DE1930765C3 - Schaltungsanordnung für elektrochemische Metallbearbeitungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektrochemische Metallbearbeitungsmaschinen, wobei die Stromzuführung zum Werkstück an der Anode eines Thyristors, dagegen die Stromzuführung zur Werkzeugelektrode an der Kathode dieses Thyristors liegt und die Umsteuerung der Anoden-Kathoden-Strecke in den leitenden Zustand erfolgt, wenn der Arbeitsspalt zwischen Werkstück und Werkzeugelektrode ein bestimmtes Maß unterschritten hat.

Das elektrolytische Abtragen von Metall hat sich besonders dort als vorteilhaft erwiesen, wo Werkstücke aus sehr hartem Metall zu bearbeiten sind.

Um eine wirkungsvolle Abtragung zu erreichen wird der sogenannte Arbeitsspalt, das ist der Zwischenraum zwischen Werkstück und Werkzeugelektrode, so klein wie möglich gewählt und die Elektrolytflüssigkeit unter Druck durch diesen Spalt hindurchgepreßt. Dabei läßt es sich im allgemeinen nicht vermeiden, daß der Arbeitsspalt zuweilen unter ein bestimmtes Maß verringert wird, was sehr hohe Ströme, im Extremfall, d. h. bei gegenseitiger Berührung des Werkstückes und der Werkzeugelektrode, sogar einen satten Kurzschlußstrom zur Folge hat. Die Ursachen hierfür können beispielsweise Erschütterungen der Bearbeitungsvorrichtung, Schwankungen des die Elektrolytflüssigkeit durch den Arbeitsspalt pressenden Druckes sowie Unebenheiten und die Ansammlung leitender Teilchen an dem Werkstück bzw. an der Werkzeugelektrode sein. Damit nun das Werkstück und die Werkzeugelektrode durch infolge der hohen Feldstärke hervorgerufene Lichtbogen oder durch infolge des hohen Stromes hervorgerufene übermäßige Erwärmung nicht beschädigt werden, wurde seither als einfachste Schutzmaßnahme dem Arbeitsspalt die Anoden-Kathoden-Strecke eines Thyristors parallel geschaltet und die Umsteuerung dieser Anoden-Kathoden-Strecke in den leitenden Zustand erfolgt, wenn der Arbeitsspalt ein bestimmtes Maß unterschritten hat. Die gefährlich hohen Ströme werden dann nicht mehr über den Arbeitsspalt sondern über die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors geführt. Eine Anordnung dieser Art ist beispielsweise aus der CH-PS 4 52 741 bekannt.

Nachteilig bei dieser an sich bekannten Schutzmaßnahme ist es, daß dasjenige Maß des Arbeitsspaltes, bei dem die Umsteuerung der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors erfolgen soll, nicht beliebig klein gewählt werden kann, weil der zwischen Werkstück und Werkzeugelektrode vorhandene Spannungsabfall noch als Anodenspannung für das Durchschalten des Thyristors ausreichen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher eine derartige Einschränkung der Anwendbarkeit nicht gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem im Nebenschluß zu der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors liegenden, über den Arbeitsspalt verlaufenden Schaltungszweig ein Widerstand eingefügt ist, dessen Spannungsabfall bei gegenseitiger Berührung des Werkstückes und der Werkzeugelektrode mindestens so groß ist wie die für das Leitendwerden der Anoden-Kathoden-Strecke erforderliche Anodenspannung am Thyristor, und daß im Nebenschluß zum Widerstand die zu einer elektrisch steuerbaren Schalteinrichtung gehörende Schaltstrecke liegt, deren Umsteuerung in den nichtleitenden Zustand ebenfalls erfolgt, wenn der Arbeitsspalt ein bestimmtes Maß unterschritten hat. Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben.

Von dem Werkstück 11 soll elektrolytisch Metall abgetragen werden. Zu diesem Zweck ist das Werkstück 11 an den Pluspol, eine Gegenelektrode 12 an den Minuspol einer Gleichstromquelle 14 angeschlossen, die eine niedrige Spannung (etwa 20 Volt) hohe: Leistung zur Verfügung stellen soll und zweckmäßig aus einem an sich bekannten Gleichstromgenerator mit Thyristorregelung besteht.

