Генератор технологического тока (гтт)

Генератор обеспечивает пробой эрозионного промежутка и протекание тока через зазор, благодаря чему, собственно, и происходит резание. Для эффективного разрушения материала заготовки необходимо создать очень большую мгновенную мощность, при этом средняя энергия, выделяемая в зазоре за единицу времени и примерно пропорциональная скорости резания, должна быть ограничена из-за возможного обрыва проволоки, поэтому ток имеет вид последовательности коротких импульсов. Чем больше пиковая величина импульса тока и меньше его длительность (при той же энергии), тем лучше. При пробое параметры зазора резко меняются: сравнительно высокое электрическое сопротивления после образования плазменного канала снижается до сотых долей ома, так что напряжение на зазоре резко падает, и в этом случае генератор работает фактически при коротком замыкании. После пробоя необходимо время на восстановление свойств среды, иначе могут произойти повторные пробои в том же месте, что чревато разрушением проволоки; этот фактор ограничивает рабочую частоту. Для того, чтобы снизить вероятность такого события, пауза должна быть не менее нескольких микросекунд, длительность фронта импульса напряжения до пробоя также должна быть не очень мала (порядка микросекунды), продукты эрозии должны удаляться как можно быстрее, обновление проволоки, т.е. скорость перемотки – достаточно высока.

Разрушение проволоки может произойти из-за недостаточной прочности, которая при прохождении проволоки через зазор снижается за счет нагрева (температура проволоки в зазоре может достигать сотен градусов при толстых заготовках) и по причине уменьшения поперечного сечения вследствие эрозии – так называемый термический обрыв; в этом случае помогает улучшение промыва и скорости перемотки. Другой механизм обрыва связан с неоднородностями зазора – образованием короткозамыкающих мостиков; при этом в небольшом объеме выделяется энергия, достаточная для быстрого разрушения проволоки за несколько импульсов тока. Вероятность возникновения коротких замыканий тем выше, чем уже и загрязненнее зазор, так что улучшение промыва здесь тоже помогает, но главным способом борьбы с такими обрывами является резкое снижение мощности генератора при обнаружении состояния короткого замыкания или близкого к нему. Сложность состоит в том, что такое состояние должно выделяться не в среднем, а буквально при каждом импульсе, реакция тоже должна быть немедленной: обычно энергия данного импульса уменьшается в несколько раз, чтобы разрушить мостик, но не пережечь проволоку. Для уменьшения разрушения проволоки мощный импульс тока желательно подавать не сразу, а с задержкой в несколько десятых долей микросекунды после пробоя, а до этого ограничить протекающий ток величиной в единицы ампер; за это время плазменный канал расширится и будет способен пропустить импульс в сотни ампер при допустимой для проволоки плотности тока.

Для поддержания стабильных параметров зазора импульсы напряжения до пробоя должны иметь постоянную амплитуду, при этом желательно, чтобы постоянная составляющая напряжения на зазоре отсутствовала для предотвращения электролиза. Для этого длительность импульсов напряжения ограничивается: она должна быть меньше, чем пауза, пробой при этом может вообще не произойти. Очевидно, что при прочих равных условиях пробой происходит тем чаще и раньше, чем уже зазор. Измеренная тем или иным способом доля холостого хода наряду со средним напряжением на зазоре служит мерой его ширины и используется для автоматического выбора скорости подачи при резании. Стабильное резание, особенно на первом проходе при изменяющихся параметрах, без обратной связи о состоянии зазора практически невозможно.

Электрическая энергия подводится к зазору через систему специальных кабелей, обладающую некоторой индуктивностью, емкостью и активным сопротивлением. Крутизна фронта импульса тока прямо пропорциональна напряжению на индуктивности (т.е. разности выходного напряжения и напряжения на зазоре) и обратно пропорциональна индуктивности, поэтому для получения узких импульсов большой амплитуды необходимо уменьшать индуктивность и повышать напряжение, а также снижать активные потери, т.е. сопротивление кабеля. Лучшей конструкцией является максимально короткий пучок коаксиальных кабелей, у которых центральная жила и оплетка свиты или сплетены из очень тонких проводников высокой электропроводности и равны в сечении, а изоляция тонкая; параллельный пучок лучше, чем одиночный кабель по причине большей гибкости. Такие пучки должны подключаться как к верхнему, так и к нижнему токоподводам. Черезмерное увеличение общего сечения кабелей нецелесообразно не только потому, что не дает эффекта пропорционально затратам, но и потому, что увеличивает выходную емкость генератора. Эта емкость, заряжаемая до напряжения пробоя, ограничивает минимальную энергию импульса, т.е.достижимую шероховатость поверхности. Радикальный метод устранения этого недостатка – применение для последних проходов подчистки отдельного малоемкостного кабеля небольшого сечения и электрическое отделение каким-либо способом силовой части генератора и кабельной системы, например, посредством коммутации; это не так просто, т.к. коммутатор должен пропускать в замкнутом состоянии полный импульсный рабочий ток. Возможен другой путь: поскольку обычно используется ток одной полярности, элементами, изолирующими силовую часть генератора и кабельной системы от маломощной части, используемой при подчистке, могут быть диоды; с этой точки зрения чем они ближе расположены к токоподводам, тем лучше, но это конструктивно сложнее: удобнее всего, очевидно, когда все электронные компоненты находятся в одном специальном шкафу.

