DE3609709C2 - Verfahren zur Bestimmung der Bogenhöhe einer für die Funkenerosion verwendeten Drahtelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für eine funkenerosive Drahtschneidemaschine, um beim Schneiden eines Werkstückes durch Funkenerosion mittels eines zwischen zwei Führungen ge­ spannten und ablaufenden, als Elektrode wirkenden Drahtes die Abweichung desselben von einer Geraden zu bestimmen. Bei dieser Art von Verarbeitung unterliegt der Draht, des­ sen Durchmesser in der Größenordnung von 0,25 mm liegt, während der Funkenerosion einerseits den abstoßenden Kräften, welche durch die bei jeder Entladung entstehenden Gase erzeugt werden, und andererseits anziehenden Kräften elektromagnetischer und elektrostatischer Art, welche durch den Strom resp. durch die Spannung der elektrischen Impulse verursacht sind. Während des Schneidvorganges überwiegen die abstoßenden Kräfte und der Draht neigt dazu nicht mehr mit den Führungen zu fluchten, und eine Form anzunehmen, bei der sich unter dem Einfluß einer zusätzlichen anziehenden Kraft, welche durch den auf den Draht ausgeübten mechanischen Zug erzeugt wird, ein Gleich­ gewicht einstellt.

Man weiß, daß diese Verformung des Drahtes zwischen seinen Führungen zu wesentlichen Verarbeitungs­ fehlern führt, weil bei jeder Richtungsänderung des Schnittes der gebogene Teil des Drahtes hinter der die Führung verbindenden Strecke herschleppt und einen Weg beschreibt, der kürzer ist als der von den Führungen zu­ rückgelegte Weg. Es ist daher sehr wichtig, das Ausmaß der Krümmung des Drahtes, und insbesondere seine Bogen­ höhe zu bestimmen, um bekannte Korrekturen für diese Ver­ schiebung anzuwenden, beispielsweise indem man die Schnitt­ geschwindigkeit herabsetzt oder den von den Führungen be­ schriebenen Weg korrigiert.

In der veröffentlichten geprüften Patentanmeldung JP 51- 137193 A ist ein Verfahren für das funkenerosive Drahtschneiden beschrieben, bei dem Vibrationen der Elektroden mittels eines Lasers festgestellt werden und die Entladung bei Überschreiten eines Schwellenwertes gestoppt wird, um Kurzschlüsse und Bearbeitungsungenauigkeiten aufgrund der Elektrodenvibration zu vermeiden.

Aus der EP 0 067 229 A1 ist ein Verfahren bekannt, gemäß dem die Durchbiegung der Drahtelektrode dadurch ermittelt wird, daß die Entladung zeitweilig gestoppt und dann mittels eines Berührungssensors überprüft wird, ob die Drahtelektrode das Werkstück berührt. Davon abhängig werden die Drahtelektrode und das Werkstück relativ zueinander vor- und zurückbewegt und aus der Bewegungsstrecke wird die Durchbiegung errechnet.

Die Veröffentlichung EP 84 735 A1 beschreibt ein Verfahren zur Korrektur der Biegeabweichung einer Draht­ elektrode beim funkenerosiven Drahtschneiden, welches die umgekehrt proportionale Abhängigkeit zwischen der Durch­ biegung der Drahtelektrode und der auf diese wirkende Zugkraft berücksichtigt. Sie zeigt auch, daß der Pro­ portionalitätsfaktor sowohl von den Abmessungen der Maschine, wie von den jeweiligen Betriebsbedingungen ab­ hängt. Wegen dieser vielfältigen und komplexen Abhängigkeit ist es kaum möglich, den für die Präzision der Verarbeitung maßgebenden - und zur Durchführung von Korrekturen not­ wendigen - Proportionalitätsfaktor hinreichend genau an­ hand theoretischer Überlegungen zu bestimmen.

Deshalb zielt die vorliegende Erfindung darauf, den gewünschten Proportionalitätsfaktor ohne zusätzliche Meßvorrichtung in unmittelbarer Nähe der Verarbeitungszone, und unter weitgehend normalen Betriebsbedingungen zu be­ stimmen. Dies wird erreicht, indem man den Proportionalitäts­ faktor ausschließlich anhand von elektrischen und mechanischen Größen bestimmt, die ohne zusätzliche Meßfühler und ohne gravierenden Eingriff in den Arbeitsablauf bestimmt werden können. Zu diesem Zweck ist die Erfindung in den Ansprüchen definiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Variante des erfindungs­ gemäßen Verfahrens und

Fig. 2 das Funktionsschema einer erfindungsge­ mäßen Maschine zum Schneiden durch Funkenerosion darstellt.

