用于放电加工的方法和发生器的制作方法

专利名称：用于放电加工的方法和发生器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及机床领域，更具体地说，本发明涉及操作机床的方法和机床，具体涉及用于放电加工(EDM)、尤其是用于线切割和刻模的方法和发生器。
背景技术：
图2所示为公知类型的EDM刻模机的一般配置。实际上线切割机仅在细节上不同于刻模机，但是对于这两种类型的机器，大多数制造商采用完全不同的概念。对于所包含的脉冲发生器尤其是这样，在脉冲发生器中需要很短而高的放电脉冲用于线切割，而对于刻模则使用对应的较低幅值的较长放电脉冲。迄今为止，仍然没有一种满意的解决方案用于一致的总体构思。
EDM系统的配置一般涉及如下的子系统AC主电源输入1、电源柜2、线缆系统3和机器4。电源柜2容纳着AC电压模块(AC)、DC电压模块(DC)、数值控制(CNC)、一个或多个驱动模块(Drive)、发生器模块(Gen.)以及通用机器控制模块(Control)。由于电源柜2的全部内容相当笨重并且总的功率损耗在一位数kW的量级，因此电源柜通常离开机器4一定距离。
线缆系统3通常2米至5米长。第一线缆将驱动器模块(Drive)连接到机器4的轴驱动马达并供给马达电流，用于可提供的任何制动的电流以及位置变换器的不同敏感数字信号。这些线缆是重要的成本因素，并且如果不仔细设计则容易造成昂贵的停工时间。
第二线缆将发生器模块(Gen.)连接到工件和机器4的电极。这个第二线缆具有如下的缺陷特别是在线切割中，由于脉冲电流的高RMS值而导致的功率损耗可能高达100W/m。除了这种不希望的能量浪费之外，这还可能造成机器结构由于热而变得扭曲，由此使工件不精确。当前，对这个问题仅有的解决方案是复杂的水冷装置。
在使用高刚性线缆中涉及的另一缺陷是通常需要包含八个并联的同轴线缆，每个大约5mm2的铜截面。由于线缆连接到机器的移动结构部分，因此它们的刚性造成了这些结构部件在微米范围内的挠曲，当然由此在工件的加工中产生了对应的误差。
第三线缆用于将通用机器控制模块(Control)连接到在机器4上的大量的功能单元，比如电阀、泵、辅助驱动、终端开关、温度传感器、安全保护设备等。这个第三线缆也极大地增加了成本，因为需要大量的不同的导体，而且因为每个机器变型最终都需要专门的线缆。在机器4和电源柜2分别运输到用户时还会体现进一步的缺陷，即在安装时需要的线缆系统3的大量连接造成了增加的故障风险。
在第13届ISEM会议录的Vol.1，Bilbao 2001，第3至19页中，说明了通过脉冲电容器产生脉冲所必要的过程和方程式在微EDM中的应用。这些评述一般地适用，因此也适用于本发明。
在第13届ISEM会议录的Vol.1，Bilbao 2001，第153至160页中，说明了双半桥型非电阻性发生器。这个发生器被设计成每个半桥产生对称的德耳塔电流。在适当地控制时，两个半桥电流之和是零纹波的梯形脉冲。通过以表示在德耳塔电流的上升和下降时间的范围内的电流形状的信号进行脉冲宽度调制，可以合成多种不同的所需的电流形状。由于仅仅提供了半桥，因此在输出上的脉冲形状可相应地仅仅是单极的。虽然消除负载电阻器提高了效率，但是这几乎瞬间降低，因为在电流峰期间的换向的缘故。选择越高的脉冲电流和频率，则这个缺陷变得越严重。在这个发生器用于产生陡脉冲时，正如通常那样，必然需要较高的频率。进一步的问题在于桥路本身的缺陷，即在工件和功率供给之间存在开关元件，正是在这些点之间，陡换向侧翼(steep commutation flank)产生AC主电源侧的高位移电流，最终造成了差的电磁兼容性。由于同样的原因，两个源需要是彼此DC去耦的，这又不必要地增加了配置的成本。
US 4,710,603公开了根据脉冲电容器放电原理工作的发生器，它的基本电路在图3中示出。电容器C1通过开关元件Q1和电感L3从DC电压源E充电。另一开关元件Q2通过另一电感L2将脉冲电容器C1放电到火花隙PW。这个电路既不需要充电电阻器，也不需要线性操作的开关元件。
US 4,766,281公开了具有被动充电电压调节器的发生器，如图4所示。该充电电压调节器包括反驰式转换器变压器(flyback convertertransformer)和两个二极管。这个发生器的效率是高的，因为消除了如从US 4,710,603中看出的发生器在开关元件Q1上发生的换向损耗。
然而，两个发生器仍然具有缺陷。首先，由于单极充电，脉冲频率被限制到大约70kHz的中等值。进一步增加频率将使充电电流增加到不利地影响效率的值。第二，发生器仍然太大以致不能允许它们的位置例如直接在电极的附近。为了对此进行详细说明，参考图5，图5是给这些发生器绘制的电容器电压Uc和在火花隙处的脉冲电流Igap作为时间t的函数的曲线。显然，对于正弦脉冲电流Igap，负充电电压U_charg余弦地翻转到正残余充电电压U_end。这个残余充电电压U_end精确地对应于在火花隙中没有被转换并且返回到脉冲电容器的能量。忽略线路损耗，如从前文所述的13届ISEM会议录的Vol.1，Bilbao 2001，第3至19页中看到的残余充电电压是U_end＝-U_chrg+2*U_gap (1)这里U_gap对应于在火花隙上的电压。残余电压U_end因此既不是脉冲电流也不是脉冲电容器的电容的函数，也不是放电电路的电感的函数。在放电之后充电电压调节器立即开始再次将脉冲电容器再充电到所需的负充电电压U_chrg。在这种设置中，在然后再次以电能形式反极性地存储在脉冲电容器中之前，残余充电电压U_end的全部的电能首先在电感内(例如在图3的线圈L3内或者在图4中的反驰式转换器变压器内)转换为磁能。
US 6,525,287B2公开了另一种发生器，该发生器包括多个用于产生脉冲的电容器。在AC操作中电容器插入在全桥十字支路中。该发明的主要思想是通过电容器的无损AC阻抗替代负载电阻器。然而，这里全桥的开关元件在实际中需要以高损耗对总的负载电流进行换向，否则电流的纹波将是100％，并且相当大的能量感应地存储在线缆系统中。为了安全地处置这样的能量，需要附加的有损安全电路。
US 5,380,975公开了一种包括多个脉冲电容器的发生器，通过开关元件将这些脉冲电容器同时放电到火花隙。与单个脉冲电容器的电容相比，这造成了电容的增加并且放电能量可以维持在规定的水平。
US专利4,072,842和6,281,463显示了这样的发生器，其中点火电压源通过二极管连接到开关模式型发生器以使在火花隙上可得到有选择性的高点火电压，同时保持脉冲电流调节器的最小开关频率。这些发生器的所有的点火源包括负载电阻器，并且例如不能调节脉冲电流或者影响它的形状。虽然这种类型的发生器是先进的，只要在试图也使用点火电压源以产生较小的放电电流(对于DC调节器是有问题的，因为开关频率太高)时点火电压源仅用于产生电压(即基本没有电流)，然而这种原理造成不希望的效率降低。
本发明的目的是提供一种用于产生具有较高放电频率的放电脉冲的方法和发生器。

发明内容
本发明的第一方面涉及一种产生用于放电加工的具有预定点火电压的EDM脉冲的时间序列的方法。AC电压根据通过双极电流源提供的DC电压产生。所述AC电压施加给设置在所述双极电流源和火花隙之间的隔离变压器。第一脉冲电容器通过所述双极电流源充电到对应于点火电压的充电电压。通过所述隔离变压器提供的点火电压以所选择的极性切换到所述火花隙。
本发明的第二方面涉及一种用于放电加工的产生具有预定点火电压的EDM脉冲的时间序列的发生器。所述发生器包括提供具有两个极性的DC电压的双极电流源；根据来自所述双极电流源的DC电压产生AC电压的AC电压发生器电路；在所述双极电流源和所述火花隙之间的隔离变压器，所述AC电压从所述AC电压发生器电路施加给该隔离变压器的输入，并且该隔离变压器的输出提供具有两个极性的点火电压；在所述双极电流源和所述火花隙之间的至少一个第一脉冲电容器，其通过所述双极电流源充电到对应于所述点火电压的充电电压；以及在所述隔离变压器和所述火花隙之间的开关装置，其由控制器控制以将所述点火电压以所选择的极性切换到所述火花隙。


现在通过举例的方式并参考附图描述本发明的实施例，在附图中图1所示为本发明一个实施例的刻模机的示意图。
图2所示为现有技术的刻模机的示意图。
图3所示为现有技术的脉冲电容器放电型发生器的电路图。
图4所示为另一现有技术的脉冲电容器放电型发生器的电路图。
图5所示为在现有技术的脉冲电容器放电型发生器中的充电电压和放电电流的波形图。
图6所示为在本发明一个实施例的脉冲电容器放电型发生器中的充电电压和放电电流的波形图。
图7所示为本发明一个实施例的双极电流源的电路图。
