放電加工装置
【課題】工具電極の高精度な取り付けを必要とせずに高精度な放電加工を実現できる放電加工装置を提供すること。
【解決手段】放電加工装置は１００、工具電極２が取り付けられる把持部を有し、工具電極２を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能なとする加工ヘッド１と、工具電極２の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器３と、この電極位置検出器３により検出された、工具電極２の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極２の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置４と、工具電極２の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置５とを備えている。
【解決手段】放電加工装置は１００、工具電極２が取り付けられる把持部を有し、工具電極２を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能なとする加工ヘッド１と、工具電極２の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器３と、この電極位置検出器３により検出された、工具電極２の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極２の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置４と、工具電極２の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置５とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具電極にて放電加工を行う放電加工装置に関し、特に工具電極の位置ずれを補正できる放電加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、形彫放電加工機や細穴放電加工機などのような、加工機主軸に工具電極を固定する方式の放電加工機においては、工具電極を加工ヘッドに高精度に固定する必要があり、細心の注意や多くの工数を要していた。この対策として、従来、例えば、工具電極と接触位置決め可能な基準球を加工機に設置し、加工機主軸回りの工具電極の回転角度と基準球による工具電極の検出位置から電極の中心と回転中心のずれを算出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の対策として、工具電極を回転させつつ加工する際に、工具電極の中心と回転中心のずれを打ち消すように工具電極を駆動しつつ加工する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
一方、微細穴放電加工において、真円度の向上、加工の高速化、高アスペクト比の実現ために、円柱またはパイプ電極の回転が有効であることが知られている。電極回転時、電極のスピンドルへの取り付け誤差は、工具電極のふれまわりを発生させ、加工穴直径の誤差やテーパ発生の原因となる。このため、微細な穴加工では、非導電性のふれ止めが用いられるが、メンテナンス性の観点から、ふれ止めを用いない加工法の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平３−０６８７４２号公報
【特許文献２】特開平７−２０４９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記先行技術文献に提案の技術だけでは工具電極の位置ずれを解消することは困難であり、依然として電極取り付け作業に多くの工数が必要となっていた。これは、放電加工機が一般的に並進３軸と電極回転１軸の４自由度しか有していないため、工具電極の回転中心からの偏心には対応できるが、工具電極の傾きには対応できないためであった。なお、特許文献２には、並進３軸に対して工具電極の回転軸が傾いている場合について言及されているが、傾いた回転中心からの偏心に対応する方法を述べているに過ぎず、傾きを補正するわけではない。また、実際には取り付けた電極の回転軸に対する傾きの方が重要であるが、この傾きには言及されていない。
【０００７】
結局、工具電極の傾きに対しては、作業者がダイヤルゲージ等を使用して電極側面の傾きを測定しつつ調整する作業を繰り返して修正しており、依然として多くの工数が必要となっている。また、細穴加工のように細長い電極を使用する場合には、工具電極の剛性が低いためダイヤルゲージ等による傾きの測定が困難なため、傾き補正を実施せずに加工することも多く、加工精度低下の一因となっている。また、電極直径が１００μｍ以下の微細穴加工領域では、電極の高精度な取り付けが困難を極めるため、加工機に電極素材を取り付けた後に逆放電により電極を整形するなど、取り付け誤差を回避する手法が採用されているため、生産性に大きな課題が生じている。
【０００８】
なお、マシニングセンタなどのような、工具を回転させる方式の切削型工作機械においては、工具が高速回転するため重量バランスに十分な配慮がなされた設計となっており、また加工精度が放電加工ほど求められないため、工具の偏心や傾きが大きな問題となることはない。工具の偏心や傾きへの対応は、異形電極や低剛性電極を使用して高精度な加工を行なう必要がある放電加工特有の問題である。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、工具電極の高精度な取り付けを必要とせずに高精度な放電加工を実現できる放電加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の放電加工装置は、工具電極を回転させながら放電加工を行う放電加工装置において、工具電極が取り付けられる把持部を有し、工具電極を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能なとする加工機本体と、工具電極の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器と、この電極位置検出器により検出された、工具電極の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置と、工具電極の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の放電加工装置によれば、工具電極の回転角毎の電極位置を検出し、工具電極の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極の位置誤差を算出し、工具電極の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行うので、工具電極を把持部に取り付ける際の偏心誤差はもとより、取り付ける際の傾き誤差も補正され、工具電極の高精度な取り付けを必要することなく高精度な加工を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、放電加工装置の実施の形態の全体を示す模式図である。
【図２】図２は、図１の加工ヘッドの詳細を示す縦断面図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
【図４】図４は、図１の電極位置検出器の詳細を示す横断面図である。
【図５】図５は、電極位置検出器が電極位置を検出する様子を示す図のうち、偏心量を検出する様子を示す斜視図である。
【図６】図６は、電極位置検出器が電極位置を検出する様子を示す図のうち、傾き量を検出する様子を示す斜視図である。
【図７】図７は、放電加工装置のふれまわり抑制方法の概念的な動作を示すブロック図である。
【図８】図８は、本実施の形態の逆テーパ加工を説明する図のうち、穴が貫通する前の状態を示す図である。
【図９】図９は、本実施の形態の逆テーパ加工を説明する図のうち、加工が進展して穴が貫通した後の状態を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態の内面形状が切途中で変化する穴加工を説明する図のうち、電極の傾きを切り替える前の状態を示す図である。
【図１１】図１１は、本実施の形態の内面形状が切途中で変化する穴加工を説明する図のうち、電極の傾きを切り替えた後の状態を示す図である。
【図１２】図１２は、工具電極根元部の偏心に起因するＸ，Ｙ方向のふれまわりの実験結果を示す図である。
【図１３】図１３は、傾き方向の取り付け誤差に起因する工具電極のＡ，Ｂ方向の傾きの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる放電加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態
