JP5968019B2 - ワイヤ放電加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ放電加工装置に関する。

ワイヤ放電加工では初めに荒加工と呼ばれる溝加工を行い、その後に荒加工面を剃り落すように複数回の仕上げ加工により面粗さおよび形状誤差を改善していく。荒加工では加工速度が重視されるが、面粗さと形状精度を改善する仕上げ加工においても、いかに短い加工時間で要求される面粗さと形状精度を実現するかが重要となる。

ワイヤ放電加工機では、被加工物の板厚が変化すると放電ギャップが変化し、形状誤差が大きくなる。ここで前段加工における形状誤差が大きいと、現段加工において形状誤差を改善するために加工代を大きくする必要があり、加工速度が低下してしまう。加工代の増加に伴う加工速度の低下は、加工エネルギが大きくなるように条件を設定することによって回避できるが、加工エネルギの増加によって面粗さが大きくなり、面粗さを改善するために結果として加工回数が増える可能性がある。さらに、前段加工における形状誤差が想定より大きいと、前段加工面の面粗さが現段加工後に残存するということが起こり、現段加工で実現すべき面粗さまで仕上げられない可能性もある。したがって、ワイヤ放電加工機では早い段階で良好な形状精度を実現しておくことが望まれる。

特許文献１では、板厚が変化する時の放電ギャップの変化に対して、荒加工工程において板厚の変化を検出し、その時の段差位置と板厚を関連付けて記憶させておき、仕上げ加工工程において、前記段差位置の周辺の領域に加工部位が到達した時に所期の加工条件を前記板厚に適する加工条件に変更設定し放電ギャップを一定にして加工する技術が開示されている。

特許第４２９４６３８号公報

しかしながら、前段加工における形状誤差は板厚変化によってのみ生じる訳ではない。ワイヤ放電加工機では何らかの加工状態量を制御量として加工速度指令を算出する加工サーボが広く用いられている。ここで、荒加工では加工エネルギが大きいために加工速度は比較的大きく変動し、加工速度が変化することによって放電ギャップも変化するため、荒加工後の形状誤差は概して大きくなる。

被加工物の板厚変化によって生じる形状誤差の場合は、特許文献１のように仕上げ加工以前に板厚が変化する箇所をあらかじめ特定することによって、形状誤差を改善するための対策を講じることができるが、前述した荒加工後の形状誤差はどの位置で生じているかをあらかじめ特定できず、特許文献１の技術では形状誤差を改善するための対策を講じることができない。

荒加工後の形状誤差は、加工量と相関の高い状態量として平均放電周波数や平均放電電圧を制御量として加工サーボすることにより改善傾向となる。しかし、仕上げ加工ではフロントギャップとサイドギャップの放電が混在しているが、形状誤差に関係するのはサイドギャップの放電であるため、サイドギャップでの放電を判別しない制御を行っているとフロントギャップの大小によって加工速度が変化し、前段加工面の形状誤差を改善できないという問題があった。

即ち、従来の加工サーボ方式ではサイドギャップとフロントギャップの放電を判別できなかったため、フロントギャップとサイドギャップの両方の放電における加工状態量を制御量として加工速度指令が算出されている。そのため、前段加工面の形状誤差によってフロントギャップでの放電周波数が変化すると、算出される加工速度指令も変化し、サイドギャップを一定にするような加工サーボが行えず、前段加工面の形状誤差を大幅に改善することはできないという問題があった。

また、特許文献１によれば板厚の変化によって生じる形状誤差を改善できるとしているが、特許文献１で板厚に対してサイドギャップが一定となる加工条件をあらかじめ調べるための工数がかかる。さらに、加工量と相関の高い状態量をもとにフィードバック制御するわけではないので、外乱や経年変化を補償できないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フロントギャップとサイドギャップの放電が混在している仕上げ加工において、前段加工面の形状誤差を大幅に改善することが可能なワイヤ放電加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ワイヤ電極と、被加工物を搭載可能な被加工物テーブルと、前記被加工物テーブルを駆動する駆動手段と、荒加工後の加工における放電パルスを二つの種類に分別する分別手段と、前記分別手段により分別した一方の種類の放電パルスにおける加工量と相関の高い加工状態量を検出する加工状態検出手段と、前記加工状態量を制御量として加工速度指令を算出する加工速度指令演算手段と、前記加工速度指令に基いて前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記被加工物テーブルを駆動することによって前記ワイヤ電極と前記被加工物とを相対移動させつつ前記ワイヤ電極と前記被加工物との間で前記放電パルスを発生させて放電加工を行うことを特徴とする。

本発明によれば、サイドギャップの放電における加工状態量を制御量として加工速度を算出するため、前段加工面の形状誤差を大幅に改善できるという効果を奏する。また、板厚変化に対しても同様に形状誤差を小さくでき、さらにフィードバック制御であることから、外乱や経年変化を補償することもできる。

