[发明专利]电火花加工设备的脉冲和间隙控制

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于电火花加工设备和处理器的控制装置和方法。

背景技术

电火花加工

电火花加工(EDM)是在电介质存在的情况下通过在电极和工件之间施加一系列快速循环电流放电来去除导电材料和半导电材料的过程。电极和工具以通常在0.001mm至0.02mm之间的间隙距离分开，通过控制电极和工件之间的直流电压脉冲产生火花放电，从而实现工件的精密加工。

监测与控制放电间隙状态是利用EDM技术实现稳定和有效加工的有挑战性的任务之一。在填充有电介质的极窄间隙中，放电发生在非常短的时间内。

在电火花加工中，为了增加侵蚀效率，提高工艺稳定性，防止无效和有害脉冲的连续产生，需要一种检测短路和电弧间隙状况并控制相关脉冲定时的有效算法。间隙状态检测错误会导致脉冲频率降低，或不能有效去除间隙中碎屑而反过来形成残渣，和较差的间隙控制性能。

因此，这会导致侵蚀过程不稳定和材料去除率较低。

专利号为US5904865的美国专利公开了一种通过控制碎屑的生成速率和平均碎屑粒度来防止残渣形成的方法。该方法控制提供给间隙的T_on(持续时间)功率电平和平均功率电平。平均功率电平考虑到完整的火花时间包括停歇时间，但是T_on功率电平控制考虑到操作参数只在T_on时间有影响。该方法基于这一假设：降低提供给间隙的平均功率会减少间隙中碎屑的堆积，从而增加侵蚀率。

专利号为US8168914B2的美国专利公开了一种通过中断打开和关闭为加工间隙提供放电功率的电源模块的脉冲串的预定时间周期，进而适当控制短路电流，从而减少电极磨损和对待加工工件的损伤方法。其检测短路的方法是，施加一系列脉冲串，并将脉冲串中第一脉冲末端的电极之间的电压与被设计成接近0V的值的预定阈值相比较。

公开号为US2010/0096364 A1的美国专利申请公开了在当前侵蚀循环的时间间隔内，基于测量值与先前侵蚀循环和当前侵蚀循环的重要工艺参数的期望参考值的偏差，控制工具电极相对运动的方法。先前和当前侵蚀循环的时间间隔由过程暂停循环隔开，包括工具电极从工件的跳起动作。重要工艺参数包括点火延迟时间、平均脉冲电压和放电电压中的至少一个。

专利号为US7202438 B2的美国专利公开了一种电火花加工装置，其基于侵蚀过程的历史记录来校正加工工件所需的待去除材料的量，以及一种基于侵蚀过程加工材料的总和控制电极位置的加工控制单元。加工量计算单元基于放电过程所去除的材料的堆积计算从工件去除的材料必要量，并将其转换成加工需要的材料量所需的放电脉冲数。累积的加工量计算单元基于放电脉冲检测单元所提供的有效放电脉冲的总量来更新去除的材料的总和。放电脉冲检测单元基于间隙电压中高频分量的大小检测脉冲的类型。当高频分量的大小大于阈值时，放电脉冲将被归类为有效放电脉冲(正常放电脉冲)。当间隙电压中高频分量的大小小于有效放电脉冲阈值时，放电脉冲将被归类为电弧放电。

EDM设备还包括用于控制工件朝向电极的进给速率的间隙控制器，以便在工件和电极之间维持最佳的间隙距离，进而实现精度和高效加工。这种依靠平均间隙电压反馈信号的间隙控制器通常用于工业中。该方法提出了一些问题。首先，由于正常间隙状况下的平均间隙电压值可以非常接近短路条件的值，使用平均间隙电压很难准确鉴别短路电弧条件和正常放电。其次，不同的开路电压可导致不同的平均间隙电压，取决于正常或短路的间隙条件，由此需要不同进给速率控制器增益。第三，平均间隙电压也受到工件的材料导电性的影响。对于相同的间隙条件，材料导电性越低使得平均间隙电压越高。因此，较小的平均间隙电压对较高导电性材料意味着短路，但是对较低导电性材料意味着正常条件。当侵蚀由两种具有不同导电性的材料构成的区域时，使用用于控制的平均间隙电压值所涉及的复杂性会导致过程不稳定。最后，还发现平均间隙电压对包括间隙中的气穴、电极的耗尽、电介质和电极转动速度等的间隙干扰敏感。这些间隙干扰的波动速率太高，以至于CNC机床无法响应，因此，将平均间隙电压作为间隙控制器的反馈信号会导致将工件朝向电极进给的伺服系统的跳动。伺服系统跳动随后会影响侵蚀的不稳定和无效，以及电极磨损的增加。

有必要提供改善或克服一个或多个上述缺陷或至少提高现有EDM设备的性能的EDM设备。还需要提供包括比现有的商用EDM设备具有更好性能的脉冲控制器和间隙控制器的EDM设备。

发明内容