DE4117620A1

DE4117620A1 - Elektrische entladungsmaschine

Info

Publication number: DE4117620A1
Application number: DE4117620A
Authority: DE
Inventors: Takuji Magara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1991-12-05
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: DE4117620C2; JPH0435811A; US5118915A; JP2630666B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungsmaschine, bei der ein Bearbeitungsspalt bzw. eine Bearbeitungsfläche aus der Anstiegszeit einer Impulsspannung berechnet wird, die zwischen die Elektroden angelegt ist, um die Bearbeitungsoperation zu stabilisieren und zu optimieren.

Fig. 11 zeigt den Aufbau einer konventionellen elektrischen Entladungsmaschine eines Typs, bei dem metallisches oder halbmetallisches Pulvermaterial in eine Bearbeitungslösung eingemischt ist. In Fig. 11 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - eine Elektrode; 2 - einen Bearbeitungstank; 3 - ein Werkstück; 4 - eine Bearbeitungslösung; 5 - eine Glättungsschaltung zum Glätten der Zwischenelektrodenspannung; 6 - eine numerische Steuereinheit; 7 - einen Servoverstärker zum Steuern eines Betätigungsgliedes gemäß den von der numerischen Steuereinheit gelieferten Anweisungen; 8 - einen vom Servoverstärker gesteuerten Elektromotor; 9 - einen Gleitkörper, mit dem die Elektrode 1 fest verbunden ist, wobei der Gleitkörper mit Hilfe des Motors 8 in Z-Achsenrichtung verschiebbar ist; und 10 - eine Leistungsversorgungsquelle für die Entladungsmaschine.

Es ist gemäß dem Stande der Technik bekannt, daß bei einer elektrischen Entladungsmaschine der vorliegenden Art durch Mischen eines Pulvers eines vorbestimmten Materials von etwa 10 bis 40 µm Korngröße mit der Bearbeitungslösung bis zu einer Mischdichte von etwa 20 g/l die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche der Elektrode bzw. des Werkstücks, wie etwa der Korrosionswiderstand und der Verschleißwiderstand, verbessert werden können. Das bedeutet, daß durch die elektrische Entladung sowohl eine Metalloberflächenbehandlung, als auch eine elektrische Entladungsbearbeitung zum Bearbeiten und Beseitigen eines Teils des Metallstückes erfolgt. Pulvermaterialien dieses Typs sind Halbmetalle wie Silicium, Zirkon, Tantal, Wolframkarbid, Zirkonborid, und ihre Verbindungen. Eine Technik zur Bildung einer Oberflächenschicht auf einem Werkstück durch Anwendung einer Bearbeitungslösung mit einem solchen halbmetallischen Pulver erweitert den Anwendungsbereich der elektrischen Entladungsbearbeitung beträchtlich.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine nach Fig. 11 beschrieben.

Die Elektrode 1 steht dem Werkstück 3 mit einem Zwischenelektrodenabstand 4 im Bearbeitungstank 2 gegenüber, welcher mit der das Pulvermaterial enthaltenden Bearbeitungslösung 4 gefüllt ist. Die Leistungsversorgungsquelle 10 weist eine Gleichstromquelle E, ein Schalterelement SW zum Steuern des Anlegens des Bearbeitungsstromes, einen Strombegrenzungswiderstand R, und einen Oszillator OSC zur Steuerung der EIN-AUS-Betätigung des Schalterelementes SW auf. Zwischen der Elektrode 1 und dem Werkstück 3 fließt ein Impulsstrom I. Die Größe des Impulsstroms I ist: I=(E-V_g)/R, wobei V_g die Zwischenelektrodenspannung ist.

Die Zwischenelektrodenspannung V_g liegt während der Lichtbogenentladung zwischen 20 und 30 V. Sie wird null (0) Volt, wenn die Elektrode das Werkstück berührt. Weiter nimmt die Zwischenelektrodenpannung V_g den Wert E an, wenn keine Lichtbogenentladung stattfindet, während sie 0 Volt beträgt, wenn das Schalterelement SW ausgeschaltet ist. Wenn also die Zwischenelektrodenspannung V_g erfaßt und mit der Glättungsschaltung 5 geglättet ist, kann die Größe des Bearbeitungsspaltes entsprechend der geglätteten Spannung gesteuert werden. Das bedeutet, daß wenn der Bearbeitungsspalt groß ist, es recht schwierig ist, Entladungen herbeizuführen, so daß die geglättete Spannung V_s groß ist. Wenn hingegen der Bearbeitungsspalt klein ist, können Entladungen mit Leichtigkeit herbeigeführt werden, wobei die geglättete Spannung Vs klein ist. Die geglättete Spannung Vs wird mit einer Bezugsspannung Vr verglichen. Entsprechend der Differenz zwischen diesen Spannungen liefert die numerische Steuereinheit 6 einen Axialbewegungsbefehl an den Servoverstärker 7. Als Reaktion auf den Befehl steuert der Servoverstärker 7 den Motor 8 an, der den Gleitkörper 9 zusammen mit der Elektrode senkrecht verstellt. Der motorgetriebene Servomechanismus bestehend aus dem Motor 8 und dem Gleitkörper 9 hält den Bearbeitungsspalt G im wesentlichen unverändert.

