控制電火花刻蝕工序的方法與設備的製作方法
2023-07-13 21:07:11 2
專利名稱：控制電火花刻蝕工序的方法與設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制電火花刻蝕工序、即切割和挖槽工序的方法和設備。
電火花刻蝕工序用於通過電極對導電工件進行的高精密加工。製成工件的形狀由不同因素如電極形狀、加工強度等所決定。對加工的質量、特別是對所希望精度的調整而言，除精確的輪廓控制外，加工電極儘可能恆定和穩定的特性具有決定性的作用；特別重要的是儘可能精確保持電極與正在加工的工件區域之間當時所希望的工藝條件所需要的距離；同樣對從屬於此的加工時間和加工強度也需進行精確控制。這些特別是對很薄的和柔韌的電極是有困難的，例如把它們應用於微刻蝕領域、如微鑽孔時。在此，特別是在故障情況下、如短路時將出現困難。
在文獻CH-PS-525061(KONDO)中公開發表了電火花刻蝕工序自動控制的基礎理論。其中主要包括若干測量電壓和電流的檢測裝置、和一個對這裡取得的信息進行處理的邏輯電路和一個在此基礎上控制電火花刻蝕工序的控制裝置。電極的運動依據當時實際狹縫的電導率(即電極與工件之間介質的電導率)經一個伺服機構來實現。此外，短路或電弧等故障通過限制短路電流或者將電極從工件移開加以排除。
專利文獻EP-A-0333170(AGIE)或US-DS-4864091把額定距離即對於加工工件實際所希望的工藝條件相應的距離、與刻蝕電極與工件之間的實際距離進行比較。由此比較可能得到一個誤差信號，此誤差信號經低通濾波器電路傳送到電極運動的控制電路。當時的實際距離優先由實際的刻蝕電壓求得。
專利文獻US-PS-5159167(CHAIKIN等)藉助電火花傳感器研究了電極的位置控制和藉助對放電的「完全的」控制研究了對孔徑尺寸的精確調整。
專利文獻DE 3204799A1(YAMADA等)涉及一種工件放電加工設備，該設備在「加工過程結束時」，即在電極穿透工件的瞬間自動關斷。
由文獻DE 3300552C2(GARBAJS等)已知一種電火花刻蝕加工工序的控制方法，在這種方法中，檢測在工具和被加工工件之間的工作狹縫中出現的放電脈衝並且基於其當時的電壓分布特性對其進行分析。此外，此方法對不規則的放電和基於電流短路所產生的短路脈衝加以區分，根據此區分刻蝕機以不同方式作出反應。
這種已知設備和/或方法往往不能適當地對刻蝕條件的突然變化作出反應，比如對微鑽孔電極在鑽透工件底邊的瞬間所出現的突然變化作出反應。從此瞬間開始刻蝕衝洗液體即可以向下流動或者更概括地說流過工件。從而衝洗壓力、衝洗速度和衝洗液的運動方向出現極大的改變。因此，電極的位置變得不穩，在鑽孔狹縫中形成氣泡，並且已被刻蝕下的顆粒(只要這些顆粒還位於鑽孔狹縫中)同樣也將改變運動方向而且再被向下衝洗。從而導致「非機械的」或者「其它的」短路、電壓突然改變和控制測量值的失真，因為狹縫電壓失去了其正常的意義(與狹縫寬度成比例)。在此，已知的控制系統對上述情況作出反應，把電極快速撤回，並由此增加了非穩定性，或者不管實際上所實現的加工結果是否與所希望的相符而結束加工。其結果特別是在第一種情況下導致了在鑽孔的出口區域電極滯留時間加長。因為這些已知的方法和/或設備不能把此種極端情況作為極端情況加以處理，所以在非穩定過程期間繼續發出刻蝕脈衝，這些脈衝把孔徑不規則地、和以不希望的以及不可控制的方式增大。
