超小型自律制御放電加工装置の開発
1. はじめに
放電加工では，電極と工作物の間に パルス状の電圧を印加し，電極と工作 物の間（極間）の任意位置で生じる単 発の放電を繰り返させることによっ て，材料除去が行われる．したがって，
加工速度を上昇させるためには，材料 除去に寄与する単発放電の単位時間当 たりの発生数を可能な限り多くする必 要がある．これを実現させるため，放 電加工機は，電極と工作物の距離（極 間距離）が常時適切な距離になるよう に，極間の電圧と電流の測定値をもと に電極の位置をフィードバック制御に
よって調整している．当然のことなが ら，このような制御系の構築には，極 間電圧・電流の測定器や電極位置の制 御機器などの装置が不可欠となる．
これに対し，筆者らのグループは，
測定器や制御機器などを必要とせず，
自律的に極間距離を制御することに よって放電加工を実現する超小型装置 の開発を目指し，極間距離自動制御機 構（Automatic Discharge Gap Con- troller： ADGC）を開発した．本稿で は，ADGC およびその小型化と性能 向上について紹介する．
2. ADGC の構造と動作
図 1に ADGC の基本構造と動作過 程 を 示 す． こ の 図 に 示 す よ う に，
SMA（Shape Memory Alloy）製のば ねとばね鋼製のバイアスばねが互いに 拮抗するように組み立てられている．
このアクチュエータはバイアス式 2 方 向性素子と呼ばれ，その入力と出力は それぞれ SMA の温度昇降と軸の移動 である．ADGC は，その素子の軸に 電極が取り付けられ，かつ，放電加工 時に発生する電流が SMA を流れるよ うに設計されたものである．SMA は 通電加熱が可能であるため，同図に示 す過程のように，電極の位置は自動的 かつ自律的に制御され，安定な放電加 工が実現される極間距離となるように 常に調整される．なお，この過程の実 現には，加熱・冷却時の SMA の温度 がその変態温度をまたぐように設計す る必要がある．
3. 試作機と改良機
試作機（1）では，バイアス式 2 方向性 素子の SMA ばねとバイアスばねをそ れぞれ 3 本の引張コイルばねと 1 本の 圧縮コイルばねとしたため，複雑な設 計と困難な組立を余儀なくされた．こ の問題を解決するための改良を施し た．図 2（a）に改良機の構造を示す．
改良機（2）では，そのバイアス式 2 方向 性素子の SMA ばねとバイアスばねを それぞれ 1 本の圧縮コイルばねとして も，ADGC としての機能を発現でき る設計解を見出して採用した．図 2（b）
に試作機と改良機の外観比較を示す．
両図とも同じ縮尺であるため，試作機 に比べて改良機が大幅に小型化された ことがわかる．
4. 改良機の性能検証実験
図 3に ADGC の極間距離制御性能 を検証する実験の方法を示す．図 3（a）
に示すように，ADGC を極間距離制 御機能を停止させた放電加工機の主軸 に取り付け，加工電圧の印加状態を維 持したまま，極間距離を放電が発生し ない最小距離とする．次に，図 3（b）
に示すように，主軸を速度
v
で距離h
だけ工作物の方向に移動させ停止させ る．すると，ADGC により極間距離 は制御され，放電加工が開始される．その後，図 3（c）に示すように，深 さ
h
の穴が加工され，放電加工が終了 する．このとき，ADGC が短絡せず に放電加工を完了できる接近距離の最 大値h
maxを，その ADGC の有する極 間距離制御性能の指標とした．図 4に試作機と改良機の
h
maxの比較 および電極の設計可動範囲に対するh
maxの割合の比較を示す．接近速度v
は 1.2mm/min とした．試作機と改良 機 のh
maxは そ れ ぞ れ 50μm と 850μm となり，劇的に極間距離制御性能が向 上していることがわかる．また，設計 電極動作範囲はそれぞれ 1 000μm と 850μm であり，改良機が設計された 電極動作範囲の 100%を使用できてい ることから，改良機が設計どおりに動 作していることがわかる．5. おわりに
自律的に極間距離を制御することに より放電加工を実現する機構すなわち 極間距離自動制御機構（ADGC）の開 発およびその小型化と性能向上につい て紹介した．今後は，ADGC の各種 設計パラメータと動作特性や放電加工 特性の関係を明らかにすることによっ て，さまざまな用途に適した ADGC の設計製作方法および運用方法を提案 できるようなシステムを構築したいと 考えている．
（原稿受付 2010 年 1 月 26 日）
〔石田 徹 大阪大学〕
●文 献
（ 1 ）石田 徹・竹内芳美，自走式放電加工機構 による曲がり穴加工 ―電極間距離の自動 制御機構―，精密工学会誌，65-2，（1999），
245-249．
（ 2 ）北 正彦・石田 徹・寺本孝司・竹内芳美，
曲がり穴放電加工用マイクロロボットの開 発 ―極間距離自動制御機構の改良による 小型化と性能向上―，精密工学会誌，75-11
（2009），1355-1359．
図 1 極間距離自動制御機構の基本構造 と動作過程
バイアス式 2 方向性素子
バイアスばね
工作物に接近
工作物 へ接近
放電 極間距離過小
極間距離拡大 極間距離縮小
常に適切な極間距離に収束 適切な極間距離
自律的で安定な放電加工の実現 極間距離過大 放電電流増加
放電加工電源
放電加工電源
放電加工電源
：放電
形状記憶合金
通電加熱 形状記憶合金 冷却 放電電流減少 電極 形状記憶合金ばね
工作物 軸
図 2 改良機と試作機
筐体 上スリーブ
下スリーブ バイアスばね
（圧縮コイル ばね）
SMA ばね
（圧縮コイルばね）
T 形軸 放電電流 供給ケーブル メカニカル
ストッパ
電極
電極
20mm 電極 20mm バイアス式
2 方向性素子
バイアス式 2 方向性素子
（a）改良機の構造 （b）改良機と試作機の外観の比較
（ⅰ）改良機 （ⅱ）試作機 王冠形
絶縁体
図 3 極間距離制御性能の検証実験
加工機 主軸 ,
極間距離 制御動作
電極
工作物
（a）初期状態 （b）主軸の接近と停止 （c）加工終了後
：放電 加工液
図 4 極間距離制御性能の比較
1 000 800 600 400 200
0 0
50 100 ％
試作機 改良機
最大加工可能接近距離：max µm
電極の設計可動範囲に対する 最大加工可能接近距離の割合
392 日本機械学会誌 2010.5 Vol.113No.1098
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