DE4117620C2

DE4117620C2 - Elektrische Entladungsmaschine

Info

Publication number: DE4117620C2
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: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2011-05-30
Also published as: JPH0435811A; US5118915A; JP2630666B2; DE4117620A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Entladungsmaschine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 7.

Eine derartige elektrische Entladungsmaschine ist aus der JP2-76625A bekannt.

Fig. 11 zeigt den Aufbau einer konventionellen elektrischen Entladungsmaschine eines Typs, bei dem metallisches oder halbmetallisches Pulvermaterial in eine Arbeitsflüssigkeit eingemischt ist. In Fig. 11 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - eine Elektrode; 2 - einen Bearbeitungstank; 3 - ein Werkstück; 4 - eine Arbeitsflüssigkeit; 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 Arbeitsflüssigkeit 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 G im Bearbeitungstank 2 gegenüber, welcher mit der das Pulvermaterial enthaltenden Arbeitsflüssigkeit 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 Arbeitsspaltes entsprechend der geglätteten Spannung gesteuert werden. Das bedeutet, daß wenn der Arbeitsspalt groß ist, es recht schwierig ist, Entladungen herbeizuführen, so daß die geglättete Spannung V_s groß ist. Wenn hingegen der Arbeitsspalt 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 Arbeitsflüssigkeit 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 Arbeitsflüssigkeit 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 Arbeitsspalt.

Im Falle, daß die Arbeitsflüssigkeit Pulvermaterial enthält, ist der Arbeitsspalt um ein Mehrfaches größer als wenn daß die Arbeitsflüssigkeit kein Pulvermaterial enthält. Es hat sich aber durch Experimente bestätigt, daß die Größe des Arbeitsspaltes 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 Arbeitsflüssigkeit, die mit Pulvermaterial vermischt ist, wird der Arbeitsspalt 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 Arbeitsspalt erheblich ab, so daß die Zwischenelektrodenkapazität erhöht und damit die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche verschlechtert wird. Wenn die Arbeitsflüssigkeit Pulvermaterial enthält, nimmt die Häufigkeit der Entstehung unerwünschter Lichtbogenentladungen mit der Abnahme des Arbeitsspaltes stark zu, so daß das Werkstück erheblich beschädigt werden kann.

Die elektrische Entladungsbearbeitungsoperation unter Verwendung einer Arbeitsflüssigkeit 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 Arbeitsflüssigkeit 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 Arbeitsspalt groß ist, liefert der Spannungsvergleich ein Ergebnis, wonach er klein wäre, so daß der Arbeitsspalt irrtümlich vergrößert wird. Weiter wird im Falle, daß die Unterbrechungszeit bei konstant gehaltener Bezugsspannung Vr geändert wird, der Arbeitsspalt ebenfalls geändert. Infolgedessen ist bei einer automatischen Unterbrechungssteuerung die Einhaltung des Arbeitsspaltes 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 JP 61-58 262B oder JP 61-58 254B ein Verfahren zur Beurteilung des Arbeitsspaltes 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 Mikrometern 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 JP 56-82 127A ein Verfahren offenbart, bei dem eine Hochfrequenzspannung an den Arbeitsspalt angelegt wird, wobei die Breite des Arbeitsspaltes 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 Arbeitsspaltbreite gemessen wird, während die Änderung des Resonanzzustandes erfaßt wird.

Weiter wird der Einsatz der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine durch folgende Schwierigkeiten beeinträchtigt: wenn die elektrischen Arbeitsbedingungen und die Vor- und Rücklaufbedingungen (reciprocation) für eine Arbeitsfläche 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 bestimmen. 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.

Bei einer elektrischen Entladungsmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art (JP 2-76625 A) wird die Anstiegszeit einer impulsförmigen Spannung von deren Anlegen bis zum Erzeugen einer Entladung bestimmt. Dazu wird eine Vielzahl von Impulsen gezählt, um daraus die Zeitperiode bis zur Erzeugung der Entladung zu bestimmen.

