JP4569973B2 - 放電加工装置及び方法、並びに放電発生を判別する方法 - Google Patents

Description

本発明は工具電極と導電性ワーク間に形成された加工間隙に電圧を印加してワークを加工する放電加工装置に関する。特に、本発明は、加工間隙間の電圧のフィードバックに応答して加工間隙のサイズを制御する装置に関する。

一般に、加工間隙間の電圧（「間隙電圧」）は、加工間隙のサイズまたは距離に比例するとみなされている。加工間隙のサイズまたは距離を最適値に維持するため、間隙電圧は放電加工用ＮＣ装置に帰還される。ＮＣ装置は、工具電極をワークに相対的に移動させるため間隙電圧フィードバックに応じてモータを制御する。放電加工機として、主にワイヤ放電加工機と形彫り放電加工機が知られている。形彫り放電加工機における工具電極の位置は、間隙電圧の平均値（「平均間隙電圧」）をサーボ基準電圧に維持するように制御される。このようにして、加工間隙は一定のサイズに維持され、放電加工によってワークから材料が除去され続け、工具電極は垂直なＺ軸の方向にワークへ向かって進められる。

ワイヤ放電加工におけるワイヤ電極の速度は、ほとんどの場合、平均間隙電圧をサーボ基準電圧に維持するよう制御される。このように、加工間隙のサイズは最適値に維持され、ワイヤ電極は制御速度でＸＹ平面内をプログラム経路に沿って移動させられる。加工間隙のサイズを最適値に維持するため工具電極の位置または速度を間隙電圧のフィードバックに応じて制御することは、サーボ制御と呼ばれている。サーボ制御装置は、平均間隙電圧がサーボ基準電圧より小さければ加工間隙が狭すぎると判断し加工間隙のサイズを大きくする。反対に、平均間隙電圧がサーボ基準電圧より大きければ、加工間隙を小さくする制御が実行される。

特許文献１は、サーボ制御パラメータとして平均間隙電圧を検出するワイヤ放電加工機を開示している。その公報のワイヤ放電加工機には平均間隙電圧を放電周波数によって除算する除算回路が設けられ、除算回路の出力と設定値との偏差に応じて加工間隙のサイズが制御されている。

近年、１μｍＲｍａｘ以下の小さい面粗さ及び高い寸法精度が放電加工機に要求されている。特許文献２は、まさにそのような小さい面粗さにワークを仕上げるため高周波交流電圧を加工間隙に印加する電源装置を開示している。高周波交流電圧を印加することによって非常に短いオン時間をもつ電流パルスを加工間隙中に繰り返し発生させることができる。

特開２００２−１４４１５３号公報 特許第３０２０７９５号公報

このようなμｍ水準の仕上げでは、ワークから加工屑がほとんど発生しない。たとえそうであっても、もし微細な加工屑が加工間隙中に漏れ電流を誘発してしまうと、電源装置から加工間隙へ印加されたエネルギーの全てが放電発生に投入されない。その結果、無負荷電圧が低下してしまい、予定したよりも小さいエネルギーの電流パルスが発生してしまう、あるいはまったく電流パルスが発生しないかもしれない。もし、無負荷電圧の低下に因り平均間隙電圧も低下すると、サーボ制御装置は、加工間隙を大きくするという不適当な制御を行ってしまう。こうして十分な量の材料がワークから除去されず、所望の水準の面粗さが得られない。

そこで、本発明は、所期の回数の放電が発生するよう加工間隙を制御して安定な放電加工を実現する放電加工装置及び方法を提供することを目的とする。また、本発明は、交流電圧を加工間隙に印加した場合に放電の発生を正確に判別できる方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、工具電極を使用してワークを放電加工する放電加工装置は、放電を発生させるため工具電極とワーク間に形成された加工間隙に電圧を印加する電源装置と、工具電極をワークに相対的に移動させるモータと、所定期間内に発生した放電の回数をカウントし計数を発生する放電カウンタと、モータ駆動用の位置指令または速度指令を発生するためその計数にゲインを掛ける第１の間隙制御器と、間隙電圧を検出する間隙電圧検出器と、第２の所定期間内に間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントし第２の計数を発生する反転カウンタと、第２の計数が設定値に到達したとき放電が発生したと判定する放電判別器と、を含む。