Wenn, für vorgegebene Arbeitsbedingungen, f die Bogenhöhe des Drahtes bei stationärem Betrieb bezeichnet, und T den längs des Drahtes ausgeübten Zug, um diesen zu strecken, dann erfüllen diese beiden Größen näherungs­ weise folgende Beziehung

wo K eine von den Betriebsbedingungen abhängige Konstante ist. Man kann den Wert dieser Konstante bestimmen, wenn man die Differenz Δf zwischen den Bogenhöhen f₁ und f₂ kennt, die der Draht bei stabilen Betriebsbedingungen auf­ weist, wenn man im Zeitpunkt t₁ die Zugkraft T₁ auf den Draht ausübt, und in einem anderen Zeitpunkt t₂ eine an­ dere Zugkraft T₂ auf den Draht ausübt. In diesem Fall folgt aus der Gleichung (1):

Die auf den Draht ausgeübten Zugkräfte T₁ und T₂ können entweder direkt oder indirekt gemessen werden, während die Differenz (f₂-f₁) zwischen den Bogenhöhen dadurch erhalten werden kann, daß man die Differenz zwi­ schen der Vorschubgeschwindigkeit der Führungen und der Schnittgeschwindigkeit selbst, welche ihrerseits eine Funktion des Bearbeitungsstromes ist, zwischen den Zeit­ punkten t₁ und t₂ integriert. Dieses Verfahren ist in der Patentschrift CH 657 553 A5 ausführlich beschrieben. Hat man solchermaßen den Faktor K mittels der Gleichung (2) für bestimmte Betriebsbedingungen bestimmt, dann kann aus Gleichung (1) der Wert der Bogenhöhe f direkt aus der auf den Draht ausgeübten Zugkraft T bestimmt werden.

Man kann die Bestimmung des Faktors K vereinfa­ chen, indem man zwei entgegengesetzt gleiche Veränderun­ gen des auf den Draht ausgeübten Zuges durchführt, wie es durch die Fig. 1 veranschaulicht wird. Zu diesem Zweck wird die Zugkraft von einem ersten Wert T₁, den sie in einem Zeitpunkt t₁ einnimmt, auf einen zweiten Wert T₂ gebracht, den sie in einem Zeitpunkt t₂ einnimmt, danach wird die Zugkraft so verändert, daß sie den Wert T₁ in einem Augenblick t₃ einnimmt, welcher so gewählt ist, daß die zwischen t₂ und t₃ zurückgelegte Schnittlänge dieselbe Länge hat, wie diejenige, welche zwischen t₁ und t₂ zu­ rückgelegt wurde. Es kann dies vorzugsweise dadurch er­ reicht werden, daß man die Schnittgeschwindigkeit kon­ stant hält und folgende Beziehung einhält:

t₂-t₁ = t₃-t₂ (3).

Nennt man dann die zwischen t₁ und t₂ zurückge­ legte Schnittlänge x_U und den durch die Führungen in die­ sem Zeitintervall zurückgelegten Weg x_G, während x′_U und x′_G die entsprechenden Größen im Zeitraum zwischen t₂ und t₃ bezeichnen, dann ergibt sich die Veränderung der Bogenhöhe während des ersten Zeitintervalles aus

f₂-f₁ = x_G-x_U (4),

und die Änderung während des zweiten Intervalles folgt aus

f₃-f₂ = x′_G-x′_U (5).

In diesen Ausdrücken bezeichnen f₁, f₂ und f₃ die Bogenhöhen des Drahtes in den Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃. Wenn man dafür sorgte, daß die Schnittlängen x_U und x′_U gleich groß sind, beispielsweise indem man die Schnittgeschwindigkeit konstant hält, was - bei sonst gleichbleibenden Bedingungen - sicherstellt, daß die Bo­ genhöhe f₃ am Ende des zweiten Intervalles gleich groß ist wie die Bogenhöhe f₁ am Anfang des ersten Zeitinter­ valles, dann ergibt sich aus der Differenz der Gleichun­ gen (4) und (5):

Wenn man diesen Wert der Differenz zwischen den Bogenhöhen f₁ und f₂ als Funktion der Vorschubsdifferenz (x_G-x′_G) der Führungen in Gleichung (2) einsetzt, erhält man den gesuchten Wert des Faktors K in Gleichung (1). Es gestat­ tet dies bei gegebenen Betriebsbedingungen die Bogenhöhe des Drahtes ausschließlich aufgrund der darauf ausgeüb­ ten Zugkraft zu bestimmen.

