JP2641376B2 - 放電加工機用ｚ軸サーボモーターの放電波形分類に依る作動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は放電加工（electro disc
harge machining, 以下EDM と称する）時に発生する電
圧或いは電流波の波形を分類する方法とその結果を利用
して放電加工用電極移送装置であるＺ軸サーボモーター
をディジタル方式に依って作動させる方法に関するもの
である。

【０００２】即ち、波形を分類した結果発生する特有な
信号だけを使用して電極移送をさせることに本発明の最
も大きな特徴がある。特に、下降形放電加工（sink ED
M) に特に有効である。

【０００３】

【従来の技術】本発明の詳細な内容を説明する前に現況
を説明すると大略次のようである。但し、ここで関心の
対象になっている、放電間隙（discharge gap)を調節で
きるＺ軸に限って説明する。工作物の位置決定に関係さ
れる調節軸は論外の対象とする。

【０００４】従来は放電加工用電極移送Ｚ軸サーボモー
ター（以下サーボモーターと称する）を制御する数種の
方法を使用していた。主に油圧式或いは電気電子式を使
用するが電気電子式の場合は主としてアナログ方式を多
く使用している。何故ならば放電状態の変化速度が非常
に速いし、比較的に無作為的であるため論理性を持つデ
ィジタル方式では放電状態を追従するのに隘路があるか
らである。最も応答性の良いのはやはり油圧方式である
が、これもまた典型的なアナログであることは間違い無
い。即ち、放電電流のアナログ式平均の結果を油圧調節
機に入力させる程度に過ぎないものである。

【０００５】放電加工の状態を監視する為の方法として
主に多く活用されるものは、放電スパーク時に発生する
高周波を分析するか、電極と加工物体との間の電気抵抗
を測定分析するか、又は放電波形を分析するかの方法等
があるが、主に波形分析方法を好んだと見ることができ
る。現在まで放電加工波形分析方法に関する研究を要約
すると大略次のようである。スノイス（R.Snoeys,CIRP
vol 24,1980), バタカリャ(S.Bhattacharyya,ASME
J. of Eng. Ind., 1980), オトー(M.Otto,ISEM7, Q
983), エンデル(A.Endel,ISEM7, 1983), パンディ
ット(S.Pandit, ASME J. Eng. Ind., 1984) ，ダウ
（D. Dauw, DIRP vol 35, 1986) ，パンディット(S.Pan
dit, ASME J. of Eng. Ind., 1987)，コグン(C.Cogu
n, ASME PED vol 34, 1988) 等が波形分析及びこれに
関連する研究をしたものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで最も大きな問題
になる点は情報或いは信号をどの方式（rule or equa
tion) に従って処理し有用な調節信号に変化させてサー
ボモーターを調節できるかという点であるがどの信号を
利用すべきかという点と同信号をどの方式で処理すべき
かということに従って放電間隙調節がよくできることも
その反対にもなり得る。最も普遍的な方法は放電電圧或
いは電流を平均して予め定められた基準と比較して予め
定められた一定量を超える場合はサーボモーターを調節
するようになったシステムを最も多く使っている。ここ
での問題点は果たして電圧或いは電流を平均する方法
と、果たしてその平均が放電状態を良く代表できるかと
いう点である。即ち、瞬間的な変化を追従するというこ
とは不可能であると見ることができる。従って、応答性
が問題になる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は従来の方式とは
概念的に差異がある。即ち、本発明においてはオン−オ
フ周期（以下周期という）毎に発生する１個の信号（波
形特徴信号、以下別途に説明する）を論理的に処理し
て、ディジタル方式で、可能な限りその周期内でサーボ
モーターを調節できるようにする。

【０００８】本発明の要旨と上記の公開された研究結果
の顕著な差異点は波形分類をする為に下記の説明にある
６と７のような監視信号（モニタリング パルス）を使
用したという点と、波形分類結果をＺ軸サーボモーター
の調節に使用したという点である。これに関する理解を
助ける為に、放電加工時に発生する放電波形に関する公
開された事実を簡略に説明する。

【０００９】一般的にパルス形放電加工（Transistoriz
ed pulsed electro discharge machining, 以下放電加
工という）特に発生する電圧或いは電流波形（電圧＝電
流×抵抗）は４つの種類（参考：学者によっては５或い
は６種に分類する場合がある）が無作為的に発生する
が、即ち、正常（Normal or Effective dischargeor
Spark), アーク(Arc), 短絡(Short), 開放(Open)形
の波が発生するが（図１参照）、この中で正常波だけが
有効な波であり開放形の波は加工能率を低下させるので
好ましく無いし、短絡とアークは永く持続する場合に加
工機械と共に被加工物も損傷を受けることがあるので好
ましく無い。従って、可能な限り高速に上記の４種の波
形を分類できれば、放電加工状態を監視するのに大いに
寄与できる。