Die von dem Pluspol der Gleichstromquelle 14 zu dem Werkstück 11 führende Verbindung liegt an der Anode A eines Thyristors 15, dessen Kathode K mit dem Minuspol der Gleichstromquelle 14 verbunden ist. Die Umsteuerung der Anoden-Kathoden-Strecke A-K in den leitenden Zustand erfolgt, wenn der mit Elektrolyt 13 gefüllte Zwischenraum zwischen Werkstück 11 und Gegenelektrode 12 ein bestimmtes Maß unterschritten hat.

In dem im Nebenschluß zu der Anoden-Kathoden-Strecke A-K des Thyristors 15 liegenden, über das Werkstück 11, die Elektrolytflüssigkeit 13 sowie die Gegenelektrode 12 verlaufenden Schaltungszweig ist ein Widerstand 16 eingefügt, dessen Spannungsabfall bei gegenseitiger Berührung des Werkstückes 11 und der Gegenelektrode 12 mindestens so groß ist wie die für das Leitendwerden der Anoden-Kathoden-Strecke A-K erforderliche Anodenspannung am Thyristor 15. Es hat sich gezeigt, daß als Widerstand 16 eine aus mehreren (mit gestricheltem Linienzug angedeuteten) Siliziumdioden 17 bestehende Serienschaltung besonders geeignet ist, wobei die Durchlaßrichtung dieser Dioden mit der wirksamen Stromrichtung übereinstimmt.

Der Widerstand 16 liegt dabei in einem zu dem vorerwähnten Schaltungszweig gehörenden Abschnitt 18, der in seinem Nebenschluß die Schaltstrecke 19 einer elektrisch steuerbaren Schalteinrichtung 20 aufweist. Die Umsteuerung dieser im Normalbetrieb stromdurchlassenden Schaltstrecke 19 in den nichtleitenden Zustand erfolgt ebenfalls, wenn der Zwischenraum zwischen Werkstück 11 und Gegenelektrode 12 ein bestimmtes Maß unterschritten hat.

Die elektrisch steuerbare Schalteinrichtung 20 kann durch wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement gebildet sein. Eine besonders geeignete Schalteinrichtung 20 ergibt sich jedoch, wenn sie aus mehreren Transistoren Tl ... Tn zusammengesetzt ist, wobei deren Emitter-Kollektor-Strecken Ei-Ci ... En-Cn untereinander parallel geschaltet sind und gemeinsam die Schallstrecke 19 bilden. Dabei können im einfachsten Fall die Kollektoren Ci ... Cn gemeinsam an dem zwischen dem Werkstück 11 und dem Widerstand 16 liegenden Verbindungspunkt 21, ferner die Emitter El ...En gemeinsam an dem zwischen dem Widerstand 16 und der Anode A des Thyristors 15 liegenden Verbindungspunkt 22 und schließlich die Basen Bi ... Bn vorzugsweise über wenigstens einen Begrenzungswiderstand 23 an dem zwischen dem Minuspol der Gleichstromquelle 14 und der Gegenelektrode 12 liegenden Verbindungspunkt 24 angeschlossen sein.

Man kann die Schaltung der Transistoren Ti ... Tn noch dadurch verbessern, daß man, wie mit gestricheltem Linienzug angedeutet, die Emitter EX... En über je einen von mehreren Gegenkopplungswiderständen W1 ... Wn mit dem Verbindungspunkt 22 verbindet und den den Basen Bi ... Bn abgekehrten Anschluß des Widerstandes 23 sowohl an die Kathode einer mit ihrer Anode an dem Verbindungspunkt 21 liegenden Diode 25 als auch über einen Widerstand 26 an die Kathode einer mit ihrer Anode an dem Verbindungspunkt 24 liegenden Zenerdiode 27 anschließ!.

