JP3830655B2 - 放電加工装置用スイッチング回路の保護回路 - Google Patents

放電加工装置用スイッチング回路の保護回路 Download PDF

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電加工間隙に加工用パルスエネルギーを供給するためのスイッチング回路を(過電流による破損から)保護するための保護回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
被加工物を放電加工するための加工用パルスエネルギーを直流電源から放電加工間隙に繰り返し供給するため、直流電源を放電加工間隙にスイッチング回路を介して接続しておき、このスイッチング回路を所要の繰り返し時間間隔でオン、オフ制御するようにした構成が従来から採用されてきている。放電加工装置においてこのような目的で用いられている従来のスイッチング回路は、ゲート制御回路からのゲート制御パルス信号に応答してオン、オフ制御される半導体スイッチング素子を用いて構成されているため、何らかの理由で半導体スイッチング素子のオン、オフ制御動作にエラーが生じて半導体スイッチング素子に予定よりも長い時間電流が連続的に流れるとそこでの過度の電力損失により焼損事故等を生じることになる。
【0003】
このような損傷事故が生じるのを防止するため、半導体スイッチング素子がオン状態のときにそこに流れる電流のレベルを制限するようにした回路構成、或いは、半導体スイッチング素子に流れる電流のレベルをモニターしておき、半導体スイッチング素子に過大な電力損失が生じることのないようゲート制御信号を制御するようにした回路構成が従来公知である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の回路構成では、半導体スイッチング素子と直列に抵抗器を設けることなしに放電加工間隙へ供給される加工用パルスエネルギーをそのオン時間の制御のみで制御するようにした無抵抗方式のスイッチング回路には適用することができない。一方、後者の回路構成によると、検出した電流値によるゲート制御信号への補正にエラーが生じたり或いは雑音等が影響する等して、半導体スイッチング素子をオンとするためのゲート制御信号の時間幅が予定の時間幅よりも長くなってしまった場合には半導体スイッチング回路を保護することができない場合が生じる。
【0005】
本発明の目的は、したがって、放電加工間隙に加工用パルスエネルギーを供給するためのスイッチング回路の構成内容によらずスイッチング回路に流れる電流によってスイッチング回路が破損するのを確実に護ることができるようにした、放電加工装置用スイッチング回路の保護回路を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、ゲート制御用パルス信号に応答してオン、オフ制御される半導体スイッチング素子を含んで成り該半導体スイッチング素子のオン、オフ動作に従って直流電源から放電加工間隙に加工用パルスエネルギーを供給するためのスイッチング回路を保護するための保護回路であって、クロックパルスを出力するクロックパルス発生手段と、前記ゲート制御用パルス信号に応答し前記ゲート制御用パルス信号によって前記半導体スイッチング素子が導通状態に制御される期間中だけリセット状態が解除され前記クロックパルスの発生数を計数する計数手段と、前記ゲート制御用パルス信号に応答し前記ゲート制御用パルス信号によって前記半導体スイッチング素子が導通状態に制御される期間中だけリセット状態が解除され前記計数手段の計数結果が所定値に達したときに生じる所定のレベル状態をラッチするラッチ手段と、該ラッチ手段に応答し該ラッチ手段が前記所定のレベル状態をラッチしている期間中は前記ゲート制御用パルス信号に応答して前記半導体スイッチング素子がオン状態となるのを禁止する手段とを備えて成っている点にある。
【0007】
所定値は、半導体スイッチング素子に予定した時間を大幅に越えて電流が連続的に流れて自らが破損し、又はスイッチング回路の他の部分がそのために破損したりすることがないようにするため、スイッチング回路に使用されている素子の定格等を考慮したその時の加工用パルス電流に対する最大許容時間を越えないように適宜に定めることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【0009】
図1は、本発明による保護回路を備えたワイヤカット放電加工装置の実施の形態の一例を示す概略構成図である。Wは被加工物、Eはワイヤー電極、5aは放電加工用パルスエネルギーを供給するための直流電源でその負極は一対の通電コマK1、K2によってワイヤー電極Eと電気的に接続されている。直流電源5aの正極は、ダイオードD及びスイッチング素子TRAから成るスイッチング回路SWを介して被加工物Wに接続されている。
【0010】