Es ist auch eine elektrische Entladungsmaschine bekannt, deren Bearbeitungslösung kein metallisches Pulvermaterial enthält. Diese konventionelle elektrische Entladungsmaschine ist hinsichtlich ihres Aufbaus grundsätzlich der in Fig. 11 dargestellten elektrischen Entladungsmaschine gleich, wenngleich sich die erstgenannte Maschine von der zweitgenannten dadurch unterscheidet, daß die Bearbeitungslösung kein Pulvermaterial enthält, wobei jedoch die erstgenannte Maschine betriebsmäßig prinzipiell der letztgenannten entspricht. Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, besteht bei der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine ein allgemeines Verfahren zur Feststellung darüber, ob der Bearbeitungszustand zufriedenstellend ist, darin, die Zwischenelektrodenspannung Vg zu erfassen. Ist die Zwischenelektrodenspannung niedrig, ist die Zwischenelektrodenimpedanz klein. Die Gründe dafür liegen beispielsweise im Auftreten eines Kurzschlusses, einer kontinuierlichen Lichtbogenentladung, und in der Anwesenheit von Metallpulver oder Schlamm im Bearbeitungsspalt.

Im Falle, daß die Bearbeitungslösung Pulvermaterial enthält, ist der Bearbeitungsspalt um ein Mehrfaches größer als wenn daß die Bearbeitungslösung kein Pulvermaterial enthält. Es hat sich aber durch Experimente bestätigt, daß die Größe des Bearbeitungsspaltes erheblich von der Dichte und der Korngröße des Pulvers abhängt. Die Elektrode und das Werkstück bilden einen Kondensator, dessen Kapizität (im folgenden als "Zwischenelektrodenkapazität" bezeichnet) stark die Bearbeitungsoberflächenrauhigkeit beeinflußt. Bei einer mit elektrischer Entladung durchgeführten Bearbeitungsoperation unter Verwendung einer Bearbeitungslösung, die mit Pulvermaterial vermischt ist, wird der Bearbeitungsspalt vergrößert, um die Zwischenelektrodenkapazität zu verkleinern und damit die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche zu verringern.

Wenn also die Pulverdichte durch Verbrauch oder lokalisiertes Niederschlagen des Pulvermaterials verringert wird, nimmt der Bearbeitungsspalt erheblich ab, so daß die Zwischenelektrodenkapazität erhöht und damit die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche verschlechtert wird. Wenn die Bearbeitungslösung Pulvermaterial enthält, nimmt die Häufigkeit der Entstehung unerwünschter Lichtbogenentladungen mit der Abnahme des Bearbeitungsspaltes stark zu, so daß das Werkstück erheblich beschädigt werden kann.

Die elektrische Entladungsbearbeitungsoperation unter Verwendung einer Bearbeitungslösung ohne Pulvermaterial wird durch folgende Schwierigkeit beeinträchtigt: falls eine anormale Lichtbogenentladung auftritt, was bei einer elektrischen Lichtbogenbearbeitungsoperation ein sehr ernster Zwischenfall ist, wird durch thermische Zersetzung der Bearbeitungslösung Kohlenstoff erzeugt, wodurch elektrische Entladungen zwischen dem so erzeugten Kohlenstoff und dem Werkstück verursacht werden, wie wenn die Zwischenelektrodenimpedanz vergrößert worden wäre. Es ist daher unmöglich, über die geglättete Spannung festzustellen, ob der Zwischenelektrodenzustand akzeptabel ist oder nicht.

Die Steuerung des Entladungsspaltes auf der Basis der vorerwähnten geglätteten Spannung krankt an folgenden Schwierigkeiten: wenn sich eine große Menge Schlamm im Entladungsspalt befindet, treten häufig elektrische Sekundärentladungen auf, so daß die geglättete Spannung abnimmt. Obwohl der Bearbeitungsspalt groß ist, liefert der Spannungsvergleich ein Ergebnis, wonach er klein wäre, so daß der Bearbeitungsspalt irrtümlich vergrößert wird. Weiter wird im Falle, daß die Unterbrechungszeit bei konstant gehaltener Bezugsspannung Vr geändert wird, der Bearbeitungsspalt ebenfalls geändert. Infolgedessen ist bei einer automatischen Unterbrechungssteuerung die Einhaltung des Bearbeitungsspaltes nicht gewährleistet, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit negativ beeinflußt wird.

Um die mit der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine verbundenen, oben beschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen, ist beispielsweise in den veröffentlichten geprüften japanischen Patentanmeldungen Nr. 58 262/1986 oder 58 254/1986 ein Verfahren zur Beurteilung des Bearbeitungsspaltes auf der Basis des Unterschiedes zwischen der aktuellen Position und der am weitesten vorgerückten Position der Elektrode vorgeschlagen worden. Das Verfahren weist jedoch immer noch den Nachteil auf, daß die am weitesten vorgerückte Position selber einen Fehler von mehreren Zehntel Micrometern aufweist, und daß bei der lokalisierten Bildung von Rauhigkeitsspitzen durch den Lichtbogen die Meßgenauigkeit erheblich verringert wird.

Demgegenüber wurde durch die veröffentlichte ungeprüfte japanische Patentanmeldung (OPI Nr. 82 127/1981 (die Abkürzung "OPI" bedeutet "ungeprüfte veröffentlichte Anmeldung")) ein Verfahren offenbart, bei dem eine Hochfrequenzspannung an den Bearbeitungsspalt angelegt wird, wobei die Breite des Bearbeitungsspaltes aus der Änderung des im Spalt fließenden Stromes gemessen wird. Das Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, daß zusätzlich eine Hochfrequenzquelle vorgesehen werden muß und daß die Meßgenauigkeit nicht besonders groß ist, weil die Bearbeitungsspaltbreite gemessen wird, während die Änderung des Resonanzzustandes erfaßt wird.

