DE3919123A1 - Funkenerosionsgenerator mit zuendueberlagerung und brueckenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen bestehend aus einer Bearbeitungseinheit aus Werkstück 1b und Elektrode 1a und einer aus mindestens zwei parallel geschalteten Spannungsquellen 3a, 3b unterschiedlicher Spannungswerte U₁, U₂ gebildeten Gleichspannungsversorgungseinheit, wobei die Spannungsquellen 3a, 3b durch mindestens eine Diode 4 voneinander entkoppelt sind und über Vorwiderstände 5a, 5b mit der Bearbeitungseinheit 1a, 1b verbunden sind.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken ist die Versorgungsgleichspannungsquelle über einen Schalter direkt mit der Bearbeitungseinheit verbunden. Durch Öffnen bzw. Schließen des Schalters wird die Bearbeitungseinheit impulsweise mit der von der Gleichspannungsquelle gelieferten Gleichspannung beaufschlagt. Die Gleichspannungsquelle muß dabei so geschaltet sein, daß sie zum einen im Moment des Zündens die für den Zündvorgang erforderliche hohe Spannung liefert und zum anderen in dem dem Zünden nachfolgenden Zeitabschnitt den für den Bearbeitungsvorgang notwendigen hohen Strom.

Eine ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, daß für den Zündvorgang in erster Linie die Spannungsquelle mit dem höheren Spannungswert wirksam ist und somit ein sicheres Zünden für jeden Impuls gewährleistet. Zum anderen wird in dem an den Zündvorgang sich anschließenden Bearbeitungsvorgang die Spannungsquelle mit dem niedrigeren Spannungswert zusätzlich wirksam, so daß diese nunmehr überwiegend für die Versorgung der Bearbeitungseinheit zuständig ist. Hierdurch wird die Verlustleistung im Vergleich zu der mit nur einer Spannungsquelle arbeitenden Vorrichtung deutlich herabgesetzt, da die im Anschluß an den Zündvorgang wirksame zweite Spannungsquelle einen niedrigeren Spannungswert als die erste hat. Insgesamt ergibt sich für die Gleichspannungsquelle der Vorrichtung der eingangs genannten Art ein Innenwiderstand mit geknickter Kennlinie, so daß eine optimale Anpassung an den impulsweise ablaufenden Bearbeitungsvorgang erreicht wird. Das im Stromzweig der Spannungsquelle mit der niedrigeren Spannung angeordnete Diodenelement wirkt dabei zur Entkopplung der aus den einzelnen Spannungsquellen gelieferten Ströme.

Die Vorrichtung der eingang genannten Art eignet sich jedoch nur zur Versorgung der Bearbeitungseinheit in einer Stromrichtung. Andererseits ist es für bestimmte Arten der funkenerosiven Bearbeitung von Vorteil, wenn die Stromrichtung durch den Arbeitsspalt während des Impulses bzw. alternierend von Impuls zu Impuls veränderbar ist.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß sich die Vielfalt der Bearbeitungsmöglichkeiten durch beliebige Umkehr der Stromrichtung durch den Arbeitsspalt erhöhen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bearbeitungseinheit den Querzweig einer Brückenschaltung bildet, deren Brückenzweige durch mindestens vier, in zwei Gruppen aufgeteilte, von einer Steuereinrichtung derart steuerbare Schalter gebildet werden, daß die Stromrichtung im Querzweig umkehrbar ist oder die Anschlüsse für die Bearbeitungseinheit kurzschließbar sind.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in Erweiterung des Standes der Technik die an Werkstück bzw. Elektrode anliegenden Potentialanschlüsse der Spannungsquellen je nach Stellung der Schalter der Brückenschaltung umkehrbar sind, so daß sich die Stromrichtung durch den Arbeitsspalt jeweils ändern läßt. Die Umkehrung der Stromrichtung kann wahlweise von Impuls zu Impuls aber auch innerhalb eines Impulses erfolgen, so daß sich die gewünschte Anpassung an den Bearbeitungsvorgang ergibt.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform besteht aus einer Brückenschaltung aus vier paarweise gemeinsam steuerbaren Schaltern, die insbesondere Leistungstransistoren (Power-MOSFEts) sein können, die an zwei parallel geschaltete Spannungsquellen, denen jeweils ein insbesondere veränderbarer Vorwiderstand zugeordnet ist, angeschlossen ist. Die Ansteuerung der Schalter erfolgt dabei so, daß immer entweder die eine oder die andere Brückendiagonale stromführend ist, wobei stets die Summe der aus den beiden Spannungsquellen gelieferten Ströme den Arbeitsspalt in der gewünschten Stromrichtung durchfließt. Innerhalb der Brückenschaltung befinden sich bei dieser Ausführungsform keine nennenswerten ohm′schen Widerstände. Daher ist es in einer Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform möglich, die für die automatisierte Steuerung des Bearbeitungsvorgangs wichtige Betriebskenngröße Arbeitsspaltspannung (= Spannung über dem zwischen Werkstück und Elektrode gebildeten Arbeitsspalt) direkt an den Anschlußpunkten der Brückenschaltung an die Gleichspannungsversorgungsquelle abzugreifen. Bei üblichen bekannten Vorrichtungen ist ein solcher Spannungsabgriff nur direkt über dem Arbeitsspalt möglich. Dies führt dazu, daß der Detektoreinrichtung für die Arbeitsspaltspannung im Falle einer bezüglich der Stromrichtung umkehrbaren Stromversorgung noch ein Absolutwertbildner nachgeordnet werden müßte, um jeweils den Betrag des Stromes unabhängig von seinem Vorzeichen erfassen zu können. Dies ist nicht mehr erforderlich, wenn die Detektoreinrichtung parallel zur Brückenschaltung an die Anschlußpunkte der Gleichspannungsversorgungseinheit angeschlossen ist, da unabhängig vom Vorzeichen des Stromes im Arbeitsspalt stets die vorzeichenrichtige Spannung gemessen wird.

