CN1265926C - 放电加工装置 - Google Patents

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Abstract

放电加工装置利用电力供给手段(13)对设置于加工液(3)中的电极(1)与工件(2)的极间供给加工电力，利用定位手段使电极(1)及工件(2)相对移动并进行加工，同时进行跳变动作，所述装置具备：检测加工反作用力的加工反作用力检测手段(20、21、22)，设定加工反作用力的规定值的加工反作用力规定值设定手段(23)，将加工反作用力检测手段(20、21、22)检测出的加反作用力检测值与加工反作用力规定值设定手段(23)设定的加工反作用力规定值作比较的加工反作用力比较手段(24)，以及利用比较手段进行比较发现所述检测值大于所述规定值时为减小加工反作用力而进行所述跳变动作的轨迹变更的动作轨迹变更手段。能防止主轴驱动零件等的损伤及加工精度的下降，并可提高加工生产率。

Description

放电加工装置
技术领域
本发明涉及加工液中使电极与工件的极间发生放电来加工工件的放电加工装置的改进，具体地说，涉及利用所述极间距离的变化可将发生的加工反作用力抑制在规定值之下的放电加工装置的改进。
背景技术
图4为现有的放电加工装置的构成图，图中，1为电极，2为工件，3为加工液，4为加工槽，5为电极支持夹具，6为固定工件2用的固定盘，7和8为使电极1与工件2在XY平面内相对移动用的X轴和Y轴，9为使电极1与工件2在Z方向上相对移动用的主轴即Z轴，10、11和12为对驱动X轴、Y轴及Z轴的未图示的伺服电动机进行取得控制的X轴伺服放大器、Y轴伺服放大器、及Z轴伺服放大器，13为加工电力供给手段，14为NC装置。
加工槽4内注满加工液3，通过加工电力供给手段13向电极1与工件2的极间供给作为放电能量的加工电力，利用作为定位手段的X轴、Y轴及Z轴等使电极1与工件2相对移动，利用在所述极间发生的放电进行工件2的加工。
由NC装置14总管所述定位手段对电极1与工件2的相对位置定位控制以及电气加工条件的控制等。
放电加工装置中，除放电加工中的电极1与工件2的极间距离的控制(加工伺服)之外，还需要除去加工中产生的加工屑使其不滞留在极间的清除手段。作为这种手段的一种，采用每隔一定时间中断加工，并使电极1相对于工件2作高速往复运动的所谓跳变(jump)动作。通过这种跳变动作产生的抽吸作用，可从极间排除加工屑，维持稳定的放电加工。
放电加工装置由于在作为粘性流体的加工液中实行加工过程，因此一旦极间距离有变化，就由于加工液的粘性引起流体力。该加工反作用力F的大小用下次(斯蒂芬公式)表示。
F＝(3·v·V·S2)/(2·π·G3)                            ……(1)
式中，v为加工液的粘性系数，V为电极与工件的相对移动速度，S为电极面积，G为极间距离。
从式(1)可知，在电极面积S大，跳变动作等产生的电极与工件的相对速度V大的情况下，以及极间距离G小的情况下，将发生特别强的加工反作用力F。
图5为用油压伺服放电加工装置测定的电极与工件的极间距离G变化时发生的加工反作用力F的曲线，表示出电极面积S为9.6cm2，电极与工件的相对移动速度V为4mm/s的情况。在极间距离G为7μm左右的加工条件下，发生的加工反作用力F的大小约440N(约45kgf，加工应力约46N/cm2(约4.7kgf/cm2))。这时的电极与工件的相对移动速度V因为是油压伺服系统，为4mm/s，比例如线性电动机伺服系统小2的数量级，尽管如此，产生约440N的加工反作用力(约46N/cm2的加工应力)。
