JP2017061023A - ワイヤ放電加工装置の加工電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出遅れと制御遅れを短縮して、より短いパルス幅で望ましい高いピーク電流値の放電電流パルスを供給する。【解決手段】加工間隙１５に供給される放電電流が所定の基準電流値以上のときに電流検出信号を出力する放電電流検出器２７と、電源回路１に設けられ電流検出信号が入力されたときにスイッチング素子２５をオフする遮断回路２９と、加工間隙に放電が発生したことを検出して放電検出信号を出力する放電発生検出器１７と、電源回路から離れて設けられスイッチング素子をゲート信号によってオンオフするとともに、放電検出信号を入力して放電待機時間を計測し放電待機時間に応じて基準電流値を変更設定するパルス発生装置４３とを備えてなるワイヤ放電加工装置の加工電源装置を提供する。【選択図】図１

Description

この発明は、ワイヤ放電加工装置の加工電源装置に関する。

ワイヤ放電加工装置の加工電源装置においては、ワイヤ電極と被加工物との間に形成される加工間隙に放電電流を供給する直流電源との間に設けられるスイッチング回路のスイッチング素子をオンオフすることによって、加工間隙に直列に接続された直流電源の出力で直接間欠的に放電電流パルスを供給するスイッチング回路方式の放電回路が知られているコンデンサの充放電によって放電電流パルスを供給するコンデンサ充電方式の放電回路が蓄勢式と称されることから、スイッチング回路方式の放電回路は、蓄勢式に対して非蓄勢式と称される。

非蓄勢式の放電回路は、加工間隙に放電が発生してから所定のオン時間後にスイッチング素子をオフすることによって、加工間隙に電圧を印加してから放電が発生するまでの予測できない不特定の放電待機時間（無負荷時間ともいう）の長さに関わらず、放電電流パルスの幅を一定の長さを揃えることができる。本発明では、放電の発生を検出してから所定のオン時間後にオフするようにスイッチング素子を制御する方法をオンクランプ方式という。オンクランプ方式によると、放電一発毎に同じパルス幅の放電電流パルスを供給することができるので、理論上、各放電電流パルスのピーク電流値が同じであるならば、同じ放電エネルギの放電電流パルスを繰返し供給することができ、放電痕の大きさのばらつきが小さく、より均一な加工面粗さを得ることができる。

また、オンクランプ方式では、放電一発毎に放電待機時間を得ることによって、放電待機時間に応じて放電電流パルスのピーク電流値を最適化することも可能である。そのため、異常放電を発生しにくくするとともに、ワイヤ電極の不慮の断線を低減して加工効率の低下を抑えることができる。以下の説明では、放電待機時間に応じて放電電流パルスのピーク電流値を変更する制御方法を含めてオンクランプ方式という。直流電源の出力で放電電流パルスを供給する場合、コンデンサ放電によるパルス幅が短く高電流値の放電電流パルスを得ることが難しく、パルス幅を短くすると放電一発毎の放電エネルギが小さくなり、パルス幅を長くすると放電の繰返し周波数が低くならざるを得ないので、加工速度をより速くすることが難しい。とりわけ、オンクランプ方式では、放電の発生を検出してからスイッチング素子を動作させるまでの検出遅れと制御遅れとによって、実質的に１μｓｅｃ（マイクロ秒）以下のパルス幅の放電電流パルスを供給することが困難である。

例えば、特許文献１は、補助電源から電圧を印加し、放電発生後に、高い電圧の主電源から放電電流を供給することによってより高いピーク電流値の放電電流パルスを供給できる放電加工用電源装置を開示している。また、特許文献２は、早期に放電の発生を検出することによって放電電流パルスのパルス幅を短縮できるワイヤ放電加工装置を開示している。特許文献２の発明によると、放電の発生の検出による検出遅れを短縮することによって、ピーク電流値を小さくすることなく、より短いパルス幅の放電電流パルスを供給することができ、加工速度が向上する。

