JP2008105060A - 熱切断機、及び熱切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開先加工を施す場合のように、２パス目又はそれ以降の切断が必要となるときに、適正なスタンドオフを維持しながら２パス目又はそれ以降の切断を行えるようにする。
【解決手段】トーチ１０１の位置を制御するトーチ制御手段と、製品１０４上にある少なくとも１つの所定の位置における製品高５０３と、母材１０３上にある２パス目の切断の開始位置における母材高５０２とを計測する高さ計測手段とを備え、トーチ制御手段は、２パス目の切断において、その切断ライン１０６に沿ってトーチ１０１を移動させる中で、トーチ１０１が１パス目の切断溝１０５に到達したときに、高さ計測手段が計測した製品高５０３と母材高５０２との差分５０４に基づいて、トーチ１０１の高さを変更する。
【選択図】図５

Description

本発明は、プラズマ切断機に代表されるような熱切断機に関し、特に、母材からノズルまでの距離を設定するための技術に関する。

プラズマ切断を例にとって説明すると、プラズマ切断では、母材（被接断部材）表面からプラズマトーチ先端（ノズル）までの距離（以下、「スタンドオフ」）を適正値で一定に保つことが、良好な切断品質を得る上で重要である。一定スタンドオフを維持するための制御方法としては、スタンドオフの大小に従ってアーク長が増減することで変化するアーク電圧を利用する制御方法（ＡＶＣ（Arc Voltage Control又はAutomatic Voltage Control）と呼ばれている）が一般的である。

ＡＶＣにおけるプラズマアーク切断の工程では、アークが発生すればアーク電圧によりスタンドオフを検出することができるが、アーク発生前には当然アーク電圧を利用できない。そこで、切断開始時は、まず、母材の高さ（鉛直位置）が測定され、その母材の鉛直位置からノズルを所定の距離だけ離間させることにより、適正なスタンドオフが設定される。このときのプラズマトーチの高さ（以下、「トーチ高」）が、初期トーチ高である。母材の高さを測定する方法としては、以下のようなものが知られている。すなわち、ノズルと母材との間に、数ボルトの電圧を印加し、ノズルと母材が接触したときに、ノズルと母材との間に電流が流れたこと（又は電圧が低下したこと）を検出することを利用して、母材の高さを測定するものである。また、位置センサを利用して母材の高さを測定するものも知られている（特許文献１）。

切断工程におけるスタンドオフは、母材の板厚により変化し、また、板厚が同じであっても母材の傾きや反り等によって変化するので、初期トーチ高は、１つの切断工程を終えて新たに切断を開始する毎に設定される必要がある。

特開２００１−１９８６７９

上記のような初期トーチ高の設定方法は、母材から製品を単に切り出すような通常の切断（１パス目の切断）では有効である。しかし、製品にある種の開先加工を施す場合のように、１パス目の切断で製品を母材から切り出した後、その切り出された製品に対して更なる切断（２パス目の切断又はそれ以降の切断）が必要となる状況では、不具合が生じる。

この不具合について、図１及び図２を参照して説明する。図１に示すように、１パス目の切断が終わった後、２パス目の切断の対象となる製品１０４は、母材１０３から完全に切り離されている。ここで、母材１０３が載置される切断テーブルの上面は、それまで行われた切断により、ドロス付着や溶け落ちにより凹凸がある。そのため、製品１０４の高さは、母材１０３の高さからずれることがある。

一方、２パス目の切断開始に当たっては、製品１０４の端面からいきなり切り込むと製品１０４に傷が出来たりするため、２パス目の切断は、母材１０３側にて開始し、そこから１パス目の切断溝１０５を横切って製品１０４に切り込むというやり方をする。従って、２パス目の切断ラインは、製品１０４における切断ラインを母材１０３側まで延長したものとなる。例えば、図１に示すように、母材１０３側のＡ点とＢ点やＡ’点とＢ’点とをそれぞれ結んだ破線が、２パス目の切断ライン１０６となる。

