JP5073797B2 - 加工状態を検出するワイヤ放電加工機 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ放電加工機の加工状態を検出することが可能なワイヤ放電加工機に関する。

ワイヤ放電加工機では、ワイヤ電極と被加工物との極間に電圧を印加して放電を起すと同時に、ワイヤ電極と被加工物の相対位置を変化させ、被加工物を所望の形状に加工する。放電によって生成される放電痕が集まって加工面が形成されることから、個々の放電痕の大きさで面粗さが決定される。このため、極間に高周波電圧を印加し、短い時間幅の放電を高い頻度で繰り返せば、良好な加工面を得られることが知られている。例えば、特許文献１には、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの交流高周波電圧を極間に印加してワークを加工することにより、表面粗さが１μｍＲｍａｘ以下の加工面が得られることが開示されている。

仕上げ加工には、荒加工で加工した形状を、より高精度に修正することが要求される。荒加工後に目標寸法より大きくなった箇所は、仕上げ加工時に加工量が増えるように制御し、逆に荒加工後に目標寸法より小さくなった箇所は、仕上げ加工時に加工量が減るように制御する必要がある。つまり、仕上げ加工時には、加工状態から目標寸法より大きいか小さいかを検出し、それに応じてワイヤ電極とワークの相対位置を制御したり、加工条件の変更制御を行う必要がある。

図７に、一般的な高周波電圧波形を示す。各印加の間に、電源回路に備わったブリッジ回路がショートしないための必要最低限のデッドタイムを設けている。極間の波形は、図のように正弦波状になる。
加工状態を表す指標として最も一般的なものは、極間電圧の絶対値の平均値である。極間の平均電圧は概ね極間の間隙距離を表すので、極間の平均電圧が一定になるように軸の送り制御を行えば、高精度な加工形状を得ることができる。
しかし、良い面粗さを得るため、図７のような高周波電圧を極間に印加して仕上げ加工する場合、高周波領域では極間電圧の検出回路の応答性が悪化し、正確な平均電圧情報を得ることは難しい。また、高周波領域では検出回路の部品特性のばらつきが大きくなるため、機械ごとに検出値のばらつきが生じる。このような情報に基づいて軸の送り制御を行うと、機械ごとの加工結果に差が生じる。

この対策として、特許文献２には、交流高周波電圧に直流電圧を重畳して印加し、ローパスフィルタによって極間電圧の低周波電圧成分のみ抽出して、この電圧の変化に従ってワイヤ電極の送りを制御するという技術が開示されている。この技術では、平均電圧がゼロにならないので、ワークや加工機本体に電蝕を発生させる恐れがある。また、ローパスフィルタを使用するので、放電状態が急変するような場合には応答が悪く、追従できない恐れがある。

平均電圧以外の指標として、単位時間あたりの放電回数がある。特許文献３には、放電回数に応じて軸の送り速度や休止時間を制御する技術が開示されている。これを実現するには、極間状態を開放、放電、短絡の３つの状態に分別する必要がある。ここで、開放とは電圧印加後一度も放電しない場合であり、短絡とはワイヤ電極とワークが接触して放電が発生しない状態であり、どちらも加工には寄与しない。
しかし、図７のような正弦波状の高周波電圧を印加した場合、１印加サイクル中の印加時間が非常に長いため、放電しても極間の絶縁状態が回復すると、すぐに電圧が印加されて極間電圧が上昇してしまうため、実際に極間電圧が低下している時間が短く、このように非常に早い周波数に対しては、検出回路が応答できず、放電と開放が区別できない。

