JP2004050310A

JP2004050310A - 細穴放電加工機の制御方法

Info

Publication number: JP2004050310A
Application number: JP2002207806A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Nishimoto; 西本　吉範
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】高い加工精度と高速性を兼ね備えた細穴放電加工機の制御方法を提供すること。
【解決手段】細い棒形状または細いパイプ形状の工具電極と被加工物によって形成される間隔に加工用電源から電圧を印加して放電を発生させるとともに、前記工具電極と前記被加工物を相対移動させて前記被加工物の細穴加工を行う細孔放電加工機の制御方法において、前記電極と前記被加工物との極間隔に発生する電位差に比例した電圧、または電流を検出し、コンパレータ手段により放電検知となる基準電圧と比較して論理信号を出力し、前記論理信号の立ち上がり、または立ち下がりのいずれか一方をトリガとしてパルス幅伸張手段により一定時間論理値を保持し、前記パルス幅伸長手段の入力と出力とで論理和をとり、平滑してアナログ電圧に変換し、前記アナログ電圧の値に応じて前記工具電極と前記被加工物との相対移動速度を変化させる細穴放電加工機の制御方法。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電加工によって被加工物に微細穴を加工する放電加工の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電加工は、放電現象を媒体として高精度・微細形状の加工が容易であることなど多くの特色を持つと共に、非接触加工である。このために、電極と被加工物との間隔を常に放電発生に適した間隔に保持することが必要になる。
細穴放電加工では、加工の進行に従って電極と被加工物とが除去される量だけ常に極間隔を追い込まなければならないが、極間の加工くずやガスの発生、放電面形状の変化などに対応して放電極間隔を維持することが必要になる。
【０００３】
このような課題を解決するために、一般的には放電間隔の極間平均電圧をある基準電圧と比較して、極間平均電圧が一定になるように送り速度を変化させる方法がとられている。さらに、送り速度だけでなく、最適な電気的条件を計算機を用いて出力する方式もある（例えば、精密工学会　新版精密工作便覧　コロナ社Ｐ４６５，　Ｐ４９４　＜１９９２＞）。この極間平均電圧検出によって、電極と被加工物との短絡も検知可能である。
【０００４】
また、細穴放電加工では放電加工によって生成される加工屑が加工部に残留しやすく排出されにくい。加工屑は工具電極と被加工物の間隔に多量に介在すると、加工する必要のない箇所で放電現象が発生したり、連続的にアーク現象を生じさせて加工に異常を生じさせたり、工具電極と被加工物が短絡して加工が進まなくなったりして、加工が進展しなくなる。
そこで、特開平７−１６４２４９号では、細穴放電加工装置において、被加工物の工具電極側とその反対側側面の２箇所に通電部材を配置すると共にそれらに電流検出部を設けて、両検出値に基づいて放電位置データを算出するとともに異常放電を識別し、電気的加工条件や加工液の噴流圧などを制御する。また、あらかじめ工具電極の径、材質、被加工物の材質等の諸パラメータを放電位置算出のデータとして記憶しておくことによって、放電位置や異常放電など加工の進行状況がさらに的確に把握できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の放電加工機において、まず、極間平均電圧を検出することによって、放電加工条件を制御する方法は、一定周期、一定幅のパルス電圧を極間に供給するようなスイッチング素子を使用した回路に非常に有効であるが、放電の発生間隔がランダムで、かつ放電期間が無放電期間に比較して無視できるほど急峻なパルスを供給するコンデンサと抵抗の充放電を利用した回路においては、極間平均電圧や平均加工電流は無放電時とほとんど違いはみられないため、制御が難しいという課題があった。
