JP4230157B2 - ワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、従来よりも張力制御を高性能化させたワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤ放電加工機は、ブレーキ部から回収部に向かって常に新たなワイヤ電極を繰り出しつつワイヤ電極と被加工体との放電により被加工体を加工するものであり、加工品質や加工精度を上げるためにはきめ細かなワイヤ電極の張力制御が必要となる。従来のワイヤ放電加工機にあっては、例えば特開平１０−３０９６３１号公報に示されるように、ワイヤ走行時の張力変動を低減させるべく、ワイヤ張力を検出してブレーキモータであるサーボモータで張力を一定にするような制御を施している。
【０００３】
図２０及び図２１は、典型的な従来例である特開平１０−３０９６３１号公報に記載するワイヤ放電加工機及び張力制御装置を示し、この張力制御はＮＣ装置Ｐ１０に設定されたワイヤ張力設定信号ＴＳに張力検出器Ｐ１１の出力信号が追従するように行われている。図２０にあって、ワイヤ電極Ｐ１はブレーキプーリＰ４Ａ及びサーボモータＰ４Ｂからなるブレーキ部Ｐ４より、引き取りプーリＰ６Ａ及び引き取りモータＰ６Ｂからなる回収部Ｐ６に至る経路を辿る。途中経路のブレーキプーリＰ４ＡとガイドプーリＰ３Ｂとの間には張力検出器Ｐ１１及び被加工体Ｐ８を挟むように放電加工部分Ｐ５を形成する一対の位置決めガイドＰ７が存在する。ここで、ブレーキプーリＰ４Ａへは、ワイヤボビンＰ２からプーリＰ３Ａを介してワイヤ電極Ｐ１が送給される。また、張力制御系として、引取りモータＰ６ＢのサーボドライバＰ６Ｃに速度指令が出されるＮＣ装置Ｐ１０からは、ワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値ＳＳ、張力設定信号ＴＳが張力制御装置Ｐ１３に送られる。張力制御装置Ｐ１３では、上記ワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値ＳＳ、張力設定信号ＴＳの他、張力検出器Ｐ１１によって検出され増幅回路Ｐ１２にて増幅された張力検出信号ＴＭが入力され、サーボドライバＰ４Ｃに速度指令ＳＣが出力される。サーボドライバＰ４Ｃでは、張力制御装置Ｐ１３からの速度指令ＳＣとサーボモータＰ４Ｂの速度検出器からのフィードバック速度検出信号とによって、サーボモータＰ４Ｂに電流指令を送る。この結果、引き取りモータＰ６Ｂのモータ速度に基づくワイヤ電極Ｐ１の走行スピードに対して、ブレーキモータであるサーボモータＰ４Ｂが速度制御を行いワイヤ電極Ｐ１に一定の張力を与えている。
【０００４】
図２１は、図２０の張力制御装置の回路ブロックを示しており、前述のＮＣ装置Ｐ１０からの張力設定信号ＴＳと張力検出器Ｐ１１からの張力検出信号ＴＭとの偏差をとり張力補償信号ＴＣを出力する加算回路Ｐ１５、例えばノッチフィルタ等からなり張力補償信号ＴＣの位相遅れ補償のためのフィルタ装置Ｐ１８、フィルタ装置Ｐ１８による出力とこのフィルタ装置Ｐ１８を経ない加算回路Ｐ１５の出力ＴＣとを切り替える切り替え回路Ｐ２０、制御ゲインを得る増幅回路Ｐ１６を有し、更に、ワイヤ走行信号を前提として張力検出信号ＴＭが入力され、この張力検出信号ＴＭを高速フーリエ変換（ＦＦＴという）して周波数成分を取り出し共振周波数を得てフィルタ選定・調整指令を前述のフィルタ装置Ｐ１８に出力し、及び前述の切り替え回路Ｐ２０に切り替え信号を出力するフィルタ決定演算指令装置Ｐ１９を有し、また、ＮＣ装置Ｐ１０から得られあるいはプログラム等の読み出しにより得られたワイヤ速度設定値ＳＳと張力設定信号ＴＳとが入力され、ワイヤ電極Ｐ１の基準速度指令信号を得る基準速度設定回路Ｐ１４を有する。そして、この基準速度設定回路Ｐ１４の基準速度指令信号と増幅回路Ｐ１６で増幅された張力補償信号との偏差をとり、張力を加味した速度指令ＳＣを出力する加算回路Ｐ１７を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２０及び図２１にて示すワイヤ放電加工機及び張力制御装置にあっては、ワイヤ放電加工機の電源を入れワイヤ電極Ｐ１を指し回し自動結線を行った後引き取りモータＰ６Ｂ及びサーボモータＰ４Ｂを駆動し張力制御を開始した時、ワイヤ電極Ｐ１の初期張力に関わらず、ワイヤ張力設定値すなわち張力設定信号ＴＳが一定値で与えられることになる。このとき、ワイヤ電極Ｐ１の初期張力とワイヤ張力設定値との誤差が大きいと、加算回路Ｐ１５への入力偏差大きくなり、加算回路Ｐ１７の出力速度指令ＳＣが過小となってブレーキ部Ｐ４のサーボモータＰ４Ｂへの電流指令がステップ状に落ち込み、ワイヤ張力設定値に対して張力検出器Ｐ１１による張力検出値はオーバーシュート（図４（ａ）参照）を生じてしまう。例えば、φ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極Ｐ１のように破断張力の小さいものを用いて張力制御をした場合には、張力制御の起動に伴いワイヤ電極Ｐ１の断線が生じやすいという問題があった。
【０００６】
また、図２１に示す張力制御装置においては、図２０に示す引き取りモータＰ６ＢとサーボモータＰ４Ｂとを駆動し加工工程に入るまでの時間を短縮するためにワイヤ回収動作と張力制御の起動とを同時に行おうとした場合、すなわち図２０に示すＮＣ装置Ｐ１０からのサーボドライバＰ６Ｃへの速度指令による引取りモータＰ６Ｂの駆動と、図２１に示す張力設定値ＴＳ、ワイヤ速度設定値ＳＳ及びワイヤ走行開始信号、更には張力検出信号ＴＭに基づく張力制御装置Ｐ１３からのサーボドライバＰ４Ｃへの速度指令ＳＣと速度検出信号とに基づくサーボモータＰ４Ｂの駆動とを同時に行おうとした場合、前述の張力制御のオーバーシュートの発生に加えてワイヤ回収動作に対する張力制御の追従遅れが重なり過剰な張力が発生する程度が極めて高くなり、φ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極を用いた場合に起動時の断線を生じてしまうという問題もあった。
【０００７】
また、図２０及び図２１に示す従来のワイヤ放電加工機及び張力制御装置においては、回収ローラＰ６ＡとブレーキプーリＰ４Ａとの間の相対距離が被加工体Ｐ８とワイヤ電極Ｐ１との間の相対位置によって変化するような機械構造（例えばＹ軸駆動系）に対しても、引き取りモータＰ６Ｂへは常に一定の速度指令信号が与えられているため、回収ローラＰ６ＡとブレーキプーリＰ４Ａとの間の相対距離変化に基づく軸移動に伴いワイヤ電極Ｐ１のたるみや引っ張りが発生し、これによってワイヤ電極Ｐ１の断線あるいは被加工体Ｐ８の加工面の筋つきが発生してしまうという問題もあった。
【０００８】
また、図２１に示す従来の張力制御装置においては、すべてのワイヤ電極Ｐ１に対して増幅回路Ｐ１６の制御ゲインを固定にしているので、ワイヤ電極Ｐ１の変化によって固有振動数が低下すると振動が発生しやすくなるという問題点があった。この固有振動数の低下よって生じる振動を抑える方策として、張力フィードバックループ内のフィルタ装置Ｐ１８に設けたノッチフィルタのノッチ周波数を張力検出値ＴＭのＦＦＴによる周波数分析で推定するようにもできる。しかしながら、このような方法は、工場内の環境が非常に悪い場合、電磁ノイズや電源の基本高調波などによる誤動作が発生する。また、ＦＦＴによる周波数分析のためのデータを得るべく、不適当なノッチ周波数で制御される張力制御装置によってワイヤ電極を走行させる必要が生じることから、例えばφ０．０３ｍｍのワイヤ電極のような二百グラム程度の張力で破断してしまうようなワイヤ電極Ｐ１では、周波数分析のためのデータを得るためにワイヤを走行させた時点で破断が生じるという問題点があった。
【０００９】
最近では、電源や駆動系の位置決め性能の向上、φ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極を用いた加工の精度向上、加工時間短縮についての要求が高まっており、張力制御装置の高性能化はワイヤ放電加工機の重要な課題となっている。
【００１０】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、前述のオーバーシュートや張力制御の追従遅れによる断線、軸移動に伴う断線や加工面の筋つき、電磁ノイズ等による誤動作の発生、データを得るための試運転による断線を防止して、張力制御を高性能化したワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかるワイヤ張力制御装置は、ブレーキ部のブレーキモータの速度検出信号とワイヤ電極から検出した張力検出信号、ＮＣ装置からの張力設定値及び張力制御開始信号とに基づいて生成されるブレーキ部のブレーキモータの電流指令により回収部の回収モータの速度指令に対して張力制御を行いつつブレーキプーリと回収ローラ間で張力を付与した状態でブレーキプーリと回収ローラ間にワイヤ電極を走行させるワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置において、前記ブレーキプーリと前記回収ローラとの間の相対距離が時間変化するワイヤ放電加工機の前記ブレーキプーリと前記回収ローラとの間の相対速度を検出し、この検出した情報に基づいて前記回収モータへの速度指令を生成することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、回収部とブレーキ部の相対距離が被加工体及びワイヤ電極間の位置決めによって変化するようなワイヤ放電加工機においては、位置決め時の回収部とブレーキ部の相対距離の急峻な変化があったとしても、回収部の動きを上記相対距離の変化に応じて速度を変化させることで、ワイヤ電極の引っ張りやたるみを低減できるので、断線、加工時の筋つきを防止できる利点がある。
【００２２】
この発明によれば、ユーザがＮＣ装置に与えたワイヤ電極の線径や材質などの情報から張力制御ゲインを決定するようにしているので、常に適正な制御ゲインによる運転が可能であり、工場内の電気ノイズによるＦＦＴの誤動作も無くなり、従来より安定したワイヤ張力制御装置が構成できる利点がある。
【００２３】
つぎの発明にかかるワイヤ張力制御装置は、上記の発明において、張力制御ゲインを、張力制御系の開ループ伝達特性の交差周波数がワイヤ走行系の固有振動数の１／５以下になるように与えたことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ電極の固有振動数の１／５以下に設定するように張力制御ゲインを与えているので、十分な位相余裕とゲイン余裕が確保でき、従来の装置に比べて固有振動数推定誤差による性能劣化がなく、固有振動数の数Ｈｚの変動に対しても従来装置よりは性能劣化の程度を少なくできる利点がある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図１〜図１９を参照して、この発明にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この発明にかかる図１〜図１９では、既に図２０、図２１にて説明した部分は、説明を簡略化する。