Надо заметить, что при фиксированных концах кабеля (на столе заготовки и камере) невозможно создать полностью коаксиальную конструкцию, и отрезки одиночного провода тем длиннее, чем больше рабочее поле станка. Это означает, что большая часть индуктивности подвода сосредоточена в ванне в одиночных проводах, магнитное поле которых не компенсируется полем второго проводника; обычная величина индуктивности составляет 0.5..1.5 мкГн. Как правило, собственно коаксиальные кабели подводятся к камерам: центральная жила – к токоподводу, оплетка скрепляется с одиночным проводом (или пучком параллельных проводов) и фиксируется на изоляторе, а второй конец провода крепится к столу заготовки. В старых станках SODICK делалось наоборот: кабель подводился к столу, а потом провод от центральной жилы шел на камеру. Такой вариант менее предпочтителен, т.к. здесь провода в ванне находятся под высоким напряжением относительно заготовки и должны быть лучше изолированы; кроме того, для подвода кабеля к камерам, особенно к нижней, можно воспользоваться внутренним пространством кронштейна и сделать кабель более защищенным и менее заметным. Важным аргументом является и то, что в большинстве случаев нижняя камера, а не ванна неподвижна относительно корпуса станка.

Чтобы удовлетворять изложенным выше требованиям, современный ГТТ разделен на ряд секций – поджигающих и силовых; поджигающие выдают на зазор импульсы напряжения трапецеидальной формы с заданными параметрами и поддерживают небольшой заданный ток после пробоя до подключения силовых секций, а силовые работают только после пробоя и выдают на низкоомную нагрузку токовые импульсы заданной амплитуды и длительности, формирование которых зависит от состояния зазора в данный момент. Для силовых секций очень важен коэффициент полезного действия (КПД), для поджигающих и маломощных, используемых при подчистке – стабильность параметров, поэтому они зачастую строятся совершенно по-разному.

В первых образцах отечественных станков в качестве формирователя импульсов использовались мощные тиратроны (R-C генераторы были в доэлектронную эпоху и могли работать только в керосине как очень высокоомной среде); с помощью мощного понижающего трансформатора на выходе они могли генерировать импульсы тока в сотни ампер при длительностях менее 2 мксек, что неплохо и по современным понятиям, но имели низкую частоту и плохой КПД, не было специальных импульсов поджига. С созданием мощных высоковольтных транзисторов появилось целое поколение генераторов на основе ключей с резистивным балластом, каждый из которых создавал ток 5..10 А, коммутируя напряжение питания через балласт на зазор, т.е. несколько десятков таких ключей давали требуемую амплитуду тока. Достоинством таких генераторов является большая гибкость, позволяющая за счет управления создавать импульсные токи в широчайшем диапазоне длительностей (от десятой доли до десятков микросекунд), амплитуд и даже формы, а также высокая надежность, поскольку для каждого транзисторного ключа при любом состоянии нагрузки максимальное напряжение и ток жестко ограничены. Станки с такими генераторами, а также их модификациями, где для увеличения импульсного тока параллельно зазору подключались конденсаторы, достигли весьма высоких показателей: скорость резания свыше 120 мм*мм/мин, а чистота поверхности – на уровне современных станков; здесь нет ничего удивительного, т.к. ключи с резистивным балластом и сейчас широко применяются для поджига (пробоя) и при подчистке. Основные недостатки такой схемы – плохой КПД и большие габариты, т.к. безиндуктивные резисторы мощностью порядка сотни ватт весьма громоздки. КПД фактически равен отношению падения напряжения на зазоре (порядка 30 В) к напряжению питания (для AGIE-100/200 это 300 В!); последнее нельзя существенно уменьшить, т.к. уменьшится крутизна фронта тока, импульсы будут треугольными и с меньшей амплитудой.

