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CN105121316A - 电火花加工设备的脉冲和间隙控制 - Google Patents

电火花加工设备的脉冲和间隙控制 Download PDF

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CN105121316A
CN105121316A CN201480003672.6A CN201480003672A CN105121316A CN 105121316 A CN105121316 A CN 105121316A CN 201480003672 A CN201480003672 A CN 201480003672A CN 105121316 A CN105121316 A CN 105121316A
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米兰·勃兰特
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Abstract

一种检测电火花加工(EDM)设备中电极和工件之间的间隙的状态的方法，该方法包括以下步骤：在产生放电以从工件中去除材料之前，在检测阶段时段(Tc)期间将低能量检测脉冲施加在所述间隙上；以及当间隙电流超过电流阈值(IT)时，推断短路间隙状态。

Description

电火花加工设备的脉冲和间隙控制
技术领域
本发明一般涉及用于电火花加工设备和处理器的控制装置和方法。
背景技术
电火花加工
电火花加工(EDM)是在电介质存在的情况下通过在电极和工件之间施加一系列快速循环电流放电来去除导电材料和半导电材料的过程。电极和工具以通常在0.001mm至0.02mm之间的间隙距离分开，通过控制电极和工件之间的直流电压脉冲产生火花放电，从而实现工件的精密加工。
监测与控制放电间隙状态是利用EDM技术实现稳定和有效加工的有挑战性的任务之一。在填充有电介质的极窄间隙中，放电发生在非常短的时间内。
在电火花加工中，为了增加侵蚀效率，提高工艺稳定性，防止无效和有害脉冲的连续产生，需要一种检测短路和电弧间隙状况并控制相关脉冲定时的有效算法。间隙状态检测错误会导致脉冲频率降低，或不能有效去除间隙中碎屑而反过来形成残渣，和较差的间隙控制性能。
因此，这会导致侵蚀过程不稳定和材料去除率较低。
专利号为US5904865的美国专利公开了一种通过控制碎屑的生成速率和平均碎屑粒度来防止残渣形成的方法。该方法控制提供给间隙的Ton(持续时间)功率电平和平均功率电平。平均功率电平考虑到完整的火花时间包括停歇时间，但是Ton功率电平控制考虑到操作参数只在Ton时间有影响。该方法基于这一假设：降低提供给间隙的平均功率会减少间隙中碎屑的堆积，从而增加侵蚀率。
专利号为US8168914B2的美国专利公开了一种通过中断打开和关闭为加工间隙提供放电功率的电源模块的脉冲串的预定时间周期，进而适当控制短路电流，从而减少电极磨损和对待加工工件的损伤方法。其检测短路的方法是，施加一系列脉冲串，并将脉冲串中第一脉冲末端的电极之间的电压与被设计成接近0V的值的预定阈值相比较。
公开号为US2010/0096364A1的美国专利申请公开了在当前侵蚀循环的时间间隔内，基于测量值与先前侵蚀循环和当前侵蚀循环的重要工艺参数的期望参考值的偏差，控制工具电极相对运动的方法。先前和当前侵蚀循环的时间间隔由过程暂停循环隔开，包括工具电极从工件的跳起动作。重要工艺参数包括点火延迟时间、平均脉冲电压和放电电压中的至少一个。