【０００６】
また、放電極間隔を推定する際には、放電頻度に対応した値で算出するのがよいが、極間平均電圧は放電エネルギと放電頻度が組み合わされて出力された結果であるので、粗加工と仕上げ加工とで放電エネルギを変える場合などはピーク値やパルス幅などのパラメータを考慮しなければならないため、基準点を比例式などの単純計算では決められないという課題があった。
前記課題は、極間平均電圧を検出して制御する場合であるが、極に流れる平均電流や電源が供給する平均電流を検出して制御する場合でも同様の課題があった。
【０００７】
また、特開平７―１６４２４９号では、トランジスタなどのスイッチング素子を使用することによって、あらかじめ決められたタイミングでスイッチングを行い、放電を発生する回路方式の場合においては、スイッチングのタイミングに同期して工具側と被加工物側の電流を検出して比較することによって放電位置が算出できるが、微細加工に適しているとされるコンデンサの充放電を利用した回路方式の場合、放電は不定期に発生するために２箇所の電流検出および放電位置算出のタイミングを決めるのが難しいという課題がある。さらに、スイッチング素子を使用した回路方式では、正常な電流波形は、多少の変化はあるけれども、オン期間中はほぼ一定の電流であるのに対して、コンデンサの充放電を利用した回路方式では、電流波形は、急峻なパルス波形となるとなるため、２箇所の電流検出を行うのは難しい。これに対応するためにピークホールド回路による電流ピーク値の検出を行うようにしても、２回路必要で回路が複雑になる上に、放電間隔が不定期であるため、読みとりタイミングやホールドリセットタイミングの決め方が難しい。特に、ピークホールド回路のホールド値を読みとるためのＡ／Ｄ変換回路の遅延により読みとり間隔の短縮には限界があり、読みとり周期に対して放電周期がかなり短い場合が多いため、情報の抜けがかなり多くなってしまう可能性が高い。さらに、工具電極の径、材質、被加工物の材質等の諸パラメータによって、放電位置の算出条件を変更しなければならないという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するものであり、微細穴加工において高い加工精度と高速性を兼ね備えた細穴放電加工機の制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記目的を達成するために請求項第１項記載の発明は、細い棒形状または細いパイプ形状の工具電極と被加工物によって形成される間隔に加工用電源から電圧を印加して放電を発生させるとともに、前記工具電極と前記被加工物を相対移動させて前記被加工物の細穴加工を行う放電加工装置において、前記電極と前記被加工物との極間隔に発生する電位差に比例した電圧、または電流を検出し、コンパレータ手段により放電検知となる基準電圧と比較して論理信号を出力し、前記論理信号の立ち上がり、または立ち下がりのいずれか一方をトリガとしてパルス幅伸張手段により一定時間論理値を保持し、前記パルス幅伸長手段の入力と出力とで論理和をとり、平滑してアナログ電圧に変換し、前記アナログ電圧の値に応じて前記工具電極と前記被加工物との相対移動速度を変化させることを特徴とする。
本発明によれば、放電極間隔に応じて変化する放電頻度及び短絡検知を１本のアナログ電圧信号で検出可能であり、前記アナログ電圧に応じて前記工具電極と前記被加工物との相対移動速度を変化して放電極間隔を最適に制御することが可能になり、状況に応じて加工速度を最適化することにより全体的な加工速度を短縮することができるとともに加工精度も高くなる。
【００１０】
請求項第２項記載の発明は、前記アナログ電圧の値が工具電極と前記被加工物との短絡を示す値に近い場合に、前記工具電極の先端を前記被加工物の穴加工開始位置よりも前の位置に戻し、再度穴加工位置近傍に復帰することを特徴とする。