【００２６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の前提となるワイヤ放電加工機の全体構成である。ワイヤ電極１は、ワイヤボビン２からガイドプーリ３Ａ、ブレーキ部４のブレーキプーリ４Ａなどの複数のプーリを経由して、一対の位置決めガイド７が所望間隔を置いて配置された加工部分５に供給され、更に下部ローラ３Ｂを経由して回収部６の回収ローラ６Ａを経て回収されるようになっている。ブレーキプーリ４Ａと下部ローラ３Ｂとの間は、一対の位置決めガイド７間の被加工体８による加工部分５にてワイヤ電極１が所定の直線状態を維持して走行するように、張力がワイヤ電極１に付与されるようになっている。
【００２７】
一方、回収部６には回収モータ６Ｂとサーボドライバ６Ｃが備えられ、ブレーキ部４にはブレーキモータ４Ｂとサーボドライバ４Ｃが備えられ、張力制御装置１２からサーボドライバ６Ｃには速度指令信号、サーボドライバ４Ｃには電流指令信号がそれぞれ送られる。張力制御装置１２には、コンピュータ制御のＮＣ装置９からワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値、張力設定値、張力制御開始信号、自動結線識別信号が入力され、また張力変動検出のための張力検出器１０及び増幅回路１１からの張力検出信号が入力され、更にはブレーキモータ４Ｂの速度検出器からの速度検出信号が入力される。このワイヤ放電加工機は、回転速度が制御された回収モータ６Ｂを有する回収部６によって走行移動するワイヤ電極１に対し、ブレーキプーリ４Ａを介してブレーキモータ４Ｂによる制動力を付与するようになっている。ブレーキプーリ４Ａから引き出されるワイヤ電極１は、一対の位置決めガイド７、７間の加工部分５において、ブレーキプーリ４Ａの偏心やブレーキモータ４Ｂによる制動力の変動などの外乱などによってワイヤ電極１に張力変動を生じる。このため、ブレーキモータ４Ｂのサーボドライバ４Ｃに電流指令値を回収モータ６Ｂのサーボドライバ６Ｃに速度指令値をそれぞれ出力する張力制御装置１２にてブレーキモータ４Ｂを制御して、ワイヤ電極１の張力検出器１０からの張力検出値とＮＣ装置９からの張力設定値との偏差を減少させている。
【００２８】
図２は、張力制御装置１２の詳細ブロック図を示す。図２において、図１にも示すＮＣ装置からのワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値、張力設定値、張力制御開始信号は、指令値生成処理部１３に入力され、自動結線識別信号は、ＰＩ制御器１４に入力される。ここで、指令値生成処理部１３はＮＣ装置９の設定入力またはプログラムなどの読み出しによって得られるワイヤ電極１のワイヤ速度設定値、張力設定値、ワイヤ走行開始信号、張力制御開始信号、及び張力検出器１０からの張力検出信号に基づきブレーキモータ速度指令、回収モータ速度指令、及び張力指令信号を生成する。ＰＩ制御器１４は、指令値生成処理部１３からの張力指令信号と張力検出器１０からの張力検出信号とを差動演算した偏差信号を比例倍および積分して比例倍して張力制御信号を得る演算器で、自動結線識別信号にて制御される。ＰＩ制御器１４で算出した張力制御信号は、指令値生成処理部１３の出力であるブレーキモータの速度指令を増幅部１５で増幅した信号と、フィードバックされたブレーキモータ速度検出信号を増幅部１６で増幅した信号とを加算（あるいは減算）することで得られた信号に加算（あるいは減算）することで、ブレーキモータ４Ｂへの電流指令としてサーボドライバ４Ｃに出力するようになっている。なお、ＰＩ制御器１４は、自動結線識別信号によってワイヤ電極１の自動結線作業中かどうかを判別し、自動結線作業中であればＰＩ制御器１４の出力は零、自動結線作業中でなければ（張力制御中であれば）ＰＩ制御器１４は入力偏差信号を比例倍および積分して比例倍して出力するようになっている。
【００２９】
次に、図２の指令値生成処理部１３の詳細な動作について説明する。指令値生成処理部１３は張力指令信号、ブレーキモータ速度指令、回収モータ速度指令の３つの信号を生成するので、これらの信号を生成する３つのプログラムの内容を以下に順次示す。
【００３０】
図３は、指令値生成処理部１３の張力指令信号を生成するためのプログラムのフローチャートである。まず、プログラムを開始し（ステップＳｔ１（以下「ステップ」を省略する））、ＮＣ装置９からの張力制御開始信号と張力設定値Ｔｃと張力検出器１０からの張力検出信号Ｔｗとを読み取る（Ｓｔ２）。次に、Ｓｔ３にて張力制御開始信号がＯＮを示していればＳｔ５へ進み、張力制御開始信号がＯＦＦを示していればＳｔ４へ進む。ここで、張力制御開始信号がＯＦＦのときは、ブレーキモータ４Ｂへ電圧をかけないようにつまりブレーキモータ４Ｂがフリーとなるようにサーボドライバ４Ｃをハード制御している。そして、Ｓｔ４では、計数を開始している時間カウンタのカウント値tcntを零に初期化し、張力指令値Ｔ*に張力検出値Ｔｗを設定し、張力検出値の初期値Ｔｗ０に張力検出値Ｔｗを保存して、Ｓｔ２へ戻る。またＳｔ３にて、張力制御開始信号がＯＮのときは、Ｓｔ５にて制御周期tsと時間カウンタtcntとの積から現在の時間ts・tcntを計算し、この値ts・tcntがあらかじめ設定しておいた起動時間Ｔｓよりも大きければ前述したオーバーシュートや開始時での張力制御の追従遅れの危険性はなくなるのでＳｔ７へ進み、張力指令値Ｔ*を張力設定値Ｔｃとする。このとき、ワイヤ放電加工機の張力制御は通常の制御となり、ＰＩ制御器１４の次段に位置する加算装置から出力される電流指令値ＣＣに基づいて、サーボドライバ４Ｃでブレーキモータ４Ｂが制御される。また、Ｓｔ５にて現在時間ts・tcntが起動時間Ｔｓを経過していないときはＳｔ６へ進む。Ｓｔ６では、制御周期ｔｓと時間カウンタtcntとの積から得られた現在の時間ｔを用いて、次式（１）によって張力指令値Ｔ*を算出する。
【００３１】
Ｔ*＝（Ｔｃ−Ｔｗ０）・ｆ（ｔ）＋Ｔｗ０・・・（１）
すなわち、張力検出値の初期値Ｔｗ０に、張力設定値Ｔｃと張力検出値の初期値Ｔｗ０との差分をｆ（ｔ）にて変化させた値を加えたものを、張力指令値Ｔ*とするものである。そしてこの関数ｆ（ｔ）がステップ状ではなく時定数の遅い徐々に変化するものであれば前述のオーバーシュートや開始時での張力制御の追従遅れの危険性は回避できる。例えば関数ｆ（ｔ）としては、張力制御開始時の張力検出値Ｔｗ０からＮＣ装置９からの張力設定値Ｔｃまで少なくとも２サンプリング周期以上で到達するように与えた関数またはデータテーブルの数値列があげられる。また、Ｓｔ６では、時間カウンタのカウント値tcntに＋１加算してカウント値を更新する。Ｓｔ７では、張力指令信号Ｔ*を出力し、Ｓｔ２へ戻る。
【００３２】
例えばｆ（ｔ）が張力設定値Ｔｃまで少なくとも２サンプリング周期となるような場合、初期張力をＴｗ０を零、張力設定値をＴｃ、１サンプリング時間後の張力指令値をＴｃ／２、２サンプリング時間後の張力指令値をＴｃとすれば、張力制御開始後の誤差は、次のようになる。
【００３３】
１サンプリング時間後
Δｅ＝Ｔｃ／２
２サンプリング時間後
Δe≒Ｔｃ
ここでは、張力制御系の応答がサンプリング時間に対して十分遅いものとしている。
またこのとき、図２のＰＩ制御器１４の２サンプリング時間後の張力制御信号は次式（２）のようになる。
【００３４】
２サンプリング時間後のＰｉ制御器１４の張力制御信号
＝Ｋｐ・Δe＋Ｋｉ・∫Δeｄｔ
＝Ｋｐ・Ｔｃ＋Ｋｉ・Ｔｃ／２・ts+Ｋｉ・Ｔｃ・ts ・・・（２）
なおここで、Ｋｐ、Ｋｉは張力制御ゲインである。
【００３５】
比較のためにｆ（ｔ）がステップ状に変化することとした場合には、次のようになる。
１サンプリング時間後
Δe＝Ｔｃ
２サンプリング時間後
Δe＝Ｔｃ
このときの２サンプリング時間後のＰＩ制御器１４の出力である張力制御信号は次式（３）で得られる。
【００３６】
２サンプリング時間後のＰＩ制御器１４の張力制御信号
＝Ｋｐ・Δe＋Ｋｉ・∫Δeｄｔ
＝Ｋｐ・Ｔｃ＋Ｋｉ・Ｔｃ・ts+Ｋｉ・Ｔｃ・ts ・・・（３）
式（２）は式（３）よりもＫｉ・Ｔｃ／２・tsだけ張力制御信号が小さくできている。
【００３７】
具体的に、張力制御開始初期では、ブレーキモータ４Ｂ、回収モータ６Ｂとも停止しているとすると、ブレーキモータ４Ｂの速度指令およびブレーキモータ速度検出信号は零となるので、式（２）、式（３）の張力制御信号は張力制御開始直後の電流指令になる。ここで、２サンプリング時間にて二段階で張力指令値が張力設定値に到達する場合の張力制御信号については、張力制御系が十分追従できる時間でゆるやかに張力指令値Ｔ*を張力制御開始時の初期張力から増加させれば、ＰＩ制御器１４の張力制御信号の発生も緩やかになるので、ブレーキモータ４Ｂへの急峻なモータ電流の通電によるワイヤ電極１の張力のオーバーシュートが防止できることは明らかである。
【００３８】
次に、ｆ（ｔ）を時定数の遅い緩やかな関数、ここでは、張力フィードバックループの交差周波数以下の遅い時定数で増加する関数を例示する。
例えばｆ（ｔ）＝０.５・（１−cosωt） ・・・（４）とする。ここで、ωは張力制御の起動速度を決める定数、ｔは張力制御開始後の時間である。起動時間をＴｓとすると、Ｔｓ＝π／ω ・・・（５）の関係がある。
【００３９】
式（４）のωをワイヤ走行系の張力フィードバックループの交差周波数よりも小さくして、ワイヤ張力の初期値Ｔｗ０からワイヤ張力設定値Ｔｃへと張力指令値Ｔ*が増加する時間を長くした場合、張力制御開始時の張力検出値Ｔｗの時間波形を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）では、式（４）に示すｆ（ｔ）と図３のフローチャートを用いてワイヤ初期張力からゆるやかに張力設定値に漸近するように張力指令信号を与えた場合である。図４（ｂ）では、張力検出値Ｔｗの過剰なオーバーシュートをほとんど生じることなく、張力設定値Ｔｃに追従していることがわかる。このように、ワイヤ初期張力からゆるやかに張力設定値Ｔｃに漸近するように張力指令信号を与えることによって、張力制御開始直後のワイヤ張力の過剰な増加を防止できるので、ワイヤ電極の断線を防止できることは明らかである。因みに、図４（ａ）は従来の方法に用いて張力制御開始信号とともに張力指令値を張力設定値になるようにした場合であり、かなり大きい張力検出値Ｔｗのオーバーシュートが生じている。例えばφ０．１ｍｍ以下の破断張力の余裕の少ないワイヤ電極１においては、ワイヤ電極１の断線が容易に生じうる。
【００４０】
次に、図２の指令値生成処理部１３における回収モータ６Ｂへの速度指令とブレーキモータ４Ｂへの速度指令とを生成するプログラムのフローチャートの一例を図５に示す。なお、本例では、指令値生成処理部１３の出力として回収モータ６Ｂへの速度指令とブレーキモータ４Ｂへの速度指令とについて、同じ速度指令値を用いているため、図５では一つのプログラムで構成しているが、これらの指令値は独立したプログラムによって生成するようにしてもよい。
【００４１】
