DE2125749C3

DE2125749C3 - Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbogen bei Funkenerosionsbearbeitung

Info

Publication number: DE2125749C3
Application number: DE2125749A
Authority: DE
Inventors: Ernst Frederik Avenarius
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-05-25
Publication date: 1981-09-10
Also published as: CH530843A; CA941463A; US3746930A; DE2125749B2; DE2125749A1; FR2099228A5; GB1334600A; NL7008914A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung /um Erkennen von Lichtbogen im Arbeitsspalt bei unke ncrosionsbear beil ung.

Bei der Materialabtragung der Funkenerosion bilden sich manchmal Lichtbogen statt regelmäßiger Funken, wodurch das Werkstück und die Werk/eugelektrode beschädigt werden.

Der zeitliche Verlauf des Spannungsimpulses zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode bei Lichtbogen ist von dem bei Funken verschieden. Außerdem sind die Werte von Strömen und Spannungen im Arbeitsspalt für Lichtbogen und Funken voneinander verschieden. Lichtbogen lassen sich mt Hilfe von Detektorsystemen erkennen, deren Wirkung sich auf diese physikalischen Erscheinungen gründet. Die Parameter derartiger Detektorsysteme sind aber von der Einstellung der die Entladungsimpulse liefernden Speisequelle und von dem Material des Werkstückes und der Werkzeug*·' . _~~ aohängig. Diese Detektorsysteme sind daher stark an den speziellen Funkenerosionsvorgang, für den sie entworfen sind, gebunden, so daß sie nicht allgemein brauchbar sind. Es ist bekannt, daß bei Funkenentladungen die Spannung am Arbeitsspalt eine HF-Geräuschkomponente aufweist (Schriftenreihe Feinbearbeitung, Heft 39, Eckhard »Elektroerosive Metallbearbeitung«, Seite 12). Außerdem ist es bekannt, das Vorhandensein bzw. Schwinden einer Wechselstromkomponente höherer Frequenz auf der Spannung am

π Arbeitsspalt als Kriterium für gute bzw. entartete Entladungen auszunutzen (CH-PS 336137).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erkennen von Lichtbogen im Arbeitsspalt bei Funkenerosionsbearbeitung zu schaffen,

><> die unabhängig vom speziellen Bearbeitungsfall und von der Einstellung der Speisequelle zuverlässig arbeitet. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt an den Eingangsklemmen einer Rauschdetektorschaltung

r> angeschlossen ist, daß die Ausgangsklemmen der Rauschdeteklorschaltung mit dein Eingangskreis einer Diskriminatorschaltung verbunden sind, an welchen auch tine Bezugsspannungsquells angeschlossen ist, und daß eine logische Schaltung vorgesehen ist,

κι deren Eingangsklemmen Signale zugeführt werden, die der Spannung über bzw. dem Strom in dem Arbeitsspalt entsprechen und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung verbunden sind.

κ In dieser Vorrichtung wird zur Lichtbogenerkennung eine an sich bekannte physikalische Eigenschaft von Lichtbogen benutzt, und zwar das Verschwinden der Hochfrequenzrauschkomponente der Spannung über dem Arbeitsspalt sofort beim Auftreten von

ίο Lichtbogen. In der Diskriminatorschaltung wird die Rauschspaniiung mit einer liezugsspannung verglichen. Die Ausgangsspannung iler Diskriminatorschaltung gibt aber noch keine eindeutige Anzeige über das Auftreten von Lichtbogen.

ΙΊ Um einen Lichtbogen erkennen zu können, muß beim Fehlen der Kauschspaniumg festgestellt werden, ob Strom oder Spannung im Arbeitsspalt vorhanden ist. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung eine logische Schaltung, deren Eingangsklcinmeii Signale

-in zugeführt werden, die Spannung und Strom im Arbeitsspalt an/eigen und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen tier Rauschdetektoischaltimg verbunden sind.