図１は、本発明にかかる放電加工装置の実施の形態の全体を示す模式図である。図１において、本実施の形態の放電加工装置１００は、加工ヘッド１と、この加工ヘッド１に取り付けられた工具電極２と、この工具電極２の取り付け位置を検出する電極位置検出器３と、電極位置検出器３の検出した電極位置から位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置４と、加工ヘッド１を支持するＸ，Ｙ，Ｚ軸直動機構（並進機構）１０と、加工液９で満たされ、この加工液９に被加工物６が沈められた加工槽８と、工具電極２と被加工物６に加工エネルギを供給する加工電源７と、これらを制御する制御装置５とを含んで構成されている。
【００１５】
［加工ヘッド：磁気軸受］
加工ヘッド１は、工具電極２の水平方向の位置を制御するＸ軸とＹ軸、および垂直方向の位置を制御するＺ軸、さらに、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの角度を制御するＡ，Ｂ，Ｃ軸の計６自由度の姿勢制御機構を有し、工具電極２の位置および姿勢の制御をする。
【００１６】
図２は、図１の加工ヘッド１の詳細を示す縦断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。本実施の形態においては、加工ヘッド１に図２，３に示す構造の磁気軸受構造を有している。この磁気軸受構造は、高さ１５９ｍｍ、幅１００ｍｍ、質量１０ｋｇであり、既存の放電加工機（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸直動機構１０）に加工ヘッド１として取り付けられ、協調制御が可能な寸法および質量となっている。またスピンドルは全長１４８．５ｍｍ、直径２６ｍｍ、質量０．４４ｋｇであり、直径５ｍｍ程度までの円柱状の工具電極が取り付け可能で、６自由度の位置・姿勢制御が可能である。
【００１７】
図２，３において、加工ヘッド１は、下端に絶縁材１１０を挟んで把持部１１３が取り付けられた円柱状のロータ１０８と、このロータ１０８の中央部周囲に周方向に等間隔に４個が配置され、ロータ１０８を回転軸方向に非接触に支持して位置決めするとともに、指令値に応じてロータ１０８を回転軸方向に駆動させるスラスト磁気軸受部１０３，１０４と、スラスト磁気軸受部１０３，１０４を挟むようにロータ１０８の上部と下部とに分割して設けられ、このロータ１０８を回転軸に直交する方向に非接触に支持して位置決めするとともに、指令値に応じてロータ１０８を回転軸に直交する方向に駆動し、さらにロータ１０８を回転軸に直交する面内で傾かせる４個のラジアル磁気軸受部１０１，１０２と、ロータ１０８を回転軸回りに回転させるＣ軸モータ（回転駆動部）１０９とを含んで構成されている。
【００１８】
そして、それぞれのラジアル磁気軸受部１０１,１０２に対応して上部に４個のラジアル方向位置センサ１０５と、同じようにして下部に４個のラジアル方向位置センサ１０６が配置されている（図３）。また、ロータ１０８の上側端面に対向するようにしてスラスト方向位置センサ１０７が設けられている。給電リング１１１は給電ブラシ１１２を介して図示しない加工電源と接続されており、加工電流は給電ブラシ１１２、給電リング１１１、把持部１１３を経由して工具電極２へ供給される。
【００１９】
つまり、円筒状のロータ１０８は、上下のラジアル磁気軸受部１０１，１０２とラジアル方向位置センサ１０５，１０６により半径方向に非接触に位置決めされており、スラスト磁気軸受部１０３，１０４とスラスト方向位置センサ１０７により軸線方向に非接触に位置決めされ、さらにＣ軸モータ１０９により軸線回りの回転角度が決められている。
【００２０】
加工ヘッド１は、上記のような構造を有しており、ロータ１０８の半径方向の位置、すなわち工具電極２のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置は上下のラジアル磁気軸受１０１と１０２により制御され、ロータ１０８の軸線方向の位置、すなわち工具電極２のＺ軸方向の位置はスラスト磁気軸受１０３および１０４により制御され、ロータ１０８の軸線回りの回転角度、すなわち工具電極２のＣ軸座標はＣ軸モータ１０９により制御される。さらに、本実施の形態の加工ヘッド１は、上下のラジアル磁気軸受１０１，１０２に同じ位置を指令してロータ１０８を半径方向に並進させるだけでなく、異なる位置を指令してロータ１０８を傾けることが可能となっている。すなわち、工具電極２のＡ軸回転およびＢ軸回転が可能とされており、工具電極２のＡ軸座標およびＢ軸座標もラジアル磁気軸受１０１，１０２により制御される。
【００２１】
上記のような磁気軸受を加工ヘッド１として採用した場合、駆動可能な距離は数ミリメートル程度と非常に小さい。具体的には、軸および径方向に、それぞれサブマイクロメートル、傾き方向に数マイクロラジアンの位置決め分解能、５自由度方向にそれぞれ２００Ｈｚ以上のバンド幅を有する。位置・姿勢補正範囲は、軸、径および傾き方向にそれぞれ２ｍｍ、０．２ｍｍ、３ｍｒａｄである。
【００２２】
そのため、一般の工作機械のように数百ミリメートルといった軸距離が必要な場合には、マシニングセンタなどの工作機械が備えるようなボールネジ１０ａ，１０ｂ及びリニアガイド１０ｃ、１０ｄなどを用いたＸ，Ｙ，Ｚ軸直動機構（並進機構）１０（図１に簡略化して示す）に、加工ヘッド１全体を搭載する。加工ヘッド１とＸ，Ｙ，Ｚ軸直動機構とは、放電加工装置１００の加工機本体を構成している。ボールネジとリニアガイドによる軸直動機構は、加工ヘッド１の動作に較べ応答は遅いが長距離の駆動が可能なため、加工ヘッド１の高応答な微動機構と協調駆動させることにより効果的に安定な放電加工を行うことができる。
【００２３】
また、本実施の形態の加工ヘッド１の磁気軸受は、位置・姿勢補正を、スピンドルの回転と同期することが可能である。また、スピンドルに直接ブラシを接触させることなく、電極に加工電流を供給可能なため、スピンドルの運動がブラシの接触により阻害されないことを特徴とする。スピンドルの回転は、ＡＣモータ、平歯車（駆動歯数１００、被駆動歯数１５０）、磁気カップリングを用いて実施する。電極の回転角は、モータ回転角から、平歯車の減速比を考慮して計測する。
【００２４】
［取り付け誤差計測上の仮定］
本実施の形態では、加工に用いる円柱状の工具電極２の円筒度は十分高く、変形は無いと仮定し、工具電極２の根元部における、形状中心とスピンドル回転中心の偏心およびスピンドル回転軸と電極の傾きの２種類の電極取り付け誤差の計測を試みる。そして、電極取り付け誤差に起因するふれまわりを抑制するように、回転角に同期してスピンドルの位置・姿勢制御を行う。
【００２５】
［誤差計測］
電極取り付け誤差の一つである偏心の計測方法を示す。初めにスピンドルを、スピンドルのセンサターゲットを基準に高精度に回転させる。その状態で、工具電極２の根元部の半径方向変位を、Ｘ，Ｙ２軸方向に設置した非接触光学式寸法測定器で計測する。この時、スピンドル自体のふれまわりは１〜２μｍ以下であるため、工具電極２のふれまわりに対して、ほぼゼロとみなし、計測したＸ，Ｙ方向の変位を、電極根元部の偏心によるふれまわりとする。電極の傾きの計測方法については、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸直動機構１０（図１）のうち、Ｚ軸直動機構を利用し、工具電極２を加工ヘッド１ごとＺ方向に長さＬだけ上昇させ、電極先端部の、Ｘ，Ｙ方向のふれまわりを計測する。各回転角Ｃに対して、電極根元部と電極をＬ上昇した場合の先端部のふれまわりの差分からＡ，Ｂ方向の傾きが求まる。なお、本明細書において工具電極２の根元部というとき、把持部１１３に取り付けられた工具電極２の把持部１１３に極近い部分（直近の位置）を指す。
【００２６】
図４は、図１の電極位置検出器３の詳細を示す横断面図である。図５は、電極位置検出器３が電極位置を検出する様子を示す図のうち、偏心量を検出する様子を示す斜視図である。図６は、同じく傾き量を検出する様子を示す斜視図である。本実施の形態においては、電極位置検出器（非接触光学式寸法測定器）３は、断面が線状のライン光３０３を出射するライン光源３０１と、出射されたライン光３０３を受光する受光素子３０２を有している。図４に示すように、線状のライン光源３０１と受光素子３０２をＸ軸方向に沿って対向して配置し、両者に挟まれた工具電極２がライン光３０３を遮り、工具電極２の回転により遮光される境界のＹ軸方向の位置変化を記録する構成となっている。電極位置検出器３は、工具電極２をＺ軸回りに回転させた際の工具電極２の位置をＣ軸座標とともに検出する。このように非接触な測定器を使用することにより、例えば微細穴加工用電極などの低剛性工具電極にも対応できるため好都合である。
【００２７】
［位置誤差の算出方法］
以下に、電極位置誤差計算装置４の行う工具電極２の位置誤差の具体的算出方法を図５，６を用いて説明する。なお、ここでは工具電極２の外形が円柱状で、把持部１１３が加工ヘッド１の下側のラジアル磁気軸受１０２に極近い位置にある場合における補正量の算出方法を説明する。
