JP2641092B2 - プラズマトーチのスタンドオフ制御装置 - Google Patents

プラズマトーチのスタンドオフ制御装置

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JP2641092B2
JP2641092B2 JP7214126A JP21412695A JP2641092B2 JP 2641092 B2 JP2641092 B2 JP 2641092B2 JP 7214126 A JP7214126 A JP 7214126A JP 21412695 A JP21412695 A JP 21412695A JP 2641092 B2 JP2641092 B2 JP 2641092B2
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英一 野崎
雅彦 長谷川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電極と被切断材と
の間にプラズマアークを発生させて被切断材を切断する
プラズマ切断機等におけるプラズマトーチと被切断材と
の間隔を制御するプラズマトーチのスタンドオフ制御
に関する。
【0002】
【従来の技術】プラズマ切断機は、電極の周囲にノズル
を設け、作動ガスの流路を形成するとともに、電極の先
端前方において電極と被切断材との間に発生させたプラ
ズマを絞り、プラズマを高温にするとともに、プラズマ
ア−クの大きさを一定にして良好な切断面形状が得られ
るようにしている。ところが、電極とノズルとからなる
ト−チと被切断材との間隔が変動すると、プラズマア−
クを持続できなかったり、プラズマア−クの大きさが変
化して良好な切断形状を得ることができない。このた
め、プラズマ切断機においては、ト−チと被切断材との
間隔(いわゆるトーチ高さ、スタンドオフ)を一定に保
持して良好な切断を行うことができるようにしている。
【0003】スタンドオフを制御する場合、電極または
ノズルと被切断材との間の電圧(いわゆる極間電圧であ
り、ア−ク電圧となる)がスタンドオフと比例する関係
にあることが知られており、しばしばこれを利用して電
極と被切断材との間の電圧、またはノズルと被切断材と
の間の電圧を検出し、これらの電圧を一定の値に保持す
るスタンドオフ制御装置が利用されている(例えば、特
開昭57−195582号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のア−ク電圧を検出してスタンドオフを一定に保持する
スタンドオフ制御装置、検出したア−ク電圧の基準電圧
に対する偏差の大きさに対応させてト−チの変位量を変
化させるだけであるため、例えば被加工材の板厚、材
質、ノズル径、加工速度、電極消耗度等の各種加工条件
が変化すると、スタンドオフが変化して良好な切断を行
うことができない。
【0005】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、各種加工条件の変化に対しても
所定のスタンドオフを保持できるプラズマトーチのスタ
ンドオフ制御装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係わるプラズマトーチのスタンドオフ制御
装置は、例えば第1図及び第2図を参照して説明すれ
ば、電極12を備えたプラズマトーチ10と、前記プラ
ズマトーチ10を被加工材18に対して垂直方向に昇降
させる昇降手段32と、前記プラズマトーチ10に備え
た電極12またはノズル14と被加工材18との間の極
間電圧を検出する電圧検出手段24、26と、各種加工
条件に対応する複数の係数値を記憶する係数値記憶手段
36と、加工条件の変更に際して前記係数値記憶手段3
6から所望の基準値を算出する基準値演算手段36と
(すなわち、第1図及び第2図の例では前記係数値記憶
手段と、この基準値演算手段とは同一ブロックとしてあ
る)、前記基準値演算手段36によって算出された基準
値と前記電圧検出手段24、26が検出した極間電圧と
を比較する比較手段37と、前記比較手段37が発生す
る信号に応じて前記昇降手段32を駆動する駆動手段3
0とを有することを特徴としている。
【0007】尚、同じく第1図及び第2図を参照して説
明すれば、電極12を備えたプラズマトーチ10と、前
記プラズマトーチ10を被加工材18に対して垂直方向
に昇降させる昇降手段32と、前記プラズマトーチ10
に備えた電極12またはノズル14と被加工材18との
間の極間電圧を検出する電圧検出手段24、26と、各
種加工条件に対応する極間電極のデータからなる複数の
基準値E を記憶する基準値記憶手段36と、加工条件
の変更に際して前記基準値記憶手段36から所望の基準
値E を選択する基準値選択手段36(すなわち、第1
図及び第2図の例では前記基準値記憶手段と、この基準
値選択手段とは同一ブロックとしてある)と、前記基準
値選択手段36によって選択された基準値と前記電圧検
出手段24、26が検出した極間電圧とを比較する比較
手段37と、前記比較手段37が発生する信号に応じて
前記昇降手段32を駆動する駆動手段30とを有するこ
ととしてもよい。