本発明によれば、加工屑によってアークが長く続く異常放電や、加工屑を介しての工具電極と被加工物との短絡に近づいた際に、一般的な穴加工機のいわゆるジャンプ動作に相当する動作を行うことによって加工屑の排出を行うことによって異常放電や短絡を回避することが可能となる。
【００１１】
請求項第３項記載の発明は、前記工具電極が気体または液体といった流体を供給する細いパイプ形状であり、前記アナログ電圧の値に応じて、流体を供給する圧力を変化させることを特徴とする。
本発明によれば、必要なときにパイプ形状の電極から流体の供給圧力を高くして加工屑を排出し、必要のないときには流体圧力を低くして放電加工の邪魔にならないようにすることが可能となる。
【００１２】
請求項第４項記載の発明は、前記アナログ電圧の値に応じて、放電加工電源の無放電時の供給電圧の値を変化させることを特徴とする。
本発明によれば、放電頻度が高い場合には、加工能力を高めることが可能となる。
【００１３】
請求項第５項記載の発明は、前記工具電極が、一定速度、または前記アナログ電圧の値に応じた可変速度で回転していることを特徴とする。これにより、加工屑の排出性能を高めることが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の形態により添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る細穴放電加工機の制御方法の説明図を示す。
加工用電源１は、直流電源２、抵抗３、およびコンデンサ４から構成される。図１では直流電源２の正極は工具電極５に接続され、直流電源２の負極は被加工物６に接続されるが、工具電極５や被加工物６の材質により極を逆に配線する場合もある。工具電極５と被加工物６との間隔は、水や放電油などで満たされる。また、工具電極５は上下左右に動作する軸移動駆動部７に接続されている。
【００１６】
直流電源２が直流電圧を印加すると、コンデンサ４に電荷が充電され、コンデンサ４の端子間電圧が徐々に上昇する。コンデンサ４の端子間電圧が、工具電極５と被加工物６との間の間隔の放電開始電圧を超えたとき、工具電極５と被加工物６との間で放電が発生する。
このプロセスの工具電極５と被加工物６との極間電圧の変化を電圧検出手段８で検出する。電圧検出手段８については、十分高い抵抗値の抵抗分圧によって、実際に発生する電圧を分圧して検出する方法などがある。
また、電圧検出手段の代替として、電流検出手段を使用してもよい。電流検出手段としてはシャント抵抗の両端電圧を測定する方法や、電線の周りに生じる磁気を利用して測定する方法などがある。
【００１７】
電圧検出手段８の検出値を、コンパレータ手段１１、パルス幅伸長手段１２、論理和手段１３、平滑手段１４から構成される放電状態検出手段１０に入力し、放電極間隔演算装置１５に放電頻度に比例するアナログ信号を出力する。放電極間隔演算装置１５で、放電極間隔を推定し、その推定値に基づいて、軸移動制御手段１６に対して、速度変更指令やジャンプ動作指令などを行い、適宜加工屑を排出しながら軸移動駆動手段を放電極間隔が一定になるように動作させる。
【００１８】
図２は本発明の実施に係る細穴放電加工機の制御方法のフローチャート例を示す。
放電加工機は電圧印加、工具電極送りを開始するともに、放電状態値を定期的に取得する。
取得した放電状態値が小さい値の場合には、放電頻度が少ないので放電極間隔に余裕があると判断して工具電極の送り速度を速くする。取得した放電状態値が大きくなるに従って、放電頻度が多くなり放電極間隔が狭くなっていると判断して工具電極の送り速度を遅くする。
取得した放電状態値が大きい場合には、加工屑による異常放電や短絡の可能性が高いと判断して、ジャンプ動作を行う。
以上の例では、放電状態値によって、３通りの場合に分岐したが、分岐数を多くすることによって、よりきめ細かい制御が可能となる。
【００１９】
図３に工具電極のジャンプ動作の説明図を示す。
放電加工中、異常放電や短絡が発生またはそれに近い状態になった場合、加工屑４３が加工穴中に発生している可能性が高い。このとき、加工屑排出動作４１により、工具電極下端を高速に被加工物６の表面付近に上昇させることによって加工屑４３を穴から排出することができる。工具電極５はすぐに４２のとおりに加工位置に復帰させる。これらの一連の動作が工具電極のジャンプ動作となる。
