JP2000271749A - プラズマ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作者の目視によらずにプラズマトーチのノ
ズルとワークとの接触防止が図られるプラズマ加工装置
を提供する。 【解決手段】 プラズマ加工装置において、プラズマト
ーチ１の導体ノズル２と被切断材Ｗ（ワーク）間の電圧
を測定する電圧検出器１１を設け、電圧検出器１１の出
力に基づいてアークの発生、停止を含むプラズマ加工装
置の運転を制御する制御装置１２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ化した高
温のガスによってワークの加工を行うプラズマ加工装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ加工装置は、先端に開口部を有
する導体ノズルと、導体ノズルの内部に配設された電極
とを備え、導体ノズルに導入したガスを開口部から前方
に噴出せしめる一方、電極と導体ノズル及び導体ノズル
の開口部の前方に配置されるワークとの間に電圧を印加
しこれらの間にアークを生じせしめてガスをプラズマ化
して高温のプラズマガスとするものである。そして、こ
れら電極及び導体ノズルを一体的にまとめた部材（以
下、プラズマトーチと呼ぶ）をワークに対して上下左右
に移動させることで、プラズマトーチから噴出されるプ
ラズマガスによってワークの加工を行うものである。ま
た、プラズマ加工装置としては、ワークを水槽式切断定
盤内に水没させた状態で切断する水プラズマ切断という
加工方法に用いるものも知られている。上記したこれら
のプラズマ加工装置においては、電極と導体ノズルとの
間に安定してアークを発生させるため、また操作者の感
電防止等の理由から、導体ノズルの先端にセラミックス
等の絶縁部材を配したり、先端がセラミックス等の絶縁
部材で覆われている導体ノズルを使用するものが知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】導体ノズルの先端とワ
ークとの間に絶縁部材が配されるプラズマトーチを用い
るプラズマ加工装置では、この絶縁部材がセラミックス
等の脆性を有する素材からなるためにプラズマトーチを
移動させた際に絶縁部材がワークと接触した場合には絶
縁部材が破損する恐れがあり、また絶縁部材とワークと
が接触することでワークに加工不良が生じる恐れがある
ので、従来は操作者が導体ノズルの先端に配される絶縁
部材とワークとの間隔を目視によって監視しながらプラ
ズマ加工装置の動作制御を行っていた。しかし、操作者
の目視による絶縁部材とワークとの間隔の監視、特に水
プラズマ切断を行う場合におけるこれらの監視は容易で
はないという問題があった。

【０００４】この発明は、上記事情に鑑みてなされたも
ので、操作者の目視によらずにプラズマトーチの導体ノ
ズルの先端に設けられる絶縁部材とワークとの接触防止
が図られるプラズマ加工装置を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載のプラズマ加工装置においては、先端
に開口部を有する導体ノズルと、該導体ノズルの内部に
配設された電極と、前記導体ノズルの先端外面側に配置
された絶縁部材とを備え、前記導体ノズルに導入したガ
スを前記開口部から前方に噴出せしめる一方、前記電極
と前記導体ノズル及び前記絶縁部材の前方に配置される
ワークとの間に電圧を印加しこれらの間にアークを生じ
せしめて前記ガスをプラズマ化することにより前記ワー
クを加工するプラズマ加工装置において、前記導体ノズ
ルと前記ワークとの間の電圧を検出する電圧検出器と、
該電圧検出器の出力に基づいて前記アークの発生、停止
を含む前記プラズマ加工装置の運転を制御する制御装置
とを備えてなることを特徴とする。

【０００６】このように構成されるプラズマ加工装置に
おいては、電圧検出器によって導体ノズルとワークとの
間の電圧を検出し、電圧検出器の出力に基づいて制御装
置がアークの発生、停止を含む装置の運転を制御する。