专利号为US7202438B2的美国专利公开了一种电火花加工装置，其基于侵蚀过程的历史记录来校正加工工件所需的待去除材料的量，以及一种基于侵蚀过程加工材料的总和控制电极位置的加工控制单元。加工量计算单元基于放电过程所去除的材料的堆积计算从工件去除的材料必要量，并将其转换成加工需要的材料量所需的放电脉冲数。累积的加工量计算单元基于放电脉冲检测单元所提供的有效放电脉冲的总量来更新去除的材料的总和。放电脉冲检测单元基于间隙电压中高频分量的大小检测脉冲的类型。当高频分量的大小大于阈值时，放电脉冲将被归类为有效放电脉冲(正常放电脉冲)。当间隙电压中高频分量的大小小于有效放电脉冲阈值时，放电脉冲将被归类为电弧放电。
EDM设备还包括用于控制工件朝向电极的进给速率的间隙控制器，以便在工件和电极之间维持最佳的间隙距离，进而实现精度和高效加工。这种依靠平均间隙电压反馈信号的间隙控制器通常用于工业中。该方法提出了一些问题。首先，由于正常间隙状况下的平均间隙电压值可以非常接近短路条件的值，使用平均间隙电压很难准确鉴别短路电弧条件和正常放电。其次，不同的开路电压可导致不同的平均间隙电压，取决于正常或短路的间隙条件，由此需要不同进给速率控制器增益。第三，平均间隙电压也受到工件的材料导电性的影响。对于相同的间隙条件，材料导电性越低使得平均间隙电压越高。因此，较小的平均间隙电压对较高导电性材料意味着短路，但是对较低导电性材料意味着正常条件。当侵蚀由两种具有不同导电性的材料构成的区域时，使用用于控制的平均间隙电压值所涉及的复杂性会导致过程不稳定。最后，还发现平均间隙电压对包括间隙中的气穴、电极的耗尽、电介质和电极转动速度等的间隙干扰敏感。这些间隙干扰的波动速率太高，以至于CNC机床无法响应，因此，将平均间隙电压作为间隙控制器的反馈信号会导致将工件朝向电极进给的伺服系统的跳动。伺服系统跳动随后会影响侵蚀的不稳定和无效，以及电极磨损的增加。
有必要提供改善或克服一个或多个上述缺陷或至少提高现有EDM设备的性能的EDM设备。还需要提供包括比现有的商用EDM设备具有更好性能的脉冲控制器和间隙控制器的EDM设备。
发明内容
本发明的一方面提供了一种检测电火花加工(EDM)设备中电极和工件之间的间隙的状态的有效方法。在该方法中，在产生放电以便从工件中去除材料之前，在检测阶段时段期间将低能量检测脉冲施加在间隙上，当间隙电流超过电流阈值时，推断短路间隙状态。在检测阶段时段期间，没有检测到短路间隙状态时，能够进行放电以从工件中去除材料。
该方法还可以包括以下步骤：在堆积阶段时段期间进行放电之后，推断开路间隙状态。在进行放电之后，当间隙电压超过开路阈值的时间大于堆积阶段时段，并且间隙电流小于电流阈值时，做出该推断。
该方法可进一步包括以下步骤：在堆积阶段时段之后、放电阶段时段期间，推断正常间隙状态。当间隙电压超过小于开路阈值的正常阈值，并且间隙电流超过电流阈值时，做出该推断。
该方法可进一步包括以下步骤：在堆积阶段时段之后、放电阶段时段期间，推断短路间隙状态。当间隙电压小于比开路阈值和正常阈值都小的短路阈值，并且间隙电流超过电流阈值时，做出该推断。
该方法可进一步包括以下步骤：在堆积阶段时段之后、放电阶段时段期间，推断电弧间隙状态。当间隙电压超过短路阈值但小于正常阈值，并且间隙电流超过电流阈值时，做出该推断。
本发明的另一方面提供了一种控制在EDM设备的脉冲控制器中使用的脉冲定时的方法。脉冲控制器包括电路系统，配置成接收间隙电压和电流反馈信号，检测上述EDM设备中电极和工件之间的间隙的状态，以及将MOSFET命令信号发送至根据间隙状态信号产生放电的电源模块。