【００２８】
［Ｘ軸、Ｙ軸の補正量］
まず、把持部１１３の直近（電極根元部）の電極位置を電極位置検出器３により検出する（図５）。工具電極２の把持部１１３直下の部分は、加工ヘッド１の下側のラジアル磁気軸受１０２と非常に近い位置にあるから、工具電極２の傾きは測定値にほとんど影響せず、測定値の変化はすべて工具電極２の偏心の影響とみなすことができる。したがって、測定値の変化を打ち消すようにＸ軸、Ｙ軸の補正量をＣ軸座標毎に設定すればよい。
【００２９】
上記のようにＸ軸方向にライン光３０３を照射してＹ軸方向の位置を検出する場合には、Ｙ軸方向の補正量は測定したＣ軸座標毎にそのまま使用し、Ｘ軸方向の補正量はＣ軸座標を９０゜ずらして使用する。すなわち、Ｃ軸座標ｃにおける電極位置測定値Ｐが、次式によって得られた場合、
Ｐ＝Ｐ（ｃ）
Ｙ軸方向の補正量Ｙｃは次式とし、
Ｙｃ＝−Ｐ（ｃ）
Ｘ軸方向の補正量Ｘｃは次式とする。
Ｘｃ＝−Ｐ（ｃ＋９０） （０≦ｃ＜２７０）
−Ｐ（ｃ−２７０）（２７０≦ｃ＜３６０）
【００３０】
［Ａ軸、Ｂ軸の補正量］
次に、工具電極２の電極先端付近の電極位置を電極位置検出器３により検出するために、工具電極２をＺ軸方向に距離Ｌだけ移動させる。その後、上記により求めたＣ軸座標毎のＸ軸方向補正量およびＹ軸方向補正量をＸ軸およびＹ軸の移動指令としながら、工具電極２をＺ軸回りに回転させて電極位置を電極位置検出器３により検出する（図６）。回転に伴ってＸ軸およびＹ軸は補正量分だけ移動するので偏心量は補正されるため、得られた測定値の変化は全て電極傾きの影響とみなせる。したがって、測定値の変化を打ち消すようにＡ軸、Ｂ軸の補正量をＣ軸座標毎に設定すればよい。
【００３１】
すなわち、Ｚ軸方向の移動量をＬとし、電極の偏心を補正しながら電極を回転させつつＸ軸方向にライン光３０３を照射してＹ軸方向の電極位置を測定した場合の、Ｃ軸座標ｃにおける電極位置測定値Ｑが、次式によって得られた場合、
Ｑ＝Ｑ（ｃ）
Ｂ軸方向の補正量Ｂｃは次式とし、
Ｂｃ＝−ｔａｎ−１（Ｑ（ｃ）／Ｌ）
Ａ軸方向の補正量Ａｃは次式とする。
Ａｃ＝−ｔａｎ−１（Ｑ（ｃ＋９０）／Ｌ） （０≦ｃ＜２７０）
−ｔａｎ−１（Ｑ（ｃ−２７０）／Ｌ）（２７０≦ｃ＜３６０）
【００３２】
なお、上記説明においては、把持部１１３直近での測定値変化を偏心のみの影響とみなしている。把持部１１３付近の電極位置測定点と下側のスラスト磁気軸受との距離が、Ｚ軸方向の移動量Ｌの１／１０以下であれば、実用上は、このようにみなして差し支えないようである。
【００３３】
また、上記説明においては、このように把持部１１３で電極傾きの影響がない構成を有する加工ヘッドであって、電極の外形が回転軸と平行な円柱形として説明した。実際の機械構造や電極形状がこれとは異なっている場合もあるが、Ｚ軸方向の２箇所以上で電極位置を測定し、適切な幾何学計算により各軸の補正量を算出する点は共通であるから説明を省略する。
【００３４】
［加工］
制御装置５は、入力された加工プログラムにしたがって、加工液９を満たした加工槽８内に設置した被加工物６と工具電極２との相対位置を制御しつつ、加工電源７により放電加工を行うが、加工プログラム内に指定された電極位置に対し、電極位置誤差計算装置４に記憶されたＣ軸座標毎の電極位置誤差補正値を加算した位置を正しい電極位置として加工を行なう。また、制御装置５は、上記電極位置誤差補正量の算出においても加工機全体を協調動作させるために必要な制御を行なう。すなわち、工具電極２を電極位置検出器３内へ移動させ、電極位置検出器３と電極位置誤差計算装置４を動作させ、Ｚ軸方向２箇所の測定のために工具電極２をＺ軸方向へ移動させるなどの動作を指令する。
【００３５】
［ふれまわり抑制］
図７に、本実施の形態の放電加工装置のふれまわり抑制方法の概念的な動作のブロック図を示す。電極位置誤差計算装置４は、Ｚ軸方向の複数の位置における電極位置検出器３の出力に基づいて、電極の傾きと偏心をＣ軸座標毎に算出し、これをゼロとなすようなＸ，Ｙ，Ａ，Ｂ軸の補正量をＣ軸座標毎に算出して記憶する。
【００３６】
図７において、加工ヘッド（磁気軸受）１に対して入出力する、ふれまわり補正目標発生部４ａと、電極取り付け誤差モデル４ｂが設けられている。図７中、Ｒ＝［Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ，Ａｒ，Ｂｒ］'は、加工ヘッド１のスピンドル重心の５自由度方向の位置・姿勢目標値であり、通常ゼロに設定する。Ｐ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ］'は、スピンドル重心の位置、姿勢および軸回りの回転角である。電極取り付け誤差モデル４ｂとスピンドル重心の運動から、工具電極２の根元のふれまわりＥ＝［Ｘｅ,Ｙｅ，Ａｅ，Ｂｅ］'が発生する。本実施の形態では、スピンドルを回転角Ｃに同期して、スピンドル重心の位置・姿勢を制御し、電極根元のふれまわりＸｅ,Ｙｅ，Ａｅ，Ｂｅをすべてゼロとすることを目的とする。ふれまわり補正目標発生部４ａは、スピンドル回転角Ｃを入力として、工具電極２のふれまわりを抑制するためのスピンドル重心の位置・姿勢目標値［Ｘｅ０，Ｙｅ０，Ａｅ０，Ｂｅ０］を出力する。
【００３７】
［種々の形状の加工］
制御装置５は、与えられる工具電極の位置指令に対して、電極位置誤差計算装置４の算出した位置誤差（補正量）をすべて補正するのではなく、必要な補正のみを選択して補正することにより、あるいは所定の補正を意図的に補正しないことにより、さまざまな形状の加工が可能である。つまり、位置誤差として記憶した偏心補正量と傾き補正量のうち、いずれか一方のみあるいは両方を選択して補正をすることにより種々の加工が可能である。中でも穴加工では、電極の偏心や傾きの解消により加工性能が著しく向上するため特に有効である。また、一般的な形彫り加工においても、電極を正しい姿勢に保った状態で揺動加工が可能になるため高精度加工が可能となる。また、回転する電極を傾けた状態での高精度な加工も可能となるので、一般的な加工では不可能な、さまざまな形状の穴が加工可能となる。
【００３８】
［逆テーパ形状の加工］
図８、図９は、本実施の形態の逆テーパ加工を説明する図であり、図８は、穴が貫通する前の状態を示す図である。図９は、同じく加工が進展して穴が貫通した後の状態を示す図である。工具電極２に所定の傾きを残したまま（つまり、傾き補正量については補正量の全てを補正するのではなく、例えば３割だけ補正する）、穴加工の最初（工具電極２が被加工物６を貫通する前）は、図８に示すように、工具電極２の先端部の偏心が無くなるようにのみ補正し、一方、工具電極２が被加工物６を貫通した後は、図９に示すように、加工深さに応じて偏心の補正量を制御し、常に穴の入口にて偏心が無くなるように且つ工具電極の傾きは残るように補正する。これにより、工具電極２の傾きによって、穴の入口よりも出口の方が広い逆テーパ形状の穴の加工が可能となる。このような加工方法は、例えば工具電極２の位置指令に加えて偏心・傾きの補正をどの程度有効にするか指令することにより行うことができる。上記補正する補正量の加減に関しては、ＮＣプログラム等で使用するＥＩＡコードを用いて、例えば全体の所定割合だけ補正するといったようにしてもよいし、また設定する補正量を予め種類の異なる複数種類を用意しておき、これをＥＩＡコードで指定して補正するようにしてもよい。
【００３９】
［内面形状が途中で変化する形状の加工］
別の形状について説明する。図１０、１１は、本実施の形態の内面形状が切途中で変化する穴加工を説明する図であり、図１０は、電極の傾きを切り替える前の状態を示す図である。図１１は、電極の傾きを切り替えた後の状態を示す図である。工具電極２が被加工物６の半分の深さに達するるまでは、図１０に示すように工具電極２の傾きを無くして偏心のみを残す補正をして加工を行い、被加工物６の半分の深さ以降においては、図１１に示すように加工深さに応じて偏心量を制御し、引き続き中間部の穴の入口にて偏心が無くなるように補正すると、工具電極２の傾きより、穴径が広がらないように工具電極２の傾きが現れるように補正すると内面形状が途中で変化する穴形状の加工を行うことができる。補正の指令の方法については上記と同様である。
【００４０】
［工具電極の取り付け誤差補正実験］
上記提案した方法を用いて、工具電極２のふれまわりの取り付け誤差補正の実験を行った。なお、この実験では、工具電極２の偏心および傾きに起因するそれぞれのふれまわりの抑制を実験の都合上別々に行なった。偏心に起因するふれまわりの抑制では、放電加工用の円柱電極（φ１）を用いた。また、傾きの抑制では、精密ピンゲージ（φ１）を電極の代わりに用いた。
【００４１】
Ｘｅ０，Ｙｅ０およびＡｅ０，Ｂｅ０は、いずれもスピンドルを３３ｒｐｍ（モータ５０ｒｐｍ）で回転させ、補正前のふれまわりを１回転あたり１５０点（２．４°毎）データ保存し、それぞれの回転角につき５回データを取り込み平均化して求めた。
【００４２】