图8所示为本发明一个实施例的充电/放电电路的电路图。
图9所示为本发明一个实施例的包括隔离变压器的变极器(inverter)电路的电路图。
图10所示为本发明一个实施例的包括多个充电/放电电路和多个变极器电路的发生器模块的电路图。
图11所示为间接感测放电电流的传感器的电路图。
图12所示为用于感测充电电压的传感器的电路图。
图13所示为根据第一实施例用于产生点火电压的充电/放电电路的电路图。
图14所示为根据第一实施例用于产生点火电压的变极器电路的电路图。
图15所示为根据第二实施例用于产生点火电压和小放电电流的充电/放电电路的电路图。
图16所示为根据第二实施例用于产生点火电压和小放电电流的变极器电路的电路图。
图17所示为根据第三实施例用于产生点火电压和小放电电流的充电/放电装置的电路图。
图18所示为根据第三实施例用于产生点火电压和小放电电流的变极器电路的电路图。
图19a-d所示为基于三个部分脉冲(partial pulse)的正弦脉冲的组成。
图20a-c所示为基于两个部分脉冲的具有陡侧翼的脉冲的组成。
图21a-d所示为基于四个部分脉冲的具有陡侧翼和高幅值的脉冲的组成。
图22a-d所示为基于三个部分脉冲的准矩形脉冲的组成。
图23a-d所示为基于六个部分脉冲的用于刻模EDM的准矩形低纹波脉冲的组成。
图24a-e所示为基于八个部分脉冲的用于刻模EDM的准矩形高纹波脉冲的组成。
图25a-e所示为基于四个部分脉冲的用于刻模EDM的低纹波、慢ON/快OFF脉冲的组成。
图26a-e所示为基于七个部分脉冲的用于刻模EDM的低纹波OFF过冲脉冲的组成。
图27a-e所示为基于七个部分脉冲的用于刻模EDM的低纹波OFF下冲脉冲的组成。
图28a-e所示为基于四个部分脉冲的用于刻模EDM的倾斜的快OFF脉冲的组成。
具体实施例方式
图1所示为刻模机的主要模块，在这种设置中也可以细分为公知的模块，AC主电源输入1与随后的AC模块和DC模块。然而，电源柜2现在非常小，它可以容纳在操作台中，因为驱动模块(Drive)、发生器模块(Gen.)和通用机器控制模块(Control)在机器4中现在都得到重新设置。
图2的线缆系统3已经取消，它已经被标准化的数据链路(LINK)6替代，该数据链路(LINK)6在星形配置中在节点5聚集在一起。到各种模块以及来自各种模块的所有的信息和命令也都可用于在节点5中的诊断目的。节点5安装在容易接入的位置，但优选在机器4上。
各种模块的功率供给可以直接通过数据链路(LINK)6达到大约50W的瓦数，也可提供标准化的DC电压线缆7用于更高的功率要求，以星形从DC电压模块(DC)延伸到要求更高的功率值的模块。具有仅仅1.5mm2的截面和例如+/-280V的DC电压的DC电压线缆7能够供给高达5.6kW的瓦数而没有问题，仅2.3W/m转换为热。现代的线切割发生器通常需要2.2kW的平均火花瓦数以便以500mm2/min的速度切割钢材，在包括每个5mm2的8个并联的同轴线缆时通过线缆系统3将足足37W/m变换为热。在这种情况下DC电压线缆7将把仅可忽略的0.37W/m变换热，即100倍小。
针对5.6kW的平均火花功率外推当前值将得到在钢材中的1250mm2/min的材料去除速率，并在公知的线缆系统3中产生相当大的94W/m的功率损耗。通过在机器4中对AC主电源输入1、AC模块(AC)和DC模块(DC)重新设置可以得到一种替选方案。在这种设置中，操作台(电源柜2)仅容纳数值控制(CNC)并通过唯一的标准化数据链路6(LINK)连接，并向其供给所需的电能。标准化的DC电压线缆7因此也更短，并且仅仅存在于机器4的内部。
这极大地简化了在用户位置上安装这种系统，它仅要求将AC主电源输入1连接到AC主电源，并且在必要时，将数据链路6(LINK)插入到操作台中。
图6所示为在下文中描述的发生器的电容器电压Uc和脉冲电流Igap在时间上的变化(下文也称为电压和电流的波形)以便与在图5中所示的公知的发生器的波形进行比较。对于可比的充电电流，图6的充电时间t_chrg比在图5中绘制的时间短几倍，并且残余充电电压U_end仅通过正确极性的短电流脉冲补充到所需的充电电压U_chrg。残余充电电压U_end不经历经由磁能的变换，这就是它以接近100％的效率保存的原因，由此实现了放电脉冲最大频率的显著增加。
图7所示为本发明一个实施例的双极电流源8-17的形式的充电调节器。通过标准化DC电压线缆7从DC电压模块(图1的DC)向输入V_dc+，V_dc-和中性点0V例如供给+/-280V的DC电压。在对称加载的情况下，中性点0V大致对应于地电位，这对于该系统的高EMC是有利的。
在最简单的情况下DC电压从普通的400V AC主电源、通过三相整流器电桥和滤波电容器、直接得自DC模块(DC)并且就此而言不需要线路隔离(line isolation)。作为替选方案，可以提供包括电子开关元件和二极管的三相有源变极器电桥。这种替选方案允许实现丰富的其它功能，如闭环DC控制，用于补偿AC主电源波动，将DC电压增加到峰值AC主电源以上，软启动功能，功率因数校正(PFC)，非对称DC负载上的中性点0V稳定化以及DC至4000V AC主电源能量返回。所有这些电路对于本领域技术人员都是公知的，不需要在此进一步描述。
电容器8和9为双极电流源8-17供应电流脉冲，它们被提供用于维持DC电压线缆7(DC)没有脉动的电流。正的电流源用于产生正的充电电流I+。开关元件10和16同时接通，导致线性增加电流，从输入V_dc+开始经由电感14回到0V端子。在某个时间后，并且不在输出I+被切换到脉冲电容器22以便于充电(图8)之前，开关元件16以及必要时开关元件10被关断。在这个时间点上，充电电流I+流入脉冲电容器22中，以补充其充电电压。一传感器(在图8中的SENS)将充电电压与设置的值比较，并且一旦充电电压达到设置值时，发送数据信号给控制器(在图10中的FPGA)。开关元件16随后接通，导致在脉冲电容器中的充电电流I+的突然崩溃。如果开关元件10在这个时间点仍然接通，则它被同样地关断，并且剩余的残余电流I+随后经由二极管12、电感14和开关元件16循环。为了供应随后的相同极性的充电脉冲电流，开关元件10在合适的时间点再次接通并重复上面描述的过程。
因为电感14充当电流源，所以在脉冲电容器22上的充电电压可显著地高于在输出V_dc+上的电压。然而，这可对该开关元件16有毁灭性的后果，如果由于在充电电流输出I+连接至脉冲电容器22之前的故障，其也就是要被开路带电。这就是为什么与开关元件16和17并联地提供瞬态保护二极管(未被示出)，或者再生二极管(recuperation diode)45和46可以附加地分别插入端子I+和V_dc+以及I-和V_dc-之间，以将充电电压限制为输入电压V_dc+和V_dc-。如果必要，输入电压V_dc+和I-和V_dc-可以被增加。为了生成高幅值和低持续时间的放电脉冲，优选地以尽可能高的充电电压结合脉冲电容器22的最小电容来工作。
包含开关元件11和17、二极管13和电感15的镜像翻转配置用于产生负充电电流I-，并且以与上面描述的正电流源类似的方式工作。
如在图7中示出的双极电流源8-17可以高度不同地操作。当试图达到最小损耗同时将工作频率最大化时，可能部分地根据所涉及的特定应用而需要不同的方法。
这样，为了良好的效率，在长时间段内禁止在电感14、15和二极管12、13中的不必要的高电流的循环是优选的。防止这一点的一种替选方案是有用的，其中通过在对脉冲电容器22充电完成时关断开关元件10和16或11和17来使用附加的再生二极管45、46。存储在电感14或15中的磁残余能量随后经由二极管12和45或13和46取回到电容器8和9中。当在两个充电脉冲之间存在最小的间歇时，这种工作模式是有利的，另外更有利的是直接将该残余能量用于下一个充电脉冲。
另一个替选方案为了时序控制而在电容器充电开始时实现了开关元件16、17的关断。选择也就是已经在放电脉冲期间的这个时间点，优选的是当脉冲电容器22的跨越(crossover)正好为0V电压时，实现了绝对无损的换向。作为一种正面的副作用，充电时间也通过该设置缩短。实际上，由于该方法，在极端情况下，脉冲电容器22可能在其放电的结尾已经又达到了充电电压的设置值，这样使得直接可用于随后的放电。
为了将工作频率最大化，电感14、15的值被最小化，并且这些电感14、15的充电动作直接在脉冲电容器22的放电开始时启动。为了更高的充电电压，进一步有利的是，在电容器充电期间也让开关元件10、11接通，由于来自电容器8、9的附加能量，充电动作进一步缩短。
