CN102770225A - 放电加工机用电源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

具有：电容器(Cq)，其积蓄电荷；直流电源(V)，其对电容器(Cq)进行充电；第1开关元件(S1)，其将电容器(Cq)的积蓄电荷向电极间隙(G)施加而产生脉冲状的放电；以及控制部(10)，其基于电极间隙(G)的电压，控制第1开关元件(S1)的导通/非导通。控制部(10)通过在将第1开关元件(S1)控制为导通而将电容器(Cq)的积蓄电荷向电极间隙(G)施加后，对从电极间隙(G)的电压降低至小于或等于规定值的时刻开始至将第1开关元件(S1)控制为非导通为止的时间进行变更，从而控制在电极间隙(G)处产生的放电脉冲的大小。

Description

放电加工机用电源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种放电加工机用电源装置以及放电加工机用电源装置的控制方法。

背景技术

在放电加工机中，在为了提高加工能力而进行提高放电频率的控制的情况下，主要存在2个课题，其一为对积蓄作为放电能量的电荷的电容器进行充电的充电时间，另一个为在将积蓄于电容器中的电荷进行放电时被控制为接通的开关元件的发热量。

作为现有的放电加工机用电源装置，在下述专利文献1中公开了一个实施例，其为了解决上述课题中的前者的课题而并联地配置4个由电阻和电容器构成的串联电路，并且，对4个电容器进行错时充电，由此，实际上使电容器充电的时间延长4倍。另外，为了解决后者的课题，公开了一个实施例，其并联地连接4个开关元件，并且，将它们同时接通，由此，降低单个开关元件的发热量。

专利文献1：日本特开2003-205426号公报(图26及图29)

发明内容

但是，上述专利文献1示出的方法为单纯增加放电电路及充电电路的并联数量的方法，因此，产生下述课题，即，在增强加工能力时不可避免地增加电路规模。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种放电加工机用电源装置及其控制方法，其可以在增强加工能力时避免或抑制电路规模增加。

为了解决上述课题，实现目的，本发明的特征在于，具有：电荷积蓄元件，其积蓄电荷；直流电源，其对所述电荷积蓄元件进行充电；第1开关元件，其将积蓄在所述电荷积蓄元件中的电荷向电极间隙施加而产生脉冲状的放电；以及控制部，其具有检测部，该检测部对与所述电极间隙的电压或向该电极间隙施加的电压相对应地进行变化的电气参数进行检测，该控制部基于该检测部检测出的电气参数的检测值，控制所述第1开关元件的导通/非导通，所述控制部通过在将所述第1开关元件控制为导通而将积蓄在所述电荷积蓄元件中的电荷向电极间隙施加后，对从所述电气参数的检测值降低至小于或等于规定值的时刻开始至将所述第1开关元件控制为非导通为止的时间进行变更，从而控制所述电极间隙处产生的放电脉冲的大小。

发明的效果

根据本发明，实现可以在增强加工能力时避免或抑制电路规模增大的效果。

附图说明

图1是表示包含实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。

图2是表示产生极间电流较小的脉冲放电的情况下的时序图的一个例子的图。

图3是表示产生极间电流较大的脉冲放电的情况下的时序图的一个例子的图。

图4是表示产生混杂有极间电流较大的脉冲放电和较小的脉冲放电的组脉冲放电的情况下的时序图的一个例子的图。

图5是表示包含实施方式2所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。

图6是表示实施方式2的控制动作所涉及的时序图的一个例子的图。

图7是表示包含实施方式3所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。

图8是表示包含实施方式4所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。

图9是表示包含实施方式5所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。

标号的说明

10控制部

11电压检测部

12电压设定部

13电压比较部

14动作设定部

15开关控制部

16电流检测部

17电流设定部

18电流比较部

21变流器(CT)

Cp、Cs静电电容

Cq电容器

E电极

G电极间隙

Lp电感

Ls寄生电感

Rk分流电阻

Rp、Rs电阻

Rw加工液的电阻

S1第1开关元件

S2第2开关元件

V直流电源

W被加工物

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的放电加工机用电源装置及其控制方法。此外，本发明并不由下面示出的实施方式所限定。

实施方式1.