In vorteilhafter Weiterbildung der eiliiidnngsge-

,, mäßen Vorrichtung ist /wischen ilen Ausgangsklemmen der Rausclulctektorschaltiing ein Schalter angebracht, dessen Steuerki ei; mit den Ausgangsklemmen der logischen Schaltung verbunden ist. Dadurch kann verhindert werden, daß bei kleinen Intervallzeiten die

Wi erkannten Rausehspannungsimpulse zueinander addiert werden und daß die Linschaltimpulse der Speisequelle weitergeleitet weiden.

Vorzugsweise ist die Diskriminatorschaltung ein Operationsverstärker, dessen eine Eingangsklemme

ι,ϊ mit einer Ausgangskleinme der Rauschdetektorschallung und dessen andere Eingangsklemme mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Dadurch läßt sich eine genaue und von der Temperatur unabhän-

gige Detektionsschwelle erhalten.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann einen Teil einer Schutzschaltung zum Unterdrücken von Lichtbogen in einer Funkenerosionseinrichtung bilden. Dabei können die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Impulszählvorrichtung verbunden sein. Nach dem Auftrete η einer gewissen Anzahl von Impulsen in einem bestimmten Zeitintervall kann der Impulszähler ein Signal abgeben, wodurch z. B. die Speisequelle und der Arbeitsspalt _r»tkoppelt werden. Auch können die vor der Diskriminatorschaltung abgegebenen Impulse einem integrierenden Netzwerk zugeführt und kann mit der Ausgangsspannung dieses Netzwerkes ein Relais, das die Speisequelle abschalten kann, gesteuert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf der Spannung als Funktion der Zeit zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück bei Funkenentladungen,

Fig. 2 eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer logischen Schaltung,

Fig. 3 die Weise, auf die bei kleinen Intervallzeiten die erkannten Rauschspannungsimpulse zueinander addiert werden können, und

Fig. 4 ein vollständiges Schaltbild einer praktischen Ausführungslorm einer Vorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet t/, die Spannung der Werk-/eugelektrode bei geerdetem Werkstück bei normalen Funkenentladungen. Die Zeit 1 ist als Abszisse aufgetragen. In dieser Figur sind:

i,: die Zündzeit,

t_jml: die Impulsdauer der von einem Impulsgenerator gelieferten Impulse,

i_m : die Intervallzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen.

/ — ι : die Funkenzeit,

',„„, + ',„

die IVriodendauer.
die Abfallzeit.

Statt regelmäßiger I unken über die ganze Erosionsoberlliiehe bilden sich manchmal Lichtbogen, vermutlich infolge einer Verschmutzung des lonisa liouskanals durch son der Elektrode, dem Werk/eng oder dem Dielektrikum herrührende Teilchen, oiler ;iuch durch Kurzschlüsse der Werkzeugelektrode und lies Werkstückes. Dadurch zieht sich die Werkzeugelektrode etwas zurück, wonach dann wieder Funkenoder Lichtbogenbildung auftritt. Das Werkstück und die Werkzeugelektrode sind dann aber bereits schwer beschädigt.

Die gängigen Vorrichtungen zur Lichthogenerkenluing weisen den Nachteil auf. daß sie nur bei einer bestimmten Einstellung der Speisequelle im I bei bestimmten Materialien de'- Werkzeugelektrode und des Welkzeugstückes braucPbarsind. Nach der Erfindung wird die Tatsache benu'/t, daß die bei Funkenentladung auftretende Raus'-hspannung bei Hogcncntladimgen fehlt. Das DetekUonsverfahren. dem die Messung von Rauschen zug'unde liegt, weist keinen der vorerwähnten Nachteile' auf.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung nach der Erfindung. In dieser Figur bezeichnet E eine Werkzeugelektrode und IF eine Werkstück. Ein Impulsgenerator C erzeugt Entladungen zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Elektrodenspannung ein Hochfrequenzrauschen überlagert, wenn die Entladungen Funkenentladungen sind. Wenn jedoch ßogenentladungen auftreten, ist das Hochfrequenzrauschen verschwunden. In einer Rauschdetektorschaltung wird die etwa vorhandene Rauschspannung durch ein differenzierendes Netzwerk A₁C₁ von der Elektrodenspannung getrennt. Die Rauschspannung wird von einer Diode D₁ gleichgerichtet. Ober einem Belastungswiderstand ß, erscheinen Spannungsimpulse.

