技術 ワイヤ放電加工機における放電すきま検出装置

0001

本発明はワイヤ状放電電極と被加工物間にパルス電圧を印加して放電を生じさせ、前記被加工物を部分的に溶解・加工する放電加工機に関し、特に、懸架されたワイヤ状放電電極を長さ方向へ走行させながら、常に新しい電極面を放電発生点とするワイヤ放電加工機の放電すきま検出部に関する。

0002

ワイヤ状放電電極と被加工物間に生じる放電で被加工物を部分的に溶解・加工するワイヤ放電加工機においては、ワイヤの揺れは放電の安定性に大きく影響する。すなわち、ワイヤ状放電電極と被加工物とが機械的に接触すれば打痕ができる。またワイヤ状放電電極と被加工物間の距離が狭すぎると短絡を起こし、過度の放電電流が過大な放電溶解痕を発生させ、逆に広すぎると、放電が発生せず加工能率が低下する。このようにワイヤの揺れは放電加工における重要な要素であるにもかかわらず、従来はこの揺れの処置に言及したものは見当たらない。

0003

本発明の目的は、このようなワイヤ状放電電極と被加工物間のすきまに多大な影響を与えるワイヤの揺れを正確に検出できるワイヤ放電加工機における放電すきま検出方法を得るにある。

0004

この目的を達成するため、本発明は、懸架されたワイヤ状放電電極を長さ方向へ走行させながら、ワイヤ状放電電極と被加工物間にパルス電圧を印加して放電を生じさせ、前記被加工物を部分的に溶解・加工する放電加工機において、前記ワイヤ状放電電極の走行時のワイヤの揺れを検出する非接触検出手段を有し、この検出手段からの情報から放電点における前記ワイヤ状放電電極と前記被加工物間のすきまを推定し、前記すきまが過小であるときは放電を起こさないようにすると共に被加工物をワイヤ状放電電極より遠ざけ、前記すきまが過大である時は、すきまの位置を前記ワイヤ状放電電極に近づけて、すきまの適切化を図るワイヤ放電加工機における放電すきま検出方法を提案するものである。

0005

後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
1)ワイヤ状放電電極の揺れを検出する前記検出手段は、電気的には良導体で固定基板からは電気的に絶縁された状態で放電発生点の近傍の両側に位置された一対のプーリ状ガイドと、これらのプーリ状ガイドの間であって放電電流の発生する磁場には影響を受けずかつ前記閉ループに流す電流の発生する磁場にのみ感応する場所に位置されかつワイヤ状放電電極の磁場の強弱を検出できるように同ワイヤ状放電電極に接近配置された磁場センサとを有し、前記両プーリ状ガイドに設けた溝にワイヤを緊張状態で懸架することによって前記ワイヤ状放電電極の位置を限定し、かつ両プーリ状ガイドとこの間のワイヤ状放電電極とからなる閉ループに電流を流し、前記ワイヤ状放電電極と前記磁場センサとのすきまの磁場変化を捕らえる放電加工機における放電すきま検出装置、
2)磁場の強弱を検出する磁場センサはＧＭＲ素子であるもの、
3)前記閉ループ電流は、変調を作用させた高周波電流とし、前記磁場センサの出力高周波信号を復調して得られた復調信号の強弱により、ワイヤ状放電電極の揺れを検出する放電加工機における放電すきま検出装置
が説明される。

0006

図１は本発明の第１実施例によるワイヤ放電加工機要部の概念を示し、ワイヤ状放電電極Ｄは電気的絶縁体である支持基板１に取付けられた一対のプーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との間に緊張状態で懸架され、この緊張状態を保って略一定の速度で矢印方向に走行される。すなわち、これらのプーリ状ガイド２及びプーリ状ガイド３はワイヤ状放電電極Ｄを落し込めるガイド溝２ａ，３ａを外周面に形成された耐摩耗性の導電材料でできており、それらの支持軸２ｂ，３ｂを介して回転しないように支持基板１にそれぞれ固定されている。

0007

また、ワイヤ状放電電極Ｄはこれらのプーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との間に略一定の張力で懸架してあり、図示を省略する送り装置で矢印方向に略一定の速度で送られるが、これらのプーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との略中間には、可動台４に固定された被加工物Ｗが位置され、この被加工物Ｗとワイヤ状放電電極Ｄとの間にはパルス発生器５からパルス電圧が印加され、被加工物Ｗとワイヤ状放電電極Ｄとの間で放電が行われ、被加工物Ｗが部分的に溶解されて加工が行われる。この場合、パルス発生器５の出力端子の一方は被加工物Ｗに直接に結合されるが、走行するワイヤ状放電電極Ｄに対しては導電体であるプーリ状ガイド３を介して、または、ブラシ６を介してパルス発生器５からのパルス電圧が間接的に与えられる。

