JP4339601B2

JP4339601B2 - 放電状態検出方法及び放電加工機

Info

Publication number: JP4339601B2
Application number: JP2003009649A
Authority: JP
Inventors: 外満原
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: JP2004216534A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、放電状態検出方法及び放電加工機、特にマイクロ波放電加工をする際に適用して好適な、放電状態検出方法及び放電加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、放電加工機によりワークを加工する際には、加工時における放電を安定させたいという要望が強い。そのためには、放電加工時の３状態、つまり▲１▼無放電、▲２▼加工に寄与する放電、▲３▼短絡の各状態を、それぞれ確実に捉えることが重要であり、中でも特に▲２▼の放電状態において加工速度に関連する情報を検知することが重要である。
【０００３】
加工速度に影響する因子には、ピーク電流、パルス時間幅、平均電流があり、これらをパラメータにした加工速度の計算式が公表されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
従来より、最も普通に行なわれている加工速度に関連する情報を検知する方法には、平均電流をモニタする方法がある。この方法は、非特許文献１に記載されている式に従えば、加工速度も把握できるし、短絡状態も確実に検知することができる。
【０００５】
【非特許文献１】
「放電加工技術−基礎から将来展望まで」第３１頁、斎藤長男他３名共著、１９９７年９月３０日、日刊工業新聞社発行
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記平均電流をモニタする方法の場合には、電流検出回路の時定数が問題となる。即ち、放電は１秒当り数万回から数十万回という非常に速いパルスの繰り返しで発生させるのに対し、モニタされる電流の平均化時定数は、０．０１秒〜１秒程度となる。つまり、この方法は、短絡頻度が低く放電が一定強度で数秒間継続する場合、例えば荒加工のような加工速度の大きい場合には有効であるが、放電状態が時々刻々と頻繁に変化するような対象の場合には、変化に直ぐに追従できないという問題がある。
【０００７】
なお、他にも、パルス印加から放電開始までの時間、即ち放電パルス１回毎に放電に至るまでの時間を測定する方法がある。しかし、この方法は、放電ギャップ長と放電ギャップ中の加工屑の濃度に左右されるため、加工速度とは何の関係も見出せず、単に放電であったか短絡であったかの区別しかできない。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、放電と短絡とが頻繁に入り混じり、放電状態が頻繁に変化する場合でも、加工に寄与する放電を正確に検出し、放電の強弱を監視することができる放電状態検出方法を提供することを第１の課題とする。
【０００９】
本発明は、又、上記放電状態検出方法を適用することにより、安定した放電加工を実現できる放電加工機を提供することを第２の課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、放電状態検出方法において、パルス電源より発生するパルス電圧を、該電源に２本のリード線を介してそれぞれ接続されたワークと電極との間に形成されるギャップに印加して放電させ、該ギャップ位置の前記ワークを放電加工する際、前記２本のリード線及びワークと電極とで形成されるループに沿って、それぞれ開放端を有し、且つ電磁的に結合された二つの環状の導体からなる、２回路のループアンテナを配設すると共に、各ループアンテナの前記開放端にそれぞれ負荷抵抗を接続し、前記二つのループアンテナにそれぞれ接続された負荷抵抗の少なくとも一方を、放電だけに感応し、短絡には感応しない値に調節し、一方のループアンテナの負荷抵抗両端に発生する高周波電圧を検波し、検波された高周波電圧の発生頻度を計数して、該発生頻度に基づいて放電状態を検出することにより、前記第１の課題を解決したものである。
【００１１】
