专利名称：用于高频放电加工的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通ii故电来加工工件的方法和装置，具体涉及使用高频电压4^##加工的表面。在金属线电加工领域中公知的是，粗糙度低于0.1微米(Ra)的精加 工的表面可以通过在电极与工件之间产生持续时间短并且强度受限的高 频放电而获得。0.5MHz到2MHz范围内的高频电压通常用在线电加工中 用于执行半镜面精加工操作。随着近来在工艺控制方面的进步，现在可以实现关于工件的高形状正 确度。在利用线电极的最后切割期间，我们可以认为形状公差、拐角误差 和垂直面在l微米的范围内。/i^p的是，最主要的力，即静电力和电磁吸引力、等离子体压斥力和 机械回复力，共同配合将线电极设置到中性静止位置。视偏移方向的情况， 有时吸引，有时排斥，合成力将电极回复到其中性静止位置，达到固有的 平衡。在到目前为止的大多数应用中，这种提供稳定平衡的最新的自动调 节作用，使得能够以开环系统设计最筒单的路径馈i!Ul率控制。对精加工表面进行加工的一些关键问题是(i)轴线控制，以便实现 恒定的加工条件；(ii)对偏离这些加工条件的适当测量；(iii)测量放电 能量的减少，以便保持理想的表面光洁度。(i)由于直接切割和最初精加工模式得到很好的控制，所以趋势是朝向 更加精细的(半镜面)表面粗糙度，称为絲加工模式，其中，电 极横向加工重叠的材料以侵蚀掉数微米。由于放电的能量极其微弱，形状的正确性不必再校正。这需要改进的轴线伺服控制，以允 许仅仅在必要时才去除材料，并且获得相当大的行iiiUL，而不管 减小的每次放电去除速率。除了线电极横向加工的超精加工模式以外，另一个主要的趋势是 使用小的金属线来加工亚毫米工件，该线的直径小于50微米，并 且小至15微米。类似地，由于这种线的脆性，需要具有减小的放 电能量的高频加工电压。在这些最新的应用中，线电极实现直接
切割并且必须控制正面间隙(frontal gap )。在这两个情形中，上述稳定模式仅仅存在于很窄范围的间隙宽度 内。以恒定的速度移动线变得不起作用，使得必须开jgX应性非 常好的伺服控制。遗憾的是，如下所述，必要的输入信号目前不 可用或者至少对其测量仍然棘手。缺少实际间隙的真实图像，于 A^馈控制不能实现。(ii) 当在加工间隙的边界处施加恒定电压时，点火延迟TD无异议地被 认为是与真实的间隙宽度相关的最可靠的信号。我们根据实验得 知，点火延迟TD的测量受任何系统的缺陷或公差的影响较少，并 且时间比电压更易于精确测量。在标准的工业制造的范围内，点火 延迟允许从一个i殳备到下一个i殳备的更好的可重复性。在高频放电中测量点火延迟需要昂贵的电子设备，这构成是相关 主题中最为麻烦的复杂性。价廉的电子处理意味着相当长的点火 周期，通常大于l微秒。而且，在这种操作条件中，测量点火延迟会产生危险的结果，因 为高频放电内的点火关键归因于电压斜率dV/dt，并且点火延迟与 实际的间隙宽度之间的相互关系知道极少。如上所述，引入较长的点火延迟周期给间隙传感器带来一些可靠 性，导致加工速率减慢并且使线平衡失衡，即使忽略时间上的浪 费，也具有在工件表面上产生斑紋、划痕或印记的风险。假设点火延迟不可用，剩下的选择就是使用平均加工电压作为到 il^f司服控制的输入信号。但是遗憾的是，必定得出类似的结论 伴随高频放电的噪声电平是如此之高，以致变得更加难于准确区 分以下情况"空闲加工"、"正在加工"和"短路"。在考虑到工 业制造时，来自各个机器的平均加工电压之间的^ffc使得在其最 后生产阶段期间调节各个机器变得更不经济。(iii) 最后，侵蚀发生器每放电释放太高的能量，以致与所要求的精加工 表面相4t度不相容，而且，位于加工间隙的边界处的寄生电容增加 了使放电能量最小化的难度。
背景技术：
US 4,447,696涉及通过施加间歇性高频电压和间歇性DC电压、使得 其中一个在另一个的静止时间期间施加而对工件进行放电整形的过程。大 约20伏的间歇性DC电压与高频脉冲的结合可期望显著地降低吸收 (sinking)电极的消耗率。自动电极馈送系统被描述来通过依赖操作i^H 前移电极来维持恒定的加工间隙。高频信号被滤波到其平均值并且与基准 值比较以获得用于间隙调节的输入。原则上必须假设跨加工间隙施加并且 在电容器上积累的电压的峰值与加工间隙的宽度成比例。但是该方法的缺 点是由于滤波引起信息浪费，因而减慢环反应；在被应用于线电极时， 在短路与空闲状态之间进行区分时出现困难；缺少准确度，在再现性和机 器标识中带来困难。US 4,798,929教导如何测量电阻，以通过附加的AC电流源来检测火 花间隙的电隔离程度或介电强度。在存在泥(sludge)和离子的情况下， 因为离子的移动性对高频不敏感，所以，因泥引起的绝#度仅可以被独 立检测。因此，间隙状况通it^加工而不是通过测量精确的间隙宽度来确 定。在加工的完成阶段，防止由泥的集中引起的线破损不被关注。从其得 出的设备不适于通过高频AC电压进行高效加工，^aii合朝他地实现在其 之外的测量。US 6,320,151目的是在利用线电极和高频电压加工时获得工件的高 形状正确度。