特開昭６１−２６０９１５号公報 国際公開第２００４／０２２２７５号公報 特開２００２−２５４２５０号公報

以上のように、従来の技術では、高周波の加工状態の指標としては極間電圧を検出するしか方法がなかった。しかしながら、高周波領域では検出回路の応答性や部品のばらつきの影響により、ワイヤ放電加工機の機械ごとに極間電圧の検出電圧値に差が生じてしまい、それに因って加工結果に差が現れるという問題があった。
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、機械ごとの極間電圧の検出回路のばらつきの影響を受けにくいワイヤ放電加工機を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、ワイヤ電極と該ワイヤ電極に所定間隔を置いて配置されたワークとの間である極間に高周波電圧を印加して放電を発生させワークを加工するワイヤ放電加工機において、前記ワイヤ電極と前記ワークとの極間に、正極性と負極性の両極性の電圧を１マイクロ秒以下の周期で、個々の電圧印加の間に、少なくとも印加時間以上の休止時間を設けて電圧を印加する電圧印加手段と、前記極間に発生する極間電圧を検出する極間電圧検出手段と、前記電圧印加手段によって印加される電圧の印加回数を単位時間ごとに計数する印加回数計数手段と、前記極間電圧検出手段により検出された極間電圧に基づき、電圧が印加された後に放電が発生しない開放状態を判別する開放判別手段と、前記開放判別手段が判別した開放状態を単位時間ごとに計数する開放回数計数手段と、を備え、前記印加回数計数手段が計数した単位時間あたりの印加回数と前記開放回数計数手段が計数した単位時間あたりの開放回数と電源電圧または１印加サイクルの平均電圧に基づいて前記極間の平均電圧を求めることを特徴とするワイヤ放電加工機である。
請求項２に係る発明は、前記開放判別手段は、前記休止時間内にて、全波整流された極間電圧波形と基準電圧を比較し、基準電圧より高い場合は開放状態と判断し、基準電圧より低い場合は非開放状態と判断することを特徴とする、請求項１に記載のワイヤ放電加工機である。

本発明の他の態様１は、ワイヤ電極と該ワイヤ電極に所定間隔を置いて配置されたワークとの間である極間に高周波電圧を印加して放電を発生させワークを加工するワイヤ放電加工機において、前記ワイヤ電極と前記ワークとの極間に、正極性と負極性の両極性の電圧を１マイクロ秒以下の周期で、個々の電圧印加の間に、少なくとも印加時間以上の休止時間を設けて電圧を印加する電圧印加手段と、前記極間に発生する極間電圧を検出する極間電圧検出手段と、前記電圧印加手段によって印加される電圧の印加回数を単位時間ごとに計数する印加回数計数手段と、前記極間電圧検出手段により検出された極間電圧に基づき、電圧が印加された後に放電が発生しない開放状態を判別する開放判別手段と、前記開放判別手段が判別した開放状態を単位時間ごとに計数する開放回数計数手段と、を備え、前記印加回数計数手段が計数した単位時間あたりの印加回数と前記開放回数計数手段が計数した単位時間あたりの開放回数とにより求まる開放割合と、単位時間あたりの開放割合に対する放電割合及び短絡割合の関係から放電割合を求め、該印加回数と該放電割合とを用いて単位時間あたりの放電回数と単位距離あたりの放電回数の少なくとも一方を求めることを特徴とするワイヤ放電加工機である。
他の態様２は、前記他の態様１において、前記開放判別手段は、前記休止時間内にて、全波整流された極間電圧波形と基準電圧を比較し、基準電圧より高い場合は開放状態と判断し、基準電圧より低い場合は非開放状態と判断することを特徴とするワイヤ放電加工機である。
他の態様３は、他の態様１または他の態様２の何れか一つにおいて、前記放電割合と前記短絡割合と印加回数から単位時間あたりの放電回数と短絡回数を求め、単位時間あたりの加工量と単位距離あたりの加工量の少なくとも一方を求めることを特徴とするワイヤ放電加工機である。

