JP3221175U - 電気放電加工の統合型制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度、表面品質、及びサイクルタイムが改善された電気放電加工（ＥＤＭ）システムを提供する。
【解決手段】電気放電加工（ＥＤＭ）システム１１０は、スピンドルによって支持されている電極１１２と、スピンドル支持部１１４と、被加工物支持部１１６と、ギャップ電圧計測装置１２４と、単一の統合型コントローラ１３０と、を含む。単一の統合型コントローラ１３０は、計測されたギャップ電圧に応答して、スピンドル１１３、スピンドル支持部１１４、及び被加工物支持部１１６のすべてを制御することにより、改善された速度、精度、及び部品品質を提供している。
【選択図】図４

Description

本考案は、電気放電加工（Electrical Discharge machining, ＥＤＭ）システムに関し、且つ、更に詳しくは、このようなシステム用の制御システムに関する。

スパーク加工（spark machining）、スパーク浸食（spark eroding）、バーニング（burning）、型彫り（die sinking）、ワイヤバーニング（wire burning）、又はワイヤ浸食（wire erosion）とも呼称される電気放電加工（ＥＤＭ）は、電気放電を使用して望ましい形状を得る製造プロセスである。２つの電極の間の一連の迅速に再発する電流放電により、材料が被加工物から除去される。電極のうちの一方が、ツール、即ち、単に電極であり、且つ、電極のうちの他方が、被加工物である。

ＥＤＭシステム及び方法、並びに、このようなシステム及び方法用の制御システムについては、当業者に周知である。図１には、従来技術のＥＤＭシステムの一例が示されている。従来技術のシステム１０は、電極１２と、スピンドル支持部１４と、被加工物ホルダ１６と、を含む。電極１２は、線形軸Ｚ’に沿って移動する。スピンドル支持部１４は、３つの線形軸Ｘ、Ｙ、及びＺに沿って、電極を保持した状態において、スピンドルを移動させる。被加工物ホルダ１６は、２つの回転軸Ａ及びＢを中心として移動する。

システム１０は、ＥＤＭコントローラ１８と、機械軸位置コントローラ２０と、を更に含む。プロセスレシピがメモリ２２内において保存されている。軸Ｚ’に沿った電極１２の移動は、ＥＤＭコントローラ１８により、制御されている。Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、及びＢ軸に沿った且つこれらの軸を中心としたスピンドル支持部１４及び被加工物支持部１６の移動は、機械軸コントローラ２０により、制御されている。ターゲットのＺ’位置は、延長可能な電極１２と被加工物との間の計測されたギャップ電圧に基づいて判定されている。図２には、この説明対象のシステムのプログラムフローチャートが示されている。

この説明対象のＥＤＭシステムは、まっすぐな貫通孔を機械加工する場合には、非常に効率的であることが証明されている。但し、この方式が三次元形状の穿孔及び／又はミリングに適用された際には、問題が発生する。機械軸コントローラ２０は、回転軸Ａ及びＢを通じて被加工物を提示し、且つ、軸Ｘ、Ｙ、及びＺに沿ってスピンドル支持部を移動させることによってツールの位置を制御している。ＥＤＭコントローラ１８は、ギャップ電圧及び算出されたパラメータに基づいて、Ｚ軸上において電極１２を位置決めし、且つ、所与の孔の単一のレシピに基づいて電源設定を適用している。

但し、この説明対象のＥＤＭシステムは、少なくとも３つの欠点を有している。第１に、バーニングの開始後には、プログラムされたツール経路を停止することなしには、プロセスレシピを変更することができない。第２に、バーニングは、Ｚ’軸については、閉ループプロセスとして稼働する一方で、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、及びＢ軸については、開ループプロセスとして稼働している。その結果、これらの軸に沿った又はこれらの軸を中心とした移動が、バーニングの際に発生するものの影響を受けない。第３に、ギャップ電圧及びその他のバーニングパラメータに応答しているのが、ＥＤＭコントローラ１８のみである。これらの欠点は、いずれも、寸法精度、孔表面品質、及びサイクルタイムに悪影響を及ぼす。