短路间隙状态的情况下，放电阶段(Ton)的定时被中断，停止向侵蚀过程提供放电功率。这会防止在非常小的间隙距离中导致残渣形成的碎屑堆积。消电离阶段(Toff)的预定定时也会被延长，以使得消电离和从间隙中取出碎屑有额外的时间。电弧间隙状态的情况下，Toff的预定定时被进一步延长而Ton不被中断。在间隙状况从短路或电弧间隙状态完全恢复到正常间隙状态之后，Toff会重置到其预定定时。本发明通过根据检测的间隙状况适当控制在放电加工电源模块中放电脉冲的生成，解决了碎屑堆积和侵蚀过程无效且不稳定的问题。
在正常或电弧间隙状态的情况下，放电持续时间(Ton)由电流脉冲的形状确定，这确保向侵蚀间隙提供恒定量的每脉冲能量。在脉冲定时控制器中，通过对放电阶段的间隙电流反馈信号(∫I)进行积分来计算电流脉冲形状。通过将(∫I)与电流积分阈值相比较，确定持续时间Ton。放电持续时间将近在(∫I)大于电流积分阈值的情况下终止。不管局部材料的导电性如何，本发明都向间隙传递恒定量的每脉冲能量，这使工件具有更好的表面质量。
本发明的另一方面提供了一种用于产生放电以从工件中去除材料的EDM设备。根据这一方面，该设备包括：用于检测上述EDM设备中电极和工件之间的间隙的状态的控制器，和被配置为根据脉冲控制器的MOSFET命令信号产生放电的电源模块。
在这种设备中，可以将电极设置为转动的，冷却剂在放电期间灌入间隙。然而，应理解本发明可适用于其他EDM设备配置，和电极不转动的设置。
本发明的另一方面提供了一种生成能够控制并维持电火花加工(EDM)设备中电极和工件之间的最佳间隙的平滑伺服进给命令的方法，其中在间隙中产生放电，以便从工件中去除材料。
该方法中，间隙控制器增益的选择取决于间隙状况的状态。当工件远离电极时，出现较大间隙状态。该状态下，进给速率使工件以非常高的速度朝向电极移动。检测第一火花时，从较大间隙状态移动到中间间隙状态。在这种状态下，工件以高于侵蚀速率但低于最大进给速率的速度进给，从而实现最佳的间隙距离。实现最佳的间隙距离将使得间隙状态从中间状态切换到正常侵蚀状态。这将使得工件以侵蚀速率朝向电极均匀地进给。在间隙距离变得越来越窄并且发生碎屑从间隙中被无效地冲洗的情况下，退回工件进给以使得新的电介质灌入间隙将会使间隙状态从正常间隙状态移动到短路间隙状态。
通过归一化平均堆积阶段时间(Td％)确定间隙状态的切换。如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)超过最大阈值，则间隙状况将处于较大间隙状态，然后，将工件朝向电极的相对进给速率设定为恒定最大速率。
在本发明的一个或多个实施例中，如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)超过下限阈值并小于最大阈值，则间隙状态将会从较大状态移至中间状态。在该状态下，根据进给速率控制方法，将工件朝向电极的相对进给速率可设定为堆积阶段时间和下限阈值之间误差的函数。
在一个或多个实施例中，该方法可进一步包括以下步骤：如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)小于下限阈值，表示间隙距离变化的平均间隙能量将会用来计算工件朝向电极的相对进给速率，并将其设定为堆积阶段的平均间隙能量和参考能量之间误差的函数。
在一个或多个实施例中，该方法可进一步包括以下步骤：如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)小于下限阈值，并且堆积阶段的平均间隙能量小于能量阈值，则其会将间隙状况从正常状态移至短路状态，将工件远离电极的相对进给速率设定为堆积阶段的平均间隙能量和能量阈值的函数。