Weiter wird der Einsatz der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine durch folgende Schwierigkeiten beeinträchtigt: wenn die elektrischen Bearbeitungsbedingungen und die Vor- und Rücklaufbedingungen (reciprocation) für eine Bearbeitungsfläche nicht angemessen eingestellt werden, tritt eine Konzentration der Entladung auf, welche die Elektrode anormal aufbraucht bzw. anormale Lichtbögen erzeugt. Deshalb ist es vor Beginn einer Bearbeitungsoperation erforderlich, den Näherungswert der Elektrodenfläche (bzw. der Bearbeitungsfläche) zu berechnen, um so die passenden Betriebsbedingungen für die so berechnete Elektrodenfläche zu bestimmten. Bei einer tatsächlich ablaufenden Bearbeitungsoperation ändert sich allgemein die Bearbeitungsfläche mit dem Fortschreiten der Operation; und deshalb ist es erforderlich, ein Programm zu schreiben, bei dem sich die Bearbeitungsbedingungen mit dem Fortschreiten der Bearbeitungsoperation ändern. Aber selbst wenn sich die Betriebsbedingungen in der genannten Weise ändern, bleiben die folgenden damit verbundenen Probleme nach zu lösen: wenn die Anfangsbearbeitungsfläche besonders klein ist, wie im Falle des Einleitens der elektrischen Entladung mit einer gerippten oder spitzen Elektrode, und wenn dieser Bereich bei fortschreitender Bearbeitungsoperation abrupt zunimmt, oder wenn im Falle, daß die Konfiguration der Elektrode kompliziert ist, kann die mit dem Fortschreiten der Bearbeitungsoperation eintretende Änderung der Bearbeitungsfläche nur schwer beurteilt werden, ist das Programm zur Änderung der Bearbeitungsbedingungen dann notwendigerweise kompliziert, so daß es recht schwierig wird, die in jedem Zeitpunkt am besten passenden Bearbeitungsbedingungen einzuhalten. Somit sind bei der elektrischen Entladungsbearbeitungsoperation mit der erwähnten speziellen Elektrode die Bearbeitungskennwerte, wie etwa die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Bearbeitungsgenauigkeit, stark herabgesetzt.

Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die genannten Schwierigkeiten zu beseitigen, die mit einer konventionellen elektrischen Entladungsmaschine verbunden sind.

Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Entladungsmaschine zu schaffen, bei der der Bearbeitungsspalt bzw. der Bearbeitungsfläche aus der Anstiegszeit eines an den Entladungsspalt angelegten Spannungsimpulses oder eines während einer Entladungspausenperiode gelieferten Erfassungsimpulses zu berechnen, um die Bearbeitungsoperation zu stabilisieren und zu optimieren.

Eine elektrische Entladungsmaschine (Ansprüche 1 bis 3), bei der ein Werkstück mit einer impulsförmigen Spannung bearbeitet wird, die an den vom Werkstück und der Elektrode in einem Bearbeitungstank definierten Bearbeitungsspalt angelegt ist, weist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung folgende Komponenten auf: Meßmittel zum Messen der Anstiegszeit der impulsförmigen Spannung; und Rechenmittel zum Berechnen des Bearbeitungsspaltes oder der Bearbeitungsfläche aufgrund des Meßergebnisses der Meßmittel, so daß die elektrische Entladungsbearbeitungsoperation entsprechend dem Ergebnis der Berechnung stabilisiert wird. Die elektrische Entladungsmaschine mit dem berechneten Bearbeitungsspalt kann sowohl als elektrische Entladungsmaschine eingesetzt werden, bei der eine Bearbeitungslösung mit metallischem oder halbmetallischem Pulvermaterial aus einem Bearbeitungslösungstank in den Bearbeitungsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück im Bearbeitungsgefäß geliefert wird, als auch als elektrische Entladungsmaschine ohne Zufuhr einer Bearbeitungslösung in den Bearbeitungsspalt.

Eine elektrische Entladungsmaschine, bei der ein Werkstück mit einer impulsförmigen Spannung bearbeitet wird, die an den zwischen dem Werkstück und der Elektrode im Bearbeitungstank angelegten impulsförmigen Spannung bearbeitet wird, weist gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung folgende Komponenten auf:
Erfassungsspannungs-Zuführungsmittel zum Anlegen einer Erfassungsimpulsspannung während der Pausenperiode, in welcher keine impulsförmige Spannung angelegt ist;
Meßmittel zum Messen der Anstiegszeit der Erfassungsimpulsspannung; und
Rechenmittel zur Ermittlung des Bearbeitungsspaltes oder der Bearbeitungsfläche aus dem Meßergebnis der Meßmittel und einer voreingestellten Bearbeitungsfläche, so daß die Bearbeitungsoperation entsprechend dem Berechnungsergebnis stabilisiert wird. Die elektrische Entladungsmaschine mit dem berechneten Bearbeitungsspalt kann sowohl als elektrische Entladungsmaschine eingesetzt werden, bei der eine Bearbeitungslösung mit metallischem oder halbmetallischem Pulvermaterial aus einem Bearbeitungslösungstank in den Bearbeitungsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück im Bearbeitungsgefäß geliefert wird, als auch als elektrische Entladungsmaschine ohne Zufuhr einer Bearbeitungslösung in den Bearbeitungsspalt.

Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 stellt ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Erläuterungsdiagramm zum Aufbau einer elektrischen Entladungsmaschine in einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild eines Beispiels der Meßschaltung gemäß Fig. 1 dar;

Fig. 3 stellt ein Zeitdiagramm zur Beschreibung der Betriebsweise der Meßschaltung dar;

Fig. 4 stellt ein Kurvendiagramm über das Verhältnis zwischen dem Bearbeitungsspalt und der elektrostatischen Zwischenelektrodenkapazität dar;

Fig. 5 stellt ebenfalls ein Kurvendiagramm über die Beziehung zwischen der Spannungsanstiegszeit und dem Bearbeitungsspalt dar;

Fig. 6 stellt ein Blockschaltbild zu einem weiteren Beispiel der Meßschaltung der Erfindung dar;

Fig. 7 stellt ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Erläuterungsdiagramm über den Aufbau einer elektrischen Entladungsmaschine in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 8 stellt ein Zeitdiagramm zur Erfassungsimpulsspannung gemäß der Erfindung dar;

Fig. 9 stellt ein Kurvendiagramm über die Beziehung zwischen der Bearbeitungsfläche und der Spannungsanstiegszeit dar;

Fig. 10 stellt ein Kurvendiagramm zur Beschreibung der Optimalsteuerung gemäß der Erfindung dar; und

Fig. 11 stellt ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Erläuterungsdiagramm dar, das den Aufbau einer konventionellen elektrischen Entladungsmaschine wiedergibt.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 stellt ein Diagramm über den Aufbau einer elektrischen Entladungsmaschine in einer ersten Ausführungsform der Erfindung dar. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - eine Elektrode; 2 - ein Bearbeitungsgefäß; 3 - ein Werkstück; 4 - eine Bearbeitungslösung, die ein Pulvermaterial enthält; 5 - eine Glättungsschaltung; 6 - eine numerische Steuereinheit; 7 - einen Servoverstärker; 8 - einen Elektromotor; 9 - einen Gleitkörper; 10 - eine Bearbeitungsleistungsversorgungsquelle; 11 - eine Meßschaltung zum Messen der Anstiegszeit der Bearbeitungsimpulsspannung; 12 - Rechenmittel zur Ermittlung des Bearbeitungsspaltes aus dem Meßergebnis der Meßschaltung 11; 30 - einen Bearbeitungslösungstank; 31 und 32 - Rührer; 33 - eine Pulvermaterialzugabeeinheit; und 34 - ein Pulvermaterialbeseitigungsfilter.

Fig. 2 veranschaulicht die Meßschaltung im einzelnen. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen: 13 und 14 - Bezugsspannungseinstelleinheiten; 15 und 16 - Komparatoren zum Vergleichen der Anstiegsspannung mit den Bezugsspannungen; 17 - einen Bezugszählimpulsgenerator; 18 - eine UND-Schaltung; 19 - eine NAND-Schaltung; 20 - einen Zähler zum Zählen der Spannungsanstiegszeit; und 21 - eine Pufferschaltung zum Halten der Ausgabe des Zählers 20.

Die wie beschrieben aufgebaute elektrische Entladungsmaschine arbeitet wie folgt: Ähnlich wie bei der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine liefert die Bearbeitungsleistungsversorgungsquelle 10 den Bearbeitungsstrom an die Elektrode 1 und das Werkstück 3, um letzteres zu bearbeiten. Bei der elektrischen Entladungsbearbeitungsoperation wird die Zwischenelektrodenspannung Vg durch die Glättungsschaltung 5 in eine geglättete Spannung Vs gebracht. Die geglättete Spannung Vs wird mit einer Bezugsspannung Vr verglichen, und entsprechend der Differenz zwischen den Spannungen liefert die numerische Steuereinheit 6 einen Axialverschiebungsbefehl an den Servoverstärker 7, so daß der Gleitkörper 9 zusammen mit der Elektrode 1 senkrecht verschoben wird. Gleichzeitig mißt die Meßschaltung 11 die Anstiegszeit des Zwischenelektrodenspannungsimpulses.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Meßschaltung 11 legt die Bezugsspannungseinstelleinheit 13 eine in der Anstiegszeit des Spannungsimpulses erreichte niederpegelige Spannung Vr1 an den Komparator 15 an, während die andere Bezugsspannungseinstelleinheit 14 eine hochpegelige Spannung Vr2 an den Komparator 16 legt. In den Komparatoren 15 und 16 wird die Zwischenelektrodenspannung jeweils mit den Bezugsspannungen Vr1 und Vr2 verglichen. Wenn die Zwischenelektrodenspannung größer als die Bezugsspannungen Vr1 und Vr2 ist, liefern die Komparatoren 15 und 16 "H"-Ausgangssignale (hochpegelige Ausgaben). Die Ausgangssignale der Komparatoren werden an die UND-Schaltung 18 geliefert.

Fig. 3 stellt ein Zeitgabediagramm zur Beschreibung der Betriebsweise der Meßschaltung 11 dar. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, gibt die UND-Schaltung 18 eine Folge von Impulsen aus, deren jeweilige Breite den Zeitperioden tr1, tr2, tr3, ..., entspricht, während derer die Zwischenelektrodenspannung von Vr1 auf Vr2 ansteigt.