如果用图5的结果，可根据式(1)的关系计算电极与工件的相对移动速度V和电极面积S有变化时发生的加工反作用力F的大小。图6(a)表示电极面积S为9.6cm2，电极与工件的相对移动速度V为400mm/s时发生的加工反作用力F的大小的曲线。这是线性电动机伺服系统能实现的电极与工件的相对移动速度。图6(b)表示电极面积S为100cm2、电极与工件的相对移动速度V为4mm/s时发生的加工反作用力F的大小的曲线。不论是图6(a)还是图6(b)的情况下，都能够见到所发生的加工反作用力F的大小最大增大到44000N(4500kgf)左右。
在这样的加工液中进行放电的放电加工装置中，如利用跳变动作来改变极间距离则必然发生加工反作用力，由于这种强的加工反作用力反复作用于极间，因而NC装置内的保护电路起作用，使加工中途停止，最坏情况下电极或主轴驱动零件发生损坏。又由于与加工反作用力成正比地，支持电极的主轴部整体变形也大，故使工件的最终加工精度恶化。特别是使用面积大的电极的情况下，跳变动作速度快的情况下以及在维持狭窄的极间距离的精加工等情况下，由于加工反作用力变大，所以必须在加工条件设定时预先讲究抑制主轴的跳变动作时的速度等对策。
例如，日本特开平7-124821号公报中披露了放电加工装置的主轴负荷减轻装置，该装置将跳变动作的一工序中的电动机转矩峰值的检测值与规定的基准值加以比较，根据该比较结果，用预先存储的校正数据决定下一跳变动作的加减速度。
现有技术是这样以根据斯蒂芬公式(1)的关系减小电极与工件的相对移动速度V来抑制加工反作用力F的考虑为依据的，使V减小增大了对加工无贡献的无用时间、即跳变时间的比率，从而有增加总加工时间，降低加工生产率的问题。
此外还存在这样的问题，即跳变动作时的加工反作用力引起放电加工装置的振动，该振动降低了加工精度，还增加了加工时间，降低加工生产率。
发明内容
本发明为解决上述问题而作，其目的在于能使加工反作用力大致为规定值以下同时能减少跳变动作时间，从而可得到能防止主轴驱动零件等受损伤以及加工精度下降，并能提高加工生产率的放电加工装置。
此外，其目的还在于能抑制伴随跳变动作发生的振动，从而可得到能防止加工精度下降，并能提高加工产生率的放电加工装置。
本发明的放电加工装置，利用加工电力供给手段对设置于加工液中的电极与工件的极间供给加工电力，利用定位手段使所述电极及工件相对移动以加工所述工件，同时利用所述定位手段进行使所述电极相对于所述工件暂时增大所述极间距离地相对移动的跳变动作，其特征在于，具备：检测加工反作用力的加工反作用力检测手段，设定加工反作用力的规定值的加工反作用力规定值设定手段、将所述加工反作用力检测手段检测出的加工反作用力检测值与所述加工反作用力规定值设定手段设定的加工反作用力规定值作比较的加工反作用力比较手段、以及根据所述加工反作用力比较手段的比较在所述加工反作用力检测值大于所述加工反作用力规定值时，变更所述跳变动作的轨迹以减低所述加工反作用力的动作轨迹变更手段。
又，本发明的放电加工装置，所述动作轨迹变更手段进行所述跳变动作的轨迹变更，使得在向增大所述极间的方向的动作中，根据所述加工反作用力比较手段的比较，在所述加工反作用力检测值大于所述加工反作用力规定值时，使所述电极与工件的相对移动速度V为大致一定地进行动作；在向减少所述极间的方向的动作中，根据所述加工反作用力比较手段的比较，在所述加工反作用力检测值大于所述加工反作用力规定值时，变更所述跳变动作的轨迹，以降低所述相对移动速度V的绝对值到小于设定速度Vs＝k·Vmax(0＜k＜1，Vmax为可能达到的最大速度，Vmax＝(f·2·π·G3)/(3·v·S2)，f为所述加工反作用力规定值，G为所述极间距离，v为所述加工液的粘性系数，S为所述电极面积)。
又，本发明的放电加工装置，利用加工电力供给手段对设置于加工液中的电极与工件的极间提供加工电力，利用定位手段使所述电极及工件相对移动以加工所述工件，同时利用所述定位手段进行使所述电极相对于所述工件暂时增大极间距离地相对移动的跳变动作，其特征在于，具备：检测放电加工装置主体的变形量的变形量检测手段、设定放电加工装置主体的变形量的规定值的变形量规定值设定手段、将所述变形量检测手段检测出的变形量的检测值与所述变形量规定值设定手段设定的变形量的规定值作比较的变形量比较手段、以及根据所述变形量比较手段的比较，在所述变形量的检测值大于所述变形量的规定值时，进行所述跳变动作的轨迹变更，以减小所述变形量的动作轨迹变更手段。
