JP5027982B2 - 放電加工装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加工液中で電極と被加工物との極間に放電を発生させて被加工物を加工する放電加工装置の改良に関し、より詳しくは、前記極間距離の変化により発生する加工反力を規定値以下に抑えることができる放電加工装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の放電加工装置の構成図であり、図において、１は電極、２は被加工物、３は加工液、４は加工槽、５は電極保持冶具、６は被加工物２を固定するための定盤、７及び８は電極１と被加工物２とのＸＹ平面内の相対移動を行うためのＸ軸及びＹ軸、９は電極１と被加工物２とのＺ方向の相対移動を行うための主軸であるＺ軸、１０、１１及び１２はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を駆動する図示しないサーボモータを駆動制御するＸ軸サーボアンプ、Ｙ軸サーボアンプ及びＺ軸サーボアンプ、１３は加工電力供給手段、１４はＮＣ装置である。
加工槽４内に加工液３を満たし、電極１と被加工物２との極間に加工電力供給手段１３により放電エネルギである加工電力を供給し、位置決め手段であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸等により電極１と被加工物２とを相対移動させて、前記極間に発生する放電により被加工物２の加工を行う。
前記位置決め手段による電極１と被加工物２との相対位置決め制御及び電気加工条件の制御等はＮＣ装置１４により統括される。
【０００３】
放電加工装置においては、放電加工中における電極１と被加工物２との極間距離の制御（加工サーボ）とは別に放電加工で発生した加工屑を極間に滞留しないように除去する手段が必要になる。このような手段の一つとして、一定時間ごとに加工を中断して電極１を被加工物２に対して高速で往復運動させる、いわゆるジャンプ動作が用いられる。このジャンプ動作によるポンピング作用により、極間から加工屑が排除され安定な放電加工を維持することができる。
放電加工装置は、粘性流体である加工液中で加工プロセスを実行するため、極間距離が変化すると、加工液の粘性による流体力を発生する。この加工反力Ｆの大きさは次式（ステファンの式）で表される。
【０００４】
Ｆ＝（3・ν・Ｖ・Ｓ２）／（2・π・Ｇ３） （１）
【０００５】
ここで、νは加工液の粘性係数、Ｖは電極と被加工物の相対移動速度、Ｓは電極面積、Ｇは極間距離である。
式（１）から、電極面積Ｓが大きい場合、ジャンプ動作等による電極と被加工物の相対移動速度Ｖが大きい場合及び極間距離Ｇが小さい場合に、特に強い加工反力Ｆが発生することがわかる。
【０００６】
図５は、電極と被加工物の極間距離Ｇが変化した場合に発生する加工反力Ｆを油圧サーボ放電加工装置を用いて測定したものであり、電極面積Ｓが９．６ｃｍ２、電極と被加工物の相対移動速度Ｖが４ｍｍ／ｓの場合を示している。極間距離Ｇが約７μｍ程度になる加工条件において、発生する加工反力Ｆの大きさは、約４４０Ｎ（約４５ｋｇｆ、加工応力は約４６Ｎ／ｃｍ２（約４．７ｋｇｆ／ｃｍ２））である。この場合の電極と被加工物の相対移動速度Ｖは油圧サーボのため４ｍｍ／ｓと例えばリニアモータサーボに比べ２桁程度小さいが、それでもなお、約４４０Ｎの加工反力（約４６Ｎ／ｃｍ２の加工応力）を生じている。
【０００７】
図５の結果を用いると、式（１）の関係から電極と被加工物の相対移動速度Ｖや電極面積Ｓが変化した場合に発生する加工反力Ｆの大きさを計算することができる。図６の（ａ）は、電極面積Ｓが９．６ｃｍ２で、電極と被加工物の相対移動速度Ｖが４００ｍｍ／ｓである場合に発生する加工反力Ｆの大きさを示したものである。これはリニアモータサーボならば実現し得る電極と被加工物の相対移動速度である。また、図６の（ｂ）は、電極面積Ｓが１００ｃｍ２で、電極と被加工物の相対移動速度Ｖが４ｍｍ／ｓである場合に発生する加工反力Ｆの大きさを示したものである。図６の（ａ）及び（ｂ）のいずれの場合においても、発生する加工反力Ｆの大きさは最大４４０００Ｎ（４５００ｋｇｆ）程度にまで増大することがわかる。
【０００８】
このような加工液中で放電加工を行う放電加工装置においては、ジャンプ動作により極間距離が変化すると必ず加工反力が発生し、このような強い加工反力が繰返し極間にかかるため、ＮＣ装置内の保護回路が作動して加工途中で停止したり、最悪の場合には電極や主軸駆動部品の損傷が生じることになる。また加工反力に比例して、電極を支持する主軸部全体の変形も大きくなるため、被加工物の最終加工精度を悪化させることになる。特に面積の大きい電極を使用する場合、ジャンプ動作速度が速い場合及び狭い極間距離を維持するような仕上げ加工の場合等には、加工反力が大きくなるため、加工条件設定時に予め主軸のジャンプ動作時の速度を抑える等の対策を講じる必要がある。
【０００９】
例えば、日本国特開平７−１２４８２１号公報には、ジャンプ動作の１工程中におけるモータトルクのピーク値の検出値と所定の基準値とを比較し、この比較結果により予め記憶しておいた補正データを用いて次のジャンプ動作の加減速度を決定する放電加工装置の主軸負荷軽減装置の開示がある。
このよう従来技術は、ステファンの式（１）の関係から、電極と被加工物の相対移動速度Ｖを小さくして加工反力Ｆを抑制する考え方に基づくものであり、Ｖを小さくすることは加工に寄与しない無駄時間であるジャンプ時間の比率が増大し、したがって全体の加工時間が増大して加工生産性が低下するという問題点があった。
また、ジャンプ動作時の加工反力によって放電加工装置の振動が励起され、この振動により加工精度が低下すると共に加工時間が増大して加工生産性が低下するという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、加工反力を略規定値以下にできると共にジャンプ動作時間を減少させることができ、したがって、主軸駆動部品等の損傷及び加工精度の低下を防止することができると共に加工生産性を向上することができる放電加工装置を得ることを目的とする。
