JP7126561B2 - 放電加工機の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電加工機の電源装置に関する。

ワークを放電加工（例えば、形彫放電加工）する放電加工機において、予め決定された間隙を設けて互いに対向するワーク及び電極から構成される極間にパルス状の電流を供給する電源装置が用いられる。放電加工機によって加工されるワークの加工時間は、電流を立ち上げてから電流の立下げを開始するまでの電流供給時間、電流の立下げの開始時から電流の値が零になるまでの電流立下げ時間及び電流を立ち下げて電流の値が零になった時点から電流を再び立ち上げる時点までの電流休止時間によって決定される。従来、ワークの加工時間を短縮するために、電流立下げ時間をできるだけ短くするように電流を回生させる放電加工機の電源装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

放電加工機の電源装置において電流を回生させる場合、極間、極間に並列に接続した直流電源、直流電源と極間の間に配置したスイッチ及びスイッチと極間の間に配置したケーブルによって電流供給経路を形成し、極間、エネルギーを消費するために極間に並列に接続した回生抵抗及び回生抵抗と極間の間に配置したケーブルによって電流回生経路を形成することができる。

この場合、スイッチは、ワークの加工条件設定に従ってオンオフ制御され、スイッチがオンされている間に極間に絶縁破壊が生じると電流が電流供給経路を流れ、スイッチがオフに切り替わった瞬時に電流が立下げを開始し、電流立下げ時間中に電流が電流回生経路に回生される。

電流回生経路に回生される電流（以下、「回生電流」）の値をＩ_rとし、電流供給経路を流れる電流のピーク電流値をＩ_Pとし、回生抵抗の値をＲ_rとし、ケーブルのインダクタンス値をＬ_cとし、電流が立下げを開始してからの経過時間をｔとした場合、回生電流Ｉ_rは、

で表されるように指数関数的に減少する。これによって、電流立下げ時間は、抵抗、電極間等の状態に応じて変化する。

特開平７－１１６９２３号公報

放電加工機の電源装置において電流を回生させるために回生抵抗を有する電流回生経路を形成する場合、上述したように電流立下げ時間中に電流が指数関数的に減少するので、電流立下げ時間の短縮が困難になり、その結果、ワークの加工時間の短縮が困難になる。

また、上述したように電流立下げ時間中に電流が指数関数的に減少する場合、回生抵抗の抵抗値が大きくなるに従って電流立下げ時間が短くなる。しかしながら、電流立下げ時間を短くするために回生抵抗の抵抗値を大きくした場合、回生電流が電流回生経路を流れる間に生じる発熱量が抵抗回路の抵抗値に比例して増大するという不都合を有する。

電流休止時間をできるだけ短くすることによってワークの加工時間を短縮することができるが、電流休止時間を十分に確保しない場合、電流の立下げを開始してから電流の値が零になる前に電流が再び立ち上がることによってワークの加工精度が低下するおそれがある。

本発明の目的は、発熱量の増大及びワークの加工精度の低下が生じることなく電流の立下げを迅速に行うことによってワークの加工時間を短縮することができる放電加工機の電源装置を提供することである。

本発明による放電加工機の電源装置は、ワークを放電加工するために、予め決定された間隙を設けて互いに対向するワーク及び電極から構成される極間にパルス状の電流を供給する電流供給部と、当該電流を回生させる電流回生部と、を備える放電加工機の電源装置であって、電流供給部は、電流を生成するための第１の電圧を極間に印加するために極間に並列に接続した第１の直流電源と、電極と第１の直流電源の第１の極の側の間に配置され、第１の電圧を極間に印加する間にオンにされる第１のスイッチング素子と、ワークと第１の直流電源の第２の極の側に配置され、第１の電圧を極間に印加する間にオンにされる第２のスイッチング素子と、を有し、電流回生部は、電極と第１のスイッチング素子の間の第１の接続点とワークと第２のスイッチング素子の間の第２の接続点の間に配置された容量性素子と、第１の接続点と第１の直流電源の第１の側の間の第３の接続点と第２の接続点と容量性素子の一方の側の間の第４の接続点の間に配置され、容量性素子の電圧を第１の電圧より高い予め設定された第２の電圧に維持するために、電流の回生中に容量性素子の電圧が第２の電圧を超えたときにオンにされる第３のスイッチング素子と、を有する。

