JP5739819B2 - 被加工物を電気加工する方法およびシステム - Google Patents

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Description

本開示の分野は、一般に電気加工システムの制御に関し、より具体的には汎用コンピュータ数値制御(CNC)装置および電気加工モジュールを有する電気加工システムの制御に関する。
市販および産業用の多くの金属構成部品は加工される。構成部品を加工するためにかかる時間は、一般に加工される材料および用いられる加工方法に依存する。複雑な構成部品、特に輪郭を有するものに対して通常用いられる1つの加工方法は、ミリングである。複雑な用途には、カーバイドカッタを使用することができる。別の加工方法は、電気加工である。電気加工の例は、放電加工(EDM)、および電解放電加工(ECDM)であり、これらは複雑な部品の加工、ならびに金型および鋳型の加工に用いることができる。
EDMは、電気スパークおよび過渡的アークによる溶融または蒸発を通じて材料を除去することによって導電性金属の被加工物が整形されるプロセスである。スパーク放電および過渡的アークは、被加工物(通常は陽極、すなわち正に荷電される)と、工具または電極(通常は陰極、すなわち負に荷電される)の間に制御されたパルス化直流(DC)を印加することによって発生される。電極の端部と被加工物は、一般に約0.01ミリメートルから約0.50ミリメートルのスパークギャップによって隔てられ、誘電性流体によって浸されまたは満たされる。DC電圧は、スパーク放電電荷または過渡的アークが工具と被加工物の間を通過できるようにする。各スパークおよび/またはアークは、被加工物の少量を溶融または蒸発するのに十分な熱を発生し、それによって被加工物表面内に小さな窪みまたはクレータを残す。これは、熱腐食と呼ばれる。電極の切削パターンは、通常はコンピュータ数値制御(CNC)され、それによってサーボモータが電極と被加工物の相対位置を制御する。サーボモータは、スパーク放電を制御し工具と被加工物の間のギャップを制御するための比較的複雑でしばしば独自開発の制御アルゴリズムを用いて制御される。電極および被加工物を誘電性流体内に浸すことによって、スパーク放電を開始するように工具と被加工物の間にプラズマチャネルを確立することができる。誘電性流体はまた、加工された領域を冷却された状態に保ち、加工の破片を除去する。EDM装置は通常は、電極と被加工物の間で放電を導通するための1つまたは複数の電極を含む。
上述のように、EDMと並ぶ別の電気加工の例はECDMである。ECDMは、材料の電解溶解および熱腐食(EDMに関して上述したような)の両方によって被加工物から材料が除去される、複合型の加工方法である。ECDMは、電解質媒体を通じたスパーク/アーク放電を含むことができる。電解質媒体は、スパーク/アークによって引き起こされる熱腐食に加えて電解溶解を容易にする。
欧州特許第1932611号
通常はEDMおよびECDM装置は、EDMプロセスと、被加工物および/または加工工具のCNC運動との両方を制御する専用のコントローラを含む。製造業者がミリングシステムをEDMおよび/またはECDMにアップグレードするためには、製造業者は専用のコントローラを購入しなければならないことになる。
一態様では、電気加工システムが提供される。電気加工システムは、コンピュータ数値制御(CNC)装置と、CNC装置および電源に結合された電気加工コントローラ装置とを含む。電気加工システムはまた、CNC装置および電源に結合された電気加工工具を含む。電気加工コントローラ装置は、電気加工工具の動作を制御するように構成され、CNC装置は、被加工物に対して電気加工工具を位置決めするように構成される。
他の態様では、電気加工モジュールが提供される。電気加工モジュールは、プログラマブルオートメーションコントローラと、プログラマブルオートメーションコントローラ、ならびに電気加工工具、電源、およびコンピュータ数値制御(CNC)装置のうちの少なくとも1つに結合された入力/出力インターフェースとを含む。入力/出力インターフェースは、CNC装置および電気加工工具のうちの少なくとも1つからデータ信号を受け取り、データ信号をプログラマブルオートメーションコントローラに供給するように構成される。入力/出力インターフェースはまた、プログラマブルオートメーションコントローラから命令信号を受け取り、命令信号をCNC装置、電気加工工具、および電源のうちの少なくとも1つに供給するように構成される。
他の態様では、被加工物を電気加工する方法が提供される。方法は、電気加工モジュールを、コンピュータ数値制御(CNC)装置、電気加工工具、および電源に結合するステップを含む。方法はさらに、CNC装置および電源を電気加工工具に結合するステップを含む。方法はまた、電気加工工具および電源の動作を制御するように電気加工モジュールを構成するステップと、被加工物に対して電気加工工具を位置決めするようにCNC装置を構成するステップとを含む。
例示の電気加工モジュールを含む、例示の電気加工システムのブロック図である。 図1に示される例示の電気加工システム内のデータフローのブロック図である。 被加工物を電気加工する例示の方法のフローチャートである。