また、ジャンプ動作に伴って発生する振動を抑制でき、したがって、さらに加工精度の低下を防止することができると共に加工生産性を向上することができる放電加工装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る放電加工装置は、加工電力供給手段により加工液中に設けられた電極と被加工物との極間に加工電力を供給し、位置決め手段により前記電極及び被加工物を相対移動させて前記被加工物の加工を行うと共に、前記位置決め手段により前記電極を前記被加工物に対して前記極間距離を一時的に増大させるように相対移動させるジャンプ動作を行う放電加工装置において、加工反力を検出する加工反力検出手段と、加工反力の規定値を設定してなる加工反力規定値設定手段と、前記加工反力検出手段により検出した加工反力の検出値と前記加工反力規定値設定手段に設定した加工反力の規定値とをリアルタイムに比較する加工反力比較手段と、前記加工反力比較手段による比較により前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値よりも大きい場合に、電極と被加工物の相対移動速度を増加させることなく制御することで前記加工反力を低減させるように制御し、その後、極間距離の増大に伴い前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値以下になった場合に、前記相対移動速度の制御を初期動作に戻すことで、前記ジャンプ動作の軌跡変更をリアルタイムに行う動作軌跡変更手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る放電加工装置は以上のように構成されているため、加工反力等と規定値とをリアルタイムに比較して行う木目細かな制御により、加工反力等を略規定値以下にできると共にジャンプ動作時間を減少させることができ、したがって、主軸駆動部品等の損傷及び加工精度の低下を防止することができると共に加工生産性を向上することができるという効果を奏する。
また、加工反力等の増加に伴ってジャンプ動作中の軌跡を急激に変更する場合においても、機械共振の励起による加工精度の低下及び残留振動による加工時間の増大を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態に係る放電加工装置の構成図であり、図において、１は電極、２は被加工物、３は加工液、４は加工槽、５は電極保持冶具、６は被加工物２を固定するための定盤、７及び８は電極１と被加工物２とのＸＹ平面内の相対移動を行うためのＸ軸及びＹ軸、９は電極１と被加工物２とのＺ方向の相対移動を行うための主軸であるＺ軸、１０、１１及び１２はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を駆動する図示しないサーボモータを駆動制御するＸ軸サーボアンプ、Ｙ軸サーボアンプ及びＺ軸サーボアンプ、１３は加工電力供給手段、１５はＮＣ装置である。
加工槽４内部に加工液３を満たし、電極１と被加工物２との極間に加工電力供給手段１３により放電エネルギである加工電力を供給し、位置決め手段であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸等により電極１と被加工物２とを相対移動させて、前記極間に発生する放電により被加工物２の加工を行う。
前記位置決め手段による電極１と被加工物２との相対位置決め制御及び電気加工条件の制御等はＮＣ装置１５により統括され、ＮＣ装置１５により加工サーボ動作及び加工屑を排出するための所定のジャンプ動作の制御が行われる。
【００１４】
図２は、この発明の実施の形態に係る放電加工装置のジャンプ動作を説明するためのブロック図であり、図１と同一符号は同一又は相当部分を示している。
図２において、９ａはＺ軸駆動用サーボモータ、９ｂは位置検出器、９ｃは速度検出器、９ｄはボールネジ、１６は電気条件及びジャンプ動作条件等の加工条件設定部、１７は加工条件設定部１６に設定された加工条件に対応した動作軌跡を作るための動作軌跡初期パラメータ記憶部、１８は加工条件設定部１６に設定された加工条件及びこの加工条件に対応する動作軌跡初期パラメータ記憶部１７のパラメータを用いて動作軌跡を演算する初期動作軌跡演算部、１９はバックラッシュ補正等の補正量を足し込んでサーボ指令周期ごとの指令値のデータをサーボアンプ１２へ送信する動作制御パラメータ演算部、２０はＺ軸駆動用サーボモータ９ａの電流検知部、２１はモータ定数記憶部、２２は加工反力及び変形量演算部、２３は加工反力規定値設定手段、２４は加工反力比較手段、２５は動作軌跡変更手段、２６は動作軌跡変更パラメータ記憶部である。
【００１５】
主軸であるＺ軸９の位置データは、位置検出器９ｂにより検出されＺ軸サーボアンプ１２に入力される。また、Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａの回転速度は、速度検出器９ｃにより検出されＺ軸サーボアンプ１２に入力される。
Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａ及びボールネジ９ｄ等からなるＺ軸９の駆動装置では、駆動力とモータ電流は比例するので、Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａのモータ定数を用いて加工反力を求めることができる。すなわち、Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａに関する定数一式を記憶したモータ定数記憶部２１のデータと電流検知部２０で検知したモータ電流値を基に、加工反力及び変形量演算部２２が駆動負荷を計算し、この駆動負荷からＺ軸動作に伴う可動部の慣性力を差し引いて加工反力を求めることができる。さらに、加工反力及び変形量演算部２２は力と変形とを換算するテーブルを備えているため、加工反力から放電加工装置本体の変形量を求めることができる。
