JP3773696B2 - 放電加工機の電力供給装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物との間で放電を繰り返しつつこれを加工する放電加工機の電力供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、放電加工機は、工具電極と被加工物との間の微小な間隙を介して高い繰り返し数のパルス状の放電を発生させることにより、加工を行なうものである。この場合、放電加工を迅速に且つ安定的に仕上がりよく行なうためには、加工電流の立ち上がりが良く、しかも安定的に放電を発生するような電力供給装置が必要とされる。
ここで放電加工機の従来の電力供給装置について説明する。図8は放電加工機の従来の電力供給装置の一例を示す概略構成図である。図示するように、被加工物2と工具電極4とが所定の間隔の加工間隙6を介して対向配置され、図示しないサーボ制御回路により所定の間隔が維持されるように、被加工物2と工具電極4とが相対移動される。
【0003】
この被加工物2と工具電極4との間に主電源8からの電圧が印加されるようになっており、回路途中には、図示しない制御部からのゲート信号によりオンオフ制御されるスイッチング素子10及び過剰な電流が流れることを防止する電流制限抵抗12が介設されている。しかしながら、この回路にあっては、電流制限抵抗12を設けていることから、ここで電力を消費してしまい、加工に必要なエネルギー以外に無駄なエネルギーをかなり消費するという欠点があった。
そこで、この上記した電流制限抵抗12を使用しない定電流型の電源回路として、図9に示すような回路が提案された。この回路においては、回路中にインダクタンス14を挿入して、この誘導作用によって加工電流の立ち上がり特性や立ち下がり特性を滑らかにし、全体の消費電力も抑制するようにしている。しかしながら、この方式は立ち上がり特性を犠牲にして省エネルギーを図っているので、加工性能に劣り、近年の放電加工においては、要求される加工速度を満足できなくなった。そのため、できる限りエネルギーを消費する回路素子を排して電源中には電流検出抵抗16だけを介設し、ここでの検出電圧を基準電圧18と比較器20にて比較し、この比較結果とゲート信号との論理積をアンド素子21でとって上記スイッチング素子10のオンオフを制御する方式が提案されている(例えば特開平2−139120号公報や米国特許第5298709等)。
【0004】
この回路の動作は、ゲート信号がハイの状態で、加工電流が流れていないと比較器20の出力もハイとなっているので、アンド素子21の”ハイ”出力によりスイッチング素子10がオンされ、加工間隙6に電圧が印加されて放電が開始される。或る程度以上の加工電流が流れると、電流検出抵抗16における電圧降下が基準電圧18よりも大きくなるので、比較器20の出力は”ロー”となり、アンド素子21を介してスイッチング素子10はオフとなる。このスイッチング素子10がオフに切り換えられると電流検出抵抗16に流れる電流が減少し、比較器20は再度”ハイ”を出力する。
【0005】
この”ハイ”の出力によりアンド素子21を介して再度スイッチング素子10はオンに変わる。しかしながら、スイッチング素子10がオンに変わった瞬間には、電流検出抵抗16を流れる電流の量は少ないので比較器20の出力はしばらくの間は”ハイ”のままである。そして、更に電流検出抵抗16に流れる電流の量が増え続けると、ここでの電圧降下が前述のように基準電圧18よりも大きくなるので、上記スイッチング素子10はオフされることになる。この結果、スイッチング素子10がオン状態を維持するのは、スイッチング素子10がオンに変わった後のきわめて短い時間だけとなる。このような動作が繰り返し行なわれるのでアンド素子21は、ゲート信号のパルス幅と比較してきわめて狭いパルス幅を有する一連のパルスを間欠的に生み出すように動作することになる。換言すれば、スイッチング素子に過剰な負荷がかかる前にスイッチング素子をオフするように高速でスイッチング素子をオンオフさせる高周波の電圧パルス信号を供給している。従って、この回路によれば、加工性能を犠牲にしないで、消費電力を少なくできる。
【0006】
また、図9に示す回路を改良したものとして、図10に示す回路も提案されている。図10に示す回路では、被加工物2と工具電極4との間に無負荷時に印加する補助電源22を並列に接続し、この回路途中に電流制限抵抗24及び放電が開始されると開状態になされる第2のスイッチング素子26を介設している。これにより、放電の開始を促進させることによって、放電遅延時間を小さくし、且つ確実に放電を発生させるようにしている。尚、図中符号28は、逆流防止ダイオードである。