本発明によれば、電流の回生の開始時から電流の値が零になるまでの間、すなわち、回生電流が電流回生部及び極間を含む電流回生経路を流れる間に、容量性素子の電圧は、電流を生成するための第１の直流電源によって極間に印加される第１の電圧より高い第２の電圧に維持される。これによって、電流立下げ時間中に電流が第２の電圧に比例して直線的に減少する。したがって、電流回生時間に対応する電流立下げ時間を、回生抵抗を用いて電流立下げ時間中に電流を指数関数的に減少させる場合よりも短縮することができ、その結果、ワークの加工時間を短縮することができる。

また、本発明によれば、回生抵抗を用いないので、回生電流が電流回生部を流れる間に回生抵抗よる発熱が生じない。したがって、電流立下げ時間中の発熱量を、回生抵抗を用いる場合よりも減少させることができる。そして、回生された電流を加工電源側に戻すので、エネルギー効率が良い。

さらに、本発明によれば、電流立下げ時間を、回生抵抗を用いて電流立下げ時間中に電流を指数関数的に減少させる場合よりも短縮することができるので、電流休止時間を十分に確保しながらワークの加工時間を短縮することができる。したがって、電流休止時間を十分に確保できないことによって生じるワークの加工精度の低下がない。

好適には、本発明による放電加工機の電源装置は、第１の電圧と第２の電圧の間の大きさの第３の電圧を容量性素子に印加するために容量性素子に並列に接続した第２の直流電源を更に備える。これによって、電流の回生の開始時から電流の値が零になるまでの間、すなわち、回生電流が電流回生部及び極間を含む電流回生経路を流れる間に、容量性素子の電圧は、電流を生成するため第１の直流電源によって極間に印加される第１の電圧より高い第２の電圧に容易に到達することができる。

好適には、電流回生部は、容量性素子の一方の側に接続した第１の極及び第２の接続点に接続した第２の極を有する第１の整流素子と第１の接続点に接続した第１の極及び容量性素子の他方の側に接続した第２の極を有する第２の整流素子のうちの少なくとも一方を更に有する。これによって、回生電流の電流回生部から極間への供給と極間から電流回生部への供給の少なくとも一方を良好に行うことができる。

好適には、本発明による放電加工機の電源装置は、電極と第１のスイッチング素子の間に配置した誘導性素子を更に備える。これによって、ワークの加工時間を短縮しながら電流のリップルを低減することができる。

本発明の一実施の形態による放電加工機の電源装置の回路を示す図である。 図１の放電加工機の電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

本発明による放電加工機の電源装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による放電加工機の電源装置の回路を示す図である。図１において、放電加工機の電源装置１は、加工槽の中の放電加工液（いずれも図示せず）に浸漬されたワーク２を放電加工するために、予め決定された間隙を設けて互いに対向するワーク２及び電極３から構成される極間４にケーブル５を介してパルス状の電流を供給する電流供給部１１と、当該電流を回生させる電流回生部１２と、を備える。

電流供給部１１は、直流電源２１と、ＮＭＯＳトランジスタ２２と、ＮＭＯＳトランジスタ２３と、を有する。

直流電源２１は、電流を生成するための電圧Ｖ_ｓ１を極間４に印加するために極間４に並列に接続される。直流電源２１は、第１の直流電源の一例である。極間４に印加されるパルス状の電圧Ｖ_ｓ１は、第１の電圧の一例であり、例えば、７５～１６０Ｖであり、１ＫＨｚ前後から数十ＫＨｚの周波数を有する。

ＮＭＯＳトランジスタ２２は、電極３と直流電源２１のプラス側の間に配置される。ＮＭＯＳトランジスタ２３は、ワーク２と直流電源２１のマイナス側の間に配置される。ＮＭＯＳトランジスタ２２は、第１のスイッチング素子の一例である。ＮＭＯＳトランジスタ２３は、第２のスイッチング素子の一例である。直流電源２１のプラス側は、第１の直流電源の第１の極の側の一例である。直流電源２１のマイナス側は、第１の直流電源の第２の極の側の一例である。

ＮＭＯＳトランジスタ２２及びＮＭＯＳトランジスタ２３は、ＮＭＯＳトランジスタ２２及びＮＭＯＳトランジスタ２３をオンオフするためのパルス信号Ｓ１に基づいて、直流電源２１が電圧Ｖ_ｓ１を極間４に印加する間にオンにされる。パルス信号Ｓ１は、自動的に又はオペレータによりＮＣ装置６で設定されるワーク２の加工条件設定に対応するパルス発生条件に基づいてパルス発生回路７によって発生する。ワーク２の加工条件設定は、ワーク２の材質、電極３の材質、ワーク２の加工形状等に関連して決定される。パルス発生条件は、パルス列のパルスオンオフ時間、パルス列のパルス数、パルス休止時間等を含む。

