JP5236368B2

JP5236368B2 - 単一電源を備えたワイヤ放電加工機

Info

Publication number: JP5236368B2
Application number: JP2008174400A
Authority: JP
Inventors: 章義川原; 正生村井; 章博桜井; 廉夫中島
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: JP2010012551A

Description

本発明は、所定の間隙をもって対向配置されたワイヤ電極と被加工物との間（以下、「極間」という）に間欠的な放電を発生させ、被加工物を加工する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を相対的に移動させて加工を行う。通常、ワイヤ電極と被加工物の相対移動速度は、極間の電圧を検出し、検出した電圧をローパスフィルタを用いて平均化処理を行い、その平均化処理された電圧（以下、「平均電圧」という）を基に制御される。

放電の頻度は極間の間隙距離と相関があり、相対的に間隙が狭いほど放電の頻度は高くなり、逆に間隙が広いと放電の頻度は低くなる。放電すると電圧が低下するため、放電の頻度が高いほど極間の平均電圧は低く、放電の頻度が低いと逆に極間の平均電圧は高くなるので、極間の平均電圧により極間の間隙距離を推定できる。

従来は、ワイヤ電極と被加工物に並列接続したコンデンサに充電し、コンデンサからの放電を利用して加工していたこともあり、片極性の電圧で加工していた。そのため、検出した極間電圧をそのまま平均化処理して、その平均電圧に基づいて前記相対移動速度を制御していた。

近年、電解腐食による加工面質の低下を防ぐため、交流電圧による加工が主流となっている。このため、加工中の極間電圧を整流し一方の極性の電圧に変換し、その平均電圧に基づき前記相対移動速度を制御するのが一般的である。図１（ａ）は、ワイヤ放電加工機に用いられる放電加工用電源装置の一般的な構成を示すブロック図である。図１に示す放電加工用電源装置３’は、外部からの指令に基づいて高周波交流電圧を発生させ、ワイヤ電極１と被加工物２との極間に印加する。そうすると、極間に高周波の放電が発生し、放電加工が実施される。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す放電加工用電源装置で極間に印加される無負荷電圧波形の一例である。図１（ｂ）に示されるように、極間に印加される高周波交流電圧は、０（Ｖ）を中心に対称に振動する波形である。

正極性加工と逆極性加工時において、繰り返し周波数１ＭＨｚ以上の短い時間幅の等しい高周波交流電圧を一定の電圧値で継続的に加工間隙である極間に印加し、高い繰り返し頻度で放電を発生させることによって、面粗さの非常に細かな加工面が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の高周波電圧を用いることで、１μｍＲｍａｘ以下、また、特許文献２には、７ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの高周波電圧を用いることで、０．５μｍＲｍａｘ以下の加工面が得られることが開示されている。

特許文献３には、高周波電源を用いるワイヤ放電加工機において、極間に交流高周波電圧に加え、直流電圧を印加する手段と、前記極間電圧から低周波成分を検出する低周波検出手段（ローパス・フィルタ）とを備えることで、極間の状態を示す信号を得る技術が開示されている。

特開昭６１−２６０９１５号公報特開平７−９２５８号公報特許第３８４２２７９号公報

特許文献１や特許文献２に開示されるように高周波電圧の周波数は高く、整流回路の動作限界を超えるため、整流した電圧から極間の状態を判別することは困難である。数ＭＨｚ以上、具体的には１ＭＨｚ以上の交流高周波電源を用いる場合には、極間電圧に応じた前記相対移動速度の制御は困難であり、安定した加工を行えない場合がある。

また、特許文献３に開示されるように直流電圧を印加し極間の状態を検出する技術では、極間電圧が片極性に偏ってしまうため、電解腐食による加工面質の低下を防止することが困難である。

そこで本発明は、交流高周波電圧を極間に印加しつつ、極間電圧が片極性に偏ることなく、極間の状態を示す信号を得ることが可能なワイヤ放電加工機を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、所定の間隙をもって対向配置されたワイヤ電極と被加工物との間である極間に交流高周波電圧を印加して放電を発生させ加工を行うワイヤ放電加工機において、単一電源で交流高周波電圧に交流低周波成分を重畳する電圧印加手段と、
極間の電圧から交流低周波成分を検出する低周波成分検出手段と、を備えた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、前記単一電源で交流高周波電圧に交流低周波成分を重畳する電圧印加手段は、直流電圧源と、該直流電圧源をワイヤ電極が（＋）、被加工物が（−）の向きに断続的に極間に印加するためのスイッチング素子の組と、該直流電圧源をワイヤ電極が（−）、被加工物が（＋）の向きに断続的に極間に印加するためのスイッチング素子の組と、各々のスイッチング素子の組に対し独立に駆動信号を発生させる駆動信号発生器とを備え、スイッチング素子の組を交互に駆動することで交流高周波電圧を極間に印加し、各々のスイッチング素子の組に対し独立にデューティ比を時間変化させることで低周波成分を重畳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。