0008

図１から図３に示された本発明の第１実施例では、プーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との間に定電流直流電源Ｅが設けられ、この定電流直流電源Ｅからプーリ状ガイド２、両プーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との間のワイヤ状放電電極Ｄの部分、プーリ状ガイド３を通って１Ａ程度のワイヤ変位検出用電流ｉが印加される。この場合、ワイヤ状放電電極Ｄ自体が良導電体であり、抵抗が低いために、電力損失は微々たるものであり、このために加工性状に影響を与えることはない。

0009

本発明においては、走行するワイヤ状放電電極Ｄの振れを検出するため、非接触の磁場センサがプーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との間のワイヤ状放電電極Ｄに臨んで設けられる。すなわち、図示例の場合、この磁場センサとしては、感度がきわめて高く、直流から高い周波数まで良好な平坦特性をもったＧＭＲ素子７（巨大磁気抵抗素子：Gyant Magnetic Resistance 素子）が用いられる。つまり、プーリ状ガイド２とプーリ状ガイド３との間に張架されたワイヤ状放電電極Ｄに着目した場合、パルス発生器５からの加工電流は被加工物Ｗの下流側には流れるけれども、その上流側には流れないから、ＧＭＲ素子７は同加工電流の流れない側、すなわちプーリ状ガイド２と被加工物Ｗとの間のワイヤ状放電電極Ｄに僅かに離間させて対向配置される。

0010

プーリ状ガイド２と被加工物Ｗとの間のワイヤ状放電電極Ｄには、ワイヤ検出電流ｉが流れ、同ワイヤ状放電電極Ｄの部分にはワイヤ検出電流ｉによる磁場が生じ、磁場の強さは、ＧＭＲ素子７とワイヤ状放電電極Ｄとの距離に反比例し、ワイヤ変位検出用電流に比例する。したがって、ワイヤ変位検出電流ｉを一定にしておけば、ＧＭＲ素子７の出力電圧は、ＧＭＲ素子７の検出面とワイヤ状放電電極Ｄとの距離に対応したものとなる。一般的にはこの相関は、一次関数であり、前記ＧＭＲ素子７とワイヤ状放電電極Ｄの距離に、オフセットを加算（または減算）し定数を掛けることで、前記被加工物とワイヤ状放電電極Ｄとのすきまを簡単に求めることができる。なお、ワイヤ状放電電極Ｄと被加工物Ｗとは互いに直角に配置されるので、被加工物Ｗを流れる加工電流が発生する磁場はＧＭＲ素子７にとって感応しない向きとなる。したがって、加工電流が変位信号に悪影響を与えることはない。

0011

図３はＧＭＲ素子７を直流駆動する場合の駆動・検出回路であり、直流電源の電圧がＧＭＲ素子７に印加され、磁場感応抵抗を含むブリッジで構成するＧＭＲ素子７の信号がオペアンプ８で増幅処理され、リニアライザ９を通すことによって出力電圧ＶX が得られる。そして、ＧＭＲ素子７の検出回路１６の出力電圧ＶX をコンパレータ１０で基準電圧１１と比較し、同出力電圧ＶX が基準電圧よりも大きな場合、パルス発生器５の出力ゲートに組み込む開閉スイッチ１２を強制開放し、被加工物Ｗを支持する可動台４を駆動する駆動モータ１３のモータドライバ１７に信号が与えられ、駆動モータ１３により被加工物Ｗがワイヤ状放電電極Ｄから離間されて、放電溶解痕の発生が防止される。前述したワイヤ変位検出電流を一定化するには、演算増幅素子等を用いた電流負帰還回路が一般的であるが、簡単には図１のように定電圧電源ｅと抵抗の直列接続で済ませることができる。流れる電流ｉは、定電圧源の電圧をｅ、直列に接続される抵抗の抵抗値をＲとすれば、ｅ／Ｒで与えられる。この場合、プーリ状ガイド２、プーリ状ガイド３、ワイヤ状放電電極Ｄの抵抗は充分に低いので無視できる。

0012

図２はワイヤ状放電電極Ｄ、プーリ状ガイド２、プーリ状ガイド３、ＧＭＲ素子７を含む面と直角な方向から見た拡大図であるが、同図プーリ状ガイドから理解されるように、ＧＭＲ素子７の場所におけるワイヤ状放電電極Ｄに流れる電流の作り出す磁場Ｈは次式で与えられる。
ID=000003HE=015 WI=050 LX=1250 LY=2600
ただし、ｘ ＧＭＲ素子７とワイヤ状放電電極Ｄとのすきま
ε0 空気の誘導率
Ｃ 光の速度
ｉワイヤに流れる電流（ｅ／Ｒ）
したがって、ＧＭＲ素子７と後段の検出回路は、磁場Ｈに比例した次の電圧ＶX を出力する。
ＶX ＝定数× Ｈ
この定数は、ＧＭＲ素子７そのものの感度や後段の検出回路１６の利得に依存するものであるが、磁場Ｈがすきまｘの関数であるから、ＶX を測定すれば、すきまｘを知ることができるわけである。