Die ausgegebenen Impulse (a) der UND-Schaltung 18 und die Ausgangsimpulse des Bezugszählimpulsgenerators 17 werden an die NAND-Schaltung 20 angelegt, die eine Folge von Impulsen (b) ausgibt. Der Zähler 20 zählt die Folge der Impulse (b) und liefert seine Ausgangssignale entsprechend den Anstiegszeiten an die Pufferschaltung 21. Die Pufferschaltung 21 liefert im Zeitpunkt des Abfallens der Ausgangsimpulse (a) Ausgangssignale (c) mit den Werten E1, E2, E3, ..., entsprechend den Anstiegszeiten tr1, tr2, tr3 und hält diese Signale so lange, bis erneut eine Spannung anliegt. Die Ausgangssignale (c) sind digitale Datenwerte, die jedoch der Einfachheit halber als analoge Datenwerte wiedergegeben sind.

Wie oben unter Bezugnahme auf die konventionelle elektrische Entladungsmaschiene beschrieben wurde, ist die geglättete Spannung Vs im Falle, daß die Bearbeitungsbedingungen schlechter werden und ein Kurzschluß oder eine kontinuierliche Lichtbogenentladung stattfindet, nicht immer proportional zur Breite des Bearbeitungsspaltes (oder zum Zwischenelektrodenabstand), so daß es unmöglich ist, die Verschlechterung des Zwischenelektrodenzustandes auf der Basis der geglätteten Spannung zu erfassen.

Andererseits kann der Bearbeitungsspalt aus der Messung der durch die Elektrode und das Werkstück gebildeten elektrostatischen Kapazität ermittelt werden. Die elektrostatische Kapazität (C) kann durch die folgende Gleichung (1) dargestellt werden:

C = ε (S/G) (1)

wobei S die Fläche der Elektrode und des Werkstückes, G die Breite des Bearbeitungsspaltes, und ε die Dielektrizitätskonstante der Bearbeitungslösung ist.

Wenn demgemäß angenommen wird, daß die Elektrodenfläche S bekannt ist, kann der Bearbeitungsspalt G durch Messen der elektrostatischen Kapazität C oder, in geeigneter Weise ermittelter, äquivalenter Daten bestimmt werden.

Andererseits steht die elektrostatische Kapazität C zwischen der Elektrode und dem Werkstück zur Anstiegszeit Tr (tr1, tr2, ...) der an die Pufferschaltung 21 angelegten Spannung in folgenden Beziehungen:

Vr1 = E (1 - e^-t1/RC) (2)

Vr2 = E (1 - e^-t2/RC) (3)

tr = t2 - t1 (4)

Es bedeuten:
R der Widerstand der Bearbeitungsleistungsversorgungsquelle;
E die Spannung der Leistungsversorgungsquelle;
t1 die von der angelegten Spannung benötigte Anstiegszeit auf den Wert Vr1; und
t2 die von der Spannung benötigte Anstiegszeit auf Vr2. Dementsprechend kann mit den aus den Gleichungen (2) und (3) erhaltenen Werten für t1 und t2 die elektrostatische Kapazität C aus dem Wert für tr berechnet werden.

Fig. 4 veranschaulicht den Verlauf der elektrostatischen Kapazität C, die mit Hilfe der Gleichung (1) unter Verwendung der gemessenen Spannungsanstiegszeiten tr berechnet wurde. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ändert sich die elektrostatische Zwischenelektrodenkapazität C mit der Breite des Bearbeitungsspaltes (sie verläuft umgekehrt proportional zum Bearbeitungsspalt (Abstand)), während der auf der Spannungsanstiegszeit tr beruhende Berechnungswert im wesentlichen mit dem Wert der gemessenen elektrostatischen Kapazität C übereinstimmt, so daß sich die Spannungsanstiegszeit tr mit der elektrostatischen Zwischenelektrodenkapazität verändert.

Fig. 5 veranschaulicht den Verlauf der Spannungsanstiegszeit tr relativ zum Bearbeitungsspalt (Abstand). Wie weiter oben gesagt, ändert sich die elektrostatische Kapazität C mit der Breite des Bearbeitungsspaltes. Dementsprechend ändert sich auch die Spannungsanstiegszeit tr stark mit dem Bearbeitungsspalt. Der Bearbeitungsspalt (Abstand) kann also durch Messen der Spannungsanstiegszeit tr bestimmt werden. Das heißt, daß das Meßergebnis der Meßschaltung 11 in vorbestimmten Zeitintervallen durch die Rechenmittel 12 abgelesen wird, so daß die elektrostatische Kapazität C anhand der oben erwähnten Gleichungen (2) und (3) unter Verwendung der Spannungsanstiegszeit tr berechnet wird. Anschließend wird der Bearbeitungsspalt (Abstand) anhand der Gleichung (1) unter Verwendung der im voraus gegebenen Elektrodenfläche berechnet. Der so durch die Rechenmittel 12 bestimmte Bearbeitungsspalt (Abstand) wird an die numerische Steuereinheit 6 geliefert. Die numerische Steuereinheit 6 ändert die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Bearbeitungslösungsbedingungen, und die Vor- und Rücklaufbedingungen entsprechend dem Bearbeitungsspalt (Abstand), um die Bearbeitungsoperation zu stabilisieren und zu optimieren, und sie zeigt den Bearbeitungsspalt und die Bearbeitungsbedingungen auf einer Anzeigeeinheit an.