Das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung kann beispielsweise als Eingangssignal für die Steuereinrichtung verwendet werden, so daß eine automatisierte Umschaltung eines gewünschten Schalterpaares und somit eine automatisierte Werkstückbearbeitung ermöglicht wird.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die Brückenschaltung aus sechs steuerbaren Schaltern gebildet wird, von denen vier Schalter paarweise in parallelen Brückenzweigen liegen, wobei die in den parallelen Brückenzweigen liegenden Schalter verschiedenen Spannungsquellen zugeordnet sind.

Diese Ausführungsform besteht aus zwei Teilbrücken, die jeweils von einer Spannungsquelle versorgt werden, und denen eine Brückenhälfte gemeinsam ist. Auch bei dieser Ausführungsform läßt sich die Stromrichtung durch den Arbeitsspalt verändern, wenn jeweils drei Schalter gruppenweise umgeschaltet werden. Durch die Erweiterung der Brücke ergibt sich der Vorteil, daß die Spannungsquellen ohne Vorschaltung eines ohm′schen Widerstandes direkt an der ihnen jeweils zugeordneten Teilbrücke anliegen. Durch die Aufteilung der Vorwiderstände innerhalb der Brückenschaltungen ergibt sich der Vorteil, daß die Anschlußpunkte der Brücken jeweils an einem starren durch die Spannungsquellen gebildeten Potential liegen, welches nunmehr nicht mehr abhängig ist von dem Spannungsabfall am Vorwiderstand.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung,

Fig. 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Modifikation zur Ausführungsform von Fig. 2 und

Fig. 4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken. Dabei sind zwei parallel geschaltete Spannungsquellen 3a, 3b vorgesehen, die über einen Schalter 2 mit Elektrode 1a und Werkstück 1b verbunden sind. Im Versorgungszweig der Spannungsquellen 3a, 3b liegen jeweils veränderbare Vorwiderstände 5a, 5b sowie im Zweig der Spannungsquelle 3a mit der niedrigeren Spannung U₁ im Vergleich zur höheren Spannung U₂ eine Vorschaltdiode 4.