なお、工具電極は、回転させることによって、加工屑の排出性能を高めることが出来る。工具電極の芯振れが回転数に応じて変化する場合には一定速度で、回転数が変化しても芯振れの変化が少ない場合には前記アナログ電圧の値に応じて、加工屑の排出が必要なときに回転数を高くすることによって無駄なエネルギーの消費を低減することができる。
【００２０】
図４は本発明の実施に係る放電検出回路の各部の波形を示す。
電圧検出手段８からの出力２０の波形は２６のとおりであり、工具電極５と被加工物６との極間隔で放電が発生すると、コンデンサ４が放電し極間電圧は急激に下降する。極間電圧の下降は工具電極５と被加工物６との間隔への水や放電油の進入によって放電が抑制され、コンデンサ４は充電動作に移行し極間電圧は上昇に転じる。検出した電圧値は、コンパレータ手段１１によってデジタル信号波形である放電時コンパレータ部出力波形２８に変換される。つまり、電圧値が放電検出基準値２１の波形２７の値以上であればＨＩＧＨとなり、基準値２１の波形２７の値未満であればＬＯＷとなる。なお、１回の放電で数回のパルスが放電時コンパレータ部出力波形２８に発生する可能性がある。
放電時コンパレータ部出力２２は、２つに分岐され、一方はパルス幅伸長手段１２に、他方は論理和手段１３に入力される。
なお、後者のパルス幅伸長手段１２を経由しない経路には、タイミングを調整するための遅延回路を挿入するのが望ましい。パルス幅伸長手段１２は、例えば単安定マルチバイブレータが使用され、入力パルスをトリガとして、任意に設定した時間幅のパルスを出力し、その時間幅内に入力されたパルスの立ち上がりについては無視さる。これにより、放電時コンパレータ部出力波形２８に、１回の放電で複数のパルスが発生していても、１つのパルス、しかも一定の時間幅のパルスを出力するような放電時パルス幅伸長手段出力波形２９になる。
【００２１】
また、放電周期はランダムであり、しかも電圧検出部８から出力される電圧パルス幅は放電周期に対して非常に短いので、電圧検出部８の出力を直接平滑しても放電頻度の変化による平滑信号の変化幅は小さいが、パルス幅伸長手段１２によって、１回の放電によるパルス幅を長くすることによって、放電頻度による平滑信号の変化幅を大きくすることが可能となる。つまり、放電によるパルス幅は一定であるが、放電周期がランダムなために、放電頻度によって平滑信号が大きく変化するのである。放電時パルス幅伸長手段出力２３は、論理和手段１３に入力され、コンパレータ手段出力２２で分岐された片方の信号と論理和がとられる。放電時には、パルス幅伸長手段出力波形２９の波形がそのまま論理和手段出力波形３０となり、平滑手段１４に入力され、放電頻度に応じて変化するアナログ信号波形３１となる。
【００２２】
以上は、工具電極５と被加工物６との間で正常に放電が発生している場合であるが、短絡事故発生時や加工屑によるアークの継続時には平滑手段出力２５が最大電圧で一定となり、異常が検知できる。
【００２３】
図５は本発明の実施に係る短絡を検知した場合の放電検出回路の各部の波形を示す。
短絡が発生すると、電圧検出手段出力２０は波形３２のように０Ｖまたはその近傍となり、コンパレータ手段出力２２は、波形３４のように短絡発生時よりＨＩＧＨの状態を継続することになる。このとき、パルス幅伸長手段１２は、短絡発生時に一定幅のパルスを出力した後、その後、短絡が解消されるまでＬＯＷのままとなる。
【００２４】
一方、コンパレータ手段出力２２は短絡後はＨＩＧＨ状態を継続するため、論理和手段１３の出力２４は波形３６のように短絡後はＨＩＧＨ状態を継続する。従って、平滑手段出力２５は波形３７のように最大電圧で一定となり、これを監視することにより異常を検出することができる。また、図４のとおり、放電頻度が多くなるほど放電時の平滑手段出力波形３１は高い値のアナログデータとなり、放電頻度が多くなり過ぎた結果として異常が生じ、最大電圧になるということで制御上の論理も整合性があり、制御しやすくなっている。
