電火花加工設備的脈沖和間隙控制的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明一般涉及用于電火花加工設備和處理器的控制裝置和方法。
【背景技術】
[0002]電火花加工
[0003]電火花加工(EDM)是在電介質存在的情況下通過在電極和工件之間施加一系列快速循環電流放電來去除導電材料和半導電材料的過程。電極和工具以通常在0.0Olmm至0.02mm之間的間隙距離分開，通過控制電極和工件之間的直流電壓脈沖產生火花放電，從而實現工件的精密加工。
[0004]監測與控制放電間隙狀態是利用EDM技術實現穩定和有效加工的有挑戰性的任務之一。在填充有電介質的極窄間隙中，放電發生在非常短的時間內。
[0005]在電火花加工中，為了增加侵蝕效率，提高工藝穩定性，防止無效和有害脈沖的連續產生，需要一種檢測短路和電弧間隙狀況并控制相關脈沖定時的有效算法。間隙狀態檢測錯誤會導致脈沖頻率降低，或不能有效去除間隙中碎肩而反過來形成殘渣，和較差的間隙控制性能。
[0006]因此，這會導致侵蝕過程不穩定和材料去除率較低。
[0007]專利號為US5904865的美國專利公開了一種通過控制碎肩的生成速率和平均碎肩粒度來防止殘渣形成的方法。該方法控制提供給間隙的Tcin (持續時間)功率電平和平均功率電平。平均功率電平考慮到完整的火花時間包括停歇時間，但是Tcin功率電平控制考慮至IJ操作參數只在Tcin時間有影響。該方法基于這一假設:降低提供給間隙的平均功率會減少間隙中碎肩的堆積，從而增加侵蝕率。
[0008]專利號為US8168914B2的美國專利公開了一種通過中斷打開和關閉為加工間隙提供放電功率的電源模塊的脈沖串的預定時間周期，進而適當控制短路電流，從而減少電極磨損和對待加工工件的損傷方法。其檢測短路的方法是，施加一系列脈沖串，并將脈沖串中第一脈沖末端的電極之間的電壓與被設計成接近OV的值的預定閾值相比較。
[0009]公開號為US2010/0096364 Al的美國專利申請公開了在當前侵蝕循環的時間間隔內，基于測量值與先前侵蝕循環和當前侵蝕循環的重要工藝參數的期望參考值的偏差，控制工具電極相對運動的方法。先前和當前侵蝕循環的時間間隔由過程暫停循環隔開，包括工具電極從工件的跳起動作。重要工藝參數包括點火延遲時間、平均脈沖電壓和放電電壓中的至少一個。
[0010]專利號為US7202438 B2的美國專利公開了一種電火花加工裝置，其基于侵蝕過程的歷史記錄來校正加工工件所需的待去除材料的量，以及一種基于侵蝕過程加工材料的總和控制電極位置的加工控制單元。加工量計算單元基于放電過程所去除的材料的堆積計算從工件去除的材料必要量，并將其轉換成加工需要的材料量所需的放電脈沖數。累積的加工量計算單元基于放電脈沖檢測單元所提供的有效放電脈沖的總量來更新去除的材料的總和。放電脈沖檢測單元基于間隙電壓中高頻分量的大小檢測脈沖的類型。當高頻分量的大小大于閾值時，放電脈沖將被歸類為有效放電脈沖(正常放電脈沖)。當間隙電壓中高頻分量的大小小于有效放電脈沖閾值時，放電脈沖將被歸類為電弧放電。
[0011]EDM設備還包括用于控制工件朝向電極的進給速率的間隙控制器，以便在工件和電極之間維持最佳的間隙距離，進而實現精度和高效加工。這種依靠平均間隙電壓反饋信號的間隙控制器通常用于工業中。該方法提出了一些問題。首先，由于正常間隙狀況下的平均間隙電壓值可以非常接近短路條件的值，使用平均間隙電壓很難準確鑒別短路電弧條件和正常放電。其次，不同的開路電壓可導致不同的平均間隙電壓，取決于正常或短路的間隙條件，由此需要不同進給速率控制器增益。第三，平均間隙電壓也受到工件的材料導電性的影響。對于相同的間隙條件，材料導電性越低使得平均間隙電壓越高。因此，較小的平均間隙電壓對較高導電性材料意味著短路，但是對較低導電性材料意味著正常條件。當侵蝕由兩種具有不同導電性的材料構成的區域時，使用用于控制的平均間隙電壓值所涉及的復雜性會導致過程不穩定。最后，還發現平均間隙電壓對包括間隙中的氣穴、電極的耗盡、電介質和電極轉動速度等的間隙干擾敏感。這些間隙干擾的波動速率太高，以至于CNC機床無法響應，因此，將平均間隙電壓作為間隙控制器的反饋信號會導致將工件朝向電極進給的伺服系統的跳動。伺服系統跳動隨后會影響侵蝕的不穩定和無效，以及電極磨損的增加。