本発明により、極間に交流高周波電圧を印加しつつ、極間電圧が片極性に偏ることなく、極間の状態を示す信号を得ることが可能なワイヤ放電加工機を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図２は本発明の単一電源を備えたワイヤ放電加工機の実施形態の要部ブロック図である。加工槽６は加工液７で満たされている。被加工物２は加工槽６の加工液７に浸漬された状態で加工される。ワイヤ電極１と被加工物２とは、加工電圧供給線９ａ，９ｂを介して電圧印加手段３に電気的に接続されている。図２では、加工電圧供給線９ａを給電子８に接続し、加工電圧供給線９ｂを加工槽６内の被加工物２と電気的に接続されている。

電圧印加手段３は、ワイヤ電極１と被加工物２との間の極間に交流高周波電圧と交流低周波電圧とを重畳した状態で印加することが可能な単一の電源である。交流高周波電圧は被加工物を放電加工するために印加され、交流低周波電圧は極間の状態を検出するために印加される。このように、単一の電源で済むことから、小型化や低コスト化を実現できる。なお、極間の状態は、極間の間隙距離、極間のインピーダンス、あるいは放電の頻度を意味している。

極間１２（図１参照）のインピーダンスは、放電の状態によって変化する。放電の発生しない開放状態が最大で、ワイヤ電極１が被加工物２に接触する短絡状態が最小となる。極間１２に重畳した交流低周波成分の電圧の大きさは、この極間のインピーダンスに依存するので、極間電圧からローパスフィルタを通して、この交流低周波成分の電圧を取り出せば、その電圧で極間のインピーダンス、すなわち、極間の間隙を推定できる。取り出された交流周波数成分の電圧を例えば電圧計を用いて表示し、極間の状態をモニタすることができる。

ワイヤ電極１と被加工物２との間の極間に発生する低周波の電圧変動を検出するために、低周波成分検出手段１１がワイヤ電極１と被加工物２と電気的に接続されている。低周波成分検出手段１１は、ローパスフィルタ４と整流回路５とを有する回路であって、検出線１０ａがワイヤ電極１に電気的に接続され、検出線１０ｂが被加工物２に電気的に接続されている。

低周波成分検出手段１１の構成要素である整流回路５は、発明の課題で指摘したように、数ＭＨｚ以上、具体的には１ＭＨｚ程度以上の高周波では動作限界を超えるため追従できない。一方、数百ｋＨｚ以下、具体的には３００ｋＨｚ程度以下の比較的低周波であれば追従することができる。そこで、極間に印加される交流高周波電圧に比較的低周波の交流電圧を重畳して極間の状態を検出する。

低周波成分検出手段１１の検出信号１１ａは、例えば、電圧計やワイヤ放電加工機を制御する数値制御装置（図示省略）に入力される。数値制御装置は、低周波成分検出手段１１の出力を受けて、各軸の送り速度を決定し、各軸の送り速度を極間の状態に応じて制御することができる。

次に、図３を用いて電圧印加手段３について説明する。図３は本発明である単一電源を備えたワイヤ放電加工機の電源および極間の状態を検出する手段の要部を示すブロック図である。電圧印加手段３、ワイヤ電極１、被加工物２、及び低周波成分検出手段１１の電気的な接続関係は図２について説明したとおりである。ここでは、電圧印加手段３について詳述する。

電圧印加手段３は、直流電圧源３１、スイッチング素子３２ａ〜３２ｄ、及び、駆動信号発生器３３を備えている。駆動信号発生器３３は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂ用の駆動信号Ｓ１と、スイッチング素子３２ｃ，３２ｄ用の駆動信号Ｓ２とを生成する。

スイッチング素子３２ａ，３２ｂが駆動すると、直流電圧源がワイヤ電極（−）、被加工物（＋）の向きに印加される。スイッチング素子３２ｃ，３２ｄが駆動すると、直流電圧源３１がワイヤ電極（＋）、被加工物（−）の向きに印加される。

駆動信号発生器３３は、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２のそれぞれに対して周期およびデューティ比を設定できる。さらに、デューティ比は時間的に変化させることも可能である。なお、周期やデューティ比を設定する回路構成は周知あるいは公知の技術で実現可能である。

図４（ａ）は、駆動信号発生器３３で生成される駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２の波形の一例を示している。図４（ａ）に示されるように、駆動信号Ｓ１のはじめの３周期（図面左側）のデューティ比は、駆動信号Ｓ２のはじめの３周期のデューティ比より小さい。続く３周期は、駆動信号Ｓ１のデューティ比が駆動信号Ｓ２のデューティ比より大きい。

そして、電圧印加手段３において直流電圧源３１の直流電圧は、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２によって制御されるスイッチング素子３２ａ〜３２ｄによりオン・オフされ、オン・オフされた直流電圧は、図示しない配線インダクタンスや極間の浮遊容量の効果でなまった電圧波形となる。