Zur Steuerung des Thyristors 15 enthält die vom Pluspol der Gleichstromquelle 14 zum Werkstück Il führende Verbindung einen Steuerwiderstand 28, der ausgehend von dem Pluspol vor der Anschlußstelle der Anode A des Thyristors 15 liegt. Der Widerstandswert des Steuerwiderstandes 28 ist hierbei wesentlich kleiner als der Widerstand 16 gewählt. Der der Anode A des Thyristors 15 abgekehrte Anschluß des Steuerwiderstandes 28 liegt an einem Verbindungspunkt 29, der mit einem aus zwei vorzugsweise einstellbaren Widerständen 30, 31 bestehenden Spannungsteiler Verbindung hat. Der andere Anschluß des Spannungsteiles 30_t 31 liegt an dem Minuspol der Gleichstromquelle 14. Außerdem liegt an dem Verbindungspunkt 29 der Minuspol einer Hilfsstromquelle 32, die mit ihrem Pluspol an dem Emitter Ea eines Transistors Ta angeschlossen ist. Dieser Transistor Ta steht an seinem Kollektor Ca über einen Widerstand 33 mit der zum Thyristor 15 gehörenden Steuerelektrode S und an seiner Basis Ba mit dem Kollektor Cb eines Transistors Tb in Verbindung. Der Transistor Tb ist an seiner Basis Bb mit dem gemeinsamen Verbindurgspunkt 34 der beiden Spannungsteilerwiderstände 30, 31 und an seinem Emitter Eb mit dem zwischen der Anode A des Thyristors 15 und dem Steuerwiderstand 28 liegenden Verbindungspunkt 35 verbunden.

Des weiteren empfiehlt es sich, die Steuerelektrode S des Thyristors 15 an die Anode einer Zenerdiode 36 anzuschließen, deren Kathode über einen Widerstand 37 an dem Verbindungspunkt 35 liegt.

Die von dem Pluspol der Gleichstromquelle 14 zu dem Werkstück 11 führende Verbindung enthält ferner eine aus einem Schaltkontakt 38 und einer Induktionsspule 39 bestehende Serienschaltung, wobei der in seiner Arbeitsstellung gezeichnete Schaltkontakt 38 an dem Pluspol der Gleichstromquelle 14 und die Induktionsspule 39 an dem Verbindungspunkt 29 angeschlossen ist. An der gemeinsamen Verbindung zwischen Schaltkontakt 38 und Induktionsspule 39 ist die Kathode einer Diode 40 angeschlossen, deren Anode an dem Minuspol der Gleichstromquelle 14 liegt.

Der Schaltkontakt 38 wird durch einen Elektromagnet 42 betätigt und gehört zu einer Sicherheitsschalteinrichtung 41. Der Elektromagnet 42 ist an seinem einen Anschluß sowohl mit dem Pluspol der Gleichstromquelle 14 als auch mit der Kathode einer Diode 43

und an seinem anderen Anschluß sowohl mit der Anode dieser Diode 43 als auch mit dem Kollektor Cc eines Transistors Tc verbunden, dessen Emitter Ec mit dem Minuspol der Gleichstromquelle 14 und dessen Basis Bc mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt 44 zweier zu einem Spannungsteiler gehörenden Widerstände 45,46 verbunden ist. Dieser Spannungsteiler 45, 46 liegt zwischen dem Minuspol der Gleichstromquelle 14 und dem Verbindungspunkt 35. Außerdem ist noch ein von Hand betätigbarer Schalter 47 vorgesehen, der zwisehen der Anode der Diode 43 und dem Minuspol der Gleichstromquelle 14 liegt.

Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Sobald die Gleichstromquelle 14 Spannung zur Verfügung stellt, fließt vom Werkstück 11 über die Elektrolytflüssigkeit 13 zur Gegenelektrode 12 Strom, der eine Abtragung von Metall an denjenigen Flächen des Werkstückes 11 zur Folge hat, die mit der Elektrolytflüssigkeit in Berührung stehen. Im Normalbetrieb liegt die gelieferte Spannung nahezu in voller Größe zwischen Werkstück 11 und Gegenelektrode 12. Der Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten 22 und 34 ist dabei so gering, daß er nicht ausreicht, um die Emitter-Kollektor-Strecke Eb-Cb des npn-Transistors Tb in den leitenden Zustand zu steuern. Demzufolge befindet sich auch die Emitter-Kollektor-Strecke Ea-Ca des pnp-Transistors Ta in dem stromsperrenden Zustand, wodurch am Thyristor 15 vorerst die Steuerelektrode Sunbeeinflußt und die Anoden-Kathoden-Strecke A-K im stromsperrenden Zustand bleibt. Dagegen ist der Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten 22, 24 so groß, daß er ausreicht, um die Emitter-Kollektor-Strecken EI-Cl ... En-Cn der die Schalteinrichtung 20 bildenden Transistoren Tl bis Tn in den stromdurchlassendcn Zustand zu steuern. Der Widerstand 16 ist somit überbrückt und verbraucht also während des Normalbctriebes nicht unnötig Leistung.

