DE2735403B2

DE2735403B2 - Generator zum elektroerosiven Bearbeiten

Info

Publication number: DE2735403B2
Application number: DE2735403A
Authority: DE
Inventors: Ernst Casa Ghiridone Tenero Buehler; Costantino Locarno Tadini
Original assignee: Agie Charmilles SA
Current assignee: Agie Charmilles SA
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-08-05
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE2735403A1; JPS53115996A; IT1085364B; SE7709883L; DE2735403C3; BR7705789A; CH625446A5; US4163887A; JPS6116571B2; FR2384385A1; SE432551B; GB1533949A; FR2384385B1

Description

der Röhrentechnik behaftet: übermäßig hohe Betriebsspannung von mehreren tausend Volt, lange Vorheizzeit, hohe Verlustleistung, kurze Lebensdauer; außerdem sind Thyratrons auch frequenzmäßig zu stark limitiert und zum Abschalten verlangen sie im Prinzip ί dieselben Maßnahmen wie Thyristoren,

Es ist ein Generator der eingangs genannten Art bekannt (CH-PS 550 634), der zur Erzielung einer hohen Produktivität, feiner Oberflächenrauheit und guter Stabilität H. F.-Impulse für den Arbeitsspalt erzeugt, die im Größenbereich bis zu 200OkHz bei allerdings unzureichender Stromstärke von nur einigen wenigen Amperes liegen, wobei die Transistoren im Sättigungsbereich betrieben werden, was unerwünschte Zeitverzögerungen in den einzelnen Schaltzuständen ergibt

In einem weiteren Generator der eingangs genannten Art (DE-AS 15 65 094) wird bei Auftreten eines Kurzschlusses im Arbeitsspalt die Leistungszufuhr zum augenblicklichen Arbeitsimpuls aufrechterhalten, jedoch die Leistungszufuhr für die zeitlich folgenden 2U Arbeitshnpulse reduziert Leistungsstarke Kummpulse können nicht erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsgenerator für die elektroerosive Bearbeitung zu schaffen, der bei günstigem schaltungstechnischen Aufwand und einwandfreier Sychronisierung kurzzeitige Impulse hoher Stromamplitude liefert und damit insbesondere für das funkenerosive Schneiden vorteilhaft ist

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im jo kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierte Schaltungsanordnung.

Die Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand einiger Figuren erklärt Es zeigt

F i g. 1 Prinzipschaltbild des Impulsgenerators, r> F i g. 2 Prinzipskizze für die Impulsverstärkerstufe,

F i g. 3a)-d) Skizzen für die synchrone Überlagerung von mehreren Teilimpulsen zu einem gesamten Entladeimpuls,

Fig.4a)-c'> Skizzen für die Überlagerung von nichtsynchronen mehreren Einzelimpulsen zu einem gesamten Entladeimpuls,

F i g. 5 Skizze für die Anordnung der Zuleitungen vom Impulsgenerator zur Entladestrecke.

In der Fig. 1 enthält die Schaltung für den Impulsgenesator eine Haupt-Gleichspannungsquelle 1, aus der die Entladestrecke über die Ausgangsklemme 4 mit stromstarken Kurzimpulsen, die im Bereich von 1 us liegen und eine Amplitude von 50 bis 500A haben, versorgt wird. Der ZeiUikt dieser Impulse wird an einem einstellbaren Oszillator 3 bestimmt, der die Impulsverstärkerstufen 20, 30 π 0 steuert die die Impulse dann über Strombegrenzungswiderstände 24, 34 η 4 an die Entladestrecke schalten. Eine gleiche aufgebaute Impulsverstärkerstufe 10 wird dabei als Treiberschaltung für die weiteren Impulsverstarkerstuf en verwendet, die auf die Entladestrecke arbeiten.

Der Treiberstrom dieser ersten Stufe wird durch den Strombegrenzungswiderstand 14 gemeinsam mit dem Spannungsabfall auf den Primärwicklungen der Impuls- μ transformatoren 21, 3f η 1 bestimmt. Auch die Treiberschaltung besitzt einen Impulstransformator 11, der die OsziHatortaktsignale in die Treiberschaltung überträgt. Die Hilfsgleichspannungsquelle 2 versorgt die Treiberstufe 10 'ind die Impulsverstärkerstufen 20, <v-, 30. n0 mit einer Spannung, deren Wirkungsweise in Verbindung mit der Erkiä-ung der Fig. 2 im einzelnen beschrieben werden wird. Durch Steuereingänge 16,26, 36, π 6 kann Ober die Transistoren 15, 25, 35, η 5 die Ansteuerung der Treiberstufe 10 bzw. die dvr Impulsverstärkerstufen 20, 30 η0 außer Funktion gesetzt werden.

