JP4534070B2 - 形彫放電加工機ジャンプ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は導電性ワークピースを加工する放電加工機（ＥＤＭ）に関し、特に、汚れた液を加工ギャップから追い出すために工具電極を急速に昇降させる場合に、ワークピースと工具電極間に形成され液で満たされた加工ギャップに放電を発生させることに関する。

従来の放電加工は、硬い導電性ワークピースを金型へ精密に加工するために広く使用されている。典型的には、ワークピースは加工タンク中に配置されたテーブルに固定され、銅またはグラファイト工具電極は、垂直に移動可能なクイルまたはラムに工具ホルダを使用して取り付けられる。加工タンクは、例えば灯油などの誘電性液で満たされ、工具電極はワークピースに非常に近接して位置決めされる。加工ギャップとして知られる、ワークピースと工具電極の間隔の大きさは、典型的には、約２、３μｍから２、３十μｍまでの範囲である。

電力パルス「オン」タイム中に電力パルスが加工ギャップに印加されると、誘電性液の絶縁特性が壊れ放電が発生する。この時、微少量のワークピース材料が放電の熱により蒸発または溶融し、遊離された材料は誘電性液中へ流れ込む。電力パルス「オフ」タイム中、加工ギャップ中の誘電性液の絶縁特性は回復される。

電力パルス「オン」タイム中に発生した放電の結果、微小なクレータ状の穴がワークピースの表面に残る。従来の放電加工機は、加工ギャップを一定の大きさに維持するため工具電極をＺ軸に沿ってワークピースに相対的に移動させるサーボモータを備えている。

工具電極はワークピースに接触することなく微少量の材料をワークピースから除去することができるので、良好な面粗さと工具電極に相補的な形状を有するキャビティをワークピース中に正確に形成することができる。形彫放電加工機として知られているこの種の放電加工機は、走行するワイヤ電極を使用するワイヤ放電加工機と異なる。

放電加工中、ワークピースの破片を加工ギャップから除去し、それら破片による望ましくない二次放電の発生を防止することは有益である。「ジャンプ」動作を使用すると、汚れた誘電性液をギャップから実質的に追い出しながら工具電極はＺ軸に沿って急速に昇降させられる。ジャンプ動作の公知の一例では、工具電極は少なくともワークピース中に加工されているキャビティの深さだけ上昇させられる。しかしながら、キャビティの深さが大きくなると、ジャンプ動作中に工具電極に作用する正圧および負圧が増大して、工具電極が振動し変形してしまう。

特許文献１は、この種の圧力を軽減する放電加工機を開示している。図５中に示されるように、この従来の放電加工機では、工具電極は従来のジャンプ速度ｖ１よりも低い速度ｖ２でワークピースから離隔し工具電極とワークピース間の距離ｌがｌ１に達すると、ジャンプ速度がｖ２からｖ１へ上昇する。加えて、工具電極がストローク最高点から速度ｖ１でワークピースに接近するようワークピースの方向へ移動し距離ｌがｌ１に達すると、ジャンプ速度ｖ１はｖ２へ低下する。ストロークの始めと終わりでジャンプ速度を低減することによって、正圧、負圧が軽減される。

特公平４−３１８０６号公報

正圧、負圧は工具電極の大きさと形状、加工ギャップの大きさに応じて変化するので、従来技術を用いたジャンプ速度の変化は加工効率の低下を引き起こすかも知れない。さらに、ジャンプ速度の変化に加えて、従来技術は正圧および負圧の変化の軽減が不十分である。そこで、本発明は、従来の欠点を克服して加工効率を向上させる形彫放電加工機ジャンプ制御装置を提供することを課題とする。特に、本発明は、工具電極の大きさと形状、加工ギャップの大きさに関わらず工具電極を適当な速度で往復させることができる形彫放電加工機ジャンプ制御装置を提供することを課題とする。