【０００７】請求項２記載のプラズマ加工装置において
は、前記制御装置は、前記電圧検出器の出力に基づいて
アラームを駆動するアラーム駆動手段を備えることを特
徴とする。このように構成されるプラズマ加工装置にお
いては、電圧検出手段の出力に基づいてアラーム駆動手
段によってアラームが駆動される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下より、図１及び図２を参照し
て本発明のプラズマ加工装置の一実施の形態を説明す
る。ここで説明する実施の形態は、この発明を水プラズ
マ切断、すなわちワークを水槽式切断定盤内に水没させ
た状態で切断する水プラズマ切断という加工に用いるプ
ラズマ加工装置に適用した例を示している。

【０００９】図１において、符号１はプラズマ加工装置
（図示せず）の構成部材であるプラズマトーチであり、
符号Ｗは被切断材（ワーク）、符号Ｐは水槽式切断定盤
の水槽部である。ここで、被切断材Ｗは導電性を有する
素材からなるものであって、水槽部Ｐ中でプラズマトー
チ１の導体ノズル２の内部側噴出口２ａ（後述）及び絶
縁体ノズル４の外部側噴出口４ａ（後述）の対向面に配
置されている。

【００１０】プラズマトーチ１は、プラズマ加工装置の
トーチ移動手段（図示せず）によって上下左右に移動さ
れる略中空円筒形状のプラズマトーチ本体１ａの先端部
分に、先端に第一の開口部２ａが形成される導体製の導
体ノズル２を設け、プラズマトーチ本体１ａ先端部分内
部に、プラズマトーチ本体１ａ及び導体ノズル２との間
に流通空間Ｓ１を形成しつつ導体ノズル２の内面側とは
非接触状態となるようにして電極３を設けたものであ
る。ここで、導体ノズル２の先端外面側には、導体ノズ
ル２との間に流通空間Ｓ２を形成しつつ導体ノズル２の
先端を覆い、かつ先端に第二の開口部４ａが形成される
セラミックス製の絶縁体ノズル４（絶縁部材）が設けら
れている。絶縁体ノズル４は、その先端部分を除いて、
プラズマトーチ本体１ａの先端部分に取り付けられるキ
ャップ５によって覆われている。また、導体ノズル２の
第一の開口部２ａと絶縁体ノズル４の第二の開口部４ａ
とは、その軸が一致するよう配されている。

【００１１】導体ノズル２と電極３との間に形成される
流通空間Ｓ１は、プラズマトーチ本体１ａを通じてプラ
ズマガスの元となるガスを供給するガス供給源（図示せ
ず）に接続されており、流通空間Ｓ１内に供給されたガ
スは、導体ノズル２の第一の開口部２ａから導体ノズル
２の前方、すなわち導体ノズル２の先端側に噴出される
よう配されている。導体ノズル２と絶縁体ノズル４との
間に形成される流通空間Ｓ２は、プラズマトーチ本体１
ａ及び導体ノズル２とキャップ５との間に形成される流
通空間Ｓ３を通じて、導体ノズル２の第一の開口部２ａ
から噴出させるプラズマガスを冷却して収束させるため
のシールド水を供給するシールド水供給手段（図示せ
ず）に接続されており、流通空間Ｓ２内に供給されたシ
ールド水は、絶縁体ノズル４の第二の開口部４ａから絶
縁体ノズル４の前方、すなわち絶縁体ノズル４の先端側
に噴出されるよう配されている。また、導体ノズル２の
先端部外面側または絶縁体ノズル４の先端部内面側に
は、第二の開口部４ａから噴出されるシールド水に旋回
を与えるための旋回流付与手段（図示せず）が設けられ
ている。