工件的不准确性在精加工切割期间祐」校正，即在先切割留下 的弯曲或中空的形状被去除，如果进行多次精加工切割，则这样的不准确 性往往被加强。所述校正通过循环跟随加工周期的测量周期而被执行，使 得线从在先加工周期的对抗力中释放，并且如果它是弯曲的，则在一些振 荡之后将回到直线的形式。对线的前移的控制基于两个工艺值平均点火延迟、或平均加工电压， 以及与前述值比较的误差。如果线弯曲部的测针(arrow)比间隙小，则 点火延迟的测量允许十分同步地知il^目应地与两个在先工艺值相关的测 针和间隙。在测量周期中，需要一系列侵蚀脉冲以便能够与每个脉冲的相应的点 火延迟比较。如果没有从在先加工周期延迟太多，则第一个侵蚀脉冲可以 表示间隙的特征。通过将其与IC^侵蚀脉冲的比较，可以通过一方面测量 加工间隙宽度而另一方面测量线弯曲部的测针，推出线是否是弯曲的以及 沿哪个方向。需JH^持线是直线的，否则，将在工件上出现划痕，因为线将在每个
测量周期回到其静止位置。这是该方法的缺点，因为它不允许利用弯曲的 线来精细精加工工件而不形成划痕。于是，如果最初没有做好，就不可以精加工随意凸起或下凹的工件的表面Wi变。也不可以控制利用全高频加 工的直接切割，因为其中线弯曲部的测针明显比间隙高。因为加工不是永久不变的，所以不能防止在加工期间线的平g打破，导致表面上的划痕。在测量周期中，若干DC冲击以低频跟随，使加工过程完全停止，并且持续太长时间，以至于通过^^t加工模式也不能实 现精细的速度控制。US 6，930，273证实了在以高频电压利用线电极加工时，难于控制表面 一致性。如果线不受约束地进行不规则振动，则在工件上出现划痕。线电 极的最轻微的振动也影响被加工表面的质量。如果不对基于放电的反作用 力以及线与工件之间的吸引力进行控制，则斑紋可变得通过目皿察容易 看见。所述斑紋特征在于在与线平行的方向上的表面粗糙度与在其垂直方 向上的表面WI度之间的差别很大。记得在粗加工中，当对过程控制不好 时，希望在相同的位置相继出现放电；建i义校正动作，因为AC高频电压 可在脉冲之间被间歇性地施加并且其持续时间可被限制在比1微秒短的 周期或者限制预定数目的交变。发明内容鉴于已知现有技术的上述困难，本发明的一个目的是改进工件的精确 放电加工。本发明分别利用独立权利要求1和22所述的主题来实现该目的。优 选实施例在从属权利要求中公开。
图1是示出了预负荷力的对数与四个线电W^由四个平行四边形描 绘的其通常使用的域内的4^i频率之间的关系的图。图2a-c和图3a-c是示出了因虚线表示的电压激励信号引起的以实 线表示的线电极的横向位移的时间图。图4 - 6是示出了加工间隙的边界处以及穿过加工间隙的电压和电流 放电之间的同步的时间图，目的是说明执行本发明的三个可替选的模式。 图7是示出了根据本发明的系统的主要部件之间的电的和逻辑的相 互连接的模块图。图8示出了图7的高频控制器的更多细节。图9示出了图7和图8的快速点火检测器的更多细节。图10示出了加工间隙与图7的点火延逸险测器之间的连接的更多细节。
具体实施方式
参考图7,根据本发明优选实施例的系统被描述用于通itit电加工工 件。在描述该系统部件的更多细节之前，基于本发明的总的功能，阐述本 发明的原理。两个类型的加工脉冲被循环施加到电极与被加工工件之间的加工间隙。第一类型是优选为处于恒定电压的具有较长随机点火延迟时间的特 定侵蚀脉冲形式的测量脉冲，其后紧跟着由极短的加工时间和小电流产生 的低能量放电。为了生成预定值的平均电压，第一类型的脉冲可以是两种 极性，即正或负，该预定值优选为零值，以便防止电解。第二类型是由高频电压信号的叠加而形成的侵蚀脉冲，该高频电压信 号^L控制以开始点火，但是在预定时间长度期间盲目地工作，并且可能与 任何恒定电压分量同步；该同步是为了防止电解或者为了产生光亮的表面 光洁度。上述两个类型的加工脉冲中的每一类型之后可以跟着暂停，测量脉 冲、侵蚀脉冲和暂停的序列形成一个完整的加工循环。优选地，在侵蚀脉 冲之后，出现至少一个单停顿。为了更精细地加工表面^l度，在测量脉 冲之后可以引入其它暂停，以防止在高频侵蚀脉冲期间电离的管路引起限 制的重复性点火。在暂停期间，通过短路，零电压被施加在加工间隙的边 界处，使得在加工流内不出现任何电离的通路。测量每个测量脉冲的随机点火延迟时间并且调节间隙宽度,使得较长 点火延迟时间的持续时间仍然保持足够小，以使线电极由于其惯性而偏离 其稳态平衡不多于若干分之一微米，而不管暂时过大的静电吸引力如何。 线电极寻求稳态位置并且保持非常接近平衡，这是由于电吸引力、机械回 复力和等离子体压斥力之间的相互作用的原因。因此，将电极很可能在加 工间隙中振荡考虑在内，其中，该振荡过程主要特征在于其M的第一本征周期T0。这意味着对应的限制首先在测量脉冲的持续时间上，其次在 暂停的持续时间上。在加工循环中，通it^延迟时间超过特定阈值时中断恒定点火电压， 控制测量脉冲的点火延迟的持续时间，从而解决第一P艮制。在这种情况下， 恒定电压脉冲之后既不跟着点火也不跟着加工放电。所述系统确定足够数目的相继测量脉冲的点火延迟时间的适当的平 均值，并且将其用作轴线伺服控制器的输入信号，轴线伺服控制器在其行 M径上控制电fet度和/或电极位置。