В последнее десятилетие большое распространение получили конструкции силовых каскадов, где через транзисторный ключ к зазору подключается предварительно заряженный конденсатор. При этом форма импульса тока практически совпадает с полуволной синуса, т.к. образуется колебательная система, индуктивность которой определяется цепью подвода, а емкость равна сумме емкостей конденсаторов, подключенных в данном периоде к зазору. Таким образом, длительность и амплитуда импульса тока пропорциональна квадратному корню из числа одновременно работающих секций, а амплитуда, кроме того, тем больше, чем больше напряжение на конденсаторах. За счет энергии, накопленной в индуктивности подвода, по окончании импульса тока конденсаторы оказываются заряженными в противоположной полярности, но напряжение меньше первоначального, т.к. часть энергии расходуется в зазоре. С помощью специальных цепей, содержащих дроссели с последовательно включенными диодами, выполняется перезаряд конденсаторов с добавлением энергии от источника питания, в результате чего в конце цикла полярность восстанавливается, а напряжение увеличивается. Накопление и преобразование энергии в реактивных L‑C цепях не сопровождается потерями в отличие от резистивных схем, потери возникают лишь из-за неидеальности элементов, поэтому достижимый КПД выше, а требуемая мощность источника питания – меньше.

В станках SODICK применяется еще одна разновидность безрезистивных силовых каскадов: прямая коммутация на зазор напряжения питания; роль балласта, но реактивного, здесь выполняет цепь подвода. Ток имеет приблизительно треугольную форму, амплитуда определяется длительностью включенного состояния. При внешней простоте и привлекательности такой схемы ее реализация сопряжена с рядом проблем, основной из которых является необходимость специальных цепей с большими импульсными токами, ограничивающих выброс напряжения, возникающий при размыкании ключа за счет энергии, накопленной в индуктивности эрозионных кабелей. В L-C секциях эта функция реализуется с помощью того же накопительного конденсатора, хотя применение схем, ограничивающих напряжение заряженных конденсаторов, зачастую тоже необходимо. В старых генераторах SODICK энергия выбросов накапливалась в конденсаторах и с помощью транзисторных ключей рассеивалась на специальных резистивных элементах, так что КПД был тоже плохим, но в новых модификациях осуществляется рекуперация, т.е. возврат энергии в источник питания. Недостатком является также сильная зависимость амплитуды от параметров цепи подвода, даже от взаимного расположения заготовки и проводов; это делает генератор весьма уязвимым и менее надежным, особенно если учесть, что в данной схеме транзисторы работают в самом тяжелом режиме: запирание с последующим выбросом напряжения до максимального происходит в момент протекания максимального тока, в то время как ток перезаряда конденсатора – основная часть нагрузки транзистора в L-C секциях – к моменту запирания коммутирующего транзистора спадает до нуля.

В первых L-C генераторах AGIE типа HSS ограничение напряжения на конденсаторах (а значит и пикового тока эрозии) и рекуперация выполнялись во время цикла восстановления полярности с помощью трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через диод к источнику питания. В современном усовершенствованном генераторе ограничителем является диод с накопительными конденсаторами, напряжение на которых поддерживается импульсным стабилизатором, построенным обычным образом, но перекачивающим энергию не от источника питания к нагрузке, а в противоположном направлении, регулируя входное напряжение. Несмотря на то, что здесь нет жесткой связи напряжения питания и уровня ограничения через коэффициент трансформации, напряжение на конденсаторах нельзя регулировать в широких пределах без изменения напряжения питания для задания пикового тока при постоянной длительности импульса. Необходимость регулирования напряжения питания при мощности в несколько киловатт – теневая сторона применяемой схемы; возможен ряд других решений, использующих накопление энергии в конденсаторах с безрезистивными зарядными цепями, каждому из которых присущи свои достоинства и недостатки.

Кроме формирователей импульсов напряжения и тока в состав ГТТ входит задающая и измерительная часть, схемы выделения состояний пробоя («поджига») и короткого замыкания. Измерительная часть кроме определения различных параметров генератора (пиковые и средние напряжения и токи зазора, ток потребления и т.п. формирует сигналы и выделяет состояния наличия или отсутствия контакта с проволокой для проведения контактных измерений с целью определения координат кромки, центров отверстий, угла разворота заготовки относительно координатных осей и др., которые используются для базирования.