专利名称：用于控制放电加工过程的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及放电加工(E匿)，更具体地，涉及一种用于控制放电加工过程的方法和 设备。
背景技术：
—般来说，已知的用于调节工作间隙(即工具电极相对于工件电极的位置)的过 程控制装置是基于下述原理，即，将所期望的信号与当前信号进行比较以产生表示偏差的 信号，该信号被用作反馈信号。 例如从US 4， 864， 091中可以得知这种方法，其中，将表示当前工作间隙距离的信 号与表示所期望的工作间隙距离的信号进行比较，并且计算这些值之间所产生的误差，以 产生用于驱动马达的新的命令值。通过这种方法，即使在相同的操作条件下重复执行相同 的操作，也会丢失每个重复的包括在跟踪误差中的有用信息。 由于放电类型以随机方式不断地变化，因此控制器不断地校正工作间隙距 离。实际上，有效的正常放电后面可以有任何其他类型的放电(参见例如Dehmer， J.; diss. 1992RWTH Aachen，Germany)。总之，传统的EDM过程控制器实质上反映了瞬时过程条 件。标称值/当前值的比较允许安全地对过程进行控制，但是受控轴的运动实质上仍然有 起伏。 此外，在过程中止之后，尤其是在每个冲洗运动之后，要花费相当多的时间才能达 到稳定的过程条件。除了冲洗运动本身要花费的不可避免的时间之外，还需要花费一些时 间来方便地接近蚀除前端，这是因为从跳跃速度转换到蚀除速度必须在安全距离下发生， 以便避免对电极的任何损坏。在提高了的冲洗运动频率的情况下，这种不方便就更加重要。
本发明的目的是提供一种改进的E匿过程控制方法，其例如产生受控轴的起伏更 小的运动和/或工具电极的轴位置的更小的变化。这将产生更高的生产率(即材料去除率 (MRR)的提高)、减少的电极磨损以及表面质量和均匀性的改善。 本发明的另一个目的是减少在过程中止循环之后要达到稳定过程所需要的时间。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于控制放电加工过程的方法，其中工具电极相对于 工件移动工作间隙距离，其中所述过程包括当前蚀除循环和至少一个先前蚀除循环，所述 当前和先前蚀除循环均被分成预定的时间间隔，每个预定的时间间隔包括至少一个放电脉 冲，其中在所述先前蚀除循环的时间间隔内和在所述当前蚀除循环的时间间隔内存在相似 的工作间隙条件，并且其中随后的蚀除循环由过程中止循环分开，所述方法包括下述步骤 测量在所述先前蚀除循环的时间间隔内的重要过程参数的值，所述重要过程参数指示工作 间隙距离；基于所述先前蚀除循环的所述时间间隔的重要过程参数的测量值和期望值确定 偏差值；和在所述当前蚀除循环中，基于所确定的所述先前蚀除循环的时间间隔的偏差值 和至少一个指示瞬时过程条件的瞬时过程参数，来控制所述工具电极在所述当前蚀除循环
4的时间间隔内在蚀除方向上的相对运动。 本发明的第二方面涉及一种用于控制放电加工过程的设备，其中所述过程包括当 前蚀除循环和至少一个先前蚀除循环，所述当前和先前蚀除循环均被分成预定的时间间 隔，每个预定的时间间隔包括至少一个放电脉冲，其中在所述先前蚀除循环的时间间隔内 和在所述当前蚀除循环的时间间隔内存在相似的工作间隙条件，并且其中随后的蚀除循环 由过程中止循环分开，所述设备包括用于控制所述放电加工过程的过程控制器，和构造成 用以驱动工具电极的轴驱动器，其中，所述过程控制器构造成用以控制所述轴驱动器，从而 所述工具电极相对于工件移动工作间隙距离，并且，其中所述过程控制器进一步构造成用 以执行根据本发明第一方面的方法。 本发明的第三方面涉及一种包括根据本发明的第二方面的设备的放电机器。 本发明的其他方面在从属权利要求、下面的说明书和附图中提出。 其他特征固含在所公开的方法和产品中，或者从实施方式及其附图的下述具体说
明中对于本领域技术人员变得很清楚。
现在将通过例子并且参考附图来描述本发明的优选实施方式，其中
图1是图示了本发明的放电机器的例子的功能图；
图2是轴位置与时间的函数关系图； 图3是根据本发明的一般学习控制器实现的实施方式的方块图； 图4a是根据本发明的一个实施方式的存储器堆栈的示意图；图4b是图示了一系
列具有不同时间长度的蚀除循环的图； 图5是根据本发明的实施方式的工具电极的z-轴位置与时间的函数关系图，其中 参数和索引如控制算法使用的； 图6为在很多放电循环范围上的工具电极的轴位置与时间的函数关系图； 图7为根据图示本发明的过程控制器的例子的工具电极的轴位置与时间的函数
关系图； 图8-10为根据本发明的实施方式，使用ILC的过程控制器的工具电极的轴位置与 时间的函数关系图； 图11是将传统过程控制器与根据本发明的使用ILC的过程控制器的实施方式相 比，所得到的工具电极的轴位置与时间的函数关系图； 图12-14是根据本发明的实施方式的工具电极的轴位置与时间的函数关系图，其 中，过程控制器使用ILC和曲线拟合； 图15是工具电极的轴位置与时间的函数关系的简化图，说明了蚀除循环的阶段；
图16-17是根据本发明实施方式的在若干放电循环范围上的工具电极的轴位置 及蚀除前端的位置与时间的函数关系。
具体实施例方式