スイッチング素子TRAは、所要の電流容量を確保するために複数のFET素子から成っているが、これらのFET素子はゲート制御回路3からの一組のゲート制御パルス信号Gate1+、Gate1−に応答して同時にオン、オフ制御されるため、図1では1つのスイッチング素子として示されている。本実施の形態では、スイッチング素子TRAは、FET素子16個を1組として2組を用いて構成されている。各FET素子の耐電圧は500V、各定格電流は20A、パルス電流で50Aである。したがって、スイッチング素子TRAによって1600Aのピーク電流が供給できる。もしこれらのFET素子がオンし続けると、スイッチング回路SW中に電流制限抵抗が含まれていないので、そこに流れる電流が増加し続けてこれらのFET素子が破損する上にスイッチング回路SWが燃えてしまう。このような事故が生じるのを防止するため、保護回路7が設けられている。
【0011】
ゲート制御回路3から出力されるゲート制御信号Gate2は、電流制限抵抗器Rと共に別のスイッチング回路を構成するスイッチング素子TRBをオン、オフ制御するための信号であり、スイッチング素子TRBがオンとなると直流電源5bの電圧が放電加工間隙Gに印加され、これにより放電加工間隙Gにおいて放電が開始せしめられる。放電加工間隙Gにおいて放電が開始されたか否かは、検出回路4において検出され、検出回路4で放電の開始が検出されるとスイッチング素子TRBはオフとされ、ゲート制御パルス信号Gate1+、Gate1−が出力されてスイッチング素子TRAがオンとなる。
【0012】
7は本発明により構成された保護回路である。保護回路7は、ゲート制御回路3の誤動作により又は外部からの雑音の影響等によりゲート制御パルス信号Gate1+、Gate1−が予定したタイミングで「L」レベルにならず、スイッチング素子TRAが予定のオン時間を超えて閉状態となり、これにより流れる電流によってスイッチング回路SWが損傷するという事態が生じるのを確実に防止する目的で設けられている。
【0013】
なお、1は、キーボード等から成る入力装置とCRT表示装置(いずれも図示せず)とを具えて成る公知の構成の数値制御装置であり、放電加工のための電気的加工条件の設定がここで行われ、電気的加工条件の設定信号がゲート制御回路3に送られる。
【0014】
外部記憶装置(HDD)2は、保護回路7から後述するようにして出力されて数値制御装置1に入力されるエラー信号GErrの発生を記録しておくために用いられている。エラー信号GErrが数値制御装置1に送られてくると、図示しないCRT表示装置上に異常の発生を表示すると共に、その発生回数或いは発生頻度、その時使用されていた加工条件などが加工の履歴として外部記憶装置2に保存される。
【0015】
次に、図2及び図3を参照して保護回路7の構成について説明する。
【0016】
ノイズ等の影響を受け難くする目的で、ゲート制御回路3の1組の出力ライン3A、3Bに同時に出力される1組のゲート制御パルス信号Gate1+、Gate1−は、ラインレシーバ71によってスイッチング素子TRAのオン、オフを制御するための所要のゲート制御パルス信号Gate1bとして取り出され(図3(B))、アンドゲート76の一方の入力端子76Aに印加される。
【0017】
72は2MHzのクロックパルスCLK(図3(A))を出力するクロック発生器であり、クロックパルスCLKは、ゲート制御パルス信号Gate1bがリセット信号CLR/(図3(C))としてそのリセット端子Rに印加されているカウンタ73のクロック入力端子CKに与えられている。なお、本実施の形態では、クロックパルス信号CLKは、ゲート制御パルス信号Gate1bとは同期していない。
【0018】
カウンタ73は、リセット信号CLR/が「L」レベルの場合にリセット状態とされ、リセット信号CLR/が「H」レベルとなったときにそのリセット状態が解除され、クロック入力端子CKに入力されるクロックパルスCLKの個数を計数する。カウンタ73はその計数値が所定値nに達したときに出力端子Qのレベルが「H」となるように構成されている。この所定値nの設定方法については後述する。なお、カウンタ73はシフトレジスタにて構成することも可能である。
【0019】
74は出力端子Qの出力に応答して動作するラッチ回路で、そのリセット端子Rにはリセット信号CLR/が印加されており、カウンタ73の場合と同様に、ラッチ回路74はリセット信号CLR/が「L」レベルとなったときにリセットされる。したがって、リセット信号CLR/が「H」レベルとなっている場合にはラッチ回路74のリセット状態は解除されており、出力端子Qのレベルが「H」となると、ラッチ回路74はこの「H」レベルの状態をラッチし、この「H」レベルの信号をその出力端子OUTからエラー信号GErrとして出力する。
【0020】