本発明は、加工ギャップから汚れた液を追い出すためサーボモータを使用し工具電極をワークピースに対しＺ軸に沿って往復させる形彫放電加工機ジャンプ制御装置において、サーボモータ用の指令電流を発生する指令電流発生器と、ジャンプストロークの軌跡を複数のセグメントへ分割し複数のセグメント毎に指令速度を発生する速度発生器と、指令電流がサーボモータの定格電流より大きいとき指令速度を減少させるように前記指令電流に応じて速度オーバライドを発生する速度オーバライド演算器と、ジャンプストローク中の速度オーバライドに応じて指令速度を修正する指令速度修正装置を含み、指令電流発生器は、指令速度修正装置により修正された指令速度に基づいて指令電流を発生することとしたものである。

本発明によれば、指令電流に応じて速度オーバライドを発生し速度オーバライドに応じて指令速度を修正するので、ジャンプ速度を過度に低下させることがなくジャンプ動作に要する時間を短縮される。

以下に続く好適な実施形態の説明の中で、発明を実施できる特定の実施形態を実例として示すとともに説明の一部を形成する添付図面を参照する。当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を利用し変更をなすことができる。

図１は本発明による放電加工機の一例を示している。簡単に言うと、その放電加工機は、加工ギャップから汚れた液を追い出すためサーボモータを使用し工具電極をワークピースに対しＺ軸に沿って往復させるジャンプ制御装置を含む。ジャンプ制御装置は、サーボモータ用の指令電流を発生する指令電流発生器と、ジャンプストロークの軌跡を複数のセグメントに分割し複数のセグメント毎に指令速度を発生するジャンプ指令速度発生器を含む。加えて、ジャンプ制御装置は、指令電流に応じて速度オーバライドを発生する速度オーバライド演算器と、ジャンプストローク中の速度オーバライドに応じて指令速度を修正する指令速度修正装置を含む。

さらに詳細には、ワークピース１１が加工槽１３内のテーブル１０へ固定され、工具電極１５がヘッド１６の下端１４へ取り付けられている。ワークピース１１は、加工槽１３の内部へ供給された誘電性液１８中に浸漬している。テーブル１０は直交するＸＹ軸の方向に水平に移動し、サーボモータ１７はＺ軸の方向にヘッド１６を垂直に移動させる。工具電極１５は２、３μmから２、３十μmの大きさの加工ギャップを形成するようワークピース１１に近接して位置決めされる。

電源（図示されていない）から供給された電力パルスの印加の結果、加工ギャップに放電が発生する。放電を繰り返すことによって、ワークピース１１から材料が除去され工具電極１５はＺ軸に沿って徐々に下降することができる。このようにして、工具電極１５に相補的な形状のキャビティ１２がワークピース１１中に形成される。

入力装置と表示装置（どちらも図示されていない）を備えた数値制御装置２２が、数値制御（「ＮＣ」）プログラムと操作者入力を解読する。加えて、数値制御装置２２は、種々の指令信号、例えば電力パルスの供給、誘電性液の供給および工具電極１５の移動を制御する信号を発生する。種々のフィードバック信号、例えば機械の動作状態およびワークピース１１の状態を表す信号が数値制御装置２２へ戻される。

加工中、加工ギャップ間の電圧（「ギャップ電圧」として知られている）が検出され、平均ギャップ電圧は数値制御装置２２中に記憶された基準サーボ電圧と比較される。数値制御装置２２は比較結果に応じてサーボモータ１７を制御し加工ギャップを所望の大きさに維持する。例えば基準サーボ電圧、電流ピーク、電力パルスのオンタイムとオフタイムのような条件の設定は、通常、いくつかの加工ステップに応じて徐々に変化させられる。

ワークピース１１中のキャビティ１２に関して、まず荒加工は材料除去速度を考慮して比較的高いエネルギーを使用して実行される。キャビティ１２は表面粗さと寸法精度を考慮して比較的低いエネルギーで仕上げ工程を受ける。数値制御装置２２が加工ギャップ中にワークピース１１の破片が過度に滞留していると判断すると、ジャンプ指令ｊｍがモーションプランナ２４へ送られ、そこでジャンプ指令ｊｍは工具電極１５にジャンプ動作を実行させる。ジャンプ指令ｊｍは破片の過度な滞留を解消するように発生させられ、例えば１または２ｍｓ毎に発生させられる。