図５のフローチャートにおいて、まず、プログラムを開始し（Ｓｔ１０）、ＮＣ装置９からのワイヤ速度設定値Ｖｃとワイヤ走行開始信号とを読み込む（Ｓｔ１１）。次に、Ｓｔ１２にてＮＣ装置９からのワイヤ走行開始信号がＯＦＦであればＳｔ１３へ進む（Ｓｔ１２）。Ｓｔ１３では、時間カウンタのカウント値tcntを零に初期化し、速度指令値Ｖ*に零を保存して、Ｓｔ１１に戻る。Ｓｔ１２にてワイヤ走行開始信号がＯＮであればＳｔ１４へ進む。Ｓｔ１４では、時間カウンタのカウント値と制御周期との積である現在の時間tcnt・tsがあらかじめ設定しておいた起動時間Tsより大きければ速度指令値Ｖ*としてワイヤ速度設定値Ｖｃを出力するようにＳｔ１６へ進み、それ以外はＳｔ１５へ進む。Ｓｔ１５では、制御周期tsと時間カウンタtcntとの積から現在の時間ｔを用いて、次式によって速度指令値Ｖ*を算出する。
【００４２】
Ｖ*＝Ｖc・ｆ（ｔ）・・・（６）
そして、時間カウンタのカウント値tcntに１を加算して更新する。Ｓｔ１６では、回収モータ６Ｂへの速度指令とブレーキモータ４Ｂへの速度指令としてＶ*を出力し、Ｓｔ１１へ戻る。なお、ｆ（ｔ）は図３の例と同様の関数またはデータテーブルの数値列があげられ、式（４）の具体例を適用できる。
【００４３】
図６は、張力制御開始信号とワイヤ走行開始信号を同時にＯＮしたときの張力検出信号Ｔｗと回収モータ速度検出信号それぞれの時間波形である。張力制御とワイヤ回収を同時に開始することで、張力検出値と回収モータ速度検出値ほぼ同時に立ち上がり同様の波形になっている。そして、張力制御の起動と回収モータの起動を同時に行っている分だけ制御立ち上げ時間が短縮される。
【００４４】
従来のＮＣ装置の張力設定値をそのまま張力指令値として用いる方法では、張力制御開始時のオーバーシュートのために張力が大きくなり、細いワイヤ電極では断線してしまうことは前述したとおりである。そして、張力検出値と回収モータ速度検出値とを同時に開始した場合、張力制御の応答遅れによる張力変動が張力制御系のオーバーシュートに重畳し、さらにワイヤ電極に生じる張力が大きくなっていたことも前述したとおりである。このため、細いワイヤ電極１を走行させようとした場合には、張力制御が張力設定値Ｔｃに整定した後にワイヤ送りを開始しなければならなくなり、加工を開始するまでの時間が多くかかることになる。本実施の形態では、図３、図５のように、回収モータと張力制御それぞれの指令値を緩やかに変化となるように与えるとともに、両者の起動を同時に行っているので、張力制御系のオーバーシュートによる断線を防止できるとともに、加工を開始するまでの時間を大幅に短縮できる。
【００４５】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、図３、図５にて図２に示す指令値生成処理部１３を構成した。これに対し、図７は、指令値生成処理部１３の張力指令信号を生成する部分と速度指令を生成する部分の別の構成例を示す。図７（ａ）は張力指令信号を生成する部分であり、１７は張力設定値Ｔｃと張力検出値Ｔｗとを入力としてフィルタ１８へ一つの信号を出力するスイッチである。フィルタ１８はスイッチ１７から出力された信号を波形処理して張力指令信号Ｔ*を出力するものである。ここでは、制御入力である張力制御開始信号がＯＦＦのときに張力検出値Ｔｗをフィルタ１８へ出力し、張力制御開始信号がＯＮのときに張力設定値Ｔｃをフィルタ１８へ出力するようにしており、スイッチ１７から出力される信号は、図中にて示すようなステップ状に変化する信号になる。フィルタ１８を、張力フィードバックループの交差周波数よりも低い遮断周波数を有するローパスフィルタとすることにより、出力波形である張力指令信号Ｔ*は図７（ａ）のフィルタ１８の出力に示すような張力制御開始時の張力から張力設定値へと緩やかに増加する信号となる。このように、張力制御開始時の張力から張力設定値へ緩やかに増加する信号が得られるので前述の実施の形態１の図３の場合と同様の効果が得られる。
【００４６】
図７（ｂ）は指令値生成処理部１３の回収モータ速度指令とブレーキモータ速度指令とを生成する部分の別の構成例である。図７（ｂ）の装置において、１９はワイヤ速度設定値Ｖｃおよび速度零とを入力としてフィルタ２０へ一つの信号を出力するスイッチである。フィルタ２０はスイッチ１９から出力された信号を波形処理して速度指令Ｖ*を出力するものである。この装置において、制御入力であるワイヤ走行開始信号がＯＦＦのときに零をフィルタ２０へ出力し、ワイヤ走行開始信号がＯＮのときに張力設定値Ｖｃをフィルタ２０へ出力するようにしており、スイッチ１９から出力される信号は、図中にて示すようにステップ状に変化する信号になる。フィルタ２０を、張力フィードバックループの交差周波数よりも低い遮断周波数を有するローパスフィルタとすることにより、出力波形である速度指令信号はフィルタ２０の出力に示すような速度零からワイヤ速度設定値へ緩やかに増加する信号となる。図７（ａ）と図７（ｂ）のローパスフィルタは立ち上がり時定数を任意に設定可能であり、例えば図６に示した場合とほぼ同様の時定数で立ち上がるようにローパスフィルタを設定すれば、実施の形態１の図６の結果とほぼ同様の結果が得られる。
【００４７】
実施の形態３．
実施の形態３は、図８に示すように実施の形態２を変形させたもので図２に対応する張力制御装置の別の構成例である。図８において、図２、図７と同一部分には同符号を付す。図８（ａ）において、スイッチ１７、フィルタ２１、ＰＩ制御器１４の電流指令系及びスイッチ１９、フィルタ２０増幅器１５、１６の速度指令系からなり、ここでは、図２のＰＩ制御器１４の伝達関数をＫ（ｓ）、図７のフィルタ２０の伝達関数をＦ２（ｓ）と表記する。そして、フィルタ２１は、スイッチ１７とＰＩ制御器１４の次段の加算回路との間に備えられ、実施の形態２にて述べた図７のフィルタ１８の伝達関数Ｆ１（ｓ）を用いて、次の伝達関数が与えられる。
Ｋ（ｓ）・｛Ｆ１（ｓ）−１｝
ここで、図８（ａ）において、自動結線識別信号が自動結線ＯＮを示しているときはＫ（ｓ）＝０、自動結線ＯＦＦを示しているときはＫ（ｓ）がＰＩ制御器として動作する。
【００４８】
図８（ｂ）は、図８（ａ）と等価の構成例であり、図８（ａ）の動作を説明するために示した張力制御装置である。そして、図８（ｂ）では、図７のスイッチ１７とフィルタ１８、及びＰＩ制御器１４にて図２に示す張力指令に基づく電流指令Ｉｃを得ることになり、図７のスイッチ１９とフィルタ２０及び増幅器１５、１６にて図２に示すブレーキモータ及び回収モータそれぞれの速度指令を得る。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）において、スイッチ１７の出力Ｔｓｗから電流指令値Ｉｃまでの伝達関数を求めると、図８（ａ）では、次のようになる。
Ｉｃ／Ｔｓｗ＝Ｋ（ｓ）・｛Ｆ１（ｓ）−１｝＋Ｋ（ｓ）＝Ｋ（ｓ）・Ｆ１（ｓ）
一方、図８（ｂ）では、次のようになる。
Ｉｃ／Ｔｓｗ＝Ｋ（ｓ）・Ｆ１（ｓ）
このように、両者の伝達関数は同じで張力検出値Ｔｗからブレーキモータ電流指令値Ｉｃまでの伝達関数は両者ともＫ（ｓ）・Ｆ１（ｓ）、ブレーキモータの速度誤差信号ΔＶｂの入力点は同じ位置であり、図８（ａ）のような構成でも図８（ｂ）の構成と同じ張力制御系の特性が得られることになる。
【００５０】
なお、本実施の形態における張力制御装置の構成は図８（ａ）、（ｂ）の構成に限るものではなく、張力制御開始時の張力検出値Ｔｗと張力設定値Ｔｃとによって決めた信号Ｔｓｗから電流指令値Ｉｃまでの伝達関数が、張力検出値Ｔｗからブレーキモータ電流指令値Ｉｃまでの伝達関数Ｋ（ｓ）と張力フィードバックループの交差周波数よりも低い遮断周波数を有するフィルタＦ１（ｓ）との積になるように制御系を構成することで、実施の形態１、２と同様の特性と効果が得られることになる。
【００５１】
実施の形態４．
実施の形態４におけるワイヤ放電加工機と張力制御装置の全体構成の別の例を図９、図１０に示す。図９、図１０において、図１、図２と同一部分には同符号を付し、相違点を説明する。ワイヤ放電加工機は、被加工体８の加工上Ｘ軸及びＹ軸の移動が可能となっており、このうちワイヤ電極１の搬送系はＹ軸駆動系の可動部と連動する。その構成は図１１にて示し、説明は後述する。
【００５２】
図９においてリニアエンコーダ２２は、ワイヤ放電加工機のＹ軸駆動系に取り付けられ、カウンタアンプ２３に接続される。このリニアエンコーダ２２はワイヤ放電加工機のＹ軸駆動系の移動速度に応じた周期のパルスを発生し、カウンタアンプ２３へ出力する。カウンタアンプ２３はリニアエンコーダ２２から出力されるパルスをカウントし、機械移動速度信号に変換して、張力制御装置１２へ機械移動速度信号として出力するようになっている。
【００５３】
図９における張力制御装置１２の詳細ブロック図である図１０においては、指令値生成処理部１３の出力である回収モータ速度指令信号から機械移動速度検出信号を加算回路にて差し引いて回収モータ６Ｂのサーボアンプ６Ｃに速度指令を与えている。
【００５４】
図１１は図９、１０の動作の基礎となるワイヤ放電加工機のＹ軸駆動系の一例である。図９における回収部６とＮＣ装置９と被加工物８を除き、サドルＳ上に搭載されたワイヤ電極１の搬送系がＹ軸駆動系可動部とともにＹ軸駆動用モータＹＭとボールねじＢＴによってＹ軸方向に位置決めされる。なお、回収部６はサドルＳに固定されており、Ｙ軸方向に固定されている。このような構成のワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置においては、図１２にて概略を示すように、Ｙ軸送り時には、ブレーキプーリ４Ａと回収ローラ６Ａの相対距離が変化し、Ｙ軸駆動時の相対距離の時間変化（相対速度）によって生じるワイヤのたるみや引っ張りによって、張力変動が過渡的に生じる。この張力変動は、加工時の筋付きや破断張力の小さい細いワイヤ電極を用いたときに速いＹ軸送りを与えた場合に断線を引き起こす要因になることは前述したとおりである。このような問題は、Ｙ軸送り時停止時に関わらず、回収モータの回転速度を一定としているために生じており、本実施の形態では、Ｙ軸送り速度に合わせて回収モータ６Ｂの回転速度を変化させるようにして、張力制御の追従遅れによる過渡的なワイヤ電極のたるみや引っ張りの発生を防止するようにしている。すなわち、図９のリニアエンコーダ２２の移動を図１０に示す回収モータの速度指令に加味することでＹ軸送りによる過渡状態を補償している。
【００５５】
図１３（ａ）、（ｂ）は、図９、図１０の構成において張力制御を行ったときの定常走行状態における張力検出値の時間波形とＹ軸駆動速度検出値の時間波形である。図１３（ａ）は図１、図２に示す張力制御系を用いた場合、図１３（ｂ）は本実施の形態である図９、図１０の張力制御系を用いた場合である。図１３（ａ）では、Ｙ軸駆動速度の時間変化の大きいところで張力変動が大きくなっている。図１３（ｂ）ではＹ軸送りを与えた場合でも張力変動はほとんど変化していない。
【００５６】
このように、機械移動速度を回収モータ速度指令値から差し引いて、回収ローラ６ＡのＹ軸可動部に対する接線方向の相対速度が一定になるように回収モータ６Ｂの速度を変化させることによって、Ｙ軸送り時の張力変動の過渡的変化を小さくできるので、Ｙ軸送り時の張力変動に起因する加工時の筋付き、ワイヤ電極の断線を防止できる。
【００５７】
実施の形態５．