本考案は、被加工物ホルダ、スピンドル支持部、及びスピンドル／電極のすべてを制御する単一の統合型制御システムを含むＥＤＭシステムを提供することにより、上述の問題点に対処している。

ＥＤＭシステムは、電極と、（これを支持するように適合された）スピンドルと、（スピンドルと一体的であってもよい）スピンドル支持部と、被加工物支持部と、ギャップ電圧計測装置（voltage gap measurement device）と、その他の要素に動作自在に接続された単一の統合型コントローラと、を含む。コントローラは、被加工物プログラムを保存するためのメモリを含む。コントローラは、スピンドル及び被加工物支持部の位置を制御するべく、被加工物プログラムに従って、且つ、ギャップ電圧及びその他のパラメータ（例えば、オン／オフ時間、電流、電圧、及び静電容量）に応答して、動作する。

本ＥＤＭシステムは、カスタム成形された孔を生成する能力を有する統合型で複数軸のモーションコントローラ及びＥＤＭ電源コントローラを提供している。単一の統合型コントローラは、モーションシステム及びＥＤＭシステムを制御することにより、システムパラメータのシームレスな接続及び調節を許容している。システムは、別個の軸Ｚ’を伴わない単一の垂直方向軸Ｚを含む。統合型コントローラは、（１）軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、及びＢを含むモーション制御システム、（２）被加工物レシピによって定義された部品プログラム経路、（３）経路に沿った速度、及び（４）バーニングの際の経路に沿った前進／リバース方向、の調整された制御を提供する。

この単一の統合型コントローラは、従来の制御システムの有効性を制限している固有の障壁を大幅に低減している。電極の経路及び被加工物ホルダの位置は、ギャップ電圧及びＥＤＭ電源レシピ設定に応答して制御される経路に沿った速度及び前進／リバース方向の変調により、制御されている。このプログラムされた経路に沿った速度及び方向の変調により、寸法精度、表面品質、及びサイクルタイムが改善される。

本考案のこれらの及びその他の利点及び特徴については、現時点の実施形態及び図面の説明を参照することにより、更に十分に理解され、且つ、認識されよう。

従来技術の電気放電加工（ＥＤＭ）システムの概略図である。 従来技術のＥＤＭシステムのプログラムフローを示すフローチャートである。 本考案の現時点の実施形態によるＥＤＭシステムの概略図である。 ＥＤＭシステムの側面図である。 ＥＤＭシステムの単一の統合型コントローラの動作自在の接続を示す概略図である。 ＥＤＭシステムのプログラムフローを示すフローチャートである。

図３〜図５には、本考案の現時点の実施形態に従って構築された電気放電加工（ＥＤＭ）システムが示されており、且つ、システムは、１１０として総合的に表記されている。システムは、電極１１２と、スピンドル支持部１１４と、被加工物支持部１１６と、ギャップ電圧計測装置１２４と、単一の統合型コントローラ１３０と、を含む。

電極１１２は、スピンドル１１３によって支持されており、スピンドル１１３は、スピンドル支持部１１４によって支持され、且つ、これと一体であってもよい（図４を参照されたい）。スピンドル支持部１１４は、被加工物支持部１１６との関係において、軸Ｘ、Ｙ、及びＺに沿って電極１１２を移動させる能力を有する。被加工物の位置は、軸Ａ及びＢに沿って、電極１１２に向かって接近するように、且つ、これから離隔するように、移動させることができる。電極は、消耗品である。スピンドル１１３及び電極１１２は、当業者には既知である任意のスピンドル及び電極であってもよい。

スピンドル支持部１１４は、スピンドルを支持し、且つ、従って、電極１１２を支持している。スピンドル支持部１１４は、３つの直交する線形軸Ｘ、Ｙ、及びＺに沿って、スピンドル１１３を移動させる能力を有し、且つ、従って、電極１１２を移動させる能力を有する。スピンドル支持部１１４は、当業者には既知である任意のスピンドル支持部であってもよい。