電流回生部１２は、コンデンサ３１と、ＮＭＯＳトランジスタ３２と、ダイオード３３と、ダイオード３４と、を有する。

コンデンサ３１の一方の側は、ダイオード３３のカソードに接続され、ダイオード３３のアノードは、ワーク２とＮＭＯＳトランジスタ２３の間の接続点４１に接続される。コンデンサ３１の他方の側は、ダイオード３４のアノードに接続され、ダイオード３４のカソードは、電極３とＮＭＯＳトランジスタ２２の間の接続点４２に接続される。コンデンサ３１は、容量性素子の一例である。ダイオード３３は、第１の整流素子の一例である。ダイオード３４は、第２の整流素子の一例である。ダイオード３３のカソードは、第１の整流素子の第１の極の一例である。ダイオード３３のアノードは、第１の整流素子の第２の極の一例である。ダイオード３４のカソードは、第２の整流素子の第１の極の一例である。ダイオード３４のアノードは、第２の整流素子の第２の極の一例である。接続点４２は、第１の接続点の一例である。接続点４１は、第２の接続点の一例である。

ＮＭＯＳトランジスタ３２は、接続点４２と直流電源２１のプラス側の間の接続点４３と接続点４１とコンデンサ３１の一方の側の間の接続点４４の間に配置される。ＮＭＯＳトランジスタ３２は、第３のスイッチング素子の一例である。接続点４３は、第３の接続点の一例である。接続点４４は、第４の接続点の一例である。

本実施の形態では、ＮＭＯＳトランジスタ３２は、ＮＭＯＳトランジスタ３２をオンオフするためのパルス信号Ｓ２に基づいて、コンデンサ３１の電圧Ｖ_ｏを電圧Ｖ_ｓ１より高い予め設定された電圧Ｖ_ｃに維持するために、電流立下げ時間内でコンデンサ３１の電圧Ｖ_ｏが電圧Ｖ_ｃを超えている間の時間にオンにされる。電圧Ｖ_ｃは、第２の電圧の一例である。パルス信号Ｓ２は、比較演算器９でコンデンサ３１の電圧Ｖ_ｏと電圧Ｖ_ｃとを比較した結果に基づいてパルス発生回路８によって発生する。

本実施の形態では、放電加工機の電源装置１は、直流電源１３と、ダイオード１４と、コイル１５と、を更に備える。

直流電源１３は、電圧Ｖ_ｓ１と電圧Ｖ_ｃの間の大きさの電圧Ｖ_ｓ２をコンデンサ３１に印加するためにコンデンサ３１に並列に接続され、スイッチ（図示せず）をオンすることによって起動される。直流電源１３は、第２の直流電源の一例である。電圧Ｖ_ｓ２は、第３の電圧の一例である。直流電源１３のプラス側は、ダイオード１４を介して接続点４５に接続され、直流電源１３のマイナス側は、コンデンサ３１の他方の側とダイオード３４のアノードの間の接続点４６に接続される。また、接続点４６は、直流電源２１のマイナス側とＮＭＯＳトランジスタ２３の間の接続点４７に接続される。電圧Ｖ_ｃを電圧Ｖ_ｓ２より少し高い値に設定する。例えば、電圧Ｖ_ｃを電圧Ｖ_ｓ２の１．１倍とする。

ダイオード１４は、逆流防止のために設けられ、ダイオード３３のカソード及びコンデンサ３１の一方の側に接続されたカソードと、直流電源１３のプラス側に接続されたアノードと、を有する。コイル１５は、電流のリップルを低減するために接続点４２とケーブル５の間に配置される。コイル１５は、誘導性素子の一例である。

ＮＭＯＳトランジスタ２２及びＮＭＯＳトランジスタ２３がオンにされている間に極間４に絶縁破壊が生じたことにより発生した電流は、破線Ｉ_sで示すように、電流供給部１１からコイル１５、ケーブル５及び極間４を流れた後に再び電流供給部１１に戻る。