実施の形態５におけるワイヤ放電加工機と張力制御装置の全体構成の別の例を図１４、図１５に示す。図１４、図１５において、図１、図２と同一部分には同符号を付し、相違点を説明する。図１４では、ワイヤ放電加工機の構成を示し、ここではＮＣ装置９から張力制御装置１２へ送られる信号としてワイヤ電極諸元データを追加している。このワイヤ電極諸元データは、例えば使用するワイヤ電極１の線径及び種類、加工の種類や目的等である。そしてこのワイヤ電極諸元データに応じた張力がワイヤ電極１に付与されるようになっている。
【００５８】
図１５は、張力制御装置１２の詳細ブロック図の構成例である。図１５において、ブロック２４はＮＣ装置９からのワイヤ電極諸元データ（例えば線種や線径）に基づいて、ＰＩ制御器１４へＰＩ制御ゲインを出力する張力制御ゲイン決定処理部である。
【００５９】
ＮＣ装置９からのワイヤ電極情報は、通常、ＮＣ画面からの入力や外部設定スイッチ、プログラムなどによってユーザからＮＣ装置へ与えるようにしている。また、その他の手段として、外部のセンサによって測定されるワイヤの色、反射率、ワイヤの曲げ剛性、ワイヤの形状などの情報からワイヤ電極の種別を識別するようにしてもよい。張力制御ゲイン決定処理部２４におけるＰＩ制御ゲインの出力は、予め記憶させておいた関数あるいはデータベースによって決定し、出力するようにしている。ＰＩ制御器１４は、張力制御ゲイン決定処理部２４から出されたＰＩ制御ゲインを用いて張力制御信号を演算し、出力するようにしている。このようにすれば、図２０の従来の装置にあるような、例えばノッチフィルタの遮断周波数を決定するためのＦＦＴ周波数分析処理が不要となる。
【００６０】
ＦＦＴ動作が不要になる利点は次のとおりである。従来の張力制御装置のように、ノッチフィルタの周波数の決定をワイヤの固有振動数をＦＦＴなどの周波数分析を用いて決定するような場合、工場の環境が悪い場合には、電磁ノイズや電源の基本高調波などによる誤動作を発生することは前述したとおりである。本実施の形態では、ＮＣ装置９からの諸元データ（情報）に基づいてＰＩ制御ゲインを変更するようにしているのでこのような誤動作は防止できる。また、従来の張力制御装置では、ＦＦＴ周波数分析のためのデータを得るためにワイヤ電極１を走行させる必要があり、例えばφ０．０３ｍｍのワイヤ電極のような二百グラム程度の張力で破断してしまうような電極では、周波数分析のためのデータを得るためにワイヤを走行させた時点で破断してしまうことも前述したとおりである。本実施の形態では、制御パラメータを決定するためのワイヤ電極の走行動作は不要であるので、このような問題は生じない。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、張力制御ゲイン決定処理部２４におけるＰＩ制御ゲインは、ワイヤ線種、ワイヤ線径の変化に対して張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ固有振動数の１／５以下になるように決定しており、共振ピークが張力フィードバック制御によって増大するのを防止している。
【００６２】
ワイヤ電極１の線径およびその線種によって変化する固有振動数に応じて、制御ゲインの変更について説明する。図１４、図１５の張力制御装置１２にφ０．２５ｍｍ、ＢＳ（黄銅）のワイヤ電極１を走行させたときの張力検出器１０の出力を測定した結果を図１６に示す。図１６（ａ）は、ＰＩ制御器１４の制御ゲインを零にした状態で回収モータ６Ｂのみを速度制御し、ワイヤ電極１を走行させたときの張力検出器１０の出力波形である。図示のようにブレーキモータ４Ｂの回転に同期した張力変動１３１ｇが生じている。この張力変動はブレーキモータ４Ｂのモータ軸の偏芯によって生じる回転速度変動によって生じているものと思われる。図１６（ｂ）は、固有振動数３０Ｈｚ以上に対して図１７に示すような制御帯域幅５Ｈｚの張力フィードバックループの周波数応答特性を持つようにＰＩ制御器１４の制御ゲインを設定した場合である。ここでは、図１６（ａ）に対して、約１／２０に張力変動を低減できている。
【００６３】
次に、φ０．０３ｍｍ、ＳＰ（高張力鋼）のワイヤ電極１を走行させたときの、張力制御系の張力指令値から張力検出器出力までの周波数伝達特性を測定した結果を図１８に示す。φ０．０３ｍｍ、ＳＰのワイヤ電極を用いた場合、共振周波数が１２Ｈｚ程度にあるが、張力フィードバックループの交差周波数を固有振動数の１／５以下になるようにＰＩ制御ゲインをあらかじめ設定することで、共振ピークは−２０ｄＢ以下に小さく抑えられる。逆に、張力フィードバックループの交差周波数を固有振動数に接近させた場合には、１２Ｈｚの共振ピークが大きくなり、張力変動が大きくなる。
【００６４】
図１９はφ０．０３ｍｍ、ＳＰのワイヤ電極に対して、ＰＩ制御器１４に図１６の場合と同じＰＩ制御ゲインを与え、実際にワイヤ電極を走行させたときの張力検出値Ｔｗと回収モータ速度指令Ｖ*の実測結果である。図１６のφ０．２５ｍｍ、ＢＳのワイヤ電極のときよりも張力フィードバックループの制御帯域幅を小さくしたにも拘らず、振動を生じることなくワイヤ電極の張力をほぼ一定に制御できている。
【００６５】
以上のように、φ０．０３ｍｍ、ＳＰのワイヤ電極を用いた場合の共振周波数１２Ｈｚの共振ピークを大きくしないように張力フィードバックループの制御帯域幅を小さくした場合においても、図１６（ｂ）の場合と同等以上に張力変動を低減できる理由は次のとおりである。
【００６６】
上述のように、ワイヤ張力変動は、ブレーキモータ４Ｂの回転速度が変動することによってブレーキプーリ４Ａと回収プーリ６Ａとの間のワイヤ送り量の差Δθが発生することで生じる。このときのワイヤ張力変動量ΔＴｗはワイヤ送り量の差Δθとワイヤ電極のばね定数ｋｗとの積で与えられる。ブレーキモータ４Ｂの回転速度変動は、ブレーキモータ４Ｂの速度をフィードバックしているので、ワイヤ電極の線径が変化しても速度変動幅はあまり変わらない。また、ワイヤ電極のばね定数ｋｗはワイヤ電極の線径の２乗に比例して小さくなることから、ワイヤ電極の線径が細くなるほどブレーキモータ４Ｂの回転速度変動の影響が張力変動に生じにくくなる。張力制御系の張力変動の大きさは張力検出値のフィードバック制御を用いているので、ＰＩ制御器１４のゲインの大きさに反比例することから、ワイヤ電極の線径を細くする影響の方が制御ゲインを小さくする影響よりも大きい。
【００６７】
例えば、図１７、１８に示すようなφ０．０３ｍｍのワイヤ電極を走行させた場合において、ＰＩ制御器１４のゲインをφ０．２５ｍｍのときの１／５に小さくしても、ワイヤ電極のばね定数が約１／７０に小さくなるので、φ０．０３ｍｍのワイヤ電極の走行時に生じる張力変動量は図１６（ｂ）に示したよりも同等以上に低減できる。
【００６８】
以上のように、張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ電極の固有振動数の１／５以下に設定するように張力制御ゲインを与えることによって、固有振動数と張力制御応答周波数の接近によるワイヤ走行系の固有振動数における共振ピークの増大を防止できるので、ワイヤ電極の線径に関わらず張力変動の小さいワイヤ電極の走行が実現できる。これによって、信頼性の高いワイヤ張力制御装置が得られるという効果がある。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ブレーキプーリと回収ローラとの間の相対速度を検出し、この検出した情報に基づいて回収モータへの速度指令を生成するようにしたことにより、ブレーキプーリと回収ローラの相対距離が時間変化するようなワイヤ放電加工機においては、位置決め時のブレーキプーリと回収ローラの相対距離の急峻な変化があったとしても、回収ローラの動きを上記相対距離の変化に応じて速度を変化させることで、ワイヤ電極の引っ張りやたるみを低減できるので、断線、加工時の筋つきを防止できる利点がある。
【００７４】
つぎの発明によれば、ＮＣ装置から与えられるワイヤ電極の諸元に基づいて、張力制御信号を生成する張力制御ゲインを決定するようにしたことにより、ユーザがＮＣ装置に与えたワイヤ電極の線径や材質などの情報から張力制御ゲインを決定するようにしているので、常に適正な制御ゲインによる運転が可能であり、工場内の電気ノイズによるＦＦＴの誤動作も無くなり、従来より安定したワイヤ張力制御装置が構成できる利点がある。
【００７５】
つぎの発明によれば、張力制御ゲインを、張力制御系の開ループ伝達特性の交差周波数がワイヤ走行系の固有振動数の１／５以下になるように与えたことにより、張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ電極の固有振動数の１／５以下に設定するように張力制御ゲインを与えているので、十分な位相余裕とゲイン余裕が確保でき、従来の装置に比べて固有振動数推定誤差による性能劣化がなく、固有振動数の数Ｈｚの変動に対しても従来装置よりは性能劣化の程度を少なくできる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図２】 図１に示した張力制御装置を示すブロック図である。
【図３】 図２に示した指令値生成処理部での張力指令信号のフローチャートである。
【図４】 張力検出特性図である。
【図５】 図２に示した指令値生成処理部での速度指令値のフローチャートである。
【図６】 張力及びモータ速度の各特性図である。
【図７】 この発明の実施の形態２にかかる指令値生成処理部を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態３にかかる張力制御装置示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態４にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図１０】 図１０に示した張力制御装置を示すブロック図である。
【図１１】 Ｙ軸駆動を説明する構成図である。
【図１２】 Ｙ軸送り方向の説明図である。
【図１３】 Ｙ軸駆動に対する張力検出波形図である。
【図１４】 この発明の実施の形態５にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図１５】 図１４に示した張力制御装置を示すブロック図である。
【図１６】 張力変動を表す波形図である。
【図１７】 ＰＩ制御器のゲイン及び位相特性図である。
【図１８】 ＰＩ制御器のゲイン及び位相特性図である。
【図１９】 張力及びモータ速度の各特性図である。
【図２０】 従来例にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図２１】 従来例の張力制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
４ ブレーキ部、６ 回収部、９ ＮＣ装置、１０ 張力検出器、１２ 張力制御装置、１３ 指令値生成処理部、１４ ＰＩ制御器、１５、１６ 増幅器、１７、１９ スイッチ、１８、２０、２１ フィルタ、２２ リニアエンコーダ、２４ 張力ゲイン決定処理部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、従来よりも張力制御を高性能化させたワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤ放電加工機は、ブレーキ部から回収部に向かって常に新たなワイヤ電極を繰り出しつつワイヤ電極と被加工体との放電により被加工体を加工するものであり、加工品質や加工精度を上げるためにはきめ細かなワイヤ電極の張力制御が必要となる。従来のワイヤ放電加工機にあっては、例えば特開平１０−３０９６３１号公報に示されるように、ワイヤ走行時の張力変動を低減させるべく、ワイヤ張力を検出してブレーキモータであるサーボモータで張力を一定にするような制御を施している。