図1は、例示の電気加工システム100のブロック図である。例示的実施形態では、電気加工システム100は、電気加工モジュール110、汎用コンピュータ数値制御(CNC)装置120、電源130、および電気加工工具140を含む。例示的実施形態では、電気加工工具140は、放電加工(EDM)工具および電解放電加工(ECDM)工具のうちのうちの少なくとも1つである。電気加工工具140は、電極150、ガイドブッシュ152、および流体源154を含む。電極150は、少なくとも部分的にガイドブッシュ152内に配置され、ガイドブッシュ152は、被加工物158に対する電極150の位置決めを容易にする。電極150は、用途に応じて任意の形状およびサイズを有することができる。より具体的には、電極150は、典型的にはグラファイトなどの導電性材料から作られ、加工すべき所望の形状を一般に反映する形状を有する。他の実施形態では電極150は、銅、タングステン銅、テルル銅、炭化タングステン、黄銅、またはタングステンから形成される。例示的実施形態では電極150は、中空の縦断面を有し、これは流体源154から被加工物158に流体を送るのを容易にする。中空の縦断面を有するものとして述べたが電極150はまた、中実の縦断面を有することができ、流体は電極150の外面160に沿って供給される。
例示的実施形態では、流体源154は、流体源154から被加工物158に流体を送るのを容易にするポンプである。より具体的には、流体源154は、電気加工工具140がEDM工具として機能するように、流体源154から被加工物158に誘電性流体を供給することができる。誘電性流体は、電極150と被加工物158を絶縁し冷却し、電極150と被加工物158の間でスパークを伝達し、被加工物158からの除去された金属を洗い流す。ECDM工具として機能するために、流体源154は、電解溶解を容易にするように電極150および被加工物158に電解液媒体を供給する。
例示的実施形態では、CNC装置120は、運動装置170に結合される。運動装置170は、たとえばCNC装置120からの命令に従って、被加工物158に対して電極150を移動するように構成された電動アームとすることができる。例示的実施形態では、CNC装置120は、汎用CNC装置である。言い換えればCNC装置120は、従来の材料切削プロセスにおける運動制御用に構成されたCNC装置である。たとえばCNC装置120は、機械的ミリング工具(図1には示さず)と共に用いるように構成することができる。さらに例示的実施形態では、CNC装置120は、たとえばEDM工具またはECDM工具の制御を容易にするコントローラまたはプロセッサは含まない。
例示的実施形態では、電気加工モジュール110は、電気加工工具140の動作を制御する。電気加工工具140の動作の制御は、流体源154からの流体の流れを制御すること、ガイドブッシュ152内での電極150の回転を制御すること、被加工物158の表面180に対する電極150の高さ178を制御すること、および/または電源130を制御することを含み得る。表面180に対する電極150の高さ178を制御することで、本明細書では放電ギャップ182とも呼ぶ、電極150と表面180の間のスパークギャップ182を維持することが容易になる。例示的実施形態では電源130は、直流(DC)電源である。例示的実施形態では、DC電源130は、電極150と被加工物158に跨がって連続した電圧またはパルス化された電圧を供給することができる。被加工物158は、電気加工システム100の一部ではないが、システム100と共に動作可能である。
例示的実施形態では、電気加工モジュール110は、電源130および電気加工工具140の動作を制御し、また運動命令をCNC装置120に送出する。言い換えれば電気加工モジュール110は、電気加工工具140、ならびに電気加工によって被加工物158の整形を容易にするCNC装置120の動作を制御する。
図2は、図1に示される電気加工システム100内のデータフローのブロック図200である。より具体的には、ブロック図200は、電気加工モジュール110、CNC装置120、電源130、および電気加工工具140の間のデータフローを示す。例示的実施形態では、電気加工モジュール110は、入力/出力(I/O)インターフェース、たとえばI/Oインターフェース220および230に結合されたプログラマブルオートメーションコントローラ210を含む。例示的実施形態では、I/Oインターフェース220および230は、CNC装置120および電気加工工具140からデータ信号を受け取り、データ信号をプログラマブルオートメーションコントローラ210に供給する。たとえばプログラマブルオートメーションコントローラ210は、電気加工工具140から、電極150(図1に示す)と被加工物158(図1に示す)の間の放電ギャップ182(図1に示す)の状態についての情報と、冷却液導電率信号および冷却液温度信号のうちの少なくとも1つとを含むデータ信号を受け取る。他の実施例では、プログラマブルオートメーションコントローラ210は、CNC装置120から、ジャンプ終了データ信号、作業モードデータ信号、および電源用動作パラメータデータ信号のうちの少なくとも1つについての情報を含むデータ信号を受け取る。