又，本发明的放电加工装置，利用加工电力供给手段对设置于加工液中的电极与工件的极间供给加工电力，利用定位手段使电极与工件相对移动以加工所述工件，同时利用所述定位手段进行使所述电极相对于所述工件暂时增大极间距离地相对移动的跳变动作，其特征在于，具备：检测加工应力的加工应力检测手段、设定加工应力规定值的加工应力规定值设定手段、将所述加工应力检测手段检测出的加工应力的检测值与所述加工应力规定值设定手段设定的加工应力的规定值作比较的加工应力比较手段、根据所述加工应力比较手段的比较，在所述加工应力的检测量大于所述加工应力的规定值时，进行所述跳变动作的轨迹变更，以减小所述加工应力的动作轨迹变更手段。
又，本发明的放电加工装置相应于加工面积及加工条件等变更所述规定值。
又，本发明的放电加工装置，将所述跳变动作中的所述电极与工件的相对移动速度的指令值合成为傅里叶级数，在第n次频率成分与机械系统的谐振频率一致或近似的情况下，去掉所述傅里叶级数成分的第n次成分进行合成，或者去掉第n次以上的高次成分进行合成。
又，本发明的放电加工装置，将所述跳变动作中的所述电极与工件的相对移动速度的指令值合成为傅里叶级数，在第n次频率成分与机械系统的谐振频率一致或近似的情况下，使所述傅里叶级数成分的第n次成分的振幅变得微小然后进行合成，或者使第n次以上的高次成分的振幅变得微小然后进行合成。
本发明的放电加工装置由于具有如上所述的结构，所以通过实时比较加工反作用力等与规定值并进行的细致的控制，能达到使反作用力大致在规定值以下，并使进行跳变动作的时间减少，因而可防止主轴驱动零件等的损伤以及加工精度的下降，并提高加工生产率的效果。
又，在伴随加工反作用力等的增加而急剧变更跳变动作中的轨迹的情况下，也能达到抑制因机械谐振引起的加工精度的下降以及因残余振动引起加工时间的增加的效果。
附图说明
图1为本发明的实施形态的放电加工装置的结构图。
图2为用于说明本发明的实施形态的放电加工装置的跳变动作的框图。
图3为利用本发明的实施形态的放电加工装置的加工反作用力比较手段的比较结果进行跳变动作控制的说明图。
图4为已有的放电加工装置的结构图。
图5表示在电极与工件的极间距离改变时发生的加工反作用力的测定例。
图6是加工反作用力与极间距离的关系图。
具体实施方式
图1为本发明的实施形态的放电加工装置的结构图，图中，1为电极，2为工件，3为加工液，4为加工槽，5为电极支持夹具，6为固定工件2用的固定盘，7和8为用于使电极1和工件2在XY平面内相对移动的X轴和Y轴，9为用于使电极1和工件2在Z方向上相对移动的主轴即Z轴，10、11及12为对驱动X轴、Y轴及Z轴的未图示的伺服电动机进行驱动控制的X轴伺服放大器、Y轴伺服放大器及Z轴伺服放大器，13为加工电力供给手段，15为NC装置。
加工槽4内注满加工液，对电极1与工件2的极间由加工电力供给手段供给作为放电能量的加工电力，利用作为定位手段的X轴、Y轴及Z轴使电极1与工件2相对移动，利用所述极间发生的放电进行工件的加工。
利用NC装置15总管所述定位手段进行的电极1与工件2的相对位置确定控制以及电气加工条件的控制，由NC装置15进行加工伺服动作以及排出加工屑用的规定的跳变动作的控制。
