TWI876989B - 等距觸發放電的放電加工設備及方法 - Google Patents

Abstract

一種等距觸發放電的放電加工設備包含電極、位置處理單元、放電電路模組以及控制器。電極沿著一加工路徑移動以加工一工件。位置處理單元儲存一放電觸發距離並且偵測電極的移動距離。位置處理單元於移動距離符合放電觸發距離時產生加工訊號，並且根據加工路徑、放電觸發距離及移動距離產生複數個加工訊號。放電電路模組包含第一放電電路用以產生第一放電電流以及第二放電電路用以產生第二放電電流。控制器根據加工訊號控制放電電路模組於該等加工訊號的放電訊號期間交替提供第一放電電流及第二放電電流至電極。

Description

等距觸發放電的放電加工設備及方法

本發明關於放電加工領域，並且特別地，關於一種等距觸發放電的放電加工設備及方法。

近年來，隨著半導體、電子與機械等相關技術的進步，使得產品朝向微小化及精密化的方向發展。在航太、汽車、醫療和電子領域等，微型產品通常係透過高精密模具所製造。一般來說，高精密模具的材料大部分會選擇高硬度及高強度的材料，例如：SKD-11。由於高精密模具具有高機械強度及複雜設計結構，因此高精密模具通常係透過CNC線切割放電加工機進行加工。

一般來說，在放電加工的過程中，電極的放電能量為固定時間持續施放。然而，當電極的加工路徑由直線移動至非直線時，路徑向量係由單軸向轉移至雙軸向，表示電極行走的進給率小於單軸向進給率，因此容易發生放電點過度密集或過度分散，工件轉角處容易造成切割路徑的誤差，導致工件發生過切或餘切誤差並且產生幾何形狀及精度的誤差，進而降低加工精度以及加工效率。

因此，有必要研發一種新式的放電加工設備，以解決先前技 術之問題。

有鑑於此，本發明的一範疇提供了一種等距觸發放電的放電加工設備。在一具體實施例中，等距觸發放電的放電加工設備包含電極、位置處理單元、放電電路模組以及控制器。電極用以沿著一加工路徑移動以加工一工件。位置處理單元儲存一放電觸發距離並且用以偵測電極的一移動距離。位置處理單元於移動距離符合放電觸發距離時產生一加工訊號，並且根據加工路徑、放電觸發距離及移動距離產生複數個加工訊號。 其中，加工訊號包含一放電訊號。放電電路模組電連接電極。放電電路模組包含第一放電電路以及第二放電電路。第一放電電路包含第一電容並用以產生第一放電電流，並且第二放電電路包含第二電容並用以產生第二放電電流。控制器連接電極、位置處理單元以及放電電路模組。控制器根據加工訊號控制放電電路模組提供放電電流，並且控制放電電路模組於該等加工訊號的放電訊號期間交替提供第一放電電流及第二放電電流至電極。

其中，電極以一進給率移動。位置處理單元根據進給率以及放電觸發距離計算出對應加工訊號的一加工時間長度，並且放電訊號對應一放電時間長度。放電時間長度占加工時間長度的1/2至1/3之間。

其中，加工訊號包含複數個放電週期，並且每一個放電週期包含放電訊號以及一休止訊號。

其中，控制器預存一電壓閥值。控制器用以量測電極及工件之間的一間隙電壓值。當間隙電壓值小於電壓閥值時，控制器控制電極朝向加工方向的相反方向移動。

其中，等距觸發放電的放電加工設備進一步包含一輸入單元連接位置處理單元以及控制器。輸入單元用以輸入放電觸發距離以及進給率。

其中，加工路徑為非直線加工路徑。

其中，位置處理單元為位置同步輸出單元(Position Synchronized Output,PSO)。

其中，控制器為現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)。

本發明的另一範疇提供了一種等距觸發放電的放電加工方法。在一具體實施例中，等距觸發放電的放電加工方法包含以下步驟：電極沿著對應工件的一加工路徑移動；位置處理單元偵測電極的一移動距離；位置處理單元於移動距離符合一放電觸發距離時產生一加工訊號，並且根據加工路徑、放電觸發距離及移動距離產生複數個加工訊號，其中加工訊號包含一放電訊號；以及控制器根據加工訊號控制放電電路模組於該等加工訊號的放電訊號期間交替提供第一放電電流及第二放電電流至電極以加工該工件。

