DE4419600A1 - Maschine zur elektroerosiven Bearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur elektroerosiven Bearbeitung nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches und dient zum Abt ragen von elektrisch leitenden Materialien mit drahtförmigen oder körperartigen Werkzeugen (Elektroden) und dem Einsatz eines Dielek­ trikums.

Das Bearbeiten konventioneller Werkstoffe, insbesondere Stahl, Aluminium, Hartmetall u. a. ist prinzipiell weitestgehend gelöst und wird praktisch angewandt. Wesentliche Probleme während der Bearbeitung bereiten Werkstoffe mit solchen Eigenschaften wie hohem Schmelzpunkt, inhomogenem Aufbau und geringer elektrischer Leitfähigkeit.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Regelung des Vorschubes in Erodierrichtung durch Auswertung der elektrischen Spannung des Bearbeitungsspaltes gewonnen wird, so z. B. EP 0488 187, EP 0 495 985 sowie W 85/02 800. Mit diesen Lösungen wird erreicht, daß in Abhängigkeit der Parameter Impulslänge, -pause, Arbeitsspannung und -strom ein Abtrag am Werkstück erfolgt, ohne daß es durch anormale Erscheinungen zu Störungen des Prozesses wie Lichtbögen, Einbrandstellen o. ä. kommt.

Bei der Bearbeitung von Stahl ist die Arbeitsspannung nur in einem kleinen Bereich variabel, da auf Grund eines zu erreichenden möglichst maximalen Abtrages mit einem Tastverhältnis Impulsdauer gearbeitet wird, bei denen die Pausen wesentlich kleiner gegenüber der Impulslänge sind. Bei konventionellen analogen Vorschubreglern wird die gemessene Arbeitsspannung nach dem Durchlauf eines Tiefpaßfilters mit einem Sollwert verglichen und der Vorschubeinheit zugeführt (W 85/02 800).

Nachteil sämtlicher bekannter Verfahren sind die einge­ engten Tastverhältnisse, wodurch Sonderwerkstoffe, die einen inhomogenen Aufbau und geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie z. B. Titan, technische Keramik, mono- und polykristallinem Diamant sowie Verbundwerkstoffe nur unwirtschaftlich bearbeitet werden können.

Weiterhin weisen kleinere Baugröße bekannter Maschinen generell einen offenen C-förmigen Aufbau auf. Der Vorschub­ antrieb ist am oberen Schenkel des C-förmigen Maschinen­ grundkörpers befestigt und kann lediglich in einer vertikalen Vorschubbewegung verstellt werden.

Der Maschinentisch ist dabei in 2-Achsen horizontal verstellbar. Nachteil dieses Maschinenaufbaus durch die offene C-förmige Gestaltung ist, daß diese Maschinen schwingungsempfindlich sind, wodurch die Bearbeitungs­ qualität negativ beeinflußt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine zur elektro­ erosiven Bearbeitung zu entwickeln, die im wesentlichen schwingungsunempfindlich ist und mit welcher insbesondere Sonderwerkstoffe effektiv und mit hoher Qualität bearbeitet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches und den weiteren Merkmalen in den Unteransprüchen gelöst.

Dazu wird während des Erodierprozesses die Differenz der normierte Spaltspannung und/oder die Differenz des Entladestromes mit einem Sollwert gebildet und die sich daraus ergebene Regelabweichung zur Beeinflussung der Vorschubbewegung der Elektrode genutzt. Die Regelabweichung wird in ein nichtlineares Übertragungsglied mit Begrenzung geleitet, wodurch gewährleistet wird, daß der Betrag der Rückzugsgeschwindigkeit der Elektrode größer ist als der des Vorschubes, um ein Auffahren der Elektrode zu vermeiden. Das im nichtlinearen Übertragungsglied gewonnene Ausgangssignal wird an einen Spannungs-/Frequenzwandler weitergeleitet, und dort in ein adäquates digitales Geschwindigkeitssignal, d. h. die Ansteuerfrequenz des zum Einsatz kommenden Schrittmotors in der Antriebseinheit umgewandelt. Gleichzeitig wird die Regelabweichung in einem Komperator (Zweipunktglied) für die Vorschubbewegung ausge­ wertet. Dabei wird entschieden, ob zur Erodierprozeß­ stabilisierung eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung notwendig ist.