So entnimmt man beispielsweise aus den Gleichun­ gen (1) und (2), daß für einen auf den Draht ausgeübten Zug T₂ die Bogenhöhe dieses Drahtes gleich ist dem Quo­ tienten der Bogenhöhe-Änderung, geteilt durch den rela­ tiven Wert der Änderung der Zugkraft, welche die Ände­ rung der Bogenhöhe verursacht hat. Es ist also der Pro­ portionalitätsfaktor zwischen der Bogenhöhe und dem Kehr­ wert dieses relativen Unterschiedes gleich der entspre­ chenden Differenz der Bogenhöhe, welche mittels der Be­ ziehungen (4) oder (6) bestimmt wird.

Eine andere Möglichkeit, die Bogenhöhe des Drah­ tes zu verändern, ohne die Schnittgeschwindigkeit zu än­ dern besteht darin, daß man den Abstand zwischen den beiden Führungen des Drahtes verändert. Es bleibt in die­ sem Fall die auf den Draht ausgeübte Zugkraft konstant und der entsprechende Unterschied in der Bogenhöhe kann mittels der Beziehung (4) bestimmt werden, wenn man die Entfernung zwischen den Führungen nur einmal verändert; falls man danach auf den ursprünglichen Abstand zurück­ kommt, kann man die Beziehung (6) benützen.

Die Fig. 2 zeigt das Funktionsschema einer Ma­ schine zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Die Bezugszahl 1 bezeichnet das zu bearbeitende Werkstück und die Bezugszahl 2 den zur Bearbeitung verwendeten Draht. Dieser Draht 2 ist zwischen zwei Führungen 3 und 4 ge­ spannt, über welche er ständig abläuft, damit sein für die Funkenerosion verwendeter Teil ständig erneuert wird. Dafür genügt es, den Draht ständig nach unten zu ziehen, und zwar mittels eines Motors 9 mit konstanter Geschwin­ digkeit, der ein Paar 10 von den Draht umfassenden Rollen antreibt. Zwei Motore 11 und 12 bewegen das Werkstück pa­ rallel zur Schnittebene. Die für den Schnitt nötigen Im­ pulse werden auf bekannte Weise von einer Schaltung er­ zeugt, welche eine Gleichspannungsquelle 5 aufweist, die in Serie mit einem Schalter 6 geschaltet ist, der durch einen Multivibrator 7 gesteuert wird. Zwischen der Quelle 5 und dem Werkstück 1 ist ein Widerstand zur Strombegren­ zung vorgesehen. Um die mittlere Bearbeitungsspannung zu bestimmen, ist ein Meßkreis 13 mit dem Draht 1 verbunden, während ein zweiter Meßkreis 14 geschaltet ist, um den wirksamen Bearbeitungsstrom zu bestimmen.

Dieser zweite Meßkreis 14 steuert eine Schal­ tung 15, welche auf bekannte Weise eingerichtet ist, um anhand des Bearbeitungsstromes und der momentanen Bear­ beitungsbedingungen die Schnittgeschwindigkeit zu bestim­ men. Das Ausgangssignal des ersten Meßkreises 13 wird zu einem Eingang eines Spaltreglers 16 geführt, dessen ande­ rer Eingang eine von einer Spannungsquelle 17 erzeugte Referenzspannung erhält. Es dient der Regler 16 dazu, die Vorschubgeschwindigkeit des Drahtes in Funktion der Ab­ weichung zwischen der effektiven Bearbeitungsspannung und besagter Referenzspannung zu regeln. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Reglers 16 mit einer numerischen Rechen­ schaltung 18 verbunden, welche die nötigen Bewegungen des Werkstückes 1 bezüglich der Führungen berechnet und die Motore 11 und 12 entsprechend steuert. Die numerische Re­ chenschaltung 18 erzeugt außerdem ein die Geschwindig­ keit der Führung darstellendes Signal und führt dieses zu einem Eingang einer Integrierschaltung 21, dessen anderer Eingang das Ausgangssignal der Schaltung 15 erhält, wobei dieses letztere Signal die effektive Schnittgeschwindig­ keit darstellt. Die Integrierschaltung 21 ist eingerichtet, um über ein Zeitintervall Δt das Integral der Differenz zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten zu berechnen, wobei Anfang und Ende des Zeitintervalles durch Signale identifiziert werden, welche eine Steuerschaltung 22 der Integrierschaltung liefert. Die Integrierschaltung be­ stimmt die Änderung der Δf der Bogenhöhe des Drahtes während des Zeitintervalles Δt und überträgt ein dieser Änderung entsprechendes Signal zu einem Eingang einer Rechenschaltung 23, wobei ein anderer Eingang dieser Re­ chenschaltung ein Signal S_T erhält, welches durch die Steuerschaltung 22 erzeugt ist und die auf den Draht aus­ geübte Zugkraft T darstellt. Es berechnet die Rechenschal­ tung anhand der vom Anfang bis zum Ende eines bestimmten Zeitintervalles erhaltenen Signale die Bogenhöhe f des Drahtes mittels der Gleichungen (1) und (2), und zeigt den berechneten Wert auf einem Anzeigeorgan 24 an. Des weiteren kann ein den so bestimmten Wert darstellendes Signal über die fakultative Rückkopplungsleitung 25 (wel­ che gestrichelt eingezeichnet ist) entweder zum Multivi­ brator 7, oder zur Referenzspannungsquelle 17 geführt wer­ den. Es gestattet dies entweder die Form oder die Fre­ quenz der Impulse, oder auch die Referenzspannung zu än­ dern, derart, daß der Wert der Bogenhöhe innerhalb eines vorbestimmten Intervalles bleibt.