以上述情況為出發點，本發明的目標是實現無幹擾的電火花刻蝕工序。本發明從兩個方面的構思實現了此目標。
根據本發明的第一方面(即權利要求1)，規定一種控制至少一個在至少一個工件和至少一個電極、特別是一個微鑽孔電極之間的電火花刻蝕工序的方法，其中，至少在一個待刻蝕段的一個間距內要採集至少一個工序參數的若干測量值。由這些至少一個工序參數的測量值求得(模擬的或者隨後的)一個或者數個控制數值，並把這些值、至少是其中部分值在至少一個隨後時間的刻蝕間距內應用於控制電火花刻蝕工序。根據本發明的第二方面(即權利要求15)，提出一種適用於此方法的設備，該設備配備有用於至少一個工件和一個電極之間相對運動的驅動器和驅動器控制部件、用於產生刻蝕火花的發生器部件、用於測量工序參數數值的部件、用於將這些測量數值轉換為控制值的部件和存儲部件。其中，用於測量工序參數數值的部件至少在一個待刻蝕段的一個間距內採集至少一個工序參數的若干測量值。將這些測量值轉換為控制值的部件由至少一個工序參數的若干測量值中求得一個或數個控制值。存儲部件存儲這樣獲得的這些控制值，並且驅動器控制部件最後把這些數值、至少這些值中的一部分應用於控制至少一個隨後時間的刻蝕間距。
這些方法和這種設備有可能給電火花刻蝕機以簡單方式和對操作人員無負擔地單獨求得較無幹擾的刻蝕運行所需預先給出的控制數值。這些即可以在一個特別為其準備的測試段上進行，也可以在一個待刻蝕段的間距內進行。因此原則上可以自動求得在不同的工作參數下任意的工件-電極組合對的特徵值。如此得到的數據即可以只用於「測試工件」、也可以用於任意多種同類的工件。這裡特別提供了一種可能性，即通過適當的控制值把幹擾在預備區內基本上排除。
在一個優先實施結構中(權利要求2)至少求得的控制值之一合有一個適合於所希望工件加工的電極進給速度。此進給速度優選地小於在測量間距內(權利要求3和4)的平均進給速度，並且此速度由測量間距中的平均進給速度與一個係數相乘求得，此係數小於1(權利要求5)，並且優選地是電極直徑/工件厚度的比值的函數(權利要求6)。在本發明的另一優先實施結構中(權利要求7)，電極在至少一個跟隨在測量間距之後的間距中，特別是在終端間距中以所求得的進給速度至少如末出現短路情況那樣長時間地保持恆定運動。
這些優先實施結構的優點是由下列情況產生的特別是當電極以一個過高的速度運動時，由於直接與工件接觸而導致「機械」短路。因此，在測量間距內電極將必須(如與當前技術水平相當)有規律地在短路之後重新撤回。但是如果同時求得一個合適的進給速度，那麼就可以在所有跟隨在測量間距之後的間距內用「較安全」的速度基本避免這樣的「機械」短路。這種辦法提供了一個顯著的較無幹擾的、從而更精密的刻蝕工序。上面介紹的各實施結構導致此正面效應的不同等級。其中，根據本發明的第一方面中的一個構思(權利要求5和6)，還使本發明的一個特別簡單的和同時特別適合操作者工作的操作控制成為可能。
根據本發明的第一方面即(權利要求1-7中之一)所述，本發明還提出了另一種方法(即權利要求8)，這種方法對機械的和其它形式的短路加以區分，並且在機械短路時電極運動的控制不同於其它形式的短路。根據本發明的第二方面，本發明又提出了一種相適應的設備(即權利要求16)，該設備配備有測量工序參數數值的部件、和把這些測量值轉換成控制值或控制信號的部件。其中，在出現短路時，測量工序參數數值的部件測量與此有關的重要數值。在這些測量數值的基礎上，將測量數值轉換成控制數值的部件對機械的和其它形式的短路加以區分並且在機械短路時給出不同於在其它形式短路時的控制數值或控制信號。