Zur weiteren Verarbeitung der über dem Widerstand R-, auftretenden Spannung wird eine Diskriminatorschaltung verwendet. Die über dem Widerstand R-, auftretende Spannung wird einem der Eingänge der Diskrimiiiatorschaltung zugeführt und in dieser Schaltung mit der von einer Bezugsspannungsquelle V_ief herrührenden Spannung verglichen. Die Diskrimihatorschaitung gibt nur dann einen Ausgangsinipuls ab, wenn der über /?, erscheinende Spannungsimpuls einen bestimmten Mindestwert aufweist.

Für die Diskriminatorschaltung konnte ein Transistor mit einer bestimmten Vorspannung verwendet werden. Ein derartiger Mindestwertdetektor hat jedoch die folgenden Nachteile:

- große Temperaturempfindlichkeit,

- eine Änderung des Niveaus führt auch eine Änderung der Gleichstromeinstellung des Transistors und somit auch der Verstärkung und der Dynamik herbei.

- die Detektionsschwelle wird durch die /,,-!·',„. Kennlinie des Transistors bestimmt und weist eine unzureichende Schärte auf. Hei Anwendung eines Operationsverstärkers als üiskriininatorschaltung werden die erwähnten Nachteile vermieden.

Die vom Operationsverstärker 1 weitergeleiteten Impulse werden son der Diode D, gleichgerichtet und können z. H. mit Hilfe eines Voltmeters Λ/ angezeigt werden.

LIm einen lichtbogen erkennen zu können, muß festgestellt werden, oh beim Vorhandensein von Strom und Spannung Rauschen fehlt. Zu diesem Zweck ist in die Vorrichtung eine logische Schaltung L aufgenommen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Schaltung hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Dem mit ti bezeichneten Eingang wird ein der Spannung entsprechende», und dem mit / bezeichneten Eingang ein dem Strom zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück entsprechendes Signal zugeführt, fjberdem Ausgang der logischen Schaltung steht stets eine positive Spannung, es sei denn, daß clic beiden Fingangsspannungen von null verschieden sind, d. h. wenn der Strom und die Spannung zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode beide nicht gleich null sind.

Der Ausgang der logischen Schaltung ist mit demjenigen Eingang des Operationsverstärkers Γ verbunden, dem auch die Spannung über dem Widerstand R, /ugelühi I wird. Der Operationsverstärker wird nur dann Ausgangsimpulse abgehen, wenn die Summe der Spannung über R, und der \on der logischen Schaltung abgegebenen Spannung unter einen bestimmten Wert absinkt; mit anderen Worten, wenn sowohl Strom als auch Spannung zwischen dem Werkstück und der Werkzeiigelektioile vorhanden ist und außerdem Rauschen fehlt.

Bei kleinen Intervallzeiten zwischen den Impulsen ergibt sich wegen des Vorhandenseins der Streukapazität C", die Möglichkeit, daß zu einem Impuls ein Teil