轴线伺服控制器通it^路径方向 上、在横向、或者在两者的结合上给出定期更新电极引导it^的装置，从 而适用于高频加工。更新优选是每亳秒进行，优选^1对应于更新轴线伺服 控制的命^令，因而将限制标准带给加工循环的总持续时间。所述系统具有如下基本功能其保证测量脉冲的强度产生低于或等于 由于侵蚀脉冲的高频交变而可能开始的任何放电的侵蚀性能量，其在时间 上限制测量脉冲的持续时间，其按照点火延迟时间的最近的取样来修改脉 冲的持续时间以及高频侵蚀脉冲的持续时间，并且其分析可在测量脉冲的 末端开始的电流放电的电压分布并且从中推断出与填充加工间隙的介电 流体的状态相关的信息。图4中表示的序列示出了使得可以将上述功能付诸实施的信号的时 序安排图UUS示出了在加工间隙的边界看到的电压；图IUS示出了通 过间隙的电流。所述序列以在间隙的边界处施加正极性或负极性的连续点火电压 Uign开始。根据旨在通过调整间隙的边界处的平均电压来对抗电解的公 知原理，Uign的极性是逐个序列地给定的。EP1097 773涉及该现象，其 公开内^it过引用结合于此。等价的间隙电容将在时间TC期间^a载， 在时间TC的末端，所述点火电压Uign出现在间隙的边界处。要注意的 是，如图4所示，加载间隙电容所需的时间TC自动过比例以加强可由过 大的间隙寄生电容引起的测量误差。当不可忽略时，时间TC应该从点火 延迟时间TD中减去，以保证正确的间隙估计。在时间TD期间施加的连续电压Uign旨在于最大时间TDmax之前 开始点火。让我们回忆一下，具有随机特性的点火延迟时间TD在适当的
平均值计算之后，允许实时估计间隙的宽度。根据该原理，器件测量每个点火延迟时间TD以计算其适当的平均值；后者用作在线电极的轨迹上对 线电极行进的控制的入口值。在点火延迟时间TD的末端，加工时间TW开始，其中可能由Uign 电压引起点火，Uign电压打开到加工电流Iign的通路。EDM放电开始的 特征在于间隙电压的突然下跌，其易于检测并且通常表现的就像是点火延 迟时间TD的末端。存在两个主要的方法来在点火之后施加加工电流。第 一个次优选的方 法^使用两个功率源第一点火源和第二加工源。在大多数时间，点火源用 于启动4曼蚀放电。一#测到点火，加工源于是尽可能快地连接到间隙上。 必须避免太大的延迟，因为点火花很可能熄灭，并且具有在恢复了高阻抗 的间隙的边界处施加过大电压的风险；其将会不可避免地将线偏向工件， 引起短路和加工中断。这是为什么虽然加工源已经连接到间隙上而点火源 也JH^持连接到间隙上的原因。于是，这两个源可以两者都输出电流，直 到它们被同时中断。第二较优选的方法不使用点火源来中断间隙阻抗以连接加工源。但 是，点火源主要用来执行点火延迟的测量。这利用必须被最小化的不良副 作用来实现即跟随的侵蚀放电Iign必须减小到最小值以便保护精加工 的表面Wi复。具体而言，将有利地使用传统的点火检测器，其置于慢检 测通路的头部，如同将在下面更具体说明的那样，其安排加工源到间隙上 的连接。相同的通路也将被照常加以利用来计算平均点火延迟，即，产生 轴线伺月良控制器需要的输入信号。另一方面，如同将在下面更具体描述的 那样，提供了快速检测通路，其仅有的功能是快速停止跟在测量脉冲之后 的侵蚀放电Iign;即，断开点火源。这最后一个可以在例如小于100ns内 作出反应，如同下面将说明的那样，然而，传统的检测通路通常在大约 500ns内作出反应。因此，在测量电流脉冲Iign的末端与高频加工脉冲的 开始之间，由于快速检测通路与慢检测通漆之间的转移时间的差，出现大 约400ns或更小的短转移暂停Tign一t。 Tign一t的时间间隔可能不足以在间 隙的边界处形成零电压。在所述短转移暂停Tign_t之后，随着在间隙的边界处电压信号叠加 的施加，加工时间TW fe^长，该电压信号例如可能是连续电压的分量 和基频优选为高于500kHz的高频电压信号。技术人员知道，仅仅在间隙 可能被侵蚀放电跨过的周期之外或者在经历内部短路或被人工短路的周 期之外，在间隙上所施加的电压信号才是可测量的。高频电压可以引起若 干正极性或负极性点火，原因是间隙中电场的极快速的变化。上述点火打开通路，将幅度为Ihf的电短路。在加工时间TW期间施加的可能的连续电压分量通常旨在更加精细 地调节间隙的边界处的平均电压。在这些情况下，传递所述连续电压分量 的源将不传递任何相当大的电流。但是在其它情况下，如为了生成光亮的 表面光洁度，所述连续电压源可调整为在电场的快速变化已经^等离子 体通i2Ml后并且直到该通路可能自发地或人工地消失的期间，释放小的加 工电流连续流过间隙。在加工时间TW的末端并且直到连续点火电压Uign的再度施加和下 一个点火延迟TD的开始，实施暂停时间TS，在其期间，零电压被施加 在间隙的边界。暂停时间TS的末端也是下一个加工序列的开始。为了正确理解本发明，可以将线想象成在一起作用的对抗力的作用下 很平衡。当线从这些力中的有些力中释放时，线平衡偏移，这主要是在点 火延迟时间TD,并且在暂停时间TS期间被偏移到更少的程度。在暂停 时间TS期间，如果线是弯曲的，则仅仅受机械回复力。另一方面，如果 线是直线的，则该最后的回复力为零，并且线在暂停时间期间不受力。