図１は、本発明の実施の形態にかかるワイヤ放電加工装置の構成を示すブロック図である。 図２は、加工代の違いによってサイドギャップが一定にならない理由を説明するための図である。 図３は、無負荷時間の度数分布をプロットし、それを滑らかな線で補間したグラフを示した図である。 図４は、加工代の異なる２つの加工で無負荷時間の度数分布をプロットし、それを滑らかな線で補間したグラフを示した図である。 図５は、サイドギャップの度数が等しくなるように加工サーボした時の無負荷時間の度数分布をプロットし、それを滑らかに補間した線を図４に追加したグラフを示した図である。 図６は、本発明の実施の形態においてサイドギャップの放電における加工状態量を制御量として加工サーボする時のフローチャートを示した図である。

以下に、本発明にかかるワイヤ放電加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるワイヤ放電加工装置１００の全体構成を示すブロック図である。ワイヤ放電加工装置１００は、ワイヤ電極１と、ワイヤ電極１に接触する一対の給電子３と、発振器５の出力に応じて給電子３に高電圧を印加する加工電源４と、被加工物２を搭載した被加工物テーブル８を移動させる駆動装置９と、駆動装置９を制御する駆動制御器１０と、発振器５及び駆動制御器１０を上位で制御する数値制御（ＮＣ）装置６と、加工条件を設定する加工条件入力装置７と、を備える。そしてワイヤ電極１と被加工物２を相対的に所定の速度で移動させながら、ワイヤ電極１と被加工物２の間で放電を発生させて加工を行う。

さらに本実施の形態にかかるワイヤ放電加工装置１００は、発振器信号から無負荷時間を算出する無負荷時間算出装置１４と、サイドギャップの放電であると判断する無負荷時間の閾値を設定するサイドギャップ放電閾値設定装置１５と、サイドギャップ放電閾値と無負荷時間からサイドギャップの放電であるかを判別するサイドギャップ放電判別装置１３と、サイドギャップの放電における加工状態量を検出する加工状態検出装置１２と、加工状態量の参照指令を設定する参照指令設定装置１６と、サイドギャップでの放電の加工状態量と参照指令の差が小さくなるように加工速度指令を算出する加工速度指令演算装置１１と、を備える。

本発明の実施の形態にかかるワイヤ放電加工装置１００の動作を説明する前に、本実施の形態にかかるワイヤ放電加工装置１００の原理を以下に説明する。ワイヤ放電加工では荒加工と呼ばれる溝加工を初めに行い、荒加工面を剃り落すように複数回の仕上げ加工で面粗さおよび形状誤差を改善していく。荒加工では大きな加工エネルギを投入して加工するために加工速度が比較的大きく変動し、想定形状に対して荒加工後の形状には誤差を生じやすい。そして、２回目の加工（仕上げ加工１回目）において、従来の加工サーボでは荒加工後の形状誤差を改善することが困難であった。

図２は、仕上げ加工において前段加工面に形状誤差が存在する場合、従来の加工サーボでは前段加工面の形状誤差を改善できないことを説明するための図である。紙面奥行き方向が被加工物２の板厚方向であり、鉛直上方から被加工物２を俯瞰している。ワイヤ電極１の軌跡は直線とし、加工量と相関の高い加工状態量を制御量として加工サーボしている。図２の（ａ）は加工代が大きくなった時、図２の（ｂ）は加工代が小さくなった時の加工の様子を表している。

図２の（ｂ）に比べて図２の（ａ）の加工代は大きいので、両者に加工サーボを適用すると両者の加工量を等しくするように加工速度指令が算出されるため、図２の（ａ）の方が加工速度は小さくなる。この時、加工速度が小さくなる図２の（ａ）では被加工物２の単位距離あたりにワイヤ電極１が対向する時間が図２の（ｂ）に比べて長くなるため、その分だけ放電が進行し、サイドギャップは図２の（ｂ）に比べて広くなる。このように加工量と相関の高い状態量を制御量として加工サーボしていてもサイドギャップを一定にはできず、前段加工面の形状誤差を改善することもできない。

前段加工面の形状誤差を大幅に改善するためには、加工量と相関の高い状態量をサイドギャップでの放電に限って検出し、これを制御量として加工サーボしなくてはならない。しかし、従来の加工サーボ方式ではフロントギャップとサイドギャップの放電に関係なくサンプリングされた加工状態量を制御量として加工サーボするので、フロントギャップの放電における加工状態量の影響により、サイドギャップを一定にするような加工サーボを行えなかった。

