PL222103B1 - Sposób i układ sterowania prędkością liniową elektrody drutowej podczas wycinania elektroerozyjnego - Google Patents

Abstract

Sposób sterowania prędkością liniową elektrody drutowej charakteryzuje się tym, że mierzy się chwilową wartość impulsów napięcia pomiędzy elektrodą drutową (2) a przedmiotem obrabianym (1), wytwarzanych przez generator zasilający (3), wyróżniając impulsy napięcia o amplitudzie większej od zadeklarowanego poziomu, zlicza się wszystkie impulsy z generatora sterującego (7) kluczami tranzystorowymi generatora impulsów napięcia roboczego (3) oraz z dyskryminatora (4) synchronizowanego impulsami z generatora sterującego (7) przesuniętymi w czasie przez blok opóźniający (8), obydwie wartości liczbowe przesyła się do sterownika komputerowego maszyny (6) i wylicza się względną liczbę impulsów L1 napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości i uwzględniając konieczność zachowania zaprogramowanego toru obróbki wyznacza się chwilową prędkość silników napędzających dwa lub więcej suporty liniowe (7) tak aby stabilizować lub maksymalizować wartość względnej wartości względnej liczby impulsów L1 napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ sterowania prędkością liniową elektrody drutowej podczas wycinania elektroerozyjnego. Wynalazek dotyczy elektrod drutowych o średnicy od 0,02 milimetra do 0,1 milimetra.

Wycinanie elektroerozyjne jest odmianą obróbki elektroerozyjnej (EDM). Zaprogramowany kontur jest wycinany wskutek wyładowań zachodzących między przewijaną elektrodą drutową a przewodzącym materiałem obrabianym w środowisku dielektryka. Elektroda drutowa oraz przedmiot obrabiany są przesuwane względem siebie z zadaną prędkością zgodnie z sekwencją instrukcji programu sterującego. Proces obróbkowy metodą wycinania elektroerozyjnego ma charakter stochastyczny, więc nieuchronnie występujące zaburzenia wynikające między innymi z zanieczyszczania szczeliny międzyelektrodowej produktami erozji, mogą spowodować przerwanie ciągłości procesu z powodu zwarcia między elektrodą a materiałem obrabianym lub przetopieniem cienkiej elektrody drutowej. Aby utrzymać ciągłość procesu obróbkowego elektroda robocza musi być przesuwana w głąb materiału obrabianego z prędkością liniową tak dobraną, aby utrzymać ciągłość wyładowań, ale nie doprowadzając do zwarcia międzyelektrodowego lub przetopienia elektrody drutowej.

W odróżnieniu od wycinania elektrodami drutowymi o średnicach większych niż 0,1 mm, metoda elektroerozyjnego wycinania elektrodami drutowymi o średnicy 0,02 milimetra do 0,1 milimetra umożliwia wykonywanie elementów urządzeń o znacznie mniejszych wymiarach, o złożonym kształcie i małych promieniach krzywizn wymaganych np. w manipulatorach medycznych. Dzięki temu, że podczas obróbki nie występują żadne siły, a energia wyładowań w szczelinie pomiędzy elektrodą drutową jest niewielka, można obrabiać elementy ze ściankami o grubości porównywalnej ze średnicą elektrody drutowej. Niska energia wyładowań nie powoduje uszkodzeń obrobionej warstwy wierzchniej.

Urządzenia zasilające do wycinarek wytwarzają ciąg unipolarnych lub bipolarnych impulsów napięcia oddzielonych interwałami beznapięciowymi. Chwilowa wartość napięcia podczas impulsu napięciowego mierzona bezpośrednio pomiędzy kontaktem doprowadzającym zasilanie do elektrody drutowej a materiałem obrabianym jest zmienna i jest wiadome, że jego przebieg jest zależny od chwilowego stanu procesu erodowania.

W urządzeniach do obróbki elektroerozyjnej do sterowania prędkością elektrody względem materiału obrabianego stosowana jest znana metoda stabilizacji średniego napięcia, mierzonego pomiędzy elektrodą a przedmiotem obrabianym. Metoda ta nie może być stosowana do wycinania elektrodą w postaci cienkiego drutu ze względu na trudności z utrzymaniem nieprzerwanego procesu przez wiele godzin, co jest koniecznością gdyż proces wycinania elektroerozyjnego elektrodami drutowymi o średnicy 0,02 milimetra do 0,1 milimetra jest długotrwały. Przy zastosowaniu tej metody zerwanie elektrody drutowej o średnicy 0,1 mm następuje na ogół po kilkunastu minutach, a przy średnicy elektrody 50 ąm praktycznie nie można utrzymać ciągłości procesu. Badania wykazały, że w przypadku wycinania cienkimi elektrodami drutowymi o średnicy 0,02 milimetra do 0,1 milimetra wartość średniego napięcia międzyelektrodowego jest słabo skorelowana z dystrybucją energii w szczelinie międzyelektrodowej.