【００１０】本発明は上記の４種の波形を分類して正常
波形に相応する信号が発生される時は同サーボモーター
を停止させ、開放波形に相応する信号発生時は１個乃至
５０個が連続に発生される時だけサーボモーターを１単
位前進作動させて放電間隙を広め、短絡信号が発生され
る時はサーボモーターを１単位後進作動させて放電間隙
を広め、アーク信号発生時には１個乃至２０個が連続に
発生される時だけ１単位後進作動させると同時にアーク
が５個乃至１００個連続に発生される時は放電間隙を掃
除するために一定距離を後進した後同じ距離を連続に前
進させるようにサーボモーターを作動させる方法の中の
独特な一種の方法に関するものである。

【００１１】以下、本発明を更に詳細に説明する。本発
明においては電流波形を利用するし、波形分類及びこれ
を利用したサーボモーターの調節方法を説明する。（電
圧波形も説明は同一である。） 放電波形の発生 放電による加工とは誘電体（主に軽油等炭化水素類使
用）を間に置いて適当な距離を離して被加工体と電極の
間に一定な直流パルス電圧を印加すると適当な条件に依
り花火放電（スパーク）が発生する。このエナージーに
よって被加工体の一部が鎔融蒸発したり一部分は周囲誘
電体の爆発的な蒸発応力に依り飛散されたりもする。結
果的に被加工体に若干の放電痕（クレーター）が生じこ
れらの平均累積に依って加工が成り立つ。この際、電圧
或いは電流の波形をサンプリングできる。しかし条件に
よっては毎度必ず花火放電だけが起こるという保障が無
い。例を挙げれば、極間の間隔が程度以上大きい時は開
放波が発生し実質的加工は全然成り立たない。その間隔
が過度に近いと短絡波が発生しやはり加工が成り立たな
い。また誘電体が過度に混濁しているとか其の他の理由
で局所的な電気抵抗が余他部位より小さくて一所（スポ
ット）に集中的に放電が起こることがあるがこれをアー
クという。一般的に正常波乃至半正常波だけ発生できる
ように放電加工機を設計製作しているが現実的には数パ
ーセント乃至数拾パーセントの無効及び有害波が発生す
る。

【００１２】図１を参照すると画面上半部は放電電流の
大きさを表わし、下半部は放電電流を制御する矩形波を
表わす。平らな波形が電流の流れ得なかった開放波であ
り、椅子形状の波が正常波であり、分裂された波形がア
ーク波であるが、アーク監視信号によって一部電流が抑
制されたものである。四角形の波は正常波の極端的な形
態であってアーク波に近いものである。図面で短絡波は
見ることができないがアーク波と類似しており尖頭値
（ピーク）がもっと高い。

【００１３】放電波形分類の目的 分類の目的は放電加工状態を監視して良好と不良を区分
するのにある。さらにこの情報を自己制御用にも使用で
きる。本発明においてはこの情報を電極移送用サーボモ
ーターの制御に利用する。 概略的な分類方法 予め定められたサンプリング期間内に放電波形を受信し
て適当な電圧範囲に調整した変化電圧（Variable) と予
め構成された回路により予め設定された大きさの設定電
圧（Reference)と比較する。本発明においては（ハイレ
ベル）と（ローレベル）に設定する。

【００１４】この方法は通常的な方法である。説明を省
略する。 サンプリング時期の決定 放電波形は種類に関係無しに回路開き（オンタイム）と
回路閉じ（オフタイム）で一周期（サイクル）が構成さ
れて反復する波形である。本発明においては回路開きの
開始時期と終了直前にだけ上記の変化電圧（Variable)
をサンプリングする。またサンプリングの為の監視（モ
ニタリング パルス）を電算機自体のタイマ（メイン
クロック）を利用して放電用ＯＮ−ＯＦＦ信号と同時に
発生させるので、ＯＮ−ＯＦＦ信号の長さが無作為（ラ
ンダム）に変化しても全然差跌無くオン時期に対して常
に同じ位置に発生されるようにする。