即ち、本発明においては、放電加工時における放電時に発生する高周波の発生頻度を検出できるようにしたので、加工に寄与した放電だけをカウントし、所定の単位時間内におけるカウント数であるカウント密度をもって放電の強度とし、放電の強弱を監視することが可能となる。このような放電強度のモニタ値は、加工速度と極めて相関が強いため、加工状態を正確に把握することが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の放電状態検出方法において、前記ループアンテナに接続された負荷抵抗両端に発生する高周波電圧を、ベース接地されたトランジスタにより検波するようにしたものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１の放電状態検出方法において、前記ループアンテナに接続された負荷抵抗両端に発生する高周波電圧を、バイポーラロジックＩＣによって検波し、且つ該ＩＣによりロジックレベルに変換するようにしたものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の放電状態検出方法において、前記ループアンテナに接続された負荷抵抗両端から検波された信号を、別途定める周波数で連続的にリフレッシュされるカウンタに入力し、該カウンタによるリフレッシュ直前の計数値を前記高周波電圧の発生頻度とするようにしたものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４の放電状態検出方法において、前記カウンタのリフレッシュ直前の計数値をＤＡ変換器によってアナログ値に変換し、変換後のアナログ電圧に基づいて放電発生頻度を判定することを特徴とするようにしたものである。
【００１７】
請求項６の発明は、放電加工機において、請求項１乃至５のいずれかに記載の放電状態検出方法を適用して、計数された高周波電圧の発生頻度に基づいて、前記ワークと電極との間の放電ギャップを調整する駆動手段に帰還を施す制御手段を備えたことにより、前記第２の課題を解決したものである。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項６の放電加工機において、放電ギャップを調整する前記駆動手段が、前記ワークを装着可能な、位置検出機能を有するワーク装着手段から出力される位置信号に、請求項５における前記アナログ電圧を重畳させて得られる制御信号に基づいて、前記制御手段により駆動制御されるようにしたものである。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項７の放電加工機において、前記駆動手段が、前記ワーク装着手段を１軸方向に移動させるモータであるようにしたものである。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項６の放電加工機において、放電ギャップを調整する前記駆動手段が、前記ワークを装着可能な、位置検出機能を持たないアクチュエータであり、該アクチュエータが、請求項５における前記アナログ電圧に基づいて、前記制御手段により駆動制御されるようにしたものである。
【００２１】
請求項１０の発明は、請求項９の放電加工機において、前記アクチュエータが、移動テーブル又は固定台に取付けられた圧電素子であるようにしたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１には、本発明に係る第１実施形態の放電加工機の全体構成の概要を示す。本実施形態の放電加工機には、パルス電圧を時間幅を制御して発生することができる直流パルス化電源（パルス電源）１０と、該パルス電源１０のプラス極と加工対象であるワークＷとを電気的に接続する＋リード線１２Ａと、該パルス電源１０のマイナス極と加工用電極１４とを接続する−リード線１２Ｂとを備え、パルス電源１０からパルス電圧を、ワークＷと電極１４との間に形成されるギャップに印加して放電を生じさせ、該ギャップに位置するワークＷを部分的に溶解させることにより、該ワークＷに対する放電加工を行なうことができるようになっている。
【００２４】
又、この放電加工機では、上記＋リード線１２Ａ及びワークＷと、−リード線１２Ｂ及び電極１４とで形成されるループに沿って、円環状の導体を電磁的に密に結合させた二重（２回路）のループアンテナ１６が配設されている。この二重ループアンテナ１６は、図２（Ａ）に拡大して模式的に示すように、それぞれ開放端を有する２本の円環状の導体からなるループアンテナ１６Ａと１６Ｂとで構成され、各ループアンテナ１６Ａ、１６Ｂの開放端にはそれぞれ固定抵抗Ｒ1と可変抵抗Ｒ2からなる負荷抵抗が接続されている。そして、一方の固定側の負荷抵抗Ｒ1の両端には、加工時に発生する高周波電圧を検波する検波手段１８が接続されていると共に、該検波手段１８により検波された高周波電圧を計数するカウンタ２０と、該カウンタ２０から出力される計数信号を、アナログの放電強度信号に変換するＤＡ変換器２２とが設置され、該変換器２２から出力される信号が、前記ワークＷを装着するワーク装着手段２４が有する移動テーブル２４Ａの駆動制御部に出力され、該ワークＷと電極１４とのギャップが適切に制御されるようになっている。