例示的実施形態では、I/Oインターフェース220および230はまた、プログラマブルオートメーションコントローラ210から命令信号を受け取り、命令信号をCNC装置120、電気加工工具140、および電源130に供給する。たとえば、プログラマブルオートメーションコントローラ210は、電気加工工具140に冷却液導電率および/または冷却液温度についての命令を含む命令信号を送出することができる。プログラマブルオートメーションコントローラ210はまた、電源130に、たとえば電源オン/オフ命令、電源イネーブル/ディスエーブル命令、電源ピーク電圧設定命令、電源ピーク電流設定命令、および電源パルスオン/オフ時間命令を含む命令信号を送出することができる。さらに、プログラマブルオートメーションコントローラ210はまた、CNC装置120に、たとえば送り速度オーバライド命令信号、接触検知命令信号、およびジャンプアップ/ダウン命令信号を含む命令信号を送出することができる。例示的実施形態では、電気加工モジュール110はまた、プログラマブルオートメーションコントローラ210と、I/Oインターフェース220および230とを少なくとも部分的に取り囲むハウジング240を含むことができる。ハウジング240内にプログラマブルオートメーションコントローラ210と、I/Oインターフェース220および230とをパッケージングすることにより、汎用CNC装置に追加して、たとえば機械的ミリングシステムを電気加工システムに変換することができる独立型電気加工コントローラを製造業者に提供することが容易になる。
図3は、被加工物を電気加工する例示の方法310のフローチャート300である。方法310は、電気加工モジュールをコンピュータ数値制御(CNC)装置、電気加工工具、および電源に結合するステップ320を含む。たとえば方法310は、電気加工モジュール110(図1に示す)をCNC装置120(図1に示す)、電気加工工具140(図1に示す)、および電源130(図1に示す)に結合するステップ320を含む。上述のように、CNC装置120は、たとえば機械的ミリングまたは他の任意の放電をベースとしないプロセスにおいて用いられるように構成された汎用CNC装置を備える。方法310はまた、CNC装置120(図1に示す)および電源130(図1に示す)を電気加工工具140(図1に示す)に結合するステップ322を含む。
例示的実施形態では、方法310はまた、電気加工工具および電源の動作を制御するように電気加工モジュールを構成するステップ324を含む。たとえば方法310は、電気加工工具140(図1に示す)および電源130(図1に示す)の動作を制御するように電気加工モジュール110(図1に示す)を構成するステップ324を含むことができる。一部の実施形態では、電気加工工具140および電源130の動作を制御するように電気加工モジュール110を構成するステップ324は、CNC装置120および電気加工工具140からデータ信号を受け取り、受け取ったデータ信号に少なくとも部分的に基づいて命令信号を供給するように電気加工モジュール110を構成するステップを含む。CNC装置120からデータ信号を受け取るように電気加工モジュール110を構成するステップは、ジャンプ終了データ信号、作業モードデータ信号、および電源用動作パラメータデータ信号のうちの少なくとも1つを受け取るように電気加工モジュール110を構成するステップを含むことができる。
例示的実施形態では、電気加工工具140および電源130の動作を制御するように電気加工モジュール110を構成するステップ324はまた、電気加工工具140、CNC装置120、および電源130のうちの少なくとも1つに命令信号を供給するように電気加工モジュール110を構成するステップを含む。より具体的には、電気加工工具140に命令信号を供給するように電気加工モジュール110を構成するステップは、電気加工工具140に、冷却液導電率命令および冷却液温度命令のうちの少なくとも1つを供給するように電気加工モジュール110を構成するステップを含む。電源130に命令信号を供給するように電気加工モジュール110を構成するステップは、電源に、電源オン/オフ命令、電源イネーブル/ディスエーブル命令、電源ピーク電圧設定命令、電源ピーク電流設定命令、および電源パルスオン/オフ時間命令のうちの少なくとも1つを供給するように電気加工モジュールを構成するステップを含む。さらにCNC装置120に命令信号を供給するように電気加工モジュール110を構成するステップは、CNC装置120に、送り速度オーバライド命令信号、接触検知命令信号、およびジャンプアップ/ダウン命令信号のうちの少なくとも1つを供給するように電気加工モジュール110を構成するステップを含む。
例示的実施形態では、方法310はまた、被加工物、たとえば被加工物158(図1に示す)に対して電気加工工具140(図1に示す)を位置決めするようにCNC装置120(図1に示す)を構成するステップ326を含む。電気加工モジュール110からの命令に基づいて、CNC装置120は、被加工物158の電気加工を容易にするように被加工物158に対して電気加工工具140を位置決めする。