特公昭６１−０５０７３７号公報 特許第３７２６９４０号公報

ピーク電流値が比較的小さい放電電流を長く流すと、ワイヤ電極の溶融が進んでワイヤ電極の材料が被加工物に付着することがよく知られており、ワイヤ電極の材質が黄銅である場合に、ワイヤ電極の材料の付着が顕著である。特に、被加工物が多結晶ダイヤモンドのような難加工材である場合は、黄銅の付着が被加工物の上面部位に及んでダメージ層（スパッタ層）を形成し、品質を低下させる。また、パルス幅を短くしながら高いピーク電流値の放電電流パルスを供給するために、加工間隙に供給する電圧を高くしすぎると、ワイヤ電極の材料が飛散しやすく、かえってダメージ層を拡大してしまうことがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、検出遅れと制御遅れを短縮して、より短いパルス幅で望ましい高いピーク電流値の放電電流パルスを供給できるワイヤ放電加工装置の加工電源装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明によれば、ワイヤ電極と被加工物とで形成される加工間隙に直列に接続され加工間隙に放電電流を供給する直流電源と、加工間隙と直流電源との間に直列に設けられるスイッチング素子とを含んでなる電源回路を備えた加工電源装置において、直流電源と加工間隙との間に直列に設けられる電流検出子を含んでなり加工間隙に供給される放電電流が所定の基準電流値以上のときに電流検出信号を出力する放電電流検出器と、電源回路の近傍に設けられ電流検出信号が入力されたときにスイッチング素子をオフする遮断回路と、直流電源と加工間隙の間に並列に設けられる電圧検出子を含んでなり加工間隙に放電が発生したことを検出して放電検出信号を出力する放電発生検出器と、電源回路から離れて設けられスイッチング素子を予め加工条件として設定されたオン時間とオフ時間に基づいたゲート信号によってオンオフするとともに、放電検出信号を入力して加工間隙に電圧を印加してから放電が発生するまでの不特定の放電待機時間を計測し放電待機時間に応じて放電電流検出器の基準電流値を変更設定するパルス発生装置と、を備えてなるワイヤ放電加工装置の加工電源装置を提供するものである。

本発明のワイヤ放電加工装置の加工電源装置は、放電電流検出器によって放電電流が所定の基準電流値に達したときにパルス発生装置を通さずにスイッチング素子をオフにする遮断回路を備える。そのため、放電電流が所定の基準電流値に達したときに直ちにスイッチング素子をオフすることができ、制御遅れによって予定よりもパルス幅の長い放電電流が供給されることがなく、加工時のダメージ層の発生を抑制できる。その結果、加工速度が低下することなく、高品質の放電加工を行なうことができる。

本発明の加工電源装置を示すブロック回路構成図である。 図１に示す回路構成中の各部における波形のタイミングチャートである。

ワイヤ放電加工機の加工電源装置は、図１に示すように、電源回路１と制御装置４とを備え、電源回路１は、ワイヤ電極１１と被加工物１３との間に形成される加工間隙１５と、放電発生検出器１７と、加工のための放電電流を供給する主電源回路２と、主電源回路２に並列に接続され加工間隙に無負荷電圧を印加して放電の誘起を補助する補助電源回路３とを含み、制御装置４は、条件設定部４１と、パルス発生装置４３と、閾値設定部４５とを含む。補助電源回路３は必須の構成ではないが、より安定して放電の誘起を行うために設けられることが望ましい。

主電源回路２は、可能な限り抵抗値が小さくなるよう構成され、加工間隙１５に電圧を印加して加工のための放電電流を供給する。主電源回路２は、第１の直流電源２１と、第１の逆流阻止ダイオード２３と、主電源スイッチング素子２５と、放電電流検出器２７と、遮断回路２９と、を含む。