因 此，在线保持直线的情况下，暂停的持续时间TS不表现为关于线平衡的 关键^lt;但是显然在一定程度上，因为TS的未规定的长持续时间将很 可能危及控制环稳定性。通常，在控制环周期中，应该收集适量的10个 TD取样以计算可靠的TDmoy平均值。在上述弯曲的线的情况下，在暂 停期间机械回复力起作用并且偏移线的平衡。在以下两个情形中将出现困 难在利用极小的线实现直接切割时，以及受形状不准确(凸起或下凹) 影响的工件必须被精加工其表面而不去除所述不准确时。在这两种情况 下，优选的是充分限制暂停时间TS，以4更保持线曲率，并且与其平衡位 置相比，该线的偏移不大于特定>^差。在测量脉冲的点火延迟时间TD期间，被偏移出其平衡的线的移动与 可以瞬时对其起作用的两个^有关点火延迟时间TD的持续时间，以 及所施加的点火电压Uign的值。在点火延迟时间TD期间，放电引起的 等离子体压斥力消失。于是，线受到静电吸引力的作用，如果线是弯曲的， 还受到机械回复力的作用；后者被添加到前者上或者从前者抵消。在点火 延迟时间TD期间施加的点火电压Vign的值不能被过大地减小，否则， 不能在预定时间TDmaxi内定期发起点火，因而不能可靠地计算适当的平
均值。因此，在直线或弯曲线这两种情况下，都要对点火延迟时间TD的 持续时间加以限制。在所有可能的情况下，暂停时间TS和/或点火延迟时间TD固定为适 当的持续时间值，因为总体上，线平衡依赖于若干独立的变量，如每单 位长度的线的质量、所施加的纵向力、在线的两个线导向件之间的长度、 电吸引力、侵蚀放电引起的排斥力、电介质的粘性阻尼等。为了得到简单 并且通用的准则，线振荡的第一本征周期被用作基准值； 一个可容易计算 的M，如图l所示。四个平行四边形形状的区域表示四种不同金属线类 型的常规使用领域。ST25和ST10是镀锌务ir的线，具有黄铜芯，直径 分别为0.25mm和0.10mm; AT05和AT03是直径为0.05mm和0.03mm 的钢芯线。平行四边形的左下点表示最低的纵向预负荷力和线导向件之间 的最大距离。右上点表示最高的预负荷和线导向件之间的最小距离。以下没有给出描述电侵蚀加工期间线电极的平衡和动态的物理法则 或数学模型，但是指出在哪些限制的领域使用它们。为了找出振动索及其 本征周期的理论，可简单地参考例如初等物理学，或者更具体而言，参考 Hans Sagan的"Boundary and Eigenvalue Problems in Mathematical physics"。线电侵蚀的最新^IUit于技术人员是^^p的，并且具体在以下出版物 中描述-"Funkenerosive Mikrobearbdtung von Stahl und Hartmetall durch Schneiden mit dtinnen Dr3hten"， Tobias N6the, RWTH Aachen, Shaker Verlag， Band 5/2001。-"Funkenerosive Feinstschneiden Verfahrenseinfltisse auf die Oberflgchen- und Randzonenausbildung" ， Rolf Siegel, RWTH Aachen ， 1994 ， Fortschritt國Berichte VDI 。-"Relevant topics in wire electrical discharge machining control", Friedhelm Altpeter, Roberto Perez, Charmilles Technologies SA， Journal of Material Processing Technology 149 (2004) 147-151。基于已知的理论，可以计算在一个周期的持续时间T期间，在施加 到线的电力作用下线的位移。图2a-c和图3a-c以标准形式在横轴和竖 轴上示出了变量。横轴上是激励信号的施加时间，该激励信号即旨在将线 横向偏移的电压。该横轴上的测量单位是与线的第一^周期T0相等的 时间。竖轴上是线的侧位移或者两个线导向件之间中途位置中的测针。该 竖轴的测量单位是与在永久施加的特定电压的作用下在静态中达到的最 大幅度相等的位移。图2a-c表示浸没在不是非常粘性的介质例如空气中的线的偏移位 移。图3a-c表示浸没在水中的线的偏移位移。虚线表示激励信号或输入 的施加时间，示出了其三个值1) T>10xT0,参见图2a和3a，这是上述US 6,320,151描述的范围；2) T TO，参见图2b和3b，表示与本发明相关的范围的限制的特征；3) T<T0/10，参见图2c和3c,这是本发明的优选功能区域。必须注意的是，对于接近或低于T0/10的施加时间T，线经历可忽略 的偏移；水的粘性还减小该位移。因此，无论该现象中有关的许多变量的 具体值如何，将电点火电压限制到线的第一;Mi周期的20 0/。都U够的， 优选为限制到低于该^E周期的10%,使得线在点火延迟时间TD期间 经历可忽略的位移。