また、その放電加工装置は、平均間隙電圧を検出する平均間隙電圧検出器と、モータ駆動用の位置指令または速度指令を発生するため平均間隙電圧とサーボ基準電圧との偏差に第２のゲインを掛ける第２の間隙制御器と、第１及び第２の間隙制御器のうち一方を選択的に動作させるサーボ制御パラメータ選択器とを備えることも可能である。

本発明の他の側面によれば、工具電極とワーク間に形成された加工間隙に放電を発生させることによってワークを加工する放電加工方法は、放電を発生させるため加工間隙に電圧を印加するステップと、所定期間内に発生した放電の回数をカウントし計数を発生するステップと、その計数にゲインを掛けた移動量に応じて加工間隙のサイズを制御するステップと、第２の所定期間内に間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントし第２の計数を発生するステップと、第２の計数が設定値に到達したとき放電が発生したと判定するステップと、を含む。

本発明のさらに他の側面によれば、放電加工用工具電極とワーク間に形成された加工間隙中の放電発生を判別する方法は、加工間隙に交流電圧を印加するステップと、所定期間内に間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントし計数を発生するステップと、その計数を設定値と比較し計数が設定値に到達したとき放電が発生したと判定するステップとを含む。

本発明によれば、所期の量の材料をワークから除去し所望の水準の面粗さが得られる。また、交流電圧の印加に因り発生する放電は正確に検出される。また、サーボ制御パラメータを加工段階に応じて適当に選択することができる。

図１、図２、図３及び図４を参照して本発明の放電加工装置を詳細に説明する。ワイヤ放電加工装置１では、工具電極であるワイヤ電極Ｅが上側ガイド組立体２と下側ガイド組立体３との間に連続的に供給される。テーブル４が加工槽８内に設けられ、ワークスタンド６がテーブル４へ垂直に固定されている。ワークＷが適当な締付治具によってワークスタンド６へ取り付けられている。加工中、加工槽８は加工液である誘電性液で満たされている。ワイヤ電極ＥとワークＷは適当な電力ケーブルによって電源装置５へ接続されている。電源装置５は、ワイヤ電極ＥとワークＷ間に形成された加工間隙に放電を発生させるため、加工間隙に直流電圧または交流電圧を供給することができる。電源装置５は、直流電圧パルスを印加する直流電源装置を含んでいる。電源装置５は、更に、直流電圧を交流電圧へ変換する装置、または交流電源装置を含んでいる。

テーブル４をＸＹ平面内で移動させるＸ軸モータ７１とＹ軸モータ７２が、ワイヤ放電加工装置１の適当な位置に設けられている。制御装置１０が、Ｘ軸及びＹ軸モータ７１、７２、電源装置５及び加工液供給装置９を制御している。加工中、直流電圧パルスまたは交流電圧が加工間隙に印加されながら、ワイヤ電極ＥはＸＹ平面内のプログラム経路に沿ってワークＷに相対的に移動させられる。加工液供給装置９は加工液を加工間隙に供給し、ワークＷから除去された加工屑を継続的に洗い流す。

図２中に示されるように、制御装置１０は、サーボ制御パラメータ選択器２０、間隙電圧検出器２２、平均間隙電圧検出器３５、サーボ基準電圧記憶部３６、反転カウンタ４２、設定反転回数記憶部４３、放電カウンタ４５及び間隙制御器５０を含んでいる。これら各部は協働してモータ７の移動量を制御する機能を果たしている。