Eine solche nach dem Prinzip der Zündüberlagerung funktionierende Schaltung bewirkt zunächst ein Zünden des Funkens bei der höheren Spannung U₂, die durch die Spannungsquelle 3b geliefert wird und im folgenden eine Versorgung der Bearbeitungseinheit 1a, 1b mit einem hohen Bearbeitungsstrom, welcher durch eine Spannungsquelle 3a mit einer vergleichsweise geringen Spannung U₁ geliefert wird. Durch die Vorwahl des Verhältnisses der Vorwiderstände 5a, 5b läßt sich der Innenwiderstand der Parallelschaltung aus den Spannungsquellen U₁ und U₂ (3a bzw. 3b) so einstellen, daß sich eine optimale Anpassung an die gewünschte Bearbeitung des Werkstücks ergibt. Damit die von den Spannungsquellen 3a, 3b gelieferten Ströme voneinander entkoppelt sind, ist im unteren Zweig die Diode 4 vorgesehen.

Das in Fig. 2 dargestellte erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung geht von dem in Fig. 1 dargestellten Schaltdiagramm aus. Jedoch befindet sich die Bearbeitungseinheit aus Elektrode 1a und Werkstück 1b nunmehr im Querzweig e einer Brückenschaltung, welche durch vier elektronische Schalter 2a, 2b, 2c, 2d gebildet wird. Durch Schließen der Schalter 2a und 2b unter gleichzeitigem Öffnen der Schalter 2c und 2d läßt sich der Arbeitsspalt zwischen Elektrode und Werkstück in der einen Stromrichtung beaufschlagen und beim Öffnen der Schalter 2a, 2b und Schließen der Schalter 2c, 2d in der anderen. Die Ansteuerung der elektronischen Schalter, bei denen es sich vorzugsweise um MOS-Feldeffekttransistoren handelt, erfolgt mittels einer Steuereinheit 6. Die Schalter zeichnen sich dabei durch eine hohe Schaltgeschwindigkeit verbunden mit einer hohen schaltbaren Leistung aus. Hinsichtlich ihrer Schalteigenschaften kommen sie somit einem idealen Schalter sehr nahe. Verluste bzw. Umschaltvorgänge bedingt durch endliche Schaltzeiten der Schalter werden daher weitgehend ausgeschlossen.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung zeigt eine Modifikation des in Fig. 2 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei ist der Bearbeitungseinheit mit der Brückenschaltung eine Detektorschaltung 7 nachgeordnet, die parallel zu den Anschlußpunkten der Brückenschaltung an die Gleichspannungsversorgungsquelle angeschlossen ist. Über eine Steuerleitung 8 ist die Detektoreinrichtung 7 mit der Steuereinrichtung 6 verbunden.

Der Ausgang der Detektoreinheit 7 kann beispielsweise zur automatisierten Bearbeitung des jeweiligen Werkstückes ausgenutzt werden, da das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 7 proportional der Spannung über dem Bearbeitungsspalt zwischen Elektrode 1a und Werkstück 1b ist. Das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 7 ist dabei unabhängig von der Richtung des Stromes durch den Arbeitsspalt. Die Anschlußpunkte der Detektoreinrichtung 7 an die Brückenschaltung sind nämlich so gewählt, daß die dort meßbare Spannung unabhängig davon ist, welche der beiden Diagonalen der Brücke jeweils stromführend ist. Aufgrund des vernachlässigbaren Spannungsabfalls über den durchgeschalteten Transistoren 2a, 2b oder 2c, 2d entspricht die an den Einspeisungspunkten der Brückenschaltung anliegende Spannung somit direkt der Spannung am Arbeitsspalt. Hierdurch bedingt kann der Schaltungsaufbau der Detektoreinrichtung 7 denkbar einfach sein, da ein besonderer Schaltungsaufwand, beispielsweise ein Betragsbildner für das Detektorsignal, entfällt.

Über die Steuerleitung 8 wird die Detektoreinrichtung 7 mittels der Steuereinrichtung 6 zu den für den Regelvorgang gewünschten Zeitabschnitten aufgesteuert, so daß am Ausgang der Detektoreinrichtung 7 die entsprechende Meßwertfolge für die Regelaufgaben zur Verfügung steht.

Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt.