【０００３】
図２０及び図２１は、典型的な従来例である特開平１０−３０９６３１号公報に記載するワイヤ放電加工機及び張力制御装置を示し、この張力制御はＮＣ装置Ｐ１０に設定されたワイヤ張力設定信号ＴＳに張力検出器Ｐ１１の出力信号が追従するように行われている。図２０にあって、ワイヤ電極Ｐ１はブレーキプーリＰ４Ａ及びサーボモータＰ４Ｂからなるブレーキ部Ｐ４より、引き取りプーリＰ６Ａ及び引き取りモータＰ６Ｂからなる回収部Ｐ６に至る経路を辿る。途中経路のブレーキプーリＰ４ＡとガイドプーリＰ３Ｂとの間には張力検出器Ｐ１１及び被加工体Ｐ８を挟むように放電加工部分Ｐ５を形成する一対の位置決めガイドＰ７が存在する。ここで、ブレーキプーリＰ４Ａへは、ワイヤボビンＰ２からプーリＰ３Ａを介してワイヤ電極Ｐ１が送給される。また、張力制御系として、引取りモータＰ６ＢのサーボドライバＰ６Ｃに速度指令が出されるＮＣ装置Ｐ１０からは、ワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値ＳＳ、張力設定信号ＴＳが張力制御装置Ｐ１３に送られる。張力制御装置Ｐ１３では、上記ワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値ＳＳ、張力設定信号ＴＳの他、張力検出器Ｐ１１によって検出され増幅回路Ｐ１２にて増幅された張力検出信号ＴＭが入力され、サーボドライバＰ４Ｃに速度指令ＳＣが出力される。サーボドライバＰ４Ｃでは、張力制御装置Ｐ１３からの速度指令ＳＣとサーボモータＰ４Ｂの速度検出器からのフィードバック速度検出信号とによって、サーボモータＰ４Ｂに電流指令を送る。この結果、引き取りモータＰ６Ｂのモータ速度に基づくワイヤ電極Ｐ１の走行スピードに対して、ブレーキモータであるサーボモータＰ４Ｂが速度制御を行いワイヤ電極Ｐ１に一定の張力を与えている。
【０００４】
図２１は、図２０の張力制御装置の回路ブロックを示しており、前述のＮＣ装置Ｐ１０からの張力設定信号ＴＳと張力検出器Ｐ１１からの張力検出信号ＴＭとの偏差をとり張力補償信号ＴＣを出力する加算回路Ｐ１５、例えばノッチフィルタ等からなり張力補償信号ＴＣの位相遅れ補償のためのフィルタ装置Ｐ１８、フィルタ装置Ｐ１８による出力とこのフィルタ装置Ｐ１８を経ない加算回路Ｐ１５の出力ＴＣとを切り替える切り替え回路Ｐ２０、制御ゲインを得る増幅回路Ｐ１６を有し、更に、ワイヤ走行信号を前提として張力検出信号ＴＭが入力され、この張力検出信号ＴＭを高速フーリエ変換（ＦＦＴという）して周波数成分を取り出し共振周波数を得てフィルタ選定・調整指令を前述のフィルタ装置Ｐ１８に出力し、及び前述の切り替え回路Ｐ２０に切り替え信号を出力するフィルタ決定演算指令装置Ｐ１９を有し、また、ＮＣ装置Ｐ１０から得られあるいはプログラム等の読み出しにより得られたワイヤ速度設定値ＳＳと張力設定信号ＴＳとが入力され、ワイヤ電極Ｐ１の基準速度指令信号を得る基準速度設定回路Ｐ１４を有する。そして、この基準速度設定回路Ｐ１４の基準速度指令信号と増幅回路Ｐ１６で増幅された張力補償信号との偏差をとり、張力を加味した速度指令ＳＣを出力する加算回路Ｐ１７を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２０及び図２１にて示すワイヤ放電加工機及び張力制御装置にあっては、ワイヤ放電加工機の電源を入れワイヤ電極Ｐ１を指し回し自動結線を行った後引き取りモータＰ６Ｂ及びサーボモータＰ４Ｂを駆動し張力制御を開始した時、ワイヤ電極Ｐ１の初期張力に関わらず、ワイヤ張力設定値すなわち張力設定信号ＴＳが一定値で与えられることになる。このとき、ワイヤ電極Ｐ１の初期張力とワイヤ張力設定値との誤差が大きいと、加算回路Ｐ１５への入力偏差大きくなり、加算回路Ｐ１７の出力速度指令ＳＣが過小となってブレーキ部Ｐ４のサーボモータＰ４Ｂへの電流指令がステップ状に落ち込み、ワイヤ張力設定値に対して張力検出器Ｐ１１による張力検出値はオーバーシュート（図４（ａ）参照）を生じてしまう。例えば、φ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極Ｐ１のように破断張力の小さいものを用いて張力制御をした場合には、張力制御の起動に伴いワイヤ電極Ｐ１の断線が生じやすいという問題があった。
【０００６】
また、図２１に示す張力制御装置においては、図２０に示す引き取りモータＰ６ＢとサーボモータＰ４Ｂとを駆動し加工工程に入るまでの時間を短縮するためにワイヤ回収動作と張力制御の起動とを同時に行おうとした場合、すなわち図２０に示すＮＣ装置Ｐ１０からのサーボドライバＰ６Ｃへの速度指令による引取りモータＰ６Ｂの駆動と、図２１に示す張力設定値ＴＳ、ワイヤ速度設定値ＳＳ及びワイヤ走行開始信号、更には張力検出信号ＴＭに基づく張力制御装置Ｐ１３からのサーボドライバＰ４Ｃへの速度指令ＳＣと速度検出信号とに基づくサーボモータＰ４Ｂの駆動とを同時に行おうとした場合、前述の張力制御のオーバーシュートの発生に加えてワイヤ回収動作に対する張力制御の追従遅れが重なり過剰な張力が発生する程度が極めて高くなり、φ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極を用いた場合に起動時の断線を生じてしまうという問題もあった。
【０００７】
また、図２０及び図２１に示す従来のワイヤ放電加工機及び張力制御装置においては、回収ローラＰ６ＡとブレーキプーリＰ４Ａとの間の相対距離が被加工体Ｐ８とワイヤ電極Ｐ１との間の相対位置によって変化するような機械構造（例えばＹ軸駆動系）に対しても、引き取りモータＰ６Ｂへは常に一定の速度指令信号が与えられているため、回収ローラＰ６ＡとブレーキプーリＰ４Ａとの間の相対距離変化に基づく軸移動に伴いワイヤ電極Ｐ１のたるみや引っ張りが発生し、これによってワイヤ電極Ｐ１の断線あるいは被加工体Ｐ８の加工面の筋つきが発生してしまうという問題もあった。
【０００８】
また、図２１に示す従来の張力制御装置においては、すべてのワイヤ電極Ｐ１に対して増幅回路Ｐ１６の制御ゲインを固定にしているので、ワイヤ電極Ｐ１の変化によって固有振動数が低下すると振動が発生しやすくなるという問題点があった。この固有振動数の低下よって生じる振動を抑える方策として、張力フィードバックループ内のフィルタ装置Ｐ１８に設けたノッチフィルタのノッチ周波数を張力検出値ＴＭのＦＦＴによる周波数分析で推定するようにもできる。しかしながら、このような方法は、工場内の環境が非常に悪い場合、電磁ノイズや電源の基本高調波などによる誤動作が発生する。また、ＦＦＴによる周波数分析のためのデータを得るべく、不適当なノッチ周波数で制御される張力制御装置によってワイヤ電極を走行させる必要が生じることから、例えばφ０．０３ｍｍのワイヤ電極のような二百グラム程度の張力で破断してしまうようなワイヤ電極Ｐ１では、周波数分析のためのデータを得るためにワイヤを走行させた時点で破断が生じるという問題点があった。
【０００９】
最近では、電源や駆動系の位置決め性能の向上、φ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極を用いた加工の精度向上、加工時間短縮についての要求が高まっており、張力制御装置の高性能化はワイヤ放電加工機の重要な課題となっている。
【００１０】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、前述のオーバーシュートや張力制御の追従遅れによる断線、軸移動に伴う断線や加工面の筋つき、電磁ノイズ等による誤動作の発生、データを得るための試運転による断線を防止して、張力制御を高性能化したワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかるワイヤ張力制御装置は、ブレーキ部のブレーキモータの速度検出信号とワイヤ電極から検出した張力検出信号、ＮＣ装置からの張力設定値及び張力制御開始信号とに基づいて生成されるブレーキ部のブレーキモータの電流指令により回収部の回収モータの速度指令に対して張力制御を行いつつブレーキプーリと回収ローラ間で張力を付与した状態でブレーキプーリと回収ローラ間にワイヤ電極を走行させるワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置において、前記ブレーキプーリと前記回収ローラとの間の相対距離が時間変化するワイヤ放電加工機の前記ブレーキプーリと前記回収ローラとの間の相対速度を検出し、この検出した情報に基づいて前記回収モータへの速度指令を生成することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、回収部とブレーキ部の相対距離が被加工体及びワイヤ電極間の位置決めによって変化するようなワイヤ放電加工機においては、位置決め時の回収部とブレーキ部の相対距離の急峻な変化があったとしても、回収部の動きを上記相対距離の変化に応じて速度を変化させることで、ワイヤ電極の引っ張りやたるみを低減できるので、断線、加工時の筋つきを防止できる利点がある。
【００２２】
この発明によれば、ユーザがＮＣ装置に与えたワイヤ電極の線径や材質などの情報から張力制御ゲインを決定するようにしているので、常に適正な制御ゲインによる運転が可能であり、工場内の電気ノイズによるＦＦＴの誤動作も無くなり、従来より安定したワイヤ張力制御装置が構成できる利点がある。
【００２３】
つぎの発明にかかるワイヤ張力制御装置は、上記の発明において、張力制御ゲインを、張力制御系の開ループ伝達特性の交差周波数がワイヤ走行系の固有振動数の１／５以下になるように与えたことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ電極の固有振動数の１／５以下に設定するように張力制御ゲインを与えているので、十分な位相余裕とゲイン余裕が確保でき、従来の装置に比べて固有振動数推定誤差による性能劣化がなく、固有振動数の数Ｈｚの変動に対しても従来装置よりは性能劣化の程度を少なくできる利点がある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図１〜図１９を参照して、この発明にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この発明にかかる図１〜図１９では、既に図２０、図２１にて説明した部分は、説明を簡略化する。
【００２６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の前提となるワイヤ放電加工機の全体構成である。ワイヤ電極１は、ワイヤボビン２からガイドプーリ３Ａ、ブレーキ部４のブレーキプーリ４Ａなどの複数のプーリを経由して、一対の位置決めガイド７が所望間隔を置いて配置された加工部分５に供給され、更に下部ローラ３Ｂを経由して回収部６の回収ローラ６Ａを経て回収されるようになっている。ブレーキプーリ４Ａと下部ローラ３Ｂとの間は、一対の位置決めガイド７間の被加工体８による加工部分５にてワイヤ電極１が所定の直線状態を維持して走行するように、張力がワイヤ電極１に付与されるようになっている。