其中，等距觸發放電的放電加工方法進一步包含以下步驟：控制器量測電極及工件之間的一間隙電壓值；以及當間隙電壓值小於一電壓閥值時，控制器控制電極朝向加工方向的相反方向移動。

綜上所述，本發明的等距觸發放電的放電加工設備可透過位置處理單元產生等距離觸發放電的加工訊號，並且透過控制器控制放電電路模組以等距方式觸發脈衝能量進行放電，以使電極在工件轉角處的每小 段距離皆有相同的放電脈衝點分佈，避免放電能量過度密集或過度發散所導致的加工誤差，進而提升加工精度及加工效率。此外，因此，本發明的等距觸發放電的放電加工設備也具有短路檢測的功能，以提升加工效率。

E:等距觸發放電的放電加工設備

1:移載單元

2:位置處理單元

3:放電電路模組

31:第一放電電路

32:第二放電電路

4:控制器

5:電極

6:輸入單元

8:工件

A1:第一放電電流

A2:第二放電電流

S1~S7:步驟

圖1係繪示根據本發明的一具體實施例的等距觸發放電的放電加工設備的功能方塊圖。

圖2係繪示根據本發明的一具體實施例的加工訊號以及放電電流的時序圖。

圖3係別繪示根據本發明的一具體實施例的電極加工該工件的簡易示意圖。

圖4係繪示根據本發明的一具體實施例的加工訊號以及放電電流的時序圖。

圖5係繪示根據本發明的一具體實施例的等距觸發放電的放電加工方法的步驟流程圖。

為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了解，後續將以具體實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。值得注意的是，這些具體實施例僅為本發明代表性的具體實施例，其中所舉例的特定方法、裝置、條件、材質等並非用以限定本發明或對應的具體實施例。又，圖中各裝置僅係用於表達其相對位置且未按其實際比例繪述，合先敘明。

請參閱圖1。圖1係繪示根據本發明的一具體實施例的等距觸 發放電的放電加工設備E的功能方塊圖。如圖1所示，在本具體實施例中，等距觸發放電的放電加工設備E包含移載單元1、位置處理單元2、放電電路模組3、控制器4以及電極5。移載單元1連接位置處理單元2、控制器4以及電極5。位置處理單元2連接控制器4，放電電路模組3連接控制器4及電極5，並且連接器4連接電極5。移載單元1用以控制電極5移動並且可與位置處理單元2以及控制器4雙向傳送訊號及資料。位置處理單元2用以產生及傳輸加工訊號至控制器4。放電電路模組3用以輸出放電電流。而控制器4可根據移載單元1、位置處理單元2及放電電路模組3所產生的訊號及參數控制電極5以加工工件8。

在本具體實施例中，移載單元1用以控制電極5沿著一加工路徑移動以加工工件8。於實務中，移載單元1可為CNC工具機的加工平台。加工平台可承載工件8並且可多軸向的移動(例如：X軸、Y軸、Z軸、以及可旋轉的U軸)，並且電極5可固定於一加工位置。加工路徑可預先寫入或匯入至CNC工具機中，並且加工路徑可為直線、弧線及曲線之至少一者。移載單元1可根據加工路徑移動工件8，以使電極5能夠沿著加工路徑加工工件8。此外，移載單元1可儲存一進給率以控制工件8的移動速度。在另一具體實施例中，移載單元也可承載電極並且控制電極以儲存的進給率沿著加工路徑移動，並且工件固定於加工位置。而當移載單元1控制電極5或工件8移動時產生一移動距離。