0013

このようにして得られたすきま信号ＶX が、ある決められた基準電圧以下であれば、ワイヤ状放電電極Ｄと被加工物Ｗ間は短絡状態かまたは短絡に至る可能性が高いとみなして、放電加工のためのパルス電圧を遮断できる。具体的には、すきま信号ＶX と、放電加工状態の観察に基づき設定される基準電圧とをコンパレータ１０によって比較し、その出力でパルス発生器５の出力ゲートに設ける出力スイッチ１２がＯＮ／ＯＦされる。同時に、モータドライバ１７に対してすきまｘを大きくするように移動指令が行われる。

0014

図４及び図５は、前述した直流電源の代わりに高周波電源を使用した場合の本発明の第２実施例を示す。この高周波電源を用いる本発明の第２実施例は、加工のための、ワイヤ状放電電極Ｄと被加工物Ｗとの間に印加するパルス電圧によって流れるパルス状放電電流は常に大きく１０Ａ〜１００Ａ程度であり、前記ワイヤ状放電電極Ｄのすきまｘの検出のために用いる電流ｉよりも桁違いに大きいことに着目してなされたものである。つまり、この巨大電流はＧＭＲ素子７に対して場所的に近いところで発生するために、定電流直流電源は簡単ではあるものの誤検出を起こす可能性を完全には排除できないからである。

0015

前述した直流電源を高周波電源に置き換えた第２実施例について述べると、ＧＭＲ素子７から得られる高周波信号を侠帯域の同調回路を介して検出すれば、耐ノイズ性の強い検出装置を得ることができる。この際、高周波電源に変調をかけ、ＧＭＲ素子７で検出される、（変調された）高周波電流から元の変調信号を復調することも容易にできる。これによって耐ノイズ性をさらに向上させることができる。

0016

図５は、ＧＭＲ素子７を高周波駆動する場合の駆動回路とその後段の検出回路を示す。この図では高周波電源に振幅変調をかける方式を示しており、この振幅変調は公知のものでよく実現は極めて簡単である。高周波電源２２は数ＭＨｚから数１００ＭＨｚの搬送波を出力する。一方変調波信号２３は数ＫＨｚから数１００ＫＨｚで、高周波電源２２の搬送波周波数より低い一定周波数ｆｍとする。変調器２４はこれら二つの信号を掛け算し、搬送波に変調波信号を重畳させる。

0017

復調は、同調回路２５によって（振幅変調された）搬送波を取り出し、ダイオード２６によって搬送波から変調信号を得る。その後段に、中心周波数が前記ｆｍであるバンドパスフィルタ２７を接続する。通常帯域幅は狭い方が耐ノイズ性は向上するが、ワイヤの揺れの最高周波数成分よりも充分に広くする必要がある。その後オペアンプ２８とリニアライザ２９を通すことによって、すきまｘにリニアに対応したすきま信号ＶX を得ることは、直流駆動の場合と同様である。

0018

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ワイヤ状放電電極と被加工物間のすきまがある決められた値以下の場合に、放電加工を行なうためのパルス電圧を印加しないことによって、短絡状態または短絡に至りやすい状態の時の放電を回避できる。また、本発明によれば、前記すきまを適切な値に維持することができるので、ワイヤ状放電電極Ｄと被加工物Ｗとの接触による打痕の生成をなくし、放電不能の状態を回避し、生産性低下を防せいで、一様な放電溶融痕を生成でき、放電加工面の表面粗さを改良できる。

0019

図１本発明を施したワイヤ放電加工機の概念図である。
図２同ワイヤ放電加工機の放電すきま検出部の要部拡大説明図である。
図３直流駆動されるＧＭＲ素子の駆動・検出回路である。
図４高周波駆動される場合の図２相当説明図である。
図５高周波駆動されるＧＭＲ素子の駆動・検出回路である。

0020

Ｄワイヤ状放電電極
Ｅ 定電流直流電源
Ｗ被加工物
ｅ直流電源
１支持基板
２プーリ状ガイド
３ プーリ状ガイド
４可動台
５パルス発生器
７ＧＭＲ素子
８オペアンプ
１０コンパレータ
１１基準電源
１２開閉スイッチ
１４モータドライバ
１６検出回路
２２高周波電源
２３変調波信号
２４変調器
２５同調回路
２６ダイオード
２７バンドパスフィルタ
２８ オペアンプ
２９ リニアライザ