnitt der Drahtelektrode 1 zu bestimmen, auf dem Entladungen stattfinden. Eine hierfür geeignete Meßschaltung wird in der Patentanmeldung DE-OS 30 26 508 beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Simulationsschaltung 11 auf, die mit Hilfe von aus der Meßschaltung 10 aufgenommenen Informationen und in Abhängigkeit von kennzeichnenden Größen 12 der Drahtelektrode 1 deren thermisches Modell bildet. Die Simulationsschaltung 11 erzeugt ein Schutzsignal, um z. B. auf den Impulsgenerator 3 einzuwirken, damit die Entladungsenergie verringert und ein Bruch der Drahtelektrode 1 vermieden wird.

Das thermische Modell muß die bei einer elektrischen Entladung erfolgende Wärmezufuhr zu einem vorgegebenen Abschnitt Pi der Drahtelektrode 1 berücksichtigen, wie auch die Verteilung der Wärme in dem umgebenden Bereich, z. B. in der Arbeitsflüssigkeit, die zwischen die Elektroden 1, 2 gebracht wird. Die Simulationsschaltung 11 erzeugt unter Berücksichtigung dieser Paktoren jedesmal ein Signal, wenn die Simulation eine anormale Erwärmung eines dieser Elektrodenabschnitte ergibt. Dieses Signal wird dem Impulsgenerator 3 übermittelt, um die Arbeitsparameter zu verändern, z. B. um die Frequenz und/oder die Energie der Entladungen zu verringern.

Es ist möglich, diese thermische Simulation in einer programmierbaren Recheneinheit durchzuführen, also einem Mikroprozessor oder einem Datenverarbeiter. Der Programmablaufplan für die Berechnung eines sehr einfachen Modells ist in Fig. 3 dargestellt. Jedem der η aktiven Längenabschnitte der Drahtelektrode 1 ist ein Zähler Ci zugeordnet, der um eine gewisse Menge H 1 anwachsen muß um den Wärmezufluß für jeden Fall einer Entladung auf diesem vorgegebenen Elektrodenabschnitt zu simulieren. Ein erneutes Anwachsen kann erfolgen, solange ein bestimmter begrenzter maximaler Wert Ci für anormale Erwärmung nicht erreicht wird. Wenn einer der Zähler insgesamt diesen Wert erreicht, wird ein Signal an den Impulsgenerator 3 übermittelt, um die Entladungsenergie zu verringern. Die Vorrichtung weist unter anderem eine Uhr auf, die einen Zeitgrenzwert t max zu messen erlaubt. Wenn eine dem Zeitgrenzwert entsprechende Zeitdauer nach einem Anwachsen eines Zählers verstrichen ist, werden alle η Zähler um eine Menge Λ 2 in regelmäßigen, t max entsprechenden Zeitabschnitten reduziert, um die Wärmeübertragung in die Arbeitsflüssigkeit zu simulieren. Die Parameter 4& 1, Δ 2, Ci max und t max werden in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen bestimmt. Dieses sehr

einfache Modell berücksichtigt nicht die Wärmeverteilung in benachbarten Drahtabschnitten.

Die digitale Ausführungsform des in Fig. 4 dargestellten thermischen Modells berücksichtigt zusätzlich die Wärmeverteilung längs der Drahtelektrode 1. Die Leitung a übermittelt allen Drahtabschnitten ein codiertes digitales Signal, welches diejenigen Drahtabschnitte anzeigt, wo eine Entladung kompatibilisiert werden muß. Dieses Signal wird auf Decodierschaltungen 15 gegeben, die es z. B. mit einem Hochfrequenzgenerator 16 in drei verschiedene Signale transformieren. Das erste ist eine Kette von vier Hochfrequenzimpulsen, das zweite eine Kette von z. B. zwei Impulsen und das dritte ist ein einziger Impuls. Diese Signale werden auf eine logische Verteilerschaltung 17 gegeben, um die Kette von vier Impulsen in ein Transferregister 18 einzuspeisen, das demjenigen Drahtabschnitt entspricht, wo die Entladung stattgefunden hat; um die Kette von zwei Impulsen in die beiden den am nächsten liegenden Abschnitten entsprechenden Register 18a, 18b einzugeben; und um den einzigen Impuls in die beiden Register derjenigen Drahtabschnitte einzuspeisen, die zu beiden Seiten der nächstliegenden Drahtabschnitte angeordnet sind. Auf diese Weise erhält man eine angenäherte Simulation der Wärmezufuhr einer Entladung in die nächsten Drahtabschnitte.

Ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler 19 erlaubt die Erfassung der in jedes Register 18 eingebrachten Impulse. Die im letzten Fall von einem der Transferregister 18 übertragenen Impulse werden vom Zähler 19 abgezogen, um die Wärmeübertragung in die Arbeitsflüssigkeit zu berücksichtigen. Der Zählerstand jedes Zählers 19 stellt damit annähernd die Temperatur des betreffenden Abschnitts der Drahtelektrode 1 dar. Dieser Zählerstand wird von einem Vergleicher 20 mit einer Bezugszahl 21 verglichen,

AO-

die die zulässige Grenztemperatur für diesen Drahtabschnitt repräsentiert. Wenn diese Bezugszahl 21 erreicht wird, wird ein Signal erzeugt.

Dieses Signal wird einer logischen Schaltung 22 zugeführt, z. B. einem Oder-Glied, dessen Ausgangssignal dann dem Impulsgenerator 3 übermittelt wird, um einen der Arbeitsparameter zu verändern.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der Verteiler- bzw. Decodierschaltung 15 weist drei monostabile Kippschaltungen 24 bis 26 auf, deren Zeitkonstanten so eingestellt sind, daß die Und-Glieder 27 bis 29 nur vier, zwei oder einen Impuls des Hochfrequenzgenerators 16 durchlassen.

In Fig. 6 ist ein analoges thermisches Modell der Drahtelektrode 1 dargestellt. Die von der Meßschaltung der Fig. 1 abgegebenen Signale werden je Elektrodenab— schnitt auf eine monostabile Kippstufe 30 gegeben, deren Zeitkonstante und deren Ausgangssignalniveau im Verhältnis zu der Entladungsenergie eingestellt ist. Dieses Ausgangssignal, das den Wärmezufluß des Drahtes simuliert, lädt einen Kondensator 31. Dieser Ladekreis ist einerseits mit einem die Wärmeübertragung in die Arbeitsflüssigkeit repräsentierenden Widerstand 32 verbunden und andererseits mit Widerständen 33, 34 der Schaltungen für die Nachbarabschnitte, um die Wärmeleitung in der Drahtelektrode 1 zu simulieren. Die Spannung des Kondensators 31 wird mit einer Referenzspannung 35 in einer Vergleichsschaltung 36 verglichen, die ein Signal abgibt, sobald die Bezugsspannung 35 erreicht ist. Eine Demultiplexschaltung 37 wertet diese Signale aus, wie die in Fig. 4 dargestellte Digitalschaltung

Um eine noch genauere Darstellung des Wärmezuflusses der Drahtelektrode 1 zu erhalten, kann die Übertragung

der Wärme von einem Abschnitt auf den folgenden infolge der Längsverstellung der Drahtelektrode 1 gemäß Fig. 4 mit den Schaltungen 15 und 17 durch eine zeitabhängige Verteilung der Impulse simuliert werden, die an die Verstellgeschwindigkeit der Drahtelektrode 1 angepaßt ist.

Fig. 7 zeigt eine Variante der in Fig. 4 dargestellten Schaltung, wobei ein einziges Transferregister benutzt wird, um diejenigen Elektrodenabschnitte zu speichern, in welchen eine Entladung stattfindet. In diesem Fall wird die von der Meßschaltung 10 der Fig. abgegebene analoge Größe jedesmal mit dem Konverter 40 in eine digitale Größe Ni transformiert, wenn eine Entladung stattfindet, und diese Größe wird in ein Transferregister 41 eingegeben. Vergleichsschaltungen Cl, C2, C3.... sind mit ihren Eingängen zusammengeschaltet, um jede in dem Register 41 gespeicherte Größe mit der letzten in diesem Register gespeicherten Größe zu vergleichen. Jede Vergleichsschaltung gibt ein Signal ab, sobald der Vergleich eine Gleichwertigkeit seiner beiden Eingänge ergibt. Die Anzahl der an den Ausgängen der Vergleichsschaltungen ermittelten Gleichwertigkeiten wird durch einen Zählkreis 43 gezählt, dessen Zahl η mit einer Maximalzahl N durch den Vergleicher 44 ver-

max

glichen wird. Wenn diese Maximalzahl erreicht ist, gibt der Vergleicher 44 ein Signal ab, um auf einen Bearbeitungsparameter einzuwirken, z. B. die Entladungsleistung oder den Druck der Arbeitsflüssigkeit im Erosionsbereich.