本发明的另一方面提供了一种用于产生放电以便从工件中去除材料的EDM设备，该设备包括此处所述的用于控制工件的进给速率的控制器，以及用于响应于来自控制器的信号而置换工件的伺服系统装置。
本发明的另一方面提供了一种EDM设备中使用的间隙控制器。包括电路系统的间隙控制器，被配置为接收源自间隙电压、间隙电流反馈信号和脉冲控制器的平均间隙能量和平均堆积阶段时间；从平均间隙能量和平均堆积时间生成进给速率控制信号；以及通过伺服系统装置发送进给速率控制信号，以控制工件的进给速率。
附图说明
现在，将参照附图更详细地描述本发明。应理解，附图的特殊性不会替代本发明之前描述的一般性。
图1为电火花加工(EDM)设备的基本组件的示意图；
图2为EDM设备中工件和工具之间的间隙上施加直流电压脉冲期间产生的理想间隙电压和间隙电流的曲线图；
图3为形成图1所示的EDM设备的一部分的脉冲控制器和间隙控制器的元件的示意图；
图4描绘了图3所示的脉冲控制器和间隙控制器使用的间隙电压和电流阈值；
图5示出了在工件/工具间隙上施加检测脉冲期间图1所示的EDM设备的间隙电压、间隙电流和一系列切换信号；
图6设备操作时在工件和工具之间的间隙上施加直流电压脉冲期间图1所示的EDM设备中存在的间隙电压、间隙电流和切换信号；
图7为图3中所示出的间隙控制器的计算块的示意图；
图8为描述设备操作时在工件和工具之间的间隙上施加直流电压脉冲期间由图3所示的脉冲控制器执行的计算步骤的流程图；
图9示出了对具有不同导电性的材料进行侵蚀时能够期望的不同的电流脉冲波形。
具体实施方式
现在参照图1，大体示出了电火花加工(EDM)设备10。该设备10包括多轴机床12，多轴机床12包括多个机床轴14，所述机床轴14具有由相应轴驱动16驱动以便相对于工件20定位和转动电极18的很多机床轴14。多轴机床12由计算机数字控制器(CNC)22控制，该计算机数字控制器(CNC)22用于使多轴机床12实现的各种加工过程自动化。在申请人所拥有的美国专利US5,604,677中提供了CNC控制的多轴机床的一个实例。
EDM设备10进一步包括电源模块24，用以向电极18和工件20之间的间隙施加快速循环的电流放电，以去除其间的材料。电源模块24的操作由EDM控制器26控制，该EDM控制器26提供EDM过程的脉冲鉴别、脉冲定时控制、间隙控制、间隙控制器优化和参数优化。
EDM设备10进一步包括一系列传感器28，用于将间隙电流和间隙电压信号发送到信号调节单元30，信号调节单元30进而向EDM控制器26提供反馈电流和电压信号。
如图2所示，在EDM过程期间，可以识别出几个阶段。检测阶段期间，在间隙上施加低能量脉冲，用以检测在高电压脉冲开始之前的间隙的状态。在最初的堆积(build-up)阶段40期间，在工件/工具间隙上施加空载电压Vo。通常，该空载电压Vo的值在60伏特和400伏特之间的范围内。
空载电压Vo建立时，强电场建立在电极18和工件20之间。由于电场的吸引力，漂浮在电介质液体中的来自加工过程的粒子在工具和工件之间最短的局部距离(间隙)处出现堆积。这形成了电击穿，并且在放电阶段42电子开始向带正电荷的电极移动。途中，相关联的电子与来自加工过程的中性粒子和电介质液体发生碰撞。
雪崩电离(avalancheionisation)过程被发动，其中在放电阶段42会产生大量的负离子和正离子。该电离会开始创建工件和工具之间的导电区域，因而导致放电。通过放电，电能转化成热能。在高达40,000摄氏度的温度，形成了放电区域。这样高的温度导致工件的局部加热、熔化、蒸发和焚化(incineration)。