如在图8中示出的实施例的用于脉冲电容器22的充电/放电电路18-26经由对应的输入I+、I-连接至如在图7中所示的双极电流源8-17。第二端子连接至0V输入，该0V输入又连接至双极电流源8-17的中性点0V。开关元件18、19与二极管20、21一同负责在充电期间施加所需的极性。在脉冲电容器22，传感器(SENS)持续地感测充电条件并且从中得出各种数据信号。开关元件24和26与二极管23和25用于以正确的极性将脉冲电容器22放电至输出T_pr。
在某些实施例中，优选提供附加的二极管63和64以用于特定的应用。在线切割应用中，可能出现这样的情况由于线接触的不佳过渡电阻或者火花隙的太弱的电离而造成已经点火的放电立即熄灭。如果脉冲电容器22的放电继续则它的高充电电压可能导致在火花隙中强制再点火，这种强制再点火又可能立即导致线破裂。为了防止这种损坏，开关元件24或26被强制关断，产生了如何处置在放电电路的各种电感中存储的能量的问题。用于电容器放电型发生器的公知的方法提供了与开关元件并联的瞬态保护二极管，并将能量不利地转变为热。这种不好的放电多次发生降低了效率，并且甚至可能毁坏瞬态保护二极管，由此导致发生器完全损坏。在优选的实施例中，能量通过二极管63、64和端子V_dc+、V_dc-有利地再生到电容器8、9中。由于整个过程通过中心控制单元(图10中的FPGA)来启动，因此每时间单位的这些过早的脉冲中断的数量被计数并作为过程控制值、诊断信息或者早期报警而使用或发出。
如在图9中示出的变极器电路28-32的隔离变压器27的初级输入T_pr连接至如在图8中示出的充电/放电电路18-26的对应输出T_pr。该隔离变压器27的第二初级输入0V连接至如在图7中示出的对应的中性点0V。隔离变压器27包括两个串联的次级绕组，使得始终有正和负的脉冲极性可用。这些次级绕组的中性点连接至输出WS，该输出又连接至工件。将发生器电路关于中性点0V严格对称地配置，对于电磁兼容性是有利的。因为工件通常处于地电位，所以没有、或者仅仅不明显的电容位移电流经由该电路实现至AC主电源连接1。优点是降低了成本、损耗和用于大磁抑制元件的占地面积。隔离变压器27的这些次级绕组的另外两个端子经由开关元件29、30、34和36以及它们的所分配的二极管28、31、33和35以及经由电感32连接至输出EL。输出EL又连接至电极。在该设置中，开关元件30和36被接通，用于正的放电脉冲，同时开关元件34和29对应地用于负的放电脉冲。这使得脉冲电容器22的充电电压的任何暂时极性都能够转换为进入火花隙的放电脉冲的任意极性。
然而，当例如对于刻模机，从发生器模块只需要正的放电脉冲时，变极器电路也可以通过去除开关元件29、34和它们的二极管31、35而得到简化。这也适用于线切割机，当只需要负脉冲时，开关元件30、36和它们的二极管28、33可以从中去除。这对于结合图13-18描述的所有另外的电路同样成立。
隔离变压器27同样提供了多个尺度设置自由度。有利的是，其中一个保证了足够浪涌电压承受能力，以便于隔离AC主电源，使得与标准要求一致。此外，其中一个将在初级侧和次级侧之间的耦合理想化，并且保持主电感足够高，使得不出现过度高的磁化电流。两种措施都有利地防止了脉冲电流的损耗。
为了最佳的耦合，1∶1的绕组比率是理想的，虽然偏离该要求可能对于以更小的电流并且相应地更高的电压操作例如如在图8中示出的充电/放电电路的总效率是有利的，这可能是相当正确的，因为具有高浪涌电压承受能力的对应部件是可用的，并且，如进一步解释的那样，无需应对换向损耗。降低电流减少了所有开关元件和二极管的正向损耗，这样提高了总效率。
对隔离变压器27的所提及的要求优选地以具有平面芯和平面绕组的平面变压器得到满足。这种具有对标准隔离性能特别考虑的变压器例如在US 5,010,314中公开，并且由Boca Raton South Florida USA的公司PAYTON PLANAR MAGNETICS Ltd.生产。因为所传输的脉冲的电压/时间区域很小，所以这些变压器这样小和轻，使得它们可以毫无问题地集成到发生器模块的印刷电路中。这种技术也有利于电感14、15和32的优势。
电感32可以被选得更小，或甚至被完全去除，只要至电极的导体和隔离变压器的杂散电感已经包括足够的电感。在对电极提供脉冲中，当多个发生器通道重叠时，该电感对于通道分离是必要的。
在图7、8和9中，MOSFET和IGBT被列举为开关元件10至36。这不是强制的选择并且可以由本领域的技术人员根据特定的要求而改变。对于如在图9中示出的变极器28-32的开关元件29、30、34、36和二极管28、31、33、35的设置，同样有替选方案。这样，例如，处于相反方向的开关元件29与开关元件30可以串联连接，而二极管28和31以对应的相反方向与其并联。这里也是应由本领域技术人员来应用对每种情况下的要求总体最有利的变形方案。
开关元件18、19、24、26、29、30、34、36仅仅遭受正向损耗，即它们各以零电流来激励，因为每个正弦半波都以零电流开始，并且因而电压和电流的乘积(换句话说，在换向过程中的功率损耗)也是零。对于关断，情况甚至更有利，因为对于这个时间点，电流和电压量两者都为零，因为电压由对应的串联二极管23、25、28、31、33、35阻塞。
控制所有开关元件10、11、16、17、18、19、24、26、29、30、34、36所需要的脉冲由控制器(在图10中的FGPA)经由DC去耦的驱动器电路(未示出)提供。
如从图6中显然可知的那样，只需要对单脉冲电容器22充电的双极电流源6-17由于短的充电时间t_chrg而负担低(undertaxed)。因此，图10示出了在多通道配置中的发生器模块，它的所有通道都放电到相同的火花隙中(作为替选方案，一些或全部通道也可以放电到多个不同的火花隙中)。这种发生器模块由仅仅一个具有输入V_dc+、0V和V_dc-的双极电流源BCS(如图7所示)以及通过数据链路(LINK)连接到节点(如图1中所示的节点5)的一个控制器FPGA组成。控制器(FPGA)优选是现场可编程门阵列，即数字可配置的逻辑电路，它也可以通过数据链路(LINK)配置并被提供不同的设置，它甚至可以在系统操作过程中加载新的配置。这就是为什么这些电路实现了最大的功能灵活性，以及由于并行数据处理甚至比可用的最快的微处理器都快得多。然而，如果需要进行顺序的数据处理，将其实施在FPGA中也不会存在问题，即对并行处理的速度没有负面的影响。
用于脉冲电容器22的多个充电/放电电路CAP1至CAP4(比如在图8、13、15和17中所示)通过导体I+和I-连接到双极电流源BCS。每个充电/放电电路CAP1至CAP4连接到变极器电路INV1至INV4(比如在图9、14、16和18中所示)。变极器电路INV1至INV4具有到工件WS的分离输出以及共同连接到电极的分离输出EL1至EL4(作为替选方案，多个输出也可以单个或组合地连接到多个单个的电极)。
控制器FPGA包括到各个电路组CAP1-CAP4和INV1-INV4的所有的开关元件和传感器的如虚线所示的链接。这些对用于驱动开关元件的驱动器电路进行符号表示，但这些驱动器电路也监视开关元件并形成到传感器(比如图8的SENS、图13、15和18的+SENS和-SENS、图14、16和18的DSC SENS)的连接。由于控制器FPGA的中心功能，对整个发生器模块的理想协调和监视都是可能的，不存在时间延迟的损失。所有的条件、故障和感测值在它们发生时都通过数据链路LINK周期性或根据请求用信号发送给在图1中的节点5。这种模块现在可以以如下文讨论的未接线的SMD部件和SMT生产方法自动生产。
由于希望这些模块安装在机器中的任何位置，它们必须不对它们的周围发热。由于对于这个目的正常的空气冷却不够，因此优选流体冷却系统以带走耗散的热。这些模块也可以通过金属化的塑料或者更好的满足这些要求的金属的致密外壳受到保护而不受在机器中的苛刻的环境影响，如污物、飞溅的水和电磁干扰。
控制器FPGA存储用于控制充电/放电电路CAP1至CAP4和变极器电路INV1-INV4的数据组。对应于各种放电脉冲的每个预定义的波形的这些数据组预先计算而存储在数值控制(在图1中的CNC)或者在其中通过数学和三角运算来计算并传送给控制器FPGA。作为替选方案，当然预先计算的数据组也可以存储在控制器FPGA中以在那里进行选择。
在这种设置中，曾经在数据组中定义的波形(在此也称为脉冲形状)可以在幅值上成比例地增加或减少。为此目的，该数据组仅接收在数值控制CNC或控制器FPGA中使用的附加的比例因子以成比例地增加或减少例如所有充电电压设置值。可以根据需要以任何分辨率实现以这种方式修改脉冲幅值。
因此，以粗加工脉冲开始，通过连续地减小比例因子，这使得可以对较精细但与幅值成比例的加工脉冲进行平滑的改变。这种方法的应用使得以最小的加工时间得到了较为一致的工件质量。