通过引申以及当然地，在如上所述的直接切割中或者希望利用弯曲的 线对其几何形状不理想的工件执行超精加工加工的应用中，应用于暂停时 间TS的相同的限制将产生类似的效果。下面，将具体描述一种用于减少第一测量脉冲的点火延迟时间TD并 且用于仅仅适度地影响线平衡以及因此仅仅适度地影响待测量时间的设 备。该设备的一个部分是符合已知的实践规律的机器轴速度的控制环，用 于对线导向件在编程的轨迹的方向上和/或与其垂直的方向上的行进施以 影响，并且获得点火延迟的适当的TDmoy平均值。这种设备的优点是保 持比控制环周期^m多的点火延迟时间TD。例如，实际上对于2ms典型 的控制环周期，可以创建能够适合于待精加工表面的瑕疯的严格的控制 环。在环周期期间，可以收集TD的若干取样，例如多至10个，4吏得可 以确定TDmoy平均值，代表实际的间隙尺寸。另外，由于TDmoy优选 为比T0/10小或者相等，所以，环周期的给定值确定通常使用的线电极的工作范围。图l示出在我们的实例中，通过使用具有低于50KHz的;MiE 频率的线，本发明可以应用于直接切割或者超精加工应用。为了克服点火延迟的随机特性，换句话说，虽然可以保持TDmoy值， 但是必须避免TD的统计上过长的持续时间(尽管这种事件不频繁)，在 精加工阶段，线电极的非受控的偏移很可能在被加工表面上留下可见的印
记。因此，提供了一种设备，其在TD偶然延长超过已经从经验上确定的 特定TDmaxi的情况下，能够停止点火电压Uign的施加。适当的控制环 的点火延迟的对数或的系统记录显示了看似高斯函数的分布，其平均值大 约是log ( TDmoy )。记录大于10 x TDmoy的点火延迟TD的可能性被证 明小于0.1 % 。于是优选的是将TD限制到值TDmaxi = 10 x TDmoy而没 有任何风险，其与小于线的^E周期TO的TDmaxi值相当，优选是小于 T0/2。在这种情况下，当TD将被相应地限制时，上述序列得以简化，即， 缺少Iign电流脉冲并且加工的时间TW以交流高频电压的施加开始。经验表明图4所示的信号序列可以被进一步改进。在一个序列期间， 相继的电it^L电很可能出现在,工表面上的相同地方，除非在加工时间 TW期间插入附加的暂停。这种称为"定位(localization)"的现象引起 表面粗糙度的恶化。为了避免该现象并且使表面粗糙度精细，优选地在 TW期间引入附加的暂停，在该暂停期间，加工间隔被短路，如图5所示。 暂停Tign_s可以紧接着Iign电流放电之后发生。Tign_s包括图4的小的 转移暂停Tign一t，使得减少暂停持续时间TS或者甚至一代替它，从而受到 相同的时间P艮;J。在高频交变中，可以设置若干小的暂停Thf一s,直到TW 的末端。在图5中，Thf一w示出为高频交流电压的全周期的^续时间。所 述小的附加暂停Thf一s比实际的暂停时间TS短，优选为比相当于2x Thf_w的时间短，如图5所示。图5所示的在先模式提供极其精细和准确的表面粗糙度,但是由于变 暗的不鲜明的外表而被眨低。为了改进所述外表，如图6所示，通过调节 连续源来在加工时间期间输出小的电流，允许获得鲜明的外表(光亮的表 面光洁度)，但^1表面湘L^1度欠精细。如图6所示，例如通过在高频电压 信号期间将图7的辅助高阻抗电压源1 (其在下面将作更具体的描述)串 联连接到间隙并且通过包括延长的Thf一s暂停，可以获得光亮的效果。高 频电压冲击19^等离子体通路20，该等离子体通路20打开到图7的 主要源2 (其在下面将作更具体的描述)释放的强电流冲击21的通道。 在Thf一w周期22的末端，等离子体通路并不消失，原因是图7的辅助高 阻抗电压源1以小电流23接替。在电压交变25使得电流停止并且电压恢 复到Uign值之前，在24，等离子体通路会过早地消失。侵蚀时间TW的持续时间是可编程的，例如，M到12ms;这是通 常的操作，在于使TW的持续时间依赖于测量的在前点火延迟时间TD的 持续时间。例如，短的TD之后可跟着短的TW，并且反之亦然。暂停时 间TS的持续时间通常也可以根据TD的实际值或者跟着的放电的特定特 征或者非TD来编程。以下专利涉及这种问题，其公开内^it过引用结合 于此US 5,336,864， CH 644 290, CH 554 215。 Uign的施加期间的电压 信号的轮廓是间隙内玷污程度的指标，并且可以用于启动一系列的较长的 暂停.举例来说，电蚀刻坑的尺寸与放电期间传递的电荷(单位是库仑)成 比例。上述电荷以以下三个高频加工模式(除了光亮模式之外)来测量 初步精加工模式、精加工模式和超精加工模式。Q一TD是测量放电释放的电荷，而Q一HF是高频加工放电释放的电 荷；在所有情况下都检查Q一TD < Q—HF。对于具有最小加工电流的初步精加工模式Q—TD = 0.5[A] . 0.6[us〗=0.3[Cb〗 Q—HF = 2.0[A] . 0.4[us〗=0.8[Cb]对—于精加工模式QJTD = 0.5[A] . O.l[us] = 0.05[Cb〗 Q—HF = 1.5[A] - 0.18[us〗=0.27[Cb]对于超精加工模式Q—TD = 0.5[A] . O.l[us]= 0.05[Cb] Q_HF = l.O[A] . 