图1是表示包含实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置构成为具有直流电源V、电阻Rs、电容器Cq、第1开关元件S1、第2开关元件S2以及控制部10。

在图1中，被加工物W和电极E(在线电极放电加工机的情况下为线电极，在形雕放电加工机的情况下为成型电极)经由第1开关元件S1(在这里例示出FET)及电阻Rs与直流电源V连接。电容器Cq为电荷积蓄元件，与串联连接的电阻Rs及直流电源V的两端连接。第1开关元件S1的漏极端与电容器Cq的一端连接，源极端与第2开关元件S2(在这里例示出FET)的漏极端连接。第2开关元件S2的源极端与电容器Cq的另一端连接，其结果形成与直流电源V的负极端连接的电路结构。

在被加工物W及电极E的两端，在电路结构上，以并联连接的形态追加静电电容Cs和加工液的电阻Rw。以除了上述静电电容Cs及电阻Rw之外，进一步追加可以存在于直流电源V和电极E之间的电流路径上的寄生电感Ls的形态，形成电路。此外，寄生电感Ls是存在于放电加工机用电源装置内部的电感成分、或者是将放电加工机用电源装置与被加工物W以及电极E进行连接的导体部等所具有的电感成分。

另一方面，控制部10是进行第1开关元件S1及第2开关元件S2的开关控制的结构部，构成为具有电压检测部11、电压设定部12、电压比较部13、动作设定部14以及开关控制部15。电压检测部11对在被加工物W和电极E之间形成的电极间隙G处产生的电压(以下称为“极间电压”)进行检测。电压比较部13将由电压检测部11检测出的极间电压与来自电压设定部12的设定电压进行比较，生成表示极间电压是否高于设定电压的比较信号，并向开关控制部15输入。开关控制部15基于来自电压比较部13的比较信号和由动作设定部14设定的信号，生成用于将第1开关元件S1以及第2开关元件S2接通/断开的控制信号，并对第1开关元件S1以及第2开关元件S2进行控制。

下面，说明放电加工机用电源装置的动作。图2是表示产生极间电流较小的脉冲放电的情况下的时序图的一个例子的图。在图2中，开关控制部15将第1开关元件S1控制为ON。这样，积蓄在电容器Cq中的电荷向电极间隙G施加，极间电压上升。该极间电压由电压检测部11进行检测。在极间电压大于通过电压设定部12所设定的电压(以下称为“设定电压”)的情况下(该图(a))，由电压比较部13生成比较信号(该图(b))。在极间电压上升后，如果开始放电而极间电流开始流动，则极间电压下降(该图(a))。开关控制部15在从比较信号下降开始经过规定时间t1后，将第1开关元件S1控制为OFF(该图(c))。开关控制部15在将第1开关元件S1控制为OFF后，在预测为第1开关元件S1和第2开关元件S2不会同时为ON的定时下，将第2开关元件S2控制为ON(该图(d))。通过该控制，第2开关元件S2将被加工物W和电极E之间(极间)短路，对残留在极间的静电电容Cs中的电荷进行放电。此外，由于第1开关元件S1为OFF，所以残留在电容器Cq中的电荷保持不变。

通过上述控制，如图2(e)所示的极间电流流动。此外，该图(e)的虚线是表示预想为使用积蓄在电容器Cq中的全部电荷量进行放电时流过的电流大小的虚拟线，虚线和时间轴所包围的区域的面积相当于积蓄在电容器Cq中的全部电荷量。在图2的情况下，由于将在比较信号下降后第1开关元件S1被控制为OFF的规定时间t1设定得较短，所以可以将极间电流的大小限制为较小值。

另一方面，图3是表示产生极间电流较大的脉冲放电的情况下的时序图的一个例子的图。在图3中，控制上与图2的不同点在于，如图3(c)所示，将在比较信号下降后第1开关元件S1被控制为OFF的规定时间t2，与图2的情况(规定时间t1)相比设定得较长(t2＞t1)。积蓄在电容器Cq中的电荷，在第1开关元件S1为ON的期间按照由寄生电感Ls和静电电容Cs大致确定的时间常数，向电极间隙G供给。在图3的情况下，由于向电极间隙G供给的时间与图2的例子相比变长，所以极间电流的峰值变大，另外，流动时间也变长。此外，在图3的例子中，将第1开关元件S1控制为OFF的规定时间t2如该图(e)所示，设定在极间电流的峰值附近，但并不限定于极间电流的峰值附近。例如，将第1开关元件S1控制为OFF的规定时间t2也可以是超过极间电流的峰值的较长时间。

另外，图4是表示产生混杂有电荷量较大的脉冲放电和较小的脉冲放电的组脉冲放电的情况下的时序图的一个例子的图。在本例子中，如图4(e)所示，进行控制以在极间电流较大的电流脉冲(P1)之后继续产生极间电流较小的电流脉冲这样的组脉冲(P2)。