【0007】
【発明の解決しようとする課題】
ところで、図9及び図10に示す回路構成にあっては、加工電流の立ち上がり特性は、その電源電圧により変化するので、加工電流の立ち上がりを良くするには、その電源電圧を上げる必要がある。一方、電源電圧を上げても、加工間隙6の加工電圧は物理的現象として約30V程度に決まってしまうので、この30Vと電源電圧との差電圧は回路中のスイッチング素子10等で消費されることになる。従って、加工電流の立ち上がり特性を得ようとて電源電圧を高くすればする程、かえって省エネルギー効果に反するといった問題があった。
【0008】
更には、電源電圧が高くなると、加工電流のリップルが増えるので、低いピーク電流ではそのリップルの影響で電流切れを起こしてしまう場合もあった。
また更には、リップルが大きくなると、スイッチング素子10、26のオン、オフ周期が短くなり、このスイッチング素子10、26におけるスイッチングロスが増加して発熱量が大きくなる、という問題があった。
上述した点をタイミングチャートを示して説明する。図11は図10に示した回路のタイミングチャートを示しており、ゲート信号、加工電圧波形1、2及び加工電流波形1、2を表している。尚、図中(A)は電源8が50Vの時、(B)は90Vの時をそれぞれ示している。この波形より明らかなように、(B)のように電源8の電圧が大きいと(加工電圧波形2、加工電流波形2)、電流波形の立ち上がりは急峻になって望ましいが、反面、電流波形のリップルが大きくなってしまう。
【0009】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、消費電力を無駄にすることなく、加工電流波形の立ち上がり特性を改善し、加工速度も向上させることができる放電加工機の電力供給装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に規定する発明は、放電加工機の電力供給装置において、加工間隙に加工電流を供給する主電源と、前記加工間隙への加工電流の供給のオンオフを行なうスイッチ手段と、前記スイッチ手段を流れる電流が所定値以上になったことを検出する電流検出手段と、この電流検出手段の出力に基づいて前記電流が所定値以上になったときは前記スイッチ手段をオフするように前記スイッチ手段を制御する制御素子と、前記主電源と並列に接続されて前記主電源よりも大きな出力電圧を有する補助電源と電流制限抵抗との直列回路と、前記主電源に並列に接続されて充放電を繰り返すコンデンサ手段とを備えるように構成したものである。
これにより、加工電流の立ち上がり時は、電圧の大きな第2の電源により急峻に立ち上げることができ、その後、直ちにコンデンサ手段の作用により主電源の電圧が安定的に加工間隙に加えられて放電が行なわれる。これにより、電流波形の立ち上がり特性を改善して加工速度を上げることが可能となる。
【0011】
請求項2に規定する発明は、放電加工機の電力供給装置において、加工間隙に加工電流を供給する主電源と、前記主電源に直列に接続され前記加工間隙への加工電流の供給のオンオフを行なうスイッチ手段と、前記スイッチ手段を流れる電流が所定値以上になったことを検出する電流検出手段と、この電流検出手段の出力に基づいて前記電流が所定値以上になったときは前記スイッチ手段をオフするように前記スイッチ手段を制御する制御素子と、前記主電源と並列に接続されて前記主電源よりも大きな出力電圧を有する補助電源と、この補助電源と前記スイッチ手段とに直列にかつ前記主電源に並列に接続され前記補助電源から前記スイッチ手段を介して加工間隙に急峻に設定ピーク電流値に立ち上がる加工電流を供給する補助スイッチ手段と、前記加工間隙における放電の発生を検出する放電検出回路と、この放電検出回路が放電の発生を検出した後に所定の時間経過した時に前記補助スイッチ手段をオフする制御回路とを備えるように構成する。
これにより、加工電流の立ち上がり時は、電圧の大きな補助電源により急峻に立ち上げることができ、その後、放電が開始されると、これを放電検出手段が検知し、この結果をうけて制御手段は、非常に短い所定の時間経過した時に、補助スイッチ手段をオフして第2の電源の接続を断ち、この後は第1の電源の電圧が安定的に加工間隙に加えられて放電が行なわれる。これにより、電流波形の立ち上がり特性を改善して加工速度を上げることが可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る放電加工機の電力供給装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明の電力供給装置の第1実施例を示す回路構成図、図2は図1に示す回路構成図のタイミングチャートである。尚、先に説明した従来装置と同一部分については同一符号を付して説明する。