【００２７】
一方、回収部６には回収モータ６Ｂとサーボドライバ６Ｃが備えられ、ブレーキ部４にはブレーキモータ４Ｂとサーボドライバ４Ｃが備えられ、張力制御装置１２からサーボドライバ６Ｃには速度指令信号、サーボドライバ４Ｃには電流指令信号がそれぞれ送られる。張力制御装置１２には、コンピュータ制御のＮＣ装置９からワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値、張力設定値、張力制御開始信号、自動結線識別信号が入力され、また張力変動検出のための張力検出器１０及び増幅回路１１からの張力検出信号が入力され、更にはブレーキモータ４Ｂの速度検出器からの速度検出信号が入力される。このワイヤ放電加工機は、回転速度が制御された回収モータ６Ｂを有する回収部６によって走行移動するワイヤ電極１に対し、ブレーキプーリ４Ａを介してブレーキモータ４Ｂによる制動力を付与するようになっている。ブレーキプーリ４Ａから引き出されるワイヤ電極１は、一対の位置決めガイド７、７間の加工部分５において、ブレーキプーリ４Ａの偏心やブレーキモータ４Ｂによる制動力の変動などの外乱などによってワイヤ電極１に張力変動を生じる。このため、ブレーキモータ４Ｂのサーボドライバ４Ｃに電流指令値を回収モータ６Ｂのサーボドライバ６Ｃに速度指令値をそれぞれ出力する張力制御装置１２にてブレーキモータ４Ｂを制御して、ワイヤ電極１の張力検出器１０からの張力検出値とＮＣ装置９からの張力設定値との偏差を減少させている。
【００２８】
図２は、張力制御装置１２の詳細ブロック図を示す。図２において、図１にも示すＮＣ装置からのワイヤ走行開始信号、ワイヤ速度設定値、張力設定値、張力制御開始信号は、指令値生成処理部１３に入力され、自動結線識別信号は、ＰＩ制御器１４に入力される。ここで、指令値生成処理部１３はＮＣ装置９の設定入力またはプログラムなどの読み出しによって得られるワイヤ電極１のワイヤ速度設定値、張力設定値、ワイヤ走行開始信号、張力制御開始信号、及び張力検出器１０からの張力検出信号に基づきブレーキモータ速度指令、回収モータ速度指令、及び張力指令信号を生成する。ＰＩ制御器１４は、指令値生成処理部１３からの張力指令信号と張力検出器１０からの張力検出信号とを差動演算した偏差信号を比例倍および積分して比例倍して張力制御信号を得る演算器で、自動結線識別信号にて制御される。ＰＩ制御器１４で算出した張力制御信号は、指令値生成処理部１３の出力であるブレーキモータの速度指令を増幅部１５で増幅した信号と、フィードバックされたブレーキモータ速度検出信号を増幅部１６で増幅した信号とを加算（あるいは減算）することで得られた信号に加算（あるいは減算）することで、ブレーキモータ４Ｂへの電流指令としてサーボドライバ４Ｃに出力するようになっている。なお、ＰＩ制御器１４は、自動結線識別信号によってワイヤ電極１の自動結線作業中かどうかを判別し、自動結線作業中であればＰＩ制御器１４の出力は零、自動結線作業中でなければ（張力制御中であれば）ＰＩ制御器１４は入力偏差信号を比例倍および積分して比例倍して出力するようになっている。
【００２９】
次に、図２の指令値生成処理部１３の詳細な動作について説明する。指令値生成処理部１３は張力指令信号、ブレーキモータ速度指令、回収モータ速度指令の３つの信号を生成するので、これらの信号を生成する３つのプログラムの内容を以下に順次示す。
【００３０】
図３は、指令値生成処理部１３の張力指令信号を生成するためのプログラムのフローチャートである。まず、プログラムを開始し（ステップＳｔ１（以下「ステップ」を省略する））、ＮＣ装置９からの張力制御開始信号と張力設定値Ｔｃと張力検出器１０からの張力検出信号Ｔｗとを読み取る（Ｓｔ２）。次に、Ｓｔ３にて張力制御開始信号がＯＮを示していればＳｔ５へ進み、張力制御開始信号がＯＦＦを示していればＳｔ４へ進む。ここで、張力制御開始信号がＯＦＦのときは、ブレーキモータ４Ｂへ電圧をかけないようにつまりブレーキモータ４Ｂがフリーとなるようにサーボドライバ４Ｃをハード制御している。そして、Ｓｔ４では、計数を開始している時間カウンタのカウント値tcntを零に初期化し、張力指令値Ｔ*に張力検出値Ｔｗを設定し、張力検出値の初期値Ｔｗ０に張力検出値Ｔｗを保存して、Ｓｔ２へ戻る。またＳｔ３にて、張力制御開始信号がＯＮのときは、Ｓｔ５にて制御周期tsと時間カウンタtcntとの積から現在の時間ts・tcntを計算し、この値ts・tcntがあらかじめ設定しておいた起動時間Ｔｓよりも大きければ前述したオーバーシュートや開始時での張力制御の追従遅れの危険性はなくなるのでＳｔ７へ進み、張力指令値Ｔ*を張力設定値Ｔｃとする。このとき、ワイヤ放電加工機の張力制御は通常の制御となり、ＰＩ制御器１４の次段に位置する加算装置から出力される電流指令値ＣＣに基づいて、サーボドライバ４Ｃでブレーキモータ４Ｂが制御される。また、Ｓｔ５にて現在時間ts・tcntが起動時間Ｔｓを経過していないときはＳｔ６へ進む。Ｓｔ６では、制御周期ｔｓと時間カウンタtcntとの積から得られた現在の時間ｔを用いて、次式（１）によって張力指令値Ｔ*を算出する。
【００３１】
Ｔ*＝（Ｔｃ−Ｔｗ０）・ｆ（ｔ）＋Ｔｗ０・・・（１）
すなわち、張力検出値の初期値Ｔｗ０に、張力設定値Ｔｃと張力検出値の初期値Ｔｗ０との差分をｆ（ｔ）にて変化させた値を加えたものを、張力指令値Ｔ*とするものである。そしてこの関数ｆ（ｔ）がステップ状ではなく時定数の遅い徐々に変化するものであれば前述のオーバーシュートや開始時での張力制御の追従遅れの危険性は回避できる。例えば関数ｆ（ｔ）としては、張力制御開始時の張力検出値Ｔｗ０からＮＣ装置９からの張力設定値Ｔｃまで少なくとも２サンプリング周期以上で到達するように与えた関数またはデータテーブルの数値列があげられる。また、Ｓｔ６では、時間カウンタのカウント値tcntに＋１加算してカウント値を更新する。Ｓｔ７では、張力指令信号Ｔ*を出力し、Ｓｔ２へ戻る。
【００３２】
例えばｆ（ｔ）が張力設定値Ｔｃまで少なくとも２サンプリング周期となるような場合、初期張力をＴｗ０を零、張力設定値をＴｃ、１サンプリング時間後の張力指令値をＴｃ／２、２サンプリング時間後の張力指令値をＴｃとすれば、張力制御開始後の誤差は、次のようになる。
【００３３】
１サンプリング時間後
Δｅ＝Ｔｃ／２
２サンプリング時間後
Δe≒Ｔｃ
ここでは、張力制御系の応答がサンプリング時間に対して十分遅いものとしている。
またこのとき、図２のＰＩ制御器１４の２サンプリング時間後の張力制御信号は次式（２）のようになる。
【００３４】
２サンプリング時間後のＰｉ制御器１４の張力制御信号
＝Ｋｐ・Δe＋Ｋｉ・∫Δeｄｔ
＝Ｋｐ・Ｔｃ＋Ｋｉ・Ｔｃ／２・ts+Ｋｉ・Ｔｃ・ts ・・・（２）
なおここで、Ｋｐ、Ｋｉは張力制御ゲインである。
【００３５】
比較のためにｆ（ｔ）がステップ状に変化することとした場合には、次のようになる。
１サンプリング時間後
Δe＝Ｔｃ
２サンプリング時間後
Δe＝Ｔｃ
このときの２サンプリング時間後のＰＩ制御器１４の出力である張力制御信号は次式（３）で得られる。
【００３６】
２サンプリング時間後のＰＩ制御器１４の張力制御信号
＝Ｋｐ・Δe＋Ｋｉ・∫Δeｄｔ
＝Ｋｐ・Ｔｃ＋Ｋｉ・Ｔｃ・ts+Ｋｉ・Ｔｃ・ts ・・・（３）
式（２）は式（３）よりもＫｉ・Ｔｃ／２・tsだけ張力制御信号が小さくできている。
【００３７】
具体的に、張力制御開始初期では、ブレーキモータ４Ｂ、回収モータ６Ｂとも停止しているとすると、ブレーキモータ４Ｂの速度指令およびブレーキモータ速度検出信号は零となるので、式（２）、式（３）の張力制御信号は張力制御開始直後の電流指令になる。ここで、２サンプリング時間にて二段階で張力指令値が張力設定値に到達する場合の張力制御信号については、張力制御系が十分追従できる時間でゆるやかに張力指令値Ｔ*を張力制御開始時の初期張力から増加させれば、ＰＩ制御器１４の張力制御信号の発生も緩やかになるので、ブレーキモータ４Ｂへの急峻なモータ電流の通電によるワイヤ電極１の張力のオーバーシュートが防止できることは明らかである。
【００３８】
次に、ｆ（ｔ）を時定数の遅い緩やかな関数、ここでは、張力フィードバックループの交差周波数以下の遅い時定数で増加する関数を例示する。
例えばｆ（ｔ）＝０.５・（１−cosωt） ・・・（４）とする。ここで、ωは張力制御の起動速度を決める定数、ｔは張力制御開始後の時間である。起動時間をＴｓとすると、Ｔｓ＝π／ω ・・・（５）の関係がある。
【００３９】
式（４）のωをワイヤ走行系の張力フィードバックループの交差周波数よりも小さくして、ワイヤ張力の初期値Ｔｗ０からワイヤ張力設定値Ｔｃへと張力指令値Ｔ*が増加する時間を長くした場合、張力制御開始時の張力検出値Ｔｗの時間波形を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）では、式（４）に示すｆ（ｔ）と図３のフローチャートを用いてワイヤ初期張力からゆるやかに張力設定値に漸近するように張力指令信号を与えた場合である。図４（ｂ）では、張力検出値Ｔｗの過剰なオーバーシュートをほとんど生じることなく、張力設定値Ｔｃに追従していることがわかる。このように、ワイヤ初期張力からゆるやかに張力設定値Ｔｃに漸近するように張力指令信号を与えることによって、張力制御開始直後のワイヤ張力の過剰な増加を防止できるので、ワイヤ電極の断線を防止できることは明らかである。因みに、図４（ａ）は従来の方法に用いて張力制御開始信号とともに張力指令値を張力設定値になるようにした場合であり、かなり大きい張力検出値Ｔｗのオーバーシュートが生じている。例えばφ０．１ｍｍ以下の破断張力の余裕の少ないワイヤ電極１においては、ワイヤ電極１の断線が容易に生じうる。
【００４０】
次に、図２の指令値生成処理部１３における回収モータ６Ｂへの速度指令とブレーキモータ４Ｂへの速度指令とを生成するプログラムのフローチャートの一例を図５に示す。なお、本例では、指令値生成処理部１３の出力として回収モータ６Ｂへの速度指令とブレーキモータ４Ｂへの速度指令とについて、同じ速度指令値を用いているため、図５では一つのプログラムで構成しているが、これらの指令値は独立したプログラムによって生成するようにしてもよい。
【００４１】
図５のフローチャートにおいて、まず、プログラムを開始し（Ｓｔ１０）、ＮＣ装置９からのワイヤ速度設定値Ｖｃとワイヤ走行開始信号とを読み込む（Ｓｔ１１）。次に、Ｓｔ１２にてＮＣ装置９からのワイヤ走行開始信号がＯＦＦであればＳｔ１３へ進む（Ｓｔ１２）。Ｓｔ１３では、時間カウンタのカウント値tcntを零に初期化し、速度指令値Ｖ*に零を保存して、Ｓｔ１１に戻る。Ｓｔ１２にてワイヤ走行開始信号がＯＮであればＳｔ１４へ進む。Ｓｔ１４では、時間カウンタのカウント値と制御周期との積である現在の時間tcnt・tsがあらかじめ設定しておいた起動時間Tsより大きければ速度指令値Ｖ*としてワイヤ速度設定値Ｖｃを出力するようにＳｔ１６へ進み、それ以外はＳｔ１５へ進む。Ｓｔ１５では、制御周期tsと時間カウンタtcntとの積から現在の時間ｔを用いて、次式によって速度指令値Ｖ*を算出する。