Die für den Bediener notwendigen Informationen werden ebenfalls aus der Regelabweichung in einem weiteren Komperator ausgewertet. Eine Veränderung der Schaltpunkte dieses Zweipunktgliedes kommt einer Veränderung der Empfindlichkeit der Kurzschlußanzeige gleich. Die Anzeige erfolgt optisch und/oder akustisch.

Die normierte Spaltspannung wird durch die Verarbeitung des Spaltspannungswertes gewonnen. Dazu wird die Spaltspannung am Arbeitsspalt erfaßt und über eine Trenn- und Anpaßstufe sowie einem gleitenden Mittelwertbildner an einen Dividierer weitergeleitet. Parallel dazu gelangt von einem Oszillator, der gleichzeitig die Leistungsstufe zum Schalten des Elektrodenstromes steuert, ein Spannungssignal über einen weiteren Mittelwertbildner, zum Dividierer, wobei dieses Signal den Divisor bildet. Der Ausganswert des Dividierers ist die normierte Spaltspannung. Analog erfolgt die Verarbeitung des während des Prozesses auftretenden Entladestromes in einen normierten Entladestrom.

Der Strom- bzw. Spannungs-Sollwert, mit dem die Differenz gebildet wird, kann durch Versuche ermittelt werden und ist ebenfalls normiert. Dabei wird für den jeweiligen Werkstoff die für den Bearbeitungsprozeß günstigste Spaltspannung bzw. der günstigste Entladestrom festgelegt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden gleichmäßigere Be­ dingungen, so z. B. Ionisierungsgrad und Zündverzögerungs­ zeiten, im Spalt während des Erodierens erreicht. Dadurch wird das Wirkverhältnis wesentlich verbessert.

Der entscheinende Vorteil der Erfindung liegt in der vom Tastverhältnis unabhängigen Vorschubregelung, die durch die vorteilhafte Verarbeitung und Auswertung erzielt wird und in der nichtlinearen analogen Vorschubregelung. Durch Leerlaufspannungen bis 800 V werden Bearbeitungsge­ schwindigkeit und Oberflächenqualität wesentlich erhöht, insbesondere bei Sonderwerkstoffen, wie Titan, technische Keramik, mono- und polykristallinen Diamant sowie Verbundstoffen und anderen Werkstoffen, die eine geringe elektrische Leitfähigkeit und einen inhomogenen Aufbau aufweisen und einen hohen Schmelzpunkt haben.

Mit der neuartigen, kompakten und stabilen Portalbauweise wird insbesondere für kleinere Maschinen zur elektroero­ siven Bearbeitung die Schwingungsempfindlichkeit wesentlich verringert. Insbesondere für die Präzisionsbearbeitung ist dieser Vorteil von entscheidender Bedeutung. Durch die horizontale Bewegungsmöglichkeit der Vorschubeinheit wird es möglich, eine Bewegungsrichtung des Arbeitstisches einzusparen, wodurch eine konstruktiv kleinere Gestaltung des Arbeitstisches möglich wird. Dadurch, daß eine horizon­ tale Bewegung von der relativ leichten Vorschubeinheit durchgeführt wird, ist weiterhin eine Energieeinsparung möglich, da nicht für alle horizontalen Bewegungen die große Masse von Tisch und Arbeitsbehälter bewegt werden muß.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Blockschaltbild der Regeleinrichtung zur Vorschubregelung auf Basis der Spaltspannung,

Fig. 2: Portalbauweise der Maschine.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild der Regeleinrichtung des Vorschubes der Elektrode dargestellt. Dabei wird die am Arbeitsspalt 13 erfaßte Spaltspannung U_Spalt galvanisch von diesem in einer Trenn- und Anpaßstufe 4 getrennt, einem gleitenden Mittelwertbildner 5 mit veränderlicher Kennlinie zur manuellen Ausregelung zugeführt. Dessen Ausgangssignal mündet in den Eingang eines Dividierers 6. Parallel dazu gelangt ein Signal von dem Oszillator 1, der gleichzeitig die Leistungsendstufe 2 zum Schalten des Elektrodenstromes ansteuert, ebenfalls in einer Trenn- und Anpaßstufe 5 galvanisch getrennt, über einen gleitenden Mittelwert­ bildner 6 mit den selben Eigenschaften wie der oben aufgeführte, als Divisor zu dem Dividierer 7. Das mit Hilfe des Dividierers 6 gewonnene Signal stellt eine normierte Spaltspannung U_Spn dar, die den Prozeß des Funkenerodierens charakterisiert. Nachfolgend wird dieses analoge Signal in Abhängigkeit von den gewünschten Prozeßparameter insbeson­ dere der Zündverzögerungszeit als Gütekriterium ausgewertet und weiterverarbeitet. Dazu wird die Differenz der nor­ mierten Spaltspannung U_Spn mit einem Sollwert U_Sp soll debildet. Die daraus gebildete Regelabweichung ΔU_Sp wird wie nachfolgend beschrieben weiterverarbeitet.