在放电阶段42，间隙电压从空载电压Vo下降至放电电压Ve。放电电流在放电阶段的放电时间段Ton(通常500纳秒至1毫秒)内从0增加至最大放电电流Ie(通常电流范围为0.5安培至30安培)。
在放电持续时间(Ton)结束时，MOSFET被关断，导致间隙电流供应中断。这导致了放电区域的湮没(annihilation)，引起突然的冷却，使得消电离(deionise)阶段44中工件表面的固体粒子和熔化的物质产生爆炸性冲洗(explosiveflushing)。
EDM控制器26的作用是控制电极18相对于工件20的进给速率，从而维持其间适当的间隙，以及在电极18和工件20之间施加一系列快速循环的直流电压脉冲，从而从间隙中去除材料。EDM控制器26还用于监控各个机床参数，从而优化加工过程并防止在不想要的间隙状态下施加直流电压脉冲。
图3示出了形成EDM控制器26一部分的各种元件，EDM控制器26包括脉冲定时控制器50、间隙控制器60、模数(AD)转换器62、直接存储器存取(DMA)64、脉冲鉴别单元66、计算单元68和EDM优化单元70。从该图中可以看出，这些元件中的一些以数字信号处理(DSP)技术来实现，而其他元件由现场可编程门阵列(FPGA)来实现。在操作中，表示由传感器28测量的间隙电流和电压的来自信号调节器30的反馈电压和电流信号，被提供给模数转换器66以进行数字化。随后，数字化的电流和电压信号经由直接存储器存取通道被传送到FPGA存储器，而没有中断DSP的CPU64。
脉冲鉴别单元66存取DMA64中存储的数字化电流和电压值，从而推断电极和工件之间间隙的状态。为了辅助这一鉴别，脉冲鉴别单元66存储如图4所示的一系列电流和电压阈值，在本实例中，脉冲鉴别单元66存储电流阈值IT、开路阈值VTOC、正常间隙状态电压阈值VTN、电弧间隙状态电压阈值VTA和短路间隙状态电压阈值VTSC。脉冲鉴别单元66依赖于从DMA读取的电压和电流的值，并且计算平均放电电压和电流64。对彼此和存储的电压和电流阈值进行比较，从而推断工件20和工具18之间间隙的状态。
连同来自EDM优化单元70的定时控制信息，脉冲控制器50依赖于脉冲鉴别单元66上的间隙状态信息，从而选择地生成切换命令以控制电源模块24的操作，并由此生成EDM过程中使用的高电压脉冲。计算单元68根据施加在电极/工件间隙上的一系列脉冲计算平均电压和平均脉冲能量。
在这方面，脉冲控制器50和间隙控制器60以不同的软件循环运行。脉冲鉴别单元66的作用是在每个放电脉冲(通常可以在0.5和300微秒之间)检测间隙状态(脉冲类型)。间隙控制器60以慢得多的循环运行。在单一间隙控制循环(通常可以为1至4毫秒长)中，可产生许多放电脉冲。为了优化从计算单元68向间隙控制器60提供的反馈信号，计算单元68计算并存储平均电压和脉冲能量值，以便间隙控制器60使用。
EDM优化单元70向脉冲定时控制器50提供参考定时信息，并且向间隙控制器60提供一系列控制信号，以便生成进给速率命令信号并将其提供给控制工具18以想要的速率前进的计算机数字控制器22。
现在，将参照图5和图6说明由脉冲鉴别单元66和脉冲逻辑控制器50执行的EDM操作。