在放电加工机中，在以某一形状为目标进行加工的情况下，很少仅利用一次加工来完成作业，从称为粗加工的加工至用于使被加工物切断面的表面精度变得精细的精加工为止，通常需要进行多次加工。因此，在通常的放电加工机中，为了涵盖从使用较大能量的粗加工至利用较小能量进行的精加工，而切换电源设定，以可以与加工相对应地使放电脉冲的大小变化，或者具有多个电源电路，进行切换电源电路自身的控制。另外，为了兼顾高加工速度和精细的表面粗糙度，还在连续的脉冲放电中反复施加1个较大放电脉冲和多个较小放电脉冲。

在实施方式1的放电加工机中，也优选在具有上述与粗加工及精加工对应地控制放电脉冲大小的功能的同时，还具有可以在连续的脉冲放电中反复施加1个较大放电脉冲和多个较小放电脉冲的功能。在实施方式1的放电加工机中，利用控制部10的功能实现上述功能。

返回图4，该图(a)、(b)所示的动作与图2及图3相同。另一方面，在图4所示的例子中，首先，通过在从比较信号下降的时刻开始经过规定时间t3(第1规定时间)后，将第1开关元件S1控制为OFF，从而产生极间电流较大的放电脉冲(P1)。然后，在从将第1开关元件S1控制为OFF的时刻开始经过规定时间t4(第2规定时间)后，将第1开关元件S1控制为ON，并且，在从将第1开关元件S1控制为ON的时刻开始经过规定时间t5(第3规定时间)后，将第1开关元件S1控制为OFF，由此，产生极间电流较小的放电脉冲(P2)。此外，通过以规定次数反复进行OFF时间t4及ON时间t5的控制，从而产生此前的放电脉冲P2以及极间电流较小的脉冲组(P3)。

此外，在图4的例子中，在将第1开关元件S1控制为OFF的t4期间，将第2开关元件S2控制为ON(该图(d))，该控制是使残留在静电电容Cs中的电荷放电的控制。另外，在图4的例子中，进行重复OFF时间t4及ON时间t5的控制，它们的时间参数当然并不需要相同，也可以将组脉冲中的前后脉冲的脉宽进行变更。

如上所示，在实施方式1的放电加工机用电源装置及其控制方法中，控制部10通过在将第1开关元件S1控制为导通而将积蓄在电容器Cq中的电荷向电极间隙G施加后，对于从电压检测部11检测出的检测电压降低至小于或等于规定值的时刻开始至将第1开关元件S1控制为非导通为止的时间进行变更，从而控制在电极间隙G处产生的放电脉冲的大小，所以，无需变更放电加工机用电源装置的电路结构就可以增强加工能力。

另外，根据实施方式1的放电加工机用电源装置及其控制方法，由于可以对第1开关元件S1从成为导通至成为非导通为止的时间任意地进行控制，所以可以在避免或抑制电路规模增加的同时，生成电流值不同的多个放电脉冲。

另外，根据实施方式1的放电加工机用电源装置及其控制方法，通过对第1开关元件S1从成为导通至成为非导通为止的时间任意地进行控制，从而可以生成电流值不同的放电脉冲，因此，即使在被加工物W改变、环境改变而使得极间阻抗变化的情况下，也可以维持某一固定的加工条件。

此外，作为现有的放电加工机用电源装置所使用的开关元件，通常是以硅(Si)作为原料的开关元件(IGBT、MOSFET等)。另一方面，在上述实施方式1中所说明的技术并不限定为以硅作为原料而形成的开关元件。当然可以将替代上述硅而使用近年来受到关注的碳化硅(SiC)作为原料的开关元件，使用于放电加工机用电源装置中。

在这里，碳化硅具有可以在高温下使用的特征，所以，如果作为放电加工机用电源装置中所具有的开关元件而使用以碳化硅为原料的开关元件，则可以提高开关元件的允许动作温度，因此，可以可靠地避免发热量的问题。由此，可以在避免或抑制电路规模增加的同时，实现加工能力的增强。

另外，利用碳化硅形成的开关元件由于耐热性也较高，所以可以使开关元件上附带的散热器(heat sink)小型化，可以使装置进一步小型化。

此外，由于利用碳化硅形成的开关元件的功率损耗较低，可以使开关元件高效化，从而可以使装置高效化。

此外，碳化硅(SiC)是根据与硅(Si)相比带隙较大这一特性而被称为宽带隙半导体的半导体的一个例子。除了该碳化硅之外，使用例如氮化镓类材料以及金刚石而形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性很多与碳化硅类似。由此，使用除碳化硅之外的其它宽带隙半导体的结构也构成本发明的主旨。

实施方式2.