被加工物支持部１１６は、機械加工のために（図示されていない）被加工物を支持している。被加工物支持部１１６は、２つの直交する回転軸Ａ及びＢを中心として移動する能力を有する。被加工物支持部１１６は、当業者には既知である任意の被加工物支持部であってもよい。

ギャップ電圧計測装置１２４は、電極１１２と被加工物ＷＰとの間の電圧を計測する。装置１２４は、当業者には既知である任意の適切な電圧計測装置であってもよい。

単一の統合型制御システム１３０と、その他の補足物に対するその動作自在の接続と、が、本考案の新規な部分である。図５に示されているように、制御部１３０は、増幅器１３２を通じてモーター１３４に動作自在に接続されており、これらのモーター１３４は、スピンドル１１３、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸、及び電極１１２に対する電力のそれぞれを制御している。また、制御部１３０は、制御システム１３０が入力としてギャップ電圧を受け取るように、ギャップ電圧計測装置１２４にも、動作自在に接続されている。制御システム１３０は、インターフェイスコンピュータ１３６と、操作者画面１３８と、を含む。

図３〜図５において観察されるように、統合型コントローラ１３０は、スピンドル１１３、スピンドル支持部１１４、被加工物支持部１１６、及びギャップ電圧計測装置１２４に動作自在に接続されている。統合型コントローラ１３０は、計測されたギャップ電圧を入力として受け取り、且つ、コントローラは、制御信号をスピンドル１１３、スピンドル支持部１１４、及び被加工物支持部１１６に出力している。統合型コントローラ１３０は、Ｘ、Ｙ、及びＺ線形軸によって定義された三次元（３−Ｄ）経路に沿ったスピンドル支持部１１４の移動を制御している。統合型コントローラ１３０は、Ａ及びＢ回転軸を中心とした被加工物ホルダ１１６の移動を制御している。

図６は、単一の統合型制御システム１３０の制御下におけるＥＤＭシステム１１０の動作を示している。プログラムフローの実行の前に、被加工物ＷＰが、被加工物支持部１１６上に装填される。次いで、操作者は、開始コマンド２１０を起動し、且つ、初期ステップは、電極１１２が被加工物ＷＰに接触する２１４まで、スピンドル１１３を被加工物ＷＰに向かって移動させる（２１２）、というものである。接触が発生した際に、制御システム１３０は、バーニングモードを起動し（２１６）、これに続いて、部品プログラムが実行される（２１８）。

制御システムは、正しいギャップ電圧について継続的に監視している（２２０）。ギャップ電圧が正しくない場合には、制御システム１３０は、部品プログラム経路の速度及び／又は方向を調節する（２２２）。ギャップ電圧が正しい状態に留まっている限り、制御システム１３０は、部品が完成したかどうかを判定又は監視している（２２４）。部品が完成していない場合には、プログラムフローは、ボックス２１８に戻る。部分が完成している場合には、プログラムフローは、終了し（２２６）、且つ、操作者は、例えば、操作者画面１３８により、通知される。

計測された変数（主には、電極ギャップ電圧）は、ＥＤＭバーンニング機能において、スピンドル支持部１１４及び被加工物支持部１１６を制御及び／又は変調するべく、使用される。これに加えて、制御システム１３０は、適切な又は望ましい電圧の維持のために必要とされる際には、複数軸の経路に沿ったスピンドル支持部１１４及び／又は被加工物支持部１１６のモーションプログラムを逆転させることもできる。

システムは、複数の軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、及びＢ）及びスピンドル１１３を制御するべく、オープンアーキテクチャで複数軸のモーションコントローラを利用している。また、制御システム１３０は、ＥＤＭ電源をも制御している。この結果、すべての機能が、単一の統合型制御システムによって制御されている。