本発明により、機械ごとの極間電圧の検出回路のばらつきの影響を受けにくいワイヤ放電加工機を提供できる。

ワイヤ放電加工機の概略構成図である。 休止時間を設けた高周波電圧の一例を説明する図である。 加工中の極間電圧波形の例を説明する図である。 開放判別方法を説明する図である。 判定回路の一例を説明する図である。 開放割合と放電割合の関係を説明する図である。 一般的な高周波電圧の一例を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、ワイヤ放電加工機の概略構成図である。ワイヤ放電加工機内の放電加工部には、ワイヤ電極１の走行路に加工槽（図示せず）が配置されている。加工槽は加工液で満たされている。ワイヤ電極１と被加工物２とは、加工電圧供給ケーブルである給電線５を介してワイヤ放電加工用の高周波電源装置である加工電源４に接続されている。
加工電源４は、直流電圧源４１、ブリッジ回路を構成する高速スイッチング素子４２、電流制限抵抗４３を備えている。加工電源４は、加工電源制御装置８からの指令によって、ワイヤ電極１と被加工物２との間の極間に加工電源出力（図２参照）を、給電線５，給電部６を介してワイヤ電極１に印加する。被加工物２は加工電源４に給電線５を介して接続されている。

加工電源制御装置８は、数値制御装置９から印加時間、休止時間、および検出時間に関する指令を受ける。加工電源制御装置８は、数値制御装置９からの指令に基づいて加工電源４を制御する。加工電源制御装置８は、検出時間に対応してパルスを１印加サイクル毎に発生する。なお、印加時間、休止時間、および検出時間については、図２，図４，図５を用いて後述する。
加工状態検出装置７は、ワイヤ電極１と被加工物２との間の極間に発生する電圧を検出する。検出された極間に発生した電圧から、図５を用いて説明する判定回路によって、単位時間あたりの印加サイクル回数と開放回数が求められる。これら単位時間あたりの印加サイクル回数と開放回数のデータは数値制御装置９に送られる。
数値制御装置９は、加工状態検出装置７から送られる単位時間あたりの印加サイクル回数と開放回数に基づいて、サーボ駆動装置１０を制御する。サーボ駆動装置１０によって図示しないサーボモータを駆動し、ワイヤ電極１と被加工物２とを相対的に移動させることによって、被加工物２に放電加工を行う。

図２は、ワイヤ電極１と被加工物２との間の極間に、正極性と負極性の両極性の電圧を１マイクロ秒以下の周期で、個々の電圧印加の間に、少なくとも印加時間以上の休止時間を設けて電圧を印加する例を説明する図である。
図２（１）は図１に示される高速スイッチング素子４２のオン指令を表している。図２（２）は加工電源４から出力される加工電源出力の波形である。図２（３）は（２）の加工電源出力によって生じる極間に印加される極間電圧の波形である。図２では正極性と逆極性が交互に印加されているが、正極性が２回以上連続してもよいし、逆極性が２回以上連続してもよい。この方式では、極間および給電線に浮遊容量が存在するために、放電が発生しない場合には電圧の低下が無視できる程度であるため、休止時間中は電圧波形が平坦となり、極間電圧波形は台形状となる。

しかし、この極間電圧の台形状の波形においても、短絡と放電を区別するのは困難である。これは、短絡時と、印加後アーク電圧に達した後間もなく放電した時の電圧波形が似ているためである。すなわち、加工状態検出装置７に極間電圧を電送する１対のケーブルは、一方が図１の給電部６、他方が被加工物２を固定する図示しないテーブル間に取り付けられるが、給電部６内の図示しない給電子とワイヤ電極１の間の接触インピーダンスと、ワイヤ電極１自体のインピーダンスと、ワイヤ電極１と被加工物２の間の接触インピーダンスと、被加工物２とテーブルの間の接触インピーダンスが、極間のインピーダンスの主な要因となり、これらは高周波になるほど増大する。このため、特に高周波では短絡時でも極間に電圧が発生し、放電時との区別がつきにくいのが原因である。このような波形の一例を、図３（１）に示す。短絡か放電かを判別する方法の例として、ある放電判定レベルを設けて、その放電判定レベルを一度も超えなかったら短絡、一度でも超えたら放電と判別する（開放は後述するように明確に判別できる）。