Zur Kompensation der Leitungsinduktivitäten der verschiedenen Schaltkreise werden die ÄC-G|ieder 200 verwendet, 201/202 für die Treiberstufe und 203/204, 205/206, 200+λ/200+m für die nachgeschalteten Impulsverstärkerstufen. Auch die kapazitiven Wirkungen der Leitungen erfahren eine Kompensation durch das LR-GWcd 100, d. h. durch die Induktivität 101 und den Widerstand 102.

In F i g. 2 wird am Beispiel der Treiberstufe 10 die Funktion dieser Impulsverstärkerstufen erklärt Für alle folgenden Stufen 20,30, π 0 gilt analog das hier gesagte. Vom einstellbaren Oszillator 3 wird der Impulssteuerstrom is auf den Impulstransformator 11 geschaltet Dieser Impulstransformator 11 besteht aus drei Wicklungen Nt, N2 und N 3. Der Impulssteuerstrom Is wird auf die Sekundärseite des T'rinsformators 11 transformiert und erzeugt in der Wicklung N 2 den Basisstrom I_B für den Leistungstransistor IZ Die Sekundärwicklung N2 ist zwischen die Leitung 2b der Spannungsquelle 2 und die Basis des Leistungstransistors 12 geschaltet Auf dieser Wicklung /V2 erscheint beim Anlegen eines Steuerimpulses /5 die Spannung V2 der Spannungsquelle 2, + die Vorwärts-Basisdurchlaßspannung Vbe des Leistungstransistors 12, und es beginnt der Basisstrom Ibzu fließen.

Diese auf der Wicklung N 2 anliegende Spannung wird im Verhältnis N3 zu /V2 auch in der Wicklung N3 induziert Der Leistungstransistor 12 wird durch den Basisstrom /s eingeschaltet und zieht über die Spannungsquelle 1, über die Leitung la und das La-^ctnetzwerk 17 den Laststrom Il, Der Leistungstransistor 12 wird so weit eingeschaltet, bis seine Durchlaßspannung Vce auf den Wert abgesunken ist, wo die Diode 13 vorwärtsleitend wird. In diesem Moment beginnt der Strom Io zu fließen und bewirkt gleichzeitig eine Reduktion des Basisstromes Ib, da der angebotene Steuerstrom Is ungc'ähr konstant bleibt Diese Reduktion des Basisstromes Ib bewirkt nun ihrerseits, daß der Leistungs'.ransistor 12 weniger stark eingeschaltet w>rd, d. h. daß sich seine Spannung Vce wiederum erhöht. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, das näherungsweise unter Vernachlässigung der Durchlaßspannung der Diode 13 und der Basis-Durchlaßspannung Vbe des Leistungstransistors 12 folgendermaßen beschrieben werden kann:

Vce = ungefähr(V2) χ Ν3-.ΝΖ

Die Spannungsquelle 2 kann beispielsweise eine Spannung V2 von 5 V haben und der Transformator 1J kann z. B. aus N1 = 2 Windungen, N2 = 2 Windungen, Λ/3 = 4 Windungen aufgebaut sein. Mit diesen Werten ergibt sich eine geregelte Transistoreinscha'.tspannung Vce des Leistungstransistors 12 von 5V χ 4:2 = 10 V. Man sieht, daß man mit der Hilfsspannungsquelle 2 und der Konstruktion des Impulstransformators 11 jede beliebige Einschalt} pannung V_Ce des Leistungstransistors 12 einstellen kann. Weiterhin versorgt diese Hilfsspannungsquelle 2 während der Pause, wenn kein Steuerstrom l_s anliegt, die Basis des Leistunjstransistors 12 mit einer reversen Spannung, was diesem eine höhere Sperrspannung und bessere Abschalteigenschaften verleiht.