図1に示されるように、被加工物2と工具電極4とが図示しない駆動機構によりサーボ制御がなされて僅かな所定の間隔に維持される加工間隙6を介して対向している。この被加工物2と工具電極4との間に主電源8が接続されており、加工用の電圧を印加できるようになっている。そして、主電源8と工具電極4との間に、逆流防止用のダイオード素子30、この回路のオンオフ動作を行なうスイッチ手段としてのスイッチング素子10及びこの回路に流れる加工電流を電圧に変換して検出するための電流検出抵抗16が順次介設されている。
【0013】
そして、上記電流検出抵抗16の両端は比較器20の両入力に接続されると共に、一方の入力側には一定の電圧を出力する基準電圧18が直列に接続されており、この電流検出抵抗16、比較器20及び基準電圧18とにより電流検出手段32を構成している。すなわち、電流検出抵抗16の両端の電圧と基準電圧18とを比較することにより、この電流検出抵抗16に所定値以上の電流が流れた時に、電流検出信号を比較器20より出力するようになっている。尚、この実施例の回路では、加工電流を検出していると言える。
また、スイッチング素子10は、例えばゲートに入力する信号によりオンオフされるトランジスタよりなり、このゲートには、制御素子としてのアンド素子21の出力が接続されている。このアンド素子21の一方の端子には、上記比較器20の出力が入力され、他方の端子には図示しない制御部からのゲート信号が入力される。
一方、上記主電源8とダイオード素子30の直列回路に並列に、充放電を繰り返すコンデンサ手段34が接続されると共に、更に、ここには、補助電源36と電流制限抵抗38との直列回路が並列に接続されている。ここで加工間隙の加工電圧を考慮して上記主電源8の電圧を例えば50Vにした場合、補助電源36の電圧はこれよりも大きい例えば90Vに設定される。
【0014】
次に、このように構成した回路の動作を、図2も参照して説明する。この回路の動作は、先に図9を参照して説明した動作と略同じであり、この回路の動作は、ゲート信号G10がハイの状態で、加工電流が流れていないと比較器20の出力もハイとなっているので、アンド素子21の”ハイ”出力によりスイッチング素子10がオンされ、加工間隙6に電圧が印加されて放電が開始される。或る程度以上の電流(加工電流)が流れると、電流検出手段32の電流検出抵抗16における電圧降下が基準電圧18よりも大きくなるので、比較器20の出力は”ロー”となり、アンド素子21を介してスイッチング素子10はオフとなる。このスイッチング素子10がオフに切り換えられると電流検出抵抗16に流れる電流が減少し、比較器20は再度”ハイ”を出力する。
【0015】
この”ハイ”の出力によりアンド素子21を介して再度スイッチング素子10はオンに変わる。しかしながら、スイッチング素子10がオンに変わった瞬間には、電流検出抵抗16を流れる電流の量は少ないので比較器20の出力はしばらくの間は”ハイ”のままである。そして、更に電流検出抵抗16に流れる電流の量が増え続けると、ここでの電圧降下が前述のように基準電圧18よりも大きくなるので、上記スイッチング素子10はオフされることになる。この結果、スイッチング素子10がオン状態を維持するのは、スイッチング素子10がオンに変わった後のきわめて短い時間だけとなる。換言すれば、このような動作が繰り返し行なわれるのでアンド素子21は、ゲート信号のパルス幅と比較してきわめて狭いパルス幅を有する一連のパルスを間欠的に生み出すように動作することになる。
【0016】
ここで図9に示す回路の動作と異なる点は以下の点である。すなわち、放電のオフタイム中及び放電遅延期間中は、コンデンサ手段34には、補助電源36から電流制限抵抗38を介して充電され(図2(B)参照)、放電が開始されると電圧の高い補助電源36からは電流制限抵抗38のためあまり電流が流れず、電圧の低い主電源8から主に加工電流が流れることになる。従って、放電開始前は補助電源36から高い電圧、例えば90Vを印加できるので、迅速に放電開始へ移行することが可能となる。
また、放電が一旦開始されてしばらくすると、コンデンサ手段34の両端の電圧は低下して主電源8の電圧、例えば50Vと一致することになるので、加工電流の立ち上がり、或いは流れ初めは非常に急峻な特性となり、良好な特性を得ることが可能となる。そして、放電加工中は、前述したように主電源8による電流特性となるので、リップルの少ない加工電流を得ることが可能となる。