【００２５】
以上のような放電状態検出回路を使用することによって、放電極間隔の推定が可能となり、工具電極の送りを適正に制御することが可能となる。
なお、制御要素として、工具電極送りだけではなく、加工のための供給電圧を制御して加工能力を制御することも有効である。
また、工具電極がパイプ形状であり、水などの流体を工具電極先端に噴出することが出来る場合には、その噴流圧力を制御することも有効である。つまり、加工屑が発生していると判断した場合には、工具電極のジャンプ動作の代わりに噴流圧力を高くすることによって加工屑を排出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に係る細穴放電加工機の制御方法の説明図である。
【図２】本発明の実施に係る細穴放電加工機の制御方法のフローチャート例を示す図である。
【図３】本発明の実施に係る工具電極のジャンプ動作の説明を示す図である。
【図４】本発明の実施に係る放電状態検出回路の各部の波形を示す図である。
【図５】本発明の実施に係る短絡を検知した場合の放電状態検出回路の各部の波形を示す図である。
【符号の説明】
１…加工用電源、２…直流電源、３…抵抗、４…コンデンサ、
５…工具電極、６…被加工物、７…軸移動駆動手段、８…電圧（電流）検出手段、
１０…放電状態検出手段、１１…コンパレータ手段、
１２…パルス幅伸長手段、１３…論理和手段、１４…平滑手段、
１５…放電極間演算手段、１６…軸移動制御手段、
２０…電圧（電流）検出手段出力、２１…放電検出基準値、
２２…コンパレータ手段出力、２３…パルス幅伸長手段出力、
２４…論理和手段出力、２５…平滑手段出力、
２６…放電時電圧検出手段出力波形、
２７…放電検出基準値
２８…放電時コンパレータ部出力波形、
２９…放電時パルス幅伸長手段出力波形、
３０…放電時論理和手段出力波形、
３１…放電時平滑手段出力波形
３２…短絡時電流検出手段出力波形、
３３…放電検出基準値
３４…短絡時コンパレータ部出力波形、
３５…短絡時パルス幅伸長手段出力波形、
３６…短絡時論理和手段出力波形、
３７…短絡時平滑手段出力波形、
４０…異常放電または短絡発生時の工具電極位置、
４１…加工屑排出動作、４２…加工位置への復帰、
４３…加工屑

Claims

細い棒形状または細いパイプ形状の工具電極と被加工物によって形成される間隔に加工用電源から電圧を印加して放電を発生させるとともに、前記工具電極と前記被加工物を相対移動させて前記被加工物の細穴加工を行う細孔放電加工機の制御方法において、前記電極と前記被加工物との極間隔に発生する電位差に比例した電圧、または電流を検出し、コンパレータ手段により放電検知となる基準電圧と比較して論理信号を出力し、前記論理信号の立ち上がり、または立ち下がりのいずれか一方をトリガとしてパルス幅伸張手段により一定時間論理値を保持し、前記パルス幅伸長手段の入力と出力とで論理和をとり、平滑してアナログ電圧に変換し、前記アナログ電圧の値に応じて前記工具電極と前記被加工物との相対移動速度を変化させることを特徴とする細穴放電加工機の制御方法。
前記アナログ電圧の値が工具電極と前記被加工物との短絡を示す値に近い場合に、前記工具電極の先端を前記被加工物の穴加工開始位置よりも前の位置に戻し、再度穴加工位置近傍に復帰することを特徴とする請求項１記載の細穴放電加工機の制御方法。
前記工具電極が気体または液体といった流体を供給する細いパイプ形状であり、前記アナログ電圧の値に応じて、流体を供給する圧力を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の細穴放電加工機の制御方法。
前記アナログ電圧の値に応じて、放電加工電源の無放電時の供給電圧の値を変化させることを特徴とする請求項１及至３の何れかに記載の細穴放電加工機の制御方法。
前記工具電極が、一定速度、または前記アナログ電圧の値に応じた可変速度で回転していることを特徴とする請求項１及至４の何れかに記載の細穴放電加工機の制御方法。