用户具有如下选项根据他的特定加工要求直接选择特定的脉冲形状，或者根据需要由数值控制CNC或控制器FPGA本身决定哪个脉冲形状最适合于暂时的加工要求。例如可以根据所需的加工精度、规定的电极磨损、规定的机器速率等来进行这种选择。根据特定的机器要求，本领域普通技术人员会意识到除了在此详细描述的脉冲形状之外还有各种脉冲形状。在下文中从脉冲电容器22的部分脉冲开始，描述了一些公知的和新颖的脉冲形状以及它们的合成。
此外，应该理解的是下文的讨论基于正弦半波形式的部分脉冲，如电容器(在这种情况下脉冲电容器22)通过电感(在这种情况下，特别是隔离变压器27、电感32和连接电极的导体)的放电中近似实现。在其它元件插入在连接电极的放电电路中时，部分脉冲可能偏离正弦半波形状。
在脉冲电容器22上的电压曲线包含各种各样的有用的直接和间接信息，这些信息涉及充电状况、放电脉冲和火花隙的状况。
图11示出了用于间接获得放电电流的传感器的第一实施例(比如图8的SENS，图13、15和18的+SENS和-SENS，图13、14、16和18的DSC SENS)。包括差分电容器37、运算放大器38和反馈电阻器39的公知差分电路可以以电压信号Udiff的时间上的变化的形式来按比例仿真它们的输出上的放电电流形状。
作为时间函数的放电电流曲线I由下式给出I＝C*dU/dt (2)这里C是脉冲电容器22的电容，dU/dt对应于作为时间的函数求导的在脉冲电容器22上的充电电压Uc。然后传感器根据差分放大器的方程式识别电流Udiff＝-R39*C37*dU/dt (3)这里R39是反馈电阻器39，C37是差分电容器37，以及dU/dt又对应于作为时间的函数求导的在脉冲电容器22上的充电电压Uc。由于C以及R39和C37都是常数，因此输出Udiff是放电电流I的真的成比例镜像。
随后的电路(未示)例如本领域技术人员公知的采样和保持放大器、积分器、比较器和模拟/数字转换器可从信号Udiff中抽取各种各样的有用的信息，比如脉冲持续时间、峰值电流、电流的RMS值等，所有这些都以数字形式转送给控制器FPGA。以这种方式获得信息比包含测量电阻器和电流传感器的公知方案更加直接、更加快速、更加紧凑、成本效率更高并且损耗更小，将其整合在发生器模块的总体构思中是特别直截了当的。申请人保留了对独立于在此所公开的其它特征、如上文或下文所描述的传感器的结构要求保护。
图12所示为用于测量脉冲电容器22的充电电压Uc的Uout的传感器SENS的一种实施例。包括电阻器40和42的分压器将充电电压Uc分压为这个值，然后将这个值通过电压跟随器配置中的运算放大器44作为低阻抗信号Uout再现。
为了不使脉冲电容器22不必要地放电，电阻器40的值通常在一位数MΩ的范围内选择。充电电压Uc的高频分量的未失真的再现通过与其并联的包括匹配的电容器41和43的电容性分压器来保证。进一步的处理类似于对上文描述的电流传感器的处理。
除了双极电流源8-17的控制信号之外，例如从脉冲电容器22的充电电压Uc中也可以获得对脉冲持续时间求平均的火花燃烧电压(如在第13届ISEM会议录的Vol.1，Bilbao 2001，第3至19页中所描述)。因为在线上的电感性电压降的缘故，通过对线切割机的电流测量法可能难以测量到这个量。
在放电之前利用采样和保持放大器来记住充电电压U_chrg(图5、6)以形成与在放电之后的残余充电电压U_end的差值并乘以0.5的放大之后的结果是足够的。根据平均的火花燃烧电压，可以获得关于短路、以两倍的燃烧电压的放电(意味着与线电极的不佳电流接触)、电阻性放电(意味着不佳的冲洗(flushing))等，关于过程如何实时进行的有用信息，然后这些信息又可用于开环和闭环控制以及优化。
图13所示为用于产生点火电压的充电/放电电路18-26的第一实施例，它在结构上类似于在图8中所示的用于产生放电脉冲的充电/放电电路18-26。由于在产生点火电压过程中脉冲电容器22不放电或者仅仅不明显地放电，因此它被分为正充电脉冲电容器47和负充电脉冲电容器48。通过两个脉冲电容器47和48所提供的正和负极性的电压然后交替切换到需要被供给AC电压的隔离变压器27的初级绕阻。
作为一种替选方案，可以仅仅使用一个脉冲电容器22，必要的AC电压通过附加的开关元件或者通过隔离变压器的第二初级绕阻产生。
类似于在图8中所示的正极性电路分支，在负极性电路分支中，开关元件19和二极管21对应地连接到负脉冲电容器48，相同情况适用于开关元件26和二极管25。
同样地给两个脉冲电容器47、48提供传感器+SENS和-SENS，二极管23和25并联连接到开关元件24、25。这比较有利的，因为由来自火花隙的振荡引起的任何过电压都可以在脉冲电容器47、48再生。
能量恢复可根据如下来控制，即对于一个脉冲，变极器电路的仅一个电流方向(例如仅如图14所示的具有二极管28的开关元件30，没有再生)被使能，还是两个电流方向(例如图14所示的具有二极管28的开关元件30和具有二极管31的开关元件29，具有所需的再生)都被使能。
在图13中所示的电路进一步包括匹配电阻器49以通过公知的方式和手段使端子T_pr的输出阻抗被动地适应于隔离变压器27的高频响应。可以进一步利用这种匹配电阻器49以检测火花隙的状况。更具体地说，通过附加的放电传感器DSC SENS(如图12所示)，可以以零延迟和低成本感测放电的开始。作为一种替选方案，这种放电传感器DSC SNES可以直接应用到在图14和图16中所示的点火电压源的输出。其中的优点是不管各种开关元件的状况如何都能感测，而面临的缺点是噪声较高。
图14所示为变极器电路28-36，它对应于在图9中所示的变极器电路，但除了电感32被另一匹配电阻器50替代之外。这种匹配电阻器50也主要用于使变极器电路28-36的输出阻抗被动地适应于火花隙的高频响应。然而，匹配电阻器50也用于通过在脉冲间歇期间接通的开关元件29、30、34和36在脉冲间歇期间使火花隙放电。
也可以在脉冲间歇期间将反电压切换到火花隙以使EDM电压的平均电压最小。在使用水性电介质时这种方法具有优点。
现在假设对于在图10中所示的发生器模块，第一通道CAP1、INV1配置为根据图13和14的点火电压发生器通道，其余的通道CAP2-4、INV2-4配置为根据图8和9的放电电流通道。
在开始加工时首先通过双极电流源8-17(图7)将所有的脉冲电容器22充电到足以实现所需电流幅值的充电电压。正脉冲电容器47和负脉冲电容器48被充电到相同的正和负充电电压以产生不仅作为所列举的充电电压而且尤其作为隔离变压器27的绕组数比的函数的所需点火电压。
在脉冲持续时间中，仅仅只要在火花隙中没有发生放电，点火电压发生器通道CAP1、INV1的开关元件24、25就交替接通。占空比优选大约50％以便在可能时不给隔离变压器27加载DC电压分量。开关频率优选适于隔离变压器27以便不超过可允许的电压-时间积分并保持磁化电流是小的，以使点火电压不发生明显的降低。这就是为什么点火电压发生器通道CAP1、INV1的隔离变压器27有利地配置成具有高主电感，即具有隔离变压器27的高绕组数。
在脉冲持续时间中，只要不发生放电，根据第一实施例，变极器电路28-35的所需极性的开关元件、例如30和36就得到激励。在另一实施例中，任选频率的AC电压可以通过在EDM脉冲期间或者从一个这种脉冲到下一脉冲对应地接通开关元件30和36以及29和34来产生。例如，在一个EDM脉冲期间，所述点火电压的极性在点火之前可以翻转一次或多次。此外，在所述EDM脉冲之间的脉冲间歇期间，具有与所述点火电压的所述极性相反的极性的电压可以施加给所述火花隙。
在放电传感器DSC SENS感测放电时，点火电压发生器通道CAP1、INV1关断，其余的放电电流发生器通道CAP2-4、INV2-4产生所需的放电脉冲。由于电流幅值是脉冲电容器22的充电电压的直接函数(directfunction)，小脉冲电流也可以通过2A和以下量级的点火电压发生器通道CAP1、INV1产生。
点火电压可以通过双极电流源8-17(图7)和充电电压非常精细地设置，并且它甚至可以在脉冲期间被改变。在传感器+SENS，-SENS上测量的充电电压与设置值连续比较，并且在必要时，通过双极电流源8-17校正。具体地，在所述测量的电压超过最大设置值时中止充电，而在所述测量的充电电压下降到最小设置值之下时再进行充电。由于点火电压发生器通道CAP1、INV1仅仅需要提供电压而不需要电流的事实，因此效率仍然不变地保持为高。
