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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit Hilfe einer Elektrode,
mit den Schritten
- – In-Kontakt-Bringen des Werkstücks mit
der Elektrode,
- – Einstellen
eines Arbeitsabstandes zwischen der Elektrode und dem Werkstück, wobei
die Lücke zwischen
dem Werkstück
und der Elektrode mit einem Elektrolyt gefüllt gehalten wird, und
- – Leiten
eines Betriebsstroms über
die Elektrode und das Werkstück
durch den Elektrolyt in der Lücke,
um das Werkstück
zu bearbeiten.
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Die Erfindung betrifft weiter eine
Anordnung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit
Hilfe einer Elektrode, wobei zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein Arbeitsabstand eingestellt
wird, während
die Lücke
zwischen dem Werkstück
und der Elektrode mit einem Elektrolyt gefüllt ist, und wobei das Werkstück durch
Leiten eines Betriebsstroms über
die Elektrode und das Werkstück
durch den Elektrolyt in der Lücke
bearbeitet wird, welche Anordnung enthält
- – eine Basis
zum Positionieren eines Werkstücks,
- – einen
Halter zum Positionieren einer Elektrode,
- – einen
Aktuator zum Bewegen des Halters und der Basis relativ zueinander,
- – eine
Detektionseinrichtung zum Detektieren eines Kontakts zwischen der
Elektrode und dem Werkstück
und
- - eine Steuerungseinheit zum Steuern des Aktuators.
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Außerdem bezieht sich die Erfindung
auf eine Steuerungseinheit zum Steuern eines Aktuators in einer
Anordnung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit
Hilfe einer Elektrode.
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Ein solches Verfahren ist aus der
Veröffentlichung "Modelling and Monitoring
Interelectrode Gap In Puls Electrochemical Machining", in Annals of the CIRP,
Bd. 44/1/1995, bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Werkstück mit Hilfe
einer Elektrode in einem Elektrolyt bearbeitet, der aus einer 15%igen
Lösung
von NaCl in Was ser besteht. Diese Veröffentlichung sagt, dass die
Bearbeitungsgenauigkeit höher
ist, wenn ein kleiner Arbeitsabstand zwischen der Elektrode und
dem Werkstück
vorgesehen ist. In einem Testbetrieb ist ein Arbeitsabstand von zumindest
0,1 mm eingestellt worden, woraufhin ein Betriebsstrom durch den
Elektrolyt in der Lücke
zwischen dem Werkstück
und der Elektrode geleitet wird. Gemäß der Veröffentlichung wird dieser Arbeitsabstand üblicherweise
eingestellt, indem die Elektrode und das Werkstück miteinander in Kontakt gebracht
werden und anschließend
die Elektrode in einem gewünschten
Abstand zum Werkstück
plaziert wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass es für den Fall,
dass ein kleiner Arbeitsabstand eingestellt ist, nicht unwahrscheinlich
ist, dass beim Zuführen des
Betriebsstroms zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein Funkenüberschlag
oder ein Kurzschluss auftritt, wodurch die Elektrode und/oder das Werkstück durch
die von dem Betriebsstrom am Ort des Funkenüberschlags oder des Kurzschlusses
erzeugte Wärme
beschädigt
wird.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, die
Wahrscheinlichkeit eines Funkenüberschlags oder
Kurzschlusses zu reduzieren. Hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabstand eingestellt wird
durch
- – Vergrößern des
Abstandes zwischen der Elektrode und dem Werkstück um einen ersten Abstand,
ausgehend vom Vorliegen eines Kontakts zwischen der Elektrode und
dem Werkstück,
gefolgt von
- – Detektieren,
ob der Kontakt zwischen der Elektrode und dem Werkstück unterbrochen
ist und
- – Vergrößern des
Abstandes zwischen dem Werkstück
und der Elektrode um einen zweiten Abstand, wenn die Detektion anzeigt,
dass der Kontakt zwischen der Elektrode und dem Werkstück unterbrochen
worden ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass
ein Bewegen der Elektrode und des Werkstückes voneinander weg über einen
gewünschten
Abstand, nachdem sie miteinander in Kontakt gebracht worden sind,
nicht immer dazu führt,
dass der gewünschte
Arbeitsabstand eingestellt wird. Infolge eines elastischen Elementes
kann der resultierende Arbeitsabstand kleiner als der gewünschte Arbeitsabstand
sein und ist es sogar möglich,
dass ein elektrischer Kontakt erhalten bleibt. Die Wahrscheinlichkeit
hierfür
ist erheblich, wenn der gewünschte
Arbeitsabstand in der Größenordnung
von Mikrometern liegt. Das genannte elastische Element kann Teil
der Anordnung sein, die zum Positionieren der Elektrode in Bezug
auf das Werkstück
verwendet wird, und/oder kann durch einen Grat oder eine Verunreinigung
in der Lücke
gebildet werden. Wenn der Arbeitsabstand kleiner ist als gewünscht, ist
die Stromdichte höher
als gedacht und besteht ein großes
Risiko von Ausgasen in der Lücke.
