Transcript x - 豊田工業大学

Electrode
電極
Electrode
電極
被加工物
Workpiece
粉末材料
Powder
被加工物
Workpiece
粉末材料
Powder
Upward
Downward
Flow of power suspended in working fluid
Electrode
電極
加工液
Working
Cu
銅
Scan
走査
電極の動き
Motion fluid
粉末
Powder
材料
加工液の
Less
流れが少
flow
ない
被加工物
Workpiece
Accretion
堆積層
Powder
粉末材料
Thin electrode
Rotating disk
Method to make powder concentration thick
100
Accretion
Removal
Supplied
energy
5 mJ
10
1
10
100
Pulse duration ms
1000
Accretion range
○：TiC
●：Ti
△：Fe
△△
△
○
○
△●
0
加工液
Flow
の流れ
加工液
Flow
の流れ
△
400
200
Cu
電極の動き
Motion
1
600
Motion
電極の動き
銅
30
40
50
Diffraction angle deg.
△
Accretion(Ti,TiC)
SEM image
60
Workpiece(S50C)
100μm
Gear-shaped処理面の形状比較
electrode
Result of analysis by XRD
Workpiece
被加工物
表面
surface
Accretion
堆積物
f1
mm
φ1mm電極
の場合
electrode
20μm
500μm
1 mm
約1mm
Rotation
direction
回転方向
Workpiece
被加工物
表面
surface
Ti
C
Cu
Fe
堆積物
Accreted
column
Disk electrode
回転電極
Accretion
堆積物
Rotating
回転電極
の場合
electrode
20μm
500μm
3約3mm
mm
Profile of accretion
ワーク
Workpiece
1mm
Accreted column
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
Result of analysis by EPMA
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
銅
Cu
Discharge current A
圧粉体電極を用いた液中放電堆積加工法
は、厚い層を形成できる。しかし、圧粉体電
極をあらかじめ作る手間がある。また、複雑な
曲面に対しては堆積が困難であるおそれが
ある。粉末混入放電加工では、全体としては
除去加工となるが、混入した粉末が被処理
材中に拡散することが知られている。
本研究では、加工液の流れおよび粉末の
電気的な特性を考慮した上で、チタン粉末を
放電加工液に混入して加工し、被処理材表
面にTiC層および微小構造体を形成した。
放電時に加工液中の粉末濃度を高く保つ
ためには、
•細い電極を用いて加工液をかき混ぜないよ
うにする
•回転電極を用いて粉末を引き込む
の２種類がよいと考えられる。
直径1mmの銅を電極として、加工液にＴｉ粉
末を混入することにより、厚さ約170mm、硬さ
1600HvのTiC層を堆積させた。厚い堆積層
を得るためには、適当な放電電流値とパルス
幅があることが明らかになった。一定箇所で
堆積を続けることで、柱状の堆積も可能であ
る。
回転電極を使用することで均一な堆積層を
得ることができた。
Intensity cps
URL: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Kikai/5k60/
粉末混入加工液を用いた放電堆積加工
CB
Time 5 s/div
x
0
50
Rotation mrad
Displacement mm
Applied voltage to
electromagnet 5 V/div
(1)
Foff
(2)
Fc
(3)
Fon
(4)
Displacement per step
Principle of movement
of 1-DOF mechanism
CC
PA
CA
PB
CB
①
②
①
②
④
(b) +y motion
①
②
③
④
(c) +q motion
Principle of movement
of 3-DOF mechanism
y
x
Piezoelectric
actuator PB
Electromagnet CB
Electromagnet CC
Sensor target
100
Piezoelectric
actuator PA
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
q
y
0
50
Rotation mrad
15
10
5
0 x
-5
-10
-15
-100 -50
Electromagnet CA
100
Applied voltage to piezo actuator V
Movement
Example of movement
Rotation
Displacement/ interference
vs. voltage
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
Appearance of 3-DOF device
150
Displacement mm
Time 5 s/div
Displacement mm
y
3
2
1
0
-1
-2
-3
Rotation mrad
q
③
x motion
Voltage patterns
x
④