第１の直流電源２１は、加工間隙１５に直列に設けられ、１５Ｖから４５０Ｖ程度の範囲で電圧が可変に構成されている。

第１の逆流阻止ダイオード２３は、第１の直流電源２１と加工間隙１５との間に直列に接続され、後述する補助電源回路３の電源である第２の直流電源３１が第１の直流電源２１よりも高い電圧を印加するときに発生しうる逆流電流が第１の直流電源２１に還流して、主電源スイッチング素子２５が破損することを防ぐ。

主電源スイッチング素子２５は、具体的に、ＭＯＳＦＥＴであり、第１の直流電源２１と加工間隙１５との間に直列に接続される。主電源スイッチング素子２５は、パルス発生装置４３から出力される第１のゲート信号ｇｍによってオンオフが切り換えられる。主電源スイッチング素子２５は、１つであってもよいが、主電源回路が加工間隙に供給できる最大電流値に対応して複数並列に設けることができる。また、本実施形態では、加工間隙１５と第１の直流電源２１の正極側との間に直列に接続されるスイッチング素子と、加工間隙１５と直流電源２１の負極側との間に直列に接続されるスイッチング素子との一対の主電源スイッチング素子２５が設けられている。一対の主電源スイッチング素子２５を同時にオンオフさせることにより、主電源回路２が加工間隙１５から実質的に切り離されるので放電電流の立下りをより急峻にできる。

放電電流検出器２７は、加工間隙１５に発生した放電電流が所定の電流値以上になったときに電流検出信号ｃｄを出力する。本実施形態の放電電流検出器２７は、第１の直流電源２１と加工間隙１５との間に直列に設けられる電流検出子２７１と、電流検出子２７１から出力される検出電流を増幅して電圧信号に変換する差動増幅回路２７３と、電流検出信号ｃｄを出力する例えばデジタルコンパレータである比較手段２７５と、を有する。本実施の形態では、電流検出子２７１は、具体的に、ホール素子である。比較手段２７５の入力端子Ａには電流検出子２７１からの検出電流が差動増幅回路２７３によって増幅されて入力され、入力端子Ｂには閾値設定部４５からの基準電流が入力される。比較手段２７５は、検出電流値と基準電流値とを比較し検出電流値が基準電流値以上であるときに電流検出信号ｃｄを出力する。なお、比較手段２７５は出力を保持する機能を具備しており、リセット信号ｒｅが入力されるまで電流検出信号ｃｄの出力を保持し、リセット後は、次に検出電流値が基準電流値以上になるまでの間、電流検出信号ｃｄを出力しない状態を維持する。電流検出信号ｃｄは遮断回路２９へと出力されるが、好ましくはさらにパルス発生装置４３にも出力される。

遮断回路２９は、放電電流検出器２７によって所定の電流値以上の放電電流が検出されたときに、主電源スイッチング素子２５への第１のゲート信号ｇｍを遮断して、主電源スイッチング素子２５をオフに切り換えるよう構成される。遮断回路２９は、具体的に主に論理否定回路２９１と論理積回路２９３とを含んでなる。遮断回路２９は、の入力側に反転した電流検出信号ｃｄおよび第１のゲート信号ｇｍ、出力側に主電源スイッチング素子２５をそれぞれ接続する。このように構成すれば、パルス発生装置４３から第１のゲート信号ｇｍが出力されてから、放電電流検出器２７から電流検出信号ｃｄが出力されるまでの期間だけ主電源スイッチング素子２５がオンとなる。

補助電源回路３は、主電源回路２に並列に接続され、放電誘起の補助を行う。補助電源回路３は、第２の直流電源３１と、第２の逆流阻止ダイオード３３と、電流制限抵抗３５と、補助電源スイッチング素子３７と、を含む。

第２の直流電源３１は、加工間隙１５に直列に設けられ、８０Ｖ程度の直流電圧を供給する。

第２の逆流阻止ダイオード３３は、第２の直流電源３１と加工間隙１５との間に直列に接続され、第１の直流電源２１が第２の直流電源３１よりも高い電圧を印加するときに発生しうる逆流電流が第２の直流電源３１に還流して、補助電源スイッチング素子３７が破損することを防ぐ。