Dies bedeutet beispielsweise im Falle, daß der Bearbeitungsspalt wächst, daß Lichtbogenentladungen hervorgerufen werden, und daß dementsprechend die numerische Steuereinheit 6 die Bearbeitungsleistungsversorgungsquelle 10 mit dem Ziel der Vergrößerung der Pausenzeit oder der Häufigkeit des Vor- und Rücklaufes steuert. Im Falle, daß der Bearbeitungsspalt anormal abnimmt, setzt die numerische Steuereinheit 6 die Rührer 31 und 32 so lange in Betrieb, bis die im Bearbeitungsgefäß und im Bearbeitungslösungstank befindlichen Bearbeitungslösungen eine gleichförmige Pulverdichte aufweisen. Falls das Umrühren nicht zu einer Vergrößerung des Bearbeitungsspaltes führt, wird das Pulvermaterialbeseitigungsfilter 34 in Betrieb genommen, um das Pulvermaterial zu entfernen, woraufhin die Pulvermaterialzugabeeinheit 33 eingeschaltet wird, um neues Pulvermaterial einzuspeisen.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform mißt die Meßschaltung 11 die für den Anstieg der Spannung von Vr1 auf Vr2 benötigte Zeit. Die Meßschaltung 11 kann jedoch bei dieser Ausführungsform wie folgt geändert werden: die Komparatoren 15 und 16 werden zu einer einzigen Einheit kombiniert, so daß die Anstiegszeit tr durch diejenige Zeit gemessen wird die erforderlich ist, damit die Spannung vom Zeitpunkt ihres Anlegens an den Bearbeitungsspalt auf den Wert Vrl ansteigt.

Diese Modifikation der Schaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Bei der Meßschaltung 11 wird der Ausgangsimpuls des Oszillators OSC der Bearbeitungsleistungsversorgungsquelle 10 an die UND-Schaltung 18 angelegt. Das heißt, daß die in Fig. 6 dargestellte Meßschaltung 11 derjenigen der Fig. 2 entspricht, bei der Vr1=0 ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird nunmehr eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Entladungsmaschine gemäß der Erfindung beschrieben, bei der Komponenten, die funktionsmäßig denjenigen der bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Komponenten entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen oder Buchstaben versehen sind. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, wird die zweite Ausführungsform durch Hinzufügen einer Erfassungsspannungszufuhrschaltung 22 zu der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform erhalten.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform beschrieben.

Wie bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform liefert die Bearbeitungsleistungsversorgungsquelle 10 Strom an die Elektrode 1 und das Werkstück zur Bearbeitung des letzteren. Während der Bearbeitungsoperation wird die Zwischenelektrodenspannung Vg durch die Glättungsschaltung 5 in eine geglättete Spannung Vs überführt. Die geglättete Spannung Vs wird mit einer Bezugsspannung Vr verglichen, und entsprechend der Differenz zwischen den Spannungen legt die numerische Steuereinheit 6 einen Axialverschiebungsbefehl an den Servoverstärker 7 an, so daß der Verschiebungskörper 9 zusammen mit der Elektrode 1 senkrecht verstellt wird. Wie in Fig. 8 dargestellt, legt die Erfassungsspannungszufuhrschaltung 22 eine niederpegelige Impulsspannung von 20 bis 40 V mit einer Pulsbreite im Bereich von einer bis zu mehreren Mikrosekungen (µs) während der Pausenperiode an den Zwischenelektrodenspalt an. Gleichzeitig mißt die Meßschaltung 11 die Anstiegszeit der Erfassungsimpulsspannung. Das heißt, daß in der in Fig. 2 dargestellten Meßschaltung 11 die Bezugsspannungseinstelleinheit 13 die in der Anstiegszeit der Erfassung ermittelte niederpegelige Spannung Vr1 an den Komparator 15 anlegt, während die andere Bezugsspannungseinstelleinheit 14 die höherpegelige Spannung Vr2 an den Komparator 16 anlegt.

In den Komparatoren 15 und 16 wird die erfaßte Zwischenelektrodenspannung jeweils mit den Bezugsspannungen Vr1 und Vr2 verglichen. Wenn die Zwischenelektrodenspannung größer als die Bezugsspannungen Vr1 und Vr2 ist, liefern die Komparatoren 15 und 16 "H"-Ausgangssignale (hochpegelige Ausgaben). Die Ausgangssignale der Komparatoren werden an die UND-Schaltung 18 geliefert. Das Ausgabesignal der UND-Schaltung 18 wird in der gleichen Weise wie im Falle der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung verarbeitet. Die Pufferschaltung 21 erzeugt ein Ausgangssignal (C) entsprechend der Anstiegszahl, welche die Erfassungsimpulsspannung für ihren Anstieg von Vr1 auf Vr2 benötigt.