(a) +x motion
Applied voltage to piezo actuator V
60
40
20
0
-20
-40
-60
③
1.5
x
100
1
50
0
-50
θ
y
Time 100 ms/div
0.5
0
Rotation mrad
Applied voltage to
piezo actuator 50 V/div
PB
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
Friction
device B
Base
θ
15
10
y
5
0
q
-5
-10
-15
-100 -50
Extension
device
Friction
device A
-0.5
Positioning examples (+x=100mm)
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
走査型プローブ顕微鏡（SPM）などのステージに
は、高い分解能と広範囲に移動可能な多自由度の
機構が必要とされている。広範囲を測定するため
には、粗動機能と微動機能とが必要になる。一般
にそれらの機能は個別の機構で実現される。これ
までに提案されている面内移動機構には、インチ
ワーム機構、インパクト駆動機構などがある。これら
では自由度の増加に伴い制御素子の増加、装置
の大型化、複雑化などの問題が生じる。
アザラシ型3自由度機構は、平面内の3自由度
（xyq）を持ち、制御されるアクチュエータが少ない
にもかかわらず、インチワーム機構による移動機構
とほぼ同様の特性を持つ。摩擦機構の一つで一定
摩擦力 FC を与え、他の摩擦機構をオン･オフ制御
する。これにより、片方の摩擦機構をすりながら移
動する。この動きはアザラシが後足をすりながら移
動するのに似ているため、アザラシ型機構と呼ぶこ
とにする。伸縮素子に圧電素子、摩擦機構に電磁
石を用いた。
x、y方向への並進運動時には回転運動が観察さ
れなかったが、回転運動時には使用する圧電素子
の方向への干渉が観察された。これらの特性を踏
まえて位置決めを行った結果、分解能程度のばら
つきで3方向への位置決めが可能であった。
同じ構造を持つインチワーム機構より制御する必
要のあるアクチュエータが少なく、自由度は多い。
また、1サイクルのステップ数が少ないという利点が
ある。
Displacement mm
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アザラシ型３自由度移動機構
Electrodes
for detection
Electrode
for detection
Piezo
Charge from
power supply
Insulator
∫
Internal
electrode
Charge
amplifier
Piezo
material
Power
supply
Stacked
piezo
Induced
charge
Electrode for detection
Measurement principle of
displacement of stacked piezoelectric
actuator by using induced charge
Electrode for detection
(coupling capacitors)
CP
CC1
Charge
meter
Oscilloscope
Piezo
driver
Induced charge
Power
supply
CC2
Multilayer
piezoelectric actuator
Equivalent circuit of piezoelectric
actuator with electrodes for
detection
Differential
amplifier
Gsys(s)
Charge
amplifier
1/Gsys(s)
Pickup capacitor
High
pass
filter
1
Noise reduction by differential method
Amplitude of noise dB
0
Raw noise
-35 dB
-20
-40
-60
Reduced noise
-80
1
Relationship between
displacement and induced charge
5
0
0
Output of charge
amplifier
-5
-5
0
0.2
0.4
0.6
Time ms
0.8
1
Comparison of Step response
4
10
Displacement
3
5
2
0
Output of
charge amplifier
(feedback)
1
0
0
1
2
3
4
Time s
5
-5
Output of charge
amplifier V
Displacement
1000
With compensation
1
0.5
Without compensation
0
-0.5
0
1
2
3
Time s
4
5
Output of charge amplifier
Result of noise reduction
Displacement mm
5
Output of charge
ampllifier V
10
10
100
Frequency Hz
1.5
Displacement mm
Examples of hysteresis loop
Principle of inverse transfer
function compensation
Output of charge amplifier V
Charge
amplifier
3
Without compensation
2
With compensation
1
0
0
-10
6
1
2
3
Time s
4
7
Result of stair like displacement control