非機械短路例如有可能由已經被刻蝕掉的、在衝洗液體中的顆粒所引起。因為這些顆粒可以很快地被衝走，所以對此類短路狀況採用不同於處理機械短路狀況的方法進行處理是有意義的。特別是對短路狀況的這種區別處理為保持基本上較無幹擾的刻蝕運行提供可能性。正是通過一個「較安全的」進給速度與此種區分短路的處理方法相結合才能夠特別有效地減少刻蝕運行時的幹擾(權利要求1和8以及15和16的組合)。
機械的和其它形式短路的區分優選地藉助短路電壓和/或短路持續時間來進行(權利要求9)，其中，短路持續時間-閾值優選地應該是電極直徑/工件厚度比值的一個函數(權利要求10)。(機械短路有比較長的持續時間和較少的電壓)。在機械短路期間電極優選地以恆定的速度後退，而與此相反，特別是在另一種短路期間，電極以進給速度Va前進(權利要求11)。(一旦機械短路被排除，那麼電極就重新以速度Va向前運動。)其中，後退速度優選地大於進給速度(權利要求12)。
本發明的這種結構能夠以特別簡單的方式對短路分別加以處理。因此可對短路容易作出靈活反應，從而能夠減小其反應所引起的附加幹擾。特別是上述微鑽孔時在鑽孔出口處出現的短路，如上所述，它們具有非機械性質，不再導致非穩定狀態，從而避免相關精度的下降。
在本發明另一個優選實施結構中，待刻蝕的段被精確地分成兩個間距，其中之一也用於求得一個或多個控制數值，特別是用於求得在另一間距內電火花刻蝕工序的進給速度，其中，第一間距與第二間距之比是電極直徑/工件厚度比值的函數(權利要求13)。
以這種方式保證了刻蝕機的操作特別簡便比如在工件微鑽孔時操作人員只要輸入電極直徑和工件厚度就可以確定整個刻蝕過程。
在本發明方法的另一個優選實施結構中設計了微鑽孔用的電極並且鑽孔直徑由進給速度Vb控制，此速度不能大於Va，並且按照公式Vb＝kd*Ni*kk*4/(Pi*D*D)和當時所希望的孔徑確定，其中各符號定義如下(權利要求14)
Ni＝單位時間放電次數D＝所希望的孔徑(＝2*sqrt(A/Pi))A＝相應的面積(kd*Ni*kk/Vb)Kd＝電蝕量係數＝每次放電電蝕下來的體積kk＝有效係數＝短路次數與放電次數之比Pi＝3.1415…Sqrt＝平方根Vb＝進給速度其中，針對每個確定的加工任務通過實驗求得kd。如果除平均進給速度外，也測量了單位時間的放電次數和單位時間的短路次數與單位時間的脈衝次數之比並且取平均值，那麼Ni和kk可以在測量段範圍內確定。
以這種方式有可能採用有限數量的電極直徑精確地進行任何微鑽孔。即，火花刻蝕微鑽孔的直徑是為刻蝕掉材料而向火花間隙所提供的能量的函數。在恆定的功率下此直徑是電極在各鑽孔位置滯留時間的函數、從而是進給速度Vb的函數。同時保證了按照本發明基本無幹擾的刻蝕運行。
下面藉助幾個實施例和附圖進一步闡述本發明。這些附圖如下
圖1.本發明刻蝕機一種實例的框圖；圖2.本發明刻蝕機的局部詳圖；圖3.電極直徑/工件厚度的比值與乘數係數Ka的函數關係曲線；圖4.電極直徑/工件厚度的比值與係數Ks的函數關係曲線；圖5.電極直徑/工件厚度的比值與短路時間閾值Dkm的函數關係曲線；圖6.用已知控制方案在一個電火花刻蝕微鑽孔處的電極位置的時間圖；圖7.本發明刻蝕機在一個電火花刻蝕微鑽孔處的電極位置的時間圖；圖8.用已知控制方案進行18個微鑽孔的批量加工時出口孔徑分散寬度的分布；和圖9.用本發明控制方案進行18個微鑽孔的批量加工時出口孔徑分散寬度的分布。