当業者は、本明細書及び添付の図面に鑑み、制御システム１３０を動作させるためのソフトウェア又はその他のプログラム制御を準備することができる。

ギャップ電圧（即ち、電極と被加工物との間の電圧）は、部品プログラムの供給速度オーバーライドの側面を制御するべく、使用される。供給速度オーバーライドは、バーニングサイクルにおいて、前進方向及びリバース方向の両方において機能する。起動された際に、制御プログラムは、「通常」の、又は定義された、速度において動作することになる。ギャップ電圧が変化するのに伴って、制御プログラムは、軸のうちの１つ又は複数の軸に沿った又はこれらの軸を中心とした移動の速度及び／又は方向を変化させる。供給速度オーバーライドは、望ましいギャップ電圧を維持することにより、ＥＤＭバーニングプロセスに正確な制御を提供する。すべての機能が、単一の統合型コントローラ１３０によって制御されていることから、ギャップ電圧の変動に対する応答が、相対的に迅速に認識され、且つ、相対的に正確に対応される。

任意の特定の部品について、部品プログラムは、プログラムされた軸及び生成された移動経路を含む。バーニングが開始されたら、ギャップ電圧は、ターゲット又は望ましいギャップ電圧からの逸脱について監視される。統合型制御部１３０は、望ましいギャップ電圧を維持しつつ、部品プログラム経路を辿るように、軸コマンドを発行する。ギャップ電圧がターゲットギャップ電圧から変化するのに伴って、統合型制御部１３０は、すべての軸に沿った移動の速度及び方向を動的に調節又は変調することができる。ギャップ電圧が、要求された設定点に位置している際に、プログラム制御は、プログラムされた速度及び方向において、部品プログラム経路を実行する。ギャップ電圧がターゲットを超えて増大した場合には、統合型コントローラ１３０は、プログラム経路上において留まりつつ、速度増大を実行する。ギャップ電圧がターゲットを下回るように降下した場合には、ギャップ電圧をターゲットにおいて維持するべく、プログラム実行速度が減少する。更には、ギャップ電圧を維持するべく必要とされる場合には、統合型コントローラ１３０は、そのプログラムされた経路に沿って、プログラム経路の方向を直接的に逆転させることになる。

ＥＤＭ電力及びその他の機能の正確な制御は、統合型コントローラ１３０の直接的な制御下において維持されている。操作者は、複数レシピのファイルを通じて、オン／オフ時間、電流、静電容量、及び電圧などのパラメータを選択することができる。これらのレシピは、部品プログラム動作の任意の選択されたセクション内において起動することができる。

レシピは、統合型制御部１３０内においてセットアップされており、この結果、バーニング動作の際の直接的な部品プログラムの変更が許容されている。プロセスレシピは、バーニングサイクルを中断させることなしに、コントローラ１３０により、変更することができる。

理解されるように、単一の統合型コントローラ１３０を含むＥＤＭシステム及び方法は、改善された速度、精度、及び部品品質を提供する。

上述の説明は、本考案の現時点の実施形態についてのものである。均等論を含む特許法の原則に従って解釈されることを要する添付の請求項において定義されている本考案の精神及び相対的に広い態様を逸脱することなしに、様々な変更及び変形を実施することができる。

本開示は、例示を目的として提示されるものであり、従って、本考案のすべての実施形態を網羅した説明として、或いは、これらの実施形態との関連において図示及び説明されている特定の要素に請求項の範囲を限定するものとして、解釈してはならない。例えば、且つ、限定を伴うことなしに、説明されている本考案の任意の個々の要素は、実質的に類似の機能を提供する、或いは、十分な動作をその他の方法で提供する、１つ又は複数の代替要素により、置換されてもよい。これには、例えば、当業者に現時点において既知でありうるものなどの現在既知である代替要素と、開発の際に当業者が代替肢として認識しうるものなどの将来開発されうる代替要素と、が含まれる。