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
Displacement of
Piezoelectric actuator
5
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
圧電素子が持つヒステリシスは，超精密位置決
めにおいて大きな問題となることがある．そこで圧
電素子の両端に導体を配置した場合にそこに生じ
る誘導電荷を測定することで，圧電素子の変位を
推定する方法を提案した．
圧電素子の両端にその内部電極と平行に検出
用電極を設置する．圧電素子に電源より電圧を印
加すると，内部電極に電荷が充電される．最も外
側の内部電極に対向して検出用電極が設置され
ているため検出用電極には内部電荷に比例する
誘導電荷が発生する．本方式は，電圧源による駆
動が可能であるため高速な応答が期待でき，かつ，
電圧源が直接圧電素子に接続されるため，高電
圧を必要としない．また，構造が簡単なため機構
全体を小型に構成することが可能であるという特
徴を持つ．
圧電素子の変位と誘導電荷の比は，振幅，バイ
アス電圧によらず一定であった．また，誘導電荷の
変位に対するヒステリシスは1%であった．逆伝達
関数補償法によりチャージアンプの特性を補正し，
誘導電荷をフィードバックすることで，圧電素子の
変位量を制御した．
Displacement mm
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誘導電荷を利用した圧電素子の
状態認識および変位制御
Base plate
Modified
potion
0 5 mm
Spline
shaft
Driver
Inchworm
mechanisms
Universal
joint
Clamp A
z
Potentiometer
Stage
Stage
x
y
Ball joints
Appearance
z
Base
plate
f1
f3
Weight of whole device
l1
2 kg
3 (along z, and
around x and y)
Degrees of freedom
Inclination
around x and y
Stroke along z
Positioning accuracy
by step mode
Frequency range
by linear mode
l3
Constraint
shaft
P
a
Links
b2
6 kg
Weight of stage
Ball
joints
l2
f182  228 mm
Dimensions
x
r3
O
r2
Specifications
y
r1
f2
Structure
10 deg.
30 mm
30 mm
200 Hz
b1
b3
Stage
1
Shaft
Clamp B
Driver
Clamp A
Tool
Geometrical
arrangement
2
1'
3
Fixed
(a) Motion of intemittent feeder
2 3
1
Clamp A
1'
V
Driver
t
Clamp B
(b) Driving signal
On-off
Intervals of reference
position: 0.5 mm
Movement per step: 10 mm
Driving frequency: 100 Hz
Analog
Controlling link length
by hybrid mode
6
15
6.0 mm
10
5
2.9 mm
0
-5
-10
-15
2
3
1. E-01
1. E+00
1. E+01
1. E+02
1. E+03
1
-1
0
10
10
10
10
10
Frequency Hz
(a) Driving a link
4
2
0
-2
100
Time s
200
Linear mode
Step mode
Motion of stage
Inchworm
mechanism
0.1 mm
0.1
mm
Stage
(a) Line
z
Tool
electrode
y
Workpiece
z
2ﾟ
x
0.1
mm
x
y
(b) Circle
Tool path
Personal computer
(80386, 16MHz)
Position and
Inclination data
Parallel mechanism
Control program
D/A
Forward/Backward
signal
Output of potentiometer
3ch
Shaft
6ch
Driving
signal
3ch
Amplifier
Clamp B
Drivers
Reference
+
DC100V
A/D
I/O
Eroded
surface
Shaft
Amplifier
Clamps A, B
-
LPF
Intermittent
devices
Clamp A
Electrode
Workpiece
Drivers
R
Surface modification with
Silicon
System
configuration
Before and after erosion with
hydrochloric acid for
10 hours
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
Controller
for EDM
Base plate
C
Stage
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
Cross
Length:5 mm, Depth: 0.58
mm,
Width: 1.10 mm,
Angle error: 0.8 deg.,
Machining time: 30 min.