極間の平均電圧同様、高周波では、検出回路の応答性や部品特性のばらつきの影響が大きいため、図３（１）の放電判定レベルのように、放電判定レベルを短絡時の波形のばらつきの影響が無いレベルまで高くする必要があるが、図３（１）の（ｂ）や（ｃ）のような放電波形の場合、やはり検出回路の応答性や部品特性のばらつきの影響のため、機械により短絡と判定されたり放電と判定されたりして、結局、平均電圧ほどではないが、機械ごとの加工結果に差が生じることになる。

そこで、本発明では、休止時間を設けた高周波電圧を印加する印加方法（図２参照）を用い、極間の電圧から開放状態（図３（２）の（ｅ））のみを検出し、これを元にワイヤ放電加工機の軸送り制御を行うことにする。本発明のこの方式では、上記のような検出回路のばらつきの影響を受けないため、加工結果に差異が生じない。
次に、図２の極間電圧の印加方法を用いた加工における開放状態の判別方法を、図４を用いて説明する。ここで、正極性または逆極性の電圧を印加開始し、印加停止して次に正極性または逆極性の電圧を印加開始するまでの期間を１印加サイクルとし、Ｖ１は開放判定レベル、Ｔ１は印加開始を時間の起点とし各印加サイクルにおいて開放判定を行うまでの時間を表す。開放判定レベルＶ１は電源電圧の５０〜６０％程度に選ぶのが最適である。開放状態においてはＴ１時点で極間電圧の絶対値が判定レベルＶ１を上回るのに対し、放電または短絡状態ではＴ１時点で極間電圧の絶対値が判定レベルＶ１を下回る。よって、高周波の電圧印加にて開放状態を検出するには、図２のように休止時間を設けた電圧印加方法が、非常に有効である。
なお、図４（２）ではＴ１は１印加サイクルの終了時刻としているが、図４（３）に示されるように、１印加サイクル内の印加時間後であって休止時間内のいずれかの時点である極間への電圧印加のある一定時間後としても差し支えない。

図５は極間の開放状態を判定する判定回路の一例を図示したものである。加工状態検出装置７は判定回路を備えている。極間電圧はオペアンプ７１，７２により構成される差動増幅回路に入力され所定レベルに増幅または減衰される。ここで、オペアンプ７２には、オペアンプ７１に対して反対極性の電圧が入力される。
オペアンプ７１，７２より構成される差動増幅回路で増幅または減衰された極間電圧と開放判定レベルＶ１を比較器７３，７４に入力し、Ｔ１時点での比較器の出力信号レベルを読み取る。比較器７３，７４の少なくとも一方の出力がハイレベルならば開放、ローレベルならば放電または短絡である。開放判定レベルＶ１は図中では基準電圧ＶＲで与えられている。比較器７３，７４のそれぞれの出力はＯＲゲート７５に入力し、それらの論理和がＯＲゲート７５からＡＮＤゲート７６に出力される。ＡＮＤゲート７６には、各１印加サイクルの中であって印加時間後の休止時間内のいずれかのタイミングで発生するパルスも入力する。ＡＮＤゲート７６からの出力は、比較器７３または比較器７４で開放状態を判定された場合にハイの信号を出力する。カウンタ７８は、ＡＮＤゲート７６のハイの回数である開放回数を計数するカウンタである。カウンタ７７は各１印加サイクル中に発生するパルスの数を計数することによって、印加サイクル数を得る。

カウンタ７８で単位時間ごとに開放回数を計数し、数値制御装置９（図１参照）に転送することによって、数値制御装置９は単位時間あたりの開放回数を取得できる。同時にカウンタ７７で単位時間ごとに印加サイクル回数を計数し、数値制御装置９に転送することで、数値制御装置９は開放割合（＝印加サイクル回数に対する開放回数）を算出できる。また、この単位時間あたりの開放回数を使って、数１式、数２式から近似的に極間の平均電圧を求めることが可能である。