【0017】
図3は本発明の電力供給装置の第2実施例を示す回路構成図、図4は図3に示す回路構成図のタイミングチャートである。ここでは、図1において説明したと同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この回路では、図1に示す電力供給装置からコンデンサ手段34を外し、代わりに以下の回路構成を付加している。まず、電流制限抵抗38に、例えばトランジスタよりなる補助スイッチ手段40を直列に接続すると共に、被加工物2と工具電極4との間に並列に放電検出回路42を接続して放電の開始及び有無を検出するようになっている。
また、上記放電検出回路42の出力を受ける制御回路として、パルス発生回路44は、放電の発生を検出した後に所定の時間、例えば0.5〜10μsec程度だけ経過した時に、上記補助スイッチ40をオフするように動作する。
【0018】
また、ここでは、先のスイッチング素子10、アンド素子21及び電流検出手段32を含む回路に対して、全く同じ構成の回路、すなわち、第2スイッチング素子10A、第2アンド素子21A及び第2電流検出手段32Aを含む回路が並列に接続されている。これは、スイッチング素子の数によって加工間隙2に供給される加工電流の大きさを変えることができるようにするためである。この第2電流検出手段32Aには、第2電流検出抵抗16A、第2基準電圧18A及び第2比較器20Aが含まれている。尚、アンド素子21及び第2アンド素子21Aへのゲート信号は上記パルス発生回路44より供給される。この電力供給装置は、NC装置46より入力されるプログラムや各種のパラメータにより制御動作されることになる。
この回路の動作は、基本的には、先の第1実施例の場合と同じであるが、異なる点は、放電開始後に極めて短い時間が経過した時に補助電源36の接続を強制的にオフした点と補助電源36に用いる抵抗38(例えば100Ω)をより小さな値(例えば1〜2Ω)とした点である。尚、この実施例では、主電源8の電圧を50Vとし、補助電源36の電圧を120Vに設定している。
【0019】
この回路では、パルス発生回路44からは、ゲート素子21及びゲート素子21Aへゲート信号GT10(図4(A)参照)が供給され、補助スイッチ手段40へゲート信号GT20(図4(C)参照)が供給されるが、両ゲート信号GT10、GT20の立ち上がりは同時に行なわれる。これにより、各スイッチ手段10、10A、40がオンされると、加工間隙6には高い電圧である補助電源36から出力される120Vが印加され、しばらくすると放電が開始される。この場合、印加電圧が高いので、迅速に放電を開始することができる。このように放電が開始されると、加工間隙6における加工電圧は図4(D)に示すように急激に低下し、また、加工電流は印加電圧が120Vと高いことから図4(E)に示すように急激に上昇する。この急激乃至急峻な加工電流の上昇により、放電検出回路42は、放電の発生を検出して放電発生信号(図4(B)参照)をパルス発生回路44に向けて出力する。そして、パルス発生回路44は、この放電発生信号を入力した後、所定の時間、例えば0.5〜10μsec経過した時、すなわち、放電発生信号が立ち上がった後、所定の時間経過した時、ゲート信号G20(図4(C)参照)を立ち下げて補助スイッチ手段40をオフし、補助電源36の接続を断つ。その後は、主電源8の電圧により、第1実施例と同様にリップルの少ない加工電流を流すことになる。以下、この動作が繰り返し行なわれる。
【0020】
図5は、図10に示す従来の電力供給装置と図3に示した第2実施例における実際の加工電流の変化を示した波形図である。図5(A)は図10に装置において電源が50Vの時を示し、図5(B)は図10の装置において電源が90Vの時を示し、図5(C)が第2実施例で電源(主電源)が50Vの時を示す。図中、Δtは放電遅延時間を示す。
この波形図から明らかなように、図5(A)に示す場合は、加工電流のリップルは少ないが、放電遅延時間は60μsec程度となって非常に長い。また、5(B)に示す場合は、逆に放電遅延時間Δtは5μsec程度で良好であるが、加工電流のリップルが非常に多い。
【0021】
これに対して、図5(C)に示す本発明の第2実施例の場合は、上記両者の利点を取り入れており、放電遅延時間Δtは10μsec程度で図5(A)の場合と比較してかなり小さくできていると共に、加工電流のリップルも非常に少なく、良好な結果を示していることが判明する。