そこで、本実施の形態によるフロントギャップとサイドギャップの放電を判別する方法について述べる。ワイヤ電極１はフロントギャップ方向に軸送りされるため、平均的にフロントギャップの方がサイドギャップより狭くなり、サイドギャップに比べてフロントギャップで生じる放電の無負荷時間は短くなる。また、ギャップが広いほど放電時の極間電圧の立下り時間は長く、放電中の極間電圧（放電電圧）は大きくなる傾向にあるため、サイドギャップの方がフロンギャップより極間電圧の立下り時間が長く、放電電圧は大きくなる。さらに、コンデンサ電源の場合にはギャップが狭い程、放電電流が小さくなる傾向にあるため、サイドギャップの方がフロントギャップより放電電流が大きくなる。このように加工状態量にはサイドギャップとフロントギャップの放電で異なる傾向が現れるものがあり、本発明の実施の形態では、無負荷時間からサイドギャップの放電を判別する原理について述べる。

図３は仕上げ加工における無負荷時間の度数分布をプロットし、それを滑らかな線で補間したグラフである。加工代や加工条件によって分布は変化するが、無負荷時間が短い側には大きなピークができ、長い側にはゆるやかな勾配で広い分布となる傾向がある。前述したように、無負荷時間が短い時の放電は主にフロントギャップの放電、無負荷時間が長い時の放電は主にサイドギャップの放電であると考えられるため、図３のように閾値を引くことによって、フロントギャップとサイドギャップの放電を判別することができる。

次に、サイドギャップの加工量が一定になる加工速度指令を算出することを考える。図４は、図２の（ａ）と（ｂ）それぞれの加工中において、単位時間あたりの無負荷時間の度数分布をプロットし、それを滑らかな線で補間したグラフである。図２の（ａ）に対応するのが図４の（ａ）のグラフであり、図２の（ｂ）に対応するのが図４の（ｂ）のグラフである。図４のように閾値を境に右側をサイドギャップの放電、左側をフロントギャップの放電とした時、図４の（ａ）の方がサイドギャップの放電数が多くなる。これはすなわち、図２の（ａ）のサイドギャップの方が広くなることを示している。

ここで、図２の（ａ）のサイドギャップを正とし、放電周波数を制御量として加工サーボすることを考える。この時、図４の（ｂ）のサイドギャップの度数を図４の（ａ）のそれと一致させるには、図２の（ａ）と（ｂ）のサイドギャップでの放電周波数の差が小さくなるように図２の（ｂ）の加工速度指令を算出する。その結果、図２の（ｂ）の加工速度は図示した状態より小さく算出され、図５に示すように図２の（ｂ）のサイドギャップでの放電数は図５の（ｂ）から（ｃ）のように増加し、図２の（ａ）に対応する図５の（ａ）のサイドギャップの度数と等しくすることができる。

以上のように、サイドギャップでの放電の加工状態量を制御量して加工サーボすることによって、前段加工面の形状によらずサイドギャップを一定にできるので、前段加工面の形状誤差を大幅に改善できる。

次に本実施の形態にかかるワイヤ放電加工装置１００の動作について図１および図６を参照しながら説明する。図６はサイドギャップでの放電の加工状態量を制御量として加工サーボする手順をフローチャートに示した図である。

図１に示すように数値制御装置６には加工開始前に加工条件入力装置７より加工条件が入力される（図６：ステップＳ１）。加工をスタートすると、図示しないワイヤ電極走行装置によってワイヤ電極１が走行され、数値制御装置６は入力された加工条件を発振器５に送出し、加工電源４は発振器５の発振指令に従って給電子３を介してワイヤ電極１と被加工物２の間に高電圧を印加することによって放電パルスを発生させて放電加工を行う（ステップＳ２）。

加工中の発振器信号は発振器５から無負荷時間算出装置１４にも送出され、無負荷時間算出装置１４は発振器信号から放電パルスの無負荷時間を算出する（ステップＳ３）。サイドギャップ放電閾値設定装置１５にはサイドギャップの放電であるかを判別する無負荷時間を閾値として設定する。そして、サイドギャップ放電判別装置１３により、無負荷時間算出装置１４から送出される無負荷時間が、サイドギャップ放電閾値設定装置１５に設定された閾値より長いか否かが判定される（ステップＳ４）。閾値より長い場合は、当該放電パルスはサイドギャップの放電であると判別し（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、閾値より短い場合は、サイドギャップの放電ではないと判別する（ステップＳ４：Ｎｏ）。なお、ここでは放電パルスの無負荷時間からサイドギャップの放電を判別する方法について説明するが、無負荷時間以外にも極間電圧の放電立下り時間、放電電圧、放電電流などを用いても無負荷時間を用いたのと同様にサイドギャップとフロントギャップの放電を精度よく分別することが可能である。