图1示出了图示本发明的刻模放电机器的示例的主要构成的总体方块图。CNC控 制器负责机器的总体控制和各单元的协调。在详细描述优选实施方式之前，先给出大致的说明。 图1所示的刻模放电机器示例中的间隙获得元件通过测量并分析特征放电脉冲信号(诸如点火延迟时间td、脉冲电压和电流、间隙传导率等)而为过程控制器提供关于工作间隙距离s的信息，该工作间隙距离定义为工具电极和工件电极之间的距离。该间隙获得元件可以包括用以检测工作间隙电压的电压检测器、用以检测所检测到的电压是否为点火电压的第一阈值部及用以检测放电的发生的第二阈值部、以及检测第一及第二阈值信号之间的延迟的时钟。 过程控制器所使用的另一个重要信息是工具电极的当前轴位置，该当前轴位置通常通过安装有用于工具电极的轴驱动器或者安装有滚珠丝杠的旋转编码器和/或通过固定到机器滑块的线性编码器测量。根据这些值，过程控制器单元执行调节算法，以产生用于轴将要到达位置的下一个位置命令，以确保放电加工过程的良好的连续性。E匿机器的其他元件用方块(E匿单元)来表示。 图2示出了工作轴在传统刻模操作过程中的典型运动，其中工具电极进行定时冲
洗运动。 一般来说，该工作轴可以是z-轴，但是刻模放电机器的任何其他轴或轴的组合(矢
量)也可以定义为工作轴。对于传统刻模操作，蚀除循环由多个很小的且非常迅速的上下
轴运动来表征。蚀除循环周期性地被将电极移开并立即返回到工件的相对较大的高速运动
打断。图6示出了工作轴在大量蚀除循环上的典型运动。在本示例中，每2.5s进行3mm的
固定冲洗运动。这类冲洗运动也称为"跳跃运动"，对于去除蚀除碎屑是很必要的，该蚀除碎
屑即通过来自工作区域的放电作用而从工件上去除的颗粒以及由于蚀除过程而在工作间
隙的流体中所产生的气泡。跳跃运动以固定的周期和/或根据一些特定的算法重复进行。 跳跃运动结束时和蚀除循环开始时的短峰是由于在控制器切换回到过程控制器
时的突然速率变化引起的过冲(overshoot)。所述过冲对于本发明的进一步理解并不相关。 通过放电加工进行的材料去除(即蚀除循环本身)发生在跳跃运动之间。 如上面所解释的，放电加工过程有时进行成依从表示工作间隙距离的信号(例如
点火延迟时间)的期望值。在这种情况下，在每个蚀除循环开始时的接近周期之后，工作间
隙距离S随着工作的进行而增大。这是因为如下事实蚀除碎屑不断地污染工作间隙，使
得传导率提高，并且点火延迟时间縮短。该过程控制器将由间隙获得单元提供的关注量与
参考值进行比较，并通过縮回工作轴进行补偿，从而增大工作间隙距离。 对于图2所示的传统过程控制方法，受控轴在蚀除循环过程中的运动是不稳定
的，并且蚀除循环的模式与随后的蚀除循环的模式是很不同的。 由于EDM过程的随机性，间隙获得元件所测得的信号同样取决于这种随机性
(参见例如Altpeter F.禾口 Tricarico C.的"Modelling for EDMgap control in die
sinking", ISEM XIII会议论文集，第75-83页)。然而，这种过程的控制不应该取决于所述
随机行为，而是应该取决于在相似过程条件下发生的过程的确定性部分。 在本发明的一些实施方式中，至少减小了这种随机性对于过程控制器的这种影响。 本发明的一些实施方式涉及一种控制放电加工过程的方法。在一些实施方式中，这种放电加工过程为刻模加工过程。 本发明的一些实施方式提供了一种E匿过程控制方法，该方法通过一种算法来确定例如电极运动的方向和速度，所述算法不仅基于当前的过程控制器参数，而且也考虑了先前的加工循环中的输入和输出值。这样，一些实施方式是基于这样一种假设，即考虑了历史信息的过程控制器能够产生更少噪音、更稳定的行为。 放电加工过程，在下文中同样也被称为"过程"，其包括重复的蚀除循环以及在蚀除循环之间的至少一个过程中止循环，即，随后的蚀除循环由过程中止循环分开。每个蚀除循环包括多个放电脉冲。例如，图2示出了蚀除循环以及在图2中表示为跳跃运动的过程中止循环。图15将一个蚀除循环和其不同部分示为电极轨迹，其中，工具电极的z-轴运动为纵坐标，时间为横坐标。首先，工具电极接近工件，电极轨迹示出了对应的接近部分。电极轨迹的接近部分的开始点由轴返回位置给出，该轴返回位置为接近工件的位置，在该位置，工具电极运动返回以开始蚀除循环。图15的电极轨迹进一步示出了扩张部分——材料的去除主要在该部分的过程中发生。如上面所解释的，由于工作间隙的污染，在扩展部分的过程中，工作间隙距离增大。扩张部分终止于蚀除循环结束并且过程中止循环开始的跳跃位置。 在过程中止循环的过程中，可能会发生下面情况之一 工具电极的跳跃运动、无蚀除脉冲的延长的过程中止、主动冲洗脉冲、磁场脉冲、或其他的工具电极运动。可能在过程中止循环过程中发生的事件列表可以是恢复工作间隙条件的其他任何动作。过程中止使过程具有重复的模式，并且使工作间隙恢复到相同或相似的起始条件。 两个相继的蚀除循环被一个过程中止循环中断或分开，即同样，仅一个过程中止被理解为是一个过程中止循环。蚀除循环包括大量的放电脉冲，即，在蚀除循环过程中两个放电脉冲之间的中止将不被理解为是过程中止循环。这样，一个(重复)蚀除循环可由两个相继的过程中止或过程中止循环之间的时间段来表示。进一步地，在一些实施方式中，新的蚀除循环的开始由过程参数的再次初始化来定义。 此外，可以将重复蚀除循环称为当前蚀除循环和先前的蚀除循环。在当前的蚀除循环内，控制工具电极的相对运动。先前的蚀除循环是当前循环之前的蚀除循环，但是不一定是当前循环之前的最后一个蚀除循环，而可以是当前蚀除循环之前的任意一个蚀除循环或者甚至是所有蚀除循环。在一些实施方式中，过程仅包括两个蚀除循环，即，一个当前蚀除循环和一个先前蚀除循环，而在其他实施方式中，存在多于一个的先前蚀除循环。蚀除循环可以具有相同或相等的持续时间，但是它们也可以彼此不同。 当前蚀除循环和至少一个先前蚀除循环各自被分成预定的时间间隔，g卩，时间间隔在一个蚀除循环内具有固定长度。当前蚀除循环的时间间隔的长度和先前蚀除循环的相应的时间间隔的长度在一些实施方式中可以不同，而在其他实施方式中这些时间间隔的长度可以相同。 一个蚀除循环(例如当前蚀除循环)的时间间隔可以具有相同的长度或不同的长度。 可以将一个放电脉冲的持续时间当作是时间间隔的最小长度，同时可以将一个蚀除循环的长度当作是时间间隔的长度的上限。因此，每个时间间隔包括至少一个放电脉冲。