【００１６】
図２に示したブロック図の構成においては、電流検知部２０、モータ定数記憶部２１及び加工反力及び変形量演算部２２が加工反力検出手段及び変形量検出手段に相当する。
加工反力規定値設定手段２３に設定する加工反力の規定値は、例えば主軸駆動部品の許容負荷及び電極と電極保持冶具の取付強度による許容負荷等を総合的に勘案して最も許容負荷が小さい値を設定すればよい。また、加工反力の規定値の設定は手動により入力してもよいし、電極形状データ等を基にした計算値を設定してもよい。このような規定値は、加工面積及び加工条件等により変化するため、加工進行中においても前記規定値の設定を変更することができる構成とする。
加工反力比較手段２４は、加工反力規定値設定手段２３に設定された規定値と、加工反力及び変形量演算部２２により求めた加工反力とをリアルタイムに比較する。
動作軌跡変更手段２５は、加工反力比較手段２４の判定結果により加工反力が規定以上であった場合に、動作軌跡の変更を行うための演算を行う。
動作軌跡変更パラメータ記憶部２６は、動作軌跡変更手段２５が動作する場合の動作軌跡変更制御パラメータを記憶する。
動作軌跡変更手段２５の演算により確定した動作軌跡についての制御パラメータは動作軌跡変更パラメータ記憶部２６へ保存され、次のジャンプ動作で動作軌跡を変更する必要が無い場合に、動作制御パラメータ演算部１９が動作軌跡変更パラメータ記憶部２６から制御パラメータを引き出し補正量を足し込んでサーボ指令周期ごとの指令値のデータをサーボアンプ１２へ送信する。
【００１７】
図３は、加工反力比較手段２４の比較結果により行うジャンプ動作制御の説明図であり、図３の（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ極間距離Ｇ、加工反力Ｆ及び電極と被加工物の相対移動速度Ｖの時間変化の例を示している。また、図３において、ＬＧ１は初期動作軌跡、ＬＧ２は軌跡変更後の動作軌跡（以下変更動作軌跡）、ＬＦ１は初期動作軌跡の動作で検出される加工反力、ＬＦ２は変更動作軌跡の動作で検出される加工反力、ＬＶ１は初期動作軌跡における電極と被加工物の相対移動速度、ＬＶ２は変更動作軌跡における電極と被加工物の相対移動速度を示している。
【００１８】
図３において、初期動作軌跡ＬＧ１で動作して、加工反力比較手段２４の比較結果により加工反力Ｆの絶対値が規定値ｆを超過した場合（時刻ｔ１）には、動作軌跡変更手段２５により相対移動速度Ｖを例えば略一定にして動作させる。このように動作させる理由は、時刻ｔ１の時点は極間距離Ｇを増大させる方向への動作中であり、この状態においては極間距離Ｇ及び相対移動速度Ｖが増大しているが、ステファンの式（１）より、加工反力Ｆは相対移動速度Ｖに比例し、極間距離Ｇの３乗に反比例するため、相対移動速度Ｖを略一定にしておけば、極間距離Ｇの増大に伴い、加工反力Ｆが減少するためである。
この後極間距離Ｇが増大して加工反力比較手段２４の比較結果により加工反力Ｆの絶対値が規定値ｆ以下になった場合（時刻ｔ２）に、動作軌跡変更手段２５により、動作軌跡を初期動作軌跡ＬＶ１と同様の形状の動作軌跡とする。
【００１９】
極間距離Ｇを減少させる方向への動作中（時刻ｔ３）に加工反力比較手段２４の比較結果により加工反力Ｆの絶対値が規定値ｆを超過した場合には、動作軌跡変更手段２５により相対移動速度Ｖの絶対値を設定速度Ｖｓ以下に下げて動作させる。この設定速度Ｖｓはステファンの式（１）を変形した式、Ｖmax＝（ｆ・２・π・Ｇ３）／（３・ν・Ｓ２）により、加工反力Ｆの規定値ｆを基に可能最大到達速度Ｖmaxが求められるため、この可能最大到達速度Ｖmaxに所定の係数を掛けて求めればよい。すなわち、相対移動速度Ｖを設定速度Ｖｓ（Ｖｓ＝ｋ・Ｖmax（０＜ｋ＜１））以下として動作させる。
このように動作させる理由は、時刻ｔ３の時点は極間距離Ｇを減少させる方向への動作中であり、この状態においてはステファンの式（１）より、加工反力Ｆは極間距離Ｇの３乗に反比例するため、極間距離Ｇの減少に伴い増大する傾向にある加工反力Ｆを減少させるためには、前記のように、相対移動速度Ｖを設定速度Ｖｓ以下とする必要があるためである。
【００２０】
この後極間距離Ｇがさらに減少して加工反力Ｆの絶対値が再度規定値ｆ以上になった場合（時刻ｔ４）には、前記時刻ｔ３における制御と同様の演算を動作軌跡変更手段２５が行い相対移動速度Ｖを設定速度Ｖｓ以下としてさらに相対移動速度Ｖの絶対値を下げて動作させる。
以上のような動作軌跡の制御により、変更動作軌跡ＬＧ２で検出される加工反力ＬＦ２を略加工反力の規定値ｆ以下とすることができる。
【００２１】
以上のような加工反力と規定値とをリアルタイムに比較して行う木目細かな制御により、ジャンプ動作全体として加減速度を単純に変更するものではないため、加工反力を略規定値以下にできると共にジャンプ動作時間を減少させることができ、したがって、加工生産性を向上することができる。さらに、実際の放電加工で多用させる複雑な電極形状を用いる場合にも適用することもできる。
以上のようなジャンプ動作を行う場合において、電極と被加工物の相対移動速度の指令値Ｖ（ｔ）を次式のようにフーリエ級数として合成することにより、さらに加工時間の増大を抑制することができる。
【００２２】
Ｖ(ｔ)＝Σ(Ａｋ・sin(ωｋ・ｔ＋θ)＋Ｂｋ・cos(ωｋ・ｔ＋θ)) （２）
【００２３】
ここで、ｋ＝１、２、・・・、ｔは時間、θは初期位相であり、式（２）において、ｎ番目の周波数成分が放電加工装置の機械系の共振周波数と一致又は近似する場合には、電極と被加工物の相対移動速度の指令値Ｖ（ｔ）のフーリエ級数成分のｎ番目の成分を取り除いて合成、又はｎ番目以上の高次成分を取り除いて合成する。あるいは、前記フーリエ級数成分のｎ番目の成分の振幅を微小にして合成、又はｎ番目以上の高次成分の振幅を微小にして合成する。