エラー信号GErrは、先に説明したように数値制御装置1に送られると共に、インバータ75でレベル反転してイネーブル信号GEnbとされ、イネーブル信号GEnbはアンドゲート76の他方の入力端子76Bに印加される。アンドゲート76は、イネーブル信号GEnb及びゲート制御パルス信号Gate1bに応答し、スイッチング素子TRAをオン、オフ制御するための制御信号Gate1(図3(F))がアンドゲート76から出力され、スイッチング素子TRAのゲート電極に印加される。
【0021】
次に、図2に示した保護回路7の動作について、図3を参照しながら説明する。
【0022】
ゲート制御回路3では、数値制御装置1から送られてくる電気的加工条件に従ってスイッチング素子TRAを繰り返しオン、オフさせるために必要なゲート制御パルス信号Gate1+、Gate1−を出力し、保護回路7のラインレシーバ71によってゲート制御パルス信号Gate1bが得られている。本実施の形態では、スイッチング素子TRAのオン制御時間の長さはTG(図3(B)参照)に定められている。
【0023】
したがって、時点T1においてゲート制御パルス信号Gate1bのレベルが「L」から「H」になると、アンドゲート76の一方の入力端子76Aのレベルが「H」となる。これと同時にカウンタ73及びラッチ回路74のリセット状態が解除される。このときカウンタ73の計数値は0であるから、出力端子Qのレベルは「L」であり、ラッチ回路74の出力端子OUTのレベルもまた「L」である。この結果、イネーブル信号GEnbのレベルは「H」となってアンドゲート76の他方の入力端子76Bのレベルが「H」となるので、制御信号Gate1のレベルが「H」となって、スイッチング素子TRAがオンとなり、放電加工間隙Gには直流電源5aから高レベルの放電加工電流が流れ込む。
【0024】
カウンタ73にセットされる所定値nは、ゲート制御パルス信号Gate1bのパルス幅が、すなわちスイッチング素子TRAのオン時間が、スイッチング回路SWに対する最大許容オン時間ONMAXを超えたか否かを判別するための数として定められるものであり、クロックパルスCLKの周期をt(図2(A)参照)としたとき、ONMAX/tカウント目がnに設定されている。
【0025】
図3に示す例では、ゲート制御パルス信号Gate1bは時点T1において「H」レベルとなった後、所定のオン時間TG経過後の時点T2で「L」になっている。このため、カウンタ73のカウント値はnより小さい4であり、したがって、出力端子Qが「H」となる前にカウンタ73がリセットされることになる。この結果、エラー信号GErrは出力されず、アンドゲート76からはゲート制御パルス信号Gate1bがそのまま制御信号Gate1として出力される(図3(B)、(C)、(D))。
【0026】
次に、何らかの理由により、時点T3で「H」レベルとなったときのゲート制御パルス信号Gate1bのパルス幅がTGより大きくなりONMAXを超えるTBとなってしまった場合の動作について説明する。
【0027】
カウンタ73及びラッチ回路74のリセット状態は時点T3において解除され、カウンタ73においてクロックパルスCLKの計数が0から開始される。カウンタ73での計数値が4になってもゲート制御パルス信号Gate1bのレベルが「L」とならないため、カウンタ73の計数値がさらに増加し、時点T4においてnとなるとその出力端子Qが「H」レベルとなり、ラッチ回路74の出力端子OUTから出力されるエラー信号GErrのレベルが「H」となる(図3(D))。この結果、イネーブル信号GEnbのレベルがT4で「L」となり、アンドゲート76が閉じられるので、ゲート制御パルス信号Gate1bのレベルが「H」状態のままであっても制御信号Gate1のレベルは「L」となり、スイッチング素子TRAが強制的にオフとされ、スイッチング回路SWに損傷を生じることが確実に防止される。
【0028】
スイッチング回路SWを介して高レベルの電流を短期間繰り返し放電加工間隙Gに供給する構成においては、スイッチング素子TRAのON時間が若干長くなっただけでもスイッチング回路SWの焼損などの事故を生じることになるが、保護回路7を用いることにより、ゲート制御パルス信号Gate1bのパルス幅が予定値TGよりどんなに大きくなってもカウンタ73において設定された計数値nによって定まる時間n×tを越えてスイッチング素子TRAがオン状態を連続して持続することがない。すなわち、スイッチング素子TRAのオン時間がスイッチング回路SWに対する最大許容時間ONMAXを越えるのを確実に防止できるので,スイッチング回路SWの破損や焼損を確実に防止することができる。したがって、例えばスイッチング素子が破損した場合、それを実装している基板の焼損が生じて基板の交換が必要となるのでメンテナンスに不都合であるが、保護回路7を用いればこのような不都合を生じさせることがない。
【0029】