【００１５】この方法は電子的及び電算機技術面で通常
的なものであると見ることができる。然しながら、通常
的な方法で発生させた監視パルスを特定な目的（結果的
に放電間隙調節）に使用するように考案した点に本発明
の特徴がある。 放電波形分類に関する論理図（ロジック チャート）の
説明 放電波形改造をしない場合 図２に表示されたＷは放電電流波形（Variable, 以下入
力信号という）を表示し、Ｈは予め設定された基準高電
位を、Ｌは同じく低準位を表示する。電流波形は説明の
便宜上５種の代表的な波形だけを表示した。図の左側か
ら正常波形、開放波形、アーク波形、短絡波形、半正常
波形である。電圧から発生される波形とは形態が反対で
あることを留意しなければならない。正常波形と半正常
波形が非常に類似していることを留意しなければならな
い。この波形で実質的な加工行為（Machining)が成り立
つ部位は只正常波形と半正常波形及びアーク一部だけで
あるという点も留意する必要がある。図の１は高電位が
入力信号より大きい場合の論理信号を表わす。２は入力
信号が低準位より大きい場合の論理信号を表わす。５は
１と２のアンド論理信号を表わす。３は１の、４は２の
反転信号を表わす。６はサンプリング回路において連続
に発生するサンプリングパルスを表わしており放電（Ｅ
ＤＭ）クロックのオンタイムの初期に位置する。７は６
と同一な波形であるが発生位置が基準クロックのオンタ
イム末期である点が異なる。８は３と６のアンド論理信
号を表わすもので短絡波発生と１対１に対応する。即
ち、波形８が発生したということと短絡波が発生したと
いうことは同一である。９は５と６のアンド論理信号を
表わすものでアーク発生を立証する信号である。１０は
４と７のアンド論理信号であって開放波形を表わす。１
１は５と７のアンド論理信号である。１２は監視信号６
をクロックとして信号２をＤフリップフロップにラッチ
逆転させたものでアーク波と短絡波が発生した時だけ準
位レベルが変わることを知ることができる。１３は１１
と１２のアンド論理信号で正常波形が発生したことを知
ることができる。

【００１６】ここで特徴的なものは上記に言及したよう
に一周期に６と７を利用して２回サンプリングするとい
う点と正常、開放、アーク及び短絡波形に１対１に対応
する信号を得ることができることを知り得る。 放電波形改造をした場合 図３に表示されたＷは放電電流波形（Variable, 以下入
力信号という）を表示し、Ｈは予め設定された基準高電
位を、Ｌは同じく低準位を表示する。図において点線で
表示された部分が図３のように波形改造をしない部分で
あり実線部分が改造された部分である。改造をした理由
は有害波であるアークを防止する為である。（参照：本
発明者が既出願した特許願“放電波形分類に依るアーク
防止方法”）電流波形は説明の便宜上５種の代表的な波
形だけを表示した。図の左側から正常波形、開放波形、
アーク波形、短絡波形、半正常波形である。電圧から発
生する波形とは形態が反対であることを留意しなければ
ならない。正常波形と半正常波形が非常に類似すること
を留意しなければならない。この波形で実質的な加工行
為（Machining)が成り立つ部位は只正常波形と半正常波
形であるという点も留意する必要がある。図の１は高電
位が入力信号より大きい場合の論理信号を表わす。２は
入力信号が低準位より大きい場合の論理信号を表わす。
５は１と２のアンド論理信号を表わす。３は１の、４は
２の反転（Invert) 信号を表わす。６はサンプリング回
路から連続に発生するサンプリングパルスを表わしてお
り放電（ＥＤＭ）クロックのオンタイムの初期に位置す
る。７は６と同一な波形であるが発生位置が基準クロッ
クのオンタイムの末期である点が異なる。８は３と６の
アンド論理信号を表わすもので短絡波発生と１対１に対
応する。即ち、波形８が発生したということと短絡波が
発生したということは同一である。９は５と６のアンド
論理信号を表わすものでアーク発生を立証する信号であ
る。１０は４と７のアンド論理信号を表わす。１１は５
と７のアンド論理信号であって正常波形に相応する。１
７は監視信号６をクロックとして信号４をＤフリップフ
ロップにラッチしたもので開放波と正常波が発生した時
だけ準位（レベル）が変わることを知ることができる。
１８は１０と１７のアンド論理信号であって開放波形が
発生したことを知ることができる。