【００１２】上記プラズマトーチ１には、図１に示すよ
うな電気回路が接続されている。まず、電極３と被切断
材Ｗ（ワーク）との間には、プラズマアーク電源６によ
って運転用の電圧が印加されるようになっており、この
間の回路には、電圧の印加、遮断を行うスイッチＳＷ１
が介装されている。また、電極３と導体ノズル２との間
には、パイロットアーク電源７によって所定の電圧が印
加されるようになっており、この間の回路には、電圧の
印加、遮断を行うスイッチＳＷ２が介装されている。さ
らに、電極３と被切断材との間には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ
２が直列接続された状態で介装されており、抵抗Ｒ１と
抵抗Ｒ２との接続点（ａ点）は、導体ノズル２に接続さ
れている。なお、抵抗Ｒ２と被切断材Ｗとの接続点をｂ
点とする。ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ２は、実際にはプラズ
マ切断機の構造上の理由からこの電気回路中に配される
各種機器であるが、ここではこの電気回路の接続の様子
を示すために、模式的に抵抗として表している。また、
これら抵抗Ｒ１、Ｒ２は、その抵抗値が高いためにほと
んど電流を通さず、他の回路にはほとんど影響を与えな
いものである。そして、抵抗Ｒ２の両端に加わる電圧、
すなわち導体ノズル２と被切断材Ｗとの間の電圧Ｖ１
は、電圧検出器１１によって検出されるようになってお
り、この検出出力はアークの発生、停止を含むプラズマ
加工装置の運転を制御する制御装置１２に入力されるよ
うになっている。

【００１３】制御装置１２は、図２に示すように、電圧
検出器１１の接続端子に接続されて電圧検出器１１によ
って検出された基準電圧Ｖ０（後述）を記憶する基準電
圧記憶部１３と、一方の入力端子に電圧検出器１１の出
力端子が接続され、他方の入力端子に基準電圧記憶部１
３の出力端子が接続される比較器１４とを備えている。
なお、図２では、制御装置１２の構成をわかりやすくす
るために、電圧検出器１１と制御装置１２の位置関係を
入れ替えて図示している。比較器１４は、電圧検出器１
１から送られる電圧Ｖ１の検出値と基準電圧記憶部１３
に記憶される基準電圧Ｖ０とを比較し、電圧Ｖ１が基準
電圧Ｖ０を所定の値下回った時点でアラーム信号Ａを出
力するものである。このアラーム信号Ａは、アラーム
（図示せず）を駆動するアラーム駆動装置１５（アラー
ム駆動手段）及び制御装置本体１６に供給されるように
なっている。

【００１４】アラーム駆動装置１５は、比較器１４から
のアラーム信号Ａを受けることで、アラーム（図示せ
ず）を駆動するものである。アラームは、この実施の形
態では警報音を発するものである。また、制御装置本体
１６は、比較器１４からのアラーム信号Ａを受けること
で、前記したトーチ移動手段（図示せず）の動作を制御
してプラズマトーチ１の移動を停止させ、これと並行し
て、電極３と被切断材Ｗ（ワーク）との間の回路に設け
られるスイッチＳＷ１をＯＦＦにして電極３と被切断材
Ｗとの間に印加される電圧を遮断して、これらの間での
アークの発生を停止させるものである。

【００１５】上記の構成からなるプラズマ加工装置を用
いた被切断材Ｗの加工、すなわち被切断材Ｗの切断（溶
断）作業について説明する。まず、図１の電気回路でス
イッチＳＷ２をＯＮにして、パイロットアーク電源７に
よってプラズマトーチ１の電極３と導体ノズル２との間
に電圧を印加する。その一方、プラズマトーチ本体１ａ
を通じて電極３と導体ノズル２との間に形成される流通
空間Ｓ１内に、ガス供給源からプラズマガスの元となる
ガスを供給し、導体ノズル２の第一の開口部２ａから導
体ノズル２外へ噴出させる。ここで、電極３と導体ノズ
ル２との間にはパイロットアークが生じるので、このパ
イロットアークによってガスが加熱されてプラズマ化
し、高温のプラズマガスに変化する。

【００１６】次に、パイロットアークによるガスのプラ
ズマ化が安定して行われるようになった後、図１におけ
る電気回路のスイッチＳＷ１をＯＮにして、プラズマア
ーク電源６によって電極３と被切断材Ｗとの間に電圧を
印加し、これらの間にアークを発生させる。そして、図
１における電気回路のスイッチＳＷ２をＯＦＦにして電
極３と導体ノズル２との間に印加される電圧を遮断して
これらの間でのパイロットアークの発生を停止させて、
以後は電極３と被切断材Ｗとの間に生じるアークによっ
てガスのプラズマ化を持続させる。