請一併參閱圖1至圖3。圖2係繪示根據本發明的一具體實施例的加工訊號以及放電電流的時序圖。圖3係別繪示根據本發明的一具體實施例的電極5加工該工件8的簡易示意圖。如圖1至圖3所示，在本具體實施 例中，位置處理單元2儲存一放電觸發距離並且用以偵測移載單元1所產生的移動距離。當移動距離符合放電觸發距離時，位置處理單元2產生一加工訊號。於實務中，放電觸發距離為用以控制電極5進行放電的依據，並且可根據設計、需求或CNC的加工精度設定其距離值。當位置處理單元2偵測移動距離符合放電觸發距離時，位置處理單元2產生並傳送加工訊號至控制器4。值得注意的是，位置處理單元2於每一個移動距離符合放電觸發距離時皆會產生加工訊號。於實際應用中，位置處理單元2可以距離值累加的方式偵測移動距離。舉例來說，如圖3所示，當放電觸發距離設定為2μm並且移載單元1的總移動距離為10μm時，位置處理單元2將會產生5個加工訊號(分別為2μm、4μm、6μm、8μm及10μm)。也就是說，位置處理單元2可根據加工路徑長度、放電觸發距離以及移動距離產生複數個加工訊號，並且位置處理單元2以等距離的方式觸發電極5進行放電加工。

如圖2所示，在本具體實施例中，加工訊號包含放電訊號以及休止訊號。加工訊號具有一加工時間長度，並且放電訊號具有一放電時間長度。位置處理單元2用以根據移載單元1的進給率以及放電觸發距離計算出對應加工訊號的加工時間長度。其公式如下：

其中，Tt為加工時間長度，Du為移動放電觸發距離所需的時間，Cy為觸發次數，Dt為放電觸發距離，F為進給率，T_A為放電時間長度。

於實務中，位置處理單元2可先根據進給率以及放電觸發距 離計算出移動放電觸發距離所需的時間，以距離轉換為時間方式計算出位置處理單元2發送每一個加工訊號的時間。進一步地，位置處理單元2可透過觸發及關閉的切換分別產生放電訊號及休止訊號。而觸發次數為位置處理單元2觸發及關閉的切換次數。當觸發次數為1時，表示加工訊號中僅有一個放電訊號及休止訊號，此時，加工時間長度等於移動放電觸發距離所需的時間長度。

進一步地，在本具體實施例中，放電時間長度占加工時間長度的1/2，也就是說，放電訊號及休止訊號的時間長度相同。於實務中，放電時間長度及加工時間長度的關係不限於此，放電時間長度也可占加工時間長度的1/2至1/3之間，也可根據設計或需求而決定。

如圖1及圖2所示，在本具體實施例中，放電電路模組3包含第一放電電路31以及第二放電電路32。第一放電電路31包含第一電容並且用以產生第一放電電流A1。第二放電電路32包含第二電容並且用以產生第二放電電流A2。於實務中，放電電路模組3可包含複數個電晶體，並且可透過電晶體控制第一放電電路31及第二放電電路32交替放電。此外，第一電容的電容值與第二電容的電容值可為相同，因此第一放電電流A1及第二放電電流A2的放電能量可相同。

在本具體實施例中，控制器4根據位置處理單元2所產生的加工訊號控制放電電路模組3提供放電電流，並且控制放電電路模組3於加工訊號的放電訊號期間交替提供第一放電電流及第二放電電流至電極5。於實務中，控制器4根據位置處理單元2所產生的加工訊號判斷出加工訊號中的放電訊號的時間點以及放電時間長度，接著控制器4再控制放電電路模組3 的複數個電晶體以使第一放電電路31及第二放電電路32交替放電。當控制器4控制第一放電電路31放電時，控制器4透過電晶體控制第二放電電路32充電。接著，控制器4再控制第二放電電路32放電並且透過電晶體控制第一放電電路31充電。因此，電極5可連續接收第一放電電流及第二放電電流以加工工件8。而控制器4控制放電電路模組3放電的公式如下：

N_dis=T_A×f_dis

其中，N_dis為放電發數，T_A為放電時間長度，f_dis為放電頻率。如圖2所示，放電電流的每一個波峰表示每一個充/放電波形，並且放電電流的所有波峰分別為第一放電電流及第二放電電流的交替波形。而放電電路模組3的放電頻率可根據設計或需求而決定。