des vorangehenden Impulses addiert wird (sog. »pile-up«-Effekt). Dies ist in Fig. 3, in der die Zeit ( als Abszisse und die Spannung über dem Widerstand /?, als Ordinate aufgetragen sind, veranschaulicht. In Fig. 3a sind die Impulse an der Werkzeugelektrode dargestellt; Fig. 3b zeigt, wie die erkannten Impulse (d. h. die Impi ^:-.e über dem Widerstand R₁) zueinander addiert werden. Durch das Addieren der Impulse bleibt die Spannung über dem Widerstand R₂ größer als die mit der gestrichelten Linie D angedeutete Detektionsschwelle. Infolge des »pile-up«-Effekts wird der im Zeitintervall r,-i₂ auftretende Lichtbogen nicht erkannt.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 wird »pile-up« durch die Anwendung eines schnell wirkenden line- ι"> arep. Tores in Form eines npn-Transistors 7", in gemeinsamer Emitterschaltung ohne feste Kollektorspannung vermieden. Die Basis des Transistors T₁ ist mit dem Ausgang der logischen Schaltung L verbunden. Wenn nicht sowohl Strom als auch Spannung im -< > Arbeitsspalt besteht, ist die logische Ausgangs-Spannung der logischen Schaltung und somit auch die Basis des Transistors T. positiv, so daß jedes positive Signal am Kollektor des Transistors T₁ kurzgeschlossen wird. Beim Vorhandensein sowohl eines Stromes als auch -"< einer Spannung im Arbeitsspalt ist die Basisspannung des Transistors T₁ gleich null, so daß dieser gesperrt ist und das Signal weitergeleitet wird. Die Streukapazität C₂ wird nach jedem Funken in einigen Nanosekunden entladen. In Fig. 3c sind die Impulse über w dem Widerstand R₂ dargestellt für den Fall, daß der Transistor 7", vorhanden ist. Im Zeitintervall /,-;, liegt die Spannung unterhalb der Detektionsschwelie D; der in diesem Zeitintervall auftretende Lichtbogen kann nun erkannt werden. v->

Ein zusätzlicher Vorteil des linearen T .res ist der. daß es die Einschaltimpulse des Impul>generators kurzschließt. Die Frequenzen dieser EinschaltimpuKe liegen innerhalb des Frequenzbereiches des Rauschens, so daß die Einschaltimpulse ohne Anwendung *<> des linearen 1 ores als Rauschen wahrgenommen würden.

Die Kombination der logischen Schaltung und des Schaltungselements T₁ der Vorrichtung nach Fig. 2 kann naturgemäß durch eine Kombination einer an- ~^r> deren logischen Schaltung und eines anderen linearen Tores ersetzt werden, vorausgesetzt, daß diese Kombination derart gewählt wird, daß die Streukapazität C- entladen wird, wenn nicht sowohl Strom als auch Spannung zwischen der Werkzeugelektrode und dem v> Werkstück von null verschieden sind.

Die vom Operationsverstärker gelieferten Impulse können einer nicht dargestellten Impulszähl vorrichtung zugeführt werden, die ihrerseits mit einer Schutzschaltung verbunden sein kann, derart, daß die Verbindung zwischen der Speisequelle und dem Arbeitsspalt unterbrochen wird, wenn die Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit einen gewissen Wert überschreitet. Auch kann die vom Operationsverstärker gelieferte Spannung integriert werden (siehe Fig. 2). eo Die integrierte Spannung (die Spannung über dem Kondensator C₃) kann dann zum Schalten eines Relais verwendet werden. Dieses Relais kann seinerseits einen Teil einer Schutzschaltung der Funkenerosionseinrichtung bilden.

Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Relais.

Um eine größere Erregung des Relais R zu erzielen, kann dieses Relais in den Ausgangskreis eines Verstärkers aufgenommen werden. In Fig. 4 besteht der Verstärker aus einem Transistor T₁. Natürlich können auch mehrere Transistoren in Reihe geschaltet oder auch andere Verstärkerelemente verwendet werden.

Dadurch, daß die Steuerspannung über ein Potentiometer R dem Verstärkerelement zugeführt wird, kann das Niveau, auf dem das Relais anzieht, eingestellt werden.