図２（ａ）は、Ａ点とＢ点とを結んだ２パス目の切断ライン１０６における断面図である。同図からわかるように、１パス目の切断溝１０５を境に、Ａ点側の母材１０３に対して製品１０４が低くなっている。そのため、Ａ点から切断を開始した場合、母材１０３に対して一定のスタンドオフ２０１を維持しながら移動してきたプラズマトーチ１０１は、製品１０４へ移動した瞬間、製品１０４に対するスタンドオフが遠すぎてしまうことになる。また、図２（ｂ）は、Ａ’点とＢ’点とを結んだ２パス目の切断ライン１０６における断面図である。この場合は、同図（ａ）とは逆に、１パス目の切断溝１０５を境に、Ａ’点側の母材１０３に対して製品１０４が高くなっている。そのため、Ａ’点から切断を開始した場合、母材１０３に対して一定のスタンドオフ２０１を維持しながら移動してきたプラズマトーチ１０１は、製品１０４へ移動した瞬間、製品１０４に対するスタンドオフが近すぎてしまうことになる。さらに、この場合は、状況によっては、製品１０４にプラズマトーチ１０１が衝突してしまう。

このように、２パス目又はそれ以降の切断では、切断が開始される母材１０３と製品１０４との間に高低差があるために、製品１０４の切断が始まったところで、スタンドオフが不適切な値となってしまう。上記のような初期トーチ高の設定方法は、あくまでも切断開始点、すなわち母材１０３において、スタンドオフが適正値になるようにトーチ高を設定するものであり、上記のような問題については考慮していない。

従って、本発明の目的は、開先加工を施す場合のように、２パス目又はそれ以降の切断が必要となるときに、適正なスタンドオフを維持しながら２パス目又はそれ以降の切断を行えるようにすることである。

本発明の一つの態様に従う熱切断機は、１パス目の切断により母材から製品を切り出して、前記１パス目の切断より後の２パス目の切断で前記母材側から切断を開始して前記１パス目の切断により生じた切断溝を通り越して前記切り出した製品を切断する熱切断機において、トーチの位置を制御するトーチ制御手段と、前記製品上にある少なくとも１つの所定の位置における製品の高さと、前記母材上にある２パス目の切断の開始位置における母材の高さとを計測する高さ計測手段とを備え、前記トーチ制御手段は、前記２パス目の切断において、その切断ラインに沿ってトーチを移動させる中で、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記高さ計測手段が計測した前記製品の高さと前記母材の高さとの差分に基づいて、前記トーチの高さを変更する。

好適な実施態様では、前記トーチ制御手段は、前記製品の高さが前記母材の高さよりも低い場合は、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記トーチを鉛直下向きに前記差分だけ移動させ、前記製品の高さが前記母材の高さよりも高い場合は、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記トーチを鉛直上向きに前記差分だけ移動させてもよい。

好適な実施態様では、前記製品の高さが測定される所定の位置は、前記２パス目の切断ライン上の最も切断開始位置寄りの点又はその点に近接する所定の領域から選択された点であってもよい。

本発明により、開先加工を施す場合のように、２パス目又はそれ以降の切断が必要となるときに、適正なスタンドオフを維持しながら２パス目又はそれ以降の切断を行えるようになる。

以下、プラズマ切断機に適用された本発明の一実施形態に係る熱切断機について、図面を参照して説明する。

図３は、本実施形態に係るプラズマ切断機３０１の構造を示した斜視図である。

切断テーブル３０２に母材１０３たる鋼板が水平に載置される。切断テーブル３０２に対して、Ｙキャリッジ３０５がＹ方向へ水平移動できるように設置されている。このＹキャリッジ３０５からＸ方向へガイドレール３０３が張り出し、このガイドレール１０７上を水平にＸ方向へＸキャリッジ３０４が移動できるようになっている。Ｘキャリッジ３０４には、Ｚ（鉛直）方向へ移動するＺキャリッジ３０６が取付けられ、このＺキャリッジ３０６に、プラズマトーチ１０１が真下を向いて固定されている。