位置處理單元所產生的加工訊號以及放電電路模組的放電電流除了可為前述具體實施例的樣態之外，也可為其他樣態。請參閱圖4。圖4係繪示根據本發明的一具體實施例的加工訊號以及放電電流的時序圖。在本具體實施例中，如圖4所示，在每一個放電觸發距離(Dt)所對應的時間中，位置處理單元2的觸發次數(Cy)為2次，表示加工訊號中包含兩個放電訊號及休止訊號。也就是說，移載單元1控制電極5或加工平台移動放電觸發距離的期間，位置處理單元2產生兩個加工訊號，並且每一個加工時間長度(Tt)以及放電時間長度(T_A)為原本的一半。雖然放電時間長度減少，但是每一個放電觸發距離的總放電時間相同，即總放電能量相同。於實務中，觸發次數(Cy)不限於1或2次，也可以根據設計或需求而決定。

本發明的等距觸發放電的放電加工設備E可應用於非直線的加工路徑的加工。於實務中，位置處理單元2可為位置同步輸出單元 (Position Synchronized Output,PSO)，並且控制器4可為現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)。於實際運作時，位置處理單元2會先同步偵測移載單元1控制電極5或加工平台移動的實際移動距離。當移動距離符合放電觸發距離時，位置處理單元2將根據觸發次數產生加工訊號。接著，控制器4根據加工訊號中的放電訊號的放電時間長度控制放電電路模組3的放電時間以及放電發數，並且交替提供第一放電電流及第二放電電流至電極5以加工工件8。因此，本發明的等距觸發放電的放電加工設備可透過位置處理單元產生等距離觸發放電的加工訊號，並且透過控制器控制放電電路模組以等距方式觸發脈衝能量進行放電，以使電極在工件轉角處的每小段距離皆有相同的放電脈衝點分佈，避免放電能量過度密集或過度發散所導致的加工誤差，進而提升加工精度及加工效率。

請再次參閱圖1。在本具體實施例中，控制器4預存一電壓閥值並且用以量測電極5及工件8之間的間隙電壓值。當間隙電壓值小於電壓閥值時，控制器4控制電極5朝向加工方向的相反方向移動。於實務中，電極5以及工件8將會分別連接電源的正極及負極，因此，在加工的過程中，控制器4可量測電極5及工件8之間的間隙電壓值。當間隙電壓值小於電壓閥值時，表示可能因電極5或工件8的進給率太快或因放電殘渣所造成的放電短路現象。此時，控制器4將控制移載單元1驅動電極5或工件8朝向加工方向的相反方向移動(即退刀位移)。接著，待間隙電壓值大於電壓閥值或放電殘渣被清除後，控制器4再繼續控制移載單元1並根據位置處理單元2所產生的加工訊號以及放電電路模組3提供放電電流至電極5以進行加工。因此，本發明的等距觸發放電的放電加工設備也具有短路檢測的功能，以提升加 工效率。

此外，在本具體實施例中，等距觸發放電的放電加工設備E可進一步包含輸入單元6連接移載單元1、位置處理單元2以及放電電路模組3。輸入單元6用以輸入加工參數。於實務中，輸入單元6可為CNC工具機的人機介面。輸入單元6可輸入前述的加工路徑、放電觸發距離(Dt)、觸發次數(Cy)、進給率(F)、放電時間長度與加工時間長度的占比、放電頻率(fdis)等。

請參閱圖5。圖5係繪示根據本發明的一具體實施例的等距觸發放電的放電加工方法的步驟流程圖。圖5的步驟可由圖1的等距觸發放電的放電加工設備E來執行。如圖1及圖5所示，等距觸發放電的放電加工方法包含以下步驟：步驟S1：移載單元1控制電極5沿著對應工件8的加工路徑移動；步驟S2：位置處理單元2偵測電極5的移動距離；步驟S3：位置處理單元2於移動距離符合放電觸發距離時產生加工訊號，並且根據加工路徑、放電觸發距離及移動距離產生複數個加工訊號；步驟S4：控制器4根據加工訊號控制放電電路模組3於加工訊號的放電訊號期間交替提供第一放電電流及第二放電電流至電極5以加工工件8；步驟S5：控制器4量測電極5及工件8之間的間隙電壓值；步驟S6：控制器4判斷間隙電壓值是否小於電壓閥值；若判斷結果為是，則執行步驟S7：控制器4控制移載單元1驅動電極5朝向加工方向的相反方向移動；若判斷結果為否，則回到步驟S6。