图5描绘了在工件/工具间隙上施加检测脉冲80。在本实例中，在间隙上施加具有48伏特值的低能量检测脉冲，但是在间隙上立刻检测到电流82。脉冲鉴别单元66确定检测阶段中检测到的电流超过电流阈值IT，从而推断间隙上存在短路。在这种情况下，在间隙上施加高电压脉冲会不利于碎屑堆积和电极磨损。用于检测阶段时段(Tc)和放电阶段时段(Ton)的计数器会被中断。从图中也可以看出，在检测阶段时段期间施加48V低电流切换信号的同时，间隙上的电流在该检测阶段期间不会导致高电压切换信号或高电流切换信号的生成。消电离阶段(Toff)的定时取决于先前脉冲的间隙状态从预定定时被进一步延长。如果先前脉冲的间隙状态为短路，则Toff从先前存储的Toff值被进一步延长。当间隙状态从短路恢复到正常状态时，Toff值会被重置到预定定时。
现在参照图6，在间隙上施加具有48伏特值的低能量检测脉冲90，但是在间隙上没有立刻检测到电流，这意味着间隙填充有新的电介质。由于在检测阶段期间没有检测到短路间隙状态，在脉冲定时控制器50的控制下，电源模块24导致在间隙上建立高电压脉冲92(在该实例中，具有300伏特的值)。脉冲定时控制器50中的计数器被启动，用于计数总点火延迟时间(Td)。一旦建立了等离子体通道，间隙电流94开始在EDM过程的放电阶段流动，这取决于间隙距离。在放电持续时间Ton期间，间隙电压降到25伏特的值(在本实例中)。
放电持续时间(Ton)由电流脉冲形状确定。参照图9，电流脉冲形状可根据工件材料的导电性而有所不同。为了实现更好的工件表面质量，必须控制每脉冲总能量，从而通过检测电流脉冲形状防止局部区域过热。通过计算脉冲定时控制器50中放电阶段期间的间隙电流反馈信号(∫I)的积分，确定电流脉冲形状。通过将(∫I)与由EDG优化块70提供的电流积分阈值相比较，确定Ton的持续时间。如果(∫I)大于电流积分阈值，则放电持续时间会终止，否则Ton会持续直到其达到其阈值。在放电阶段结束时，间隙电压和间隙电流都被关断，并因此预计为在消电离阶段降到0。
如图8所示，在图6所示的理想化EDM过程期间，EDM控制器26用于测量各种参数，以检测电极18和工件20之间间隙的状态，并且在必要时采取校正动作。
例如，如果在堆积阶段Td期间施加高间隙电压之后，当间隙电压大于图4示出的开路阈值VTOC的时间在施加该高电压之后超过预定堆积阶段期间Td，并且如果间隙电流小于电流阈值IT，则EDM控制器26推断开路间隙状态。检测到开路间隙状态之后，EDM控制器继续向间隙施加高电压，直到间隙电流大于电流阈值IT。
然而，如果在堆积阶段期间Td之后、放电阶段时段Ton期间间隙电压被确定为超过小于开路阈值VTOC的正常电压阈值VTN，并且如果间隙电流超过电流阈值IT，则控制器26推断正常间隙状态，不需要采取校正动作。
在堆积阶段时段Td之后、放电阶段时段Ton期间，当间隙电压小于比开路阈值VTOC和正常阈值VTN都小的短路阈值VTSC，并且间隙电流超过电流阈值IT，已经推断出存在短路间隙状态，放电持续时间(Ton)会中断，并且向电源模块24发送来自控制器26的0VMOSFET命令信号，以关断向间隙施加的放电脉冲。消电离阶段持续时间(Toff)会被延长，以提供额外的时间将碎屑从间隙中去除。
类似地，在堆积阶段时段Td之后、放电阶段时段Ton期间，当间隙电压超过短路阈值VTSC但小于正常阈值VTN时，控制器26推断电弧间隙状态，并且间隙电流超过电流阈值。再次检测电弧间隙状态会进一步延长消电离阶段持续时间。
由上文应当理解，根据前述技术，在检测电极18和工件20之间间隙状态之后，EDM控制器26用于根据检测到的间隙状态在间隙上选择地产生放电。这样，短路、电弧和开路间隙状态期间，在间隙上施加有害脉冲被最小化了。
连同间隙状态检测——以避免了向间隙施加有害的脉冲——EDM控制器26生成为计算机数字控制器22所使用的进给速率命令，从而控制电极18的进给速率作为反馈信号的函数。