Daher besteht ein großes
Risiko eines Funkenüberschlages.
Wenn der elektrische Kontakt erhalten bleibt, nachdem der Arbeitsabstand
eingestellt worden ist, wird die Stromdichte am Ort dieses elektrischen
Kontaktes infolge des Betriebsstroms so hoch sein, dass die Elektrode und/oder
das Werkstück
beschädigt
werden können. Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
sorgen dafür, dass
die tatsächliche
Lücke zumindest
die Größenordnung
des zweiten Abstandes hat. Dies verhindert Kurzschließen oder
die Bildung eines Funkenüberschlages.
Infolge dieser Maßnahmen
ist das Risiko der Beschädigung
des Werkstückes
und/oder der Elektrode wesentlich geringer und kann ein Arbeitsabstand
in der Größenordnung
einiger Mikrometer in zuverlässiger
Weise eingestellt werden.
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Die Maßnahme nach Anspruch 2 hat
den Vorteil, dass die Unsicherheit hinsichtlich der Größe des eingestellten
Arbeitsabstandes in Bezug auf die mittlere Größe des eingestellten Arbeitsabstandes klein
ist. Dies führt
zu einer gleichmäßigen Auflösungsgeschwindigkeit
und einer genauen Reproduktion der Elektrode.
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Die Maßnahmen nach Anspruch 3 haben den
Vorteil, dass, wenn der elektrische Kontakt durch das Vorhandensein
eines Grats oder einer Verunreinigung nicht unterbrochen wird, der
Grat oder die Verunreinigung durch Vergrößen des Abstandes zwischen
der Elektrode und dem Werkstück
losgelöst werden
kann und beispielsweise mit dem Elektrolyt zusammen weggespült werden
kann. Der optimale Wert für
den dritten Abstand hängt
von der Geometrie ab und wird in der Praxis ungefähr 0,1 mm
betragen.
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Die Maßnahme nach Anspruch 4 hat
den Vorteil, dass es möglich
ist, eine Drift im Arbeitsabstand periodisch zu korrigieren und
dass bei einer Vergrößerung der
Lücke der
Elektrolyt besser durchfließen
kann und daher besser erneuert werden kann.
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Die Maßnahme nach Anspruch 5 hat
den Vorteil, dass die Größe des Arbeitsabstandes
während
des Auflösens
des Werkstücks
nahezu konstant bleibt.
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Die Maßnahme nach Anspruch 6 ist
ein einfaches Verfahren zum Schätzen
der Auflösungsgeschwindigkeit.
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Die Maßnahme nach Anspruch 7 hat
den Vorteil, dass das Vorhandensein eines Kontaktes zwischen der
Elektrode und dem Werkstück
mit einfachen Mitteln detektiert werden kann.
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Die Maßnahme nach Anspruch 8 hat
den Vorteil, dass einerseits die Spannung hoch genug ist, um Rauschen
und Batterieeffekte zwischen dem Werkstück und der Elektrode zu minimieren,
und andererseits die Spannung niedrig genug ist, um ein Auflösen der
Elektrode oder des Werkstückes
zu verhindern.
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Die Maßnahme nach Anspruch 9 hat
den Vorteil, dass sich das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit
auflöst,
wenn die Stromdichte hoch ist, und sich mit niedriger Geschwindigkeit
auflöst,
wenn die Stromdichte niedrig ist. Da die Stromdichte abnimmt, wenn
der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück zunimmt,
sorgt die Maßnahme dafür, dass
die so genannte laterale Auflösung
begrenzt bleibt und die bearbeitete Oberfläche des Werkstückes ungefähr ein Negativ
der Elektrodenoberfläche
ist.