【００２４】
放電加工装置の機械系の共振周波数は振動モード解析等の実験により予め把握することができ、前記のように放電加工装置の機械系の共振周波数と一致又は近似する周波数成分を取り除くか、又は微小としたフーリエ級数等により合成した速度指令を用いることにより、加工反力の増加に伴ってジャンプ動作中の軌跡を急激に変更する場合においても、機械共振の励起による加工精度の低下及び残留振動による加工時間の増大を抑制することができる。
【００２５】
以上の説明においては、加工反力規定値設定手段２３に加工反力の規定値を設定して、この加工反力の規定値と加工反力の検出値とを比較したが、加工反力及び変形量演算部２２は力と変形を換算できるので、加工反力規定値設定手段２３の加工反力の規定値の代わりに変形量の規定値を設定して、この変形量の規定値と加工反力及び変形量演算部２２で検出した変形量とを比較し、この比較結果に基づいて制御を行ってもよい。あるいは、加工反力Ｆと電極面積Ｓにより加工応力Ｆ／Ｓを求めて、加工反力規定値設定手段２３の加工反力の規定値の代わりに加工応力の規定値を設定して、この加工応力の規定値と前記加工応力Ｆ／Ｓとを比較して、この比較結果に基づいて制御を行ってもよい。
【００２６】
また、以上の説明においては、加工反力及び変形量の検出をＺ軸駆動用サーボモータの電流検知及びモータ定数により演算により求めたが、センサにより直接検出してもよい。例えば、力センサ及び圧力センサ等を用いて加工反力を、レーザ変位計及び静電容量型変位センサ等を用いて変形量を検出できる。
さらに、以上の説明においては、図２のようにボールネジ９ｄを介して駆動力を伝達する放電加工装置の例について説明したが、ボールネジ９ｄを使用しないリニアモータ駆動の放電加工装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上のように、この発明に係る放電加工装置は、加工液中にて電極と被加工物との極間に放電を発生させ、この放電エネルギにより被加工物を加工する放電加工作業に用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に係る放電加工装置の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態に係る放電加工装置のジャンプ動作を説明するためのブロック図である。
【図３】 この発明の実施の形態に係る放電加工装置における加工反力比較手段の比較結果により行うジャンプ動作制御の説明図である。
【図４】 従来の放電加工装置の構成図である。
【図５】 電極と被加工物の極間距離が変化した場合に発生する加工反力の測定例を示す図である。
【図６】 加工反力と極間距離との関係を示す図である。
【０００１】
この発明は、加工液中で電極と被加工物との極間に放電を発生させて被加工物を加工する放電加工装置の改良に関し、より詳しくは、前記極間距離の変化により発生する加工反力を規定値以下に抑えることができる放電加工装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の放電加工装置の構成図であり、図において、１は電極、２は被加工物、３は加工液、４は加工槽、５は電極保持冶具、６は被加工物２を固定するための定盤、７及び８は電極１と被加工物２とのＸＹ平面内の相対移動を行うためのＸ軸及びＹ軸、９は電極１と被加工物２とのＺ方向の相対移動を行うための主軸であるＺ軸、１０、１１及び１２はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を駆動する図示しないサーボモータを駆動制御するＸ軸サーボアンプ、Ｙ軸サーボアンプ及びＺ軸サーボアンプ、１３は加工電力供給手段、１４はＮＣ装置である。
加工槽４内に加工液３を満たし、電極１と被加工物２との極間に加工電力供給手段１３により放電エネルギである加工電力を供給し、位置決め手段であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸等により電極１と被加工物２とを相対移動させて、前記極間に発生する放電により被加工物２の加工を行う。
前記位置決め手段による電極１と被加工物２との相対位置決め制御及び電気加工条件の制御等はＮＣ装置１４により統括される。
【０００３】
放電加工装置においては、放電加工中における電極１と被加工物２との極間距離の制御（加工サーボ）とは別に放電加工で発生した加工屑を極間に滞留しないように除去する手段が必要になる。このような手段の一つとして、一定時間ごとに加工を中断して電極１を被加工物２に対して高速で往復運動させる、いわゆるジャンプ動作が用いられる。このジャンプ動作によるポンピング作用により、極間から加工屑が排除され安定な放電加工を維持することができる。
放電加工装置は、粘性流体である加工液中で加工プロセスを実行するため、極間距離が変化すると、加工液の粘性による流体力を発生する。この加工反力Ｆの大きさは次式（ステファンの式）で表される。
【０００４】
Ｆ＝（3・ν・Ｖ・Ｓ２）／（2・π・Ｇ３） （１）
【０００５】
ここで、νは加工液の粘性係数、Ｖは電極と被加工物の相対移動速度、Ｓは電極面積、Ｇは極間距離である。
式（１）から、電極面積Ｓが大きい場合、ジャンプ動作等による電極と被加工物の相対移動速度Ｖが大きい場合及び極間距離Ｇが小さい場合に、特に強い加工反力Ｆが発生することがわかる。
【０００６】
図５は、電極と被加工物の極間距離Ｇが変化した場合に発生する加工反力Ｆを油圧サーボ放電加工装置を用いて測定したものであり、電極面積Ｓが９．６ｃｍ２、電極と被加工物の相対移動速度Ｖが４ｍｍ／ｓの場合を示している。極間距離Ｇが約７μｍ程度になる加工条件において、発生する加工反力Ｆの大きさは、約４４０Ｎ（約４５ｋｇｆ、加工応力は約４６Ｎ／ｃｍ２（約４．７ｋｇｆ／ｃｍ２））である。この場合の電極と被加工物の相対移動速度Ｖは油圧サーボのため４ｍｍ／ｓと例えばリニアモータサーボに比べ２桁程度小さいが、それでもなお、約４４０Ｎの加工反力（約４６Ｎ／ｃｍ２の加工応力）を生じている。