图7示出了形成间隙控制器60的一部分的元件的概况。间隙控制器60包括三个独立的控制组件100至104，用于根据电极/工件间隙的大小将不同的进给控制算法应用于电极进给速率。
如果在连续的间隙控制循环之间发生的脉冲循环上的归一化平均堆积阶段时间(Td％)超过最大阈值，则表明了工件与电极的距离非常大。较大间隙状态控制组件100用于将工件朝向电极的相对进给速率设定为恒定最大速率。
如果在连续的间隙控制循环之间发生的脉冲循环上的归一化平均堆积阶段时间(Td％)超过下限阈值Tdref但小于最大阈值，则表明了侵蚀过程开始发生，然后中间间隙状态控制组件102用于将工件朝向电极的相对进给速率设定为堆积阶段时间Td和下限阈值Tdref之间的误差的函数。该状态使得间隙控制器将工件和电极之间的间隙减小到最佳侵蚀距离。
较小间隙状态控制组件102根据间隙状态应用两个不同反馈控制算法中的一个。如果平均堆积阶段时间Td小于下限阈值Tdref，并且如果堆积阶段期间的平均间隙能量超过能量阈值Engref，则推断为正常间隙状态。在该状态下，实现了最佳的间隙距离；进给速率控制器将根据间隙距离的变化速度，朝向电极进给工件。较小间隙状态控制组件102将工件朝向电极的相对进给速率设定为堆积阶段期间的平均间隙能量和能量阈值(Engref)之间误差的函数。
然而，如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)小于下限阈值(Tdref)，并且如果堆积阶段的平均间隙能量小于能量阈值Engref，则推断为短路间隙状态。在该状态下，较小间隙状态控制组件104将工件远离电极的进给速率设定为堆积阶段期间的平均间隙能量和能量阈值Engref的函数。
使用平均间隙电压作为反馈信号的方法不能准确表示实际的间隙状况和间隙距离的变化速度。本发明中，间隙控制器的目的在于控制间隙距离的变化速度，这与控制间隙距离的一般感知截然相反。确定间隙距离变化的侵蚀率会根据实际的间隙距离而有所不同，从而向控制间隙距离的目的给出了有挑战性的任务。平均间隙电压信号显示为随机的，并在例如电介质条件、电极条件、工件条件等各种不受控的物理条件下变化，而与间隙距离的变化无关。不需要间隙控制器响应于这种混乱并不可测的现象，响应这种现象会再次导致伺服进给命令(servofeedcommand)的跳动(jerking)，并由此产生不稳定的侵蚀过程。在本发明中，表示间隙距离变化的平均间隙能量用作间隙控制器的反馈信号。对于固定的侵蚀区域，间隙距离的变化速率显示成与供应到侵蚀间隙的总能量成比例。通过计算输入至间隙的平均能量，可估算间隙距离的变化速率。间隙控制器可生成平滑的伺服进给命令，并且工件朝向电极不断地进给，而不跳动。
在图7示出的实施方式中，各个阈值和反馈值被归一化。即，阈值为归一的值，并且反馈值为小于“1”的值。这种布置使得三个控制组件80至82能够生成用来乘以最大进给速率值的进给速率增益系数。
虽然在上述实施例中主要使用FPGA和DSP技术实现了本发明，但是在其他实施例中，本发明也可以主要以软件、固件或硬件的方式来实现，例如，使用专用集成电路(ASIC)的硬件组件。对于相关领域的技术人员来说，实现硬件状态机从而执行此处所述功能是显而易见的。在其他实施例中，本发明可以利用硬件和软件二者的结合来实现。
尽管结合有限的实施例描述了本发明，但对本领域技术人员而言，在前述描述的指导下可以进行许多替代、改进和变化是显而易见的。因此，本发明旨在包含所有这些替代、改进和变化，这些都可以落入本发明所公开的精神和范围之内。