【００１７】以下図４を説明する。図４は図３と類似す
るが若干異なる方法で波形改造をした場合である。改造
された波形は若干異なるが図３と同一な方法の説明で各
対応波形が出力された点を知ることができる。ここで特
徴的なものは上記に言及したように一周期に６と７を利
用して２回サンプリングするという点と正常、開放、ア
ーク及び短絡波形に１対１に対応する信号を得ることが
できるということを知り得る。

【００１８】放電波形に１対１対応する監視パルス 一周期が４８０マイクロ秒でありオン時間が８５マイク
ロ秒である矩形波に依って駆動される放電加工機の電流
信号を上記の内容のように波形分析機能を持つ装置に伝
達させて果たして開放波形、アーク波形、短絡波形に１
対１対応する特徴的な信号が出力されるかを検出した。
検出機は通常使用するオッシロスコープである。

【００１９】チャンネル２には放電電流波形を受信し、
チャンネル１には上記の３種に相応する特徴的な信号を
各々独立的に受信した。その結果は図５，６，７の通り
である。図５は放電加工電流の特徴とアークに対応され
る検出信号が時間的に同じ位置に図示されている。アー
ク（no delay) とアーク検出信号がよく対応されている
ことを知ることができる。

【００２０】図６は上記の内容に準じ、開放波形検出信
号がよく対応されているのを知ることができる。図７も
また上記の内容に準じ、短絡検出信号がよく対応されて
いるのを知ることができる。（雑音に因り１対１に検出
できなかった点がある。）

【００２１】

【実施例】放電波形分類結果得られた特徴的な監視パル
スをＺ軸サーボモーターに入力させて最終的に放電間隙
を適切に調節する方法には大別して２種を挙げることが
できる。即ち、一つはポンプ作動（一名ジャンプ、Jump
ing)の無いもので、他の一つはあるものである。次に順
を追って説明する。

【００２２】本実施例で使用されたサーボーモーターは
稼動パルスと方向を決定する電圧との２種の信号を同時
に入力させて望む方向に望む単位の進行をさせ得るタイ
プを使用した。そして次の条件を予め設定した。短絡波
が発生する場合稼動パルス一個と方向決定が低電圧（０
ボルト）になる。即ち電極が後進して極間間隔が広くな
る。

【００２３】アーク波が一個発生する場合毎に稼動パル
ス一個と方向決定が低電圧（０ボルト）になる。開放波
が３個連続して発生する場合稼動パルス一個と方向決定
が高電圧（５ボルト）になって極間間隔が狭くなる。正
常波が発生する場合何等の信号も発生しない。

【００２４】ジャンプ作動が無い場合 図８は横軸が時間軸で、縦軸が監視パルスである論理図
の一例を挙げたものである。即ち、図面において９のよ
うなアークが発生し、１８のような開放波が発生し、８
のような短絡波が発生し、１１のような正常波が発生す
ると仮定した場合Ｚ軸サーボモーターはどういう動作を
するかという点が本実施例の説明である。

【００２５】図面において９，１８，８，１１は上述し
たような仮定をしたものである。３６は９，８，１１を
オア結合したもので開放波形以外の波形がある。５３は
電算機を利用したダウンカウンタ（本実施例ではIC825
4, モード２）の反転出力を図示したものである。４４
は３６と５３のオア結合である。

【００２６】４５はダウンカウンタのゲートに４４を入
力し、電算機により予め一定な（本実施例では３個）計
数値（カウント）だけダウンカウンティングさせた結果
出力であり、開放波信号が無い信号（pulse train)が３
個以上ゲートに入力される場合はサーボモーターの為の
信号が発生され得るようにした。４６は４５の反転であ
る。

【００２７】４８と４９はパルス５２を作る為のもので
ある。５０は５１パルスを作る為のものである。５４は
サーボモーターの稼動パルス列であって信号８，３８，
５２をオア結合したものである。図面でアップと表示さ
れたものは電極間隔が広くなったことを意味するし、ダ
ウンはその反対である。

【００２８】５５は即ち信号であってサーボモーターの
作動方向を決定するものであり、サーボモーターの種類
に従って決定されるものであるので一定には言えない。
上記の例において見るように純に放電波形を特徴させる
監視信号列だけを利用してＺ軸サーボモーターを目的に
適合するように作動させ得るということが本発明の要請
である。

【００２９】ジャンプ作動がある場合 図９を説明するには大部分図８と類似し只ジャンプ部分
だけが異なるのでジャンプ部分だけを説明する。図面に
おいてＳＣはサーボモーターの為に別に設けられたパル
ス列であって電算機或いはその他の通常の方法に依って
準備する。