綜上所述，本發明的等距觸發放電的放電加工設備可透過位置處理單元產生等距離觸發放電的加工訊號，並且透過控制器控制放電電路模組以等距方式觸發脈衝能量進行放電，以使電極在工件轉角處的每小 段距離皆有相同的放電脈衝點分佈，避免放電能量過度密集或過度發散所導致的加工誤差，進而提升加工精度及加工效率。此外，因此，本發明的等距觸發放電的放電加工設備也具有短路檢測的功能，以提升加工效率。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

E:等距觸發放電的放電加工設備

1:移載單元

2:位置處理單元

3:放電電路模組

31:第一放電電路

32:第二放電電路

4:控制器

5:電極

6:輸入單元

8:工件

Claims (10)

1. 一種等距觸發放電的放電加工設備，包含：一電極，用以沿著一加工路徑移動以加工一工件；一位置處理單元，儲存一放電觸發距離並且用以偵測該電極的一移動距離，該位置處理單元於該移動距離符合該放電觸發距離時產生一加工訊號，並且根據該加工路徑、該放電觸發距離及該移動距離產生複數個該加工訊號，其中該加工訊號包含一放電訊號；一放電電路模組，電連接該電極，該放電電路模組包含一第一放電電路以及一第二放電電路，該第一放電電路包含一第一電容並用以產生一第一放電電流，並且該第二放電電路包含一第二電容並用以產生一第二放電電流；以及一控制器，連接該電極、該位置處理單元以及該放電電路模組，該控制器根據該等加工訊號控制該放電電路模組提供放電電流，並且控制該放電電路模組於該等加工訊號的該放電訊號期間交替提供該第一放電電流及該第二放電電流至該電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述的等距觸發放電的放電加工設備，其中該電極以一進給率移動，該位置處理單元根據該進給率以及該放電觸發距離計算出對應該加工訊號的一加工時間長度，並且該放電訊號對應一放電時間長度，該放電時間長度占該加工時間長度的1/2至1/3之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的等距觸發放電的放電加工設備，其中該加工訊號包含複數個放電週期，並且每一個放電週期包含該放電訊號以及一休止訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述的等距觸發放電的放電加工設備，其中該控制器預存一電壓閥值，該控制器用以量測該電極及該工件之間的一間隙電壓值，當該間隙電壓值小於該電壓閥值時，該控制器控制該電極朝向加工方向的相反方向移動。
5. 如申請專利範圍第2項所述的等距觸發放電的放電加工設備，進一步包含一輸入單元連接該位置處理單元以及該控制器，該輸入單元用以輸入該放電觸發距離以及該進給率。
6. 如申請專利範圍第1項所述的等距觸發放電的放電加工設備，其中該加工路徑為非直線加工路徑。
7. 如申請專利範圍第1項所述的等距觸發放電的放電加工設備，其中該位置處理單元為位置同步輸出單元(Position Synchronized Output,PSO)。
8. 如申請專利範圍第1項所述的等距觸發放電的放電加工設備，其中該控制器為現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)。
9. 一種等距觸發放電的放電加工方法，包含以下步驟：一電極沿著對應一工件的一加工路徑移動；一位置處理單元偵測該電極的一移動距離；該位置處理單元於該移動距離符合一放電觸發距離時產生一加工訊號，並且根據該加工路徑、該放電觸發距離及該移動距離產生複數個該加工訊號，其中該加工訊號包含一放電訊號；以及一控制器根據該加工訊號控制一放電電路模組於該等加工訊號的該放電訊號期間交替提供一第一放電電流及一第二放電電流至該電極以加工該工件。
10. 如申請專利範圍第9項所述的等距觸發放電的放電加工方法，進一步包含以下步驟：該控制器量測該電極及該工件之間的一間隙電壓值；以及當該間隙電壓值小於一電壓閥值時，該控制器控制該電極朝向加工方向的相反方向移動。

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