0.05[us] = 0.050[Cb]#^考图7，系统的主要部件是用作加工源的主要电压源2、通过产生 点火电压Uign和点火电流Iign而用作点火源的辅助高阻抗电压源1、高 频控制器3和专用于粗加工的功率发生器7 (下面将不对其作更具体的描 述，因为其设计和功能对技术人员是公知的)。主要电压源2和辅助高阻 抗电压源1并联连接到高频控制器3的入口 。加工区4通过双轴HF M 蔽线缆5连接到高频控制器3的出口。将功率发生器7连接到加工区4 的功率线缆6可使用继电器8断开。结果，它们不将其电容加到加工区4 的寄生电容上。所述系统可以被设计来使用高于500KHz的高频电压来对精加工表 面进行加工，以便产生低于0.1微米(Ra)的表面WIJL或光亮的表面光 洁度。对于精加工，双轴HF双屏蔽线缆5可具有 高频控制器3对图4、 5或6所示的加工序列ii行控制，即，使主要 源2和辅助源1到加工区4的连接同步，这将在下面描述。高频控制器3 由来自主序列控制器12的两个逻辑信号来驱动，主序列控制器12用于控 制加工循环即TD、 TW和TS的基本时间长度。高频控制器3包括以技 术人员/^p的桥结构组装的快速晶体管组，其在附图中未示出。主序列控制器12通过两个逻辑信号控制高频控制器3来将点火电压 Uign连接到加工间隙4上并且开始侵蚀脉沖TW的施加；这些一起建立 了较慢的检测通路，其在下面将作更具体的描述。主序列控制器12不停 止放电电流Iign;相反，图9中更具体地描述的快速点火检测器9将接替 以停止Iign。快速点火检测器9直接设置于高频控制器3中，与其晶体管 17 (参见下面)直接相邻，晶体管17切换点火电流Iign并且连接到其出 口。因此，控制信号的传输时间变得尽可能短，以便一旦险测到点火就快 速停止侵蚀放电电流Kgn。快速点火检测器9使得测量所需的放电Iign 的能量能够不高于任何高频电流放电Ihf的能量。图8中示出了高频控制器3的优选实施例，及其到主序列控制器12 和加工区4的连接。当发生点火时，快速点火检测器9需要例如大约50ns 来对来自加工区4的信号UUS作出反应并且将命令发送给桥控制逻辑15。 在例如大约30ns之后，桥控制逻辑15向紧密结合到4个高速MOSFET 驱动器16的4个高速光耦合器供给能量，高速MOSFET驱动器16作用 到以全桥结构耦合的4个Coolmos晶体管。点火信息在小于例如100ns 内M^工间隙4传输通过如图8所示的包括串联部件9、 15、 16、 17的完 整通路，从而很快停止点火电流Iign。该配置阐述了快速检测通路，如上 所述，通过使用更快的部件，允许甚至比50ns更短的反应时间。图7和图8的快速点火检测器9在图9中更具体地示出为包括快速光 耦合器18，例如制造商Agilent的HCPL0631。在光耦合器18的上游， 输入信号UUS的两极利用电源电压VDC向用作比较器的可调电阻分压 器Rl、 R2、 R3供给能量。光耦合器18以其输出连接到桥控制逻辑15 的输入，从而实现其电流隔离。置于高频控制器3中与其晶体管17直接相邻的快速检测器9并不是 专门用于形成轴控制环的输入信号。为此，特殊的差动探测器10连接到 电子器件12。差动探测器10将加工区4连接到电子器件12，该电子器件 12以通用方法计算iUL轴控制单元14必需的时间平均值TDmoy。通过 部件10、 11和12的这个连接允许以短于例如400ns的延l逸回信号。轴
线伺服控制器14与剩余处理之间的连接未在图7中示出，因为i^寸技术 人员是>^^的。这里的难点在于，具有例如4m长普通线缆11的探针10将对必需的 表面^L^度不利的附加寄生电容引A^t电电路。为了克服该难点，根据图 10,使用了常规示波器探针的原理.在线缆11的每端的上游和下游，引 入由并联的电阻和电容形成的RC分配器。于是，在加工间隙4，总的寄 生电容仅仅依赖于下游RC电容，并且变得与线缆电容无关，而不管其长 度如何。图9 ^Sl仅示出了一个分支，但是，实际上需要2个同样的探针 10，正的和负的。上述硬件架构仅仅是一个实例。为了获得需要的加工信号，也可能结 合DC源使用并联或串联连接到加工间隙4的离散的高频源。总而言之，点火延迟TD的测量器件限制测量的能量，使得点火延迟 时间TD之后跟着的测量放电必需的能量不会高于由于高频交流电的施 加引起的任何放电的能量。为此，所述测量器件包括图7所示的以下器件-单独的辅助高阻抗并且可调电压源1，产生点火电压Uign和Iign电流。-距晶体管17^艮近的快速点火检测器9，其切断点火电压Uign以停止电 流Iign。-高阻抗传感器IO,测量点火延迟，同时减少放电电路的寄生电容。-继电器组8，将线缆v^4a加工发生器7断开，以^更消除放电电路上存在的寄生电容的主要部分6。当然，本发明并不限于以上优选实施例。可以使用任何其它类型的电 极，如棒电极等，而不使用线电极。类似地，也可以施加低频交变的侵蚀 脉冲，而不是利用高频脉冲来加工。本发明不仅适用于加工的精加工阶段， 还适用于较早的阶段，如粗加工等。
权利要求