【００１７】上記の手順と並行して、流通空間Ｓ２に、
プラズマトーチ本体１ａ及び導体ノズル２とキャップ５
との間に形成される流通空間Ｓ３を通じてシールド水供
給手段（図示せず）からシールド水を供給する。そし
て、このシールド水を絶縁体ノズル４の第二の開口部４
ａから、旋回流付与手段（図示せず）によってプラズマ
ガスの周囲で旋回するよう旋回流を付与しつつ噴出さ
せ、これによってプラズマガスを冷却してプラズマガス
を収束させる。そしてこの状態でプラズマトーチ１をト
ーチ移動手段（図示せず）によって被切断材Ｗに近接さ
せることで、導体ノズル２の第一の開口部２ａから噴出
されて、絶縁体ノズル４の第二の開口部２ａから噴出さ
れるシールド水により冷却されて収束されたプラズマガ
スによって被切断材Ｗを切断（溶断）する。

【００１８】この場合において、プラズマトーチ１を被
切断材Ｗに対して接近させることにより、電極３と被切
断材Ｗとの間に生じるアークの長さが短くなり、プラズ
マトーチ１の電極３と被切断材Ｗとの間の電圧が低下す
る。そして、これに伴って、図１記載の電気回路の抵抗
Ｒ１、Ｒ２の両端間に加わる電圧も低下する。このプラ
ズマ加工装置においては、抵抗Ｒ２の両端に加わる電
圧、すなわち導体ノズル２と被切断材Ｗとの間の電圧Ｖ
１を電圧検出器１１によって検出し、電圧検出器１１の
出力、すなわち電圧Ｖ１の測定値に基づいて制御装置１
２がプラズマ加工装置の動作を制御することで、プラズ
マトーチ１と被切断材Ｗとの接近による絶縁体ノズル４
と被切断材Ｗとの接触を防止することができるのであ
る。

【００１９】制御装置１２によるプラズマ加工装置の制
御は次のようにして行われる。まず、被切断材Ｗの切断
（溶断）を行う前に、プラズマトーチ１の絶縁体ノズル
４と被切断材Ｗを、絶縁体ノズル４の保護と被切断材Ｗ
の加工不良防止の観点から、許容できる限度まで近接さ
せる。次に、この状態のままプラズマ加工装置を動作さ
せて電極３と被切断材Ｗとの間にアークを発生させ、こ
のときに電圧検出器１１によって導体ノズル２と被切断
材Ｗとの間に生じる電圧を検出する。そしてこの電圧を
基準電圧記憶部１３に出力し基準電圧Ｖ０として記憶さ
せる。

【００２０】次に、実際にプラズマ加工装置によって被
切断材Ｗの切断（溶断）を行う。そして、この切断作業
の間中、電圧検出器１１によって導体ノズル２と被切断
材Ｗとの間の電圧Ｖ１を検出し、比較器１４の一方の入
力端子に電圧Ｖ１の検出値を出力する。同時に、基準電
圧記憶部１３から基準電圧Ｖ０を比較器１４の他方の入
力端子に出力する。

【００２１】そして、比較器１４によって、電圧検出器
１１から入力される電圧Ｖ１と基準電圧記憶部１３から
入力される基準電圧Ｖ０との比較を行い、電圧Ｖ１が基
準電圧Ｖ０を所定の値下回った時点で比較器１４からア
ラーム信号Ａをアラーム駆動装置１５及び制御装置本体
１６に出力する。ここで、図３として、絶縁体ノズル４
と被切断材Ｗ間の距離とこれらの間の電圧との関係の例
を示すグラフを示す。基準電圧Ｖ０を、絶縁体ノズル４
と被切断材Ｗ間の距離が約２（ｍｍ）である場合におけ
る絶縁体ノズル４と被切断材Ｗ間の電圧、すなわち約７
０（Ｖ）とする。そして、被切断材Ｗの切断（溶断）の
ために、絶縁体ノズル４と被切断材Ｗ間の距離を約８
（ｍｍ）とした状態から絶縁体ノズル４が被切断材Ｗに
近づくにつれて、上述した理由から、これら絶縁体ノズ
ル４と被切断材Ｗ間の電圧Ｖ１が低下してゆく。そし
て、電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０である約７０（Ｖ）を所定
の値下回った時点で、比較器１４からアラーム信号Ａが
アラーム駆動装置１５及び制御装置本体１６に出力され
る。