W przypadku urządzeń, w których obróbka jest realizowana przy pomocy impulsów o czasach dłuższych niż pojedyncze mikrosekundy, znanym wskaźnikiem chwilowego stanu procesu zachodzącego w szczelinie pomiędzy elektrodą a materiałem obrabianym jest tzw. czas opóźnienia wyładowania, to znaczy czas pomiędzy włączeniem napięcia pomiędzy elektrodę roboczą i przedmiot obrabiany a momentem przebicia szczeliny i rozpoczęciem wyładowania.

Celem wynalazku jest zapewnienie stabilności procesu wycinania elektroerozyjnego elektrodami drutowymi o średnicy 0,02 mm do 0,1 mm poprzez sterowanie prędkością liniową elektrody drutowej względem materiału obrabianego.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że mierzy się chwilową wartość impulsów napięcia pomiędzy elektrodą drutową a przedmiotem obrabianym, wytwarzanych przez generator zasilający, wyróżniając impulsy napięcia o amplitudzie większej od zadeklarowanego poziomu, zlicza się wszystkie impulsy z generatora sterującego kluczami tranzystorowymi generatora impulsów napięcia roboczego oraz z dyskryminatora synchronizowanego impulsami z generatora sterującego przesuniętymi w czasie przez blok opóźniający, obydwie wartości liczbowe przesyła się do sterownika komputerowego maszyny i wylicza się względną liczbę impulsów L1 napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości i uwzględniając konieczność zachowania zaprogramowanego toru obróbki wyznacza się chwilową prędkość silników napędzających dwa lub więcej suporty liPL 222 103 B1 niowe tak aby stabilizować lub maksymalizować wartość względnej wartości względnej liczby impulsów L1 napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości.

W rozwinięciu wynalazku odwraca się kierunek wektora prędkości liniowej elektrody drutowej względem przedmiotu obrabianego, jeżeli liczba impulsów napięcia mierzonych pomiędzy elektrodą drutową a przedmiotem obrabianym odniesionych do liczby wszystkich wygenerowanych impulsów napięcia, których amplituda przekracza zadeklarowaną wartość, spadnie poniżej wartości L2, niższej od L1, przy czym wycofywanie kontynuuje się do momentu gdy liczba tych impulsów wzrośnie powyżej wartości L1.

Istota układu sterowania prędkością liniową elektrody drutowej podczas wycinania elektroerozyjnego polega na tym, że zawiera on układ dyskryminacji impulsów napięcia połączony z elektrodą drutową i materiałem obrabianym oraz wyjściem członu opóźniającego połączonego z generatorem sterującym kluczami tranzystorowymi oraz układ liczników połączonych z dyskryminatorami oraz generatorem sterującym, połączonych następnie z układem sterowania numerycznego maszyny.

Rozwiązanie według wynalazku objaśnione jest z odwołaniem się do rysunków, na których poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1 - wykres napięcia na szczelinie erozyjnej dla elektrody drutowej o większej średnicy, fig. 2 - wykres napięcia na szczelinie erozyjnej dla elektrody o średnicy 0,02 milimetra do 0,1 milimetra, fig. 3 - schemat układu sterowania prędkością elektrody według wynalazku.

Fig. 1 pokazuje jak w okresie przed wystąpieniem przebicia szczeliny międzyelektrodowej napięcie na szczelinie erozyjnej Td jest w przybliżeniu równe napięciu zasilania stopni mocy generatora impulsów prądu roboczego, a podczas wyładowania Tw spada do wartości od około 15 V do około 30 V. Impulsy są oddzielone przerwami beznapięciowymi Tp. Wiadome jest, że wartość liczbowa czasu opóźnienia wyładowania Td może być jednym ze wskaźników chwilowego stanu procesu obróbki elektroerozyjnej, albowiem wzrost zanieczyszczeń w szczelinie międzyelektrodowej powoduje skracanie czasu opóźnienia wyładowań. W przypadku impulsów o charakterze zwarciowym czas opóźnienia Td jest równy zero, a napięcie na początku impulsu nie narasta do poziomu biegu jałowego generatora. Wiadome jest także, że przy pomocy elektronicznych dyskryminatorów testujących napięcie międzyelektrodowe można wyodrębnić kilka typów impulsów jak np. impuls jałowy, impulsy zwarciowe różnych typów, impuls normalny. Impulsy poszczególnych rodzajów mogą być zliczane przez urządzenia elektroniczne i przesyłane do numerycznego układu sterowania. Układ sterowania numerycznego maszyny może wykonywać analizę tych wartości liczbowych.