デューティ比が３周期ごとに異なることで極間電圧波形は、はじめの３周期で＋側にシフトし、続く３周期は−側にシフトする。すなわち、極間に印加される高周波交流電圧に交流低周波成分が重畳したことを示している。この極間に印加される印加電圧の一例として、図４（ｃ）に示される交流低周波成分と図４（ｄ）に示される交流高周波成分を示す。その結果、ワイヤ電極１と被加工物２との極間電圧波形は、図４（ｂ）に示されるようにはじめの３周期は＋側にシフトし、続く３周期は−側にシフトする。従って、単に直流電圧を印加する技術が有していた偏極性の問題を回避することができる。

低周波成分検出手段１１は、ワイヤ電極１と被加工物２との極間電圧を検出する。低周波成分検出手段１１は、ローパスフィルタ４を備えており、このローパスフィルタ４を通して交流低周波の電圧成分（以下、「交流低周波電圧成分」という）を取り出す。カットオフ周波数を適切な値に設定、あるいはフィルタの次数を上げて急峻な減衰特性を持たせることによりローパフフィルタ４は十分に高周波成分を減衰できるため、高周波成分による、検出した交流低周波成分への悪影響を除去可能である。ローパスフィルタ４の符号「Ｒ」は抵抗、符号「Ｃ」はコンデンサを表している。

ローパスフィルタ４を通し取り出された交流低周波電圧成分は、整流回路５において一方の極性の信号である直流信号に変換する。整流回路５からの出力信号は低周波成分検出手段１１の出力信号として、図示省略した電圧計や数値制御装置に出力される。なお、整流回路５から出力される整流波形は、図５（ｄ）〜（ｆ）に一例として示す。

図５は、極間の状態における極間電圧波形と整流回路の出力波形を示す図である。図５（ａ）は極間状態が開放状態のときの極間電圧波形であり、（ｂ）は極間状態が放電状態のときの極間電圧波形であり、（ｃ）は極間状態が短絡状態の極間電圧波形を示している。また、図５（ｄ）は極間状態が開放状態のときの整流回路５の出力波形であり、（ｅ）は極間状態が放電状態のときの整流回路５の出力波形であり、（ｆ）は極間状態が短絡状態の整流回路５の出力波形である。

単一の電源で交流高周波電圧に交流低周波成分を重畳する電圧印加手段をワイヤ放電加工機に適用した本発明の実施形態を説明した。前記「単一の電源で交流高周波電圧に交流低周波成分を重畳する電圧印加手段」は、ワイヤ放電加工機に限定されるわけではなく、雄型形状と雌型形状の組み合わせの放電加工機や電極棒を用いる放電加工機にも適用できる。

交流高周波電源を用いるワイヤ放電加工機の一般的な形態を示す図である。本発明の単一電源を備えたワイヤ放電加工機の実施形態の要部ブロック図である。単一電源を備えたワイヤ放電加工機の電源および極間の状態を検出する手段の要部を示すブロック図である。電圧印加手段の駆動信号発生器で生成される駆動信号の一例と、極間に印加される電圧波形の一例と、電圧印加手段から出力される交流低周波成分の波形および交流高周波成分の波形の一例を示す図である。極間の状態における極間電圧波形と整流回路の出力波形を示す図である。

符号の説明

１ワイヤ電極
２被加工物
３電圧印加手段
３１直流電圧源
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄスイッチング素子
３３駆動信号発生器
４ローパスフィルタ
５整流回路
６加工槽
７加工液
８給電子
９ａ，９ｂ加工電圧供給線
１０ａ，１０ｂ検出線
１１低周波成分検出手段
１１ａ低周波成分検出信号
１２極間
Ｓ１スイッチング素子３２ａ，３２ｂの駆動信号
Ｓ２スイッチング素子３２ｃ，３２ｄの駆動信号

Claims

所定の間隙をもって対向配置されたワイヤ電極と被加工物との間である極間に交流高周波電圧を印加して放電を発生させ加工を行うワイヤ放電加工機において、
単一電源で交流高周波電圧に交流低周波成分を重畳する電圧印加手段と、
極間の電圧から交流低周波電圧を検出する低周波成分検出手段と、
を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工機。
前記単一電源で交流高周波電圧に交流低周波成分を重畳する電圧印加手段は、
直流電圧源と、
該直流電圧源をワイヤ電極が（＋）、被加工物が（−）の向きに断続的に極間に印加するためのスイッチング素子の組と、
該直流電圧源をワイヤ電極が（−）、被加工物が（＋）の向きに断続的に極間に印加するためのスイッチング素子の組と、
各々のスイッチング素子の組に対し独立に駆動信号を発生させる駆動信号発生器とを備え、スイッチング素子の組を交互に駆動することで交流高周波電圧を極間に印加し、各々のスイッチング素子の組に対し独立にデューティ比を時間変化させることで低周波成分を重畳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。