プラズマトーチ１０１は、母材１０３を切断している間、上記のキャリッジ３０４、３０５、３０６からなるＸＹＺ移動系統によって、母材１０３に対し一定のスタンドオフを保った状態で、製品１０４の形状に合った加工ラインに沿ってＸ及びＹ方向へ水平移動させられる。

図４は、本実施形態に係るプラズマ切断機３０１の機能ブロック図である。

本実施形態に係るプラズマ切断機３０１は、コントローラ４０１と、トーチ制御機構４０２と、電源４０３と、ガス供給系統４０４とを備える。

コントローラ４０１は、プラズマ切断機３０１の全体の制御を行う。例えば、コントローラ４０１は、電源４０３を起動し、ガス供給系統４０４からガスを供給させて、プラズマトーチ１０１からプラズマアーク１０２を発生させる。また、コントローラ４０１は、プラズマアーク１０２を発生させた状態で、トーチ制御機構４０２を操作することにより、予めプログラムされたＸＹ系の軌跡に沿って、プラズマトーチ１０１を移動させて、母材１０３を切断する。この際、コントローラ４０１は、ＡＶＣによる高さ倣いにより、プラズマトーチ１０１を鉛直方向に移動させて調整し、適正なスタンドオフが保たれるようにする。

また、コントローラ４０１は、母材１０３から製品１０４を切り出すための１パス目の切断を開始する前に、母材１０３の高さを測定する。すなわち、上述したように、ノズルと母材１０３との間に一定の電圧を印加しておき、ノズルと母材１０３とを接触させてその電圧の変化を検出する方法、又は位置センサを利用する方法等により、母材１０３の高さが測定される。この測定された母材１０３の高さに基づいて、コントローラ４０１は、１パス目の切断のための初期トーチ高を決定する。例えば、初期トーチ高は、母材１０３の高さに、予め保持しているスタンドオフの適正値を加えたものとして決定される。

さらに、母材１０３から切り出された製品１０４に２パス目（又はそれ以降）の切断を行う場合は、コントローラ４０１は、製品１０４と母材１０３のそれぞれの高さを測定した後に、その母材１０３側から２パス目（又はそれ以降）の切断を開始して、母材１０３の高さに基づいてプラズマトーチ１０１の母材１０３に対するスタンドオフを制御し、その後、プラズマトーチ１０１が母材１０３と製品１０４との間にある１パス目の切断溝１０５を通過するときに、母材１０３と製品１０４との高低差に基づいて、プラズマトーチ１０１を鉛直方向に移動させて、製品１０４に対して適正なスタンドオフが保たれるようにする。この詳細については、後述する。

トーチ制御機構４０２は、プラズマトーチ１０１をコントローラ４０１が指定した位置へ移動させる。すなわち、トーチ制御機構４０２は、Ｘキャリッジ３０４、Ｙキャリッジ３０５、Ｚキャリッジ３０６を制御して、これらを移動させることにより、プラズマトーチ１０１をコントローラ４０１が指定した位置へ移動させる。

電源４０３は、プラズマアーク１０２を発生させるために用いられる。このプラズマアーク１０２により母材１０３の切断が行われる。また、電源４０３は、ノズルと母材１０３との間の電圧の変化を検出して、母材１０３及び製品１０４の高さを求めるときに、ノズルと母材１０３との間に電圧を印加するために用いられる。

ガス供給系統４０４は、プラズマアーク１０２を発生させるために必要なガスを供給する。このガスの供給は、コントローラ４０１の制御の下に行われる。

以上のように構成されるプラズマ切断機３０１が、母材１０３と製品１０４間の高低差を考慮した上で、適正なスタンドオフ２０１を維持しながら、２パス目の切断を行う手順について説明する（３パス目以降の切断を行う場合も同様である）。