【００２５】
この放電加工機について更に詳述すると、前記二重ループアンテナ１６は、＋リード線１２Ａ・ワークＷ・電極１４・−リード線１２Ｂからなる前記ループに沿って括り付ける（配設する）ことにより、ワークＷと電極１４の間で放電が起きたときの高周波成分のみを検出することが可能となっている。このように、２つのループアンテナ１６Ａ、１６Ｂを用いることにより、後の信号処理の自由度を増やすことができる。又、この２つのループアンテナ１６Ａ、１６Ｂは、信号の同一性を確保するために電磁的に密に結合させる必要があるため、バイファイラー巻にすることが有効である。
【００２６】
又、この二重ループアンテナ１６では、一方（固定側）のループアンテナ１６Ａに接続されている負荷抵抗Ｒ1の両端から信号を検波して放電発生時の検出信号とするが、その際可変側の負荷抵抗Ｒ2を調整することにより、加工に寄与する放電だけに感応し、短絡には感応しないようにすることができる。なお、負荷抵抗の調整は、検波側で調整しても、両方で調整しても良いことは言うまでもない。
【００２７】
又、この検波信号が入力される前記カウンタ２０は、一定時間間隔で後述するリフレッシュ信号が入力され、リフレッシュされるようになっているため、この時間間隔で発生する放電回数を計数することになり、この計数値が前記ＤＡ変換器２２を通してアナログ電圧に換算されるようになっている。
【００２８】
このＤＡ変換器２２の出力は、放電発生頻度を表わし、この発生頻度が少ない場合には放電ギャップが狭くなる方向に、逆に発生頻度が多すぎる場合には放電ギャップが広くなる方向に、前記移動テーブル２４Ａを動かす帰還（フィードバック）をかける制御が実行される。この制御については後述する。
【００２９】
前記図２（Ｂ）には、前記パルス電源１０により、周期Ｔでパルス幅ｔ_pのパルス電圧を印加した場合に、ループアンテナ１６に誘起され、検波されたオシログラフの波形を示す。この図に示されるように、加工に寄与する放電とそれ以外の状態とが明確に区別できることが分る。即ち、上述したように放電状態が明確に区別できるように可変抵抗Ｒ2の値を決めている。この例では、同図（Ａ）に併記したように、各ループアンテナ１６Ａ、１６Ｂの負荷抵抗Ｒ1、Ｒ2として、いずれも４７Ωとすることにより、ちょうど良い峻別性が得られた。これらの抵抗値は、大きくすると短絡時の波形が大きくなって具合が悪く、逆に小さくすると加工に寄与する放電の波形も小さくなるため、適切な値に調整することが重要である。
【００３０】
図３に、検波手段１８を構成する具体的な回路の例を示す。パルス幅は１nsecと狭いために、一般的な高速ダイオードでは上手く検波できない。そこで、トランジスタによるベース接地回路を利用している。このようなベース接地動作のトランジスタとしては、一般に市販されている６GHz程度のものを利用できる。又、ここでは閾値Ｖthを設けて、入力波形をスライスするようになっている。なお、検波出力は、高速コンパレータを介してロジックＩＣへ接続するべきであるが、バイアス条件をマッチさせれば、このままでもロジックＩＣへ接続可能である。
【００３１】
図４（Ａ）には、検波手段１８の他の例として、一般に市販されているＪＫフリップフロップからなるバイポーラロジックＩＣ１８Ａを使って検波し、且つ同一のＩＣによりそのままロジックレベルに変換する場合を示す。
【００３２】
このロジックＩＣ１８Ａの内部には、入力側に前記ベース接地回路と非常によく似た回路を備えているため、図３に示す回路は不要である。又、このようにフリップフロップを使うことによりチャタリングを防止できる利点もある。
【００３３】
又、図４（Ｂ）には、このバイポーラロジックＩＣ１８Ａにより検波され、デジタル化された放電時の信号の例を示すように、放電発生の頻度が正確に検出されることが分かる。
【００３４】
図５（Ａ）には、前記バイポーラロジックＩＣ１８Ａにより検波された高周波信号をカウント密度（リフレッシュ時間毎の放電発生頻度）に変換する機能部分を具体的に示す。このロジックＩＣ１８Ａに形成されているフリップフロップの出力周波数は、放電が全て加工に寄与する放電であったとしても、最大で前記パルス電源１０が発生するパルスレートの半分になる。そこで、カウンタ２０には、タイムインターバル発生器２６からこの最高周波数の概ね１／１００の周波数でリフレッシュ信号を出力し、該カウンタ２０を定期的にリフレッシュさせ続ける。なお、ここで設定するリフレッシュ周波数は、低すぎると応答が遅くなる。逆に、高すぎて最高周波数に近くなると放電発生密度の検出分解能が粗くなる。
【００３５】