ＮＭＯＳトランジスタ２２及びＮＭＯＳトランジスタ２３がオンからオフに切り替えられた直後から電流の値が零になるまでの間に電流回生部１２に回生される電流（回生電流）は、破線Ｉ_rで示すように、電流回生部１２からコイル１５、ケーブル５及び極間４を流れた後に再び電流回生部１２に戻る。

図２は、図１の放電加工機の電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。図２のタイミングチャートにおいて、ワーク２を加工するために、期間Ｄ１に亘る直流電源２１による極間４への電圧Ｖ_ｓ１の印加及びそれに続く期間Ｄ２に亘る直流電源２１による極間４への電圧の印加の停止をＮ回繰り返す場合について説明する。

コンデンサ３１の初期充電を行うためにワーク２の加工を開始する前の時刻ｔ１で直流電源１３を起動すると、時刻ｔ２でコンデンサ３１の両端間の電圧がＶ_ｓ２に到達する。

ワーク２の加工を開始する時刻ｔ３でＮＭＯＳトランジスタ２２及びＮＭＯＳトランジスタ２３がパルス信号Ｓ１に応答してオフからオンに切り替えられると、直流電源２１によって電圧Ｖ_ｓ１が極間４に印加され、時刻ｔ４で極間４に絶縁破壊が生じ、絶縁破壊によって生じた電流は、時刻ｔ５で目標電流値であるピーク電流Ｉ_Pに到達する。極間４に絶縁破壊が生じた時刻ｔ４から期間Ｄ１の終了時に対応する時刻ｔ６に、電流は、破線Ｉ_sで示すように、電流供給部１１からコイル１５、ケーブル５及び極間４を流れた後に再び電流供給部１１に戻る。

時刻ｔ６においてＮＭＯＳトランジスタ２２及びＮＭＯＳトランジスタ２３がパルス信号Ｓ１に応答してオンからオフに切り替えられる。これによって、ＮＭＯＳトランジスタ２３の両端間の電圧が上昇し、ＮＭＯＳトランジスタ２３の両端間の電圧がコンデンサ３１の電圧Ｖ_ｏを超えると、回生電流が、破線Ｉ_rで示すように、電流回生部１２からコイル１５、ケーブル５及び極間４を流れた後に再び電流回生部１２に戻る。回生電流は、コンデンサ３１の電圧Ｖ_ｏをケーブル５のインダクタンス値及びコイル１５のインダクタンス値の和で除した値に比例して直線的に減少する。

回生電流並びにケーブル５のインダクタンス及びコイル１５のインダクタンスによりコンデンサ３１の両端間の電圧Ｖ_ｏが電圧Ｖ_ｃより大きくなる。コンデンサ３１の両端間の電圧Ｖ_ｏを電圧Ｖ_ｃに維持するために、時刻ｔ６においてＮＭＯＳトランジスタ３２がパルス信号Ｓ２に応答してオフからオンに切り替わり、コンデンサ３１に蓄積された電荷を、ＮＭＯＳトランジスタ３２を介して直流電源２１のプラス側に放出する。上述したように、電圧Ｖ_ｃを電圧Ｖ_ｓ２より少し高い値にしているので、直流電源１３の容量を極力小さくすることができる。

時刻ｔ７において極間４に生じる電流の値が零に到達するとともにＮＭＯＳトランジスタ３２がパルス信号Ｓ２に応答してオンからオフに切り替えられる。図２において、時刻ｔ４と時刻ｔ６の間の時間が電流供給時間に対応し、時刻ｔ６と時刻ｔ７の間の時間が電流立下げ時間に対応し、時刻ｔ７と期間Ｄ２が終了する時刻ｔ８の間の時間が電流休止時間に対応する。

時刻ｔ８から時刻ｔ９の間に期間Ｄ１に亘る直流電源２１による極間４への電圧Ｖ_ｓ１の印加及びそれに続く期間Ｄ２に亘る直流電源２１による極間４への電圧の印加の停止をＮ－１回繰り返す。

本実施の形態によれば、電流の回生の開始時から電流の値が零になるまでの間、すなわち、回生電流が電流回生部１２、コイル１５、ケーブル５及び極間４を含む電流回生経路を流れる間に、コンデンサ３１の電圧は、電流を生成するため直流電源２１によって極間４に印加される電圧Ｖ_ｓ１より高い電圧Ｖ_ｃに維持される。これによって、電流立下げ時間中に電流が電圧Ｖ_ｃに比例して直線的に減少する。したがって、電流回生時間に対応する電流立下げ時間を、回生抵抗を用いて電流立下げ時間中に電流を指数関数的に減少させる場合よりも短縮することができ、その結果、ワーク２の加工時間を短縮することができる。