图15所示为也以好的效率提供较小脉冲电流的点火电压发生器通道的充电/放电电路的进一步实施例。与图13所示的充电/放电电路不同，脉冲电容器的数量再次加倍。正和负脉冲电容器47、48保持相对小(在从100pF至100nF的范围内)并用于设置点火电压。通过二极管55、56，较大的脉冲电容器53、54(在从1μF到1000μF的范围内)与其并联连接。这些用于设置放电电流并可以通过附加的开关元件59、60和二极管57、58进行充电而不管点火电压。在本实施例中，开关元件24、26与电流测量电阻器51、52一起形成了线性电流源24、51和26、52。这些线性电流源24、51和26、52具有在短过渡时间期间将放电电流维持在所需设置值的主要任务，在这个过渡时间中在放电开始之后脉冲电流使低容量的脉冲电容器47、48放电。
然而，线性电流源24、51和26、52也可用于在例如由此产生倾斜的EDM脉冲或者具有任选频率的纹波的EDM脉冲或者峰值脉冲中调节放电电流。对于这种情况，给线性电流源24、51和26、52提供对应整形的设置值信号(例如来自FPGA)是足够的。
此外，线性电流源24、51和26、52可用于例如通过在EDM脉冲的开始时允许较高电流来对点火脉冲的电压进行整形以实现较陡的电压上升。在限定的时间之后，电流然后可减小实现到所需开路电压的渐近式建立(asymptotic settling)。实际上，为了理想的效率，可以选择小电容器47、48以使在线性电流源24、51和26、52饱和时它们的充电足够允许火花隙的点火电压正好建立在设置值。
如图15所示，在脉冲电容器47和48的充电电压变得小于大脉冲电容器53、54的充电电压时，二极管55、56分别变为导通并且电流然后从脉冲电容器53、54提供。脉冲电容器53、54仅被充电到这样高(例如在30V至50V，优选到30V)以使电流源24、51和26、52仅在正常操作下变为饱和，即在这些电压源24、51和26、52上发生仅仅非常小的几伏特的电压降(相对于充电电压，优选地小于50％，更优选地小于20％)。此外，在EDM脉冲期间，点火之后的大脉冲电容器53、54的充电电压被控制以使施加给所述火花隙的电压减去所述充电电压的差等于优选在范围5V至25V中的特定的设置值。对于30V的充电电压和具有3A脉冲电流的5V的电压降，功率损耗为15W，而在火花隙上可用的功率是25V乘以3A，换句话说，75W，对应于好于线性电流源24、51和26，52的83％的效率(对于每个占空比)。相对照，调节器型DC源的效率小于10％，特别是对于具有略小的脉冲电流和长间歇的短脉冲。出现这种情况的原因是对辅助馈送电压和调节器电路的较高的结构上的要求，并且因为换向和功率损耗(单独处置3A的备用电流的二极管将已经造成了大约5W的损耗)的缘故。
图16所示为适合于图15的充电/放电电路的变极器电路。在这种情况下二极管28、31、33、35形成了桥路，该桥路分别对滤波电容器61、62正和负充电。这些滤波电容器61、62被选择为具有小电容并简单地具有关闭由于整流由来自隔离变压器27的AC电压引起的电流和电压的短暂间隙的任务。通过在放电电路中选择足够高的杂散电容和杂散电感，可以去除滤波电容器61、62。
在输出上提供了能够在两个极性之间非常快速地切换的开关元件30、34，例如允许任选频率的AC点火脉冲或者与负放电电流交替的正点火电压的产生。一般地，所述放电电流的极性可以根据所述点火电压的极性来选择。
开关元件30、34之后又连接有匹配阻抗32、50以用于点火电压发生器对火花隙的高频适配。优选地，设置小DC电阻并与匹配电阻器50并联连接小电感32以使点火电压发生器的总效率最大。
图17和18所示为点火电压发生器的另一实施例，除了点火电压之外该发生器也提供略小的放电电流。与如图15和16所示的基本原理在此相同，除了取代脉冲电容器47、48、53、54，在次级侧上仅仅滤波电容器61、62被用于电压和脉冲电流的产生，因此用作脉冲电容器(在图13和15中的47和48)。这些滤波电容器61、62的尺度需要比在图16中的滤波电容器的尺度稍大以便通过在最大化的效率和中等开关频率之间的折衷在充电电压的动态控制方面性能更好。
即在这种情况下，滤波电容器61、62通过双极电流源8-17(图7)和经由开关元件18、19、隔离变压器27和二极管电桥28、31、33、35直接充电。在这种设置中开关元件18、19交替地接通以使隔离变压器27仅被加载AC电压。二极管电桥28、31、33、35将每个充电脉冲均匀地分配在正滤波电容器61和负滤波电容器62上。通过将开关元件添加给二极管电桥28、31、33、35中的每个二极管可以禁止自动分配，由此使滤波电容器61、62能够被充电到不同的电压，这对于特定的应用可能是必要的。
在这种情况下充电电压传感器(+SNES，-SNES)被包括在变极器电路中，相同的情况适用于替代开关元件30、34的线性电流源24、51和26、52，从而附加地处理以正确的极性将EDM脉冲施加给火花隙的任务。在这种情况下线性电流源24、51和26、52可以附加地处理其它的任务，比如对点火电压和放电电流进行整形，而且也启动对火花隙高频响应的适应(线性电流源可以以其电阻得到快速调节)。另外，该电路的功能与在图15和16中所示和描述的电路基本相同。
虽然这个实施例在成本上较低，但因为对于电压和电流调节各仅使用一个电容的折衷，它的效率低于前述的实施例。此外，在传感器(+SENS、-SENS、DSC SENS)上的噪声较高。
图19a至19c所示为来自三个脉冲电容器22的具有180°的持续时间和等于1的幅值的三个正弦部分脉冲，它们被同步地放电到火花隙中。图19d中所得到的脉冲同样具有180°的持续时间但具有3的幅值。
对于所得到的放电脉冲，在电流和时间范围上的对应电值例如可以达到300A和1.8μs。根据确定时间和幅值的要素，即电容、电感和充电电压来计算比例。
同步激励另外的通道将对应地增加幅值，同时时间仍然保持大致相同。更准确地说，如在所有通道所公用的工作空间中的电感分量(例如线电极的电感)所造成的，时间将稍稍增加。以高分辨率通过充电电压可以针对每个通道设置每个部分脉冲的幅值而不影响脉冲持续时间。
每个部分脉冲的脉冲持续时间优选地通过脉冲电容器22的容量值设置。如所知的，通过脉冲电容器22的电容的四分之一值可以实现脉冲时间减半。维持幅值将需要充电电压加倍。
对于脉冲持续时间也具有直接影响的是放电电路的综合电感，在此综合电感由隔离变压器27的杂散电感、电感32和工作空间的电感构成。这些分量稍稍不适合于配置成可变的并优选地保持尽可能小。
图20a，b所示为两个脉冲，均具有108°的较短持续时间、120°的相移但特征为3的幅值。如图20c所示的脉冲的总和具有180°的持续时间和3的幅值，但积分表明面积容量(area content)高20％。而且，从0°至30°的脉冲上升比在图19中所示的波形陡53％。这个波形仿真延迟线的放电，其中无穷小的电容和无穷小的电感的无穷多个线性元件一个接一个地放电，导致了绝对完美的方波脉冲。在此，这个无穷小方法不如在各个脉冲之间的恒定时间移位的原理吸引人。超过三个单个脉冲的任何数量都会总体上在脉冲的面积容量和沿陡度方面产生少量改进，但增加了发生器的操作频率。
图21a-d所示为脉冲组成，其中在图21c中的持续时间1/3和幅值1.2的脉冲叠加到具有幅值1.5的两个同步脉冲(也可以是具有3的幅值的单个脉冲)中的每个的开始和结尾。在此，面积容量增加26％并且从0°到30°的脉冲上升甚至比在图19中所示的波形好80％。
这个脉冲组成面向基于傅立叶级数或小波理论的谐波分析的原理，并通过进一步的、较短的具有某个减小的幅值的附加脉冲来继续，直到接近方波的放电脉冲。当然在这里，在改进变得可忽略并且部分脉冲持续时间变得如此短以致附加的花费不再值得付出时，也存在自然的极限。小波理论适合于断续的信号形状并由Amara Graps在www.amara.com/IEEEwave/IEEEwavelet.html下的“An Introduction toWavelets”中详细地描述。
图22a-d所示为基于延迟线原理的线切割的另外脉冲组成。从图22d中可以清楚看出，幅值为3的、120°相移的三个脉冲导致了比在图19中所示的波形大29％的脉冲面积和陡88％的前沿。
较大脉冲面积的优点在于每脉冲的较高材料去除速率。此外，脉冲沿越陡，在放电开始时的等离子体温度越高并且在放电结束时的空化效应(cavitation effect)越强。这两种现象都降低了对工件表面的损害，并且同样增加了材料去除速率。在EDM中的空化效应被理解是附加的材料去除机制，结果，等离子体通道在放电结束时聚爆(implode)的高聚爆力越有效，脉冲被关断得越快。