ジャンプ指令ｊｍは、例えばＮＣプログラム内に初期設定されたジャンプ条件に関する情報を含む。ある装置では、操作者が加工中ジャンプ条件の設定を変更できる。ジャンプ条件は、例えば、上昇時間ＵＰ、ジャンプストローク間の休止時間ＤＮ、ジャンプ速度ＪＳを含む。図２を参照すると、上昇時間ＵＰはジャンプ開始の時刻ｔｓからストローク最高点Ｐの時刻ｔｍまでの時間であり、通常は約１０ｍｓから数秒までの範囲で設定できる。

ストローク最高点Ｐは、工具電極１５がワークピースから最も離れた位置である。一つのジャンプストロークに要する時間はおおよそ上昇時間ＵＰの倍である。上昇時間ＵＰを大きくすると加工ギャップから効果的に破片を除去できるけれども、材料除去速度を低下させてしまう。ある装置では、ジャンプ速度ＪＳは、１ｍ／分から３０ｍ／分の範囲で設定される。しかしながら、他の速度も考えられる。

モーションプランナ２４はジャンプ指令ｊｍ中に含まれるジャンプ条件に関する情報に基づいて運動プログラムを作成し、そこでモーションプログラムは最適な速度プロファイルとしての最適な軌跡を工具電極１５へ提供する。モーションプランナ２４はその軌跡を多数のセグメントへ分割し、セグメント毎に指令位置θｒとセグメント時間ｔをタイムベース制御器２６へ送る。セグメント時間ｔは、セグメントの開始点からセグメントが終了した時に指令位置θｒへ工具電極１５を移動またはサーボモータ１７を回転させるために必要な時間である。したがって、指令位置θｒとセグメント時間ｔは指令速度を形成する。

セグメント時間ｔは一回のジャンプストロークに要する時間よりも実質的に短い時間、例えば１００μsに設定される。セグメントの軌跡は、数式１の３次曲線によって表される。

指令速度修正装置としてのタイムベース制御器２６が速度オーバライドＶｏｒを入力し、速度オーバライドＶｏｒに応じて指令速度を修正する。ある装置では、タイムベース制御器２６は、指令速度を修正するためにセグメント時間ｔを修正し、指令位置θｒと修正したセグメント時間ｔｂａｒを位置・速度ループ３０へ送る。適当な位置センサによって検出された工具電極１５またはサーボモータ１７の位置である実位置θが減算器３２へ戻される。減算器３２は指令位置θｒを入力し指令位置θｒと実位置θ間の偏差θｅを求める。

乗算器３４が、偏差θｅにゲインＫｐを掛け速度基準Ｖｒを減算器３６へ送る。実速度θｄｏｔが、実位置θを微分する微分器４４から減算器３６へ戻される。乗算器３８が、速度基準Ｖｒと実速度θｄｏｔ間の偏差であるに偏差ＶｅにゲインＫｖを掛け、指令電流Ｉｑｒを電流ループ４２へ送る。電流ループ４２は、指令電流Ｉｑｒに応じて、サーボモータ１７を駆動する電流Ｉｑを供給する。

本発明のジャンプ制御装置は、指令電流Ｉｑｒに応じて、速度オーバライド制御を実行する。速度オーバライド演算器５２が指令電流Ｉｑｒを入力し、オーバライド設定に基づいて速度オーバライドＶｏｒをリアルタイムに求める。オーバライド設定は指令電流Ｉｑｒと速度オーバライドＶｏｒとの関係を定めており、速度オーバライドＶｏｒはタイムベース制御器２６へ供給される。タイムベース制御器２６は指令速度が速度オーバライドＶｏｒに応じて変化するようセグメント時間ｔを修正する。速度オーバライドＶｏｒは百分率によって表され、最大値は１００％として表される。

修正されたセグメント時間ｔｂａｒは数式２によって表される。

オーバライド設定は、例えば図３中の値ｅ、ｆ、ｇを含む。指令電流Ｉｑｒが値ｅよりも小さいと、速度オーバライドＶｏｒは１００である。ある装置では、値ｅはサーボモータの定格電流またはそれよりわずかに小さい値を表す。指令電流Ｉｑｒが値ｆより大きいと、速度オーバライドＶｏｒは値ｇである。値ｇは最小の速度オーバライドＶｏｒであり、図３の例では１０へ設定されている。速度オーバライドＶｏｒは、値ｅから値ｆへ増加する指令電流Ｉｑｒに比例して１００から値ｇへ減少する。