Das durch die Steuerschaltung 22 erzeugte Signal S_T, welches den die Bogenhöhe beeinflussenden Parameter darstellt, wird andererseits einem Schalter 26 mit zwei Kontakten a und b übertragen, welcher zwischen zwei ver­ schiedenen Betriebsarten zu wählen gestattet, je nachdem, ob man die Änderungen der Bogenhöhe des Drahtes durch eine Änderung des auf den Draht ausgeübten Zuges oder durch Änderung des Abstandes zwischen den Führungen 3 und 4, die den Draht tragen, bewirken will. Denn die auf den Draht ausgeübte Zugkraft erzeugt eine Kraft, welche den Draht in Richtung der bearbeiteten Fläche drängt, und also quer zum Draht wirkt. Bei gleichbleibender Zugkraft erzeugt eine Änderung des Abstandes zwischen den Führun­ gen eine Änderung der Bogenhöhe des Drahtes; wenn - wie es oft der Fall ist - der Mechanismus, welcher das Ablau­ fen des Drahtes bewirkt Organe aufweist, die für einen konstanten Zug auf den Draht sorgen, dann ist es möglich die Bogenhöhe des Drahtes zu ändern, indem man einfach den Abstand zwischen den Führungen 3 und 4 verändert.

Zu diesem Zweck ist ein Motor 27 vorgesehen, der, wenn der Schalter 26 in der Stellung b ist, durch das Signal S_T gesteuert wird, um über eine Endlosschraube 28 die obere Führung 3 vertikal zu verschieben, und zwar in Abhängigkeit des durch die Steuerschaltung 22 abgegebenen Signales S_T.

Um die zum Draht quergerichtete Rückstellkraft ändern zu können, indem man auf seine Längsspannung ein­ wirkt, ist ein Bremsmotor 31 vorgesehen, der auf ein Paar Bremsrollen 32 wirkt, zwischen denen der Draht hindurch­ geht, wobei die Rollen ein Bremsmoment ausüben, welches durch das Signal S_T bestimmt ist, welches der Motor von der Steuerschaltung 22 erhält, wenn der Schalter 26 in der Stellung a ist.

Es ist natürlich möglich Änderungen der Bogen­ höhe des Drahtes durch gleichzeitige Verwendung beider hier beschriebenen Methoden zu erzeugen, oder auch durch den ausschließlichen Gebrauch der einen oder anderen da­ von. In letzterem Fall wird man den Schalter 26 sowie die Leitungen und Vorrichtungen die stromabwärts des einen oder anderen Kontaktes a, b liegen, auslassen.

Claims (3)

1. Verfahren für eine funkenerosive Drahtschneidemaschine, um die Bogenhöhe des als Elektrode dienenden, zwischen zwei Führungen gespannten Drahtes zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Proportionalitätsfaktor zwischen der Bogenhöhe und dem Kehrwert der relativen Änderung eines die Bogenhöhe beeinflussenden Parameters bestimmt, indem man während eines Erosions-Vorganges dem Parameter nacheinander zwei verschiedene Werte gibt, und die beim Übergang vom ersten zum zweiten Wert statt­ findende Änderung Δf der Bogenhöhe als die dabei auf­ tretende Differenz zwischen dem durch die Führungen zurück­ gelegten Weg und dem Vorrücken des Schnittes erhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Änderung Δf der Bogenhöhe be­ stimmt, indem man dem Parameter am Anfang und am Ende eines ersten Zeitintervalles einen ersten beziehungsweise einen zweiten Wert gibt, danach diesem Para­ meter am Anfang und am Ende eines zweiten, gleich langen Zeitintervalles den zweiten bzw. den ersten Wert gibt, und indem man die Hälfte der Differenz zwischen den von den Führungen während des ersten und des zweiten Zeitinter­ valles zurückgelegten Wegen berechnet, wobei die Schnitt­ geschwindigkeit während beider Intervalle auf demselben Wert gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den zwischen den Führungen auf den Draht ausgeübten Zug als Parameter verwendet.