工具电极相对于工件移动工作间隙距离，该工作间隙距离在下文中也称作"S "。
工具电极例如在z-轴方向上运动，即例如在垂直于工件的方向上运动，特别是用于刻模加工。然而，电极也可能作其他任意运动，例如在x-y平面内的运动或作三维运动，或者其中电极绕其轴线旋转，包括例如圆形或螺旋形的运动。在一些实施方式中，工具电极在影响工
7作间隙距离的蚀除方向上运动，即，工作间隙距离将由于工具电极在蚀除方向上的运动而变小或变大。使工具电极相对于工件运动包括在工件被固定的情况下使工具电极运动，或者在工具电极被固定的情况下使工件运动，或者甚至是使工具电极和工件两者都运动。
在一些实施方式中，该方法包括下述步骤测量至少一个重要过程参数在(至少一个)先前蚀除循环的时间间隔内的值，该重要过程参数指示工作间隙距离；确定重要过程参数在先前蚀除循环的时间间隔内的测量值与期望值之间的偏差值；和，在当前蚀除循环中，基于所确定的先前蚀除循环的时间间隔内的偏差值和至少一个表示瞬时过程条件的瞬时过程参数，来控制工具电极在当前蚀除循环的时间间隔内在蚀除方向上的相对运动。
瞬时过程参数例如包括点火延迟时间、平均脉冲电压、放电电压、工具电极的z-轴值、点火电压、放电电流、放电持续时间、放电电压的高频分量等。先前蚀除循环的时间间隔内的重要过程参数可以指示例如点火延迟时间、平均脉冲电压、放电电压、或由其得到的表示工作间隙距离的任何其他值。 基于重要过程参数在先前蚀除循环的时间间隔内的测量值和期望值来确定偏差值。这就意味着，在一些实施方式中，确定期望的重要过程参数值与实际测得的重要过程参数值之间的误差。如上所述，先前蚀除循环的时间间隔可以与一个放电脉冲一样短。在这种实施方式中，例如，对于先前蚀除循环的每个放电脉冲，确定相应的偏差值。偏差值的确定本身对于重要过程参数的值的测量时间点不具有时间依赖性，即，在一些实施方式中，将重要过程参数的值和相关联的期望值存储在例如存储器中，从而可以在后面的时间点确定偏差值。 在一些实施方式中，还可以采用重要过程参数在该时间间隔内或在多于一个的时间间隔内的平均值或其他计算值来确定偏差值。 假定在当前和先前蚀除循环的时间间隔内存在相似的工作间隙条件，S卩，可能出现相似的工作间隙条件，例如，在当前和先前蚀除循环的电极位置轨迹的相似部分内出现。相似的工作间隙条件与例如相似的工作间隙距离和相似的工作间隙的污染同时出现。此外，相似的工作间隙条件可出现在蚀除循环的开始，特别是例如，发生在过程中止循环的再初始化步骤之后，在该过程中止循环之后恢复工作间隙条件。 在当前蚀除循环中，工具电极在蚀除方向上的相对运动在当前蚀除循环的时间间隔内受到控制，所述时间间隔即其中存在对其确定偏差值的先前循环的时间间隔中那样的相同或相似的工作间隙条件的时间间隔。对工具电极的运动的控制进一步基于所确定的偏差值，即，所确定的重要过程参数在先前蚀除循环的时间间隔内的测量值和其期望值之间的偏差影响工具电极在当前循环的时间间隔内的运动的控制。 控制工具电极在当前蚀除循环的时间间隔内在蚀除方向上的运动可以基于至少一个瞬时过程参数，其中，该至少一个瞬时过程参数反映工作间隙的瞬时条件。在这种方式下，可以通过应用一些对策来防止过程的恶化，或者可以在正在进行的当前蚀除循环内校正电极位置轨迹。例如，考虑所确定的先前循环时间间隔的偏差值，当前蚀除循环过程中的工作间隙的污染可能变化地大于预期或者小于预期。例如，当由于一些原因在当前蚀除循环的过程中大量脉冲是无效的、并且因而材料的去除低于预期时，污染的变化可能小于预期。因此，仅基于历史值对工具电极的运动进行控制可能会导致过小的工作间隙距离。作为进一步的例子，在刻模操作中加工区域可能会改变，从而工作间隙条件的变化可能不同
8于预期，这就导致不合适的工作间隙距离。同样，可以通过考虑瞬时过程参数来防止这种情况。 如图4b中所示，当前蚀除循环和一个或多个先前循环中的时间间隔的数量可不同或者相同，因为蚀除循环可能具有不同的时间长度。例如，如果将瞬时过程条件强加到这种动作上，则蚀除循环可能提前结束，即，在计划的蚀除循环结束时间之前结束。假定存在相同或相似的工作间隙条件，则当前蚀除循环和(一个或多个)先前蚀除循环的时间间隔彼此关联。在一些实施方式中，时间间隔指当前和先前蚀除循环的相同或相似部分。相似部分是指从工作间隙污染角度来看相似的部分，例如，其中先前和当前蚀除循环的相应电极位置轨迹具有相似形状的部分，或者当前和先前蚀除循环在相同或相似的时间点上的部分。 在一些实施方式中，每个当前和先前蚀除循环被分成预定的时间间隔1.....
k.....N，其中k和N为整数，并且对于不同的蚀除循环N可以不同。在一些实施方式中，
先前和当前蚀除循环的时间间隔指蚀除循环的不同部分，但是从工作间隙污染的角度看它们是相似的。例如，确定先前循环的第(k-l)个间隔的偏差值，并用于在当前循环的第k个间隔内的控制。在一些实施方式中，例如假设相似的工作间隙条件出现在第(k-5)个时间
间隔到第(k+5)个时间间隔的范围中。这样，可能使用针对先前蚀除循环的第(k-5).....