图2为说明本发明的实施形态的放电加工装置的跳变动作用的框图，与图1相同的符号表示相同或相当的部分。图2中，9a为Z轴驱动用伺服电动机，9b为位置检测器，9c为速度检测器，9d为圆头螺栓，16为电气条件及跳变动作条件等加工条件的设定部，17为用于作成与加工条件设定部16设定的加工条件对应的动作轨迹的动作轨迹初期参数存储部，18为用加工条件设定部16设定的加工条件及与该加工条件对应的动作轨迹初期参数存储部17的参数来计算动作轨迹的初期动作轨迹运算部，19为加入间隙(back lash)修正等修正量并向伺服放大器12发送每一伺服指令周期的指令值数据的动作控制参数运算部，20为Z轴驱动用伺服电动机9a的电流检测部，21为电动机常数存储部，22为加工反作用力及变形量运算部，23为加工反作用力规定值设定手段，24为加工反作用力比较手段，25为动作轨迹变更手段，26为动作轨迹变更参数存储部。
作为主轴的Z轴9的位置数据，由位置检测器9b检测，输入Z轴伺服放大器12。又，Z轴驱动用伺服电动机9a的转速由速度检测器9c检测并输入Z轴伺服放大器12。
Z轴驱动用伺服电动机9a圆头螺栓9b等组成的Z轴9的驱动装置中，驱动力与电动机电流成正比，因此可用Z轴驱动用伺服电动机9a的电动机常数求出加工反作用力。亦即根据存储与Z轴驱动用伺服电动机9a有关的整套常数的电动机常数存储部21的数据与电流检测部20检测出的电动机电流值，加工反作用力及变形量运算部22计算驱动负荷，可以从该驱动负荷减去伴随Z轴动作产生的可动部的惯性力来求出加工反作用力。而且，加工反作用力及变形量运算部22具备力与变形的换算表，因此可从加工反作用力求得放电加工装置本身的变形量。
图2所示的框图构成中，电流检测部20、电动机常数存储部21以及加工反作用力及变形量运算部22相当于加工反作用力检测手段及变形量检测手段。
设定于加工反作用力规定值设定手段23的加工反作用力的规定值只要综合考虑例如主轴驱动零件的允许负荷及电极与电极支持夹具的安装强度允许的负荷等，设定负荷的最小值即可。此外，也可通过手动输入加工反作用力的规定值，也可设定基于电极形状数据等的计算值。这样的规定值根据加工面积及加工条件等而变化，因此采用在加工进行中也能变更所述规定值的设定的结构。
加工反作用力比较手段24对加工反作用力规定值设定手段23设定的规定值与利用加工反作用力及变形量运算部22求得的加工反作用力进行实时比较。
动作轨迹变更手段25根据加工反作用力比较手段24的判定结果，在加工反作用力大于规定值时，进行变更动作轨迹用的演算。
动作轨迹更变参数存储部26存储动作轨迹变更手段25动作时的动作轨迹变更控制参数。
有关动作轨迹变更手段25演算确定的动作轨迹的控制参数保存到动作轨迹变更参数存储部26，在没有必要在下一次的跳变动作中变更动作轨迹时，动作控制参数运算部19从动作轨迹变更参数存储部26提取控制参数，加入修正量，将每一个伺服指令周期的指令值数据发送到伺服放大器12。
图3为根据加工反作用力比较手段24的比较结果进行的跳变动作控制的说明图，图3(a)至(c)分别表示极间距离G、加工反作用力F以及电极与工件的相同移动速度V随时间变化的例子。又，图3中，LG1表示初期动作轨迹，LG2表示轨迹变更后的动作轨迹(以下称变更动作轨迹)，LF1表示以初期动作轨迹的动作检测出的加工反作用力，LF2表示以变更动作轨迹的动作检测出的加工反作用力，LV1表示初期动作轨迹中的电极与工件的相对移动速度，LV2表示变更动作轨迹中的电极与工件的相对速度。
图3中，以初期动作轨迹LG1进行动作，根据加工反作用力比较手段24的比较结果，在加工反作用力F的绝对值超过规定值f时(时刻t1)，利用动作轨迹变更手段25使相对移动速度V例如大致一定地动作。使其这样动作的理由是，时刻t 1时正在向增大极间距离G的方向动作；虽然在这种状态下极间距离G及相对移动速度V在增大，但按斯蒂芬公式(1)，加工反作用力F与相对移动速度V成正比，与极间距离G的3次方成反比，因此如使相对移动速度V大致一定，则随着极间距离G的增大，加工反作用力F减小。
此后极间距离G增大，根据加工反作用力比较手段24的比较结果，加工反作用力F的绝对值为规定值f以下的情况下(时刻t2)，利用动作轨迹变更手段25使动作轨迹为与初期动作轨迹LV1相同形状的动作轨迹。