電流制限抵抗３５は、第２の直流電源３１と加工間隙１５との間に直列に接続され、補助電源回路３の電流値を放電が発生した後に放電電流を維持することができる程度に十分に小さくする相応の大きい抵抗値を有する。

補助電源スイッチング素子３７は、例えばＭＯＳＦＥＴであり、第２の直流電源３１と加工間隙１５との間に直列に接続される。補助電源スイッチング素子３７は、パルス発生装置４３から出力される第２のゲート信号ｇａによってオンオフが切り換えられる。

放電発生検出器１７は、加工間隙１５の極間電圧が基準電圧以下になったことを検出すると、加工間隙１５に放電が発生したことを示す放電検出信号ｅｄを出力する。本実施形態の放電発生検出器１７は、加工間隙を挟んで並列に接続される分圧回路１７１により極間電圧に比例した検出電圧を取得して差動増幅器１７５の一方の入力端子に入力し、基準電圧が差動増幅器１７５のもう一方の入力端子に接続されるように構成される。可変抵抗１７３の抵抗値、言い換えると、基準電圧は、加工間隙１５に印加する無負荷電圧に対応して加工間隙１５に放電が発生し極間電圧が降下したことが最小の遅延時間で確実に検出できる適切な値に設定される。放電検出信号ｅｄはパルス発生装置４３へと出力される。本実施形態では、加工間隙を挟んで並列に放電発生検出器１７を設けたが、放電の発生を検出できるものであればこの構成に限定されない。例えば、補助電源回路３を設けるときは、第２の直流電源３１と加工間隙１５の間に最小限度の抵抗値を有するシャント抵抗器を直列に設け、シャント抵抗器の両端の電位差から放電電流の電流値を測定して放電発生を検出するよう放電発生検出器１７を構成してもよい。また、例えば、主電源回路２だけで放電加工を行なうときは、放電電流検出器２７が測定する電流値から放電の発生を検出するようにすることができる。しかしながら、本実施の形態の放電発生検出器１７は、誤検出のおそれが小さく、早期に放電の発生を検出できる点で有利である。

制御装置４は、条件設定部４１と、パルス発生装置４３と、閾値設定部４５と、を含む。

条件設定部４１には、予め任意の加工条件のデータが入力される。条件設定部４１は、加工条件のデータのパラメータ値に基づいて必要な設定値と基準値を算出し、設定値または基準値をパルス発生装置４３および閾値設定部４５に出力する。

本発明を実施する上で要求される基本的な電気加工条件は、少なくとも、オン時間（放電電流パルス幅）と、オフ時間（休止時間）と、加工電流値（ピーク電流値）と、電源電圧（無負荷電圧）である。また、設定する基準値は、放電電流検出器２７における電流基準値と、放電発生検出器１７における電圧基準値と、放電待機時間である。その他に通常設定される加工条件については、詳細な説明を省略する。条件設定部４１には、各種類の電気加工条件がセットされ、パルス発生装置に出力される。また、パルス発生装置４３は、第１のゲート信号ｇｍを出力してから放電検出信号ｅｄが入力されるまでの時間である放電待機時間τｗを算出する計測手段と、放電待機時間τｗと加工条件に応じて条件設定部４１によって設定される基準時間Ｔ０との長さを比較する比較手段を有する。パルス発生装置４３から閾値設定部４５へはレベルセレクタ信号ｌｓが出力されており、レベルセレクタ信号ｌｓは通常Ｌ（ローレベル、以下同じ）に設定されている。放電待機時間τｗが基準時間Ｔ０を超過したときだけ、レベルセレクタ信号ｌｓをＨ（ハイレベル、以下同じ）に設定する。