また、図6はGr(グラファイト)電極によるリブ加工の速度比較を示すグラフであり、グラフ中、曲線Aが第2実施例の加工時間と加工深さの関係を示し、曲線Bは図10の回路で電源8の電圧を50V、補助電源36の電圧を120Vとした時の加工時間と加工深さの関係を示す。このグラフから明らかなように、本実施例の場合には、従来回路と比較して加工速度がかなり速いことが判明する。
図7は加工電流が40A(アンペア)の時の消費電力を計算した結果を示す図である。
【0022】
ここでは、ゲート信号のオン時間が100μsec、ピーク電流が80A、デュウティファクターが50%の時を示しており、平均電流は80A×5μsec/200μsec=2Aとなる。また、第2実施例では、補助スイッチ手段40をオフにするタイミングは、放電開始後、5μsec経過した時とした。
この図から明らかなように、本発明の第2実施例の消費電力は2.14KVAであり、図8に示す従来回路よりもはるかに消費電力は少なく、図10に示す従来回路の消費電力(2.0KVA)と略同等であり、非常に省エネルギーに寄与できる点が判明した。
尚、以上説明した本実施例の各数値は単に一例を示したに過ぎず、これらに限定されないのは勿論である。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放電加工機の電力供給装置によれば、消費電力を無駄にすることなく、加工電流波形の立ち上がりを急峻して特性を改善し、更に加工速度も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電力供給装置の第1実施例を示す回路構成図である。
【図2】図1に示す回路構成図のタイミングチャートである。
【図3】本発明の電力供給装置の第2実施例を示す回路構成図である。
【図4】図3に示す回路構成図のタイミングチャートである。
【図5】図10に示す従来の電力供給装置と図3に示した第2実施例における実際の加工電流の変化を示した波形図である。
【図6】Gr(グラファイト)電極によるリブ加工の速度比較を示すグラフである。
【図7】加工電流が40A(アンペア)の時の消費電力を計算した結果を示す図である。
【図8】放電加工機の従来の電力供給装置の一例を示す概略構成図である。
【図9】電流制限抵抗を使用しない定電流型の電源回路を示す図である。
【図10】図9に示す電源回路の改良された回路を示す図である。
【図11】図10に示した回路のタイミングチャートを示す図である。
【符号の説明】
2 被加工物
4 工具電極
6 加工間隙
8 主電源
10 スイッチング素子(スイッチ手段)
16 電流検出抵抗(電流検出手段)
18 基準電圧
20 比較器
21 アンド素子(制御素子)
32 電流検出手段
34 コンデンサ手段
36 補助電源
40 補助スイッチ手段
42 放電検出回路
44 パルス発生回路(制御回路)
Claims (2)
- 放電加工機の電力供給装置において、加工間隙に加工電流を供給する主電源と、前記加工間隙への加工電流の供給のオンオフを行なうスイッチ手段と、前記スイッチ手段を流れる電流が所定値以上になったことを検出する電流検出手段と、この電流検出手段の出力に基づいて前記電流が所定値以上になったときは前記スイッチ手段をオフするように前記スイッチ手段を制御する制御素子と、前記主電源と並列に接続されて前記主電源よりも大きな出力電圧を有する補助電源と電流制限抵抗との直列回路と、前記主電源に並列に接続されて充放電を繰り返すコンデンサ手段とを備えたことを特徴とする放電加工機の電力供給装置。
- 放電加工機の電力供給装置において、加工間隙に加工電流を供給する主電源と、前記主電源に直列に接続され前記加工間隙への加工電流の供給のオンオフを行なうスイッチ手段と、前記スイッチ手段を流れる電流が所定値以上になったことを検出する電流検出手段と、この電流検出手段の出力に基づいて前記電流が所定値以上になったときは前記スイッチ手段をオフするように前記スイッチ手段を制御する制御素子と、前記主電源と並列に接続されて前記主電源よりも大きな出力電圧を有する補助電源と、この補助電源と前記スイッチ手段とに直列にかつ前記主電源に並列に接続され前記補助電源から前記スイッチ手段を介して加工間隙に急峻に設定ピーク電流値に立ち上がる加工電流を供給する補助スイッチ手段と、前記加工間隙における放電の発生を検出する放電検出回路と、この放電検出回路が放電の発生を検出した後に所定の時間経過した時に前記補助スイッチ手段をオフする制御回路とを備えたことを特徴とする放電加工機の電力供給装置。
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