在向减小极间距离G的方向的动作中(时刻t3)，根据加反作用力比较手段24的比较结果，在加工反作用力F的绝对值超过规定值f的情况下，通过动作轨迹变更手段25使相对移动速度V的绝对值下降到设定速度Vs以下地动作。由于利用斯蒂芬公式(1)的变式、即Vmax＝(f·2·π·G3)/(3·v·S2)，根据加工反作用力F的规定值f，可求得可能达到的最大速度Vmax，因此只要对该可能达到的最大速度Vmax乘以规定系数求出即可。亦即，使其动作时使相对移动速度V小于设定速度Vs(Vs＝k·Vmax(0＜k＜1))。
使其这样动作的理由是，t3的时刻正在向减小极间距离G的方向动作，这种状态下根据斯蒂芬公式(1)，加工反作用力F与极间距离G的3次方成反比，因此为使随着极间距离G的减小而有增大倾向的加工反作用力F减小，就必需如上所述使相对移动速度V小于设定速度Vs。
此后极间距离G更进一步减小，加工反作用力F的绝对值再次达到规定值以下时(时刻t4)，动作轨迹变更手段25进行与时刻t3的控制相同的演算，使相对移动速度V小于设定速度Vs，进行再进一步降低相对移动速度V的绝对值的动作。
通过以上那样的动作轨迹的控制，可使变更动作轨迹LG2检测出的加工反作用力LF2略小于加工反作用力的规定值f。
通过实时比较上述的加工反作用力与规定值并进行细致的控制，作为跳变动作整体并不单纯变更加减速度，因此可使产生加工反作用力大约小于规定值并减小跳变动作时间，从而能提高加工生产率。在实际的放电加中多用的复杂的电极形状的情况下也可适用。
在进行上述跳变动作的情况下，将电极与工件的相对移动速度的指令值(V(t)如下式所示作为傅里叶级数合成，以此可进一步抑制加工时间的增大。
V(t)＝∑(Ak·sin(ωk·t+θ)+Bk·cos(ωk·t+θ))        ……(2)
式中，k＝1、2，…，t为时间，θ为初期相位，式(2)中，在第n次频率成分与放电加工装置的机械系统的谐振频率一致或近似的情况下，就去除电极与工件的相对移动速度的指令值V(t)的傅里叶级数成分的第n次成分再进行合成，或者去除第n次以上的高次成分再进行合成。或者，使所述傅里叶级数成分的第n次成分的振幅变得微小再合成，或者使第n次以上的成分的振幅变得微小再合成。
放电加工装置的机械系统的谐振频率可通过振动模式分析等的实验预先掌握，如上所述去除与放电加工装置的机械系统的谐振频率一致或近似的频率成分或利用以微小的傅里叶级数等合成的速度指令，这样即使在随着加工反作用力的增加急剧变更跳变动作中的轨迹的情况下，也可抑制由机械谐振引起的加工精度的下降以及残余振动引起的加工时间的增加。
以上的说明中，加工反作用力规定值设定手段23设定加工反作用力的规定值，对该加工反作用力的规定值与加工反作用力的检测值进行比较，然而由于加工反作用力及变形量运算部22可换算力与变形，故也可设定变形量的规定值替代加工反作用力规定值设定手段23的加工反作用力的规定值，将该变形量的规定值与加工反作用力及变形量运算部22检测出的变形量进行比较，根据该比较结果进行控制。或者也可通过加工反作用力F与电极面积S求得加工应力F/S，设定加工应力的规定值来替代加工反作用力规定值设定手段的加工反作用力的规定值，将该加工应力的规定值与所述加工应力F/S进行比较，根据该比较结果进行控制。
又，以上说明中，利用Z轴驱动用伺服电动机的电流检测以及电动机常数通过演算求得加工反作用力及变形量的检测，然而也可以用传感器直接检测。例如，可用力传感器及压力传感器等来检测加工反作用力，用激光变位计及电容型变位传感器检测变形量。
又，以上说明中，说明了如图2所示通过圆头螺栓传达驱动力的放电加工装置的例子，然而也可以是不用圆头螺栓9d的线性电动机驱动的放电加工装置。
工业应用性
如上所述，本发明的放电加工装置适用于在加工液中使电极与工件的极间发生放电，利用该放电能量对工件进行加工的放电加工作业。

Claims (6)