图5是表示包含实施方式2所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。在图5中，与图1的不同点在于，在被加工物W及电极E的两端添加有由于其它电路或机械上的构造而产生的杂散的静电电容Cp、电阻Rp以及电感Lp，另一方面省略第2开关元件S2，特别地，在形雕放电加工机的情况下，可以形成图5的电路结构。另外，除了形雕放电加工机之外，在存在由于其它电路或机械上的构造而产生的杂散的电阻成分、且其电阻值为可以进行后述放电动作程度的大小的情况下，可以省略第2开关元件S2。

在图5中，杂散的电阻Rp与加工液的电阻Rw相比较小。因此，在不产生放电的情况下、或者即使产生放电也仅进行极间电流较小的放电的情况下，由于积蓄在静电电容Cs、Cp中的电荷通过电阻Rp放电，所以可以使残留在电极间隙G处的电荷消失。

图6是表示实施方式2的控制动作所涉及的时序图的一个例子的图。在图6中，与图4的不同点仅在于，不存在与第2开关元件相关的控制，其它动作与图4相同。因此，在实施方式2的放电加工机用电源装置及其控制方法中，也可以得到与实施方式1相同或等同的效果。

实施方式3.

图7是表示包含实施方式3所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。在图7中，与图1的不同点仅在于，将电压检测部11的检测位置从极间(被加工物W和电极E之间)变更为电容器Cq的两端。

电容器Cq的电压是直接表示电容器Cq所积蓄的电荷量的电气参数，并且，与放电相伴的电容器Cq的电压变化具有与电极间隙G的电压变化相同的举动。因此，在实施方式3的放电加工机用电源装置及其控制方法中，也可以得到与实施方式1、2相同或等同的效果。

实施方式4.

图8是表示包含实施方式4所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。在实施方式1中，控制部10的检测对象为电极间隙G的电压，但在实施方式4中，其不同点在于，控制部10的检测对象为流过电极间隙G的电流。因此，在实施方式4中，在控制部10中，替代电压检测部11而具有电流检测部16，替代电压设定部12而具有电流设定部17，替代电压比较部13而具有电流比较部18，并且，在第1开关元件S1和电极间隙G之间的电流路径上设置有电流检测用的分流电阻Rk。此外，其它结构与图1相同或等同，在相同位置处标注相同标号而进行表示。

下面，说明放电加工机用电源装置的动作。电流检测部16将为了加工而流过电极间隙G的电流(以下称为“加工电流”)作为在分流电阻Rk的两端产生的电压进行检测。电流比较部18将电流检测部16检测出的加工电流和来自电流设定部17的设定电流进行比较，生成表示加工电流是否高于设定电流的比较信号，并向开关控制部15输入。开关控制部15基于来自电流比较部18的比较信号和利用动作设定部14设定的信号，生成将第1开关元件S1以及第2开关元件S2接通/断开的控制信号，控制第1开关元件S1以及第2开关元件S2。此外，其后的动作与实施方式1相同或等同。

极间电流是直接表示放电能量的电气参数，并且与放电相伴的加工电流的变化具有与电极间隙G的电压变化相同的举动。因此，在实施方式4的放电加工机用电源装置及其控制方法中，也可以得到与实施方式1至3相同或等同的效果。

实施方式5.

图9是表示包含实施方式5所涉及的放电加工机用电源装置在内的放电加工机的一个构成例的图。在图9中，与图8的不同点仅在于，将加工电流的检测单元从分流电阻Rk变更为变流器(CT)21。因此，在实施方式5的放电加工机用电源装置及其控制方法中，也可以得到与实施方式1至4相同或等同的效果。

此外，由于在使用变流器21的情况下，不需要插入分流电阻Rk，所以不产生由分流电阻Rk产生的损耗，与此相对应，与实施方式4的放电加工机用电源装置相比，可以降低装置的消耗功率。

以上，针对实施方式1至5所涉及的放电加工机用电源装置及其控制方法进行了说明，但上述结构仅为本发明的结构的一个例子，当然可以与其它公知技术进行组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内，进行省略一部分等的变更而构成。

工业实用性

如上所示，本实施方式所涉及的放电加工机用电源装置及放电加工机用电源装置的控制方法，作为可以在避免或抑制电路规模增大的同时增强加工能力的发明而起作用。

Claims (13)

1.一种放电加工机用电源装置，其特征在于，

具有：电荷积蓄元件，其积蓄电荷；

直流电源，其对所述电荷积蓄元件进行充电；

第1开关元件，其将积蓄在所述电荷积蓄元件中的电荷向电极间隙施加而产生脉冲状的放电；以及

控制部，其具有检测部，该检测部对与所述电极间隙的电压或向该电极间隙施加的电压相对应地进行变化的电气参数进行检测，该控制部基于该检测部检测出的电气参数的检测值，控制所述第1开关元件的导通/非导通，