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Die Maßnahme nach Anspruch 10 hat
den Vorteil, dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit
wesentlich höher
sind als bei den nach dem Stand der Technik verwendeten Größen für die Arbeitsabstände. Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
ermöglichen
somit das Herstellen eines kleinen Arbeitsabstandes in zuverlässiger Weise,
sodass die genannten Vorteile ohne erhöhtes Risiko einer Beschädigung des
Werkstückes
und/oder der Elektrode erhalten werden können. Es hat sich gezeigt,
dass die Maßnahmen
nach Anspruch 11 besonders zufriedenstellende Ergebnisse liefern.
Der optimale Wert des ersten Abstandes hängt von den Bewegungstoleranzen
ab und der Elastizität
der Anordnung und wird vorzugsweise empirisch bestimmt. Der optimale
Wert des zweiten Abstandes hängt
insbesondere von der Geometrie der Elektroden ab und wird auch vorzugsweise
empirisch bestimmt.
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Die Anordnung und die Steuerungseinheit gemäß der Erfindung
sind dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit ausgebildet
ist,
- – um
einen ersten Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück einzustellen,
- – um
zu detektieren, ob der Kontakt zwischen der Elektrode und dem Werkstück unterbrochen
ist, und
- – um
den Abstand zwischen dem Werkstück
und der Elektrode um einen zweiten Abstand zu vergrößern.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 schematisch
eine Anordnung 1 für
die elektrochemische Bearbeitung eines Werkstückes 2 mit Hilfe einer
Elektrode 3,
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2 schematisch
die Größe der Lücke 4 zwischen
dem Werkstück 2 und
der Elektrode 3 und die Spannung U als Funktionen der Zeit
während
des Ausführens
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 schematisch
den Abstand d zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 3 und
die Spannung U als Funktionen der Zeit während des Ausführens des
erfindungsgemäßen Verfahrens
für den Fall,
dass sich gezeigt hat, dass der Kontakt nicht unterbrochen ist,
nachdem der Abstand zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 3 um
den ersten Abstand d erhöht
worden ist und
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4 eine
graphische Darstellung, die die Auflösungsgeschwindigkeit Vf als
Funktion des Arbeitsabstandes dw für verschiedene Betriebsspannungen
U1 und U2 darstellt.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Anordnung 1 zur elektrochemischen
Bearbeitung eines Werkstücks 2 mit
Hilfe einer Elektrode 3. Die Anordnung 1 umfasst
eine Basis 6 zum Positionieren eines Werkstücks 2,
einen Halter 7 zum Positionieren einer Elektrode 3 und
einen Aktuator 8 zum Bewegen des Halters 7 und
der Basis 6 relativ zueinander. Die Basis 6 und
der Aktuator 8 sind auf einem starr konstruierten Chassis 9 montiert,
um es zu ermöglichen, einen
Arbeitsabstand dw zwischen der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 mit
hoher Genauigkeit einzustellen. Die Anordnung umfasst weiterhin
ein Reservoir 10, das so mit einem Elektrolyt 5 gefüllt ist,
dass die infolge des Arbeitsabstandes dw zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2 gebildete
Lücke 4 mit
dem Elektrolyt 5 gefüllt
wird. Im vorliegenden Fall umfasst der Elektrolyt NaNO3,
das in Wasser gelöst ist.
Als Alternative ist es möglich,
einen anderen Elektrolyt zu verwenden, wie beispielsweise Natriumchlorat
oder eine Kombination aus NaNO3 und einer
Säure.
Der Elektrolyt 5 wird mit Hilfe einer nicht abgebildeten
Anlage durch die Lücke 4 gepumpt.
Mit Hilfe der Anordnung 1 kann das Werkstück 2 bearbeitet werden,
indem ein Betriebsstrom I von einer Stromversorgung 40 aus
durch den Elektrolyt 5 über
die Elektrode 3 und das Werkstück 2 in die Lücke 4 geleitet
wird. Bei richtiger Polarität
des Betriebsstroms I führt
dies dazu, dass Material des Werkstücks 2 am Ort eines
kleinen Abstandes zwischen der Elektrode und dem Werkstück in dem
Elektrolyt 5 aufgelöst wird.
Dadurch wird die Form der Elektrode 3 in dem Werkstück 2 kopiert.