Die relativ hohe und aktiv geregelte Einschaltspannung Vce des Leistungsiransistors 12 ermöglicht ebenso ein sehr rasches und verzögerungsfreics Abschalten

desselben. Der Diodenstrom /» welcher über den Transistor 12 abgeleitet wird, belastet in nur unbedeutendem MaBe diesen Transistor, da er nach dem Transformatorprinzip um so kleiner ist, je höher die Spannung über der Wicklung Λ/3. Über den Stetiereingang 16 kann der Hilfstransistor 15 eingeschaltet werden, welcher seinerseits die Sekundärwicklung /V 2 und /V3 des Pulstransformators 11 kurzschließt. Dadurch werden die Steuerstromimpulse auf der Sekundärseite kurzgeschlossen und die Basis des Leistungstransistors 12 wird auf die Leitung 2b hinuntergeschaltet, was eine sichere Sperrung desselben ermöglicht. Auf diese Weise kann in jedem beliebigen Zeitpunkt jede beliebige Impulsverstärkerstufe UO, 20, 30, nO trotz anliegender Steuersignalen ausgeschaltet werden. Es ergibt sich somit eine einfache und schnelle Einstellmöglichkeit des Impulsstromes auf der Bearbeitungselektrode.

Ein weiteres Äusfuhrungsbeispiei dieser Impulsverstärkerstufen 10,20,30, η0 sieht vor, die Impulstransformatoren 11, 21,31, n\ so zu konstruieren, daß sie nach einer definierten Steuerstromimpulslänge, ζ. Β. größer als 5 μβ des Stromes Is in Sättigung übergehen, somit auf der Sekundärseite kein Signal mehr liefern, und damit selbst bei einem fehlerhaften Steuersignal eine Überlastung der Leistungstransistoren 12, 22, 32, η 2 verhindern. Dies ermöglicht bedeutende Einsparungen bei der Dimensionierung der Leistungselemente, da sie nur für den Impulsbetrieb ausgelegt werden müssen.

Die Fig. 3 und 4 dokumentieren die Wichtigkeit der einwandfreien zeitlichen Synchronisation der einzelnen Impulsverstärkerstufen 20, 30, n0. Die F i g. 3a). 3b). 3c) zeigen beispielsweise drei einwandfrei synchronisierte Impulsströme /ti, /;.2 und //.3, welche auf dem gemeinsamen Ausgangspunkt der Generatorschaltung - FS summiert werden und dort den Summenimpuls fe bewirken. Man sieht sofort, daß die Impulshöhe dieses Gesamtimpulses gleich der Summe der ein2:elnen Impulshöhen der Teilimpulse wird. Die Flankensteilheit dieses Summenimpulses wird beträchtlich größer als die der Einzelimpulse, da die Ein- und Ausschalteten beibehalten werden. Die Fig.4a), 4b) und 4c) zeigen wiederum drei Einzelimpulse Il 1, Λ.2 und //.3, welche jeweils nur um den Betrag ihrer Einschaltzeiten Δι zeitlich versetzt sind. Der Summenimpuls in Fig.4d) dieser schlecht synchronisierten Einzelimpulse erreicht nur noch eine Flankensteilheit, die ungefähr gleich der Einzelimpulse ist, und eine Impulshöhe, die nur noch zwei Drittel der Summe der Impulshöhen der Einzelimpulse entspricht. Der Unterschied zwischen einem Bearbeitungsimpuls wie in F i g. 3d) und jenem in Fig.4d) ist augenfällig. Man sieht, daß das Hauptproblem von stromstarken Kurzimpulsen in der Erzeugung von stellen Einzelimpulsen und deren einwandfreien zeitlichen Synchronisation besteht. Diese Probleme werden durch die Schaltungsanordnung, wie sie nach Fig. 2 erklärt wird, und durch die Sofieschaltung der Primärwicklungen der Impulstransformatoren 21,31 bis η 1 gemäß F i g. I in idealer Weise gelöst.