図１２に、この工具電極根元の偏心に起因するＸ，Ｙ方向のふれまわりの実験結果を示す。補正前の軌跡は、偏心によるふれまわりを平均化したＸｅ０，Ｙｅ０であり、補正後の軌跡は、スピンドル２００ｒｐｍで回転時の、５回転分の電極根元のふれまわりである。補正前、８０μｍであった電極根元のふれまわりは、補正によって１０μｍ以内に低減された。
【００４３】
また、図１３は、傾き方向の取り付け誤差に起因する工具電極のＡ，Ｂ方向の傾きを示している。Ｘ，Ｙ方向と同様に，補正前の軌跡は，スピンドル５回転を平均化したＡｅ０，Ｂｅ０である。また、補正後の軌跡は、スピンドル３３ｒｐｍで回転時の５回転分の傾きである。電極取り付け時の傾きが約４ｍｒａｄで、スピンドル傾き補正範囲３．０ｍｒａｄを超えたため、磁気軸受の傾き限界までの補正を試みた結果、傾きは約１ｍｒａｄまで低減された。
【００４４】
以上のように、本実施の形態の放電加工装置によれば、工具電極２が取り付けられる把持部１１３を有し、工具電極２を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能なとする加工ヘッド１と、工具電極２の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器３と、電極位置検出器３により検出された、工具電極２の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極２の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置４と、工具電極２の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置５とを備えている。
【００４５】
そのため、工具電極２の回転角毎の電極位置が検出され、工具電極２の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極２の位置誤差を算出し、工具電極２の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行うので、工具電極２を把持部１１３に取り付ける際の偏心誤差はもとより、取り付ける際の傾き誤差が補正され、工具電極２の高精度な取り付けを必要とせずに高精度な加工を実現できる。
【００４６】
なお、上記実施の形態においては、Ｘ軸方向にライン光３０３を照射してＹ軸方向の電極位置を測定し、Ｘ軸方向の電極位置は位相を９０゜ずらした値を用いたが、２台の電極位置測定装置を垂直方向に組み合わせてＸ軸方向とＹ軸方向の電極位置を同時に測定可能な構成とすれば、回転ムラに起因する誤差も補正可能となり、高精度化が実現される。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、工具電極をＺ軸方向に移動させて電極位置を２回測定したが、Ｚ軸座標が異なる２箇所に電極位置測定装置を設置すれば、Ｚ座標が異なる２箇所の電極位置が１回の測定で得られるため、測定が高速化される。
【００４８】
さらにまた、上記実施の形態においては、工具電極２の把持方法について言及しなかったが、一般に磁気軸受機構を活用した姿勢制御機構においては、Ａ，Ｂ軸方向の駆動可能範囲が他に比べて短いことが多い。したがって、偏心方向と傾き方向が互いに打ち消しあう方向、すなわち、電極の回転中心から見て、把持部１１３と先端部が反対側となる方向に電極を把持すると、駆動範囲を有効に活用できる。
【００４９】
なお、上記実施の形態においては、１回目の測定で得られた補正値に基づいて電極位置を補正した状態で２回目の測定を実施したが、電極位置を補正せずに２回目を測定し、得られた２回分の測定値から補正値を算出するよう構成しても良いことはもちろんであるし、３回以上の測定を実施して内挿処理や平均化処理により高精度化を図ってもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態においては、補正値の計算を１回のみ実施したが、得られた補正値を用いて電極位置を補正した状態で電極位置を再測定し、新しく得られた測定値を用いて電極位置補正値を再計算してもよく、より高精度な補正値が得られる利点が生じる。
【００５１】
また、工具電極はＺ軸回りのＣ軸により回転させる構成が一般的であるため、上記実施の形態においてはＣ軸を工具回転軸として偏心と傾きを補正する構成を説明したが、その他の軸を工具回転軸としてもよく、また任意の傾きを持った軸回りの回転軸に対しても座標変換により適用可能であることは言うまでもない。
【００５２】
さらにまた、上記実施の形態においては、加工ヘッドに６自由度を有する姿勢制御機構を設置したが、工具電極の位置と姿勢を規定する並進３軸と各並進軸まわりの回転３軸の計６軸を制御可能な加工機であれば、各軸の配分はどのような構成であってもよく、６軸制御の切削型工作機械で見られるように、駆動軸の一部を加工テーブル側に設置するなど、上記構造以外の構成であってもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、Ｘ軸Ｙ軸方向に平行な面内で電極位置を測定したが、測定面の向きはこれに限られず、電極の回転に伴う位置の変化が測定可能となる、いかなる方向に沿って測定してもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる放電加工装置は、工具電極にて放電加工を行う放電加工装置に有用であり、特に工具電極を回転して加工を行う放電加工装置に適している。
【符号の説明】
【００５５】
１ 加工ヘッド（加工機本体）
２ 工具電極
３ 電極位置検出器
４ 電極位置誤差計算装置
５ 制御装置
６ 被加工物
７ 加工電源
８ 加工槽
９ 加工液
１０ Ｘ，Ｙ，Ｚ軸直動機構（加工機本体）
１００ 放電加工装置
１０１，１０２ ラジアル磁気軸受部
１０３，１０４ スラスト磁気軸受部
１０５，１０６ ラジアル方向位置センサ
１０７ スラスト方向位置センサ
１０８ ロータ
１０９ Ｃ軸モータ
１１０ 絶縁材
１１１ 給電リング
１１２ 給電ブラシ
１１３ 把持部
３０１ ライン光源
３０２ 受光素子
３０３ ライン光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具電極にて放電加工を行う放電加工装置に関し、特に工具電極の位置ずれを補正できる放電加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、形彫放電加工機や細穴放電加工機などのような、加工機主軸に工具電極を固定する方式の放電加工機においては、工具電極を加工ヘッドに高精度に固定する必要があり、細心の注意や多くの工数を要していた。この対策として、従来、例えば、工具電極と接触位置決め可能な基準球を加工機に設置し、加工機主軸回りの工具電極の回転角度と基準球による工具電極の検出位置から電極の中心と回転中心のずれを算出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の対策として、工具電極を回転させつつ加工する際に、工具電極の中心と回転中心のずれを打ち消すように工具電極を駆動しつつ加工する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
一方、微細穴放電加工において、真円度の向上、加工の高速化、高アスペクト比の実現ために、円柱またはパイプ電極の回転が有効であることが知られている。電極回転時、電極のスピンドルへの取り付け誤差は、工具電極のふれまわりを発生させ、加工穴直径の誤差やテーパ発生の原因となる。このため、微細な穴加工では、非導電性のふれ止めが用いられるが、メンテナンス性の観点から、ふれ止めを用いない加工法の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平３−０６８７４２号公報
【特許文献２】特開平７−２０４９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記先行技術文献に提案の技術だけでは工具電極の位置ずれを解消することは困難であり、依然として電極取り付け作業に多くの工数が必要となっていた。これは、放電加工機が一般的に並進３軸と電極回転１軸の４自由度しか有していないため、工具電極の回転中心からの偏心には対応できるが、工具電極の傾きには対応できないためであった。なお、特許文献２には、並進３軸に対して工具電極の回転軸が傾いている場合について言及されているが、傾いた回転中心からの偏心に対応する方法を述べているに過ぎず、傾きを補正するわけではない。また、実際には取り付けた電極の回転軸に対する傾きの方が重要であるが、この傾きには言及されていない。
【０００７】