Podczas wycinania elektroerozyjnego z użyciem elektrod drutowych o średnicach 0,02 do 0,1 mm, ze względu na ich małą odporność na rozerwanie, konieczne jest stosowanie krótkich impulsów o amplitudzie natężenia prądu od kilkunastu do kilku amperów i czasach od 20 ns do 1 ps, co skutkuje małą grubością szczeliny międzyelektrodowej rzędu kilkunastu mikrometrów. O ile przy impulsach o czasie zbliżonym do 1 ps daje się wyróżnić elementy przebiegu czasowego impulsu napięcia i prądu roboczego, które przedstawia fig. 1, to w przypadku impulsów o czasach poniżej 200 ns przebiegi czasowe mają charakter przedstawiony na fig. 2. Nie ma w nich możliwości wyróżnienia czasu opóźnienia wyładowań.

Ze względu na małą grubość szczeliny pomiędzy elektrodą drutową a materiałem obrabianym, która przy elektrodzie drutowej o średnicy 50 gm wynosi około 80 gm, warunkiem otrzymania powierzchni obrobionej o małej chropowatości bez rys powierzchniowych i zniekształceń krawędzi obrobionej konieczne jest utrzymanie stabilnego stochastycznego procesu. Nawet niewielkie wahania energii wyładowań mogą doprowadzić do zerwania cienkiej elektrody drutowej. Liniowa prędkość serwonapędów 7 suportów obrabiarki musi być sterowana tak, aby utrzymać średnią energię wyładowań w bezpiecznym zakresie, a czas reakcji systemu sterowania napędami nie powinien przekraczać kilkunastu milisekund.

Wskaźnikiem dobrze skorelowanym z ilością energii wydzielanej w szczelinie międzyelektrodowej jest względna liczba impulsów napięcia międzyelektrodowego L1, mierzonych podczas wyładowania pomiędzy materiałem elektrodą 2 a materiałem obrabianym 1, których amplituda przekracza zadeklarowaną wartość. Określenie liczba względna oznacza odniesienie do liczby wszystkich wygenerowanych impulsów w testowanym interwale czasowym.

Sposób według wynalazku odniesiony do schematu fig. 3, polega na tym, że na podstawie wyznaczonej względnej liczby L1 impulsów napięcia międzyelektrodowego wylicza się chwilową prędkość silników napędzających suporty liniowe przemieszczających elektrodę drutową względem materiału obrabianego. Dodatkowo, jeżeli względna liczba wyładowań, o której mowa powyżej spadnie

PL 222 103 B1 poniżej wartości L2, niższego od L1, wektor prędkości jest odwracany i elektroda drutowa jest wycofywana po zaprogramowanym torze. Przy zastosowaniu tego sposobu sterowania możliwe jest utrzymanie ciągłości procesu przez dowolny czas, powierzchnie obrobione są pozbawione rys i innych uszkodzeń, a krawędzie szczeliny po wycinaniu są równe. W wyniku opisanego sposobu stabilizuje się lub maksymalizuje względną liczbę impulsów napięcia mierzonych pomiędzy elektrodą drutową a przedmiotem obrabianym, których amplituda przekracza zadeklarowaną wartość.

Analiza impulsów napięcia międzyelektrodowego jest wykonywana przez dyskryminator 4 testujący amplitudę impulsów napięciowych i liczniki 5 zliczające wszystkie impulsy z generatora sterującego 7 kluczami tranzystorowymi 3 wzmacniacza wyjściowego generatora oraz impulsy z dyskryminatora napięcia 4 odpowiadające impulsom napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości. Działanie dyskryminatora napięcia 4 jest synchronizowane z generatorem impulsów napięcia roboczego 3. Synchronizacja ma na celu uaktywnienie pomiaru napięcia międzyelektrodowego tylko wtedy, gdy pomiędzy elektrodą drutową 2 a przedmiotem obrabianym pojawia się impuls napięcia roboczego. W przypadku bezpośredniej synchronizacji dyskryminatora impulsami z generatora sterującego 7 w układzie dyskryminatora 4 pojawia się przesunięcie fazowe pomiędzy mierzonym impulsem napięcia międzyelektrodowego a impulsem synchronizującym z generatora sterującego 7 generatora, przekraczające znacznie czas krótkiego impulsu napięcia międzyelektrodowego, które uniemożliwia prawidłowy pomiar parametrów napięcia międzyelektrodowego. Przesunięcie fazowe jest spowodowane opóźnieniami wnoszonymi przez układy sterowania kluczami tranzystorowymi, klucze tranzystorowe generatora sterującego 7 oraz opóźnieniami w układzie wzmacniacza i komparatorów układu dyskryminatora. Z tego powodu w układzie pomiarowym na fig. 3 zawiera się człon 8 opóźniający impuls synchronizujący z generatora sterującego 7. Opóźnienie członu 8 jest tak dobrane, że impuls synchronizujący na wejściu dyskryminatora 4 pojawia się w tym samym czasie co mierzony impuls napięcia międzyelektrodowego.