【００２２】そして、アラーム信号Ａを受け取ることで
アラーム駆動装置１５がアラームを駆動して警報音を発
生させて、操作者に絶縁体ノズル４と被切断材Ｗとの許
容限度以上の近接を知らせる。同時に、アラーム信号Ａ
を受け取ることで制御装置本体１６がプラズマ加工装置
のトーチ移動手段（図示せず）の動作を制御してプラズ
マトーチ１の移動を停止させ、これと並行して、電極３
と被切断材Ｗ（ワーク）との間の回路に設けられるスイ
ッチＳＷ１をＯＦＦにして電極３と被切断材Ｗとの間に
印加される電圧を遮断して、これらの間でのアークの発
生を停止させる。

【００２３】このように構成されるプラズマ加工装置に
おいては、プラズマトーチ１の絶縁体ノズル４と被切断
材Ｗを許容できる限度まで近接させた状態での導体ノズ
ル２と被切断材Ｗとの間の電圧が、電圧検出器１１によ
って検出されて基準電圧記憶部に出力され、この電圧が
基準電圧Ｖ０として基準電圧記憶部１３に記憶されると
ともに、この基準電圧Ｖ０の値が基準電圧記憶部１３か
ら比較器１４に出力される。そして、プラズマ加工装置
による被切断材Ｗの切断作業中の導体ノズル２と被切断
材Ｗとの間の電圧Ｖ１が電圧検出器１１によって検出さ
れて比較器１４に出力される。そして、比較器１４によ
って電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０と比較され、電圧Ｖ１が基
準電圧Ｖ０を所定の値下回った時点で比較器１４がアラ
ーム信号Ａを発し、このアラーム信号Ａを受けることで
アラーム駆動装置１５がアラームを駆動して操作者に絶
縁体ノズル４と被切断材Ｗとの許容限度以上の近接を知
らせる警報音を発生させるとともに、制御装置本体１６
がプラズマ加工装置のトーチ移動手段の動作を制御して
プラズマトーチ１の移動を停止させ、これと並行して、
電極３と被切断材Ｗ（ワーク）との間の回路に設けられ
るスイッチＳＷ１をＯＦＦにして電極３と被切断材Ｗと
の間に印加される電圧を遮断して、これらの間でのアー
クの発生を停止させる。

【００２４】このように構成されるプラズマ加工装置に
よれば、プラズマトーチ１の導体ノズル２と被切断材Ｗ
（ワーク）との間の電圧Ｖ１と基準電圧Ｖ０とを比較す
ることで、プラズマトーチ１の絶縁体ノズル４（絶縁部
材）と被切断材Ｗとの許容限度以上の近接が検知され、
これによって制御装置本体１６がプラズマ加工装置のト
ーチ移動手段の動作を制御してプラズマトーチ１の移動
を停止させるので、絶縁体ノズル４と被切断材Ｗとの接
触が防止される。また、同時にアラーム駆動装置１５が
アラームを駆動して警報音を発生させ、操作者にプラズ
マトーチ１の絶縁体ノズル４と被切断材Ｗとの許容限度
以上の近接を警告するので、操作者の目視によらずにプ
ラズマトーチ１の導体ノズル２の先端に設けられる絶縁
体ノズル４と被切断材Ｗとの接触防止を図ることができ
る。また、プラズマトーチ１の絶縁体ノズル４と被切断
材Ｗとの許容限度以上の近接を検知することによって、
制御装置本体１６が電極３と被切断材Ｗとの間の回路に
設けられるスイッチＳＷ１をＯＦＦにして電極３と被切
断材Ｗとの間に印加される電圧を遮断し、これらの間で
のアークの発生を停止させるので、絶縁体ノズル４と被
切断材Ｗとが接触することによる被切断材Ｗの加工不良
を防止することができる。