所述控制部通过在将所述第1开关元件控制为导通而将积蓄在所述电荷积蓄元件中的电荷向电极间隙施加后，对从所述电气参数的检测值降低至小于或等于规定值的时刻开始至将所述第1开关元件控制为非导通为止的时间进行变更，从而控制所述电极间隙处产生的放电脉冲的大小。

2.根据权利要求1所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述控制部通过在从所述电气参数的检测值降低至小于或等于规定值的时刻开始经过第1规定时间后，将所述第1开关元件控制为非导通，从而使所述电极间隙处产生第1放电脉冲，此外，通过在从将所述第1开关元件控制为非导通的时刻开始经过第2规定时间后，将所述第1开关元件控制为导通，并且在从将所述第1开关元件控制为导通的时刻开始经过与所述第1规定时间相比较短的第3规定时间后，将所述第1开关元件控制为非导通，从而使所述电极间隙处产生与所述第1放电脉冲相比较小的第2放电脉冲。

3.根据权利要求2所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述第2放电脉冲由多个放电脉冲组成。

4.根据权利要求1所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

还具有第2开关元件，其构成为，与所述电极间隙并联连接，可以将所述电极间隙短路，

所述控制部在所述第1开关元件的非导通期间，对所述第2开关元件进行控制而将积蓄在所述电极间隙处的电荷放电。

5.根据权利要求1所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述第1开关元件由宽带隙半导体形成。

6.根据权利要求5所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述宽带隙半导体为使用碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石而形成的半导体。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

对所述电气参数进行检测的检测部为电压检测部，所述电压检测部对所述电极间隙的电压进行检测。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

对所述电气参数进行检测的检测部为电压检测部，所述电压检测部对所述电荷积蓄元件的电压进行检测。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

对所述电气参数进行检测的检测部为电流检测部，所述电流检测部对流过所述电极间隙的电流进行检测。

10.一种放电加工机用电源装置的控制方法，该放电加工机用电源装置具有：电荷积蓄元件，其积蓄电荷；直流电源，其对所述电荷积蓄元件进行充电；第1开关元件，其将积蓄在所述电荷积蓄元件中的电荷向电极间隙施加而产生脉冲状的放电；以及检测部，其对与所述电极间隙的电压或向该电极间隙施加的电压相对应地进行变化的电气参数进行检测，

该放电加工机用电源装置的控制方法的特征在于，包含下述步骤：

第1步骤，在该步骤中，将所述第1开关元件控制为导通而将积蓄在所述电荷积蓄元件中的电荷向电极间隙施加；以及

第2步骤，在该步骤中，在所述第1步骤的控制之后，通过对从所述电气参数的检测值降低至小于或等于规定值的时刻开始至将所述第1开关元件控制为非导通为止的时间进行变更，从而控制在所述电极间隙处产生的放电脉冲的大小。

11.根据权利要求10所述的放电加工机用电源装置的控制方法，其特征在于，

在所述放电加工机用电源装置中设置有第2开关元件，其构成为，与所述电极间隙并联连接，可以将所述电极间隙短路，

该放电加工机用电源装置的控制方法还包含第3步骤，在该步骤中，在所述第2步骤后的所述第1开关元件的非导通期间，对所述第2开关元件进行控制而将积蓄在所述电极间隙处的电荷放电。

12.根据权利要求10所述的放电加工机用电源装置的控制方法，其特征在于，

所述第2步骤包含下述子步骤：

第1子步骤，在该子步骤中，在从所述电气参数的检测值降低至小于或等于规定值的时刻开始经过第1规定时间后，将所述第1开关元件控制为非导通；

第2子步骤，在该子步骤中，在从由所述第1子步骤将所述第1开关元件控制为非导通的时刻开始经过第2规定时间后，将所述第1开关元件控制为导通；以及

第3子步骤，在该子步骤中，在从由所述第2子步骤将所述第1开关元件控制为导通的时刻开始经过与所述第1规定时间相比较短的第3规定时间后，将所述第1开关元件控制为非导通。

13.根据权利要求12所述的放电加工机用电源装置的控制方法，其特征在于，

在所述放电加工机用电源装置中设置有第2开关元件，其构成为，与所述电极间隙并联连接，可以将所述电极间隙短路，

该放电加工机用电源装置的控制方法还包含下述子步骤，即，在所述第1子步骤后的所述第1开关元件的非导通期间、和所述第3子步骤后的所述第1开关元件的非导通期间中的至少一个期间，对所述第2开关元件进行控制而将积蓄在所述电极间隙处的电荷放电。

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