Circle
Diameter: 5 mm, Depth: 1.28
mm
Roundness:
0.142 mm
(inner),
0.126 mm (outer)
Error of center: 0.043 mm,
Machining time: 70 min.
Potentiometer
Constraint link
-6
0
5 mm
Ball
spline
Clamp B
-4
0
Base
plate
Ball joint
Amplitude dB
電極加工の時間を短縮化しかつ複雑
な形状の加工を可能とするために，単純
形状電極を走査することで形状を創成す
る放電加工法が有効である．一方，近年
パラレルメカニズムを工作機械に適用す
ることが提案されている．パラレルメカニ
ズムは，高剛性，多自由度であり，高応
答性を持たせることも可能である．そこで，
本研究ではインチワーム機構を用いたパ
ラレルメカニズムを開発し，それをエンド
エフェクタとして走査放電加工を行った．
機構は，3本のインチワーム機構により
先端に取り付けられたステージの高さと
姿勢を変化させる．中心にはz軸回りの
回転を拘束するリンクが取り付けられて
いる．したがって，本機構はxy軸回りの
回転運動，z軸に沿った並進運動の3自
由度を持つ．粗位置決めおよび長スト
ロークの送りはステップ状の送りで行う．
加工中の電極のサーボは，ドライバの伸
縮を用いる．
運動精度を測定した結果，粗動モード
ではz方向高さで30mm，角度で0.04°程
度のばらつきを持つことが明らかになっ
た．本機構を用いてPoint To Point方式
で目標値を与えながら溝加工を行った結
果，加工精度は位置決め精度と同程度
であった．
Main axis of
electrical discharge
machine
Displacement mm
URL: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Kikai/5k60/
パラレル機構を用いた
走査放電加工用エンドエフェクタ
6
4
2
0
1.0
Normal oil
0.8
0
1
10
100
Interval ms
1000
Roughness vs. interval
Roughness Ry mm
Roughness Ry mm
4
3
2
1
0
0
20
40
60
MoS2 powder concentration g/l
4
3
2
1
0
0
10
20
30
Ratio of Al wt%
Roughness vs.
MoS2 concentration
Roughness
vs. ratio of Al
Influence of powder concentration
●‥MoS2，▲‥CrFeNi，△‥FeC，■‥Fe2C，□‥Fe3C，×‥Fe2Mo3
□
△
▲
800
▲
600
■
400
□
△
△
200
20
30 40
50
●
800
60
70
Diffraction angle 2q deg
△
▲
600
400
■
200
△△
0 10
□×
1000
Intensity CPS
1000
□▲
△
△
△△
0 10 20 30 40 50 60
Diffraction angle 2q deg
Without MoS2 powder
70
With MoS2 powder
Result of X-ray diffraction
SEM image
Mo-La
S-Ka
Surface
(-)
320 V
2A
2 ms
8 ms
100μm
Cross-section
Resin
Workpiece
5μm
Result of EPMA analysis
MoS2：2g/l
Ry=2.0mm
Ry=3.2mm
MoS2：20g/l
0.6
◆ 2A ■ 5A
▲ 10A ● 15A
Influence of electrical conditions
Electrical conditions for deposition
of MoS2 during finishing EDM
Polarity
Gap open voltage
Discharge current
Pulse duration
Interval
◆ 2A
■ 5A
▲ 10A
● 15A
5
10
15
20
Pulse duration ms
12
10
8
6
4
2
0
Ry=1.4mm
Cracks
W
0.4
SUJ2
0.2
Al：10wt%（MoS2：18g/l，Al：2g/l）
0
2000
4000
Number of reciprocating motion
Results of friction test
MoS2 powder
20g/l
6000
Without powder
MoS2：Al=90：10wt%
(MoS2=18g/l，Al=2g/l）
With powder
Appearance of machined surface
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
8
Roughness Ry mm
Roughness Ry mm
10
Roughness vs. pulse
duration
Intensity CPS
1998年より始まった国際宇宙ステーショ
ンの建設により、宇宙開発に必要な要素
技術の開発が急務とされている。宇宙機
器においては、しゅう動部には固体潤滑