根據附圖電火花刻蝕機按照本發明的方法對工件7至少分兩個間距進行加工。其中有決定性意義的是，在至少一個間距內為電火花刻蝕工序求得一個或多個控制值並且用於至少另一個間距內。此外，有可能例如把求得的控制值在一個另外的中間間距內進行檢驗。但是把整個刻蝕段優先只分成兩個間距，下面把這些間距簡稱為測量間距和輸出間距。這兩個間距的長度比用係數Ks表示。(對此滿足Ms＝(1－Ks)*s及As＝Ks×s，其中，Ms＝測量段，As＝輸出段，S＝刻蝕段總長或工件厚度。)。
在測量間距內，電火花刻蝕機基本上按已知方法和採用已知設備的部件工作。為此(如圖1作為示例示出)，一個已知伺服系統2與一個驅動器4和一個電動機4a相連接以控制電極6與工件7的相對位置。發生器8提供刻蝕脈衝。測量電路3分析間隙或電火花間隙電壓並且給伺服系統2提供控制信號。編碼器5向數字控制裝置9提供關於電極6位置的信息。數據控制裝置9計算出進給速度，以及藉助操作人員輸入的數據計算電極直徑/工件厚度之比，計算乘數係數Ka、間距長度之比Ks、短路時間-閾值Dkm和比較器閾值Kza。此外，在測量間距的處理期間測量單位時間放電次數和單位時間短路次數與單位時間脈衝次數之比，並且求出這些測量值和進給速度的平均值。求出的平均進給速度與係數Ka相乘，此係數小於1。這樣得到的速度稱為輸出速度Va。此外，數字控制裝置9還確定一個後退速度Vr，此速度大於Va。
數字控制裝置9將在測量間距內求得的控制數值Vr、Va、Dkm、Kza傳送給一個特殊的伺服系統1。如果到達了測量間距和輸出間距的交界處，那麼數字控制裝置就用特殊伺服系統1與驅動器4之間的信號聯繫取代已知伺服系統2與驅動器4之間的控制信號聯繫，所以現在電極位置的控制由本發明的設備1接替。作為另一種選擇，本發明方法例如也可以藉助一個或多個相應的程序化的通用計算機代替下面敘述的設備來實現。此外，有可能把伺服系統1和/或伺服系統2和/或數字控制裝置9組合在一起，比如在上述的通用計算機內組合。當然，其中需要一個快速處理器，因為電路的響應時間必須很短。
在圖2中詳細示出了特殊伺服系統1。前進速度(Va)和後退速度(Vr)存儲在寄存器11以及10中。數據選擇器19開始在位置ac，並停留在此位置，直到RS-觸發器21改變其狀態，即一直到確定真實的機械短路出現為止。為了對此進行判斷，脈衝電壓被存儲在寄存器14中，其幅度與比較器15中的閾值Kza進行比較，並且在計數器17中按照節拍發生器16的節拍對短路持續時間計數。這樣求得的短路持續時間通過一個優選地為數字式的比較器18與短路持續時間-閾值Dkm進行比較。如果這個短路持續時間大於由短路持續時間閾值Dkm給出的時間，那麼RS-觸發器21就開始工作，並且數據選擇器19向寄存器20提供後退速度Vr。這個寄存器存儲Vr並將其傳送給驅動器4。所以電極6向後運動。一旦短路被排除，RS-觸發器21就翻轉，於是電極重新以Va向前運動。
圖3示出電極直徑/工件厚度的比值與乘數係數Ka的函數關係曲線。對深的微鑽孔此係數必須小於較淺的鑽孔，因為深孔衝洗情況較差。乘數係數Ka表示進給速度Va的一個相對上限。如上所述，比Va較小的速度提供額外的控制孔徑尺寸的可能性。
圖4示出電極直徑/工件厚度的比值與係數Ks的函數關係曲線。對深的微鑽孔，由於與Ka相同的原因，此係數必須小於較淺的鑽孔。對比值電極直徑/工件厚度＝V＝1/10例如有Ks＝0.1的良好結果。