Finden die Entkopplungswidcrstände Wl ... Wn Anwendung, so kann man eine sehr gleichmäßige Stromverteilung an den Emitter-Kollcktor-Strecken FA-CX... En-Cn erhalten.

Außerdem hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Transistoren TI ... Tn außerhalb der Sättigung /u betreiben, wofür im Bcispielsfall die Diode 25 sorgt.

Damit die Umsteuerung der Transistoren TI ... Tn exakt bei festgelegten Werten erfolgt, empfiehlt es sich, die Zcncrdiodc 27 anzuwenden, wobei der Widersinne! 26 dazu dient, cliiß dabei über die Diode 25 kein Kurzschluß hervorgerufen wird.

Verringert sich nun der Zwischenraum zwischen Werkstück 11 und Gegenelektrode 12 so weit, daß schließlich ein bestimmtes Maß unterschritten wird, dann reicht der zwischen den Verbindungspunkten 22, 24 vorhandene Potentialunterschied nicht mehr aus, um die Emitter-Kollektor-Strecken El-Cl... En-Cn in den leitenden Zustand zu halten. Die Überbrückung des Widerstandes 16 wird somit aufgehoben. Der Spannungsabfall am Widerstand 16 stellt nun in jedem Fall d. h. auch bei gegenseitiger Berührung des Werkstückes 11 und der Gegenelektrode 12, die für das Durchschalten des Thyristors 15 notwendige Anodenspannung sicher. Der Widerstand 16 schützt zugleich die Transistoren Tl ... Tn vor unzulässig hoher Kollektor-Emitterspannung.

Das Durchschalten des Thyristors 15 erfolgt dann wenn der Verbindungspunkt 22 infolge Verringerung des Abstandes zwischen Werkstück 11 und Gegenelektrode 12 so stark negativ geworden ist, daß dei Potentialunterschied zwischen diesem Verbindungspunkt 22 und dem Verbindungspunkt 34 ausreicht, urr die Emitter-Kollektor-Strecke Eb-Cb des Transistor« Tb in den leitenden Zustand zu steuern. Abhängig davor wird auch die Emitter-Kollektor-Strecke Ea-Ca de: Transistors Ta in den leitenden Zustand gesteuert wodurch die Hilfsstromquelle 32 ein positives Steuerpotential an die Steuerelektrode Sdes Thyristors 15 lieferr kann. Die Anoden-Kathoden-Strecke A-K wird demzu folge ebenfalls leitend und übernimmt jetzt der Stromfluß von demjenigen Schaltungszweig, der da: Werkstück 11 und die Gegenelektrode 12 enthält.

Durch die nunmehr leitende Anoden-Kathoden Strecke A-K des Thyristors 15 kommt auch dit Sicherheitsschalteinrichtung 41 zur Wirkung, indem dei Verbindungspunkt 22 durch diese Anoden-Kathoden Strecke A-K an den Minuspol der Gleichstromquelle U gelegt wird und der zwischen dem Verbindungspunkt 4^ und diesem Minuspol vorhandene Potentialunterschiec dann nicht mehr ausreicht um die Emitter-Kollektor Strecke Fc-Cc des Transistors Tc-in den leitender Zustand zu halten. Demzufolge wird der Stromkreis de; Elektromagneten 42 unterbrochen und der zugehörige Schaltkontakt 38 geöffnet, wodurch die Speisespannung von der Anlage abgeschaltet wird. Das Wicdereinschal ten der Anlage kann beispielsweise durch manuelle! Schließen des Schalters 47 erfolgen.

Die Diode 43 soll das Auftreten hoher Spannungsspil /.en an dem Elektromagnet 42 verhindern. Infolge dei vorgesehenen Diode 40 kann die Induktionsspule 35 beim öffnen des Schahkontaktes 38 dort keim schädlichen Funken erzeugen.