Fig. 5 zeigt eine vorgeschlagene Ausführungsform der Verkabelung von den Generator-Ausgangsklemmen + FS/— FS bis in den Bearbeitungsraum der funkenerosiven Drahtschneidmaschine. Da solche Drahtschneidmaschinen heute bedeutende Dimensionen erreichen, Verfahrwege der Achsen von annähernd I Meter sind schon geläufig, muß der Verkabelung, bei der Anwendung von stromstnrken Kurzimpulsen, besondere Beachtung geschenkt werden. Von den Ausgangsklemmen der Generalorschaltung + FS/— FS werden die Stromimpulso vorteilhafterweise über mehrere verdrillte Leiterpaare 305, 306 resp. 307, 308 (wovon nur je ein Paar gezeichnet ist) in den Arbeitsraum der Maschine gebracht. Das Werkstück 300 führt in bekannter Weise die der Schnittkonlur entsprechenden Bewegungen relativ zur Drahtelektrode 310 in den beiden Achsen X und Y aus. Die Drahteltktrode 310 wird von einer Drahtvorratsrolle 303 abgewickelt und wenn sie die Erosionszone passiert hat, von der Rolle 304 aufgewickelt.

Die Stromimpulsc werden über die Kontakte 301 und 302 auf die Drahtelektrode 310 übertragen. Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor. daß die Leiterpaare 305,306 resp. 307,308 bis in die Nähe dieser Stromkontakte verdrillt werden, wobei danach die Leitungen 305a und 307a in eimer möglichst engen Schlaufe auf die Aufspanntische 32!1 links und 320 rechts gebracht werden.

Diese Schlaufen sind so angeordnet, daß bei irgendeiner Tischbewegung die eine Schlaufe so viel vergrößert wird, wie die andere sich verkleinert, mit dem Ziel, die resultierende Induktivität im Arbeitsraum konstant zu halten und gleichwohl ein unbehindertes Arbeiten zu ermöglichen.

Damit, und in Verbindung mit den Maßnahmen zur Kompensation der Leitungsinduktivitäten, wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurden, ist es möglich, auch Groß-Maschinen mit einwandfreien Kurzimpulsen zu versorgen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Generator zum elektroerosiven Bearbeiten, bestehend aus einer Hauptspannungsquelle, einem einstellbaren Steueroszillator und mehreren Impulsverstärkerschaltungen mit Leistungstransistoren, deren Kollektoranschlüsse über je einen Strombegrenzungswiderstand auf den Generatorausgang geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

1) die Impulsverstärkerschaltungen Ober Impulstransformatoren angesteuert werden, die je eine Primärwicklung und je zwei Sekundärwicklungen aufweisen, und daß

2) die Emitteranschlüsse der Leistungstransistoren gemeinsam an den entsprechenden Pol der Hauptspannungsquelle und an den ungleichnamigen Pol einer Hilfsspannungsquelle (2) geführ; sind, deren anderer Pol mit den ersten Anschüssen aller ersten Sekundärwicklungen der Impulstransformatoren verbunden ist, und daß

3) je der zweite Anschluß dieser ersten Sekundärwicklungen zusammen mit dem ersten Anschluß der zweiten Sekundärwicklungen an den Basisanschluß des zugeordneten Leistungstransistors angeschlossen ist, und daß

4) je der zweite Anschluß der zweiten Sekundärwicklungen über je eine Diode mit dem Kollektoranschluß des zugeordneten Leistungstransistors verbunden ist, wobei die Spannung der Hilfsspannungsquelle jnd das Windungszahlverhältnis der beiden Sekundärwicklungen so gewählt werden, daß infoi^e der transformatorischen Rückkopplung die Leistungstransistoren in keinem Falle gesättigt werden, und daß

5) die Primärwicklung des Impulstransformators einer ersten Impulsverstärkerschaltung an den einstellbaren Oszillator angeschlossen ist, während alle Primärwicklungen der folgenden Impulsverstärkerschaltungen vom Kuiiektoranschluß des Leistungstransistors dieser ersten Impulsverstärkerschaltung in Serie geschaltet, über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem anderen Pol der Hauptspannungsquelle verbunden werden, und daß

6) parallel zu jedem Strombegrenzungswiderstand eine Widerstand-Kondensator-Kombination geschaltet ist und weiter eine Widerstand-Induktivität-Kombination zum Generatorausgang parallel geschaltet ist.

2. Generator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jede Impulsverstärkerschaltung einen Steuereingang besitzt, welcher über einen Hilfstransistor die Sekundärwicklungen des Impulstransformators kurzschließt und dadurch die Steuersignale dieser Impulsverstärkerschaltung unterdrückt

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulstransformatoren der Impulsverstärkerschaltungen so dimensioniert sind, daß sie nach Überschreitung einer bestimmten Impulszeit in Sättigung übergehen und die Leistungstransistoren der Impulsverstärkerschaltungen dadurch selbsttätig in den nicht-stromleitenden Zustand überführen.