説明を単純にするため、図２中にただ１つのモータを示している。サーボ制御パラメータ選択器２０は選択ボタンを備え、平均間隙電圧選択ゾーン３０と放電発生回数選択ゾーン４０のうち一方を選択的に動作させる。言うまでもなく、サーボ制御パラメータ選択器２０は、平均間隙電圧または放電発生回数のどちらかをサーボ制御パラメータとして選択する機能を有する。もし操作者が選択ボタンをＯＦＦにすると、平均間隙電圧が選択され平均間隙電圧選択ゾーン３０が機能する。もし操作者が選択ボタンをＯＮにすると、放電発生回数が選択され放電発生回数選択ゾーン４０が機能する。通常、μｍ水準の精密さを要求する仕上げ（以下、単純に「仕上げ」）の場合、選択ボタンはＯＮであり、仕上げ前の荒加工では選択ボタンはＯＦＦである。間隙電圧検出器２２は加工間隙間の電圧を検出し、平均電圧を平均間隙電圧検出器３５と反転カウンタ４２へ供給する。放電発生回数選択ゾーン４０は、反転カウンタ４２、設定反転回数記憶部４３、放電判別器４４、放電カウンタ４５及び第１の間隙制御器４８を含んでいる。

平均間隙電圧検出器３５は間隙電圧の平均を検出し、検出された平均間隙電圧を第２の間隙制御器３８へ供給する。電源装置５が交流電圧を加工間隙に印加する場合、図３中に示されるように、間隙電圧の絶対値を所定期間Ｔｄ０ごとに積算することによって平均間隙電圧が得られる。期間Ｔｄ０は、例えば、交流電圧の一周期である。高周波の交流電圧を加工間隙に供給すれば、微小なエネルギーの放電も高頻度に繰り返し発生させて仕上げを高速かつ高精度に行うことができる。

放電発生回数がサーボ制御パラメータとして選択されると、放電が高周波交流電圧の半周期内に発生したか否かを正確に判定する必要がある。したがって、間隙電圧の反転回数を用いて交流電圧の半周期内の放電発生を判別する。図４中に示されるように、反転カウンタ４２は、間隙電圧が所定期間Ｔｄ２内に上昇または下降のいずれかへ反転した回数をカウントする。期間Ｔｄ２は、加工間隙への電圧印加が開始した時点ｔ１から電圧が零になる時点ｔ２までの期間である。特に、期間Ｔｄ２は交流電圧の半周期である。反転回数は、例えば、間隙電圧を所定の閾値と比較することによって得られる。あるいは、非常に短い期間ごとに間隙電圧を検出し、検出した間隙電圧の前後の値の偏差を求め、その偏差がプラス側またはマイナス側へ反転した回数を求めることによって、間隙電圧の反転回数をカウントすることもできる。

反転カウンタ４２は計数を放電判別器４４へ供給する。期間Ｔｄ２内に放電が発生したか否かを判定するために必要とされる反転回数が設定され、設定値は設定反転回数記憶部４３中に記憶される。放電判別器４４は設定反転回数記憶部４３中の設定値を読み出し、計数を設定値と比較することによって放電が発生したか否かを判定する。計数が設定値以上であれば、放電が発生したと判定される。反対に、計数が設定値未満であれば、放電は発生しなかったと判定される。放電カウンタ４５は所定の期間Ｔｄ１内の放電回数をカウントすると共に、第１の間隙制御器４８へ計数を供給する機能を有する。期間Ｔｄ１は期間Ｔｄ２よりも長い。

間隙制御器５０は第１及び第２の間隙制御器４８、３８を有し、選択されたサーボ制御パラメータに基づいてモータ７の移動量を計算する。間隙制御器５０は移動量を位置指令または速度指令の形式でモータ７の駆動部（図示されていない）に供給する。モータ７の位置は位置検出器７４によって検出される。位置フィードバックは間隙制御器５０へ送られ、間隙制御器５０は常に位置フィードバックが位置指令に一致しているか否かを監視している。第１の間隙制御器４８はモータ７の移動量を計算する数式１とゲインを予め記憶している。

ここで、ａ１はモータの移動量、ｙは放電回数の計数、ｆ（ｙ）はゲインである。

第１の間隙制御器４８は数式１に基づいて放電回数の計数にゲインを掛けてモータ７の移動量を計算する。計算結果は位置指令または速度指令としてモータ７の駆動部に送られる。仕上げを行うときは、第１の間隙制御器４８が所望回数の放電を引き起こすように工具電極ＥをワークＷに相対的に移動させる。その結果、ワークＷは所定水準の面粗さに仕上げられる。第２の間隙制御器３８はモータ７の移動量を計算する数式２とゲインを予め記憶している。