Wyniki pomiarów przesyłane są do układu sterowania numerycznego maszyny 6, który wylicza względną liczbę impulsów napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości i uwzględniając konieczność zachowania zaprogramowanego toru obróbki wyznacza chwilową prędkość silników napędzających suporty liniowe 7. W ten sposób możliwe jest dostosowanie prędkości wycinania do chwilowego stanu efektywności procesu erozji elektrycznej w szczelinie erozyjnej pomiędzy elektrodą drutową a materiałem obrabianym. Jeżeli względna liczba wyładowań, o której mowa powyżej spadnie poniżej wartości L2, niższej od L1, należy odwrócić wektor prędkości i wycofywać elektrodę drutową po zaprogramowanym torze ze stałą zadaną prędkością do momentu, gdy względna liczba impulsów napięcia mierzonych pomiędzy elektrodą drutową a przedmiotem obrabianym, których amplituda przekracza zadeklarowaną wartość, wzrośnie powyżej poziomu L1. Podczas wycofywania elektrody drutowej względem materiału obrabianego należy zmniejszyć średnią energię wyładowań poprzez zmniejszenie ich częstotliwości lub amplitudy prądu, aby nie spowodować uszkodzenia powierzchni wcześniej obrobionej lub zerwania elektrody drutowej.

Claims (3)

1. Sposób sterowania prędkością liniową elektrody drutowej podczas wycinania elektroerozyjnego elektrodami drutowymi o średnicy 0,02 milimetra do 0,1 milimetra, znamienny tym, że mierzy się chwilową wartość impulsów napięcia pomiędzy elektrodą drutową (2) a przedmiotem obrabianym (1), wytwarzanych przez generator zasilający (3), wyróżniając impulsy napięcia o amplitudzie większej od zadeklarowanego poziomu, zlicza się wszystkie impulsy z generatora sterującego (7) kluczami tranzystorowymi generatora impulsów napięcia roboczego (3) oraz z dyskryminatora (4) synchronizowanego impulsami z generatora sterującego (7) przesuniętymi w czasie przez blok opóźniający (8), obydwie wartości liczbowe przesyła się do sterownika komputerowego maszyny (6) i wylicza się względną liczbę impulsów L1 napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości i uwzględniając konieczność zachowania zaprogramowanego toru obróbki wyznacza się chwilową prędkość silników napędzających dwa lub więcej suporty liniowe (7) tak aby stabilizować lub maksymalizować wartość względnej wartości względnej liczby impulsów L1 napięcia międzyelektrodowego o amplitudzie wyższej od zadeklarowanej wartości.

2. Sposób sterowania według zastrz. 1, znamienny tym, że odwraca się kierunek wektora prędkości liniowej elektrody drutowej (2) względem przedmiotu obrabianego (1), jeżeli liczba impulsów

PL 222 103 B1 napięcia mierzonych pomiędzy elektrodą drutową (2) a przedmiotem obrabianym (1) odniesionych do liczby wszystkich wygenerowanych impulsów napięcia, których amplituda przekracza zadeklarowaną wartość, spadnie poniżej wartości L2, niższej od L1, przy czym wycofywanie kontynuuje się do momentu gdy liczba tych impulsów wzrośnie powyżej wartości L1.

3. Układ sterowania prędkością liniową elektrody drutowej podczas wycinania elektroerozyjnego, znamienny tym, że zawiera układ dyskryminacji (4) impulsów napięcia połączony z elektrodą drutową (2) i materiałem obrabianym (1) oraz wyjściem członu opóźniającego (8) połączonego z generatorem sterującym (7) kluczami tranzystorowymi (3) oraz układ liczników (5) połączonych z dyskryminatorami (4) oraz generatorem sterującym (7) połączonych następnie z układem sterowania numerycznego (6) maszyny.