Bei der zweiten Ausführungsform werden die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform verwendeten Gleichungen (1) bis (4) in der bestehenden Form ebenfalls angewandt, um die elektrostatische Kapazität C aus der Anstiegszeit Tr zu ermitteln. Dementsprechend wird auch der in Fig. 4 dargestellte Verlauf der Spannungsanstiegszeit Tr bezogen auf die elektrostatische Kapazität C in seiner bestehenden Form angewandt. Zusätzlich kann der in Fig. 5 dargestellte Verlauf der Spannungsanstiegszeit Tr, bezogen auf den Bearbeitungsspalt, auf die zweite Ausführungform der Erfindung in der bestehenden Form angewandt werden. Das heißt, daß weil sich die elektrostatische Kapazität C mit dem Bearbeitungsspalt ändert, auch die Spannungsanstiegszeit Tr eine starke Änderung mit der Änderung des Bearbeitungsspaltes erfährt.

Die Spannungsanstiegszeit Tr wird in der beschriebenen Weise gemessen, während der Bearbeitungsspalt in gleicher Weise wie bei der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen ersten Ausführungsform berechnet wird, so daß eine Steuerung entsprechend der Veränderung des so berechneten Bearbeitungsspaltes (Abstand) erfolgt.

Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält die Bearbeitungslösung Pulvermaterial. Es sei jedoch bemerkt, daß das technische Konzept der Erfindung auch auf elektrische Entladungsmaschinen anwendbar ist, die eine Bearbeitungslösung ohne Pulvermaterial verwenden. In diesem Falle erfolgt die Steuerung in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Behandlung des Pulvermaterials.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden die Bearbeitungsbedingungen, etc., entsprechend der Breite des Bearbeitungsspaltes geändert. Andererseits bleibt bei einer elektrischen Entladungsmaschine, die eine Bearbeitungslösung ohne Pulvermaterial verwendet, der Bearbeitungsspalt so lange konstant, wie die Bearbeitungsbedingungen normal sind, so daß die elektrischen Anforderungen unverändert beibehalten werden. Daher können die Bearbeitungsbedingungen, etc., durch Berechnen der Bearbeitungsfläche mit Hilfe der oben genannten Formel (1) geändert werden.

In diesem Falle lesen die Rechenmittel 12 der Fig. 1 oder 7 das Meßergebnis der Meßschaltung 11 in vorbestimmten Zeitintervallen und berechnen die elektrostatische Kapazität C aus der Spannungsanstiegszeit tr mit Hilfe der obengenannten Gleichungen (2) und (3); vgl. Fig. 4.

Der Bearbeitungsspalt ist aufgrund der elektrischen Bedingungen und der geglätteten Zwischenelektrodenspannung Vs bekannt, so daß die Bearbeitungsfläche S aus der Gleichung (1) : S=G×C/ε berechnet werden kann.

Fig. 9 gibt den Verlauf der Spannungsanstiegszeit tr zur Bearbeitungsfläche S wieder. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, ändert sich die Spannungsanstiegszeit tr beträchtlich mit der Bearbeitungsfläche S.

Die so durch die Rechenmittel 12 ermittelte Bearbeitungsfläche wird als Signal an die numerische Steuereinheit 6 geliefert. Letztere ändert die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Bearbeitungslösungsbedingungen und die Hin- und Rücklaufbedingungen entsprechend der Bearbeitungsfläche, um die Bearbeitungsoperationen zu stabilisieren und zu optimieren. Weiter zeigt die Einheit die Bearbeitungsfläche und die Bearbeitungsbedingungen auf dem Anzeigegerät an.

Fig. 10 veranschaulicht die Veränderung der Bearbeitungsfläche im Falle, daß eine gerippte Elektrode verwendet wird. Wie Fig. 10 zeigt, wird die Pausenperiode in Übereinstimmung mit der Änderung der Bearbeitungsfläche gesteuert. Zusätzlich zur Pausenperiode können der Stromspitzenwert, die Hin- und Herlaufbedingungen, die Bearbeitungslösungsbedingungen, und der Bearbeitungsservogewinn gesteuert werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Bearbeitungsspalt oder die Bearbeitungsfläche durch die Gleichung (1) ermittelt. Statt dessen kann auch eine Rechenoperation angewandt werden, bei der die Spannungsanstiegszeit tr und der Bearbeitungsspalt bzw. die Bearbeitungsfläche in Form einer Tabelle geliefert werden, so daß der Bearbeitungsspalt oder die Bearbeitungsfläche aus der Spannungsanstiegszeit tr bestimmt werden kann.

Wie oben beschrieben, wird bei der Erfindung die Anstiegszeit der impulsförmigen Spannung oder des Erfassungsimpulses während der Entladungspausenperiode gemessen. Das Meßergebnis wird zur Bestimmung des Bearbeitungsspaltes verwendet, um die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Bearbeitungslösungsbedingungen und die Hin- und Rücklaufbedingungen zu ändern, während das Meßergebnis bei einer elektrischen Entladungsmaschine, die eine Bearbeitungslösung mit Pulvermaterial benutzt, zur Steuerung der Zugabe oder der Erneuerung des Pulvermaterials oder zum Umrühren der Bearbeitungslösung benutzt wird, um die Bearbeitungsoperation zu stabilisieren und zu optimieren. Somit können anormale Bearbeitungszustände, wie beispielsweise eine Lichtbogenentladung, positiv erfaßt und vermieden werden, und es kann weiter eine Feinbearbeitung mit geringer Oberflächenrauhigkeit erzielt werden, die bisher bei einer großflächigen Bearbeitungsoperation unmöglich erreicht werden konnte. Außerdem kann insbesondere die Bearbeitungstiefe mit großer Genauigkeit gesteuert werden, weil der Bearbeitungsspalt während der Bearbeitung genau erfaßt werden kann.