【０００７】
図５の結果を用いると、式（１）の関係から電極と被加工物の相対移動速度Ｖや電極面積Ｓが変化した場合に発生する加工反力Ｆの大きさを計算することができる。図６の（ａ）は、電極面積Ｓが９．６ｃｍ２で、電極と被加工物の相対移動速度Ｖが４００ｍｍ／ｓである場合に発生する加工反力Ｆの大きさを示したものである。これはリニアモータサーボならば実現し得る電極と被加工物の相対移動速度である。また、図６の（ｂ）は、電極面積Ｓが１００ｃｍ２で、電極と被加工物の相対移動速度Ｖが４ｍｍ／ｓである場合に発生する加工反力Ｆの大きさを示したものである。図６の（ａ）及び（ｂ）のいずれの場合においても、発生する加工反力Ｆの大きさは最大４４０００Ｎ（４５００ｋｇｆ）程度にまで増大することがわかる。
【０００８】
このような加工液中で放電加工を行う放電加工装置においては、ジャンプ動作により極間距離が変化すると必ず加工反力が発生し、このような強い加工反力が繰返し極間にかかるため、ＮＣ装置内の保護回路が作動して加工途中で停止したり、最悪の場合には電極や主軸駆動部品の損傷が生じることになる。また加工反力に比例して、電極を支持する主軸部全体の変形も大きくなるため、被加工物の最終加工精度を悪化させることになる。特に面積の大きい電極を使用する場合、ジャンプ動作速度が速い場合及び狭い極間距離を維持するような仕上げ加工の場合等には、加工反力が大きくなるため、加工条件設定時に予め主軸のジャンプ動作時の速度を抑える等の対策を講じる必要がある。
【０００９】
例えば、日本国特開平７−１２４８２１号公報には、ジャンプ動作の１工程中におけるモータトルクのピーク値の検出値と所定の基準値とを比較し、この比較結果により予め記憶しておいた補正データを用いて次のジャンプ動作の加減速度を決定する放電加工装置の主軸負荷軽減装置の開示がある。
このよう従来技術は、ステファンの式（１）の関係から、電極と被加工物の相対移動速度Ｖを小さくして加工反力Ｆを抑制する考え方に基づくものであり、Ｖを小さくすることは加工に寄与しない無駄時間であるジャンプ時間の比率が増大し、したがって全体の加工時間が増大して加工生産性が低下するという問題点があった。
また、ジャンプ動作時の加工反力によって放電加工装置の振動が励起され、この振動により加工精度が低下すると共に加工時間が増大して加工生産性が低下するという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、加工反力を略規定値以下にできると共にジャンプ動作時間を減少させることができ、したがって、主軸駆動部品等の損傷及び加工精度の低下を防止することができると共に加工生産性を向上することができる放電加工装置を得ることを目的とする。
また、ジャンプ動作に伴って発生する振動を抑制でき、したがって、さらに加工精度の低下を防止することができると共に加工生産性を向上することができる放電加工装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る放電加工装置は、加工電力供給手段により加工液中に設けられた電極と被加工物との極間に加工電力を供給し、位置決め手段により前記電極及び被加工物を相対移動させて前記被加工物の加工を行うと共に、前記位置決め手段により前記電極を前記被加工物に対して前記極間距離を一時的に増大させるように相対移動させるジャンプ動作を行う放電加工装置において、加工反力を検出する加工反力検出手段と、加工反力の規定値を設定してなる加工反力規定値設定手段と、前記加工反力検出手段により検出した加工反力の検出値と前記加工反力規定値設定手段に設定した加工反力の規定値とをリアルタイムに比較する加工反力比較手段と、前記加工反力比較手段による比較により前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値よりも大きい場合に、電極と被加工物の相対移動速度を増加させることなく制御することで前記加工反力を低減させるように制御し、その後、極間距離の増大に伴い前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値以下になった場合に、前記相対移動速度の制御を初期動作に戻すことで、前記ジャンプ動作の軌跡変更をリアルタイムに行う動作軌跡変更手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る放電加工装置は以上のように構成されているため、加工反力等と規定値とをリアルタイムに比較して行う木目細かな制御により、加工反力等を略規定値以下にできると共にジャンプ動作時間を減少させることができ、したがって、主軸駆動部品等の損傷及び加工精度の低下を防止することができると共に加工生産性を向上することができるという効果を奏する。
また、加工反力等の増加に伴ってジャンプ動作中の軌跡を急激に変更する場合においても、機械共振の励起による加工精度の低下及び残留振動による加工時間の増大を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態に係る放電加工装置の構成図であり、図において、１は電極、２は被加工物、３は加工液、４は加工槽、５は電極保持冶具、６は被加工物２を固定するための定盤、７及び８は電極１と被加工物２とのＸＹ平面内の相対移動を行うためのＸ軸及びＹ軸、９は電極１と被加工物２とのＺ方向の相対移動を行うための主軸であるＺ軸、１０、１１及び１２はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を駆動する図示しないサーボモータを駆動制御するＸ軸サーボアンプ、Ｙ軸サーボアンプ及びＺ軸サーボアンプ、１３は加工電力供給手段、１５はＮＣ装置である。