圖5示出電極直徑/工件厚度的比值與短路持續時間-閾值Dkm的函數關係曲線。對深微鑽孔此閾值必須大於較淺的鑽孔，因為較差的衝洗情況自然會增加刻蝕過程不穩定性。對V＝1/10例如有Dkm＝0.6的良好結果。
圖6示出用已知控制方案或不採用本發明的設備在電火花刻蝕微鑽孔時電極位置的時間分布。畫斜線的面積示出在鑽透時工序的分散性，即在成批加工時所得結果分布在此區域內。
圖7示出用本發明的設備在電火花刻蝕微孔時電極位置的時間分布圖。在重複實驗中加工曲線總是恆定的和可重複的。
圖8示出用已知加工方案在批量加工18個微孔時分散寬度或與輸出孔徑給定值的偏差分布。人們看到結果有-6微米到+4微米的可觀起伏。
圖9示出用本發明設備在批量加工18個微孔時輸出孔徑分散寬度的分布。人們看到結果有明顯的改進。仍然還存在的起伏是由其它影響工藝的因素所造成並為+/-1微米。
權利要求
1.在至少一個工件(7)和至少一個電極(6)特別是微鑽孔電極之間控制至少一個電火花刻蝕工序的方法，其特徵在於，a，至少在一個待刻蝕段的一個間距內採集至少一個工序參數的若干測量值，b，由至少一個工序參數的這些測量值求得一個或多個控制值，並且c，這些值至少其中有一部分在至少一個隨後時間的刻蝕間距中用於控制電火花刻蝕工序。
2.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，至少所求得的控制值之一含有一個適合於所希望工件加工的數個電極(6)的進給速度(Va)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，進給速度(Va)由在測量間距內電極(6)的平均進給速度求得。
4.根據權利要求3所述方法，其特徵在於，進給速度(Va)小於測量間距內的平均進給速度。
5.根據權利要求4所述方法，其特徵在於，進給速度(Va)由在測量間距內的平均進給速率乘以係數(Ka)求得，此係數小於1。
6.根據權利要求5所述方法，其特徵在於，乘數係數(ka)是電極直徑/工件厚度比值的函數。
7.根據上述任一項權利要求所述方法，其特徵在於，電極(6)至少在一個時間上跟隨在測量間距之後的刻蝕間距中、特別是在刻蝕段的終端間距中用求得的進給速度(Va)至少如來出現短路情況那樣長時間地保持恆定運動。
8.根據上述任一項權利要求所述方法，其特徵在於，對機械的和其它形式的短路予以區分並且在機械短路時電極運動的控制與其它形式的短路不同。
9.根據權利要求8所述方法，其特徵在於，機械的和其它形式的短路的區分是利用短路電壓和/或短路持續時間進行的。
10.根據權利要求8或9所述方法，其特徵在於，短路持續時間可與短路持續時間-閾值(Dkm)相比較，其中，短路持續時間-閾值(Dkm)是電極直徑/工件厚度比值的函數。
11.根據權利要求8至10其中之一所述方法，其特徵在於，電極(6)在機械短路期間以恆定的速度後退，而與此相反，特別是在其它形式的短路期間電極向前運動。
12.根據權利要求11所述方法，其特徵在於，後退速度大於進給速度。
13.根據上述任一項權利要求所述方法，其特徵在於，至少一個待刻蝕的段被精確地分成兩個間距，其中，第一個間距用於求得一個或多個控制值、特別是取得進給速度(Va)以用於第二間距內電火花刻蝕工序，其中第一間距與第二間距的比值(ks)是電極直徑/工件厚度比值的函數。