図５は、２パス目の切断におけるプラズマトーチ１０１の動きを示した図である。

同図（ａ）は、コントローラ４０１に制御されたプラズマトーチ１０１が、Ｘ−Ｙ平面上を動く様子を示している。同図に示された各点（Ａ点、Ｂ点、Ｓ点、Ｔ点）は、Ｘ−Ｙ平面上の位置を表したものである。一方、同図（ｂ）は、Ａ点及びＳ点を通る断面図であり、母材１０３及び製品１０４の高さを表している。同図では、切断テーブル３０２の底面をＺ軸の原点として、高さを定義しているが、これは単に説明上の都合によるものであり、コントローラ４０１がＺ軸の原点をどこにおくかは、コントローラ４０１の自由である。従って、Ａ点における母材１０３の高さは、符号５０２で表され、Ｓ点における製品１０４の高さは符号５０３で表される。また、同図（ｃ）は、Ａ点及びＢ点を通る断面図であり、プラズマトーチ１０１が、Ａ点からＢ点まで移動する中での、プラズマトーチ１０１のＺ軸方向の動きを示している。

まず、図５（ａ）を参照して、プラズマトーチ１０１のＸ−Ｙ平面上の動きを説明する。

１パス目の切断が終了した後、プラズマトーチ１０１は、製品１０４側のＳ点へ移動させられる。Ｓ点は、２パス目の切断ライン１０６が製品１０４に入る点に近接する製品１０４の所定の領域（以下、「近傍領域」）５０１の中から選択された任意の点である。後述することからもわかるとおり、Ｓ点は、２パス目の切断ライン１０６における、Ａ点側の母材１０３と製品１０４間の高低差を求めるために採用される製品側の代表点である。従って、より正確な高低差を求めるためには、２パス目の切断開始点である母材１０３上のＡ点に近いほどよく、また、２パス目の切断ライン１０６に近いほどよい。さらに言えば、Ａ点に最も近い点（最近接点）をＳ点とすれば、最も正確な高低差を求めることができる。一方で、製品１０４は、平面的であり、また、母材１０３から切り離されて、ＸＹ平面に対して傾きが生じたとしても、その傾きはそれ程大きいものではない。従って、最近接点における製品１０４の高さと、その付近から選択された点における製品１０４の高さとの違いは、それ程大きいものではない。この理由から、本実施形態においては、上記のように、近傍領域５０１から選択された任意の点を、製品側の代表点であるＳ点としている。

ここで、上述したような方法、すなわち、ノズルと母材１０３との間に一定の電圧を印加しておき、ノズルと母材１０３とを接触させてその電圧の変化を検出する方法、又は位置センサを利用する方法等により、Ｓ点における製品１０４の高さ（以下、単に「製品高」）５０３が測定される。

次に、プラズマトーチ１０１は、Ｓ点から２パス目の切断開始点である母材１０３上のＡ点へ移動させられる。ここでも、上記と同様の方法により、Ａ点における母材１０３の高さ（以下、単に「母材高」）５０２が測定される。さらに、母材高５０２に基づいて、２パス目の切断における初期トーチ高も決定される。

その後、プラズマ切断機３０１は、電源４０３を起動させてプラズマトーチ１０１と母材１０３間にプラズマアーク１０２を発生させ、Ａ点に穴を開ける。そして、プラズマ切断機３０１は、プラズマアーク１０２を発生させた状態を保ちながら、プラズマトーチ１０１をＡ点からＢ点まで移動させて、製品１０４を２パス目の切断ライン１０６に沿って切断する。以下、図５（ｃ）を参照して、切断時におけるプラズマトーチ１０１のＺ軸方向の動きを説明する。

Ａ点において母材高５０２が測定された後、プラズマトーチ１０１の高さは、初期トーチ高（ここでは、母材高５０２にスタンドオフ２０１の適正値を加えた高さ）に設定される。

その後、上述したように、プラズマアーク１０２によってＡ点に穴が開けられ、２パス目の切断ライン１０６に沿って切断が行われる。ここで、２パス目の切断ライン１０６においては、同図（ｃ）に示すように、母材１０３と製品１０４間に高低差がある。本実施形態におけるプラズマ切断機３０１は、この高低差を考慮した上で、適正なスタンドオフを維持しながら切断するために、以下のようにトーチ高を制御する。