結局、工具電極の傾きに対しては、作業者がダイヤルゲージ等を使用して電極側面の傾きを測定しつつ調整する作業を繰り返して修正しており、依然として多くの工数が必要となっている。また、細穴加工のように細長い電極を使用する場合には、工具電極の剛性が低いためダイヤルゲージ等による傾きの測定が困難なため、傾き補正を実施せずに加工することも多く、加工精度低下の一因となっている。また、電極直径が１００μｍ以下の微細穴加工領域では、電極の高精度な取り付けが困難を極めるため、加工機に電極素材を取り付けた後に逆放電により電極を整形するなど、取り付け誤差を回避する手法が採用されているため、生産性に大きな課題が生じている。
【０００８】
なお、マシニングセンタなどのような、工具を回転させる方式の切削型工作機械においては、工具が高速回転するため重量バランスに十分な配慮がなされた設計となっており、また加工精度が放電加工ほど求められないため、工具の偏心や傾きが大きな問題となることはない。工具の偏心や傾きへの対応は、異形電極や低剛性電極を使用して高精度な加工を行なう必要がある放電加工特有の問題である。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、工具電極の高精度な取り付けを必要とせずに高精度な放電加工を実現できる放電加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の放電加工装置は、工具電極を回転させながら放電加工を行う放電加工装置において、工具電極が取り付けられる把持部を有し、工具電極を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能なとする加工機本体と、工具電極の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器と、この電極位置検出器により検出された、工具電極の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置と、工具電極の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の放電加工装置によれば、工具電極の回転角毎の電極位置を検出し、工具電極の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極の位置誤差を算出し、工具電極の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行うので、工具電極を把持部に取り付ける際の偏心誤差はもとより、取り付ける際の傾き誤差も補正され、工具電極の高精度な取り付けを必要することなく高精度な加工を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、放電加工装置の実施の形態の全体を示す模式図である。
【図２】図２は、図１の加工ヘッドの詳細を示す縦断面図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
【図４】図４は、図１の電極位置検出器の詳細を示す横断面図である。
【図５】図５は、電極位置検出器が電極位置を検出する様子を示す図のうち、偏心量を検出する様子を示す斜視図である。
【図６】図６は、電極位置検出器が電極位置を検出する様子を示す図のうち、傾き量を検出する様子を示す斜視図である。
【図７】図７は、放電加工装置のふれまわり抑制方法の概念的な動作を示すブロック図である。
【図８】図８は、本実施の形態の逆テーパ加工を説明する図のうち、穴が貫通する前の状態を示す図である。
【図９】図９は、本実施の形態の逆テーパ加工を説明する図のうち、加工が進展して穴が貫通した後の状態を示す図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態の内面形状が切途中で変化する穴加工を説明する図のうち、電極の傾きを切り替える前の状態を示す図である。
【図１１】図１１は、本実施の形態の内面形状が切途中で変化する穴加工を説明する図のうち、電極の傾きを切り替えた後の状態を示す図である。
【図１２】図１２は、工具電極根元部の偏心に起因するＸ，Ｙ方向のふれまわりの実験結果を示す図である。
【図１３】図１３は、傾き方向の取り付け誤差に起因する工具電極のＡ，Ｂ方向の傾きの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる放電加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態
図１は、本発明にかかる放電加工装置の実施の形態の全体を示す模式図である。図１において、本実施の形態の放電加工装置１００は、加工ヘッド１と、この加工ヘッド１に取り付けられた工具電極２と、この工具電極２の取り付け位置を検出する電極位置検出器３と、電極位置検出器３の検出した電極位置から位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置４と、加工ヘッド１を支持するＸ，Ｙ，Ｚ軸直動機構（並進機構）１０と、加工液９で満たされ、この加工液９に被加工物６が沈められた加工槽８と、工具電極２と被加工物６に加工エネルギを供給する加工電源７と、これらを制御する制御装置５とを含んで構成されている。
【００１５】
［加工ヘッド：磁気軸受］
加工ヘッド１は、工具電極２の水平方向の位置を制御するＸ軸とＹ軸、および垂直方向の位置を制御するＺ軸、さらに、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの角度を制御するＡ，Ｂ，Ｃ軸の計６自由度の姿勢制御機構を有し、工具電極２の位置および姿勢の制御をする。
【００１６】
図２は、図１の加工ヘッド１の詳細を示す縦断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。本実施の形態においては、加工ヘッド１に図２，３に示す構造の磁気軸受構造を有している。この磁気軸受構造は、高さ１５９ｍｍ、幅１００ｍｍ、質量１０ｋｇであり、既存の放電加工機（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸直動機構１０）に加工ヘッド１として取り付けられ、協調制御が可能な寸法および質量となっている。またスピンドルは全長１４８．５ｍｍ、直径２６ｍｍ、質量０．４４ｋｇであり、直径５ｍｍ程度までの円柱状の工具電極が取り付け可能で、６自由度の位置・姿勢制御が可能である。
【００１７】
図２，３において、加工ヘッド１は、下端に絶縁材１１０を挟んで把持部１１３が取り付けられた円柱状のロータ１０８と、このロータ１０８の中央部周囲に周方向に等間隔に４個が配置され、ロータ１０８を回転軸方向に非接触に支持して位置決めするとともに、指令値に応じてロータ１０８を回転軸方向に駆動させるスラスト磁気軸受部１０３，１０４と、スラスト磁気軸受部１０３，１０４を挟むようにロータ１０８の上部と下部とに分割して設けられ、このロータ１０８を回転軸に直交する方向に非接触に支持して位置決めするとともに、指令値に応じてロータ１０８を回転軸に直交する方向に駆動し、さらにロータ１０８を回転軸に直交する面内で傾かせる４個のラジアル磁気軸受部１０１，１０２と、ロータ１０８を回転軸回りに回転させるＣ軸モータ（回転駆動部）１０９とを含んで構成されている。
【００１８】
そして、それぞれのラジアル磁気軸受部１０１,１０２に対応して上部に４個のラジアル方向位置センサ１０５と、同じようにして下部に４個のラジアル方向位置センサ１０６が配置されている（図３）。また、ロータ１０８の上側端面に対向するようにしてスラスト方向位置センサ１０７が設けられている。給電リング１１１は給電ブラシ１１２を介して図示しない加工電源と接続されており、加工電流は給電ブラシ１１２、給電リング１１１、把持部１１３を経由して工具電極２へ供給される。
【００１９】
つまり、円筒状のロータ１０８は、上下のラジアル磁気軸受部１０１，１０２とラジアル方向位置センサ１０５，１０６により半径方向に非接触に位置決めされており、スラスト磁気軸受部１０３，１０４とスラスト方向位置センサ１０７により軸線方向に非接触に位置決めされ、さらにＣ軸モータ１０９により軸線回りの回転角度が決められている。
【００２０】
加工ヘッド１は、上記のような構造を有しており、ロータ１０８の半径方向の位置、すなわち工具電極２のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置は上下のラジアル磁気軸受１０１と１０２により制御され、ロータ１０８の軸線方向の位置、すなわち工具電極２のＺ軸方向の位置はスラスト磁気軸受１０３および１０４により制御され、ロータ１０８の軸線回りの回転角度、すなわち工具電極２のＣ軸座標はＣ軸モータ１０９により制御される。さらに、本実施の形態の加工ヘッド１は、上下のラジアル磁気軸受１０１，１０２に同じ位置を指令してロータ１０８を半径方向に並進させるだけでなく、異なる位置を指令してロータ１０８を傾けることが可能となっている。すなわち、工具電極２のＡ軸回転およびＢ軸回転が可能とされており、工具電極２のＡ軸座標およびＢ軸座標もラジアル磁気軸受１０１，１０２により制御される。
【００２１】