また、本実施の形態によれば、回生抵抗を用いないので、回生電流が電流回生部１２を流れる間に回生抵抗よる発熱が生じない。したがって、電流立下げ時間中の発熱量を、回生抵抗を用いる場合よりも減少させることができる。そして、回生された電流を加工電源側に戻すので、エネルギー効率が良い。

また、本実施の形態によれば、電流立下げ時間を、回生抵抗を用いて電流立下げ時間中に電流を指数関数的に減少させる場合よりも短縮することができるので、電流休止時間を十分に確保しながらワーク２の加工時間を短縮することができる。したがって、電流休止時間を十分に確保できないことによって生じるワーク２の加工精度の低下がない。

また、本実施の形態によれば、直流電源１３を備えることによって、電流の回生の開始時から電流の値が零になるまでの間、すなわち、回生電流が電流回生部１２、コイル１５、ケーブル５及び極間４を含む電流回生経路を流れる間に、コンデンサ３１の電圧は、電流を生成するため直流電源２１によって極間４に印加される電圧Ｖ_ｓ１より高い電圧Ｖ_ｃに容易に到達することができる。

また、本実施の形態によれば、電流回生部１２がダイオード３３及びダイオード３４を有することによって、回生電流の電流回生部１２から極間４への供給と極間４から電流回生部１２への供給を良好に行うことができる。

さらに、本実施の形態によれば、コイル１５を更に備えることによって、ワーク２の加工時間を短縮しながら電流のリップルを低減することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、直流電源１３、ダイオード１４及びコイル１５のうちの少なくとも一つを省略してもよい。また、電流回生部１２のダイオード３３とダイオード３４のうちの少なくとも一方を省略してもよい。さらに、スイッチング素子としてＰＭＯＳトランジスタ等を用いてもよい。

１ 放電加工機の電源装置
２ ワーク
３ 電極
４ 極間
５ ケーブル
１１ 電流供給部
１２ 電流回生部
１３，２１ 直流電源
１４，３３，３４ ダイオード
１５ コイル
２２，２３，３２ ＮＭＯＳトランジスタ
３１ コンデンサ

Claims (4)

1. ワークを放電加工するために、予め決定された間隙を設けて互いに対向するワーク及び電極から構成される極間にパルス状の電流を供給する電流供給部と、
   当該電流を回生させる電流回生部と、
   を備える放電加工機の電源装置であって、
   前記電流供給部は、
   前記電流を生成するための第１の電圧を極間に印加するために極間に並列に接続した第１の直流電源と、
   電極と前記第１の直流電源の第１の極の側の間に配置され、前記第１の電圧を極間に印加する間にオンにされる第１のスイッチング素子と、
   ワークと前記第１の直流電源の第２の極の側に配置され、前記第１の電圧を極間に印加する間にオンにされる第２のスイッチング素子と、
   を有し、
   前記電流回生部は、
   電極と前記第１のスイッチング素子の間の第１の接続点とワークと前記第２のスイッチング素子の間の第２の接続点の間に配置された容量性素子と、
   前記第１の接続点と前記第１の直流電源の第１の側の間の第３の接続点と前記第２の接続点と前記容量性素子の一方の側の間の第４の接続点の間に配置され、前記容量性素子の電圧を前記第１の電圧より高い予め設定された第２の電圧に維持するために、前記電流の回生中に前記容量性素子の電圧が前記第２の電圧を超えたときにオンにされる第３のスイッチング素子と、
   を有する放電加工機の電源装置。
2. 前記第１の電圧と前記第２の電圧の間の大きさの第３の電圧を前記容量性素子に印加するために前記容量性素子に並列に接続した第２の直流電源を更に備える請求項１に記載の放電加工機の電源装置。
3. 前記電流回生部は、前記容量性素子の一方の側に接続したカソード及び前記第２の接続点に接続したアノードを有する第１の整流素子と前記第１の接続点に接続したカソード及び前記容量性素子の他方の側に接続したアノードを有する第２の整流素子のうちの少なくとも一方を更に有する請求項１又は２に記載の放電加工機の電源装置。
4. 電極と前記第１のスイッチング素子の間に配置した誘導性素子を更に備える請求項１～３のいずれか一項に記載の放電加工機の電源装置。

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