すなわち、プラズマトーチ１０１が、母材１０３に対して一定のスタンドオフ２０１を保ちながらＡ点からＢ点まで移動する中で、母材１０３と１パス目の切断溝１０５との境界点であるＴ点まで移動した時、コントローラ４０１は、母材高５０２と製品高５０３との差分（以下、単に「差分」）５０４だけ、トーチ高を変化させる。具体的には、製品高５０３が、母材高５０２に比べて低い場合（同図（ｃ）のような場合）は、コントローラ４０１は、Ｔ点に進入したときのトーチ高（変更前のトーチ高）から差分５０４を減算した値を、変更後のトーチ高とする。すなわち、同図（ｃ）に示すように、プラズマトーチ１０１は、Ｔ点において、鉛直下向きに差分５０４だけ移動させられる。反対に、製品高５０３が、母材高５０２に比べて高い場合は、コントローラ４０１は、変更前のトーチ高に差分５０４を加算した値を、変更後のトーチ高とする。すなわち、この場合は、プラズマトーチ１０１は、Ｔ点において、鉛直上向きに差分５０４だけ移動させられる。これにより、変更後のトーチ高は、製品高５０３にスタンドオフ２０１の適正値を加えた高さとなる。厳密には、ある程度の誤差を生じるが、問題とならない程度である。これは、この誤差は、母材１０３もＸＹ平面に対して多少の傾きがあり、ＡＶＣによる高さ倣いにより、Ｔ点におけるトーチ高が、Ａ点における初期トーチ高に比べて変化することにより生じるものであるが、Ａ点とＴ点とは、それ程離れていないからである。この結果、その後、プラズマトーチ１０１が、１パス目の切断溝１０５を通過して、製品１０４の切断が開始された時に、製品１０４に対しても、適正なスタンドオフ２０１を維持できるようになる。

尚、ここでは、プラズマトーチ１０１が母材１０３と１パス目の切断溝１０５との境界点であるＴ点まで移動した時に、差分５０４に基づいてトーチ高を変化させたが、プラズマトーチ１０１を変化させる位置は、これには限定されない。製品１０４の切断が開始される時点で、変更後のトーチ高となっていればよい。すなわち、コントローラ４０１がトーチ制御機構４０２を操作する命令を出してから、実際にトーチ高が変化するまでには、幾分かのタイムラグがあり、その間もプラズマトーチ１０１は移動しているため、このタイムラグ及びプラズマトーチ１０１の移動速度を考慮して、トーチ高を変化させる位置を決定してもよい。

製品１０４の切断が開始された後は、ＡＶＣによる高さ倣いにより、製品１０４に対して適正なスタンドオフを維持しながら、２パス目の切断ライン１０６に沿って、Ｂ点まで、プラズマトーチ１０１が移動させられる。

図６は、本実施形態に係るプラズマ切断機３０１が２パス目の切断を行う際の処理の流れを示した図である。

まず、１パス目の切断が完了した後（Ｓ６０１）、プラズマトーチ１０１は、Ｓ点へ移動させられ、製品高５０３が測定される（Ｓ６０２）。次に、プラズマトーチ１０１は、Ａ点へ移動させられ、母材高５０２が測定される（Ｓ６０３）。

その後、プラズマトーチ１０１の高さが、母材高５０２に基づいて決定された初期トーチ高に設定され、２パス目の切断が開始される（Ｓ６０４）。切断時は、ＡＶＣによる高さ倣いにより、適正なスタンドオフを維持しながら、２パス目の切断ライン１０６に沿ってプラズマトーチ１０１が移動させられる（Ｓ６０５）。

ここで、１パス目の切断溝１０５へ到達した場合は（Ｓ６０６：ＹＥＳ）、差分５０４に基づくトーチ高の変更が行われる。すなわち、製品高５０３が、母材高５０２より小さい場合は（Ｓ６０７：ＹＥＳ）、変更前のトーチ高から差分５０４を減算した値を、変更後のトーチ高として、プラズマトーチ１０１の高さが変更される（Ｓ６０８）。一方、製品高５０３が、母材高５０２より大きい場合は（Ｓ６０７：ＮＯ）、変更前のトーチ高に差分５０４を加算した値を、変更後のトーチ高として、プラズマトーチ１０１の高さが変更される（Ｓ６０９）。