上記のような磁気軸受を加工ヘッド１として採用した場合、駆動可能な距離は数ミリメートル程度と非常に小さい。具体的には、軸および径方向に、それぞれサブマイクロメートル、傾き方向に数マイクロラジアンの位置決め分解能、５自由度方向にそれぞれ２００Ｈｚ以上のバンド幅を有する。位置・姿勢補正範囲は、軸、径および傾き方向にそれぞれ２ｍｍ、０．２ｍｍ、３ｍｒａｄである。
【００２２】
そのため、一般の工作機械のように数百ミリメートルといった軸距離が必要な場合には、マシニングセンタなどの工作機械が備えるようなボールネジ１０ａ，１０ｂ及びリニアガイド１０ｃ、１０ｄなどを用いたＸ，Ｙ，Ｚ軸直動機構（並進機構）１０（図１に簡略化して示す）に、加工ヘッド１全体を搭載する。加工ヘッド１とＸ，Ｙ，Ｚ軸直動機構とは、放電加工装置１００の加工機本体を構成している。ボールネジとリニアガイドによる軸直動機構は、加工ヘッド１の動作に較べ応答は遅いが長距離の駆動が可能なため、加工ヘッド１の高応答な微動機構と協調駆動させることにより効果的に安定な放電加工を行うことができる。
【００２３】
また、本実施の形態の加工ヘッド１の磁気軸受は、位置・姿勢補正を、スピンドルの回転と同期することが可能である。また、スピンドルに直接ブラシを接触させることなく、電極に加工電流を供給可能なため、スピンドルの運動がブラシの接触により阻害されないことを特徴とする。スピンドルの回転は、ＡＣモータ、平歯車（駆動歯数１００、被駆動歯数１５０）、磁気カップリングを用いて実施する。電極の回転角は、モータ回転角から、平歯車の減速比を考慮して計測する。
【００２４】
［取り付け誤差計測上の仮定］
本実施の形態では、加工に用いる円柱状の工具電極２の円筒度は十分高く、変形は無いと仮定し、工具電極２の根元部における、形状中心とスピンドル回転中心の偏心およびスピンドル回転軸と電極の傾きの２種類の電極取り付け誤差の計測を試みる。そして、電極取り付け誤差に起因するふれまわりを抑制するように、回転角に同期してスピンドルの位置・姿勢制御を行う。
【００２５】
［誤差計測］
電極取り付け誤差の一つである偏心の計測方法を示す。初めにスピンドルを、スピンドルのセンサターゲットを基準に高精度に回転させる。その状態で、工具電極２の根元部の半径方向変位を、Ｘ，Ｙ２軸方向に設置した非接触光学式寸法測定器で計測する。この時、スピンドル自体のふれまわりは１〜２μｍ以下であるため、工具電極２のふれまわりに対して、ほぼゼロとみなし、計測したＸ，Ｙ方向の変位を、電極根元部の偏心によるふれまわりとする。電極の傾きの計測方法については、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸直動機構１０（図１）のうち、Ｚ軸直動機構を利用し、工具電極２を加工ヘッド１ごとＺ方向に長さＬだけ上昇させ、電極先端部の、Ｘ，Ｙ方向のふれまわりを計測する。各回転角Ｃに対して、電極根元部と電極をＬ上昇した場合の先端部のふれまわりの差分からＡ，Ｂ方向の傾きが求まる。なお、本明細書において工具電極２の根元部というとき、把持部１１３に取り付けられた工具電極２の把持部１１３に極近い部分（直近の位置）を指す。
【００２６】
図４は、図１の電極位置検出器３の詳細を示す横断面図である。図５は、電極位置検出器３が電極位置を検出する様子を示す図のうち、偏心量を検出する様子を示す斜視図である。図６は、同じく傾き量を検出する様子を示す斜視図である。本実施の形態においては、電極位置検出器（非接触光学式寸法測定器）３は、断面が線状のライン光３０３を出射するライン光源３０１と、出射されたライン光３０３を受光する受光素子３０２を有している。図４に示すように、線状のライン光源３０１と受光素子３０２をＸ軸方向に沿って対向して配置し、両者に挟まれた工具電極２がライン光３０３を遮り、工具電極２の回転により遮光される境界のＹ軸方向の位置変化を記録する構成となっている。電極位置検出器３は、工具電極２をＺ軸回りに回転させた際の工具電極２の位置をＣ軸座標とともに検出する。このように非接触な測定器を使用することにより、例えば微細穴加工用電極などの低剛性工具電極にも対応できるため好都合である。
【００２７】
［位置誤差の算出方法］
以下に、電極位置誤差計算装置４の行う工具電極２の位置誤差の具体的算出方法を図５，６を用いて説明する。なお、ここでは工具電極２の外形が円柱状で、把持部１１３が加工ヘッド１の下側のラジアル磁気軸受１０２に極近い位置にある場合における補正量の算出方法を説明する。
【００２８】
［Ｘ軸、Ｙ軸の補正量］
まず、把持部１１３の直近（電極根元部）の電極位置を電極位置検出器３により検出する（図５）。工具電極２の把持部１１３直下の部分は、加工ヘッド１の下側のラジアル磁気軸受１０２と非常に近い位置にあるから、工具電極２の傾きは測定値にほとんど影響せず、測定値の変化はすべて工具電極２の偏心の影響とみなすことができる。したがって、測定値の変化を打ち消すようにＸ軸、Ｙ軸の補正量をＣ軸座標毎に設定すればよい。
【００２９】
上記のようにＸ軸方向にライン光３０３を照射してＹ軸方向の位置を検出する場合には、Ｙ軸方向の補正量は測定したＣ軸座標毎にそのまま使用し、Ｘ軸方向の補正量はＣ軸座標を９０゜ずらして使用する。すなわち、Ｃ軸座標ｃにおける電極位置測定値Ｐが、次式によって得られた場合、
Ｐ＝Ｐ（ｃ）
Ｙ軸方向の補正量Ｙｃは次式とし、
Ｙｃ＝−Ｐ（ｃ）
Ｘ軸方向の補正量Ｘｃは次式とする。
Ｘｃ＝−Ｐ（ｃ＋９０） （０≦ｃ＜２７０）
−Ｐ（ｃ−２７０）（２７０≦ｃ＜３６０）
【００３０】
［Ａ軸、Ｂ軸の補正量］
次に、工具電極２の電極先端付近の電極位置を電極位置検出器３により検出するために、工具電極２をＺ軸方向に距離Ｌだけ移動させる。その後、上記により求めたＣ軸座標毎のＸ軸方向補正量およびＹ軸方向補正量をＸ軸およびＹ軸の移動指令としながら、工具電極２をＺ軸回りに回転させて電極位置を電極位置検出器３により検出する（図６）。回転に伴ってＸ軸およびＹ軸は補正量分だけ移動するので偏心量は補正されるため、得られた測定値の変化は全て電極傾きの影響とみなせる。したがって、測定値の変化を打ち消すようにＡ軸、Ｂ軸の補正量をＣ軸座標毎に設定すればよい。
【００３１】
すなわち、Ｚ軸方向の移動量をＬとし、電極の偏心を補正しながら電極を回転させつつＸ軸方向にライン光３０３を照射してＹ軸方向の電極位置を測定した場合の、Ｃ軸座標ｃにおける電極位置測定値Ｑが、次式によって得られた場合、
Ｑ＝Ｑ（ｃ）
Ｂ軸方向の補正量Ｂｃは次式とし、
Ｂｃ＝−ｔａｎ−１（Ｑ（ｃ）／Ｌ）
Ａ軸方向の補正量Ａｃは次式とする。
Ａｃ＝−ｔａｎ−１（Ｑ（ｃ＋９０）／Ｌ） （０≦ｃ＜２７０）
−ｔａｎ−１（Ｑ（ｃ−２７０）／Ｌ）（２７０≦ｃ＜３６０）
【００３２】
なお、上記説明においては、把持部１１３直近での測定値変化を偏心のみの影響とみなしている。把持部１１３付近の電極位置測定点と下側のスラスト磁気軸受との距離が、Ｚ軸方向の移動量Ｌの１／１０以下であれば、実用上は、このようにみなして差し支えないようである。
【００３３】
また、上記説明においては、このように把持部１１３で電極傾きの影響がない構成を有する加工ヘッドであって、電極の外形が回転軸と平行な円柱形として説明した。実際の機械構造や電極形状がこれとは異なっている場合もあるが、Ｚ軸方向の２箇所以上で電極位置を測定し、適切な幾何学計算により各軸の補正量を算出する点は共通であるから説明を省略する。
【００３４】
［加工］
制御装置５は、入力された加工プログラムにしたがって、加工液９を満たした加工槽８内に設置した被加工物６と工具電極２との相対位置を制御しつつ、加工電源７により放電加工を行うが、加工プログラム内に指定された電極位置に対し、電極位置誤差計算装置４に記憶されたＣ軸座標毎の電極位置誤差補正値を加算した位置を正しい電極位置として加工を行なう。また、制御装置５は、上記電極位置誤差補正量の算出においても加工機全体を協調動作させるために必要な制御を行なう。すなわち、工具電極２を電極位置検出器３内へ移動させ、電極位置検出器３と電極位置誤差計算装置４を動作させ、Ｚ軸方向２箇所の測定のために工具電極２をＺ軸方向へ移動させるなどの動作を指令する。
【００３５】
［ふれまわり抑制］
図７に、本実施の形態の放電加工装置のふれまわり抑制方法の概念的な動作のブロック図を示す。電極位置誤差計算装置４は、Ｚ軸方向の複数の位置における電極位置検出器３の出力に基づいて、電極の傾きと偏心をＣ軸座標毎に算出し、これをゼロとなすようなＸ，Ｙ，Ａ，Ｂ軸の補正量をＣ軸座標毎に算出して記憶する。
【００３６】
図７において、加工ヘッド（磁気軸受）１に対して入出力する、ふれまわり補正目標発生部４ａと、電極取り付け誤差モデル４ｂが設けられている。図７中、Ｒ＝［Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ，Ａｒ，Ｂｒ］'は、加工ヘッド１のスピンドル重心の５自由度方向の位置・姿勢目標値であり、通常ゼロに設定する。Ｐ＝［Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ］'は、スピンドル重心の位置、姿勢および軸回りの回転角である。電極取り付け誤差モデル４ｂとスピンドル重心の運動から、工具電極２の根元のふれまわりＥ＝［Ｘｅ,Ｙｅ，Ａｅ，Ｂｅ］'が発生する。本実施の形態では、スピンドルを回転角Ｃに同期して、スピンドル重心の位置・姿勢を制御し、電極根元のふれまわりＸｅ,Ｙｅ，Ａｅ，Ｂｅをすべてゼロとすることを目的とする。ふれまわり補正目標発生部４ａは、スピンドル回転角Ｃを入力として、工具電極２のふれまわりを抑制するためのスピンドル重心の位置・姿勢目標値［Ｘｅ０，Ｙｅ０，Ａｅ０，Ｂｅ０］を出力する。