剤が用いられることが多い。現在はスパッ
タリングなどが用いられるが、高温処理に
よる熱ひずみや、寸法および形状への制
限がある。
本研究では、固体潤滑剤である二硫化
モリブデン粉末を加工液に混入すること
で放電加工し、面粗さを向上させると同
時に、潤滑層を形成することを目的とす
る。
加工液中へのMoS2粉末の混入により、
面粗さの向上とMoS2 の加工面への分布
が可能であった。加工条件はシリコン粉
末混入などと同様である。MoS2に適量の
Alを混合した粉末を用いることでMoS2 粉
末のみで用いた場合に比べ、さらに面粗
さが向上した。
加工液中にMoS2粉末を混入し、放電加
工を行なうことで得られた加工面は、通常
加工液を用いた場合の加工面に比べ、
摩擦係数が低下した。
金型の離型性をよくするためにも有効
であると考えられる。
Friction coefficient m
URL: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Kikai/5k60/
粉末混入放電加工による
仕上げ面と潤滑面の同時形成
Reference plane
Machining Working
with displacement
fluid
energy
Chips Waste
sensors
一般のロボットは動作範囲が広いが，全領域
にわたって高精度に位置を測定することは困難
であり，装置は高価になる．またこれらはシリア
ルメカニズムで構成されているため，姿勢の変
化により慣性や剛性が大きく変化する．宇宙用
マニピュレータは剛性が低く，位置決め精度の
向上が困難である．そこで，大型工作物などの
局所的な加工における位置決め精度を向上す
るためにローカル ･マシニング･ステーション
(LMS)方式を開発した．
本方式では，工作物にＬＭＳを吸着させること
で剛性を改善する．工作物にあらかじめ加工さ
れた形状を基準として局所領域で位置決めす
るため，測定範囲が限定され，高い位置決め精
度が得られる．
LMSは変位測定機能を持つ移動基準面，多
自由度小型加工機，可変長脚，吸着装置等か
ら構成される．そして，吸着装置により工作物に
固定され，工作物面上に穴や溝などの形状を
加工する．移動基準面上を走行する多自由度
加工機は小型であるため高応答性が期待でき
る．脚はリニアアクチュエータで構成されるため，
その長さを変えることで移動基準面と工作物の
相対位置を変化させることができる．工作物に
対する移動基準面の高さと傾きは，小型加工
機に搭載した距離センサにより測定する．小型
加工機の位置は移動基準面に設けられた変位
センサで測定する．
ロボット単体と比較した結果，放電加工された
穴の位置はＬＭＳを用いた方の精度が高かっ
た．
Extendable legs
Adhesion pad
Workpiece
Miniaturized
machine tool
Concept of Local Machining Station
(LMS)
DC motor
XY stage
Base plate
Potentiometer
Extendable
leg
Triangulation sensor
Electrode feeder
Appearance of LMS
Carrier
robot
LMS3
LMS1
LMS2
Workpiece
LMS as portable machine tool
LMS
Workpiece
Robot for press
LMS as end effector of robot arm
m
m
Usage of LMS
Scanning area
yLMS
positioning with stage
④(4) Precise
加工機の高精度位置決め
ロボッ ト
LMS
LMS
Robot
yWL
Reference
Reference
yLMS
y2
y2
y1
y1
to be machined
xWL
OWL
2 mm
Machine
加 工 機tool
2 mm
加工結果写真
OLMS
Workpiece
被
加工面
Workpiece
被加工面
control
②(2) Inclination
姿勢の位置決め制御
Obtained coordinate
system
2 mm
coordinate system
③(3) Setting
被加工面上の座標設定
2 mm
①ロボットによる粗位置決め
(1) Rough positioning with robot
Arrangement of holes
x1
x2
xLMS
OLMS
x1
x2
xLMS
Rough interval
y
(5) Machining
holes
⑤
加工機による加工
x
Scanning area
基準点of SWL
Origin
yLMS
y2
加工機
Machine tool
Machined
加工位置 portion
Fine interval
y1
5mm
被加工面
Workpiece
被加工面
Workpiece
Workpiece
被加工面
Reference
OLMS
Machining sequence
x1
x2
xLMS
Setting coordinate system
by using holes as reference
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
mm
Average
Std. dev.