閾値設定部４５は、条件設定部４１からの条件切換信号に応じて、第１の直流電源２１の電圧値と、放電発生検出器１７の可変抵抗１７３の抵抗値を適切な値に変更する。また、閾値設定部４５は、放電電流検出器２７の比較手段２７５に基準電流を出力する。基準電流値はレベルセレクタ信号ｌｓがＨのとき第１の基準電流値、Ｌのとき第２の基準電流値にそれぞれ切り換えられる。第１の基準電流値は、第１のピーク電流値の放電電流が発生したときに比較手段２７５へ入力される検出電流と一致するように設定され、第２の電流検出閾値は第１の電流検出閾値よりも低く設定される。検出電流が第２の電流検出閾値と一致するときの放電電流値を第２のピーク電流値と呼ぶ。

以下に、図１に示される実施の形態の加工電源装置の動作を説明する。図２におけるＥＧは極間電圧の波形、ＩＧは放電電流の波形、ＧＡは第２のゲート信号ｇａの波形、ＧＭは第１のゲート信号ｇｍの波形、ＥＤは放電検出信号ｅｄの波形、ＣＤは電流検出信号ｃｄの波形、ＲＥはリセット信号ｒｅの波形、ＬＳはレベルセレクタ信号ｌｓの波形をそれぞれ示す。

まず、前述の通り条件設定部４１により各条件がセットされた後に、パルス発生装置４３は第１のゲート信号ｇｍおよび第２のゲート信号ｇａを出力し、主電源スイッチング素子２５および補助電源スイッチング素子３７をオンにする。そして、第１の直流電源２１および第２の直流電源３１から加工間隙１５に電圧が印加され、第１の直流電源２１および第２の直流電源３１の電圧の合算値まで極間電圧が立ち上がる。また、パルス発生装置４３は第１のゲート信号ｇｍおよび第２のゲート信号ｇａの出力と同時に放電待機時間τｗのカウントを開始する。

第１のゲート信号ｇｍおよび第２のゲート信号ｇａが出力されてから不特定の放電待機時間τｗが経過した時点で、放電が発生し極間電圧は急激に低下する。極間電圧が低下し始めた直後に、極間電圧は放電検出閾値Ｅｔを下回り、放電発生検出器１７から放電検出信号ｅｄがパルス発生装置４３へと出力される。放電検出信号ｅｄを入力されたパルス発生装置４３は、第２のゲート信号ｇａの出力を停止して補助電源スイッチング素子３７をオフにするとともに、オン時間のカウントを開始する。また、放電待機時間τｗが基準時間Ｔ０を超過した時点でレベルセレクタ信号ｌｓがＨに切り換えられる。放電待機時間τｗが基準時間Ｔ０以下であるときは、レベルセレクタ信号ｌｓはＬのまま保持される。閾値設定部４５はレベルセレクタ信号ｌｓに応じて放電電流検出器２７における比較手段２７５の基準電流値を設定する。なお、実際に放電が発生してから補助電源スイッチング素子３７をオフにし基準電流値の設定を行うまでには検出遅れと制御遅れからなる不可避の遅延時間が発生するが、放電電流がピーク電流値に達するまでに一連の動作を行えれば十分であるため問題にはならない。

放電待機時間τｗが基準時間Ｔ０以上であるときは放電電流が第１のピーク電流値Ｉｐｈに達したときに、放電待機時間τｗが基準時間Ｔ０未満であるときは放電電流が第２のピーク電流値Ｉｐｌに達したときに、放電電流検出器２７から電流検出信号ｃｄが出力される。電流検出信号ｃｄの出力はリセット信号ｒｅが入力されるまで保持される。遮断回路２９は電流検出信号ｃｄが出力されている間第１のゲート信号ｇｍを遮断し、主電源スイッチング素子２５をオフに切り換える。このような構成によれば、第１のゲート信号ｇｍの遮断は主電源回路２から離れて設けられた制御装置４を介さないで行えるため、放電電流がピーク電流値に達してから即時に主電源スイッチング素子２５をオフにできる。