【００２５】なお、上記実施の形態では、この発明を水
プラズマ切断、すなわちワークを水槽式切断定盤内に水
没させた状態で切断する水プラズマ切断という加工に用
いるプラズマ加工装置に適用した例を示したが、これに
限られることなく、通常の加工方法を用いるプラズマ加
工装置に適用しても構わない。また、上記実施の形態で
は、基準電圧Ｖ０として、プラズマトーチ１の絶縁体ノ
ズル４と被切断材Ｗとを許容できる限度まで近接させた
状態での導体ノズル２と被切断材Ｗとの間の電圧を用い
たが、これに限られることなく、絶縁体ノズル４と被切
断材Ｗとを任意の距離まで近接させた状態でのこれらの
間の電圧を用いてもよく、また基準電圧Ｖ０として、電
圧検出器１１の検出値を用いずに、予め基準電圧記憶部
１３に任意の値を入力し、この値を基準電圧Ｖ０として
用いてもよい。また、上記実施の形態では、比較器１４
は、電圧検出器１１から送られる電圧Ｖ１の検出値と基
準電圧記憶部１３に記憶される基準電圧Ｖ０とを比較
し、電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０を所定の値下回った時点で
アラーム信号Ａを出力するものとした例を示したが、こ
れに限られることなく、単に電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０を
下回った時点でアラーム信号Ａを出力するものとしても
よい。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載のプラズマ加工機によれ
ば、導体ノズルとワーク間の電圧が導体ノズルとワーク
間の距離の変化に伴って変化することを利用して、電圧
検出器によって導体ノズルとワーク間の電圧を検出し、
導体ノズルとワークとが異常接近した場合には、電圧検
出器の出力に基づいて制御装置がアークの発生、停止を
含むプラズマ加工装置の運転を制御するので、操作者の
目視によらずにプラズマトーチの導体ノズルの先端に設
けられる絶縁部材とワークとの接触防止を図ることがで
きる。

【００２７】請求項２記載のプラズマ加工装置によれ
ば、電圧検出手段の出力に基づいてアラーム駆動手段に
よってアラームが駆動されるので、アラーム駆動手段に
よって駆動されるアラームによって操作者に導体ノズル
とワークとの異常接近が警告されるので、操作者の目視
によらずにプラズマトーチの導体ノズルの先端に設けら
れる絶縁部材とワークとの接触防止を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態におけるプラズマ加工装
置の構成を示す回路図である。

【図２】 本発明の実施の形態におけるプラズマ加工装
置の制御装置の回路構成を示す回路図である。

【図３】 本発明の実施の形態における導体ノズルと被
切断材間の距離とこれらの間の電圧との関係の例を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ プラズマトーチ ２ 導体ノズル ３ 電極 ４ 絶縁体ノズル（絶
縁部材） ６ プラズマアーク電源 ７ パイロットアーク
電源 １１ 電圧検出器 １２ 制御装置 １３ 基準電圧記憶部 １４ 比較器 １５ アラーム駆動装置 １６ 制御装置本体 Ｗ 被切断材 Ｐ 水槽部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に開口部を有する導体ノズルと、 該導体ノズルの内部に配設された電極と、前記導体ノズ
   ルの先端外面側に配置された絶縁部材とを備え、 前記導体ノズルに導入したガスを前記開口部から前方に
   噴出せしめる一方、前記電極と前記導体ノズル及び前記
   絶縁部材の前方に配置されるワークとの間に電圧を印加
   しこれらの間にアークを生じせしめて前記ガスをプラズ
   マ化することにより前記ワークを加工するプラズマ加工
   装置において、 前記導体ノズルと前記ワークとの間の電圧を検出する電
   圧検出器と、該電圧検出器の出力に基づいて前記アーク
   の発生、停止を含む前記プラズマ加工装置の運転を制御
   する制御装置とを備えてなることを特徴とするプラズマ
   加工装置。
2. 【請求項２】 前記制御装置は、前記電圧検出器の出力
   に基づいてアラームを駆動するアラーム駆動手段を備え
   ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ加工装置。