ここで、ａ２はモータの移動量、Ｂは平均間隙電圧とサーボ基準電圧との偏差、ｆ（Ｂ）はゲインである。第２の間隙制御器３８は、平均間隙電圧をサーボ基準電圧と比較し、もしそれらが異なれば数式２に基づいてモータ７の移動量を計算する。

次に、図５及び図６のフローチャートを参照して制御装置１０のサーボ制御を説明する。まず、加工に先立って、操作者が荒加工から仕上げに至る加工条件を設定する。サーボ基準電圧は加工条件に含まれ、サーボ基準電圧の設定値はサーボ基準電圧記憶部３６中に記憶される。放電が発生したか否かを判定するために必要とされる反転回数も設定される。反転回数の設定値は設定反転回数記憶部４３中に記憶される。

図５中のステップＳ１で、サーボ制御パラメータ選択器２０はサーボ制御パラメータとして平均間隙電圧を選択し、制御装置１０は交流電圧または直流電圧の印加によってワークＷの荒加工を開始する。ステップＳ２で、平均間隙電圧検出器３５は交流電圧の１周期Ｔｄ０中の平均間隙電圧を検出する。ステップＳ３で、第２の間隙制御器３８は平均間隙電圧をサーボ基準電圧記憶部３６中のサーボ基準電圧と比較する。平均間隙電圧がサーボ基準電圧と異なるときは、プロセスはステップＳ４へ進む。そうでなければ、プロセスはステップＳ２へ戻る。ステップＳ４では、第２の間隙制御器３８はモータ７を駆動するため数式２に基づいて位置指令または速度指令を計算する。ステップＳ５で、モータ７は駆動部からの位置指令または速度指令に基づいて駆動される。ステップＳ６で、第２の間隙制御器３８は、位置検出器７４からの位置フィードバックを位置指令と比較する。あるいは、第２の間隙制御器３８は速度フィードバックを速度指令と比較する。位置フィードバックの微分値を速度フィードバックとすることができる。位置フィードバックが位置指令に到達したときは、ステップＳ７で第２の間隙制御器３８はモータ７を停止させる。ステップＳ２からＳ７までの動作は、ステップＳ８で荒加工が終了するまで繰り返される。

次に、図６中のステップＳ１１で、サーボ制御パラメータ選択器２０はサーボ制御パラメータとして放電発生回数を選択し、制御装置１０は交流電圧の印加によってワークＷの仕上げを開始する。交流電圧の周波数はおよそ１ＭＨｚに設定されている。ステップＳ１２で、反転カウンタ４２と放電カウンタ４５がリセットされる。ステップＳ１３で、反転カウンタ４２は間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントする。ステップＳ１４で期間Ｔｄ２が経過したら、プロセスはステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５で、反転カウンタ４２は放電判別器４４へ計数を供給し再びリセットされる。ステップＳ１６で、放電判別器４４は計数を設定反転回数記憶部４３中の設定値と比較する。もし計数が設定値に到達すれば、プロセスはステップＳ１７へ進む。そうでなければ、プロセスはステップＳ１８へ飛ぶ。ステップＳ１７で、放電判別器４４は放電が発生したと判定し放電カウンタ４５は計数を１つ増加する。ステップＳ１８で期間Ｔｄ１が経過すれば、プロセスはステップＳ１９へ進む。そうでなければ、プロセスはステップＳ１３まで戻る。ステップＳ１９で、放電カウンタ４５は計数を第１の間隙制御器４８へ供給し再びリセットされる。ステップＳ２０で、第１の間隙制御器４８はモータ７を駆動するため数式１に基づいて位置指令または速度指令を計算する。ステップＳ２１、Ｓ２２及びＳ２３は、ステップＳ５、Ｓ６及びＳ７と同じである。ステップＳ１２からステップＳ２３までの動作は、ステップＳ２４で仕上げが終了するまで繰り返される。