图23a-d所示为根据延迟线原理用于从每个120°相移的6个部分脉冲产生的放电脉冲的刻模的放电脉冲的合成，放电脉冲上的纹波为仅仅大约10.6％。为了简明的缘故，以％表示的纹波由如下比率表示Ripple[％]＝100*(Imax-Imin)/Imax (4)其中Imax和Imin分别表示放电电流的最大和最小幅值。有趣的是10.6％的纹波适用于每个脉冲幅值。在因为用于电流调节的过高开关频率而使公知的刻模发生器负担高(overtaxed)时，这对于小脉冲电流特别有利。
图24a-e所示为如何通过减小(或增加)部分脉冲的相移来影响放电脉冲的纹波。90°的相移导致了27.3％的纹波。然后幅值仅仅需要为0.7来实现1的总幅值。
可以优化如在图23a-d和24a-e所示的刻模脉冲以便获得最佳的加工结果；前沿太陡(电极磨损)并且后沿太平缓(不佳的空化效应)。
图25a-e所示为如何进一步优化放电脉冲。通过在脉冲结束时组合延迟线原理与较宽脉冲和谐波分析或小波原理，前述的两个缺陷都可以被消除。为了更陡的脉冲结尾，可以在这种情况下附加地包括一个或多个谐波。
在SU 308846中描述了增强空化效应的有趣原理。通过在脉冲结尾上的脉冲过冲，材料去除速率显著增加，同时实现了较浅的坑穴形成(craterring)，其结果是较好的粗糙度，以及较紧密的间隙宽度，其优点是在较短的时间内制造了较好质量的工件。
图26a-e所示为如何产生这种放电脉冲。也在这种情况下，通过修改部分脉冲的相移和它们的脉冲持续时间，放电脉冲的纹波和上升时间可以自由地设定尺度，与SU308846相比，在对脉冲过冲的幅值和持续时间的设定尺度方面具有自由度较大的优点。
图27a-e所示为允许空化效应的进一步增强的新颖的脉冲形状。这种新颖的脉冲形状在脉冲的结尾实现了接近垂直的后沿，具有在相反的方向上在幅值和持续时间方面可选择的后续下冲。然而，有利地，下冲的持续时间不被选择得太长以便不会造成不必要的电极磨损。太短的下冲持续时间导致在火花隙的电压零跨越时的放电由能量耗尽而熄灭，引起放电之后的翻转空闲电压(inverted idle voltage)。在利用水性电介质时，在试图避免电解作用(工件的腐蚀和氢氧形成)时这种翻转空闲电压具有优点。
这个实例利用了也在部分脉冲期间自由选择极性方面的灵活性。与其它的部分脉冲相比，在脉冲结尾的部分脉冲(参见图27d)更高、更短并且极性相反。根据它与其它的部分脉冲(图27a-c)如何相关，这个通道的脉冲电容器22将在放电时几乎不失去任何能量，实际上它甚至可以获得能量，因为它控制这些脉冲的部分能量。换句话说，也可以从火花隙再次使能量返回到发生器中。
对于再生情况，方程式(1)需要如下展开U_end＝-U_chrg-2*U_gap*(2*tR/T-1) (5)这里tR(再生时间)表示翻转部分脉冲(图27d)对间隙电压U_gap降压(buck)的时间持续。换句话说，tR对应于在翻转部分脉冲(图27d)的开始和放电脉冲(27a)的零跨越的时间点之间的持续时间，T限定了翻转部分脉冲(图27d)的持续时间。
在tR＝0时我们再次得到上文引用的公知的方程式。在总体上tR＝0.5T时没有能量释放到火花隙中U_end＝-U_chrg(6)在tR＝T时来自火花隙的最大能量反射回到脉冲电容器22中
U_end＝-U_chrg-2*U_gap (7)在这些三个极值点，方程式(5)是精确的。对于tR的其它中间值，它们的有效性仍然可以通过一般微分方程式证实。但是为了确定电路的尺度，这三个极值完全足够。
过量的充电电压通过对应地选择到双极电流源(图7)的电流方向而减小到设置值，并且因此可以在电容器8、9中再生。对于“再生”模式，二极管12和13可以有利地由开关元件(例如MOSFET)替代，作为附加的利用，这些开关元件将导致在电感14和15中存储能量的效率提高。MOSFET型开关元件的正向损耗可以保持比二极管的正向损耗基本上小。此外，如图8所示的充电电路18至21可以配置成用于两个电流方向以便允许在两个方向上的能量流。
图28a-e概括示出放电脉冲的波形如何通过以正弦半波的形式的各个部分脉冲的持续时间、幅值和相移来任意调节。图28a所示为具有144°的持续时间和在0°开始的0.4的幅值的第一部分脉冲。图28b所示为具有144°的持续时间和延迟96°的0.7的幅值的第二部分脉冲，以及图28c所示为具有144°的持续时间和192°的延迟和1的幅值的第三脉冲。具有60°的持续时间、0.5的幅值和287°的延迟的在图28d中的第四部分脉冲具有较短的脉冲持续时间并通过谐波分析的原理来定制(tailor)。结果，图28e示出了其幅值随着持续时间线性增加(低的电极磨损)和具有陡的下降脉冲沿(高的材料去除速率)的专门的腐蚀脉冲。
显然，如上文所描述的用于脉冲整形的各种单个构思可以以任何所需的组合使用。虽然这增加了时序图的复杂性和发生器模块的所有开关元件和传感器的设置值，但是它们可以通过数值控制计算，而操作员不必干预其编程。
总之，在用于产生用于放电加工的放电脉冲的时间序列的发生器和方法的一个实施例中，用于产生放电脉冲的至少一个脉冲电容器以充电电压充电，然后放电到火花隙中。在它放电之后，脉冲电容器以与在它的放电之后的脉冲电容器中仍然存在的残余电压的极性相同的极性的充电电压进行再充电。然后脉冲电容器通过其极性独立于在它再充电之后在脉冲电容器上的充电电压的极性的放电脉冲放电到火花隙中。
在用于产生用于放电加工的通过脉冲间歇将彼此分离的放电脉冲的时间序列的发生器和方法的进一步的实施例中，至少两个脉冲电容器每个以用于一起形成放电脉冲的部分脉冲的形式放电到火花隙中。具有预定波形的放电脉冲从具有不同预定波形的多个放电脉冲中选择并控制两个脉冲电容器的放电以使所选择的放电脉冲以预定的波形产生。
在用于产生用于放电加工的具有预定点火电压的EDM脉冲的时间序列的发生器和方法的进一步的实施例中，AC电压根据通过双极电流源提供的DC电压来产生。AC电压施加到设置在双极电流源和火花隙之间的隔离变压器中。脉冲电容器通过双极电流源充电到对应于点火电压的充电电压。由隔离变压器提供的点火电压以所选择的极性切换到火花隙。
所描述的方法和脉冲发生器适合于所有的EDM加工。这些发生器可以通过简单的软件配置指令以整个配置变换为刻模发生器或者线切割发生器。选择EDM脉冲的极性纯粹电子地完成，因此可以在放电脉冲的期间改变，或者从一个脉冲到另一个脉冲不相同，由此给用户打开了新的技术视野。由于它们的减小的功率损耗和较高的输出频率，因此发生器模块可以小型化以允许它们被安装在机器中电极的直接附近。脉冲特性不再受到线缆系统的损害，此外由于以高电压进行DC传输，功率损耗现在非常小。这种新的原理允许现代自动化生产方法用于模块的批量生产，导致成本相当大的降低。这种表面安装技术(SMT)的生产方法基于以非接线表面安装器件(SMD)对印刷电路的自动化组装。
因此主要应用领域是用于以比其它公知构思更高的效率来产生用于EMD的所有类型的明确定义的脉冲。总之，上文所描述的EDM系统在更好和更快地满足用户要求方面具有较高的灵活性，同时简化了所有的功能的实施。模块生产、测试和维护与国际标准相兼容，从而需要较低的材料和生产成本，由此最大限度地将系统部件用于线切割和刻模两者，尽管有不同的要求。此外，可以将相同的模块用于高端和低端产品，并且可以将标准化的诊断装置用于日益复杂的功能的有利验证。
由于对EDM系统的更高生产率的日益增长的需求不断添加到脉冲发生器的功率要求中，上文所描述的系统在使脉冲产生中的损耗最小方面可停止这种趋势，在较好的环境兼容性方面它甚至进一步降低了空闲操作的损耗。此外，模块可以小型化到这样的程度，使得它们现在可以设置成最适合于满足它们的功能，因为发生器具有高效率的特征。线缆损耗和线缆系统成本现在可以被降低到绝对最小值。发生器原理可以在宽的功率范围上缩放，并且其配置现在可以配置成在没有显著的复杂度和花费的情况下，各种变型和修改对于任何应用都是可能的。
应该理解本发明的应用并不限于在上文所描述的实施例中阐述的或附图中示出的部件的设置和结构的细节。本发明能够包括其它的实施例或者在具有相同功能的类似机床中实施。此外，应该理解在此所使用的术语是用于描述的目的，不应该认为是限制性的。
在本说明书中所提及的所有出版物和已有的系统在此都以引用的方式并入在本说明书中。
虽然在此已经描述了根据本发明的教导构造的某些设备和产品，但是本专利覆盖的范围并不限于此。相反，本专利覆盖在字面上或者在等同原则下完全落在附加的权利要求的范围内的本发明的教导的所有实施例。因此，所寻求的保护在所附的权利要求书中阐述。