加工槽４内部に加工液３を満たし、電極１と被加工物２との極間に加工電力供給手段１３により放電エネルギである加工電力を供給し、位置決め手段であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸等により電極１と被加工物２とを相対移動させて、前記極間に発生する放電により被加工物２の加工を行う。
前記位置決め手段による電極１と被加工物２との相対位置決め制御及び電気加工条件の制御等はＮＣ装置１５により統括され、ＮＣ装置１５により加工サーボ動作及び加工屑を排出するための所定のジャンプ動作の制御が行われる。
【００１４】
図２は、この発明の実施の形態に係る放電加工装置のジャンプ動作を説明するためのブロック図であり、図１と同一符号は同一又は相当部分を示している。
図２において、９ａはＺ軸駆動用サーボモータ、９ｂは位置検出器、９ｃは速度検出器、９ｄはボールネジ、１６は電気条件及びジャンプ動作条件等の加工条件設定部、１７は加工条件設定部１６に設定された加工条件に対応した動作軌跡を作るための動作軌跡初期パラメータ記憶部、１８は加工条件設定部１６に設定された加工条件及びこの加工条件に対応する動作軌跡初期パラメータ記憶部１７のパラメータを用いて動作軌跡を演算する初期動作軌跡演算部、１９はバックラッシュ補正等の補正量を足し込んでサーボ指令周期ごとの指令値のデータをサーボアンプ１２へ送信する動作制御パラメータ演算部、２０はＺ軸駆動用サーボモータ９ａの電流検知部、２１はモータ定数記憶部、２２は加工反力及び変形量演算部、２３は加工反力規定値設定手段、２４は加工反力比較手段、２５は動作軌跡変更手段、２６は動作軌跡変更パラメータ記憶部である。
【００１５】
主軸であるＺ軸９の位置データは、位置検出器９ｂにより検出されＺ軸サーボアンプ１２に入力される。また、Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａの回転速度は、速度検出器９ｃにより検出されＺ軸サーボアンプ１２に入力される。
Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａ及びボールネジ９ｄ等からなるＺ軸９の駆動装置では、駆動力とモータ電流は比例するので、Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａのモータ定数を用いて加工反力を求めることができる。すなわち、Ｚ軸駆動用サーボモータ９ａに関する定数一式を記憶したモータ定数記憶部２１のデータと電流検知部２０で検知したモータ電流値を基に、加工反力及び変形量演算部２２が駆動負荷を計算し、この駆動負荷からＺ軸動作に伴う可動部の慣性力を差し引いて加工反力を求めることができる。さらに、加工反力及び変形量演算部２２は力と変形とを換算するテーブルを備えているため、加工反力から放電加工装置本体の変形量を求めることができる。
【００１６】
図２に示したブロック図の構成においては、電流検知部２０、モータ定数記憶部２１及び加工反力及び変形量演算部２２が加工反力検出手段及び変形量検出手段に相当する。
加工反力規定値設定手段２３に設定する加工反力の規定値は、例えば主軸駆動部品の許容負荷及び電極と電極保持冶具の取付強度による許容負荷等を総合的に勘案して最も許容負荷が小さい値を設定すればよい。また、加工反力の規定値の設定は手動により入力してもよいし、電極形状データ等を基にした計算値を設定してもよい。このような規定値は、加工面積及び加工条件等により変化するため、加工進行中においても前記規定値の設定を変更することができる構成とする。
加工反力比較手段２４は、加工反力規定値設定手段２３に設定された規定値と、加工反力及び変形量演算部２２により求めた加工反力とをリアルタイムに比較する。
動作軌跡変更手段２５は、加工反力比較手段２４の判定結果により加工反力が規定以上であった場合に、動作軌跡の変更を行うための演算を行う。
動作軌跡変更パラメータ記憶部２６は、動作軌跡変更手段２５が動作する場合の動作軌跡変更制御パラメータを記憶する。
動作軌跡変更手段２５の演算により確定した動作軌跡についての制御パラメータは動作軌跡変更パラメータ記憶部２６へ保存され、次のジャンプ動作で動作軌跡を変更する必要が無い場合に、動作制御パラメータ演算部１９が動作軌跡変更パラメータ記憶部２６から制御パラメータを引き出し補正量を足し込んでサーボ指令周期ごとの指令値のデータをサーボアンプ１２へ送信する。
【００１７】
図３は、加工反力比較手段２４の比較結果により行うジャンプ動作制御の説明図であり、図３の（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ極間距離Ｇ、加工反力Ｆ及び電極と被加工物の相対移動速度Ｖの時間変化の例を示している。また、図３において、ＬＧ１は初期動作軌跡、ＬＧ２は軌跡変更後の動作軌跡（以下変更動作軌跡）、ＬＦ１は初期動作軌跡の動作で検出される加工反力、ＬＦ２は変更動作軌跡の動作で検出される加工反力、ＬＶ１は初期動作軌跡における電極と被加工物の相対移動速度、ＬＶ２は変更動作軌跡における電極と被加工物の相対移動速度を示している。
【００１８】
図３において、初期動作軌跡ＬＧ１で動作して、加工反力比較手段２４の比較結果により加工反力Ｆの絶対値が規定値ｆを超過した場合（時刻ｔ１）には、動作軌跡変更手段２５により相対移動速度Ｖを例えば略一定にして動作させる。このように動作させる理由は、時刻ｔ１の時点は極間距離Ｇを増大させる方向への動作中であり、この状態においては極間距離Ｇ及び相対移動速度Ｖが増大しているが、ステファンの式（１）より、加工反力Ｆは相対移動速度Ｖに比例し、極間距離Ｇの３乗に反比例するため、相対移動速度Ｖを略一定にしておけば、極間距離Ｇの増大に伴い、加工反力Ｆが減少するためである。
この後極間距離Ｇが増大して加工反力比較手段２４の比較結果により加工反力Ｆの絶対値が規定値ｆ以下になった場合（時刻ｔ２）に、動作軌跡変更手段２５により、動作軌跡を初期動作軌跡ＬＶ１と同様の形状の動作軌跡とする。