上述の電気加工システムおよび方法は、汎用CNC装置、電気加工モジュール、および電気加工工具を含む。より具体的には、上記では電気加工モジュールは、汎用CNC装置、ならびにEDM工具および/またはECDM工具と共に用いる場合について述べた。本明細書で述べたシステムおよび方法は、EDM工具またはECDM工具との使用に限定されるものではく、電気加工モジュールは任意のタイプの加工システム内に含むことができる。たとえば一部の実施形態では、上述の電気加工モジュールは、電気加工の能力を含まないCNC装置を改造するように構成される。
上述の電気加工モジュール、および電気加工モジュールを用いるためのシステムおよび方法は、信頼性があり、コスト効率が良い。電気加工プロセスコントローラ/CNC装置の組み合わせを購入するのではなく、汎用CNC装置に電気加工の能力を追加することは、製造業者に大幅なコストの節約をもたらす。結果として、本明細書で述べた電気加工モジュールは、コスト効率の良い信頼性のある電気加工システムの一部となる。
上記では電気加工のためのシステムおよび方法の例示的実施形態について、詳細に述べた。システムおよび方法は本明細書に述べた特定の実施形態に限定されるものではなく、システムの構成要素および/または方法のステップは、本明細書で述べた他の構成要素および/またはステップと独立におよび別々に利用することができる。たとえばシステムおよび方法は、本明細書で述べた電気加工のみを用いた実施に限定されない。そうではなく例示的実施形態は、他の多くの加工プロセスに関連して実施し利用することができる。
本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のためのみである。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照かつ/または特許請求することができる。
本書は、例を用いて、最良の形態を含めて本発明を開示し、また任意の装置またはシステムを製造し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の実施例を含み得る。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言とわずかな差異を有する等価な構造要素を含む場合は、特許請求の範囲に包含されるものとする。
100 電気加工システム
110 電気加工モジュール
120 コンピュータ数値制御(CNC)装置
130 電源
140 電気加工工具
150 電極
152 ガイドブッシュ
154 流体源
158 被加工物
160 電極の外面
170 運動装置
178 電極の高さ
180 被加工物の表面
182 スパークギャップ
210 プログマブルオートメーションコントローラ
220 I/Oインターフェース
230 I/Oインターフェース
240 ハウジング

Claims (19)

  1. 電極と、
    前記電極への電力を制御する電源と、
    被加工物に対して前記電極を位置決めする運動装置と、
    を備える電気加工工具と、
    前記電気加工工具に通信可能に結合され、前記電源の動作と電極ガイドに対する前記電極の位置とを制御する独立型電気加工コントローラ装置と、
    前記電気加工コントローラ装置と離れて別個に配置され、前記運動装置および前記電気加工コントローラ装置と通信可能に結合され、前記電気加工コントローラ装置から受信した命令により前記被加工物に対する前記電極の位置を制御するコンピュータ数値制御(CNC)装置と、
    を備え、
    前記CNC装置は、電気加工工具を独立して制御する制御装置を有さず、
    前記命令は、機械的ミリングシステムを電気加工可能なシステムにするための命令である、
    電気加工システム。
  2. 前記電気加工工具が、放電加工(EDM)工具および電解放電加工(ECDM)工具のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の電気加工システム。
  3. 前記CNC装置が、従来の材料切削プロセスにおける運動を制御するように構成された汎用CNC装置を含む、請求項1または2に記載の電気加工システム。
  4. 従来の金属切削プロセスが、ミリングおよび旋盤加工のうちの少なくとも1つを含む、請求項3に記載の電気加工システム。
  5. 前記電気加工コントローラ装置が、前記汎用CNC装置を用いてEDM/ECDMプロセスを制御することを容易にする、請求項3または4に記載の電気加工システム。
  6. 前記電源が直流(DC)電力源を含む、請求項1から5のいずれかに記載の電気加工システム。
  7. プログラマブルオートメーションコントローラと、
    前記プログラマブルオートメーションコントローラ、ならびに電気加工工具、電源、およびコンピュータ数値制御(CNC)装置のうちの少なくとも1つに結合された入力/出力インターフェースと、
    を備える、前記CNC装置から離れて別個に配置された電気加工モジュールであって、
    前記入力/出力インターフェースが、
    前記CNC装置および前記電気加工工具のうちの少なくとも1つからデータ信号を受け取り、前記データ信号を前記プログラマブルオートメーションコントローラに供給し、