負圧および正圧に因りサーボモータ１７がジャンプ動作中に動作していない場合、指令電流Ｉｑｒが上昇する。図４中に示されるように、ジャンプ開始時ｔｓに負圧に因り指令電流Ｉｑｒが値ｆを超えて上昇すると、速度オーバライドＶｏｒは１０になる。時刻ｔ１に指令電流Ｉｑｒが値ｍへ降下すると、速度オーバライドＶｏｒは５０になる。時刻ｔ２に指令電流Ｉｑｒが値ｅより小さくなると、速度オーバライドＶｏｒは１００になりタイムベース制御器２６はセグメント時間ｔに等しいセグメント時間ｔｂａｒを発生する。

時刻ｔｍで工具電極１５はワークピース１１から最大限に離隔し、その後工具電極１５はワークピース１１へ向けて移動する。時刻ｔ３で正圧のため指令電流Ｉｑｒが値ｍより小さくなると速度オーバライドＶｏｒは５０になる。時刻ｔ４で指令電流Ｉｑｒが値ｆを超えてさらに上昇すると速度オーバライドＶｏｒは１０になる。時刻ｔｅ後、工具電極１５は加工ギャップが所望の大きさになるようギャップ電圧と基準サーボ電圧との偏差に応じて移動させられる。

もしジャンプ動作中に指令電流Ｉｑｒが値ｅを超えない場合、図２中に示されるように速度オーバライド演算器５２は時刻ｔｓから時刻ｔｅまで１００の速度オーバライドをタイムベース制御器２６へ供給する。その結果、図２中のジャンプ動作に要した時間は、図４中のジャンプ動作に比較して短縮され全体的な加工効率を改善する。

本発明はある特定の詳細な実施例を用いて説明された。当然のことながら、本発明は上述の実施例に限定されることなく、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって種々の変更や修正を加えることができる。

本発明によるさらに改善されたジャンプ制御装置の一例を示すブロック図である。 速度オーバライドが１０％から１００％の間で変化する時に工具電極の実位置をプロットしたグラフである。 オーバライド設定の一例を示すグラフである。 速度オーバライドが１００％に維持された時に工具電極の実位置をプロットしたグラフである。 本発明による位置制御装置の一例のブロック図である。

符号の説明

１０、テーブル
１１、ワークピース
１２、キャビティ
１３、加工槽
１４、ヘッド下端
１５、工具電極
１６、ヘッド
１７、サーボモータ
１８、誘電性液
２２、数値制御装置
２４、モーションプランナ
２６、タイムベース制御器
３０、位置・速度ループ
３２、３６、減算器
３４、３８、乗算器
４２、電流ループ
４４、微分器
５２、速度オーバライド演算器

Claims (4)

1. 加工ギャップから汚れた液を追い出すためサーボモータを使用し工具電極をワークピースに対しＺ軸に沿って往復させる形彫放電加工機ジャンプ制御装置において、
   前記サーボモータ用の指令電流を発生する指令電流発生器と、
   ジャンプストロークの軌跡を複数のセグメントへ分割し複数のセグメント毎に指令速度を発生する速度発生器と、
   前記指令電流が前記サーボモータの定格電流より大きいとき前記指令速度を減少させるように前記指令電流に応じて速度オーバライドを発生する速度オーバライド演算器と、
   ジャンプストローク中の速度オーバライドに応じて指令速度を修正する指令速度修正装置を含み、
   前記指令電流発生器は、前記指令速度修正装置により修正された指令速度に基づいて前記指令電流を発生することを特徴とする形彫放電加工機ジャンプ制御装置。
2. 前記速度オーバライド演算器は指令電流が第１の値以下であるとき１００％の速度オーバライドを発生する請求項１に記載の形彫放電加工機ジャンプ制御装置。
3. 前記第１の値は定格電流である請求項２に記載の形彫放電加工機ジャンプ制御装置。
4. 前記速度オーバライド演算器は指令電流が前記第１の値より大きい第２の値より大きいとき最小の速度オーバライドを発生する請求項２に記載の形彫放電加工機ジャンプ制御装置。

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