k、... (k+5)个时间间隔范围中的时间间隔所确定的偏差值来控制工具电极在当前蚀除循环的时间间隔k的运动。 在一些实施方式中，确定先前蚀除循环的第k个时间间隔的偏差值，并且控制工具电极在当前蚀除循环的第k个时间间隔的相对运动。先前蚀除循环的第k个时间间隔的长度和当前蚀除循环的第k个时间间隔的长度通常相等。先前蚀除循环的第k个时间间隔的长度和当前蚀除循环的相应时间间隔可以不同或相同，但是它们应该与相同的间隙条件相关联。 在一些实施方式中，产生用于控制工具电极在当前循环的时间间隔内的相对运动的命令值，其中，该命令值基于所确定的先前循环的时间间隔的偏差值和当前循环的时间间隔的瞬时过程参数。 在一些实施方式中，在E匿过程中控制工具电极的轴位置，其中，当出现类似于当前工作间隙条件的工作间隙条件时(或者对于其中采用相似工作间隙条件的各时间间隔)，控制器基于当前蚀除循环的时间间隔的瞬时过程参数和至少一个过去或先前循环的时间间隔内的重要过程参数、或者所确定的偏差值(参见如上)产生新的命令值，以控制工具电极在当前蚀除循环的时间间隔的轴位置。 在一些实施方式中，例如，控制器根据至少一个先前循环内的至少一个重要过程参数或者基于如上所述所确定的先前循环的时间间隔的偏差值，来计算工具电极的位置轨迹。当前蚀除循环的电极位置轨迹由例如先前蚀除循环的电极位置轨迹和在先前蚀除循环的每个时间间隔确定的偏差值来限定。此外，当前蚀除循环的电极位置轨迹可以按照前面所述并且通过与数学函数相拟合而进行限定。 在一些实施方式中，预设电极位置轨迹的形状，并且至少一个过程参数(例如点火电压或预设轨迹的偏移量)在蚀除循环内或者在该蚀除循环的时间间隔内变化。 一般来说，电极位置轨迹是工具电极的三维的路径。在刻模加工过程中，电极位置轨迹例如是工具电极在蚀除循环内的z-轴路径。在一些实施方式中，工具电极位置轨迹描述在蚀除方向上 的运动与时间轴的函数。这样，同样有可能基于所算出的工具电极的位置轨迹来控制工具 电极的相对运动。例如，工具电极根据所算出的或所拟合的工具电极的位置轨迹运动，并且 仅一些限定例如轨迹的偏移量或轨迹的形状的参数适用于当前蚀除循环或者适用于当前 蚀除循环的时间间隔。因此，可能平滑地移动工具电极，因为所算出的或所拟合的工具电极 位置轨迹具有平滑的形状。 在一些实施方式中，轴返回位置基于至少一个过去的电极位置轨迹的至少一个特 征或者先前蚀除循环的一个时间间隔的一个特征来调整。轴返回位置为例如在过程中止循 环之后要开始蚀除循环时工具电极所处的位置。通过考虑电极的位置轨迹，例如，能够得到 电极位置轨迹的最小值。电极位置轨迹的最小值，即，例如在刻模加工过程中工具电极与工 件之间的最短距离，可以用于得到轴返回位置。此外，可以从电极位置轨迹计算出最佳轴返 回位置，即工具电极最佳位于蚀除前端，从而可以消除如图15所示及前面所讨论的电极位 置轨迹的接近部分。在优选实施方式中，轴返回位置基本上与所算出的电极位置轨迹的第 一点重合。在这种情况下，过程开始于预定的轴返回位置，该位置与蚀除前端有个安全的距 离。通过接连的循环，轴返回位置被限定为与电极位置轨迹的第一点一致。在一些循环之 后，电极位置轨迹呈现为近似恒定的形状，并且轴返回位置以平滑的方式跟随着蚀除前端 的前进。这样，在每个跳跃运动之后，蚀除在合适的工作间隙距离处立即重新开始。然而， 在特定的情况下，例如在电极非常重或者电极极小的情况下，建议在循环初始时维持增大 的工作间隙距离，以避免任何可能的损坏。在这些情况下，可以参考电极位置轨迹的第一点 计算轴返回位置。这样，在一些实施方式中，可以加快工具电极在过程中止循环之后的再定 位，并且可以提高过程效率。应用最佳轴返回位置产生更有效的冲洗运动，因为工具电极以 高速向下运动到起始工作间隙距离。特别地，紧靠工件附近的更强的湍流和更大的流速，增 强了聚集在角落部分的碎屑的排出，这种碎屑原先由于不利的流体动力条件很难排出。在 一些实施方式中，至少在一些蚀除循环之后自动达到最佳轴返回位置。例如，所确定的先前 蚀除循环初始时的时间间隔的偏差值可用于控制当前蚀除循环(即当前蚀除循环初始时 的时间间隔)的轴返回位置。通过基于所确定的先前蚀除循环的偏差值而在当前蚀除循环 中反复重复控制轴返回位置，轴返回位置从一个蚀除循环到下一个蚀除循环被优化。
在一些实施方式中，基于在至少一个先前循环(的时间间隔)内测得的至少一个 重要过程参数或基于所确定的偏差值(参见如上)来计算过程中止的至少一个激励参数。 过程中止循环的激励参数可以是例如过程中止循环的长度和/或频率。在跳跃运动的情况 下，激励参数可以是例如冲洗运动的长度、速度和/或频率。过程中止循环的激励参数可以 取决于代表电极位置轨迹的数学函数的特征和/或取决于先前电极位置轨迹的其他参数。 例如，有可能从电极位置轨迹的特征推断出工作间隙的污染的进展。因此，有可能优化过程 中止循环的激励参数，例如，跳跃运动的频率。 在一些实施方式中，所确定的重要过程参数在先前蚀除循环的时间间隔的测量值 与期望值的偏差值不仅用于控制工具电极(因而控制工作间隙距离)在当前蚀除循环的时 间间隔内的相对运动，而且还用于控制在当前蚀除循环内的其他激励参数。其他激励参数 包括下述参数的至少一个点火电压、放电电流、放电持续时间、脉冲中止时间(即，连续放 电脉冲之间的中止长度)、脉冲频率、蚀除循环内的短跳跃运动的频率和/或行程(如后面
10所描述的)和影响Emi过程的任何其他激励值。这样，就能够进一步提高过程的效率。 在一些实施方式中，重复的蚀除循环由完整的微细放电加工钻孔操作来表示。这
样，在这种实施方式中，就有可能通过分别考虑表示在至少一个先前钻孔操作内的瞬时过