1.一种放电加工装置，利用加工电力供给手段对设置于加工液中的电极与工件的极间供给加工电力，利用定位手段使所述电极及工件相对移动以加工所述工件，同时利用所述定位手段进行使所述电极相对于所述工件暂时增大所述极间距离地相对移动的跳变动作，其特征在于，具备
检测加工反作用力的加工反作用力检测手段、
设定加工反作用力规定值的加工反作用力规定值设定手段、
将所述加工反作用力检测手段检测出的加工反作用力检测值与所述加工反作用力规定值设定手段设定的加工反作用力规定值作比较的加工反作用力比较手段、以及
利用所述加工反作用力比较手段的比较，在所述加工反作用力检测值大于所述加工反作用力规定值时，变更所述跳变动作的轨迹以减小所述加工反作用力的动作轨迹变更手段；
相应于加工面积及加工条件等变更所述规定值。
2.根据权利要求1所述的放电加工装置，其特征在于，所述动作轨迹变更手段进行所述跳变动作的轨迹变更，使得在向增大所述极间的方向的动作中，根据所述加工反作用力比较手段进行的比较，所述加工反作用力检测值大于所述加工反作用力规定值时，使所述电极与工件的相对移动速度V为大致一定地进行动作；在向减少所述极间的方向的动作中，根据所述加工反作用力比较手段进行的比较，在所述加工反作用力检测值大于所述加工反作用力规定值时，变更所述跳变动作的轨迹，以降低所述相对移动速度V的绝对值到小于设定速度Vs＝k·Vmax其中，0＜k＜1，Vmax为可能达到的最大速度，V max＝(f·2·π·G3)/(3·ν·S2)，f为所述加工反作用力规定值，G为极间距离，ν为所述加工液的粘性系数，S为所述电极面积。
3.一种放电放工装置，利用加工电力供给手段对设置于加工液中的电极与工件的极间供给加工电力，利用定位手段使电极及工件相对移动以加工所述工件，同时利用所述定位手段进行使所述电极相对于所述工件暂时增大极间距离地相对移动的跳变动作，其特征在于，具备
检测放电加工装置主体的变形量的变形量检测手段、
设定放电加工装置主体变形量的规定值的变形量规定值设定手段、
将所述变形量检测手段检测出的变形量的检测值与所述变形量规定值设定手段设定的变形量的规定值作比较的变形量比较手段、以及
根据所述变形量比较手段进行的比较，在所述变形量的检测值大于所述变形量的规定值时，进行所述跳变动作的轨迹变更，以减小所述变形量的动作轨迹变更手段；
相应于加工面积及加工条件等变更所述规定值。
4.一种放电加工装置，利用加工电力供给手段对设置于加工液中的电极与工件的极间供给加工电力，利用定位手段使电极及工件相对移动以加工所述工件，同时利用所述定位手段进行使所述电极相对于所述工件暂时增大极间距离地相对移动的跳变动作，其特征在于，具备
检测加工应力的加工应力检测手段、
设定加工应力规定值的加工应力规定值设定手段、
将所述加工应力检测手段检测出的加工应力的检测值与所述加工应力规定值设定手段设定的加工应力的规定值作比较的加工应力比较手段、以及
根据所述加工应力比较手段的比较，在所述加工应力的检测量大于所述加工应力的规定值时，进行所述跳变动作的轨迹变更，以减小所述加工应力的动作轨迹变更手段；
相应于加工面积及加工条件等变更所述规定值。
5.根据权利要求1～4任一项所述的放电加工装置，其特征在于，将所述跳变动作中的所述电极与工件的相对移动速度的指令值合成为傅里叶级数，在第n次频率成分与机械系统的谐振频率一致或近似的情况下，去掉所述傅里叶级数成分的第n次成分进行合成，或者去掉第n次以上的高次成分进行合成。
6.根据权利要求1～4任一项所述的放电加工装置，其特征在于，将所述跳变动作中的所述电极与工件的相对移动速度的指令值合成为傅里叶级数，在第n次频率成分与机械系统的谐振频率一致或近似的情况下，使所述傅里叶级数成分的第n次成分的振幅变得微小然后进行合成，或者使第n次以上的高次成分的振幅变得微小然后进行合成。
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