また、スイッチング回路が本実施の形態に示したように無抵抗回路としてスイッチング回路中の抵抗分を少なくし、放電電流の立ち上がりを早くして、高いエネルギーを持つ放電の回数を多くして加工速度の改善を図るようにした場合、1000Aを1μsec位で立ち上げるため、これ以上小さくできない回路の抵抗分に対して280Vと基準電圧を高くすることで所望の立ち上がり時間と電流値を得ている。しかしこの場合飽和電流が14000Aとなり、これを流すためには、スイッチング素子TRAを構成する各FET素子のピーク電流を50Aとすると、FET素子の数は280個となってしまう。これはコスト面や設計上不都合であり、実際にはFET素子の数は所望の電流値から数十個に減らし、ピーク電流以上流れないような範囲のパルスを制御されたゲート制御パルス信号として上位から与えている。ところが電気的なノイズや制御ソフトウェアのバグなど、何らかの原因でゲート制御パルス信号の時間幅が長くなってしまった場合にはFET素子が過電流により破損してしまう。保護回路7を用いればこのような現象を上述の如くして有効に防ぐことができる。
【0030】
以上、本発明を無抵抗方式のスイッチング回路の保護のための実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、他の種々の形式のスイッチング回路に対しても同様にして適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【0031】
また、形彫り放電加工装置において電流制限抵抗を備えた方式のスイッチング回路に本発明の技術思想を利用すれば、何らかの原因で設定された加工パルス時間以上のゲート制御信号がスイッチング回路に与えられ、正常な放電が所定時間以上継続してアーク放電に移行し被加工物に損傷を与えるという問題も防止することが出来る。この場合、設定ゲート制御パルス時間を基にカウントするクロックパルス数を適宜設定できる回路を付加すれば良いことは、容易に本発明構成から理解できるであろう。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、スイッチング回路を構成するスイッチング素子のオン、オフ制御のためのゲート制御パルス信号のパルス幅が何らかの原因で広くなってしまったとしても、スイッチング回路に流れる電流の通電時間を所定の許容時間以下に確実に抑えることができるので、スイッチング回路の損傷や焼損の事故を確実に防止することができる。
【0033】
一般にスイッチング素子の破損等が生じた場合、それを実装している基板の焼損が生じるため、基板の交換が必要となりメンテナンス上手間が掛かることになるが、本発明によれば、このような基板交換を殆どなくすことができる。したがって、上述したメンテナンスにおける手間の増大を懸念することなしにスイッチング素子の数を減らしてスイッチング素子1個当りに流す電流の値を大きくすることができるので、放電加工装置のコスト面、性能面における向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による保護回路を具えたワイヤカット放電加工装置の実施の形態の一例を示す概略構成図。
【図2】図1に示した保護回路の詳細回路図。
【図3】図2の各部における信号の波形図。
【符号の説明】
5a 直流電源
72 クロック発生器
73 カウンタ
74 ラッチ回路
75 インバータ
76 アンドゲート
CLK クロックパルス
CLR/ リセット信号
G 放電加工間隙
Gate1 制御信号
Gate1+、Gate1−、Gate1b ゲート制御パルス信号
GEnb イネーブル信号
GErr エラー信号
SW スイッチング回路
TRA スイッチング素子

Claims (1)

  1. ゲート制御用パルス信号に応答してオン、オフ制御される半導体スイッチング素子を含んで成り該半導体スイッチング素子のオン、オフ動作に従って直流電源から放電加工間隙に加工用パルスエネルギーを供給するためのスイッチング回路を保護するための保護回路であって、
    クロックパルスを出力するクロックパルス発生手段と、
    前記ゲート制御用パルス信号に応答し前記ゲート制御用パルス信号によって前記半導体スイッチング素子が導通状態に制御される期間中だけリセット状態が解除され前記クロックパルスの発生数を計数する計数手段と、
    前記ゲート制御用パルス信号に応答し前記ゲート制御用パルス信号によって前記半導体スイッチング素子が導通状態に制御される期間中だけリセット状態が解除され前記計数手段の計数結果が所定値に達したときに生じる所定のレベル状態をラッチするラッチ手段と、
    該ラッチ手段に応答し該ラッチ手段が前記所定のレベル状態をラッチしている期間中は前記ゲート制御用パルス信号に応答して前記半導体スイッチング素子がオン状態となるのを禁止する手段と
    を備えて成っていることを特徴とする放電加工装置用スイッチング回路の保護回路。
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