【００３７】
［種々の形状の加工］
制御装置５は、与えられる工具電極の位置指令に対して、電極位置誤差計算装置４の算出した位置誤差（補正量）をすべて補正するのではなく、必要な補正のみを選択して補正することにより、あるいは所定の補正を意図的に補正しないことにより、さまざまな形状の加工が可能である。つまり、位置誤差として記憶した偏心補正量と傾き補正量のうち、いずれか一方のみあるいは両方を選択して補正をすることにより種々の加工が可能である。中でも穴加工では、電極の偏心や傾きの解消により加工性能が著しく向上するため特に有効である。また、一般的な形彫り加工においても、電極を正しい姿勢に保った状態で揺動加工が可能になるため高精度加工が可能となる。また、回転する電極を傾けた状態での高精度な加工も可能となるので、一般的な加工では不可能な、さまざまな形状の穴が加工可能となる。
【００３８】
［逆テーパ形状の加工］
図８、図９は、本実施の形態の逆テーパ加工を説明する図であり、図８は、穴が貫通する前の状態を示す図である。図９は、同じく加工が進展して穴が貫通した後の状態を示す図である。工具電極２に所定の傾きを残したまま（つまり、傾き補正量については補正量の全てを補正するのではなく、例えば３割だけ補正する）、穴加工の最初（工具電極２が被加工物６を貫通する前）は、図８に示すように、工具電極２の先端部の偏心が無くなるようにのみ補正し、一方、工具電極２が被加工物６を貫通した後は、図９に示すように、加工深さに応じて偏心の補正量を制御し、常に穴の入口にて偏心が無くなるように且つ工具電極の傾きは残るように補正する。これにより、工具電極２の傾きによって、穴の入口よりも出口の方が広い逆テーパ形状の穴の加工が可能となる。このような加工方法は、例えば工具電極２の位置指令に加えて偏心・傾きの補正をどの程度有効にするか指令することにより行うことができる。上記補正する補正量の加減に関しては、ＮＣプログラム等で使用するＥＩＡコードを用いて、例えば全体の所定割合だけ補正するといったようにしてもよいし、また設定する補正量を予め種類の異なる複数種類を用意しておき、これをＥＩＡコードで指定して補正するようにしてもよい。
【００３９】
［内面形状が途中で変化する形状の加工］
別の形状について説明する。図１０、１１は、本実施の形態の内面形状が切途中で変化する穴加工を説明する図であり、図１０は、電極の傾きを切り替える前の状態を示す図である。図１１は、電極の傾きを切り替えた後の状態を示す図である。工具電極２が被加工物６の半分の深さに達するるまでは、図１０に示すように工具電極２の傾きを無くして偏心のみを残す補正をして加工を行い、被加工物６の半分の深さ以降においては、図１１に示すように加工深さに応じて偏心量を制御し、引き続き中間部の穴の入口にて偏心が無くなるように補正すると、工具電極２の傾きより、穴径が広がらないように工具電極２の傾きが現れるように補正すると内面形状が途中で変化する穴形状の加工を行うことができる。補正の指令の方法については上記と同様である。
【００４０】
［工具電極の取り付け誤差補正実験］
上記提案した方法を用いて、工具電極２のふれまわりの取り付け誤差補正の実験を行った。なお、この実験では、工具電極２の偏心および傾きに起因するそれぞれのふれまわりの抑制を実験の都合上別々に行なった。偏心に起因するふれまわりの抑制では、放電加工用の円柱電極（φ１）を用いた。また、傾きの抑制では、精密ピンゲージ（φ１）を電極の代わりに用いた。
【００４１】
Ｘｅ０，Ｙｅ０およびＡｅ０，Ｂｅ０は、いずれもスピンドルを３３ｒｐｍ（モータ５０ｒｐｍ）で回転させ、補正前のふれまわりを１回転あたり１５０点（２．４°毎）データ保存し、それぞれの回転角につき５回データを取り込み平均化して求めた。
【００４２】
図１２に、この工具電極根元の偏心に起因するＸ，Ｙ方向のふれまわりの実験結果を示す。補正前の軌跡は、偏心によるふれまわりを平均化したＸｅ０，Ｙｅ０であり、補正後の軌跡は、スピンドル２００ｒｐｍで回転時の、５回転分の電極根元のふれまわりである。補正前、８０μｍであった電極根元のふれまわりは、補正によって１０μｍ以内に低減された。
【００４３】
また、図１３は、傾き方向の取り付け誤差に起因する工具電極のＡ，Ｂ方向の傾きを示している。Ｘ，Ｙ方向と同様に，補正前の軌跡は，スピンドル５回転を平均化したＡｅ０，Ｂｅ０である。また、補正後の軌跡は、スピンドル３３ｒｐｍで回転時の５回転分の傾きである。電極取り付け時の傾きが約４ｍｒａｄで、スピンドル傾き補正範囲３．０ｍｒａｄを超えたため、磁気軸受の傾き限界までの補正を試みた結果、傾きは約１ｍｒａｄまで低減された。
【００４４】
以上のように、本実施の形態の放電加工装置によれば、工具電極２が取り付けられる把持部１１３を有し、工具電極２を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能なとする加工ヘッド１と、工具電極２の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器３と、電極位置検出器３により検出された、工具電極２の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極２の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置４と、工具電極２の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置５とを備えている。
【００４５】
そのため、工具電極２の回転角毎の電極位置が検出され、工具電極２の回転軸方向の複数個所における電極位置に基づいて工具電極２の位置誤差を算出し、工具電極２の位置指令に対して回転角毎に位置誤差の補正をしつつ加工を行うので、工具電極２を把持部１１３に取り付ける際の偏心誤差はもとより、取り付ける際の傾き誤差が補正され、工具電極２の高精度な取り付けを必要とせずに高精度な加工を実現できる。
【００４６】
なお、上記実施の形態においては、Ｘ軸方向にライン光３０３を照射してＹ軸方向の電極位置を測定し、Ｘ軸方向の電極位置は位相を９０゜ずらした値を用いたが、２台の電極位置測定装置を垂直方向に組み合わせてＸ軸方向とＹ軸方向の電極位置を同時に測定可能な構成とすれば、回転ムラに起因する誤差も補正可能となり、高精度化が実現される。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、工具電極をＺ軸方向に移動させて電極位置を２回測定したが、Ｚ軸座標が異なる２箇所に電極位置測定装置を設置すれば、Ｚ座標が異なる２箇所の電極位置が１回の測定で得られるため、測定が高速化される。
【００４８】
さらにまた、上記実施の形態においては、工具電極２の把持方法について言及しなかったが、一般に磁気軸受機構を活用した姿勢制御機構においては、Ａ，Ｂ軸方向の駆動可能範囲が他に比べて短いことが多い。したがって、偏心方向と傾き方向が互いに打ち消しあう方向、すなわち、電極の回転中心から見て、把持部１１３と先端部が反対側となる方向に電極を把持すると、駆動範囲を有効に活用できる。
【００４９】
なお、上記実施の形態においては、１回目の測定で得られた補正値に基づいて電極位置を補正した状態で２回目の測定を実施したが、電極位置を補正せずに２回目を測定し、得られた２回分の測定値から補正値を算出するよう構成しても良いことはもちろんであるし、３回以上の測定を実施して内挿処理や平均化処理により高精度化を図ってもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態においては、補正値の計算を１回のみ実施したが、得られた補正値を用いて電極位置を補正した状態で電極位置を再測定し、新しく得られた測定値を用いて電極位置補正値を再計算してもよく、より高精度な補正値が得られる利点が生じる。
【００５１】
また、工具電極はＺ軸回りのＣ軸により回転させる構成が一般的であるため、上記実施の形態においてはＣ軸を工具回転軸として偏心と傾きを補正する構成を説明したが、その他の軸を工具回転軸としてもよく、また任意の傾きを持った軸回りの回転軸に対しても座標変換により適用可能であることは言うまでもない。
【００５２】