[0012]有必要提供改善或克服一個或多個上述缺陷或至少提高現有EDM設備的性能的EDM設備。還需要提供包括比現有的商用EDM設備具有更好性能的脈沖控制器和間隙控制器的EDM設備。
【發明內容】
[0013]本發明的一方面提供了一種檢測電火花加工(EDM)設備中電極和工件之間的間隙的狀態的有效方法。在該方法中，在產生放電以便從工件中去除材料之前，在檢測階段時段期間將低能量檢測脈沖施加在間隙上，當間隙電流超過電流閾值時，推斷短路間隙狀態。在檢測階段時段期間，沒有檢測到短路間隙狀態時，能夠進行放電以從工件中去除材料。
[0014]該方法還可以包括以下步驟:在堆積階段時段期間進行放電之后，推斷開路間隙狀態。在進行放電之后，當間隙電壓超過開路閾值的時間大于堆積階段時段，并且間隙電流小于電流閾值時，做出該推斷。
[0015]該方法可進一步包括以下步驟:在堆積階段時段之后、放電階段時段期間，推斷正常間隙狀態。當間隙電壓超過小于開路閾值的正常閾值，并且間隙電流超過電流閾值時，做出該推斷。
[0016]該方法可進一步包括以下步驟:在堆積階段時段之后、放電階段時段期間，推斷短路間隙狀態。當間隙電壓小于比開路閾值和正常閾值都小的短路閾值，并且間隙電流超過電流閾值時，做出該推斷。
[0017]該方法可進一步包括以下步驟:在堆積階段時段之后、放電階段時段期間，推斷電弧間隙狀態。當間隙電壓超過短路閾值但小于正常閾值，并且間隙電流超過電流閾值時，做出該推斷。
[0018]本發明的另一方面提供了一種控制在EDM設備的脈沖控制器中使用的脈沖定時的方法。脈沖控制器包括電路系統，配置成接收間隙電壓和電流反饋信號，檢測上述EDM設備中電極和工件之間的間隙的狀態，以及將MOSFET命令信號發送至根據間隙狀態信號產生放電的電源模塊。
[0019]短路間隙狀態的情況下，放電階段(Tcin)的定時被中斷，停止向侵蝕過程提供放電功率。這會防止在非常小的間隙距離中導致殘渣形成的碎肩堆積。消電離階段(Tciff)的預定定時也會被延長，以使得消電離和從間隙中取出碎肩有額外的時間。電弧間隙狀態的情況下，Tciff的預定定時被進一步延長而Tcin不被中斷。在間隙狀況從短路或電弧間隙狀態完全恢復到正常間隙狀態之后，!'rff會重置到其預定定時。本發明通過根據檢測的間隙狀況適當控制在放電加工電源模塊中放電脈沖的生成，解決了碎肩堆積和侵蝕過程無效且不穩定的問題。
[0020]在正常或電弧間隙狀態的情況下，放電持續時間(TJ由電流脈沖的形狀確定，這確保向侵蝕間隙提供恒定量的每脈沖能量。在脈沖定時控制器中，通過對放電階段的間隙電流反饋信號(f I)進行積分來計算電流脈沖形狀。通過將(f I)與電流積分閾值相比較，確定持續時間I?。放電持續時間將近在(f I)大于電流積分閾值的情況下終止。不管局部材料的導電性如何，本發明都向間隙傳遞恒定量的每脈沖能量，這使工件具有更好的表面質量。
[0021]本發明的另一方面提供了一種用于產生放電以從工件中去除材料的EDM設備。根據這一方面，該設備包括:用于檢測上述EDM設備中電極和工件之間的間隙的狀態的控制器，和被配置為根據脈沖控制器的MOSFET命令信號產生放電的電源模塊。
[0022]在這種設備中，可以將電極設置為轉動的，冷卻劑在放電期間灌入間隙。然而，應理解本發明可適用于其他EDM設備配置，和電極不轉動的設置。
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