なお、サイドギャップ放電閾値設定装置１５に設定する閾値は、例えば、次のように求める。ワイヤ電極軌跡を直線とし、オフセット量を変えることによって２つの異なる加工代で仕上げ加工を行う。この時、実際の加工と同様に、加工量と相関の高い加工状態量を制御量とした加工サーボを適用する。そして、加工代の異なる加工における無負荷時間をそれぞれ算出し、その度数分布をプロットして滑らかな線で結ぶと、両者の線が交差する無負荷時間が存在する。そこで、この交差する無負荷時間を閾値として設定する。

サイドギャップの放電であった場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）は、加工状態量検出装置１２は加工状態量の検出を行い（ステップＳ５）、そうでない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）は加工状態量の検出を行わず、ステップＳ３に戻る。サイドギャップを一定とするためには、加工状態として加工量と相関の高い加工状態量を用いることが好ましく、このような加工状態量として、例えば、平均放電周波数、平均放電電圧、および平均無負荷時間などがある。分別されたサイドギャップの放電に対して、加工量と相関の高い加工状態量を用いることにより、以下のようにサイドギャップを高い精度で一定に近づける加工サーボ制御系を構築でき、前段加工面の形状誤差を大幅に改善することができる。なお、駆動装置９の応答周波数は放電周波数に比べて低いため、加工状態量は平均化処理したものを用いる。

加工状態検出装置１２はサイドギャップで放電した時に検出した加工状態量を加工速度指令演算装置１１に送出する。加工速度指令演算装置１１は加工状態量と、あらかじめ参照指令設定装置１６に設定された参照指令値を比較し、両者の差を小さくするように加工速度指令を算出する（ステップＳ６）。このような制御指令の演算には一般にＰＩＤ制御が用いられるが、これに限る訳ではない。

加工速度指令演算装置１１は駆動制御器１０に加工速度指令を送出し（ステップＳ７）、駆動制御器１０は数値制御装置６から出力されるワイヤ電極１の軌跡指令と、加工速度指令演算装置１１から出力される加工速度指令に従って駆動装置９を駆動する。駆動装置９は被加工物テーブル８を移動させることによってワイヤ電極１と被加工物２を相対移動させ、放電加工を進行させる。その後、加工終了か否かが判定され（ステップＳ８）、終了と判定される（ステップＳ８：Ｙｅｓ）まで、ステップＳ３に戻る（ステップＳ８：Ｎｏ）ループが繰り替えされる。

以上の構成によれば、荒加工後の加工である仕上げ加工において、サイドギャップとフロントギャップの放電を分別し、サイドギャップの放電における加工状態量のみを制御量として加工速度を算出して加工サーボするため、前段加工面の形状誤差を大幅に改善できる。また、板厚変化に対しても同様に形状誤差を小さくでき、さらにフィードバック制御であることから、外乱や経年変化を補償できるという効果も奏する。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるワイヤ放電加工装置は、荒加工後の仕上げ加工に有用であり、特に、フロントギャップとサイドギャップの放電が混在している状況下で前段加工面の形状誤差を大幅に改善するワイヤ放電加工装置に適している。

１ ワイヤ電極
２ 被加工物
３ 給電子
４ 加工電源
５ 発振器
６ 数値制御装置
７ 加工条件入力装置
８ 被加工物テーブル
９ 駆動装置
１０ 駆動制御器
１１ 加工速度指令演算装置
１２ 加工状態検出装置
１３ サイドギャップ放電判別装置
１４ 無負荷時間算出装置
１５ サイドギャップ放電閾値設定装置
１６ 参照指令設定装置
１００ ワイヤ放電加工装置
Ｓ１〜Ｓ８ ステップ

Claims (5)

1. ワイヤ電極と、
   被加工物を搭載可能な被加工物テーブルと、
   前記被加工物テーブルを駆動する駆動手段と、
   荒加工後の加工における放電パルスを二つの種類に分別する分別手段と、
   前記分別手段により分別した一方の種類の放電パルスにおける加工量と相関の高い加工状態量を検出する加工状態検出手段と、
   前記加工状態量を制御量として加工速度指令を算出する加工速度指令演算手段と、
   前記加工速度指令に基いて前記駆動手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記被加工物テーブルを駆動することによって前記ワイヤ電極と前記被加工物とを相対移動させつつ前記ワイヤ電極と前記被加工物との間で前記放電パルスを発生させて放電加工を行う
   ことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
2. 前記分別手段は、前記放電パルスの無負荷時間を閾値判定することにより分別する
   ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤ放電加工装置。
3. 前記分別手段は、前記放電パルスの放電立下り時間、放電電圧、或いは放電電流のいずれかを閾値判定することにより分別する
   ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤ放電加工装置。
4. 前記加工状態量は、平均無負荷時間である
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のワイヤ放電加工装置。
5. 前記加工状態量は、平均放電周波数、或いは平均放電電圧である
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のワイヤ放電加工装置。

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