【００１９】
極間距離Ｇを減少させる方向への動作中（時刻ｔ３）に加工反力比較手段２４の比較結果により加工反力Ｆの絶対値が規定値ｆを超過した場合には、動作軌跡変更手段２５により相対移動速度Ｖの絶対値を設定速度Ｖｓ以下に下げて動作させる。この設定速度Ｖｓはステファンの式（１）を変形した式、Ｖmax＝（ｆ・２・π・Ｇ３）／（３・ν・Ｓ２）により、加工反力Ｆの規定値ｆを基に可能最大到達速度Ｖmaxが求められるため、この可能最大到達速度Ｖmaxに所定の係数を掛けて求めればよい。すなわち、相対移動速度Ｖを設定速度Ｖｓ（Ｖｓ＝ｋ・Ｖmax（０＜ｋ＜１））以下として動作させる。
このように動作させる理由は、時刻ｔ３の時点は極間距離Ｇを減少させる方向への動作中であり、この状態においてはステファンの式（１）より、加工反力Ｆは極間距離Ｇの３乗に反比例するため、極間距離Ｇの減少に伴い増大する傾向にある加工反力Ｆを減少させるためには、前記のように、相対移動速度Ｖを設定速度Ｖｓ以下とする必要があるためである。
【００２０】
この後極間距離Ｇがさらに減少して加工反力Ｆの絶対値が再度規定値ｆ以上になった場合（時刻ｔ４）には、前記時刻ｔ３における制御と同様の演算を動作軌跡変更手段２５が行い相対移動速度Ｖを設定速度Ｖｓ以下としてさらに相対移動速度Ｖの絶対値を下げて動作させる。
以上のような動作軌跡の制御により、変更動作軌跡ＬＧ２で検出される加工反力ＬＦ２を略加工反力の規定値ｆ以下とすることができる。
【００２１】
以上のような加工反力と規定値とをリアルタイムに比較して行う木目細かな制御により、ジャンプ動作全体として加減速度を単純に変更するものではないため、加工反力を略規定値以下にできると共にジャンプ動作時間を減少させることができ、したがって、加工生産性を向上することができる。さらに、実際の放電加工で多用させる複雑な電極形状を用いる場合にも適用することもできる。
以上のようなジャンプ動作を行う場合において、電極と被加工物の相対移動速度の指令値Ｖ（ｔ）を次式のようにフーリエ級数として合成することにより、さらに加工時間の増大を抑制することができる。
【００２２】
Ｖ(ｔ)＝Σ(Ａｋ・sin(ωｋ・ｔ＋θ)＋Ｂｋ・cos(ωｋ・ｔ＋θ)) （２）
【００２３】
ここで、ｋ＝１、２、・・・、ｔは時間、θは初期位相であり、式（２）において、ｎ番目の周波数成分が放電加工装置の機械系の共振周波数と一致又は近似する場合には、電極と被加工物の相対移動速度の指令値Ｖ（ｔ）のフーリエ級数成分のｎ番目の成分を取り除いて合成、又はｎ番目以上の高次成分を取り除いて合成する。あるいは、前記フーリエ級数成分のｎ番目の成分の振幅を微小にして合成、又はｎ番目以上の高次成分の振幅を微小にして合成する。
【００２４】
放電加工装置の機械系の共振周波数は振動モード解析等の実験により予め把握することができ、前記のように放電加工装置の機械系の共振周波数と一致又は近似する周波数成分を取り除くか、又は微小としたフーリエ級数等により合成した速度指令を用いることにより、加工反力の増加に伴ってジャンプ動作中の軌跡を急激に変更する場合においても、機械共振の励起による加工精度の低下及び残留振動による加工時間の増大を抑制することができる。
【００２５】
以上の説明においては、加工反力規定値設定手段２３に加工反力の規定値を設定して、この加工反力の規定値と加工反力の検出値とを比較したが、加工反力及び変形量演算部２２は力と変形を換算できるので、加工反力規定値設定手段２３の加工反力の規定値の代わりに変形量の規定値を設定して、この変形量の規定値と加工反力及び変形量演算部２２で検出した変形量とを比較し、この比較結果に基づいて制御を行ってもよい。あるいは、加工反力Ｆと電極面積Ｓにより加工応力Ｆ／Ｓを求めて、加工反力規定値設定手段２３の加工反力の規定値の代わりに加工応力の規定値を設定して、この加工応力の規定値と前記加工応力Ｆ／Ｓとを比較して、この比較結果に基づいて制御を行ってもよい。
【００２６】
また、以上の説明においては、加工反力及び変形量の検出をＺ軸駆動用サーボモータの電流検知及びモータ定数により演算により求めたが、センサにより直接検出してもよい。例えば、力センサ及び圧力センサ等を用いて加工反力を、レーザ変位計及び静電容量型変位センサ等を用いて変形量を検出できる。
さらに、以上の説明においては、図２のようにボールネジ９ｄを介して駆動力を伝達する放電加工装置の例について説明したが、ボールネジ９ｄを使用しないリニアモータ駆動の放電加工装置であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上のように、この発明に係る放電加工装置は、加工液中にて電極と被加工物との極間に放電を発生させ、この放電エネルギにより被加工物を加工する放電加工作業に用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に係る放電加工装置の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態に係る放電加工装置のジャンプ動作を説明するためのブロック図である。
【図３】 この発明の実施の形態に係る放電加工装置における加工反力比較手段の比較結果により行うジャンプ動作制御の説明図である。
【図４】 従来の放電加工装置の構成図である。
【図５】 電極と被加工物の極間距離が変化した場合に発生する加工反力の測定例を示す図である。
【図６】 加工反力と極間距離との関係を示す図である。
Claims (7)
- 加工電力供給手段により加工液中に設けられた電極と被加工物との極間に加工電力を供給し、位置決め手段により前記電極及び被加工物を相対移動させて前記被加工物の加工を行うと共に、前記位置決め手段により前記電極を前記被加工物に対して前記極間距離を一時的に増大させるように相対移動させるジャンプ動作を行う放電加工装置において、
加工反力を検出する加工反力検出手段と、
加工反力の規定値を設定してなる加工反力規定値設定手段と、