Die Anordnung 1 umfasst weiter eine Detektionseinrichtung 20 zum
Detektieren eines Kontaktes zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2 und
eine Steuerungseinheit 30 zum Steuern des Aktuators 8.
Die Detektionseinrichtung 20 umfasst eine strombegrenzte
Spannungsquelle 21, die im vorliegenden Fall eine Spannung
Um von ungefähr
2 V liefert, solange der Strombegrenzer nicht aktiviert ist, und
einen Monitor 22 zum Überwachen
der Spannungsdifferenz U zwischen der Elektrode 3 und dem
Werkstück 2.
Die Steuerungseinheit 30 ist zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgebildet, wie anhand von 2 beschrieben
wird.
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2 stellt
schematisch den Abstand d zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 3 und
die Spannung U als Funktionen der Zeit beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
da. In einer ersten Phase I wird gemäß diesem Verfahren der Schalter 23 (siehe 1) geschlossen und der Abstand
d zwischen dem Werkstück 2 und
der Elektrode verkleinert, bis das Werkstück 2 und die Elektrode
miteinander in Kontakt gelangen. Infolge dieses Kontaktes wird der
Strombegrenzer aktiviert und die Spannung U nimmt auf ungefähr 0 V ab
(Phase II). Anschließend
wird ein Arbeitsabstand dw zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2 eingestellt,
ausgehend vom Vorliegen eines Kontaktes zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2 durch
Vergrößen des
Abstandes d zwischen der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 um
einen ersten Abstand d1 (Phase III), gefolgt durch eine Detektion,
durch Überwachen
der Spannung U, ob der Kontakt zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2 unterbrochen
ist (Phase IV), und Vergrößen des
Abstandes d zwischen dem Werkstück 2 und
der Elektrode 3 um einen zweiten Abstand d2 (Phase V),
wenn die Detektion zeigt, dass die Spannung U wieder ungefähr 2 V ist,
als Angabe, dass der Kontakt zwischen der Elektrode 3 und dem
Werkstück 2 unterbrochen
ist. Vorzugsweise ist der Arbeitsabstand dw kleiner als 50 μm. Zusätzlich wird
die Streuung im tatsächlichen
Arbeitsabstand dw begrenzt, indem ein zuvor bestimmter Wert für den ersten
Abstand d1 gewählt
wird und indem der erste Abstand d1 in Bezug auf den zweiten Abstand d2
relativ klein gewählt
wird. Gute Ergebnisse sind mit d1 zwischen 2 und 10 μm und d2
zwischen 5 und 30 μm
erhalten worden.
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Vorzugsweise wird die Detektion,
durch Überwachen
der Spannung U (Phase IV), ob der Kontakt zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2 unterbrochen
ist, einige Zeit später
ausgeführt,
nachdem der erste Abstand d1 eingestellt worden ist (Phase III).
Es hat sich nämlich
gezeigt, dass in Phase III die Spannung langsam auf den ursprünglichen
Pegel Um zurückkehrt.
Dies wird durch einen Batterieeffekt in dem Elektrolyt 5 verursacht.
Die Detektion, durch Überwachen
der Spannung U (Phase IV), ob der Kontakt zwischen der Elektrode 3 und dem
Werkstück 2 unterbrochen
ist, wird vorzugsweise ausgeführt,
indem bestimmt wird, ob die Spannung U größer als beispielsweise 0,5
Um ist, um den Einfluss von Batterieeffekten und anderen Rausch- oder
Störquellen
auf die Detektion zu minimieren.
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Nachdem der Arbeitsabstand gemäß dem beschriebenen
Verfahren eingestellt worden ist, wird ein Betriebsstrom I von der
Stromversorgung 40 aus während einer Phase VI durch
Schließen
des Schalters 43 beim Arbeitsabstand dw durch den Elektrolyt 5 geleitet.