Bei einem bekannten Verfahren (US 4 700 038) für eine Vorrichtung zum Messen der Abnutzungsrate eines EDM- Elektrodenwerkzeuges wird die Zeit gemessen, die eine über einem Arbeitsspalt liegende Spannung benötigt, um von einem ersten vorgegebenen Wert auf einen zweiten vorgegebenen Wert abzufallen. Dabei wird eine Exponentialgleichung verwendet, um den bei einer einzelnen Entladung entfernten Materialbetrag zu bestimmen.

Bei einem bekannten Verfahren zum elektroerosiven Bearbeiten von Werkstücken (DE 22 50 872 B2) wird eine Zeitdauer zwischen dem Überschreiten eines ersten Spannungswertes der an eine Elektrode angelegten Impulsspannung auf der Anstiegsflanke und dem Unterschreiten eines zweiten Spannungswertes auf der Abstiegsflanke gemessen, um aufgrund dessen eine statistische Aussage zu gewinnen und diese zur trendabhängigen Führung des Vorschubs der Werkzeugelektrode zu verwenden.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zum elektroerosiven Bearbeiten von Werkstücken (DE 31 28 078 A1) berücksichtigt den Zusammenhang zwischen dem Durchschnittswert einer Entladungsverzögerungszeit und der jeweiligen Arbeitsspaltbreite. Dabei wird eine Anstiegszeit erfaßt, d. h. der Durchschnittswert der Zeit, die zwischen dem Anlegen einer Entladespannung bis zu dem Zeitpunkt vergeht, bei dem eine Entladung stattfindet.

Bei einem anderen Verfahren zum Steuern der elektroerosiven Bearbeitung eines Werkstücks (DE 27 55 772 C2) wird ein zusätzlicher Meßimpuls (Überwachungsimpuls) zwischen Bearbeitungsimpulsen verwendet. Durch die Auswertung dieses Überwachungsimpulses kann die Verschmutzung des Arbeitsspaltes bestimmt werden.

Eine bekannte Einrichtung (DE 26 52 974 B2) für Funkenerosionsmaschinen zur Bildung einer mit der Breite eines Arbeitsspalts variablen Signalspannung besitzt eine an den Arbeitsspalt anschließbare Integrationsvorrichtung, deren Ladekondensator taktweise auf eine variable Ladespannung aufgeladen und entladen wird. Die Ladespannung dient dabei zur Steuerung der Signalspannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Entladungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine aufgrund der am Bearbeitungsspalt anliegenden Spannung bestimmte Spaltbreite mit der tatsächlichen Spaltbreite während des Bearbeitungsvorgangs übereinstimmt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Entladungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Entladungsmaschine, die sowohl mit einer aus einem Arbeitsflüssigkeitstank in den Arbeitsspalt gelieferten Arbeitsflüssigkeit als auch ohne Zufuhr einer Bearbeitungsflüssigkeit in den Bearbeitungsspalt eingesetzt werden kann, läßt sich die elektrische Entladungsbearbeitung aufgrund der Ermittlung der Kapazität der Werkstück-Elektrodenanordnung und der Breite des Arbeitsspaltes aus den Meßergebnissen der Meßeinrichtung stabilisieren und optimieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine teilweise als Blockschaltbild ausgeführte schematische Darstellung einer elektrischen Entladungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

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 zeigt ein Kurvendiagramm des Verhältnisses zwischen dem Bearbeitungsspalt und der elektrostatischen Zwischenelektrodenkapazität;

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

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

Fig. 7 zeigt eine teilweise als Blockschaltbild ausgeführte schematische Darstellung einer elektrischen Entladungsmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

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

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

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

Fig. 11 zeigt eine teilweise als Blockschaltbild ausgeführte schematische Darstellung, die den Aufbau einer konventionellen elektrischen Entladungsmaschine wiedergibt.

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

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer elektrischen Entladungsmaschine nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - eine Elektrode; 2 - ein Bearbeitungsgefäß; 3 - ein Werkstück; 4 - eine Arbeitsflüssigkeit, die ein Pulvermaterial enthält; 5 - eine Glättungsschaltung; 6 - eine numerische Steuereinheit; 7 - einen Servoverstärker; 8 - einen Elektromotor; 9 - einen Gleitkörper; 10 - eine Leistungsversorgungsquelle; 11 - eine Meßeinrichtung zum Messen der Anstiegszeit der Bearbeitungsimpulsspannung; 12 - eine Recheneinrichtung zur Ermittlung des Arbeitsspaltes aus dem Meßergebnis der Meßeinrichtung 11; 30 - einen Arbeitsflüssigkeitstank; 31 und 32 - Rührer; 33 - eine Pulvermaterialzugabeeinheit; und 34 - ein Pulvermaterialbeseitigungsfilter.