程条件的至少一个重要过程参数或所确定的偏差来优化随后的钻孔操作的钻孔。 在一些实施方式使用的并且考虑历史信息的一种控制是所谓的迭代学习控制
(ILC)，其为一种对以重复方式工作的系统的轨迹跟踪的控制方法，该重复方式是指在相同
或相似的条件下重复相同的任务。ILC以下面的方式迭代地更新用于重复任务的命令值，
使得待控制系统的期望行为和当前行为之间的偏差随着每个连续的循环而被减小。ILC已
经成功应用于一些应用中。对于重复的任务，可以设计极好的前馈信号，但是当任务变化或
者当任务受到干扰时ILC较少进行。不过ILC在存在随机干扰时会表现出一些优势，因为
ILC能够使用来自过去循环的信息来对信号进行过滤。 放电加工是一个相对缓慢的过程，其特征在于非确定性的行为，因为当前放电类 型并不必然地确定下一个放电类型。然而，EDM总体为无级过程，其具有一定的相对延长的 循环模式，从而给出用于通过ILC执行过程控制的基本先决条件。 这里所提出的一些实施方式旨在通过优化在循环间隔下相似的过程条件，来减小 或者甚至消除加工过程的随机行为的影响。在一些实施方式中，该方法涉及蚀除循环的检 查和表征。在蚀除循环过程中，以离散的时间间隔存储至少一个重要过程参数和/或轴位 置。然后将结合当前过程参数的这些参数(或其推断值)馈送到算法，以便产生新的控制值。 在一些实施方式中，上面所述方法中的一个和/或方法步骤在用于控制放电加工 过程的设备中实施。该过程包括重复蚀除循环，即当前蚀除循环和至少一个先前蚀除循环， 该当前和先前蚀除循环每个均被分为每个均包括至少一个放电脉冲的预定时间间隔，其中 在先前蚀除循环和当前蚀除循环的时间间隔内存在相似的工作间隙条件。随后的蚀除循 环由过程中止循环分开，如上面所解释的。该设备包括用于控制放电加工过程的过程控制 器和构造成用以驱动工具电极的轴驱动器，其中过程控制器构造成用以控制轴驱动器，使 得工具电极相对于工件移动一个工作间隙距离。在一些实施方式中，过程控制器构造成用 以实施前面所述的方法步骤中的至少一个。例如，过程控制器构造成用以测量在至少一个 先前蚀除循环的时间间隔内的至少一个重要过程参数的值，所述重要过程参数指示工作间 隔距离；用以基于先前蚀除循环的时间间隔的重要过程参数的测量值和期望值来确定偏差 值；并且，在当前循环中，用以基于所确定的先前蚀除循环的时间间隔的偏差值和至少一个 指示瞬时过程条件的瞬时过程参数来控制工具电极在当前蚀除循环的时间间隔内在蚀除 方向上的运动。 —些实施方式涉及包括前面所说明的设备的放电机器。 往回参考图3，其示出了用于放电机器的控制系统的实施方式的一般结构。该控 制系统包括过程控制器和用于控制放电加工过程的轴驱动器。过程控制器具有输入端，y^ 在该输入端被送入，y^是关注量——即前面介绍的重要过程参数——的参考值。参数yref 被送入"学习控制器"，其产生工具电极的轴设定点zref。参数z^被送入"伺服控制器"，其
产生由Zrrf导出的对应的运动命令U。伺服控制器通过将运动命令U提供给轴驱动器来控
制"轴驱动器"。轴驱动器将所测得的轴位置z提供给"EDM过程"单元，该EDM过程单元输出关注量的测量值y。所测得的轴位置z同样被提供给轴控制器和学习控制器，用以进一
步的处理。例如，在下面也可以使用所测得的轴位置z来代替zref，因为一般来说所测得的
轴位置z与轴设定点zMf之间的偏差很小。关注量yMf的测量值y也被提供给学习控制器。
轴设定点(zref)在至少一个先前蚀除循环的每个采样时间存储在过程控制器所包括的"激
励内存"中。相似地，关注量的测量值(y)在至少一个先前蚀除循环的每个采样时间存储 在"关注量内存"中。激励内存和关注量内存也可以是仅一个内存单元的一部分。学习控 制器分析这些值并产生新的轴设定点(Zrrf)。标记为"FF"的前馈部通过直接影响轴设定点
(zref)而将学习控制器旁路。这可以过渡的使用以改善过程的动态行为，例如，在期望过程
条件改变时(诸如在加工操作开始时、在钻孔操作要穿透时)，在所使用的工具电极和工件
的表面改变等各种情况时。在这种情况下，合适的y^值可以用于直接影响用于伺服控制
器的参考信号。 图3的激励和关注量内存的结构的例子示出在图4a中。对于每个时间采样索引 k以及对于每个蚀除循环j，关注量y和轴设定点Zfrf的值分别存储在关注量或激励内存 中。在一些实施方式中，激励内存和关注量内存在每个当前蚀除循环j的每个时间采样索 引k(同样对应于时间间隔k)的关注量y的当前值和新的轴设定点zMf的值来进行更新。 同样，激励内存和关注量内存可以以较低的频率用当前值进行更新，例如每两个或更多个 蚀除循环进行更新。 在本发明的这个实施方式中，作为电极位置轨迹的优化的结果，控制系统确定由 重复循环构成的EDM过程的轴位置。当类似于当前工作间隙条件的工作间隙条件可用时， 基于过去放电的特征来优化电极位置轨迹。换言之，引入与在过去循环中遇到的工作间隙 距离误差相关的值来控制当前循环中的轴位置。 图5示出了在本发明的实施方式中如ILC控制算法使用的参数和索引。该示 了工具电极在两个连续的蚀除循环j和j+1中的z-轴位置与时间的函数关系。可以通过线 性编码器来测量轴位置。对于蚀除循环j内的每个时间点，确定对应的测定的z-轴位置。 在当前循环j内在连续的时间点或时间间隔(k和k+1)测得的z-轴位置表示为z (k， j)和 z(k+l， j)，在接下来的循环j+1内相应地表示为z(k， j+1)和z(k+l， j+l)。