参考标号清单1 AC主电源输入2 电源柜3 线缆系统4 机器5 集线器6 标准数据链路7 标准DC电压线缆8 电容器9 电容器10 开关元件11 开关元件12 二极管13 二极管14 电感15 电感16 开关元件17 开关元件18 开关元件19 开关元件20 二极管21 二极管22 脉冲电容器23 二极管24 开关元件25 二极管26 开关元件27 隔离变压器
28 二极管29 开关元件30 开关元件31 二极管32 电感33 二极管34 开关元件35 二极管36 开关元件37 差分电容器38 运算放大器39 反馈电阻器40 电阻器41 电容器42 电阻器43 电容器44 运算放大器45 再生二极管46 再生二极管47 正脉冲电容器48 负脉冲电容器49 匹配电阻器50 匹配电阻器51 电流感测电阻器52 电流感测电阻器53 大脉冲电容器54 大脉冲电容器55 二极管
56 二极管57 二极管58 二极管59 开关元件60 开关元件61 滤波电容器62 滤波电容器63 瞬态保护二极管64 瞬态保护二极管。
权利要求
1.一种产生用于放电加工的具有预定点火电压的EDM脉冲的时间序列的方法，其中AC电压根据通过双极电流源(8-17)提供的DC电压产生，所述AC电压施加给设置在所述双极电流源(8-17)和火花隙(EL、WS)之间的隔离变压器(27)，至少一个第一脉冲电容器(47、48、61、62)通过所述双极电流源(8-17)充电到对应于点火电压的充电电压，并且通过所述隔离变压器(27)提供的所述点火电压以所选择的极性切换到所述火花隙(EL、WS)。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少两个第一脉冲电容器(47、48)通过所述双极电流源(8-17)各借助于第一充电电路(18、19)分别充电到正和负电压，并且所述两个第一脉冲电容器(47、48)通过AC电压发生器电路(24、26)交替切换到所述隔离变压器(27)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中分别施加到所述隔离变压器(27)的两个次级输出的正和负极性的点火电压借助于变极器电路(28-36)以所选择的极性切换到所述火花隙(EL、WS)。
4.如权利要求3所述的方法，其中能量从所述火花隙(EL、WS)通过与所述AC电压发生器电路(24、26)并联连接的二极管(23、25)返回到所述第一脉冲电容器(47、48)中。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述能量返回通过所述变极器电路(28-36)来启动和停止。
6.如权利要求3至5中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲之间的脉冲间歇期间，所述火花隙(EL、WS)通过电阻器(50)、所述变极器电路(28-36)和所述隔离变压器(27)来放电。
7.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在EDM脉冲期间，点火之后流动的放电电流通过经第二二极管(55、56)并联连接到所述第一脉冲电容器(47、48)的至少一个第二脉冲电容器(53、54)产生，该第二脉冲电容器(53、54)的电容高于所述第一脉冲电容器(47、48)的电容并且该第二脉冲电容器(53、54)通过在所述双极电流源(8-17)和所述第二脉冲电容器(53、54)之间的第二充电电路(59、60)来充电。
8.如权利要求7所述的方法，其中至少两个第二脉冲电容器(53、54)通过线性电流源(24、51、26、52)交替切换到所述隔离变压器(27)，并且放电电流的流动由此得到控制。
9.如权利要求8所述的方法，其中通过用于所述第二脉冲电容器(53、54)的所述第二充电电路(59、60)提供的所述充电电压选择为如此高，以致在放电时在所述线性电压源(24、51、26、52)上的电压降相对于所述充电电压小于50％，优选地小于20％。
10.如权利要求7至9中的任一权利要求所述的方法，其中所述第二脉冲电容器(53、54)被充电到在范围30V至50V内的充电电压。
11.如权利要求7至10中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲的持续时间内，在点火之后所述第二脉冲电容器(53、54)的充电电压被控制为使施加到所述火花隙(EL、WS)的电压减去所述充电电压的差等于特定的设置值。
12.如权利要求11所述的方法，其中该设置值在范围5V至25V内。
13.如权利要求1所述的方法，其中以通过所述隔离变压器(27)提供的所述点火电压对至少两个第一脉冲电容器(61、62)充电。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述两个第一脉冲电容器通过开关元件(18、21)和二极管电桥(28、31、33、35)对称地充电。
15.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中测量在所述第一脉冲电容器(47、48)上的所述充电电压，并且在所述测量的电压超过最大设置值时中止对所述第一脉冲电容器(47、48)的充电，以及在所述测量的电压低于所述最小设置值时再进行充电。
16.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲之间的所述脉冲间歇期间，将具有与所述点火电压的所述极性相反的极性的电压切换到所述火花隙(EL、WS)。
17.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲的持续时间内，在点火之前使所述点火电压的极性翻转一次或几次。
18.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲的持续时间内，在点火之后，所述点火电压与所述火花隙(EL、WS)分离，并且在所述EDM脉冲的剩余持续时间内通过至少一个放电电流发生器通道(CAP2-CAP4、INV2-INV4)产生所述放电电流。
19.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲的持续时间内，在点火之后控制所述点火电压以使特定的放电电流流入所述火花隙(EL、WS)。
20.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲的持续时间内，通过线性电流源(24、51、26、52)来控制点火之后所述点火电压的时间上的变化。
21.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中在所述EDM脉冲的持续时间内，通过线性电流源(24、51、26、52)来控制在点火之后到所述火花隙(EL、WS)中的所述放电电流的时间上的变化。
22.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中所述隔离变压器(27)的高频响应通过线性电流源(24、51、26、52)得到主动适应。
23.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中根据所述点火电压的极性来选择所述放电电流的极性。
24.如前述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中所述两个第一和/或第二脉冲电容器(47、48、53、54)以大约50％的占空比对称地交替切换到所述隔离变压器(27)，所述隔离变压器(27)的主电感和所述切换频率选择为使磁化电流保持为小。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述第一和/或所述第二脉冲电容器(47、48、53、54)通过线性电流源(24、51、26、52)放电到所述火花隙(EL、WS)中，在放电发生之后对所述脉冲电流的极性、持续时间和时间上的变化进行控制，以便能量从所述火花隙(EL、WS)恢复到所述脉冲电容器(47、48、53、54、61、62)中和/或主动适应于所述火花隙(EL、WS)的所述高频响应。
26.一种用于放电加工的产生具有预定点火电压的EDM脉冲的时间序列的发生器，包括提供具有两个极性的DC电压的双极电流源(8-17)；根据来自所述双极电流源(8-17)的所述DC电压产生AC电压的AC电压发生器电路(24、25)；在所述双极电流源(8-17)和所述火花隙(EL、WS)之间的隔离变压器(27)，所述AC电压从所述AC电压发生器电路(24、26)施加给该隔离变压器(27)的输入，并且该隔离变压器(27)的输出提供具有两个极性的所述点火电压；在所述双极电流源(8-17)和所述火花隙(EL、WS)之间的至少一个第一脉冲电容器(47、48、61、62)，其通过所述双极电流源(8-17)充电到对应于所述点火电压的充电电压；以及在所述隔离变压器(27)和所述火花隙(EL、WS)之间的开关装置(29、30、34、36)，其由控制器(FPGA)控制以将所述点火电压以所选择的极性切换到所述火花隙(EL、WS)。