Claims (23)

1.一种检测电火花加工(EDM)设备中电极和工件之间的间隙的状态的方法，所述方法包括以下步骤：
在产生放电以从工件中去除材料之前，在检测阶段时段(Tc)期间将低能量检测脉冲施加在所述间隙上；以及
当间隙电流超过电流阈值(IT)时，推断短路间隙状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在消电离阶段时间停止之后，施加所述低能量检测脉冲。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：
如果在所述检测阶段时段期间没有检测到短路间隙状态，进行放电，以从所述工件中去除材料。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤：在所述堆积阶段时段(Td)期间进行放电之后，推断开路间隙状态，如果：
在进行放电之后，间隙电压超过开路阈值(VTOC)的时间大于堆积阶段时段(Td)，并且
所述间隙电流小于所述电流阈值(IT)。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括以下步骤：在堆积阶段时段(Td)之后、放电阶段时段(Ton)期间，推断正常间隙状态，如果：
间隙电压超过小于开路阈值(VTOC)的正常阈值(VTN)，并且
间隙电流超过电流阈值(IT)。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括以下步骤：在堆积阶段时段(Td)之后、放电阶段时段(Ton)期间，推断短路间隙状态，如果：
所述间隙电压小于比开路阈值(VTOC)和正常阈值(VTN)都小的短路阈值(VTSC)，并且
所述间隙电流超过电流阈值(IT)。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤：在堆积阶段时段(Td)之后、放电阶段时段(Ton)期间，推断电弧间隙状态，如果：
所述间隙电压超过短路阈值(VTSC)但小于正常阈值(VTN)，并且
所述间隙电流超过电流阈值(IT)。
8.一种控制EDM设备中放电的方法，所述方法包括以下步骤：
根据前述权利要求中的任一项检测所述EDM设备中电极和工件之间的间隙的状态，以及
根据检测的间隙状态选择性地产生放电。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：如果推断出短路间隙状态，
将没有放电脉冲被施加到所述间隙，
放电阶段Ton的定时将被中断，并且
消电离阶段定时被延长。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：如果推断出电弧间隙状态，则所述消电离阶段在所述放电阶段之后会被进一步延长。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：如果推断出正常间隙状态，则所述消电离阶段定时会被重置到预定时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，根据电流脉冲形状控制放电阶段定时，所述电流脉冲形状通过计算放电阶段期间电流脉冲的积分来确定。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述积分电流脉冲与电流积分阈值相比较，如果所述积分电流大于所述阈值，则停止所述放电阶段。
14.一种用于产生放电以从工件中去除材料的EDM设备，所述设备包括：
控制器，用于根据权利要求1至7任一项检测所述EDM设备中电极和工件之间的间隙的状态；
脉冲控制器，用于根据权利要求8至13任一项控制各个脉冲的定时；以及
电源模块，被配置为根据所述脉冲控制器的命令信号产生放电。
15.根据权利要求14所述的EDM设备，其中电极被设置为转动的，冷却剂在放电期间灌入所述间隙。
16.一种生成能够控制并维持电火花加工(EDM)设备中电极和工件之间的最佳间隙的平滑伺服进给命令的方法，其中在所述间隙上产生放电，以便从所述工件中去除材料，所述方法包括以下步骤：
如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)超过最大阈值，则将工件朝向电极的相对进给速率设定为恒定最大速率。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：
如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)超过下限阈值(Tdref)并小于最大阈值，则将工件朝向电极的相对进给速率设定为堆积阶段时间(Td)和下限阈值(Tdref)之间误差的函数。
18.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括以下步骤：
如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)小于所述下限阈值(Tdref)，并且如果堆积阶段的平均间隙能量超过能量阈值(Engref)，则将工件朝向电极的相对进给速率设定为堆积阶段的平均间隙能量和能量阈值(Engref)之间误差的函数。
19.一种根据权利要求16至18任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
如果归一化平均堆积阶段时间(Td％)小于所述下限阈值(Tdref)，并且如果堆积阶段的平均间隙能量小于能量阈值(Engref)，则将工件远离电极的相对进给速率设定为堆积阶段的平均间隙能量和能量阈值(Engref)的函数。
20.一种用于产生放电以从工件中去除材料的EDM设备，所述EDM设备包括：
控制器，用于根据权利要求16至19任一项控制所述工件的进给速率；以及
伺服系统装置，用于响应于来自所述控制器的信号而置换所述工件。
21.根据权利要求20所述的EDM设备，其中所述电极被设置为转动的，并且冷却剂在放电时灌入所述间隙。
22.根据权利要求21所述的EDM设备，其中平均间隙能量和平均堆积阶段时间用作所述间隙控制器的反馈信号。
23.一种EDM设备中使用的间隙控制器，包括电路系统的所述间隙控制器被配置为：
从脉冲控制器接收源自间隙电压和间隙电流反馈信号的平均间隙能量和平均间隙电压信号；
从所述平均间隙能量和平均间隙电压信号生成进给速率控制信号；以及
将所述进给速率控制信号发送至伺服系统装置，以控制工件的进给速率。
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Applicant after: Ocamar Co. Ltd.

Address before: Vitoria, Australia

Applicant before: ANCA PTY LTD.

CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zheng Tepei

Inventor after: Patrick Gerard Boland

Inventor after: Reza Husseinyszard

Inventor after: Milan Brandt

Inventor after: Petai, Wuhan

Inventor before: Kotler Jeal Peiy Siti

Inventor before: Patrick Gerard Boland

Inventor before: Reza Husseinyszard

Inventor before: Milan Brandt

Inventor before: John Hayes

COR Change of bibliographic data
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zheng Tepei

Inventor after: Patrick Gerard Boland

Inventor after: Reza Husseinyszard

Inventor after: Milan Brandt

Inventor after: Petai, Wuhan

Inventor after: Qin Lijiang

Inventor before: Zheng Tepei

Inventor before: Patrick Gerard Boland

Inventor before: Reza Husseinyszard

Inventor before: Milan Brandt

Inventor before: Petai, Wuhan

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