1. 一种用于通过加工电极对工件进行放电加工的方法，其中-将加工脉冲序列施加到所述加工电极与所述工件之间的加工间隙 上，其中，所述加工脉冲包括-侵蚀脉冲，用于将材料从所述工件侵蚀下来，以及-测量脉冲，在该测量脉冲期间，将点火电压(Uign)施加到所i^ 工间隙上，以便在所述加工间隙内il^故电，并且测量对应的点火延迟时 间(TD)，并且-调节所述点火电压(Uign)和/或所述间隙宽度，使得所述点火延 迟时间(TD)小于由于静电吸引力和机械回复力而在所#工间隙内振 荡的所#工电极的振荡时间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，基于在所述测量脉冲期间测 量的所述点火延迟时间(TD)，在所述侵蚀脉冲期间调整所述间隙宽度。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述测量脉冲期间， 预定极性的连续点火电压(Uign)被施加到所述加工间隙，其中，为每个 测量脉冲选择极性，使得所述加工间隙上的平均电压趋向于优选为零伏的 预定恒定电压。
4. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，对所述测量脉冲期间 的所述间隙宽度和/或所述点火电压(Uign)进行调节，4吏得大多数所述 点火延迟时间(TD)小于第一预定最大时间值(TDmaxi)。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一预定最大时间值 (TDmaxi)比所述加工电极的第一;Mi周期(T0)短，优选为比该4^it周期的一半短。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中，基于多个测量脉冲期间 测量的多个点火延迟时间(TD)，确定所述点火延迟时间(TD)的平均 值，并且对所述测量脉冲期间的所述间隙宽度和/或所述点火电压(Uign) 进行控制，4吏得所述平均点火延迟时间(TDmoy)比第二预定最大时间 值小，其中，所述第二预定最大时间值比所述第一预定最大时间值(TDmaxi)小。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二预定最大时间值是 所述线电极的所述第一;Mt周期(T0)五分之一短，优选是十分之一短。
8. 根据权利要求4至7中的任何一项所述的方法，其中，在所述测 量脉冲期间，如果所测量的点火延迟时间(TD)超过所述第一预定最大 时间值(TDmaxi )，则中断所述点火电压(Uign)的施加。
9. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述侵蚀脉冲之后跟 着暂停时间(TS)，在该暂停时间(TS)期间，零侵蚀电压被施加到所述 加工间隙上。
10. 根据任一前i^K利要求所述的方法，其中，所述侵蚀脉冲包括频 率高于500KHz的多个高频脉冲。
11. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，加工脉冲序列由周期 性时间序列构成，该周期性时间序列包括接连的测量脉冲(TD)、侵蚀脉 冲(TW)和第一暂停时间(TS)。
12. 根据权利要求10或11所述的方法，其中，在由所述测量脉冲启 动的所述点火之后流过的点火电流(Iign)限制在比所述高频脉冲内流过 的所l故电电流(Ihf)小的值。
13. 根据权利要求10至12中的任何一项所述的方法，其中，在由所 述测量脉冲启动的所述点火之后流过的点火电流(Iign)限制在比100ns 短的时段内。
14. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在所述点火电流(Iign) 之后添加第二暂停时间(Tign_s )，所述点火电流(Iign)在所述测量脉冲(TD)启动的所述点火已经^^停止之后流过。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一暂停时间(TS) 和/或所述第二暂停时间(Tign_s)被限制在所述线电极的第一本征周期(TO)五分之一短的持续时间，优选是十分之一短。
16. 根据权利要求10至15中的任何一项所述的方法，其中，在每个 高频脉冲或侵蚀脉冲内的每个高频交变之后添加第三暂停时间(Thf_s )。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述第三暂停时间(Thf—s) 被限制在比所述第一暂停时间(TS)短的持续时间，优选是比所述高频 脉冲的基本周期(2 x Thfs_w)短。
18. 根据权利要求9至17中的任何一项所述的方法，其中，在所述 第一、第二和第三暂停时间(TS; Tign_s; Thf_s)中的至少一个期间将 所述加工间隙短路。
19. 根据权利要求16至18中的任何一项所述的方法，其中，在所述 第三暂停时间(Thf一s)期间，连续电压被叠加到所述多个高频脉冲，所 述连续电压来自适合于传递比所述高频电压^的放电电流(Ihf)小的 电流(Iign)的电压源。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，基于所iMt前点火延迟时 间(TD)的测得持续时间，对所述侵蚀脉沖、所述第一和所述第二时间(TW; Tign—s; Thf_s;)的时段中的至少一个时段进行调节。
21. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在所述点火延迟时间 (TD )的末端发生的所t改电的侵蚀功率比所述侵蚀脉冲期间发生的任何放电低或者相等。
22. —种用于通过加工电极对工件进行放电加工的设备，其包括-轴线伺服控制器(14 )，其被设计来对所述加工电极与所述工件之 间的所述加工间隙(4)的宽度进行控制；-脉冲发生器(1、 2 )，其被设计来生成将被施加到所述加工间隙(4) 上的侵蚀脉冲，用于将材料从所述工件侵蚀下来，并且生成具有点火电压 (Uign)的测量脉冲，其将祐ife加到所述加工间隙(4)上，用于在所述 加工间隙(4)内发放电；-控制器(3、 12)，其被设计来在测量脉冲内检测所述点火延迟时间 (TD)，控制所述脉冲发生器(1、 2)使得包括测量脉冲(TD)和侵蚀 脉冲(TW)的加工脉冲序列被施加到所述加工间隙(4)上，并且通过 控制所述间隙宽度来与所述轴线伺服控制器(14)协作以t或者通过控 制所述点火电压(Uign)使得所述点火延迟时间(TD)保持比所述加工 电极因所述静电吸引力和所述机械回复力而在所述加工间隙(4)内振荡 的振荡时间小而与所述脉冲发生器(1、 2)协作。
23. 根据权利要求22所述的设备，其中，所述控制器(3、 12)被设 计来在所述脉冲发生器(1、 2)施加到所述加工间隙(4)的测量脉冲的 点火延迟时间(TD)比第一预定时间值(TDmaxi)长的情况下将所述脉 冲发生器(1、 2)从所述加工间隙(4)断开。
24. 根据权利要求22或23所述的设备，进一步包括-包括控制器(3、 12)的第一测量链(10、 11、 12)，其被设计来确 定平均点火延迟时间(TDmoy)并且协调所述脉冲发生器(1、 2)，以及-包括快速点火检测器(9)的第二测量链，其被设计来检测由测量 脉冲启动的点火，并且在比所述第一测量链(10、 11、 12)在所述测量脉 冲之后将侵蚀脉冲施加到所述加工间隙(4)上的延迟短的时间延迟内停 止所述脉冲发生器(1、 2)施加的所逸故电电流(Iign)。
25. 根据权利要求22至24中的任何一项所述的设备，其中，所述控 制器(3、 12)进一步被设计来取样发生在连续的测量脉冲中的多个点火 延迟时间值(TD)并且计算所述多个点火延迟时间值(TD)的平均值(TDmoy)作为所述轴线伺服控制器(14)的输入，以^更通过调节所述 间隙宽度保持所述点火延迟时间(TD)的预定标称平均值。
26. 根据权利要求22至25中的任何一项所述的设备，其中，所述脉 冲发生器(1、 2)被设计来产生频率为500KHz以上的高频侵蚀脉冲。
27. 根据权利要求22至26中的任何一项所述的设备，其中，所述控 制器(3、 12)包括以桥结构组装的快速晶体管组(17)来将所述脉冲发 生器(1、 2)连接到所述加工间隙(4)以及将所述脉沖发生器(1、 2) 从所i^&a工间隙(4)断开。
28. 根据权利要求27所述的设备，其中，所述快速点火检测器(9) 与所述控制器(3、 12)的所述晶体管组(17)直接相邻设置，并且被设 计来一M测到点火，就在少于100ns内将所述脉冲发生器(1、 2)从所 #工间隙(4)断开。
29. 根据权利要求22至28中的任何一项所述的设备，其中，所述快 速点火检测器(9)包括光耦合器(18)，所述光耦合器(18)以其输入连 接到所述加工间隙(4)并且以其输出连接到可调电阻分压器(Rl、 R2、 R3)，用作与基准电压(VDC)的比较器。
30. 根据权利要求22至29中的任何一项所述的设备，其中，所述控 制器(3、 12)通过差动探测器(10)和示波器探针(11)连接到所述加 工间隙(4)。
31. 根据权利要求22至30中的任何一项所述的设备，其中，所M 冲发生器(1、 2)的所述点火电压(Uign)可以在20伏到IOO伏的范围 内调节，以保证大多数点火将发生在第一预定时间延迟(TDmaxi)内并 且其电流(Iign)低于0.5A。
全文摘要
本发明涉及一种通过加工电极对工件进行放电加工的设备和方法。加工脉冲序列被施加到所述加工电极与所述工件之间的加工间隙(4)上。所述加工脉冲包括侵蚀脉冲，用于将材料从所述工件上侵蚀下来，以及测量脉冲，在所述测量脉冲期间，点火电压(Uign)被施加到所述加工间隙(4)上，以便在所述加工间隙内发起放电并且测量对应的点火延迟时间(TD)。对所述点火电压(Uign)和/或所述间隙宽度进行调节使得所述点火延迟时间(TD)比所述加工电极的振荡时间小，其中，所述加工电极因静电吸引力和机械回复力而在所述加工间隙(4)内振荡。
文档编号B23H7/04GK101121211SQ20071012848
公开日2008年2月13日 申请日期2007年7月26日 优先权日2006年8月11日
发明者尼古拉·詹多梅尼科, 弗兰克·贝松, 弗里德黑尔姆·阿尔特佩特, 法布里斯·雅克斯, 蒂埃里·庞塞特 申请人:夏米尔技术股份公司