14.根據上述任一項權利要求所述方法，其特徵在於，為微鑽孔設計了電極(6)並且鑽孔直徑是由進給速度(Vb)控制，此速度不大於根據權利要求1至7其中之一所求得的進給速度(Va)，並且根據公式Vb＝kd*Ni*kk*4/(Pi*D*D)和所希望的孔徑D來確定，其中Ni＝單位時間放電次數D＝所希望的孔徑(＝2*sqrt(A/Pi))A＝相應的面積(kd*Ni*kk/Vb)Kd＝電蝕量係數＝每次放電電蝕下來的體積kk＝有效係數＝短路次數與放電次數之比Pi＝3.1415…Sqrt＝平方根Vb＝進給速度
15.在至少一個工件(7)和至少一個電極(6)、特別是一個微鑽孔電極之間實現和控制至少一個電火花刻蝕工序的設備，該設備包括實現至少一個工件和至少一個電極之間相對運動的驅動器和驅動器控制部件(1、2、4、4a、9)、產生刻蝕火花的發生器部件(8)、測量工序參數數值的部件(3、5)、把這些測量數值轉換成控制值的部件(9)以及存儲部件(10-14)，其特徵在於，a，測量工序參數數值的部件(3、5)在一個待刻蝕段的至少一個間距內，為至少一個工序參數採集若干數值，b，轉換這些測量值為控制值的部件(9)由至少一個工序參數的測量值求得一個或多個控制值，c，存儲部件(10-14)存儲如此得到的控制值，並且d，驅動器控制部件(1、2、9)應用這些值、至少是部分控制值來控制至少一個隨後時間的刻蝕間距。
16.根據權利要求15所述裝置，此裝置配備有測量工序參數數值的部件(3、5)和把這些測量值轉換成控制值或控制信號的部件(9、10-19、21)，其特徵在於，a，測量工序參數數值的部件(3、5)在出現短路時測量與此有關的重要參數，b，把這些測量值轉換成控制值的部件(9、10-19、21)根據這些測量值區分機械的和其它形式的短路並且c，在機械短路時給出與其它形式短路時不同的控制值或控制信號。
17.根據權利要求15和16所述設備，其特徵在於，轉換部件(9、10-19、21)包括a，存儲部件(10、11)，存儲所求得的控制值、特別是存儲一個對一個所希望的工件加工適當的進給速度(Va)和退後速度(Vr)，b，一個數據選擇器部件(19)，由存儲部件(9)和(10)中選出一個，c，一個控制數據選擇器部件(19)的開關部件(21)，以及d，一些短路判斷部件(12-18)，這些部件把短路劃分為主要的或機械的、以及非主要的或其它形式的，以便在機械短路時由開關部件(21)和隨後的數據選擇器部件(19)以後退速度(Vr)使電極(6)後退直至短路終止。
18.根據權利要求17所述設備，其特徵在於，這些短路判斷部件(12-18)在一個寄存器(14)中存儲一個脈衝電壓，其幅度與一個比較器(15)中的電壓閾值(Kza)比較，在計數器(17)中按照一個節拍發生器(16)的節拍對短路持續時間計數，並且將用此方法求得的短路持續時間通過一個比較器(18)與一個短路持續時間-閾值(Dkm)比較，並把相應的控制信號傳送給開關部件(21)。
全文摘要
在工件(7)和電極(6)、如一個微鑽孔電極之間控制電火花刻蝕工序的方法和設備，按如下措施使刻蝕工序受幹擾較少，即沿待刻蝕段的第一測試段至少測量一個工序參數，由測量值至少求得一個控制值並把此值用到一個待刻蝕段的隨後時間的刻蝕間距中。控制值優先用於控制電極(6)的適宜進給速度。按如下措施可進一步減少幹擾，即把短路區分為機械短路和其它形式的短路及在機械短路時電極運動的控制不同於其它形式的短路。
文檔編號B23H7/32GK1131071SQ9511973
公開日1996年9月18日 申請日期1995年11月17日 優先權日1994年11月17日
發明者A·馬切西, M·波卡多羅 申請人:洛迦諾電子工業股份有限公司