その後、再び、ＡＶＣによる高さ倣いにより、適正なスタンドオフを維持しながら、２パス目の切断ライン１０６に沿ってプラズマトーチ１０１が移動させられる（Ｓ６１０）。そして、プラズマトーチ１０１が、２パス目の切断ライン１０６の終了点であるＢ点まで達したときに、切断が完了する。

以上説明したような処理が行われることにより、開先加工を施す場合のように、２パス目又はそれ以降の切断が必要となるときに、適正なスタンドオフを維持しながら２パス目又はそれ以降の切断を行えるようになる。

上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。例えば、本実施形態では、近傍領域５０１から選択した任意の１つの点を製品１０４側の代表点として製品高５０３を決定したが、製品１０４側における複数の点の高さを測定して製品１０４の傾きを求め、これらから最近接点における高さを計算して、最近接点における高さを製品高５０３とすることもできる。これにより、より精度の高い差分５０４を求めることも可能となる。

２パス目の切断における母材と製品との位置関係を模式的に示した図である。 ２パス目の切断ラインの断面図である。 本実施形態に係るプラズマ切断機の構造を示した斜視図である。 本実施形態に係るプラズマ切断機の機能ブロック図である。 ２パス目の切断におけるプラズマトーチの動きを示した図である。 本実施形態に係るプラズマ切断機が２パス目の切断を行う際の処理の流れを示した図である。

符号の説明

１０１…プラズマトーチ、１０２…プラズマアーク、１０３…母材、１０４…製品、１０５…１パス目の切断溝、１０６…２パス目の切断ライン、２０１…スタンドオフ、３０１…プラズマ切断機、３０２…切断テーブル、３０３…ガイドレール、３０４…Ｘキャリッジ、３０５…Ｙキャリッジ、３０６…Ｚキャリッジ、４０１…コントローラ、４０２…トーチ制御機構、４０３…電源、４０４…ガス供給系統、５０１…近傍領域、５０２…母材高、５０３…製品高、５０４…差分

Claims (4)

1. １パス目の切断により母材から製品を切り出して、前記１パス目の切断より後の２パス目の切断で前記母材側から切断を開始して前記１パス目の切断により生じた切断溝を通り越して前記切り出した製品を切断する熱切断機において、
   トーチの位置を制御するトーチ制御手段と、
   前記製品上にある少なくとも１つの所定の位置における製品の高さと、前記母材上にある２パス目の切断の開始位置における母材の高さとを計測する高さ計測手段とを備え、
   前記トーチ制御手段は、前記２パス目の切断において、その切断ラインに沿ってトーチを移動させる中で、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記高さ計測手段が計測した前記製品の高さと前記母材の高さとの差分に基づいて、前記トーチの高さを変更する熱切断機。
2. 前記トーチ制御手段は、前記製品の高さが前記母材の高さよりも低い場合は、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記トーチを鉛直下向きに前記差分だけ移動させ、前記製品の高さが前記母材の高さよりも高い場合は、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記トーチを鉛直上向きに前記差分だけ移動させる請求項１記載の熱切断機。
3. 前記製品の高さが測定される所定の位置は、前記２パス目の切断ライン上の最も切断開始位置寄りの点又はその点に近接する所定の領域から選択された点である請求項１記載の熱切断機。
4. １パス目の切断により母材から製品を切り出して、前記１パス目の切断より後の２パス目の切断で前記母材側から切断を開始して前記１パス目の切断により生じた切断溝を通り越して前記切り出した製品を切断する熱切断方法において、
   前記製品上にある少なくとも１つの所定の位置における製品の高さを測定するステップと、
   前記母材上にある２パス目の切断の開始位置における母材の高さを計測するステップと、
   トーチを所定の高さに設定して前記２パス目の切断を開始するステップと、
   前記２パス目の切断ラインに沿ってトーチを移動させる中で、前記トーチが前記切断溝に到達したときに、前記高さ計測手段が計測した前記製品の高さと前記母材の高さとの差分に基づいて、前記トーチの高さを変更するステップとを有する熱切方法。

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