ここで、所定のオン時間に達したパルス発生装置４３は第１のゲート信号ｇｍの出力を停止して、オフ時間のカウントを開始する。このとき、放電電流がピーク電流値に達してから第１のゲート信号ｇｍの出力を停止するまでは不可避の遅延時間ｄｔが発生するが、前述の通り主電源スイッチング素子２５への第１のゲート信号ｇｍは既に遮断されているため、主電源スイッチング素子２５の実質オン時間Ｍｏｎは遅延時間ｄｔの影響を受けない。その結果、より短いパルス幅τで望ましい高いピーク電流値の放電電流パルスが供給される。

パルス発生装置４３は第１のゲート信号ｇｍの出力を停止してから所定の遅延時間後に、放電電流検出器２７の比較手段２７５へリセット信号ｒｅを出力しリセットするとともに、レベルセレクタ信号ｌｓがＨである場合は再びＬに戻す。そして所定のオフ時間を経過した後、再び第１のゲート信号ｇｍおよび第２のゲート信号ｇａを出力し、前述の工程を繰り返して加工を行う。

本実施形態においては、パルス発生装置４３は遮断回路２９の作動を意識せずに予め設定された所定のオン時間とオフ時間に基づいてゲート信号のオンオフの切り換えを行ったが、パルス発生装置４３が電流検出信号ｃｄの入力を受けられるよう構成されている場合は、電流検出信号ｃｄの入力を受けて第１のゲート信号ｇｍの出力を停止し、オフ時間のカウントを開始するよう構成してもよい。

また、本実施形態においては、パルス発生装置４３は放電検出信号ｅｄの入力を受けて補助電源スイッチング素子３７をオフにしたが、主電源スイッチング素子２５と同時にオフするように構成してもよい。主電源スイッチング素子２５と補助電源スイッチング素子３７を同時にオフにする場合は、補助電源スイッチング素子３７は遮断回路２９から遮断信号を受けて主電源スイッチング素子と同時にオフするように構成することが望ましい。

本発明は、すでにいくつかの例が具体的に示されているように、図面に示される実施形態の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形または応用が可能である。

１ 電源回路
１５ 加工間隙
１７ 放電発生検出器
２１ 第１の直流電源
２５ 主電源スイッチング素子
２７ 放電電流検出器
２９ 遮断回路
４３ パルス発生装置

Claims (5)

1. 加工間隙に直列に接続され前記加工間隙に放電電流を供給する直流電源と、前記加工間隙と前記直流電源との間に直列に設けられるスイッチング素子とを含んでなる電源回路を備えた加工電源装置において、
   前記加工間隙に供給される放電電流が所定の基準電流値以上のときに電流検出信号を出力する放電電流検出器と、
   前記電源回路に設けられ前記電流検出信号が入力されたときに前記スイッチング素子をオフする遮断回路と、
   前記加工間隙に放電が発生したことを検出して放電検出信号を出力する放電発生検出器と、
   前記電源回路から離れて設けられ前記スイッチング素子をゲート信号によってオンオフするとともに、前記放電検出信号を入力して放電待機時間を計測し前記放電待機時間に応じて前記基準電流値を変更設定するパルス発生装置と、
   を備えてなるワイヤ放電加工装置の加工電源装置。
2. 前記パルス発生装置は、前記電流検出信号が入力されたときに前記スイッチング素子への前記ゲート信号の供給を停止する請求項１に記載の加工電源装置。
3. 前記パルス発生装置は、前記放電待機時間が所定の基準時間以上のときは予め加工条件として設定されたピーク電流値を前記基準電流値とし、前記放電待機時間が前記基準時間未満のときは設定されたピーク電流値よりも小さいピーク電流値を前記基準電流値とするように、前記基準電流値を変更設定することを特徴とする請求項１に記載の加工電源装置。
4. 前記電源回路は、前記加工間隙に直列かつ前記直流電源に並列に接続される第２の直流電源と、前記加工間隙と前記第２の直流電源との間に設けられる第２のスイッチング素子および電流制限抵抗と、を含んでなる補助電源回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の加工電源装置。
5. 前記パルス発生装置は、前記放電検出信号を入力したときに前記第２のスイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項４に記載の加工電源装置。

Images