DE4419600C2 - Maschine zur elektroerosiven Bearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur elektroerosiven Bearbeitung nach dem Oberbegriff des ersten Patent­ anspruches und dient zum Abtragen von elektrisch leitenden Materialien mit drahtförmigen oder körperartigen Werkzeugen (Elektroden) und dem Einsatz eines Dielektrikums.

Das Bearbeiten konventioneller Werkstoffe, insbesondere Stahl, Aluminium, Hartmetall u. a. ist prinzipiell weitest­ gehend 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 Vor­ schubes in Erodierrichtung durch Auswertung der elektri­ schen Spannung des Bearbeitungsspaltes gewonnen wird, so z. B. EP 0 488 187 A2, EP 0 495 985 A1 sowie WO 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 (WO 85/02 800).

Auch in DE - Buch, M. Feuerer: "Elektroerosive Metallbear­ beitung", Vogel-Buchverlag Würzburg, 1983, S. 104 bis 111 wird dargelegt, daß unter anderem der Soll-Ist-Wert Vergleich der Spannung eine Methode zur Steuerung des Erodierprozesses darstellt.

DE 27 41 773 C2 beschreibt eine Vorrichtung für eine Funken­ erosionsmaschine, mit welcher durch einen Soll-Ist-Wert Vergleich der Spannungen eine problemlose Änderung der axialen und radialen Bearbeitungsrichtung erfolgen soll. Dazu wird die Differenz eines die Funktionsweise kennzeichnenden Spannungsistwertes und eines Spannungs­ sollwertes einer Teilungsschaltung zugeführt. Diese erlaubt eine Einstellung des Verhältnisses der Teilungssignale und ist jeweils mit einer Schaltung zur Steuerung des relativen Axialvorschubes und der Translationsbewegung der Elektroden verbunden. Durch das Verschieben des Schleifers der Teilungsschaltung kann man das Verhältnis zwischen den Sollwerten ändern, um auf diese Weise die Translations­ bewegung in allen Richtungen zwischen der Richtung der Vorschubachse und den zu dieser Achse senkrechten Richtungen ausrichten.

In DE 40 42 731 C2 wird ebenfalls eine elektrische Entladungsmaschine beschrieben, deren Steuerungssystem auf Basis der Auswertung der Spaltspannung arbeitet. Mit dieser Erfindung sollen sich die Elektroden schnell von einem Kurzschluß erholen und die Totzeit nach Auftreten des Kurzschlusses verkürzt werden. Bei der Bearbeitung von Sonderwerkstoffen Titan, technische Keramik usw. wirkt sich die Verkürzung der Totzeiten jedoch negativ auf den Erodierprozeß aus.

Nachteil sämtlicher bekannter Verfahren sind die einge­ engten Tastverhältnisse (d. h. die Steuerung ist immer vom Tastverhältnis abhängig), wodurch Sonderwerkstoffe, die einen inhomogenen Aufbau und geringe elektrische Leit­ fähigkeit aufweisen, wie z. B. Titan, technische Keramik, mono- und polykristallinem Diamant sowie Verbundwerkstoffe nur unwirtschaftlich bearbeitet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine zur elektro­ erosiven Bearbeitung zu entwickeln, mit welcher insbesondere Sonderwerkstoffe effektiv und mit hoher Qualität bearbeitet werden können und die eine gezielte Einflußnahme auf die Oberflächenqualität des Werkstücks ermöglicht.

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 normierten Spaltspannung und/oder die Differenz des Entladestromes mit einem Sollwert gebildet und die sich daraus ergebende 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 Komparator (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 einen 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 Ausgangswert 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, technischer Keramik, mono- und polykristallinem Diamant sowie Verbundstoffen und anderen Werkstoffen, die eine geringe elektrische Leitfähigkeit und einen inhomogenen Aufbau aufweisen und einen hohen Schmelzpunkt haben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert.

In der Figur 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 7. 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 7 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 Prozeßparametern, insbesondere der Zündverzögerungszeit, als Gütekriterium ausgewertet und weiterverarbeitet. Dazu wird die Differenz der normierten Spaltspannung U_Spn mit einem Sollwert U_Spsoll gebildet. Die daraus gebildete Regelabweichung ΔU_Sp wird wie nachfolgend beschrieben weiterverarbeitet.

Ein Komparator 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 wird die mittlere eingebrachte Energie verringert.

Die erfindungsgemäße Maschine sichert mit der analogen Vorschubregelung eine qualitätsgerechte und wirtschaftliche Fertigung, insbesondere bei den vorgenannten Sonderwerk­ stoffen und bei den Anforderungen einer Präzisions­ bearbeitung bei einfacher Handhabung.

Claims (4)

1. Maschine zur elektroerosiven Bearbeitung mit einer Soll- Ist-Wert Regelung der Vorschubbewegung der Elektrode auf Basis der gemessenen Spaltspannung, wobei der Soll-Ist- Wertvergleich derart erfolgt, daß eine Regelabweichung (ΔU_Sp) als Differenz des Sollwertes der Spaltspannung (U_{Sp soll}) mit der während des Erodierprozesses wirkenden Spaltspannung (U_sp) und/oder eine Regelabweichung (ΔI_Sp) als Differenz des Sollwertes des Entladestromes (I_Spsoll) mit dem während des Erodierprozesses wirkenden Entladestrom (I_sp) gebildet wird und daß in Abhängigkeit von der Regelabweichung (ΔU_Sp) und/oder (ΔI_Sp) entschie­ den wird, ob zur Erodierprozeßstabilisierung eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung der Elektrode erforder­ lich ist und welchen Betrag die Vorschubbewegung aufweisen soll, wobei der Ansteuereinheit des Schritt­ motors (M/G) der Betrag der Vorschubgeschwindigkeit und das Richtungssignal der Vorschubbewegung zugeführt wird, 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) nach­ geordnet ist, in der die galvanische Trennung erfolgt, und die Spaltspannung (U_Spalt) und/oder der Entladestrom (I_Spalt) an einen nachgeschalteten Mittelwertbildner (5) weitergeleitet wird, dessen Ausgangssignal in den Eingang eines nachgeschalteten Dividierers (7) 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 Mittelwertbildner (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 Ent­ ladestromes (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 Entladestromes (I_spn) und des Sollwertes (I_Spsoll) gebildet wird, wobei die Differenz die Regelabweichung (ΔI_Sp) ist, daß in einem nach­ folgenden Zweipunktglied (9) die Regelabweichung (ΔU_Sp) und/oder (ΔI_Sp) des jeweiligen Signals 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 Über­ tragungsgliedes (8) über einen Spannungs-/Frequenz­ wandler (11) in ein digitales Geschwindigkeitssignal umgewandelt wird, welches die Ansteuerfrequenz (f) der Antriebseinheit (12) bestimmt und somit den Betrag der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit festlegt, wodurch eine analoge vom Tastverhältnis unabhängige Vorschub­ bewegung erzeugt wird.

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

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kennlinie des nichtlinearen Über­ tragungsgliedes (8) einstellbar ist.

4. Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Mittelwertbildners (5) einstellbar ist.