Ein Komperator 9 wertet die Regelabweichung für die Vorschubbewegung in der Weise aus, daß entschieden wird, ob zur Erodierprozeßstabilisierung eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung notwendig ist.

Die Regelabweichung dient gleichzeitig zur Bestimmung der Vorschubgeschwindigkeit. Dabei wird durch ein nichtlineares Übertragungsglied 8 mit Begrenzung gewährleistet, daß der Betrag der Rückzugsgeschwindigkeit der Elektrode größer als der des Vorschubes ist, um ein Auffahren der Elektrode sowie eine sichere Unterbrechung von Lichtbögen zu erreichen. Die Änderung der Steilheit der Kennlinien des nichtlinearen Übertragungsgliedes 8 ermöglicht eine Anpassung an unterschiedliche mechanische Komponenten. Die Vorschubgeschwindigkeit ist zusätzlich, analog einer betragsmäßigen Multiplikation manuell beeinflußbar, um im notwendigen Maße erforderlich auf den Erodierprozeß in Abhängigkeit der Masse der Elektrode sowie Schwingungs­ eigenschaften Einfluß nehmen zu können.

Rhythmisches Abheben der Elektrode vom Werkstück unterstützt den störungsarmen Funkenerosionsprozeß und führt gleich­ zeitig zu einer zügigen Deionisierung des Arbeitsspaltes.

Das analoge Ausgangssignal des eingesetzten Übertragungs­ gliedes 8 wird mit Hilfe eines Spannungs-/Frequenzwandlers in ein adäquates digitales Geschwindigkeitssignal, die Ansteuerfrequenz des zum Einsatz kommenden Schrittmotors in der Antriebseinheit 12, umgewandelt.

Die Ansteuereinheit des Schrittmotors 12 erhält demnach zu einem das Richtungssignal von dem Komperator 9 und zum anderen den Betrag der Vorschubgeschwindigkeit (Frequenz) aus dem Spannungs-/Frequenzwandler.

Insbesondere bei kritischen Prozessen kann in analoger Weise auch der Entladestrom ausgewertet werden.

Durch die erfindungsgemäße Regelung kann mit beliebigen, soweit technologisch sinnvoll, Tastverhältnissen gearbeitet werden, denn die aufgebaute Vorschubregelung arbeitet unab­ hängig von diesen. Damit wird erstmalig eine zielgerichtete Beeinflussung der Oberflächengestalt (insbesondere Rauheit) sowie ausgewählte Größen der Oberflächenbeschaffenheit, beispielsweise Eigenspannungen, Verfestigungen, Gefügezu­ stand möglich. Diese Beeinflussung geschieht nach dem Prinzip des gezielten Eindringens von Energie während der Elektroerosiven Bearbeitung über ein veränderliches Tastverhältnis. Bei Verkleinerung des Tastverhältnisses wurde die mittlere eingebrachte Energie verringert.

In Fig. 2 ist die, insbesondere für kleine Maschinen zur elektroerosiven Bearbeitung, neuartige Gestaltung darge­ stellt. An dem quaderförmigen Grundkörper 14 ist das Portal 15 befestigt. Daran ist der Vorschubantrieb 16, mit der in z-Richtung verfahrbaren Elektrode 17, in x-Richtung horizontal beweglich angeordnet. Auf dem Grundkörper 14 ist der Arbeitsbehälter 18 in y-Richtung beweglich am Maschinentisch 20 befestigt.

Die Bedienung der Maschine erfolgt über ein separates und/oder im Portal angeordnetes Bedientableau 19, 19a.

Die erfindungsgemäße Maschine sichert eine mit dem neuartigen Aufbau und der analogen Vorschubregelung eine qualitätsgerechte und wirtschaftliche Fertigung insbeson­ dere bei den vorgenannten Sonderwerkstoffe und bei den Anforderungen einer Präzisionsbearbeitung bei einfacher Handhabung.