    前記プログラマブルオートメーションコントローラから命令信号を受け取り、前記命令信号を前記CNC装置、前記電気加工工具、および前記電源のうちの少なくとも1つに供給する
    ように構成されており、
    前記CNC装置は、電気加工工具を独立して制御する制御装置を有さず、
    前記命令信号は、機械的ミリングシステムを電気加工可能にするための命令である、
    電気加工モジュール。
  8. 前記電気加工工具が、放電加工(EDM)工具および電解放電加工(ECDM)工具のうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の電気加工モジュール。
  9. 前記CNC装置が、従来の材料切削プロセスにおける運動を制御するように構成され汎用CNC装置を含み、
    前記従来の材料切削プロセスが、ドリル加工およびミリングのうちの少なくとも1つを含む、
    請求項7または8に記載の電気加工モジュール。
  10. 前記プログラマブルオートメーションコントローラおよび前記入力/出力インターフェースを少なくとも部分的に取り囲むように構成されたハウジングをさらに備える、請求項7から9のいずれかに記載の電気加工モジュール。
  11. 被加工物を電気加工する方法であって、
    電気加工モジュールを、コンピュータ数値制御(CNC)装置、電気加工工具、および電源に結合するステップと、
    前記CNC装置および前記電源を前記電気加工工具に結合するステップと、
    機械的ミリングシステムを電気加工可能にするために前記電気加工工具および前記電源の動作を制御するように、前記CNC装置から離れて別個に配置された前記電気加工モジュールを構成するステップと、
    前記被加工物に対して前記電気加工工具を位置決めするように前記CNC装置を構成するステップと
    を含み、
    前記CNC装置は、電気加工工具を独立して制御する制御装置を有さない、
    方法。
  12. 前記CNC装置が、汎用CNC装置を含み、前記汎用CNC装置が、機械的ミリングにおいて用いるように構成されている、請求項11に記載の方法。
  13. 前記電気加工工具および前記電源の動作を制御するように前記電気加工モジュールを構成するステップが、前記CNC装置および前記電気加工工具からデータ信号を受け取り、受け取ったデータ信号に少なくとも部分的に基づいて命令信号を供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項11または12に記載の方法。
  14. 前記電気加工工具からデータ信号を受け取るように前記電気加工モジュールを構成するステップが、前記電気加工工具からギャップ状態データ信号、冷却液導電率信号、および冷却液温度信号のうちの少なくとも1つを受け取るように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項13に記載の方法。
  15. 前記CNC装置からデータ信号を受け取るように前記電気加工モジュールを構成するステップが、ジャンプ終了データ信号、作業モードデータ信号、および電源用動作パラメータデータ信号のうちの少なくとも1つを受け取るように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項13または14に記載の方法。
  16. 前記電気加工工具および前記電源の動作を制御するように前記電気加工モジュールを構成するステップが、前記電気加工工具、前記CNC装置、および前記電源のうちの少なくとも1つに命令信号を供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項11から15のいずれかに記載の方法。
  17. 前記電気加工工具に命令信号を供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップが、前記電気加工工具に、冷却液導電率命令および冷却液温度命令のうちの少なくとも1つを供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項16に記載の方法。
  18. 前記電源に命令信号を供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップが、前記電源に、電源オン/オフ命令、電源イネーブル/ディスエーブル命令、電源ピーク電圧設定命令、電源ピーク電流設定命令、および電源パルスオン/オフ時間命令のうちの少なくとも1つを供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項16または17に記載の方法。
  19. 前記CNC装置に命令信号を供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップが、前記CNC装置に、送り速度オーバライド命令信号、接触検知命令信号、およびジャンプアップ/ダウン命令信号のうちの少なくとも1つを供給するように前記電気加工モジュールを構成するステップを含む、請求項16から18のいずれかに記載の方法。
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