Die zwischen dem Vcrbindungspunkt 35 und dei Steuerelektrode 5 des Thyristors 15 liegende Serien schaltung, aus der Zenerdiodc 36 und dem Widcrstanc 37 findet zur Umsteuerung der Anoden-Kathoden Strecke A-K in den leitenden Zustand dann Anwen dung, wenn unerwünschte Überspannungen auftreten Diese Überspannungen können beispielsweise durch dii Induktionsspule 39 bei plötzlicher Stromabnahrm hervorgerufen werden und eine schädliche Funkenero sion am Werkstück 11 verursachen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Jj Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für elektrochemische Metallbearbeitungsmaschinen, wobei die Stromzuführung zum Werkstück an der Anode eines Thyristors, dagegen die Stromzuführung zur Werkzeugelektrode an der Kathode dieses Thyristors liegt und die Umsteuerung der Anoden-Kathoden-Strecke in den leitenden Zustand erfolgt, wenn der Arbeitsspalt zwischen Werkstück und Werkzeugelektrode ein bestimmtes Maß unterschritten hat, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im Nebenschluß zu der Anoden-Kathoden-Strecke (A-K) des Thyristors (15) liegenden, über den Arbeitsspalt (11, 13, 12} verlaufenden Schaltungszweig ein Widerstand (16) eingefügt ist, dessen Spannungsabfall bei gegenseitiger Berührung des Werkstückes (11) und der Werkztugelektrode (12) mindestens so groß ist wie die für das Leitendwerden der Anoden-Kathoden-Strecke (A-K) erforderliche Anodenspannung am Thyristor (15), und daß im Nebenschluß zum Widerstand (16) die zu einer elektrisch steuerbaren Schalteinrichtung (20) gehörende Schaltstrecke (19) liegt, deren Umsteuerung in den nichtleitenden Zustand ebenfalls erfolgt, wenn der Arbeitsspalt ein bestimmtes Maß unterschritten hat.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (16) aus mehreren in Serie geschalteten Siliziumdioden (17) besteht, deren Durchlaßrichtung mit der wirksamen Stromrichtung übereinstimmt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch steuerbare Schalteinrichtung (20) und der Thyristor (15) derart von der Spannung zwischen Werkstück (U) und Werkzeugelektrode (12) beeinflußt sind, daß bei zunehmender Verringerung des Arbeitsspaltes zwischen Werkstück (11) und Werkzeugelektrode (12) zunächst die Schaltstrecke (19) der elektrisch steuerbaren Schalteinrichtung (20) in den nichtleitenden Zustand und dann die Anoden-Kathoden-Strecke (A-K) des Thyristors (15) in den leitenden Zustand übergehen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch steuerbare Schalteinrichtung (20) durch wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement gebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch steuerbare Schalteinrichtung (20) aus mehreren Transistoren (Ti ... Tn) besteht, deren Emitter (Ei ... En) an einem zwischen dem Widerstand (16) und der Anode (A) des Thyristors (15) liegenden Verbindungspunkt (22), deren Kollektoren (C 1 ... Cn) an einem zwischen dem Widerstand (16) und dem Werkstück (11) liegenden Verbindungspunkt (21) und deren Basen (BX ... Bn) vorzugsweise über einen gemeinsamen Begrenzungswiderstand (23) an einem an der Gegenelektrode (12) liegenden Verbindungspunkt (24) angeschlossen sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (Ei... En) der die elektrisch steuerbare Schalteinrichtung (20) bildenden Transistoren (Tt... Tn))Q über einen von mehreren Gegenkopplungswiderständen (W 1 ...

Wn) an dem ihnen zugeordneten Verbindungspunkt (22) angeschlossen sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (A) und die Steuerelektrode (S) des Thyristors (15) durch einen Schaltungszweig verbunden sind, der eine aus einer Zenerdiode (36) und einen Widerstand (37) bestehende Serienschaltung enthält.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherheitsschalteinrichtung (41) Anwendung findet, mit deren Hilfe in Abhängigkeit von der leitenden Anoden-Kathoden-Strecke (A-K) des Thyristors (15) die Speisespannung abschaltbar ist.