【００４２】
Ｖ*＝Ｖc・ｆ（ｔ）・・・（６）
そして、時間カウンタのカウント値tcntに１を加算して更新する。Ｓｔ１６では、回収モータ６Ｂへの速度指令とブレーキモータ４Ｂへの速度指令としてＶ*を出力し、Ｓｔ１１へ戻る。なお、ｆ（ｔ）は図３の例と同様の関数またはデータテーブルの数値列があげられ、式（４）の具体例を適用できる。
【００４３】
図６は、張力制御開始信号とワイヤ走行開始信号を同時にＯＮしたときの張力検出信号Ｔｗと回収モータ速度検出信号それぞれの時間波形である。張力制御とワイヤ回収を同時に開始することで、張力検出値と回収モータ速度検出値ほぼ同時に立ち上がり同様の波形になっている。そして、張力制御の起動と回収モータの起動を同時に行っている分だけ制御立ち上げ時間が短縮される。
【００４４】
従来のＮＣ装置の張力設定値をそのまま張力指令値として用いる方法では、張力制御開始時のオーバーシュートのために張力が大きくなり、細いワイヤ電極では断線してしまうことは前述したとおりである。そして、張力検出値と回収モータ速度検出値とを同時に開始した場合、張力制御の応答遅れによる張力変動が張力制御系のオーバーシュートに重畳し、さらにワイヤ電極に生じる張力が大きくなっていたことも前述したとおりである。このため、細いワイヤ電極１を走行させようとした場合には、張力制御が張力設定値Ｔｃに整定した後にワイヤ送りを開始しなければならなくなり、加工を開始するまでの時間が多くかかることになる。本実施の形態では、図３、図５のように、回収モータと張力制御それぞれの指令値を緩やかに変化となるように与えるとともに、両者の起動を同時に行っているので、張力制御系のオーバーシュートによる断線を防止できるとともに、加工を開始するまでの時間を大幅に短縮できる。
【００４５】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、図３、図５にて図２に示す指令値生成処理部１３を構成した。これに対し、図７は、指令値生成処理部１３の張力指令信号を生成する部分と速度指令を生成する部分の別の構成例を示す。図７（ａ）は張力指令信号を生成する部分であり、１７は張力設定値Ｔｃと張力検出値Ｔｗとを入力としてフィルタ１８へ一つの信号を出力するスイッチである。フィルタ１８はスイッチ１７から出力された信号を波形処理して張力指令信号Ｔ*を出力するものである。ここでは、制御入力である張力制御開始信号がＯＦＦのときに張力検出値Ｔｗをフィルタ１８へ出力し、張力制御開始信号がＯＮのときに張力設定値Ｔｃをフィルタ１８へ出力するようにしており、スイッチ１７から出力される信号は、図中にて示すようなステップ状に変化する信号になる。フィルタ１８を、張力フィードバックループの交差周波数よりも低い遮断周波数を有するローパスフィルタとすることにより、出力波形である張力指令信号Ｔ*は図７（ａ）のフィルタ１８の出力に示すような張力制御開始時の張力から張力設定値へと緩やかに増加する信号となる。このように、張力制御開始時の張力から張力設定値へ緩やかに増加する信号が得られるので前述の実施の形態１の図３の場合と同様の効果が得られる。
【００４６】
図７（ｂ）は指令値生成処理部１３の回収モータ速度指令とブレーキモータ速度指令とを生成する部分の別の構成例である。図７（ｂ）の装置において、１９はワイヤ速度設定値Ｖｃおよび速度零とを入力としてフィルタ２０へ一つの信号を出力するスイッチである。フィルタ２０はスイッチ１９から出力された信号を波形処理して速度指令Ｖ*を出力するものである。この装置において、制御入力であるワイヤ走行開始信号がＯＦＦのときに零をフィルタ２０へ出力し、ワイヤ走行開始信号がＯＮのときに張力設定値Ｖｃをフィルタ２０へ出力するようにしており、スイッチ１９から出力される信号は、図中にて示すようにステップ状に変化する信号になる。フィルタ２０を、張力フィードバックループの交差周波数よりも低い遮断周波数を有するローパスフィルタとすることにより、出力波形である速度指令信号はフィルタ２０の出力に示すような速度零からワイヤ速度設定値へ緩やかに増加する信号となる。図７（ａ）と図７（ｂ）のローパスフィルタは立ち上がり時定数を任意に設定可能であり、例えば図６に示した場合とほぼ同様の時定数で立ち上がるようにローパスフィルタを設定すれば、実施の形態１の図６の結果とほぼ同様の結果が得られる。
【００４７】
実施の形態３．
実施の形態３は、図８に示すように実施の形態２を変形させたもので図２に対応する張力制御装置の別の構成例である。図８において、図２、図７と同一部分には同符号を付す。図８（ａ）において、スイッチ１７、フィルタ２１、ＰＩ制御器１４の電流指令系及びスイッチ１９、フィルタ２０増幅器１５、１６の速度指令系からなり、ここでは、図２のＰＩ制御器１４の伝達関数をＫ（ｓ）、図７のフィルタ２０の伝達関数をＦ２（ｓ）と表記する。そして、フィルタ２１は、スイッチ１７とＰＩ制御器１４の次段の加算回路との間に備えられ、実施の形態２にて述べた図７のフィルタ１８の伝達関数Ｆ１（ｓ）を用いて、次の伝達関数が与えられる。
Ｋ（ｓ）・｛Ｆ１（ｓ）−１｝
ここで、図８（ａ）において、自動結線識別信号が自動結線ＯＮを示しているときはＫ（ｓ）＝０、自動結線ＯＦＦを示しているときはＫ（ｓ）がＰＩ制御器として動作する。
【００４８】
図８（ｂ）は、図８（ａ）と等価の構成例であり、図８（ａ）の動作を説明するために示した張力制御装置である。そして、図８（ｂ）では、図７のスイッチ１７とフィルタ１８、及びＰＩ制御器１４にて図２に示す張力指令に基づく電流指令Ｉｃを得ることになり、図７のスイッチ１９とフィルタ２０及び増幅器１５、１６にて図２に示すブレーキモータ及び回収モータそれぞれの速度指令を得る。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）において、スイッチ１７の出力Ｔｓｗから電流指令値Ｉｃまでの伝達関数を求めると、図８（ａ）では、次のようになる。
Ｉｃ／Ｔｓｗ＝Ｋ（ｓ）・｛Ｆ１（ｓ）−１｝＋Ｋ（ｓ）＝Ｋ（ｓ）・Ｆ１（ｓ）
一方、図８（ｂ）では、次のようになる。
Ｉｃ／Ｔｓｗ＝Ｋ（ｓ）・Ｆ１（ｓ）
このように、両者の伝達関数は同じで張力検出値Ｔｗからブレーキモータ電流指令値Ｉｃまでの伝達関数は両者ともＫ（ｓ）・Ｆ１（ｓ）、ブレーキモータの速度誤差信号ΔＶｂの入力点は同じ位置であり、図８（ａ）のような構成でも図８（ｂ）の構成と同じ張力制御系の特性が得られることになる。
【００５０】
なお、本実施の形態における張力制御装置の構成は図８（ａ）、（ｂ）の構成に限るものではなく、張力制御開始時の張力検出値Ｔｗと張力設定値Ｔｃとによって決めた信号Ｔｓｗから電流指令値Ｉｃまでの伝達関数が、張力検出値Ｔｗからブレーキモータ電流指令値Ｉｃまでの伝達関数Ｋ（ｓ）と張力フィードバックループの交差周波数よりも低い遮断周波数を有するフィルタＦ１（ｓ）との積になるように制御系を構成することで、実施の形態１、２と同様の特性と効果が得られることになる。
【００５１】
実施の形態４．
実施の形態４におけるワイヤ放電加工機と張力制御装置の全体構成の別の例を図９、図１０に示す。図９、図１０において、図１、図２と同一部分には同符号を付し、相違点を説明する。ワイヤ放電加工機は、被加工体８の加工上Ｘ軸及びＹ軸の移動が可能となっており、このうちワイヤ電極１の搬送系はＹ軸駆動系の可動部と連動する。その構成は図１１にて示し、説明は後述する。
【００５２】
図９においてリニアエンコーダ２２は、ワイヤ放電加工機のＹ軸駆動系に取り付けられ、カウンタアンプ２３に接続される。このリニアエンコーダ２２はワイヤ放電加工機のＹ軸駆動系の移動速度に応じた周期のパルスを発生し、カウンタアンプ２３へ出力する。カウンタアンプ２３はリニアエンコーダ２２から出力されるパルスをカウントし、機械移動速度信号に変換して、張力制御装置１２へ機械移動速度信号として出力するようになっている。
【００５３】
図９における張力制御装置１２の詳細ブロック図である図１０においては、指令値生成処理部１３の出力である回収モータ速度指令信号から機械移動速度検出信号を加算回路にて差し引いて回収モータ６Ｂのサーボアンプ６Ｃに速度指令を与えている。
【００５４】
図１１は図９、１０の動作の基礎となるワイヤ放電加工機のＹ軸駆動系の一例である。図９における回収部６とＮＣ装置９と被加工物８を除き、サドルＳ上に搭載されたワイヤ電極１の搬送系がＹ軸駆動系可動部とともにＹ軸駆動用モータＹＭとボールねじＢＴによってＹ軸方向に位置決めされる。なお、回収部６はサドルＳに固定されており、Ｙ軸方向に固定されている。このような構成のワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置においては、図１２にて概略を示すように、Ｙ軸送り時には、ブレーキプーリ４Ａと回収ローラ６Ａの相対距離が変化し、Ｙ軸駆動時の相対距離の時間変化（相対速度）によって生じるワイヤのたるみや引っ張りによって、張力変動が過渡的に生じる。この張力変動は、加工時の筋付きや破断張力の小さい細いワイヤ電極を用いたときに速いＹ軸送りを与えた場合に断線を引き起こす要因になることは前述したとおりである。このような問題は、Ｙ軸送り時停止時に関わらず、回収モータの回転速度を一定としているために生じており、本実施の形態では、Ｙ軸送り速度に合わせて回収モータ６Ｂの回転速度を変化させるようにして、張力制御の追従遅れによる過渡的なワイヤ電極のたるみや引っ張りの発生を防止するようにしている。すなわち、図９のリニアエンコーダ２２の移動を図１０に示す回収モータの速度指令に加味することでＹ軸送りによる過渡状態を補償している。
【００５５】
図１３（ａ）、（ｂ）は、図９、図１０の構成において張力制御を行ったときの定常走行状態における張力検出値の時間波形とＹ軸駆動速度検出値の時間波形である。図１３（ａ）は図１、図２に示す張力制御系を用いた場合、図１３（ｂ）は本実施の形態である図９、図１０の張力制御系を用いた場合である。図１３（ａ）では、Ｙ軸駆動速度の時間変化の大きいところで張力変動が大きくなっている。図１３（ｂ）ではＹ軸送りを与えた場合でも張力変動はほとんど変化していない。
【００５６】
このように、機械移動速度を回収モータ速度指令値から差し引いて、回収ローラ６ＡのＹ軸可動部に対する接線方向の相対速度が一定になるように回収モータ６Ｂの速度を変化させることによって、Ｙ軸送り時の張力変動の過渡的変化を小さくできるので、Ｙ軸送り時の張力変動に起因する加工時の筋付き、ワイヤ電極の断線を防止できる。
【００５７】
実施の形態５．
実施の形態５におけるワイヤ放電加工機と張力制御装置の全体構成の別の例を図１４、図１５に示す。図１４、図１５において、図１、図２と同一部分には同符号を付し、相違点を説明する。図１４では、ワイヤ放電加工機の構成を示し、ここではＮＣ装置９から張力制御装置１２へ送られる信号としてワイヤ電極諸元データを追加している。このワイヤ電極諸元データは、例えば使用するワイヤ電極１の線径及び種類、加工の種類や目的等である。そしてこのワイヤ電極諸元データに応じた張力がワイヤ電極１に付与されるようになっている。
【００５８】