Weiter wird bei der Erfindung die Anstiegszeit der impulsförmigen Spannung oder die Erfassungsimpulsspannung während der Entladungspausenperiode gemessen. Das Meßergebnis wird zur Bestimmung der Bearbeitungsfläche benutzt, um so die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Bearbeitungslösungsbedingungen und die Hin- und Rücklaufbedingungen zu ändern, so daß die Bearbeitungsoperation stabilisiert und optimiert wird. Daher können anormale Bearbeitungszustände wie beispielsweise eine Lichtbogenentladung oder ein anormaler Elektrodenverbrauch aufgrund einer Konzentration der elektrischen Entladung positiv erfaßt und vermieden werden, mit dem Ergebnis, daß die Bearbeitungsgenauigkeit deutlich verbessert wird. Darüber hinaus kann gemäß der Erfindung der Bearbeitungsstrom in der bestgeeigneten Weise entsprechend der Veränderung der Bearbeitungsfläche genutzt werden, so daß die Bearbeitungsgeschwindigkeit beträchtlich erhöht werden kann, selbst dann, wenn das Werkstück eine komplizierte Gestalt besitzt.

Claims

1. Elektrische Entladungsmaschine, bei der ein Werkstück mit einer impulsförmigen Spannung bearbeitet wird, die an den durch das Werkstück und eine Elektrode in einem Bearbeitungsgefäß definierten Bearbeitungsspalt angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Komponenten aufweist:
Meßmittel zum Messen der Anstiegszeit (tr) der impulsförmigen Spannung; und
Rechenmittel zum Bestimmen des Bearbeitungsspaltes (G) zugleich aus dem Meßergebnis der Meßmittel und der vorbestimmten elektrischen Entladungsbearbeitungsfläche.

2. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel erste und zweite Anstiegszeiten (t₁ und t₂) messen, die jeweils für den Anstieg der Spannung von einem ersten vorbestimmten Spannungswert (Vr₁) auf einen zweiten vorbestimmten Spannungswert (Vr₂) benötigt werden, so daß die Anstiegszeit (tr) entsprechend der Formel (tr=t₂-t₁) ermittelt wird, wobei die genannten Spannungswerte bestimmt sind durch: Vr1 = E (1 - e^-t1/RC) undVr2 = E (1 - e^-t2/RC).

3. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel die Breite des Spaltes (G) aus der Anstiegszeit (tr) und einer Fläche (S) der Elektrode ermittelten, entsprechend der Vorschrift: C = ε (S/G).

4. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel die Bearbeitungsfläche aus dem Meßergebnis der Meßmittel und einem voreingestellten Bearbeitungsspalt ermitteln.

5. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit der impulsförmigen Spannung, die an den durch das Werkstück und die Elektrode definierten Bearbeitungsspalt angelegt ist, in einem Bearbeitungsgefäß bearbeitet wird, wobei dem Bearbeitungsspalt aus einem Bearbeitungslösungstank eine Bearbeitungslösung mit Pulvermaterial zugeführt wird.

6. Elektrische Entladungsmaschine, bei der ein Werkstück mit einer impulsförmigen Spannung, die an den Bearbeitungsspalt zwischen dem Werkstück und einer Elektrode angelegt ist, in einem Bearbeitungsgefäß bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Komponenten aufweist:
Erfassungsspannungs-Zuführungsmittel zum Anlegen einer Erfassungsimpulsspannung während der Dauer einer Pausenperiode, in der die impulsförmige Spannung nicht angelegt ist;
Meßmittel zum Messen der Anstiegszeit der Erfassungsimpulsspannung; und
Rechenmittel zur Ermittlung der Breite des Maschinenspaltes aus dem Meßergebnis der Meßmittel und einer voreingestellten Bearbeitungsfläche.

7. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsspannungs-Zuführungsmittel eine niedrige Impulsspannung von 20 bis 40 V mit einer Impulsbreite in der Größenordnung von einer bis zu mehreren Mikrosekunden an den Zwischenelektrodenspalt anlegen, und wobei die Meßmittel erste und zweite Anstiegszeiten (t₁ und t₂) messen die benötigt werden, damit die Spannung jeweils einen ersten vorbestimmten Spannungswert (Vr₁) und einen zweiten vorbestimmten Spannungswert (Vr₂) erreicht, so daß die Anstiegszeit (tr) entsprechend der Formel (tr=t₂-t₁) erhalten wird, wobei für die Spannungswerte gilt: Vr1 = E (1 - e^-t1/RC) undVr2 = E (1 - e^-t2/RC).

8. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel die Breite des Spaltes (G) aus der Anstiegszeit (tr) und einer Fläche (S) der Elektrode berechnen entsprechend der Formel: C = ε (S/G).

9. Elektrische Entladungsmaschine nach Ansprsuch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenmittel die Bearbeitungsfläche aus dem Meßergebnis der Meßmittel und einer voreingestellten Breite des Bearbeitungsspaltes ermitteln.

10. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit Hilfe der impulsförmigen Spannung, die an den durch das Werkstück und die Elektrode definierten Bearbeitungsspalt angelegt ist, in einem Bearbeitungsgefäß bearbeiten, wobei dem Bearbeitungsspalt aus einem Bearbeitungslösungstank eine Bearbeitungslösung mit Pulvermaterial zugeführt wird.