Vorzugsweise liefert die Stromversorgung 40 eine gepulste
Spannung UP, weil es sich gezeigt hat, dass dies zu einer gleichmäßigeren
Auflösung des
Werkstückes 2 führt als
in dem Fall einer kontinuierlichen Spannung. Anschließend wird
in einer Phase VII der Abstand zwischen dem Werkstück 2 und der
Elektrode 3 um einen Abstand d3 erhöht, sodass der Elektrolyt 5 beim
Arbeitsabstand dw in einfacher Weise erneuert werden kann. Bei einem
Arbeitsabstand dw von einigen 10 Mikrometern ist der Elektrolyt
schnell gesättigt,
weil die Strömungsgeschwindigkeit
des Elektrolyts über
einen solchen Arbeitsabstand nicht ausreichend ist. Nachdem der
Abstand d erhöht
worden ist, wird der Arbeitsabstand dw vorzugsweise wieder gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingestellt, sodass das In-Kontakt-Bringen des
Werkstücks 2 mit
der Elektrode 3 und das Einstellen eines Arbeitsabstandes
dw zwischen der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 periodisch
wiederholt werden.
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In 2 geben
die Buchstaben FF eine Ausführungsform
an, in der während
des Leitens des Betriebsstroms I durch den Elektrolyt 5 die
Elektrode 3 und das Werkstück 2 zueinander gemäß einer
Schätzung
der Geschwindigkeit Vf bewegt werden, mit der das Material aufgelöst wird.
Diese Auflösungsgeschwindigkeit
Vf kann beispielsweise auf Basis der relativen Verlagerung d4 der
Elektrode d3 und des Werkstücks 2 zwischen
zwei Kontaktierungsphasen geschätzt
werden.
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3 zeigt
schematisch den Abstand d zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 3 und
die Spannung U als Funktionen der Zeit während des Ausführens des
erfindungsgemäßen Verfahrens
für den
Fall, dass sich zeigt, dass der Kontakt nicht unterbrochen ist,
nachdem der Abstand d zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 3 um
den ersten Abstand d1 erhöht
worden ist (Phase IV). In diesem Fall wird, ähnlich wie in Phase VII in 2, der Abstand zwischen
dem Werkstück 2 und
der Elektrode um einen dritten Abstand d3 erhöht, woraufhin die Schritte
folgen, wie sie anhand von 2 skizziert worden
sind.
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4 ist
eine graphische Darstellung der Auflösungsgeschwindigkeit Vf als
Funktion des Arbeitsabstandes dw für verschiedene Betriebsspannungen
U1 und U2, für
die gilt U2 > U1.
Diese graphische Darstellung zeigt, dass die Auflösungsgeschwindigkeit
Vf im Wesentlichen mit abnehmendem Arbeitsabstand dw zunimmt. Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
ermöglichen,
viel kleinere Arbeitsabstände
einzustellen als in der zuvor erwähnten Veröffentlichung angegeben werden,
ohne erhöhtes
Risiko einer Beschädigung
des Werkstückes 2 oder
der Elektrode 3 infolge von Kurzschluss oder Funkenüberschlag.
Daher wird eine höhere
Auflösungsgeschwindigkeit
Vf erreicht. Gleichzeitig wird eine höhere Genauigkeit erhalten,
indem Auflösung
in lateraler Richtung schnell zu einem Abstand d führt, der
zu einer verhältnismäßig niedrigen
Auflösungsgeschwindigkeit
Vf führt
(siehe 4), sodass eine
bearbeitete Oberfläche
des Werkstückes 2 ungefähr eine
negative Kopie der entsprechenden Oberfläche der Elektrode 3 ist.
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Es sei bemerkt, dass die Erfindung
nicht auf die verschiedenen dargestellten Varianten begrenzt ist.
Mehrere andere Varianten sind möglich,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der ausschließlich durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert wird. So ist es möglich,
den Kontakt zwischen der Elektrode und dem Werkstück in anderer
Weise zu detektieren, beispielsweise mit Hilfe einer gepulsten Stromquelle
oder Spannungsquelle oder mit Hilfe eines Druckwandlers, der die
auf das Werkstück
von der Elektrode ausgeübte
Kraft misst. Die Detektion, ob der Kontakt unterbrochen ist, nachdem
der Abstand zwischen der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 um den
ersten Abstand erhöht
worden ist, kann auch mit Hilfe eines komplexen Kriteriums ausgeführt werden, wie
der Mittelwert der Spannung U, eventuell in Kombination mit der
Streuung der Spannung U während der
Phase IV. Außerdem
ist es möglich,
durch eine geeignete Geometrie des Elektrolyts ein gutes Erneuern
des Elektrolyts in der Lücke
zu erhalten, wodurch die periodische Vergrößerung der Lücke entfallen
kann.