初始电极位置轨迹z (k， 1)表示在初始蚀除循环的时间k * ts时测得的轴位置， 其中ts为采样时间，k为蚀除循环内的采样索引，1《k < N。该过程在连续的蚀除循环j 中执行，从而形成电极位置轨迹z(k， j)。 在蚀除循环j的采样索引k，所述所考虑的关注量在蚀除循环j的采样索引k的参 考值与所考虑的关注量在蚀除循环j的采样索引k的测量值之间的偏差或误差e(k，j)(例 如e(k， j) = tdref(k)_td(k， j))被用于例如通过规律Zref(k， j+1) = zref(k， j)+k * e(k， j)来更新在下一个蚀除循环j+1的采样索引k的轴位置设定点zref (k， j+1)，即zref (k， j+1) =f(zref(k， j) ;e(k， j))。 然而，轴位置设定点zMf(k， j)的更新并不限于使用在蚀除循环j的采样索引k的 误差，而是也可以取决于当前或先前蚀除循环的先前采样索引k-l、k-2、k-3、...的量以及 取决于先前蚀除循环的未来采样索引k+l、k+2、k+3、...的量。这意味着zMf(k， j)对不同 量的动态依赖，并且包括迭代学习控制与经典闭环控制之间的组合。 此外，轴位置设定点zref(k， j)的更新同样也可取决于所考虑的关注量的参考值y^的过去、当前或未来值。例如，Z^(k， j)可以是tcUf(l).....tdrrf(N-l)的显函数(其
中td为点火延迟时间)。因此，这包括了前馈控制的可能性。 在加工操作(蚀除循环1)开始时以及在ILC过程控制器被激活时，在每个采样时 间存储所命令的轴位置、轴位置和所考虑的关注量的参考值与测量值之间的误差e。对于下 一个蚀除循环，电极位置轨迹由实际的过程条件和当前的测定的量和所存储的量来确定。 对于每个连续的蚀除循环中重复该方法。这样，电极位置轨迹更加反映当前和历史过程条 件。 如上述实施方式中所述那样更新轴位置设定点可以产生缓慢的收敛，以便分别保 持电极位置轨迹的波动，这是因为该第一实施方式代表了对于过程变化的适应性和对过程 噪声的不敏感性之间的一种折衷。 本发明的另一个实施方式并不改变轨迹中的每个单独的瞬时时间的命令值或轴 设定点，而是用平滑曲线限定电极位置轨迹的一部分或全部。所述曲线通过计算所选的数 学函数的最佳系数来确定。用作用于轨迹的基础的函数可以是线、抛物线等。
这样，初始电极位置轨迹zMf(k， e (l))表示在初始蚀除循环j = 1的采样索引k
测得的轴位置，其中e是确定电极位置轨迹的曲线的一组系数。该过程在连续的蚀除循环 j中执行，从而产生新的电极位置轨迹z^(k， e (j))。 在蚀除循环j的全部采样索引k(l《k < N)，所考虑的关注量的参考值与所考虑 的关注量的测量值之间的误差e(k， j)，例如e(k， j) = tdref (k)-td(k， j)，被用于更新曲线
的系数e (j+i)，该曲线确定下一个蚀除循环j+i的电极位置轨迹，即e (j+i) =f(e (j);
e(l， j);e(N—1， j))。
然而，参数e (j)的更新并不限于在蚀除循环j的采样k的量的已知值，而是也可
以取决于当前或先前蚀除循环的先前采样索引k-l、k-2、k-3、...的量，以及取决于先前蚀 除循环的未来采样索引k+l、k+2、k+3、...的量。这意味着9 (j)对不同量的动态依赖，并 且包括迭代学习控制与经典闭环控制之间的组合。 此外，参数e (j)的更新同样也取决于所考虑的关注量的参考的过去、当前或未 来值(例如，e (j)可以是tcU(o).....tcU(N-i)的显函数))。因此，这包括了前馈控制
的可能性。 可以通过多项式回归来确定和更新用于确定电极位置轨迹的数学函数的系数。这 样，最佳拟合曲线优选由n阶多项式来表示，其中这些系数可以用最小二乘法(LS)或递推 最小二乘法(RLS)的方法来确定。RLS方法具有多项式系数连续更新以减少循环结束时的 计算时间的优点。在图11所示的情况下，3阶多项式可能足以描述过程控制器的平滑拟合 的电极位置轨迹，用于调节由重复循环构成的E匿过程的工作间隙距离。图ll示出了三个 曲线，它们表示由传统伺服控制器、使用了 ILC的伺服控制器和由ILC的输出值的曲线拟合 得到的光滑曲线产生的z-轴位置与时间的函数。 除了上述的多项式回归法之外，其他方法和标准也可以用于逼近电极位置轨迹。
如果由于任何原因在某个瞬时所考虑的关注量的测量值出现不一致或者不在特 定边界之内，则寄存器k的值(参见，例如图4b)可保持不变，或者可用计算值来代替。
图7、8、9和10分别示出了在刻模操作的三个放电循环过程中轴位置与时间的函 数关系。
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图7所示的过程通过传统比例过程控制器来进行。在正常的过程条件下，基本上 考虑在相同蚀除循环内重要过程参数的瞬时值，而用电极位置的显著变化并因而用工作间 隙距离S的显著变化来连续校正轴位置。 图8、9和10中所示的过程分别通过根据本发明第一实施方式的使用ILC的过程 控制器来进行，其中ILC具有变化的调谐参数。控制器参数的设计意味着平滑度和收敛速 度之间的平衡。特别地，图10所示的过程示出了明显的平滑度。已经发现蚀除循环内的更 加平稳的运动促进了去除有效脉冲的数目的增加。 图12、13和14分别示出了在刻模操作的若干放电循环过程中轴位置与时间的函 数关系，其中该过程使用ILC和曲线拟合来进行。电极位置轨迹是平滑的，并且每个轨迹的 模式基本上类似于先前的轨迹。图12和图14之间的差异在于，在图12中存在接近部分， 而在图14中轴返回位置被确定使得没有接近部分。 在图16和17所示的本发明的另一个实施方式中，电极位置轨迹具有与瞬时过程 条件无紧密关系的预定义的形状。电极位置轨迹的形状可以从预定义的列表中选择，并且 将通过实际加工操作产生特定的结果。这样，用特定算法只计算轴返回位置，即，轴控制器 从跳跃运动控制器转换到过程控制器所在的位置，如后面所要解释的。通过控制器选择预 定义的曲线形状并且连续计算曲线参数(例如偏移、斜率)，以与实际的加工操作相匹配。