Die dort dargestellte Schaltung unterscheidet sich von den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Schaltungen dadurch, daß es sich in Fig. 4 um zwei jeweils einer Spannungsquelle 3a, 3b zugeordnete Teilbrückenschaltungen handelt, deren jeweils eine Hälfte identisch ist. Somit besteht die hierdurch gebildete Brücke aus sechs Brückenzweigen, die durch sechs elektronische Schalter 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f gebildet werden. Für die Beaufschlagung des Arbeitsspaltes mit der einen Stromrichtung müssen hierzu die Schalter 2e, 2a, 2b geschlossen und die Schalter 2f, 2c, 2d geöffnet sein. Für die Beaufschlagung in der anderen Stromrichtung müssen die o.g. Schaltergruppen gruppenweise umgeschaltet werden. Die Ansteuerung der Schalter 2a-2f übernimmt auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuereinrichtung 6. Eine Besonderheit der in Fig. 4 dargestellten Schaltung besteht darin, daß die Vorwiderstände 5a, 5b und die Vorschaltdiode 4, die bei den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen im Bereich der Gleichspannungsversorgungseinheit angeordnet sind, nunmehr in die Brücke integriert sind. Dabei sind die Vorwiderstände aus Symmetriegründen in Teilwiderstände 5a′ bzw. 5a′′ sowie 5b′ bzw. 5b′′ aufgeteilt. Auch ist es hierbei erforderlich, anstelle nur einer Diode 4 zwei Vorschaltdioden 4′ bzw. 4′′ vorzusehen, um in beiden Richtungen eine Entkopplung der von den Spannungsquellen 3a bzw. 3b gelieferten Ströme zu erreichen.

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung weist aufgrund der in die Brücke integrierten Vorwiderstände bzw. Dioden den besonderen Vorteil auf, daß an den Anschlußpunkten der Teilbrückenschaltungen unabhängig vom Versorgungsstrom stets ein konstantes Potential anliegt. Das an den Teilbrücken anliegende Potential wird dabei durch die Spannungswerte der Versorgungsspannungen 3a bzw. 3b bestimmt. Der Schaltpunkt eines jeden der Transistoren 2a-2f wird hierdurch stabilisiert, da sich Schwankungen infolge eines veränderten Arbeitsstromes nunmehr nicht mehr auf die Steuerpotentiale der Transistoren auswirken. Somit wird hierdurch die Zündsicherheit der Bearbeitungsvorrichtung insgesamt deutlich erhöht.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten von Werkstücken mittels Gleichspannungsimpulsen bestehend aus einer Bearbeitungseinheit aus Werkstück (1b) und Elektrode (1a) und einer aus mindestens zwei parallel geschalteten Spannungsquellen (3a, 3b) unterschiedlicher Spannungswerte (U₁, U₂) gebildeten Gleichspannungsversorgungseinheit, wobei die Spannungsquellen (3a, 3b) durch mindestens eine Diode (4) voneinander entkoppelt sind und über Vorwiderstände (5a, 5b) mit der Bearbeitungseinheit (1a, 1b) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungseinheit (1a, 1b) den Querzweig (e) einer Brückenschaltung bildet, deren Brückenzweige durch mindestens vier, in zwei Gruppen aufgeteilte, von einer Steuereinrichtung (6) derart steuerbare Schalter (2a-2d; 2a-2f) gebildet werden, daß die Stromrichtung im Querzweig (e) umkehrbar ist oder die Anschlüsse für die Bearbeitungseinheit (1a, 1b) kurzschließbar sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, außerhalb der durch vier paarweise gemeinsam steuerbare Schalter (2a-2d), insbesondere durch Leistungstransistoren (Power-MOSFET) gebildeten Brückenschaltung angeordnete, insbesondere veränderbare, Vorwiderstände (5a, 5b) vorgesehen sind, die jeweils einer von zwei parallel geschalteten Spannungsquellen (3a, 3b) zugeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoreinrichtung (7) zur Erfassung der Spannung am Arbeitsspalt zwischen Werkstück (1b) und Elektrode (1a) vorgesehen ist, die parallel zur Brückenschaltung an die Gleichspannungsversorgungseinheit angeschlossen ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bestehend aus zwei parallel geschalteten Spannungsquellen (3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung aus sechs steuerbaren Schaltern (2a-2f) gebildet wird, von denen vier Schalter (2a, 2c, 2e, 2f) paarweise in parallelen Brückenzweigen liegen, wobei die in den parallelen Brückenzweigen liegenden Schalter (2a, 2c bzw. 2e, 2f) verschiedenen Spannungsquellen (3a bzw. 3b) zugeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwiderstände durch innerhalb der Brücke angeordnete Widerstände (5a′, 5a′′; 5b′,5b′′) gebildet werden.