Zwei anti-parallel geschaltete Dioden D, und D₄ dienen zur Vermeidung hoher Spannungsspitzen. Ein Reihenwiderstand /J₆ begrenzt den Spitzenstrorn.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 wird am Anfang der Zündzeit der Kondensator C₁ über den Widerstand A₁ aufgeladen. Dadurch kann ein Spitzenstrom von einigen Ampere zu fließen anfangen, wodurch die logische Schaltung eine Aüsgangsspannung von G V aufweist, so daß der Transistor 7", gesperrt und das Signal weitergeleitet wird. Dies kann dadurch verhindert werden, daß der Spitzenstrom auf einen Wert unterhalb der Wahrnehmungsschwelle der logischen Schaltung herabgesetzt wird. Dies wird dadurch erzielt, daß der Widerstand R₁ fortgelassen, der Widerstand A₆ vergrößert und der Kondensator C₁ angepaßt werden. Eine Vergrößerung des Widerstandes R₆ führt infolge der Diodenstreukapazitäten eine Herabsetzung des Detektionswirkungsgrades herbei. Es wird eine Zw ischenlösung gewählt, indem der Widerstand Λ₆ nicht geändert, aber der Kondensator C₁ (die Zeitkonstante) um einen Faktor 10 herabgesetzt wird. Die Zeit, in der der Strom die Detektionsschwelie der logischen Schaltung überschreitet, wird dann derart kurz, daß die logische Schaltung nicht mehr auf den obenerwähnten Spitzenstrom anspricht.

Wenn nicht sowohl Strom als auch Spannung im Arbeitsspalt vorhanden ist, liefert die logische Schaltung eine positive Ausgangsspannung. Die Streukapaziiät C-, würde dann aufgeladen werden, wodurch die Detektionsschwelie um die Spannung der Streukapazität über der Streukapazität C₂ erhöht wird. Dies kann dadurch vermieden werden, daß eine zusätzliche Diode D₁ angeordnet wird.

Die zu der Zenerdiode D. parallelgeschaltete Diode D₆ muß verhindern, daß negative Spannungen über dem Meßgerät M auftreten.

Die vom Operationsverstärker V weitergeleiteten Impulse werden von der Diode D₂ gleichgerichtet und von dem Widerstand R„ und dem Kondensator C₄ integriert.

In einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 4 wiesen die Widerstände folgende Werte auf: R₁ = 10 kQ. A₃ = 0,1 Ω, R₄ = 3,9 kQ, A₅ = 3,9 kQ", A₆ = 68 Ω, A₇ = 100 Ω, A₈ = 100 Ω, A₉ = 680 Ω, R_w = 10 kΩ, während das Potentiometer R einen Wert von 10 kΩ hatte. Die Kapazitäten der Kondensatoren betrugen C₁ = 47 pF, C₃ = 0,1 μΡ, C₄ = 1 μΡ. Die Dioden D₁, D₂, D₅ und D₆ waren Germaniumdioden vom Typ OA 90. Die Dioden D₃ und D₁ waren Siläciumdioden. Die Zenerspannung der Zenerdiode D_z betrug 5,3 V. Die npn-Transistoren F₁ und T₁ waren vom Typ MM 71 bzw. BC 109.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erkennt., von Lichtbogen im Arbeitsspalt bei Funkenerosionsbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt an den Eingangsklemmen einer Rauschdetektorschaltung angeschlossen ist, daß die Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung mit dem Eingangskreis einer Diskriminatorschaltung verbunden sind, an welchen auch eine Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist. und daß eine logische Schaltung (L) vorgesehen ist, deren Eingangskle.mmen Signale zugeführt werden, die der Spannung über bzw. dem Strom in dem Arbeitaspalt einsprechen um! deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Rauschdctektorschaltung verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsklemmen der Rauschdetektorschaltung ein Schalter (T₁) angebracht ist, dessen Steuerkreis mit den Ausgangsklemmen der logischen Schaltung verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorschaltung ein Operationsverstärker ( V) ist, dessen eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme der Rauschdetektorschaltung und dessen andere Eingangsklemme mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist.

4. Schutzschaltung zum Unterdrücken von Lichtbogen während eines Funkenerosionsvorgangs mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Schaltvorrichtung für die Speisequelle verbunden sind.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Impulszählvorrichtung verbunden sind.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen der Diskriminatorsehaltung mit dem Eingangskreis eines integrierten Netzwerkes verbunden sind, in dessen Ausgungskrcis ein Relais (R) aufgenommen ist.