在电极位置轨迹被预先指定的上述和其他实施方式中，工作间隙距离S的演变 可能不会反映蚀除循环内的增加的污染。工作间隙的传导率可能在蚀除循环内明显改变。 为了抵消工作条件的早期恶化，至少一个其他重要过程参数(例如脉冲电压或脉冲中止) 可在蚀除循环内至少改变一次。 上面所述的方法，S卩，通过ILC控制E匿过程的方法、通过曲线拟合得到电极位置 轨迹的方法、限定具有预设形状的电极位置轨迹的方法和传统的过程控制方法，可以在蚀 除循环内彼此组合，例如，在一些实施方式中，电极位置轨迹可以包括在第一部分中的预定 义的曲线形状和在第二部分中的计算出的轨迹。此外，如图15所示，蚀除循环可以分成两 个不同的部分，即，其中在跳跃运动之后电极接近蚀除前端的第一部分，以及其中工作间隙 距离随着间隙污染的加重而增大的第二部分(扩张部分)。这样，就有可能对于每个蚀除循 环限定两个或多个曲线。 需要强调的是，根据本发明的实施方式的过程控制方法可以与传统的E匿过程控 制方法依次使用。例如，在一些实施方式中，在加工操作的开始使用传统的过程控制方法， 因为开始时没有历史信息，然后，在例如0. 2mm的深度时将该方法转换到ILC过程控制。同 样，当在指定数量的运行内出现主要中断时，则过程控制可以暂时转换到传统控制方法。主 要间断可以出现在任何时刻，但是特别出现在所使用的电极表面突然变化、冲洗条件变化、 E匿钻孔要穿透时或其他的时刻。只要过程采取足够的重复模式，就可以恢复ILC过程控 制。 在本发明的另一个实施方式中，确定轴返回位置-或者更常见地确定电极位置轨 迹的偏移。如前面所解释的，轴返回位置是在跳跃运动之后由过程控制器采取的对轴进行 控制的位置。显然，轴返回位置必须设定在工件上的当前蚀除前端上方的安全距离处。如 参考图2所述的，通过传统的过程控制器，工作间隙距离S的波动很大。由于这个原因，通 过传统的过程控制器，轴返回位置有时用所谓的浮动距离限定，所述浮动距离即在跳跃运动之前的蚀除循环的最后内插的轴位置的安全距离。这样，蚀除循环被安全地恢复，但是到 蚀除前端的接近没有被优化，因为轴返回位置离蚀除前端稍微有点远。 通过本发明的实施方式，能够容易地计算电极位置轨迹的任何特征值，例如轨迹 的最低点和轨迹的任何其他点。例如，在一些实施方式中，能够很好地识别轨迹的最后一个 点，因此能够显著减小浮动距离。可替换地，计算并使用轨迹的最低点来识别实际过程条件 的安全返回位置，所述安全返回位置是按照所需要的接近蚀除前端。 在一些实施方式中，如图12所示的过程通过使用ICL和曲线拟合的过程控制器来 进行，但是没有在跳跃运动之后对轴返回位置的优化。图13和14所示的过程额外包括对 轴返回位置的优化。在图13所示的情况下，轴返回位置正好在所计算的电极位置轨迹的上 方，而在图14所示的情况下，轴返回位置还是电极位置轨迹的初始点。 在本发明的可替换的实施方式中，基于至少一个先前循环的至少一个过程参数来 计算过程中止周期的至少一个参数。例如，跳跃运动的长度、速度和/或频率可能取决于表 示电极位置轨迹的数学函数的特征和/或取决于过去或先前电极位置轨迹的其他参数。
假设，在一些实施方式中，控制系统能够向过去学习并迭代地调整电极位置轨迹。 这样，在一些实施方式中，实现了更高的过程稳定性，并且因此实现与电极较少磨损相关联 的更高的生产率(MRR)以及改善的表面质量和均匀性。 已经参考用于控制由重复循环构成的E匿过程的工作间隙距离的方法和设备对 本发明进行了具体描述，其中该重复由加工周期和中止周期的重复相继给出，该加工周期 由蚀除循环给出，该中止周期由冲洗运动给出。可以理解的是，在蚀除循环之后的其他用以 恢复工作间隙条件的方法也可以以循环方式采用，以构成重复模式。这种用以恢复过程条 件的可替换的方法可以是延长的中止、主动冲洗脉冲、任何其他电极运动等。
本发明产生工具电极在蚀除循环内的连续及平滑的运动。在一些实施方式中，工 作间隙距离随着蚀除循环内的污染的增加而连续增大。在某种情况下，在蚀除循环内执行 一个或多个所谓的短跳跃运动。这样，在没有过程中止循环的情况下分配碎屑并且使工作 间隙条件一致，从而能够延长蚀除循环。 本发明的一些实施方式对于控制微细E匿过程特别有用，这是因为使用非常小的 电极时参考参数更加波动。 已经使用点火延迟时间td作为指定的关注量而对本发明的一些实施方式进行了 具体描述。如前面参考图l所提及以及所做的示例性描述，在一些实施方式中可以使用其 他过程信息(诸如脉冲电压)或与过程条件相关的其他值来控制该过程。前面的实施方式 使用轴位置作为指定的激励。值得注意的是，在其他实施方式中，也可以控制其他值以作为 代替，或者将其他值与轴位置结合起来进行控制。 本发明的一些实施方式也可以包括E匿领域的其他重复操作，例如很多系列的相 似或相同操作，诸如制造孔、凹槽或任何其他重复的几何特征。 重复的一种具体情况可以通过在涡轮冷却孔、印刷机喷嘴、喷射器喷嘴等的生产 中很多系列的孔的E匿钻孔操作观察到。例如，在燃料喷射器喷嘴的制造中，一些相同的微 孔是通过EDM钻孔来生产的。每天在一系列上万个相同零件中生产这些喷射器。
在这种实施方式中，钻孔操作和恢复操作(即返回到起始条件)定义了所述的重 复。当前微细钻孔操作的电极位置轨迹基于瞬时过程参数以及基于表示至少一个过去微细钻孔操作的工作间隙距离的至少一个重要过程参数。 该实施方式产生更高的过程稳定性，从而使加工结果的变化更少，这对于所引用 的燃料喷射器喷嘴的情况是特别需要的。同样可以实现更高的生产率(MRR)、更少的电极磨 损以及改善的表面质量。