本発明を開示された形式に限定することを意図するものではない。上述の説明を参照して多くの改良および変形が可能であることは明らかである。例えば、サーボ制御パラメータは操作者が操作ボタンを使用して変えている。これに代えて、荒加工が終了すると自動的に、サーボ制御パラメータが平均間隙電圧から放電発生回数へ変わるようにしても良い。実施例は本発明の本質と実用化を説明するために選んだものである。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、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められる。

本発明の放電加工装置を示す図である。 図１の制御装置を示すブロック図である。 交流電圧を加工間隙に印加した時の間隙電圧と平均間隙電圧を示すタイミングチャートである。 交流電圧を加工間隙に印加した時の反転回数の計数を示すタイミングチャートである。 サーボ制御パラメータとして平均間隙電圧を選択した時の制御装置の動作を示すフローチャートである。 サーボ制御パラメータとして放電発生回数を選択した時の制御装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１、ワイヤ放電加工装置
２、上側ガイド組立体
３、下側ガイド組立体
４、テーブル
５、電源装置
６、ワークスタンド
７、モータ
８、加工槽
９、加工液供給装置
１０、制御装置
２０、サーボ制御パラメータ選択器
２２、間隙電圧検出器
３０、平均間隙電圧選択ゾーン
３５、平均間隙電圧検出器
３６、サーボ基準電圧記憶部
３８、第２の間隙制御器
４０、放電発生回数選択ゾーン
４２、反転カウンタ
４３、設定反転回数記憶部
４４、放電判別器
４５、放電カウンタ
４８、第１の間隙制御器
５０、間隙制御器
７１、Ｘ軸モータ
７２、Ｙ軸モータ
７４、位置検出器
Ｅ、ワイヤ電極
Ｗ、ワーク

Claims (7)

1. 工具電極を使用してワークを放電加工する放電加工装置において、放電を発生させるため工具電極とワーク間に形成された加工間隙に電圧を印加する電源装置と、工具電極をワークに相対的に移動させるモータと、第１の所定期間内に発生した放電の回数をカウントし第１の計数を発生する放電カウンタと、モータ駆動用の位置指令または速度指令を発生するため第１の計数に第１のゲインを掛ける第１の間隙制御器と、間隙電圧を検出する間隙電圧検出器と、第２の所定期間内に間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントし第２の計数を発生する反転カウンタと、前記第２の計数が設定値に到達したとき放電が発生したと判定する放電判別器と、を含むことを特徴とする放電加工装置。
2. 前記間隙電圧検出器は交流電圧を検出し前記第２の所定期間は前記交流電圧の半周期であることを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
3. 平均間隙電圧を検出する平均間隙電圧検出器と、モータ駆動用の位置指令または速度指令を計算するため前記平均間隙電圧とサーボ基準電圧との偏差に第２のゲインを掛ける第２の間隙制御器と、前記第１及び第２の間隙制御器のうち１つを選択的に動作させるサーボ制御パラメータ選択器とを含むことを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
4. 工具電極とワーク間に形成された加工間隙中に放電を発生させてワークを加工する放電加工方法において、放電を発生させるため加工間隙に電圧を印加するステップと、所定期間内に発生した放電の回数をカウントし計数を発生するステップと、前記計数にゲインを掛けた移動量に応じて加工間隙のサイズを制御するステップと、第２の所定期間内に間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントし第２の計数を発生するステップと、前記第２の計数が設定値に到達したとき放電が発生したと判定するステップと、を含むことを特徴とする放電加工方法。
5. 電圧を印加するステップは交流電圧を加工間隙に印加するステップを含み、前記第２の所定期間は前記交流電圧の半周期であることを特徴とする請求項４に記載の放電加工方法。
6. 放電加工用工具電極とワーク間に形成された加工間隙中の放電発生を判別する方法において、加工間隙に交流電圧を印加するステップと、所定期間内に間隙電圧が上昇または下降へ反転した回数をカウントし計数を発生するステップと、前記計数を設定値と比較し前記計数が前記設定値に到達したとき放電が発生したと判定するステップとを含むことを特徴とする放電発生を判別する方法。
7. 前記第２の所定期間は前記交流電圧の半周期であることを特徴とする請求項６に記載の放電発生を判別する方法。

Images