27.如权利要求26所述的发生器，包括至少两个第一脉冲电容器(47、48)；以及在所述双极电流源(8-17)和所述两个第一脉冲电容器(47、48)之间的第一充电电路(18、19)，其由控制器(FPGA)控制以将所述两个第一脉冲电容器(47、48)分别充电到所述正和负极性，所述AC电压发生器电路(24、26)设置在所述两个第一脉冲电容器(47、48)和所述隔离变压器(27)之间并由控制器(FPGA)控制以将所述两个第一脉冲电容器(47、48)交替切换到所述隔离变压器(27)。
28.如权利要求26或27所述的发生器，其中所述开关装置(29、30、34、36)是变极器电路(28-36)，其连接到所述隔离变压器(27)的两个次级输出，并且由所述控制器(FPGA)控制以将施加给所述两个次级输出的正和负极性的所述点火电压以所述所选择的极性切换到所述火花隙(EL、WS)。
29.如权利要求28所述的发生器，包括与所述AC电压发生器电路(24、26)并联以便将来自火花隙(EL、WS)的能量返回到所述第一脉冲电容器(47、48)中的二极管(23、25)。
30.如权利要求29所述的发生器，其中所述控制器(FPGA)激励或去激励所述开关装置(29、30、34、36)以便能量返回。
31.如权利要求26至30中的任一权利要求所述的发生器，包括设置在所述火花隙(EL、WS)和所述开关装置(29、30、34、36)之间的电阻器(50)，控制器(FPGA)控制所述开关装置(29、30、34、36)以便所述火花隙(EL、WS)在脉冲间歇期间通过所述电阻器(50)放电到开关装置(29、30、34、36)和所述隔离变压器(27)中。
32.如权利要求26至31中的任一权利要求所述的发生器，包括至少一个第二脉冲电容器(53、54)，用于在点火之后产生在EDM脉冲期间流动的放电电流，具有比所述第二脉冲电容器(53、54)的电容高的电容；将所述第二脉冲电容器(53、54)连接到所述第一脉冲电容器(47、48)的至少一个第二二极管(55、56)；以及至少一个第二充电电路(59、60)，设置在所述双极电流源(8-17)和所述第二脉冲电容器(53、54)之间，并由控制器(FPGA)控制以对所述第二脉冲电容器(53、54)充电。
33.如权利要求32所述的发生器，包括在所述脉冲电容器(53、54)下游的至少两个线性电流源(24、51、26、52)，由控制器(FPGA)控制以设置特定的放电电流并将所述放电电流从所述两个脉冲电容器(53、54)交替切换到所述隔离变压器(27)。
34.如权利要求26至33中的任一权利要求所述的发生器，其中所述第一和/或所述第二充电电路(18、19、59、60)包括耦合到控制器(FPGA)的充电传感器(+SENS、-SENS)，其感测所述第一和所述第二脉冲电容器(47、48、53、54)的充电电压，所述控制器(FPGA)控制所述第一和第二充电电路(18、19)以便在所述感测的电压超过最大设置值时中止对所述第一和第二脉冲电容器(47、48)的充电，而在所述感测电压降到最小设置值时再进行充电。
35.如权利要求26至34中的任一权利要求所述的发生器，其中被动适应所述隔离变压器(27)的高频响应的匹配阻抗(49)提供在所述AC电压发生器(24、26)和所述隔离变压器(27)之间。
36.如权利要求35所述的发生器，其中放电传感器(DSC SENS)提供在所述匹配阻抗(49)和所述隔离变压器(27)之间。
37.如权利要求26至36中的任一权利要求所述的发生器，其中被动适应所述隔离变压器(27)的高频响应的匹配阻抗(32、50)提供在所述开关装置(29、30、34、36)和所述火花隙(EL、WS)之间。
38.如权利要求37所述的发生器，其中所述匹配阻抗(32、50)包括与其并联连接的电阻器(50)和电感(32)。
39.如权利要求37或38所述的发生器，其中感测所述放电电压的放电传感器(DSC SENS)提供在所述匹配阻抗(32、50)和所述火花隙(EL、WS)之间。
40.如权利要求36至39中的任一权利要求所述的发生器，其中在点火之后由所述控制器(FPGA)控制所述第二充电电路(59、60)以使通过所述放电传感器(DSC SENS)感测的所述放电电压减去通过所述充电传感器(+SENS、-SENS)感测的所述充电电压的差等于特定的设置值。
41.如权利要求26至40中的任一权利要求所述的发生器，包括在所述开关装置(30、34)上游的整流器电路(28、31、33、35)和对所述隔离变压器(27)所提供的电压进行滤波的滤波电容器(61、62)，由控制器(FPGA)控制所述开关装置(30、34)以将特定极性和持续时间的放电电流和/或点火电压切换到所述火花隙(EL、WS)。
42.如权利要求26至41中的任一权利要求所述的发生器，其中所述隔离变压器(27)设置在所述双极电流源(7-18)和所述第一脉冲电容器(61、62)之间。
43.如权利要求42所述的发生器，包括在所述隔离变压器(27)和所述第一脉冲电容器(61、62)之间的二极管电桥(28、31、33、35)和二极管(20、21)。
44.如权利要求26至43中的任一权利要求所述的发生器，包括在所述开关装置(30、34)的下游的匹配阻抗(32、50)，用于被动适应于所述火花隙(EL、WS)的高频响应。
45.如权利要求27至44中的任一权利要求所述的发生器，其中所述控制器(FPGA)控制所述AC电压发生器电路(24、26)以便以50％的占空比将所述两个第一脉冲电容器(47、48、53、54)交替切换到所述隔离变压器(27)，所述隔离变压器(27)的主电感和切换频率选择为使磁化电流保持为小。
46.如权利要求26至45中的任一权利要求所述的发生器，包括在所述第一脉冲电容器(47、48、53、54)和所述火花隙(EL、WS)之间的线性电流源(24、51、26、52)。
47.如权利要求46所述的发生器，其中控制器(FPGA)控制所述线性电流源(24、51、26、52)以对通过所述线性电流源(24、51、26、52)输出的点火电压进行整形，对通过所述线性电流源(24、51、26、52)输出的放电电流进行整形，使所述线性电流源(24、51、26、52)的阻抗主动适应于所述火花隙(EL、WS)的高频响应和/或主动适应于所述隔离变压器(27)的高频响应。
48.如权利要求26至47中的任一权利要求所述的发生器，其中控制器(FPGA)控制所述开关装置(29、30、34、36)以使在所述EDM脉冲的持续时间内，在点火之前，所述点火电压的极性翻转一次或多次。
49.如权利要求27至48中的任一权利要求所述的发生器，包括用于产生EDM脉冲的多个发生器通道，其中至少一个发生器通道配置为点火电压发生器通道并且至少一个发生器通道配置为放电电流发生器通道，并且中心控制器(FPGA)通过驱动器电路连接每个发生器通道的所有开关装置和传感器(+SENS、-SENS、DSC SENS)。
50.如权利要求26至49中的任一权利要求所述的发生器，其中所述第一脉冲电容器(47、48)具有范围100pF至100nF内的电容。
51.如权利要求30至50中的任一权利要求所述的发生器，其中所述第二脉冲电容器(53、54)具有范围1μF至1000μF内的电容。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生用于放电加工的具有预定点火电压的EDM脉冲的时间序列的方法和发生器。AC电压根据通过双极电流源(8－17)提供的DC电压产生。该AC电压施加给设置在双极电流源(8－17)和火花隙(EL，WS)之间的隔离变压器(27)。第一脉冲电容器(47、48、61、62)通过双极电流源(8－17)充电到对应于点火电压的电压。通过隔离变压器(27)提供的点火电压以所选择的极性切换到火花隙(EL、WS)。
文档编号B23H1/02GK1907618SQ200610104219
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者恩斯特·布勒, 弗兰克·贝松, 里诺·迪阿马里奥, 尼古拉·詹多梅尼科, 雷托·克纳克 申请人:阿奇公司, 夏米尔技术股份公司