权利要求
一种用于控制放电加工过程的方法，其中工具电极相对于工件移动工作间隙距离，其中所述过程包括当前蚀除循环和至少一个先前蚀除循环，所述当前和先前蚀除循环均被分成预定的时间间隔，每个预定的时间间隔包括至少一个放电脉冲，其中在所述先前蚀除循环的时间间隔内和在所述当前蚀除循环的时间间隔内存在相似的工作间隙条件，并且其中随后的蚀除循环由过程中止循环分开，所述方法包括下述步骤-测量在所述先前蚀除循环的时间间隔内的重要过程参数的值，所述重要过程参数指示工作间隙距离；-基于所述先前蚀除循环的所述时间间隔的重要过程参数的测量值和期望值确定偏差值；和-在所述当前蚀除循环中，基于所确定的所述先前蚀除循环的时间间隔的偏差值和至少一个指示瞬时过程条件的瞬时过程参数，来控制所述工具电极在所述当前蚀除循环的时间间隔内在蚀除方向上的相对运动。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，每个当前和先前蚀除循环都被分成预定的时间间隔1.....k.....N，并且其中所述当前蚀除循环的时间间隔k和所述先前蚀除循环的时间间隔k具有相同的长度。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，基于所确定的所述先前蚀除循环的第...个、第 (k-2)个、第(k-1)个、第k个、第(k+1)个、第(k+2)个、第...个时间间隔的偏差值，来控 制所述当前蚀除循环的第k个时间间隔的所述工具电极的相对运动。
4. 如前面任一项权利要求所述的方法，进一步包括如下步骤基于所确定的所述先前 蚀除循环的时间间隔的偏差值和所述瞬时过程参数产生命令值，所述命令值用于控制在所 述当前蚀除循环的时间间隔内所述工具电极的相对运动。
5. 如前面任一项权利要求所述的方法，进一步包括基于所确定的偏差值计算工具电极 的位置轨迹的步骤。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，所述工具电极的位置轨迹的计算包括用数学函数 进行拟合。
7. 如权利要求5或6中任一项所述的方法，其中，工具电极的位置轨迹的形状被预设， 并且基于所确定的偏差值在蚀除循环内改变至少一个过程参数。
8. 如前面任一项权利要求所述的方法，其中，所述过程中止循环包括下面各项中的至 少一个_所述工具电极的跳跃运动，_没有蚀除脉冲的延长的过程中止，-主动冲洗脉冲，-磁场脉冲，禾口-其他工具电极运动。
9. 如前面任一项权利要求所述的方法，其中，所述先前循环的所述重要过程参数为下 面各项中的至少一个-点火延迟时间(td)，-平均脉冲电压，-放电电压。
10. 如前面任一项权利要求所述的方法，其中，基于至少一个先前电极位置轨迹的至少 一个特征来调整所述工具电极的轴返回位置。
11. 如前面任一项权利要求所述的方法，其中，基于所确定的偏差值来计算所述过程中 止循环的至少一个激励参数。
12. 如前面任一项权利要求所述的方法，所述方法包括在所述当前蚀除循环的时间 间隔内，基于所确定的所述先前蚀除循环的时间间隔的偏差值来控制至少一个其他激励参 数。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述至少一个其他激励参数是下面各项中的至少 一个.-点火电压，-放电电流，-放电持续时间，-两个连续脉冲之间的中止时间，-脉冲频率，禾口-在蚀除循环内的短跳跃运动的频率和/或行程。
14. 如前面任一项权利要求所述的方法，其中所述蚀除循环由完整的微细放电加工钻 孔操作来表示。
15. —种用于控制放电加工过程的设备，其中所述过程包括当前蚀除循环和至少一个 先前蚀除循环，所述当前和先前蚀除循环均被分成预定的时间间隔，每个预定的时间间隔 包括至少一个放电脉冲，其中在所述先前蚀除循环的时间间隔内和在所述当前蚀除循环的 时间间隔内存在相似的工作间隙条件，并且其中随后的蚀除循环由过程中止循环分开，所述设备包括-用于控制所述放电加工过程的过程控制器，禾口 -构造成用以驱动工具电极的轴驱动器，其中，所述过程控制器构造成用以控制所述轴 驱动器，从而所述工具电极相对于工件移动工作间隙距离，并且，其中所述过程控制器进一步构造成用以执行权利要求1到12中的任一项所述的方法。
16. —种包括权利要求15所述的设备的放电机器。
全文摘要
一种用于控制放电加工过程的方法，其中工具电极相对于工件移动工作间隙距离，其中所述过程包括当前蚀除循环和至少一个先前蚀除循环，所述当前和先前蚀除循环均被分成预定的时间间隔，每个预定的时间间隔包括至少一个放电脉冲，其中在所述先前蚀除循环的时间间隔内和在所述当前蚀除循环的时间间隔内存在相似的工作间隙条件，并且其中随后的蚀除循环由过程中止循环分开，所述方法包括下述步骤测量在所述先前蚀除循环的时间间隔内的重要过程参数的值，所述重要过程参数指示工作间隙距离；基于所述先前蚀除循环的所述时间间隔的重要过程参数的测量值和期望值确定偏差值；和在所述当前蚀除循环中，基于所确定的所述先前蚀除循环的时间间隔的偏差值和至少一个指示瞬时过程条件的瞬时过程参数，来控制所述工具电极在所述当前蚀除循环的时间间隔内在蚀除方向上的相对运动。
文档编号B23H1/00GK101722342SQ20091020589
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者伊万·菲朗, 瓦尔特·达尔博, 西尔瓦诺·巴勒米 申请人:阿奇公司;夏米尔技术股份公司