図１５は、張力制御装置１２の詳細ブロック図の構成例である。図１５において、ブロック２４はＮＣ装置９からのワイヤ電極諸元データ（例えば線種や線径）に基づいて、ＰＩ制御器１４へＰＩ制御ゲインを出力する張力制御ゲイン決定処理部である。
【００５９】
ＮＣ装置９からのワイヤ電極情報は、通常、ＮＣ画面からの入力や外部設定スイッチ、プログラムなどによってユーザからＮＣ装置へ与えるようにしている。また、その他の手段として、外部のセンサによって測定されるワイヤの色、反射率、ワイヤの曲げ剛性、ワイヤの形状などの情報からワイヤ電極の種別を識別するようにしてもよい。張力制御ゲイン決定処理部２４におけるＰＩ制御ゲインの出力は、予め記憶させておいた関数あるいはデータベースによって決定し、出力するようにしている。ＰＩ制御器１４は、張力制御ゲイン決定処理部２４から出されたＰＩ制御ゲインを用いて張力制御信号を演算し、出力するようにしている。このようにすれば、図２０の従来の装置にあるような、例えばノッチフィルタの遮断周波数を決定するためのＦＦＴ周波数分析処理が不要となる。
【００６０】
ＦＦＴ動作が不要になる利点は次のとおりである。従来の張力制御装置のように、ノッチフィルタの周波数の決定をワイヤの固有振動数をＦＦＴなどの周波数分析を用いて決定するような場合、工場の環境が悪い場合には、電磁ノイズや電源の基本高調波などによる誤動作を発生することは前述したとおりである。本実施の形態では、ＮＣ装置９からの諸元データ（情報）に基づいてＰＩ制御ゲインを変更するようにしているのでこのような誤動作は防止できる。また、従来の張力制御装置では、ＦＦＴ周波数分析のためのデータを得るためにワイヤ電極１を走行させる必要があり、例えばφ０．０３ｍｍのワイヤ電極のような二百グラム程度の張力で破断してしまうような電極では、周波数分析のためのデータを得るためにワイヤを走行させた時点で破断してしまうことも前述したとおりである。本実施の形態では、制御パラメータを決定するためのワイヤ電極の走行動作は不要であるので、このような問題は生じない。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、張力制御ゲイン決定処理部２４におけるＰＩ制御ゲインは、ワイヤ線種、ワイヤ線径の変化に対して張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ固有振動数の１／５以下になるように決定しており、共振ピークが張力フィードバック制御によって増大するのを防止している。
【００６２】
ワイヤ電極１の線径およびその線種によって変化する固有振動数に応じて、制御ゲインの変更について説明する。図１４、図１５の張力制御装置１２にφ０．２５ｍｍ、ＢＳ（黄銅）のワイヤ電極１を走行させたときの張力検出器１０の出力を測定した結果を図１６に示す。図１６（ａ）は、ＰＩ制御器１４の制御ゲインを零にした状態で回収モータ６Ｂのみを速度制御し、ワイヤ電極１を走行させたときの張力検出器１０の出力波形である。図示のようにブレーキモータ４Ｂの回転に同期した張力変動１３１ｇが生じている。この張力変動はブレーキモータ４Ｂのモータ軸の偏芯によって生じる回転速度変動によって生じているものと思われる。図１６（ｂ）は、固有振動数３０Ｈｚ以上に対して図１７に示すような制御帯域幅５Ｈｚの張力フィードバックループの周波数応答特性を持つようにＰＩ制御器１４の制御ゲインを設定した場合である。ここでは、図１６（ａ）に対して、約１／２０に張力変動を低減できている。
【００６３】
次に、φ０．０３ｍｍ、ＳＰ（高張力鋼）のワイヤ電極１を走行させたときの、張力制御系の張力指令値から張力検出器出力までの周波数伝達特性を測定した結果を図１８に示す。φ０．０３ｍｍ、ＳＰのワイヤ電極を用いた場合、共振周波数が１２Ｈｚ程度にあるが、張力フィードバックループの交差周波数を固有振動数の１／５以下になるようにＰＩ制御ゲインをあらかじめ設定することで、共振ピークは−２０ｄＢ以下に小さく抑えられる。逆に、張力フィードバックループの交差周波数を固有振動数に接近させた場合には、１２Ｈｚの共振ピークが大きくなり、張力変動が大きくなる。
【００６４】
図１９はφ０．０３ｍｍ、ＳＰのワイヤ電極に対して、ＰＩ制御器１４に図１６の場合と同じＰＩ制御ゲインを与え、実際にワイヤ電極を走行させたときの張力検出値Ｔｗと回収モータ速度指令Ｖ*の実測結果である。図１６のφ０．２５ｍｍ、ＢＳのワイヤ電極のときよりも張力フィードバックループの制御帯域幅を小さくしたにも拘らず、振動を生じることなくワイヤ電極の張力をほぼ一定に制御できている。
【００６５】
以上のように、φ０．０３ｍｍ、ＳＰのワイヤ電極を用いた場合の共振周波数１２Ｈｚの共振ピークを大きくしないように張力フィードバックループの制御帯域幅を小さくした場合においても、図１６（ｂ）の場合と同等以上に張力変動を低減できる理由は次のとおりである。
【００６６】
上述のように、ワイヤ張力変動は、ブレーキモータ４Ｂの回転速度が変動することによってブレーキプーリ４Ａと回収プーリ６Ａとの間のワイヤ送り量の差Δθが発生することで生じる。このときのワイヤ張力変動量ΔＴｗはワイヤ送り量の差Δθとワイヤ電極のばね定数ｋｗとの積で与えられる。ブレーキモータ４Ｂの回転速度変動は、ブレーキモータ４Ｂの速度をフィードバックしているので、ワイヤ電極の線径が変化しても速度変動幅はあまり変わらない。また、ワイヤ電極のばね定数ｋｗはワイヤ電極の線径の２乗に比例して小さくなることから、ワイヤ電極の線径が細くなるほどブレーキモータ４Ｂの回転速度変動の影響が張力変動に生じにくくなる。張力制御系の張力変動の大きさは張力検出値のフィードバック制御を用いているので、ＰＩ制御器１４のゲインの大きさに反比例することから、ワイヤ電極の線径を細くする影響の方が制御ゲインを小さくする影響よりも大きい。
【００６７】
例えば、図１７、１８に示すようなφ０．０３ｍｍのワイヤ電極を走行させた場合において、ＰＩ制御器１４のゲインをφ０．２５ｍｍのときの１／５に小さくしても、ワイヤ電極のばね定数が約１／７０に小さくなるので、φ０．０３ｍｍのワイヤ電極の走行時に生じる張力変動量は図１６（ｂ）に示したよりも同等以上に低減できる。
【００６８】
以上のように、張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ電極の固有振動数の１／５以下に設定するように張力制御ゲインを与えることによって、固有振動数と張力制御応答周波数の接近によるワイヤ走行系の固有振動数における共振ピークの増大を防止できるので、ワイヤ電極の線径に関わらず張力変動の小さいワイヤ電極の走行が実現できる。これによって、信頼性の高いワイヤ張力制御装置が得られるという効果がある。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ブレーキプーリと回収ローラとの間の相対速度を検出し、この検出した情報に基づいて回収モータへの速度指令を生成するようにしたことにより、ブレーキプーリと回収ローラの相対距離が時間変化するようなワイヤ放電加工機においては、位置決め時のブレーキプーリと回収ローラの相対距離の急峻な変化があったとしても、回収ローラの動きを上記相対距離の変化に応じて速度を変化させることで、ワイヤ電極の引っ張りやたるみを低減できるので、断線、加工時の筋つきを防止できる利点がある。
【００７４】
つぎの発明によれば、ＮＣ装置から与えられるワイヤ電極の諸元に基づいて、張力制御信号を生成する張力制御ゲインを決定するようにしたことにより、ユーザがＮＣ装置に与えたワイヤ電極の線径や材質などの情報から張力制御ゲインを決定するようにしているので、常に適正な制御ゲインによる運転が可能であり、工場内の電気ノイズによるＦＦＴの誤動作も無くなり、従来より安定したワイヤ張力制御装置が構成できる利点がある。
【００７５】
つぎの発明によれば、張力制御ゲインを、張力制御系の開ループ伝達特性の交差周波数がワイヤ走行系の固有振動数の１／５以下になるように与えたことにより、張力制御系の開ループ伝達特性における交差周波数がワイヤ電極の固有振動数の１／５以下に設定するように張力制御ゲインを与えているので、十分な位相余裕とゲイン余裕が確保でき、従来の装置に比べて固有振動数推定誤差による性能劣化がなく、固有振動数の数Ｈｚの変動に対しても従来装置よりは性能劣化の程度を少なくできる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図２】 図１に示した張力制御装置を示すブロック図である。
【図３】 図２に示した指令値生成処理部での張力指令信号のフローチャートである。
【図４】 張力検出特性図である。
【図５】 図２に示した指令値生成処理部での速度指令値のフローチャートである。
【図６】 張力及びモータ速度の各特性図である。
【図７】 この発明の実施の形態２にかかる指令値生成処理部を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態３にかかる張力制御装置示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態４にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図１０】 図１０に示した張力制御装置を示すブロック図である。
【図１１】 Ｙ軸駆動を説明する構成図である。
【図１２】 Ｙ軸送り方向の説明図である。
【図１３】 Ｙ軸駆動に対する張力検出波形図である。
【図１４】 この発明の実施の形態５にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図１５】 図１４に示した張力制御装置を示すブロック図である。
【図１６】 張力変動を表す波形図である。
【図１７】 ＰＩ制御器のゲイン及び位相特性図である。
【図１８】 ＰＩ制御器のゲイン及び位相特性図である。
【図１９】 張力及びモータ速度の各特性図である。
【図２０】 従来例にかかるワイヤ放電加工機を示す構成図である。
【図２１】 従来例の張力制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
４ ブレーキ部、６ 回収部、９ ＮＣ装置、１０ 張力検出器、１２ 張力制御装置、１３ 指令値生成処理部、１４ ＰＩ制御器、１５、１６ 増幅器、１７、１９ スイッチ、１８、２０、２１ フィルタ、２２ リニアエンコーダ、２４ 張力ゲイン決定処理部。
Claims (1)
- ブレーキ部のブレーキモータの速度検出信号とワイヤ電極から検出した張力検出信号、ＮＣ装置からの張力設定値及び張力制御開始信号とに基づいて生成されるブレーキ部のブレーキモータの電流指令により回収部の回収モータの速度指令に対して張力制御を行いつつブレーキプーリと回収ローラ間で張力を付与した状態でブレーキプーリと回収ローラ間にワイヤ電極を走行させるワイヤ放電加工機のワイヤ張力制御装置において、
前記ブレーキプーリと前記回収ローラとの間の相対距離が時間変化するワイヤ放電加工機の前記ブレーキプーリと前記回収ローラとの間の相対速度を検出し、この検出した情報に基づいて前記回収モータへの速度指令を生成することを特徴とするワイヤ張力制御装置。
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