具体例としては、カウンタ２０が７bit、パルス電源１０が発生するパルスレートが６００キロパルス／秒、リフレッシュ周波数が２．５kHzを挙げることができる。この場合には、更新（リフレッシュ）間隔が０．４msec、放電密度の最大検出値と最小検出値の比が１２７となる。
【００３６】
このような条件下で実際に検出して得られた、カウンタ２０への入力波形とＤＡ変換器２２からの出力波形との関係を同図（Ｂ）に対応させて示したように、加工に寄与する放電の発生密度をアナログ電圧信号として確実に捉えることができ、変換後のアナログ電圧の大小に基づいて放電発生頻度を判定することができることが分かる。
【００３７】
図６には、前記ＤＡ変換器２２から出力される放電発生密度に基づいて、前記ワーク装着手段２４が有する１軸移動テーブル２４Ａを矢印方向に進退動させるモータ（駆動手段）２８をフィードバック制御する制御手段の概要を示す。
【００３８】
ワーク装着手段２４は、ワークの装着が可能な移動テーブル２４Ａと共に固定テーブル２４Ｂを有し、該移動テーブル２４ＡにワークＷを装着して移動させると、該テーブル２４Ａに付設されているスケール２４Ｃが、固定テーブル２４Ｂに取り付けられている位置検出ヘッド２４Ｄにより読み取られ、移動量が検出されるようになっている。そして、上記位置検出ヘッド２４Ｄによる検出信号は増幅器３０を介してテーブル位置信号として重畳器３２に出力される。
【００３９】
この重畳器３２では、入力された位置信号と、前記ＤＡ変換器２２から時定数を考慮して入力される放電発生密度の電圧信号とが重畳され、その結果がモータドライバ３４に出力されることにより、前記モータ２８が駆動制御され、電極１４とワークＷの間の放電ギャップが適切に調整されるようになっている。
【００４０】
即ち、重畳器３２では、ＤＡ変換器２２の出力を図示しない目標値と比較し、その結果に基づいて増幅器３０から入力される位置信号に、該変換器２２の出力を加算又は減算した信号を、前記モータドライバ３４に出力することにより、ＤＡ変換器２２の出力が目標値より上昇したときに放電ギャップが広くなる方向へ、逆のときは狭くなる方向へ、移動テーブル２４Ａを動かすことにより、適切な放電ギャップに維持できるようになっている。
【００４１】
上記時定数は、移動テーブル２４Ａの制御性能に合わせて、例えば０．０３秒とすることができる。このように、ＤＡ変換器２２の後に大きな時定数を挿入し、テーブル２４Ａの運動性能と整合させることにより、放電ギャップを適切に制御することができる。その結果、マイクロ波放電加工の場合は、従来の平均電流方式では電流値そのものが小さく放電が不安定であったが、安定性を大幅に改善することができた。
【００４２】
以上詳述した本実施形態によれば、加工に寄与する放電と短絡とが頻繁に入り混じるような放電加工時でも、放電を正確に検出することができる。従来の平均電流方式では、このような場合は、放電電流が大きいと見なされてしまう。
【００４３】
又、カウント数を更新するための基準時間は設定自由度が大きく、放電パルスレートを考慮して決めることができる。具体的には、０．０００００１秒〜０．００１秒で任意であり、平均電流方式の場合より数桁速くできる。
【００４４】
従って、放電強度を検出してモニタすることにより、そのモニタ値（放電発生密度）を使って放電ギャップを制御する前記図６等に示したシステムを構築するようにしたことにより、従来よりも応答を極めて速くすることができるため、放電強度を安定させることができた。特に、マイクロ放電加工機より鏡面加工を行なう場合においては、ピーク電流を極限まで低くして加工しなければならないため、短絡が起き易いので有効である。
【００４５】
又、応答性を自由に決められるので、遅いギャップ制御システムには遅い対応も可能であり、従来の放電加工機にもそのまま搭載可能である。
【００４６】
図７には、本発明に係る第２実施形態の放電加工機の要部を示す。
【００４７】
本実施形態では、前記図６に示したような移動テーブル（移動台）２４Ａに取り付けられているアクチュエータ（駆動手段）３６にワークＷを装着すると共に、ＤＡ変換器２２の出力が比較器３２Ａに入力され、図示しない目標値と比較され、その偏差信号がアクチュエータドライバ３８にフィードバックされ、該偏差が０になるようにアクチュエータ３６を駆動し、ワークＷを移動させることにより、放電ギャップが適切に調整されるようになっている。なお、アクチュエータ３６は移動機能がない固定台に取り付けるようにしてもよい。
【００４８】