さらにまた、上記実施の形態においては、加工ヘッドに６自由度を有する姿勢制御機構を設置したが、工具電極の位置と姿勢を規定する並進３軸と各並進軸まわりの回転３軸の計６軸を制御可能な加工機であれば、各軸の配分はどのような構成であってもよく、６軸制御の切削型工作機械で見られるように、駆動軸の一部を加工テーブル側に設置するなど、上記構造以外の構成であってもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、Ｘ軸Ｙ軸方向に平行な面内で電極位置を測定したが、測定面の向きはこれに限られず、電極の回転に伴う位置の変化が測定可能となる、いかなる方向に沿って測定してもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる放電加工装置は、工具電極にて放電加工を行う放電加工装置に有用であり、特に工具電極を回転して加工を行う放電加工装置に適している。
【符号の説明】
【００５５】
１ 加工ヘッド（加工機本体）
２ 工具電極
３ 電極位置検出器
４ 電極位置誤差計算装置
５ 制御装置
６ 被加工物
７ 加工電源
８ 加工槽
９ 加工液
１０ Ｘ，Ｙ，Ｚ軸直動機構（加工機本体）
１００ 放電加工装置
１０１，１０２ ラジアル磁気軸受部
１０３，１０４ スラスト磁気軸受部
１０５，１０６ ラジアル方向位置センサ
１０７ スラスト方向位置センサ
１０８ ロータ
１０９ Ｃ軸モータ
１１０ 絶縁材
１１１ 給電リング
１１２ 給電ブラシ
１１３ 把持部
３０１ ライン光源
３０２ 受光素子
３０３ ライン光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具電極を回転させながら放電加工を行う放電加工装置において、
前記工具電極が取り付けられる把持部を有し、前記工具電極を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能とする加工機本体と、
前記工具電極の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器と、
前記電極位置検出器により検出された、前記工具電極の回転軸方向の複数個所における前記電極位置に基づいて前記工具電極の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置と、
前記工具電極の位置指令に対して回転角毎に前記位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置と、を備えた
ことを特徴とする放電加工装置。
【請求項２】
前記加工機本体は、磁気軸受構造を有する加工ヘッドにより前記工具電極の全６軸の位置姿勢を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の放電加工装置。
【請求項３】
前記磁気軸受構造は、
下端に前記把持部が設けられたロータと、
前記ロータを回転軸方向に非接触に駆動するスラスト磁気軸受部と、
前記スラスト磁気軸受部を挟んで前記ロータの上部と下部とに分割して設けられ、前記ロータを回転軸に直交する方向に非接触に駆動するとともに、前記ロータを回転軸に直交する方向に非接触に傾かせるラジアル磁気軸受部と、
前記ロータを回転させる回転駆動部と、を備えた
ことを特徴とする請求項２記載の放電加工装置。
【請求項４】
前記電極位置検出器は、断面線状のライン光を出射するライン光源と、前記ライン光を受光する受光素子と、を備え、
前記工具電極が前記ライン光を遮った位置から前記電極位置を検出する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項５】
前記電極位置検出器は、前記工具電極の回転軸方向の複数箇所の位置で、それぞれ回転軸と直交する方向の前記電極位置を検出し、
前記電極位置誤差計算装置は、前記位置誤差として前記工具電極の偏心と傾きを算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記工具電極の位置指令に対して回転角毎に前記位置誤差の補正を少なくとも所定の要素のみ選択的に補正しつつ前記工具電極を回転させて加工を行う
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項７】
前記把持部に前記工具電極を傾けて取り付け、穴の開け始めは、前記工具電極の先端部の偏心が無くなるように補正して加工し、前記工具電極が前記被加工物を貫通した後は、引き続き穴の入口にて偏心が無くなるように且つ前記工具電極の傾きが現れるように補正して加工することより、穴の入口よりも出口の方が広い逆テーパ形状の穴を得る
ことを特徴とする請求項６に記載の放電加工装置。
【請求項８】
ｎ回目に行われた加工により得られた前記位置誤差を補正してｎ＋１回目の加工をするとき、
前記電極位置検出器は、新たに前記工具電極の回転角毎の電極位置を検出し、
前記電極位置誤差計算装置は、前記電極位置に基づいて前記工具電極の位置誤差を再度計算する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項１】
工具電極を回転させながら放電加工を行う放電加工装置において、
前記工具電極が取り付けられる把持部を有し、前記工具電極を並進３軸および回転３軸の全６軸で位置姿勢変更を可能とする加工機本体と、
前記工具電極の回転角毎の電極位置を検出する電極位置検出器と、
前記電極位置検出器により検出された、前記工具電極の回転軸方向の複数個所における前記電極位置に基づいて前記工具電極の位置誤差を算出する電極位置誤差計算装置と、
前記工具電極の位置指令に対して回転角毎に前記位置誤差の補正をしつつ加工を行う制御装置と、を備えた
ことを特徴とする放電加工装置。
【請求項２】
前記加工機本体は、磁気軸受構造を有する加工ヘッドにより前記工具電極の全６軸の位置姿勢を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の放電加工装置。
【請求項３】
前記磁気軸受構造は、
下端に前記把持部が設けられたロータと、
前記ロータを回転軸方向に非接触に駆動するスラスト磁気軸受部と、
前記スラスト磁気軸受部を挟んで前記ロータの上部と下部とに分割して設けられ、前記ロータを回転軸に直交する方向に非接触に駆動するとともに、前記ロータを回転軸に直交する方向に非接触に傾かせるラジアル磁気軸受部と、
前記ロータを回転させる回転駆動部と、を備えた
ことを特徴とする請求項２記載の放電加工装置。
【請求項４】
前記電極位置検出器は、断面線状のライン光を出射するライン光源と、前記ライン光を受光する受光素子と、を備え、
前記工具電極が前記ライン光を遮った位置から前記電極位置を検出する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項５】
前記電極位置検出器は、前記工具電極の回転軸方向の複数箇所の位置で、それぞれ回転軸と直交する方向の前記電極位置を検出し、
前記電極位置誤差計算装置は、前記位置誤差として前記工具電極の偏心と傾きを算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記工具電極の位置指令に対して回転角毎に前記位置誤差の補正を少なくとも所定の要素のみ選択的に補正しつつ前記工具電極を回転させて加工を行う
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【請求項７】
前記把持部に前記工具電極を傾けて取り付け、穴の開け始めは、前記工具電極の先端部の偏心が無くなるように補正して加工し、前記工具電極が前記被加工物を貫通した後は、引き続き穴の入口にて偏心が無くなるように且つ前記工具電極の傾きが現れるように補正して加工することより、穴の入口よりも出口の方が広い逆テーパ形状の穴を得る
ことを特徴とする請求項６に記載の放電加工装置。
【請求項８】
ｎ回目に行われた加工により得られた前記位置誤差を補正してｎ＋１回目の加工をするとき、
前記電極位置検出器は、新たに前記工具電極の回転角毎の電極位置を検出し、
前記電極位置誤差計算装置は、前記電極位置に基づいて前記工具電極の位置誤差を再度計算する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の放電加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−５６０３６（Ｐ２０１２−５６０３６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２３４８（Ｐ２０１０−２０２３４８）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００８９１１８
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 宏明
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００８９１１８
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 宏明
【Ｆターム（参考）】
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