Fig. 2 veranschaulicht die Meßeinrichtung 11 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 beschriebene elektrische Entladungsmaschine arbeitet wie folgt:
Ähnlich wie bei der konventionellen elektrischen Entladungsmaschine liefert die Leistungsversorgungsquelle 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 Meßeinrichtung 11 die Anstiegszeit des Zwischenelektrodenspannungsimpulses.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Meßeinrichtung 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 Meßeinrichtung 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 Arbeitsspaltes (oder zum Zwischenelektrodenabstand), so daß es unmöglich ist, die Verschlechterung des Zwischenelektrodenzustandes auf der Basis der geglätteten Spannung zu erfassen.

Andererseits kann der Arbeitsspalt 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 Arbeitsspaltes, und ε die Dielektrizitätskonstante der Arbeitsflüssigkeit ist.

Wenn demgemäß angenommen wird, daß die Elektrodenfläche S bekannt ist, kann der Arbeitsspalt 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 Leistungsversorgungsquelle;
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 Arbeitsspaltes (sie verläuft umgekehrt proportional zum Arbeitsspalt (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 Arbeitsspalt (Abstand). Wie weiter oben gesagt, ändert sich die elektrostatische Kapazität C mit der Breite des Arbeitsspaltes. Dementsprechend ändert sich auch die Spannungsanstiegszeit tr stark mit dem Arbeitsspalt. Der Arbeitsspalt (Abstand) kann also durch Messen der Spannungsanstiegszeit tr bestimmt werden. Das heißt, daß das Meßergebnis der Meßeinrichtung 11 in vorbestimmten Zeitintervallen durch die Recheneinrichtung 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 Arbeitsspalt (Abstand) anhand der Gleichung (1) unter Verwendung der im voraus gegebenen Elektrodenfläche berechnet. Der so durch die Recheneinrichtung 12 bestimmte Arbeitsspalt (Abstand) wird an die numerische Steuereinheit 6 geliefert. Die numerische Steuereinheit 6 ändert die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Arbeitsflüssigkeitsbedingungen, und die Vor- und Rücklaufbedingungen entsprechend dem Arbeitsspalt (Abstand), um die Bearbeitungsoperation zu stabilisieren und zu optimieren, und sie zeigt den Arbeitsspalt und die Bearbeitungsbedingungen auf einer Anzeigeeinheit an.

Dies bedeutet beispielsweise im Falle, daß der Arbeitsspalt wächst, daß Lichtbogenentladungen hervorgerufen werden, und daß dementsprechend die numerische Steuereinheit 6 die Leistungsversorgungsquelle 10 mit dem Ziel der Vergrößerung der Pausenzeit oder der Häufigkeit des Vor- und Rücklaufes steuert. Im Falle, daß der Arbeitsspalt anormal abnimmt, setzt die numerische Steuereinheit 6 die Rührer 31 und 32 so lange in Betrieb, bis die im Bearbeitungsgefäß 2 und im Arbeitsflüssigkeitstank 30 befindlichen Arbeitsflüssigkeiten eine gleichförmige Pulverdichte aufweisen. Falls das Umrühren nicht zu einer Vergrößerung des Arbeitsspaltes 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 Meßeinrichtung 11 die für den Anstieg der Spannung von Vr1 auf Vr2 benötigte Zeit. Die Meßeinrichtung 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 Arbeitsspalt auf den Wert Vr1 ansteigt.