本実施形態は、前記図６に示したような、質量が大きいテーブルを移動させる必要がない場合に好適である。例えば、マイクロ放電の場合は、移動距離としては１０μmもあれば十分であるので、このような微小な距離を変位させるには、例えば圧電素子のようなアクチュエータ３６の方が適している。又、マイクロ放電の場合は、ワークＷが小さいために質量も小さいので、応答周波数はアクチュエータ３６の性能限界まで振らせることが可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、加工に寄与する放電と短絡とが頻繁に入り混じり、放電状態が頻繁に変化する場合でも、加工に寄与する放電状態を正確に検出することができる。
【００５０】
従って、検出された放電状態をモニタし、そのモニタ値に基づいて放電加工機の駆動部を制御することにより、加工電極とワークとのギャップを適切に制御することが可能となることから、加工精度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の放電加工機の概要を示す説明図
【図２】高周波電圧を検出する二重ループアンテナの一例と、その特徴を示す線図
【図３】高周波電圧を検波する検波手段を構成するベース接地検波回路を示す回路図
【図４】高周波電圧を検波する検波手段の他の一例と、その特徴を示す説明図
【図５】検波された高周波電圧をカウント密度に変換する機能部を示すブロック図と、その作用を示す線図
【図６】第１実施形態の放電加工機が有する駆動制御系の要部を抽出して示すブロック図
【図７】第２実施形態の放電加工機が有する駆動制御系の要部を抽出して示すブロック図
【符号の説明】
１０…直流パルス化電源（パルス電源）
１２…リード線
１４…加工電極
１６…２重ループアンテナ
１６Ａ、１６Ｂ…ループアンテナ
１８…検波手段
２０…カウンタ
２２…ＤＡ変換器
２４…ワーク装着手段
２４Ａ…移動テーブル
２８…モータ
３２…重畳器
３２Ａ…比較器
３６…アクチュエータ
Ｗ…ワーク
Ｒ1、Ｒ2…負荷抵抗

Claims

パルス電源より発生するパルス電圧を、該電源に２本のリード線を介してそれぞれ接続されたワークと電極との間に形成されるギャップに印加して放電させ、該ギャップ位置の前記ワークを放電加工する際、
前記２本のリード線及びワークと電極とで形成されるループに沿って、それぞれ開放端を有し、且つ電磁的に結合された二つの環状の導体からなる、２回路のループアンテナを配設すると共に、各ループアンテナの前記開放端にそれぞれ負荷抵抗を接続し、
前記二つのループアンテナにそれぞれ接続された負荷抵抗の少なくとも一方を、放電だけに感応し、短絡には感応しない値に調節し、
一方のループアンテナの負荷抵抗両端に発生する高周波電圧を検波し、検波された高周波電圧の発生頻度を計数して、該発生頻度に基づいて放電状態を検出することを特徴とする放電状態検出方法。
請求項１において、
前記ループアンテナに接続された負荷抵抗両端に発生する高周波電圧を、ベース接地されたトランジスタにより検波することを特徴とする放電状態検出方法。
請求項１において、
前記ループアンテナに接続された負荷抵抗両端に発生する高周波電圧を、バイポーラロジックＩＣによって検波し、且つ該ＩＣによりロジックレベルに変換することを特徴とする放電状態検出方法。
請求項１において、
前記ループアンテナに接続された負荷抵抗両端から検波された信号を、別途定める周波数で連続的にリフレッシュされるカウンタに入力し、該カウンタによるリフレッシュ直前の計数値を前記高周波電圧の発生頻度とすることを特徴とする放電状態検出方法。
請求項４において、
前記カウンタのリフレッシュ直前の計数値をＤＡ変換器によってアナログ値に変換し、変換後のアナログ電圧に基づいて放電発生頻度を判定することを特徴とする放電状態検出方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載の放電状態検出方法を適用して、計数された高周波電圧の発生頻度に基づいて、前記ワークと電極との間の放電ギャップを調整する駆動手段に帰還を施す制御手段を備えたことを特徴とする放電加工機。
請求項６において、
放電ギャップを調整する前記駆動手段が、前記ワークを装着可能な、位置検出機能を有するワーク装着手段から出力される位置信号に、請求項５における前記アナログ電圧を重畳させて得られる制御信号に基づいて、前記制御手段により駆動制御されることを特徴とする放電加工機。
請求項７において、
前記駆動手段が、前記ワーク装着手段を１軸方向に移動させるモータであることを特徴とする放電加工機。
請求項６において、
放電ギャップを調整する前記駆動手段が、前記ワークを装着可能な、位置検出機能を持たないアクチュエータであり、該アクチュエータが、請求項５における前記アナログ電圧に基づいて、前記制御手段により駆動制御されることを特徴とする放電加工機。
請求項９において、
前記アクチュエータが、移動台又は固定台に取付けられた圧電素子であることを特徴とする放電加工機。