ここで、１印加サイクルの平均電圧は加工条件に応じた値を事前に実験的に求めておく必要がある。数１式あるいは数２式で算出される平均電圧には、従来技術で問題となる機械ごとの検出回路のばらつきの影響が非常に小さい。このため、平均電圧が一定になるように軸送りをすることで、機械ごとにばらつきの無い均一な加工精度を得ることができる。

次に、開放割合から放電回数と短絡回数を求める方法を説明する。実験から、単位時間あたりの放電割合と短絡割合は、単位時間あたりの開放割合に応じてほぼ決定されるという事実が得られた（図６参照）。しかも、その関係性は機械によってほとんど変らない。
なお、実験では、極間電圧を高精度に測定可能な電圧波形測定器を用いて極間電圧を測定し、放電状態の判別を行った。この事実から、明確に判別可能な開放状態のみを検出することで、単位時間あたりの放電回数と短絡回数が推定できる。

なお、（放電割合）＋（短絡割合）＝１−（開放割合）であり、放電割合と短絡割合は、図６と測定された開放割合により求まる。

図３（１）の極間電圧波形に示されるとおり、放電にも様々なエネルギーのものが混在しており、放電一発による加工量が一定しているわけではない。このような事情を踏まえ、加工状態を表す指標として、数６式，数７式の量を用いることも考えられる。これは近似的に単位時間あたりの加工量を表す。

ここで、α，βは、それぞれ、放電１回、短絡１回が加工に寄与する度合いを表しており、実験的に求める定数である。一般にβの値は０（零）となる。これらの加工量は、従来技術で問題となる機械ごとの検出回路のばらつきの影響が非常に小さいので、例えば、単位距離あたりの加工量が一定になるように軸送りをすることで、機械ごとにばらつきの無い均一な加工精度を得ることができる。

このようにして求めた単位時間当たりの放電回数、平均電圧ともに、高周波以外においては、従来から高精度に加工するための軸送り制御に利用されているため、過去に蓄積されたワイヤ放電加工機の制御アルゴリズム（ソフトウェア）をそのまま転用できる可能性がある。

１ ワイヤ電極
２ 被加工物
３ａ，３ｂ サーボモータ
４ 加工電源
４１ 直流電圧源
４２ 高速スイッチング素子
４３ 電流制限抵抗
５ 給電線
６ 給電部
７ 加工状態検出装置
８ 加工電源制御装置
８１，８２ オペアンプ
８３ 比較器（正極性側）
８４ 比較器（逆極性側）
８５ ＯＲゲート
８６ ＡＮＤゲート
８７，８８ カウンタ
９ 数値制御装置
１０ サーボ駆動装置

Claims (2)

1. ワイヤ電極と該ワイヤ電極に所定間隔を置いて配置されたワークとの間である極間に高周波電圧を印加して放電を発生させワークを加工するワイヤ放電加工機において、
   前記ワイヤ電極と前記ワークとの極間に、正極性と負極性の両極性の電圧を１マイクロ秒以下の周期で、個々の電圧印加の間に、少なくとも印加時間以上の休止時間を設けて電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記極間に発生する極間電圧を検出する極間電圧検出手段と、
   前記電圧印加手段によって印加される電圧の印加回数を単位時間ごとに計数する印加回数計数手段と、
   前記極間電圧検出手段により検出された極間電圧に基づき、電圧が印加された後に放電が発生しない開放状態を判別する開放判別手段と、
   前記開放判別手段が判別した開放状態を単位時間ごとに計数する開放回数計数手段と、
   を備え、
   前記印加回数計数手段が計数した単位時間あたりの印加回数と前記開放回数計数手段が計数した単位時間あたりの開放回数と電源電圧または１印加サイクルの平均電圧に基づいて前記極間の平均電圧を求めることを特徴とするワイヤ放電加工機。
2. 前記開放判別手段は、前記休止時間内にて、全波整流された極間電圧波形と基準電圧を比較し、基準電圧より高い場合は開放状態と判断し、基準電圧より低い場合は非開放状態と判断することを特徴とする、請求項１に記載のワイヤ放電加工機。

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