前記加工反力検出手段により検出した加工反力の検出値と前記加工反力規定値設定手段に設定した加工反力の規定値とをリアルタイムに比較する加工反力比較手段と、
前記加工反力比較手段による比較により前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値よりも大きい場合に、電極と被加工物の相対移動速度を増加させることなく制御することで前記加工反力を低減させるように変更動作軌跡制御し、その後、極間距離の増大に伴い前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値以下になった場合に、前記変更動作軌跡制御を終了することで、前記ジャンプ動作の軌跡変更をリアルタイムに行う動作軌跡変更手段と、
を備えたことを特徴とする放電加工装置。 - 加工電力供給手段により加工液中に設けられた電極と被加工物との極間に加工電力を供給し、位置決め手段により前記電極及び被加工物を相対移動させて前記被加工物の加工を行うと共に、前記位置決め手段により前記電極を前記被加工物に対して前記極間距離を一時的に増大させるように相対移動させるジャンプ動作を行う放電加工装置において、
加工反力を検出する加工反力検出手段と、
加工反力の規定値を設定してなる加工反力規定値設定手段と、
前記加工反力検出手段により検出した加工反力の検出値と前記加工反力規定値設定手段に設定した加工反力の規定値とを比較する加工反力比較手段と、
前記極間が増大する方向への動作中に前記加工反力比較手段による比較により前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値よりも大きい場合には、前記電極と被加工物の相対移動速度Ｖを略一定にして動作させ、前記極間が減少する方向への動作中に前記加工反力比較手段による比較により前記加工反力の検出値が前記加工反力の規定値よりも大きい場合には、前記相対移動速度Ｖの絶対値を設定速度Ｖｓ＝ｋ・Ｖｍａｘ（０＜ｋ＜１、Ｖｍａｘは可能最大到達速度であり、Ｖｍａｘ＝（ｆ・２・π・Ｇ３）／（３・ν・Ｓ２）、ｆは前記加工反力の規定値、Ｇは前記極間距離、νは前記加工液の粘性係数、Ｓは前記電極面積）以下に下げて動作させるように前記ジャンプ動作の軌跡変更を行う動作軌跡変更手段と、
を備えたことを特徴とする放電加工装置。 - 加工電力供給手段により加工液中に設けられた電極と被加工物との極間に加工電力を供給し、位置決め手段により前記電極及び被加工物を相対移動させて前記被加工物の加工を行うと共に、前記位置決め手段により前記電極を前記被加工物に対して前記極間距離を一時的に増大させるように相対移動させるジャンプ動作を行う放電加工装置において、
放電加工装置本体の変形量を検出する変形量検出手段と、
放電加工装置本体の変形量の規定値を設定してなる変形量規定値設定手段と、
前記変形量検出手段により検出した変形量の検出値と前記変形量規定値設定手段に設定した変形量の規定値とをリアルタイムに比較する変形量比較手段と、
前記変形量比較手段による比較により前記変形量の検出値が前記変形量の規定値よりも大きい場合に、電極と被加工物の相対移動速度を増加させることなく制御することで前記変形量を低減させるように変更動作軌跡制御し、その後、極間距離の増大に伴い前記変位量の検出値が前記変位量の規定値以下になった場合に、前記変更動作軌跡制御を終了することで、前記ジャンプ動作の軌跡変更をリアルタイムに行う動作軌跡変更手段とを備えたことを特徴とする放電加工装置。 - 加工電力供給手段により加工液中に設けられた電極と被加工物との極間に加工電力を供給し、位置決め手段により前記電極及び被加工物を相対移動させて前記被加工物の加工を行うと共に、前記位置決め手段により前記電極を前記被加工物に対して前記極間距離を一時的に増大させるように相対移動させるジャンプ動作を行う放電加工装置において、
加工応力を検出する加工応力検出手段と、
加工応力の規定値を設定してなる加工応力規定値設定手段と、
前記加工応力検出手段により検出した加工応力の検出値と前記加工応力規定値設定手段に設定した加工応力の規定値とをリアルタイムに比較する加工応力比較手段と、
前記加工応力比較手段による比較により前記加工応力の検出値が前記加工応力の規定値よりも大きい場合に、電極と被加工物の相対移動速度を増加させることなく制御することで前記加工応力を低減させるように変更動作軌跡制御し、その後、極間距離の増大に伴い前記加工応力の検出値が前記加工応力の規定値以下になった場合に、前記変更動作軌跡制御を終了することで、前記ジャンプ動作の軌跡変更をリアルタイムに行う動作軌跡変更手段とを備えたことを特徴とする放電加工装置。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記規定値を加工面積及び加工条件等に応じて変更することを特徴とする放電加工装置。
- 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記ジャンプ動作における前記電極と被加工物の相対移動速度の指令値をフーリエ級数として合成し、このフーリエ級数を、ｎ番目の周波数成分が機械系の共振周波数と一致又は近似する場合には、前記フーリエ級数成分のｎ番目の成分を取り除いて合成、又はｎ番目以上の高次成分を取り除いて合成することを特徴とする放電加工装置。
- 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記ジャンプ動作における前記電極と被加工物の相対移動速度の指令値をフーリエ級数として合成し、このフーリエ級数を、ｎ番目の周波数成分が機械系の共振周波数と一致又は近似する場合には、前記フーリエ級数成分のｎ番目の成分の振幅を微小にして合成、又はｎ番目以上の高次成分の振幅を微小にして合成することを特徴とする放電加工装置。
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