Position
LMS
18
－
Pitch
LMS
4
3
Robot
3
19
Results of machining
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
Tool
1
URL: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Kikai/5k60/
ローカル・マシニング・
ステーション方式による精密加工
(a) Start
(b) Slow contraction
(c) Sudden stop
(d) Rapid extension
Voltage
(e) End
Voltage V
Principle of movement
100
50
0
0
10
20
30
Time ms
40
Movement mm
Voltage pattern
10
0
0
10
20
30
Time ms
40
Displacement mm
Movement in horizontal direction on dry base
1
0
-1
0
10
20
30
Time ms
40
Movement mm
Displacement in vertical direction on dry base
10
0
0
10
20
30
Time ms
40
Movement in horizontal direction on wet base
(Fluid: EDF-K)
1
0
-1
0
10
20
30
Time ms
40
Displacement in vertical direction on wet base
(Fluid: EDF-K)
Examples of movement
Frequency
600
500
M 64 g
 V 10 V
m 23 g
T trav 60 ms
T w 1 ms
400
Acc 1.5 m/s2
Pattern No. 3
Oil32
Oil68
EDF-K
300
Dry
200
100
0
220
240
260
Movement mm/1000 pulses
280
Medium step
Movement vs. applied voltage
Movement vs. traverse time
400
300
M 64 g
 V 50 V
Acc 1.5 m/s2
Pattern No. 3
m 23 g
T trav 60 ms
Tw 1 ms
Oil68
200
Oil32
EDF-K
100
Dry
0
160
170
180
190
Movement mm/100 pulses
200
Coarse step
Distribution of movement
Movement in viscous fluid
(C)2001 豊田工業大学・生産
工学研究室
Movement vs. acceleration
12-1, Hisakata 2-chome, Tempaku-ku, Nagoya 468-8511 JAPAN
本研究は東京大学大学院・樋口俊郎教授と共同で実施してい
る．
Main object Piezo Counter object
Displacement mm
インパクト駆動機構は，圧電素子の急速変形時
に発生する衝撃的な慣性力と摩擦力とを利用し，
nm～mmオーダのステップ状の移動を行う．
以下のサイクルを繰り返すことで左に進む．
(1) 圧電素子を伸ばす．
(2) 圧電素子を一定加速度でゆっくりと縮める．
移動体に発生する慣性体の向きへの慣性力は，
ベースとの間に働く逆向きの静止摩擦力より小さ
いため，移動体は止まったままとなる．
(3) 圧電素子の収縮を急に止める．慣性体が移
動体に衝突したような効果が得られ，わずかに左
に移動し始める．
(4) (3)が終了するのと同時に圧電素子を急に伸
ばす．この時に発生する慣性力はベースと移動
体間の摩擦力よりもはるかに大きいため，さらに
左に移動する．
(5) 運動エネルギーが摩擦エネルギーにより失
われるまで移動し，サイクルが終了する．
右に進む場合には，上記のサイクルで圧電素
子の伸縮を逆にする．
上記と類似した原理により駆動される機構は，
すべて乾燥摩擦面上でしか用いられていなかっ
た．しかし，潤滑油を塗布した面上や，油中でも
駆動可能であることが明らかになった．
Frequency
URL: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Kikai/5k60/
インパクト駆動機構の開発