Claims (7)

1. Maschine zur elektroerosiven Bearbeitung mit einer Soll- Ist-Wert Regelung der Vorschubbewegung der Elektrode auf Basis der gemessenen Spaltspannung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Soll-Ist-Wertvergleich derart erfolgt, daß eine Regelabweichung (ΔU_Sp) als Differenz des nor­ mierten Sollwertes der Spaltspannung (U_{Sp soll}) mit der während des Erodierprozesses wirkenden normierten Spalt­ spannung (U_spn) und/oder eine Regelabweichung (ΔI_Sp) als Differenz des normierten Sollwertes des Entlade­ stromes (I_{Sp soll}) mit dem während des Erodierprozesses wirkenden normierten Entladestrom (I_spn) gebildet wird und daß in Abhängigkeit von der Regelabweichung (ΔU_Sp) und/oder (Δ_ISp) entschieden wird, ob zur Erodierprozeß­ stabilisierung eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung der Elektrode erforderlich ist und welchen Betrag die Vorschubbewegung aufweisen soll, wobei der Ansteuer­ einheit des Schrittmotors (M/G) der Betrag der Vorschubgeschwindigkeit und das Richtungssignal der Vorschubbewegung zugeführt wird und aus diesen beiden Signalen eine analoge, vom Tastverhältnis unabhängige, Vorschubbewegung der Elektrode erzeugt wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Arbeitsspalt (13) zwischen Elektrode und Werkstück die Spaltspannung (U_Spalt) und/oder der Entladestrom (I_Spalt) erfaßt wird, wobei eine galvanische Trenn- und Anpaßstufe (4) nachgeordnet ist, in der die galvanische Trennung erfolgt, und die Spaltspannung (U_Spalt) und/oder der Entladestrom (I_Spalt) an einen nachgeschal­ teten Mittelwertbildner (5) weitergeleitet wird, dessen Ausgangssignal in den Eingang eines nachgeschalteten Dividierer (6) mündet, daß parallel dazu ein Oszillator (1) angeordnet ist, der einerseits die Leistungsstufe (2) zum Schalten des Elektrodenstromes am Arbeitsspalt (13) ansteuert und andererseits über eine galvanische Trenn- und Anpaßstufe (4) und einem gleitenden Mittel­ wertbildner (6) mit dem Dividierer (7) verbunden ist, wobei das über (4) und (6) den Dividierer (7) ankommende Signal den Divisor bildet, und daß das Ausgangssignal des Dividierers (7) das analoge Signal der normierten Spaltspannung (U_spn) und/oder das analoge Signal des normierten Entladestromes (I_spn) und somit den Istwert darstellt, daß danach die Differenz der normierten Spaltspannung (U_spn) und des Sollwertes (U_Spsoll) gebildet wird, wobei die Differenz die Regelabweichung (ΔU_Sp) ist und/oder die Differenz des normierten Ent­ ladestromes (I_spn) und des Sollwertes (I_Spsoll) gebildet wird wobei die Differenz die Regelabweichung (ΔI_Sp) ist, daß in einem nachfolgenden Zweipunktglied (9) die Regelabweichung (ΔU_Sp) und/oder (ΔI_Sp) des jeweiligen ausgewertet und das gewonnene Signal an die Ansteuereinheit (12) des Antriebes der Solleinheit der Elektrode weitergeleitet wird und eine Vor- oder Rückfahrbewegung auslöst, daß parallel dazu die Regelabweichung (ΔU_Sp) und/oder (ΔI_Sp) in einem nichtlinearen Übertragungsglied (8) ausgewertet und das analoge Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungs­ gliedes (8) über einen Spannungs-/Frequenzwandler (11) in ein digitales Geschwindigkeitssignal umgewandelt wird, welches die Ansteuerfrequenz (f) der Antriebs­ einheit (12) bestimmt und somit den Betrag der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit festlegt.

3. Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlaufspannung bis zu ca. 800 V betragen kann.

4. Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des nichtlinearen Übertragungsgliedes (8) einstellbar ist.

5. Maschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Mittelwertbildners (5) einstellbar ist.

6. Maschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschaffenheit und die Oberflächen­ gestalt des Werkstücks gezielt beeinflußt wird.

7. Maschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine in Portalbauweise aufgebaut ist, wobei das Portal (15) an einem im wesentlichen quaderförmigen Maschinenbett (14) angeordnet ist und der Vorschub­ antrieb (16) horizontal beweglich am Portal (15) angeordnet ist.