Die Erfindung betrifft einen Generator zum elektroerosiven Bearbeiten, bestehend aus einer Hauptspannungsquelle, einem einstellbaren Steueroszillator und mehreren Impulsverstärkerschaltungen mit Leistungstransistoren, deren Kollektoranschlüsse über je einen Strombegrenzungswiderstand auf den Generatorausgang geschaltet sind.

Es ist bekannt, daß bei der funkenerosiven Bearbeitung die abtragsintensivsten Impulse diejenigen sind, die

ίο bei kurzer Dauer der Entladung einen möglichst hohen Energieumsatz erreichen können, das heißt, die innerhalb dieser kurzen Entladedauer einen besonders starken Entladestrom erzeugen können. Besonders im Verfahren des funkenerosiven Schneidens ist der Bedarf

is r?.ch stromintensiven Kurzimpulsen vorrangig, da man dabei im allgemeinen auf den Verschleiß der Elektrode weniger Rücksicht zu nehmen hat Dieser kann vielmehr durch Erhöhung der Drahtlaufgeschwindigkeit kompensiert werden. Bei der Anwendung von stromstarken Kurzimpulsen kann weiterhin vorteilhaft ausgenutzt werden, daß sich die Physik des Abtragsraechanäsmus von einem »Schmelzabtrag« mehr zu einem »Abtrag durch Verdampfen« verlagert, und so eine relativ geringe Schädigung der Oberflächen des bearbeiteten Werkstücks entsteht, da sich eine sehr scharfe Temperaturgrenze zwischen dem durch die Verdampfung erfaßten MaterJalanteil und dem übrigen Werkstoff bildet Beim funkenerosiven Schneiden werden Stromimpulse, welche mehrere Mikrosekunden dauern,

ίο durch die unvermeidbare Bewegung der sensiblen Drahtelektrode (Schwingung) in ihren Parametern während der Entladung beeinflußt Durch den Einsatz von stromstarken Kurzimpulsen im 1-Mikrosekundenbereich kann erreicht werden, daß dieser störende

js Einfluß des Drahtes auf den Endadeverlauf eliminiert wird, weil die Entladung im Vergleich zu dem

Bewegungsverhalten der Elektrode viel zu kurzzeitig

erfolgt

Bis zum heutigen Zeitpunkt if' die Erzeugung

leistungsstarker Kurzimpulse im Bereich von 1 μ5 und einigen hundert Ampere mittels Halbleiter immer ein ungelöstes Problem geblieben und wurde gewöhnlich durch Zuhilfenahme von Speichermitteln umgangen.

— Leistungstransistoren haben nämlich die unangenehme Eigenschaft, daß sie beim Impulsbetri.b immtr eine nicht kontrollierbare Ausschalt-VerzÖgerungszeit aufweisen. Es sind zwar sogenannte »Antisältigungsschaltungen« bekannt, welche für den Signal-Anwendungsbereich Verbesserungen bringen, für ^w den Leistungsbereich jedoch absolut ungenügend wirken. Solche Schaltungen würden auch sofort ungemein aufwendig.

— Thyristoren andererseits bedürfen schon ganz ,.,. spezieller Maßnahmen, um sie überhaupt wieder aus dem leitenden Zustand zu bringen. Außerdem sind diese Elemente in der Betriebsfrequenz, Stromanstiegszeit und Spannungsanstiegszeit heute noch zu engen Grenzen unterworfen. Anwendungen findet man z. B. in der Radartechnik (Radar Handbook, Seiten 7 -85, Merril Skolnik, Verlag McGraw-Hill),

Bei anderen Schaltungen für stromstarke Kurzimpulse werden sogenannte Wasserstoff-Thyratrons verwendet (z.B. im russischen Erosionsgenerator A671.45, (>■> beschrieben in »Electrochemistry in Industrial Processing and Biology«, Nr. 6. NovVDez. 1975, Seite 83).

Diese Elemente bieten zwar sehr gute Impulseigenschaften, doch sind sie mit den bekannten Nachteilen