【００３０】３５は信号１０，８，１３のオア論理結合
である。３９はダウンカウンタのゲートに信号３８を掛
けた時の出力である。４０も３９と同一であるがダウン
カウントが３９の正確に２倍である。これはジャンプ動
作後電極が正確に原位置にあるようにする為のものであ
る。４２は３９と４１のアンド論理結合であって３９と
位置及び位相が行き違った特性がある。

【００３１】４３はＳＣと４１のアンド結合であってサ
ーボモーターのジャンプの為の稼動パルス列である。５
６は３５と４０のアンド結合であってジャンプ期間には
全ての発生信号を無くする機能を持っている。３７は信
号５６で一定期間無信号状態（本実施例では３個）なる
時は出力パルス１個を出力する機能がある。

【００３２】３８は３７の反転である。信号４２をサー
ボモーターの稼動パルスとして、４３を方向決定電位と
して利用することによって所期の目的を達成することが
できる。然し、サーボモーターの機種を変更させれば若
干の修正が必要である。結論は、上記のような監視信号
に依って分離された波形特徴信号だけを使用してＺ軸サ
ーボモーターを放電加工用度に適合するように作動させ
て放電間隔を適切に維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】概略的な放電波形を示す図である。

【図２】改造されない放電波形分類原理を説明する論理
図である。

【図３】改造させた放電波形分類原理を説明する論理図
である。

【図４】改造させた放電波形分類原理を説明する論理図
である。

【図５】本発明の一実施例の結果を図示するもので、ア
ーク状態が表れた電流信号と本発明を利用して得た情報
のアーク波形検出信号を共に示す図である。

【図６】図５と同じ内容であるが開放波形検出信号を示
す図である。

【図７】図５と同じ内容であるが短絡波形検出信号を示
す図である。

【図８】波形検出信号（監視信号）だけを利用してサー
ボモーターを作動させる一実施例の説明図である。

【図９】図８の一種でジャンピング又はポンピング作動
のある場合のサーボモーター作動を説明する論理図であ
る。

【符号の説明】

１，２ 論理信号 ５ １と２のアンド論理信号 ３，４ １，２の反転信号 ６ サンプリングパルス ７ ６と同一波形 ８ ３と６のアンド論理信号 ９ ５と６のアンド論理信号 １０ ４と７のアンド論理信号 １１ ５と７のアンド論理信号 １２，１７ 監視信号６をクロックとして信号２をＤフ
リップフロップにラッチ逆転させたもの １３ １１と１２のアンド論理信号 １８ １０と１７のアンド論理信号 ３６ ９，８，１１のオア結合 ５３ ダウンカウンタの反転出力 ４４ ３６と５３のオア結合 ４５ 下次計数の結果出力 ４６ ４５の反転 ４８，４９ パルス５２を作る為のもの ５０ パルス５１を作る為のもの ５４ サーボモーターの稼動パルス列 ５５ 即ち信号５１

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下降形放電加工（sink EDM) 装置におい
   て回路開き（オンタイム）の開始期と終了期に監視パル
   ス（モニタリング パルス）を発生し、放電波形を、波
   高値（ピーク）の９５パーセント乃至９９パーセントに
   予め設定された高電位及び波高値の２５パーセント乃至
   ９０パーセントに予め設定された低電位と、監視パルス
   が高電位である時に比較し、回路開き開始期には短絡波
   形とアーク波形に１対１に対応するパルスを作り、終了
   期には開放波形と正常波形に１対１に対応するパルスを
   作り、正常波形の場合はＺ軸サーボモーターをそのまま
   に置き、短絡波形の場合は同サーボモーターを一単位稼
   動させて放電間隔を広め、アーク波形の場合は１個乃至
   ２０個の予め設定された個数が連続に発生するとサーボ
   モーターを一単位稼動させて放電間隔を広め、同時に５
   個乃至１００個の予め設定された個数が連続に発生すれ
   ば予め定められた一定の距離だけサーボモーターを後進
   させた後同一の距離を前進させてポンプ動作をするよう
   にし、開放波形が発生する場合は１個乃至５０個の予め
   設定された個数が連続に発生すればサーボモーターを一
   単位稼動させて放電間隔を狭めることによって、放電波
   形の分類に１対１に対応する監視パルス信号だけで放電
   電極に連結されたＺ軸サーボモーターを放電加工目的に
   附合するように稼動することを特徴とする放電加工機用
   Ｚ軸サーボモーターの放電波形分類に依る作動方法。