Claims

DR.-ING. DIPL-PHYS. H. STURIES PATENTANWÄLTE DIPL-ING. P. EICHLER BRAHMSSTRASSE 29, 5600 WUPPERTAL 2 Ansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung der Wärmebeanspruchungen einer zwischen zwei Führungen einer funkenerosiven Drahtschneidemaschine längsverstellbaren Drahtelektrode, bei dem das Vorhandensein einer Entladung auf einem bestimmten, der Funkenerosion dienenden Längsabschnitt der Drahtelektrode ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Entladung eine repräsentative Größe des Wärmezuflusses einer Entladung eines Drahtabschnitts zugeordnet und gespeichert wird, daß diese Größe entsprechend einer vorbestimmten Zeitfunktion zur Simulierung des Wärmeabflusses in die Ärbeitsflüssigkeit verringert wird und daß ein Signal zur Veränderung eines Arbeitsparameters abgegeben wird, sobald die Summe aller gespeicherten Größen ein bestimmtes Niveau erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Längsabschnitte der der Funkenbildung unterworfenen Drahtelektrode (1) bestimmt werden, denen jeweils ein Speicher zugeordnet wird und daß in die Speicher derjenigen Drahtabschnitte, die dem eine Entladung aufweisenden Drahtabschnitt benachbart sind, im Verhältnis zur gegenseitigen Entfernung dieser Abschnitte und/oder der Längsverstellung der Drahtelektrode (1) gewichtete Werte eingegeben werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Meßschaltung zur Ermittlung eines eine Entladung aufweisenden Drahtabschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine an die Meßschaltung (10) angeschlossene Speicherschaltung aufweist, daß sie eine zeitabhängige Löschschaltung für die Speicherschaltung aufweist, daß sie eine Bewertungsschaltung zum Bewerten des im Speicher verbliebenen Informationsniveaus aufweist und eine im Falle des Erreichens einer bestimmten Grenze dieses Niveaus ein Signal abgebende Vergleichsschaltung (22) besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jeden Drahtabschnitt ein Transferregister (18 bis 18b) zum Speichern der für diesen Drahtabschnitt ermittelten Informationen aufweist und daß ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler (19) zum Zählen der laufenden Anzahl von Informationen dieses Registers vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung aufweist, mit der in die Vorwärts-Rückwärts-Zähler (10), der dem eine Entladung aufweisenden Drahtabschnitt benachbarten Drahtabschnitte eine gewichtete Information einspeisbar ist, die im Verhältnis zu der Entfernung dieser benachbarten Drahtabschnitte und/oder der Längsverstellung der Drahtelektrode (1) gewichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jeden Drahtabschnitt eine Schaltung aufweist, welche

die von der Meßschaltung (10) herrührende Information in ein der Entladungsenergie entsprechendes analoges Signal transformiert, daß ein Kondensator (31) zum Speichern dieses Signals und ein Entladungskreis (32) für diesen Kondensator (31) vorhanden ist und daß diesen Kondensator (31) mit jenen der Nachbarabschnitte der Drahtelektrode (1) verbindende Schaltungen vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Meßschaltung aufweist, die mit der Schaltung (10) zur Lokalisierung der Entladungen verbunden ist, um jeder Entladung einen den Drahtabschnitt, auf dem die Entladung stattgefunden hat, kennzeichnenden Wert zu geben, daß ein Transferregister (41) zum Speichern dieser Werte vorhanden ist, daß Vergleichsschaltungen (Cl, C2, C3...) zum Berechnen der Abweichung zwischen jedem im Register gespeicherten Wert und dem letzten gespeicherten Wert vorhanden sind und daß eine Zählschaltung (43) für die Anzahl der Nullabweichungen dieser Vergleiche nach jeder neuen Entladung vorhanden ist.