本考案は、上述の説明に記述されている、且つ、添付図面において図示されている、コンポーネントの、動作の詳細に、或いは、構造及び構成の詳細に、限定されるものではない。本考案は、様々なその他の実施形態において実装されてもよく、且つ、本明細書において明示的に開示されていない代替方法により、実施及び実行されてもよい。また、本明細書において使用されているフレーズ及び用語は、説明を目的としたものであり、従って、限定として見なしてはならない。「含む（including）」及び「有する（comprising）」、並びに、これらの変形の使用は、その後に列挙されている項目及びそれらの均等物のみならず、更なる項目及びそれらの均等物をも包含することを意味している。更には、列挙が、様々な実施形態の説明において使用されている場合がある。そうではない旨が明示的に記述されていない限り、列挙の使用は、本考案を任意の特定の順序又は数のコンポーネントに限定するものとして解釈してはならない。列挙の使用は、列挙されているステップ又はコンポーネントと組み合わせられうる又はそれらに組み込まれうる任意の更なるステップ又はコンポーネントを本考案の範囲から除外するものとして解釈してはならない。

開示されている実施形態は、一緒に記述されている、且つ、利益の集合体を協働して提供しうる、複数の特徴を含んでいる。本考案は、これらの特徴のすべてを含む、或いは、記述されている利益のすべてを提供する、実施形態にのみ、限定されるものではない。

例えば、「a」、「an」、「the」、又は「said」という冠詞を使用した、単数形における請求項要素に対するすべての参照は、その要素を単数形に限定するものとして解釈してはならない。

「垂直方向」、「水平方向」、「最上部」、「底部」、「上部」、「下部」、「内側」、「内向き」、「外側」、及び「外向き」などの方向に関する用語は、図示において示されている実施形態の向きに基づいた本考案の説明を支援するべく使用されている。方向に関する用語の使用は、本考案を任意の特定の向きに限定するものとして解釈してはならない。

Claims (7)

1. 電気放電加工（ＥＤＭ）システムであって、
   被加工物との関係において電極の複数軸プログラム経路を定義する被加工物プログラムを保存するように適合された被加工物プログラムメモリを含む統合型制御部と、
   前記被加工物を支持するように適合された被加工物支持部であって、前記統合型制御部に動作自在に接続され、且つ、これによって制御されている被加工物支持部と、
   前記電極を移動自在に支持するスピンドルであって、前記統合型制御部に動作自在に接続され、且つ、これによって制御されているスピンドルと、
   前記スピンドルを支持するスピンドル支持部であって、前記統合型制御部に動作自在に接続され、且つ、これによって制御されているスピンドル支持部と、
   前記電極と前記被加工物の間のギャップ電圧を計測するように適合されたギャップ電圧計測システムと、
   を有し、
   前記統合型制御部は、前記ギャップ電圧計測システムに動作自在に接続されており、前記統合型制御部は、前記計測されたギャップ電圧に動的に応答し、前記統合型制御部は、前記被加工物支持部、前記電極、及び前記スピンドル支持部の移動を動的に制御することにより、望ましいギャップ電圧を動的に維持するべく、前記複数軸プログラム経路に沿った速度と、前記複数軸プログラム経路に沿った前方又はリバース方向と、の両方を動的に制御する、ＥＤＭシステム。
2. 前記被加工物支持部は、Ａ及びＢ回転軸を中心として移動可能である請求項１に記載のＥＤＭシステム。
3. 前記スピンドル支持部は、Ｚ’線形軸に沿って移動可能である請求項２に記載のＥＤＭシステム。
4. 前記電極は、Ｘ、Ｙ、及びＺ線形軸に沿って移動可能であり、前記Ｚ及びＺ’線形軸は、実質的に平行である請求項３に記載のＥＤＭシステム。
5. 前記電極は、Ｚ’線形軸に沿って移動可能である請求項１に記載のＥＤＭシステム。
6. 前記スピンドル支持部は、Ｘ、Ｙ、及びＺ線形軸に沿って移動可能であり、且つ、前記Ｚ及びＺ’線形軸は、実質的に平行である請求項５に記載のＥＤＭシステム。
7. 前記スピンドル支持部は、Ｘ、Ｙ、及びＺ線形軸に沿って移動可能である請求項１に記載のＥＤＭシステム。

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