Diese Modifikation der Schaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Bei der Meßeinrichtung 11 wird der Ausgangsimpuls des Oszillators OSC der Leistungsversorgungsquelle 10 an die UND-Schaltung 18 angelegt. Das heißt, daß die in Fig. 6 dargestellte Meßeinrichtung 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 Leistungsversorgungsquelle 10 Strom an die Elektrode 1 und das Werkstück 3 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 Meßeinrichtung 11 die Anstiegszeit der Erfassungsimpulsspannung. Das heißt, daß in der in Fig. 2 dargestellten Meßeinrichtung 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 Arbeitsspalt, auf die zweite Ausführungform der Erfindung in der bestehenden Form angewandt werden. Das heißt, daß weil sich die elektrostatische Kapazität C mit dem Arbeitsspalt ändert, auch die Spannungsanstiegszeit Tr eine starke Änderung mit der Änderung des Arbeitsspaltes erfährt.

Die Spannungsanstiegszeit Tr wird in der beschriebenen Weise gemessen, während der Arbeitsspalt 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 Arbeitsspaltes (Abstand) erfolgt.

Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält die Arbeitsflüssigkeit Pulvermaterial. Es sei jedoch bemerkt, daß das technische Konzept der Erfindung auch auf elektrische Entladungsmaschinen anwendbar ist, die eine Arbeitsflüssigkeit 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 Bearbeitungbedingungen, etc., entsprechend der Breite des Arbeitsspaltes geändert. Andererseits bleibt bei einer elektrischen Entladungsmaschine, die eine Arbeitsflüssigkeit ohne Pulvermaterial verwendet, der Arbeitsspalt 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 liest die Recheneinrichtung 12 der Fig. 1 oder 7 das Meßergebnis der Meßeinrichtung 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 Arbeitsspalt 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 Recheneinrichtung 12 ermittelte Bearbeitungsfläche wird als Signal an die numerische Steuereinheit 6 geliefert. Letztere ändert die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Arbeitsflüssigkeitsbedingungen 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 Arbeitsflüssigkeitsbedingungen, und der Bearbeitungsservogewinn gesteuert werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Arbeitsspalt oder die Bearbeitungsfläche durch die Gleichung (1) ermittelt. Statt dessen kann auch eine Rechenoperation angewandt werden, bei der die Spannungsanstiegszeit tr und der Arbeitsspalt bzw. die Bearbeitungsfläche in Form einer Tabelle geliefert werden, so daß der Arbeitsspalt 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 Arbeitsspaltes verwendet, um die elektrischen Bearbeitungsbedingungen, die Arbeitsflüssigkeitsbedingungen und die Hin- und Rücklaufbedingungen zu ändern, während das Meßergebnis bei einer elektrischen Entladungsmaschine, die eine Arbeitsflüssigkeit mit Pulvermaterial benutzt, zur Steuerung der Zugabe oder der Erneuerung des Pulvermaterials oder zum Umrühren der Arbeitsflüssigkeit 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 Arbeitsspalt 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 Arbeitsflüssigkeitsbedingungen 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 (3) mit einer impulsförmigen Spannung bearbeitet wird, die an den zwischen dem Werkstück (3) und einer Elektrode (1) in einem Bearbeitungsgefäß (2) definierten Arbeitsspalt angelegt wird, umfassend:

a) eine Meßeinrichtung (11) zum Messen einer Anstiegszeit (t_r) der impulsförmigen Spannung;
gekennzeichnet durch
b) eine Recheneinrichtung (12) zur Ermittlung der Kapazität der Werkstück-Elektrodenanordnung aus der gemessenen Anstiegszeit (t_r) und zur Ermittlung der Breite (G) des Arbeitsspaltes aus der ermittelten Kapazität und aus einer vorgegebenen elektrischen Entladungsbearbeitungsfläche (S).

2. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (11) erste und zweite Anstiegszeiten (t₁; t₂) mißt, die jeweils für den Anstieg der Spannung von einem ersten vorbestimmten Spannungswert (V_r1) auf einen zweiten vorbestimmten Spannungswert (V_r2) benötigt werden, so daß die Anstiegszeit (t_r) entsprechend der Formel (t_r=t₂-t₁) ermittelt wird, wobei die genannten Spannungswerte durch die folgenden Gleichungen bestimmt sind: V_r1 = E(1 - e^-t1/RC); und
V_r2 = E(1 - e^-t2/RC).

3. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (12) die Breite des Arbeitsspaltes (G) aus der ermittelten Kapazität nach der folgenden Gleichung bestimmt:

4. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (12) die Bearbeitungsfläche (S) aus der von der Meßeinrichtung (11) ermittelten Anstiegszeit (t_r) und einer voreingestellten Arbeitsspaltbreite (G) aus folgender Gleichung ermitteln:

5. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (3) mit der impulsförmigen Spannung, die an dem zwischen dem Werkstück (3) und die Elektrode (1) definierten Arbeitsspalt angelegt ist, in einem Bearbeitungsgefäß bearbeitet wird, wobei im Ansprechen auf die ermittelte Breite des Arbeitsspalts dem Arbeitsspalt aus einem Arbeitsflüssigkeitstank (30) eine Arbeitsflüssigkeit (4) mit Pulvermaterial (33) zugeführt wird.

6. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Anstiegszeit (t_r) die Zeit vom Anliegen der impulsförmigen Spannung bis zum Anstieg der Spannung auf einen vorbestimmten Spannungswert (V_r2) ist.

7. Elektrische Entladungsmaschine, bei der ein Werkstück (3) mit einer impulsförmigen Spannung, die an dem zwischen dem Werkstück (3) und einer Elektrode (1) definierten Arbeitsspalt angelegt ist, in einem Bearbeitungsgefäß (2) bearbeitet wird, gekennzeichnet durch:

a) eine Meßspannungs-Zuführungseinrichtung (22) zum Anlegen einer Meßimpulsspannung während einer Pausenperiode, in der die impulsförmige Spannung nicht zwischen dem Werkstück (3) und der Elektrode (1) angelegt ist;
b) eine Meßeinrichtung (11) zum Messen einer Anstiegszeit (t_r) der Meßimpulsspannung; und
c) eine Recheneinrichtung (12) zum Ermitteln der Kapazität (C) der Werkstück-Elektrodenanordnung aus der gemessenen Anstiegszeit (t_r) und zur Ermittlung der Breite (G) des Arbeitsspaltes aus der ermittelten Kapazität (C) und einer vorgegebenen Bearbeitungsfläche (S).

8. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannungs- Zuführungseinrichtung (22) eine niedrige Impulsspannung von 20 bis 40 V mit einer Impulsbreite in der Größenordnung von einer bis zu mehreren Mikrosekunden an den Arbeitsspalt zwischen dem Werkstück (3) und der Elektrode (1) anlegt, und wobei die Meßeinrichtung (11) erste und zweite Anstiegszeiten (t₁; t₂) mißt, die benötigt werden, damit die Meßspannung jeweils einen ersten vorbestimmten Spannungswert (V_r1) und einen zweiten vorbestimmten Spannungswert (V_r2) erreicht, so daß die Anstiegszeit (tr) entsprechend der Formel (t_r=t₂-t₁) erhalten wird, wobei für die Spannungswerte die folgenden Gleichungen gelten: V_r1 = E (1 - e^-t1/RC); und
V_r2 = E (1 - e^-t2/RC)

9. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (11) die Arbeitsspaltbreite (G) aus der Kapazität (C) und einer vorgegebenen Fläche (S) der Elektrode nach folgender Formel berechnet: G = ε _* S/C

10. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (12) die Bearbeitungsfläche (S) aus der Kapazität (C) und einer voreingestellten Breite (G) des Arbeitsspaltes nach folgender Formel ermittelt:

11. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (3) mit Hilfe der impulsförmigen Spannung, die an den zwischen dem Werkstück (3) und die Elektrode (1) definierten Arbeitsspalt (G) angelegt ist, in einem Bearbeitungsgefäß (2) bearbeitet, wobei im Ansprechen auf die ermittelte Breite des Arbeitsspalts (G) dem Arbeitsspalt (G) aus einem Arbeitsflüssigkeitstank (30) eine Arbeitsflüssigkeit (4) mit Pulvermaterial (33) zugeführt wird.

12. Elektrische Entladungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegszeit (t_r) die Zeit ist, die die Meßspannung vom Anlegen bis zum Erreichen einer vorbestimmten Spannung (V_r2) benötigt.