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【作用】 上記 プラズマトーチのスタンドオフ制御装置に
よれば、各種加工条件に対応して最適スタンドオフを保
持できる。すなわち、計測値記憶手段に各種加工条件に
対応する複数の計数値を記憶させ、加工条件の変更に際
して前記計数記憶手段から所望の基準値を所望の基準値
を基準値演算手段によって演算することで所望の基準値
が設定される。そして電圧検出手段によって実際の極間
電圧を検出してこの検出電圧と前記基準値とを比較手段
が比較して発生する信号に応じて駆動手段がトーチの昇
降手段を駆動してスタンドオフを制御するので前記基準
値に対応したスタンドオフを常に維持することができ
る。
【0013】また、基準値記憶手段36に各種加工条件
に対応する極間電圧のデータからなる基準値を複数記憶
させ、加工条件に応じて所望の基準値を基準値選択手段
によって選択することでも所望の基準値が設定される。
そして電圧検出手段によって実際の極間電圧を検出して
この検出電圧と前記基準値とを比較手段が比較して発生
する信号に応じて駆動手段がトーチの昇降手段を駆動し
てスタンドオフを制御するので前記基準値に対応したス
タンドオフを常に維持することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明のプラズマトーチのスタン
ドオフ制御装置を、プラズマトーチのスタンドオフ制御
方法とともに、添付図面に従って詳説する。
【0015】第2図は、本発明のスタンドオフ制御装置
を実施例する装置の一例を示すブロック図である。
【0016】第2図において、トランスファア−ク型の
プラズマ切断機ロボットのト−チ10は、電極12の周
囲に図示しない作動ガスの流路を形成するノズル14が
配置してある。そして、電極12は、直流電源16を介
してノズル14と被切断材18とに電気的に接続され、
ノズル14との間にパイロットア−クを発生するととも
に、被切断材18との間にメインプラズマア−ク20を
発生するようになっている。一方、ノズル14は、下端
部が狭く絞られており、プラズマア−ク20を絞って高
温プラズマが得られるようにしてある。
【0017】また、電極12とノズル14とのそれぞれ
と被切断材18とは、電圧検出器24、26に接続して
ある。この電圧検出器24は、電極12と被切断材18
との間の電圧(ア−ク電圧)を検出し、検出電圧e1 を
詳細を後述するスタンドオフ補正演算器28に入力す
る。そして、電圧検出器26は、ノズル14と被切断材
18との間の電圧(ア−ク電圧)を検出し、検出電圧e
2 をスタンドオフ補正演算器28に入力する。
【0018】スタンドオフ補正演算器28は、入力して
きた検出電圧e1 、e2 からト−チの昇降方向、昇降速
度、昇降量等の補正量を求め、出力側に接続してある制
御装置30に入力する。制御装置30は、スタンドオフ
補正演算器28からの制御量に基づき、ロボットのト−
チ10を昇降させる昇降装置32を駆動してト−チ10
を昇降させ、ト−チ10と被切断材18との間隔が所定
のスタンドオフHo となるようにする。
【0019】スタンドオフ補正演算器28は、第1図に
示すように、電極消耗・スタンドオフ検出器34と基準
電圧演算設定器36と、これらの信号が入力する偏差演
算器37と、この偏差演算器37が出力した偏差に基づ
いて、ト−チ10を昇降させる補正量を求める補正量演
算器38とからなっている。
【0020】電極消耗・スタンドオフ検出器34は、電
圧検出器24、26が出力する検出電圧e1 、e2 を受
けて後述するように電極12の消耗量を求め、消耗量に
応じた電極消耗信号を図示しない表示装置等に出力する
とともに、実際のスタンドオフ量Hを求めてそれに応じ
たスタンドオフ信号EH を減算器37に出力する。
【0021】また、基準電圧演算設定器36は、被切断
材18の板厚、材質、ノズル径、目標スタンドオフHo
、切断速度デ−タに基づいた基準電圧Eo を偏差演算
器37に出力する。
【0022】補正量演算器38は、第3図に示したよう
なテ−ブルを有し、偏差演算器37が出力する、スタン
ドオフ信号EH の基準電圧Eo に対する偏差△Eに基づ
いて、ト−チ10をスタンドオフHo に戻すための、偏
差△Eに応じた大きさの補正電圧△EH を制御装置30
に出力する。すなわち、補正量演算器38が有するテ−
ブルは、予め定めた第1の偏差の範囲±△E1 において
は、補正電圧△EH を出力せず、偏差△Eが+△E1 と
+△E2 との間にあると、偏差が大きくなるに従いト−
チ10の上昇速度を大きくするような補正電圧△EH を
出力し、偏差△Eが−△E1 と−△E2 との間にある
と、偏差が大きくなるに従いト−チ10の下降速度を大
きくするような補正電圧−△EH を出力するようになっ
ている。さらに、テ−ブルは、偏差△Eが±△E2 を越
えると、偏差の大きさに応じたト−チ10の上昇または
下降速度の変化の割合をより大きくした補正電圧±△E
H を出力する。そして、偏差△Eが予め定めた第3の値
±△E3 を越えると、装置に異常が生じたものとして、
ト−チ10を被加工材より離すようになっている。
【0023】上記の如く構成した装置によるプラズマ切
断機のスタンドオフ制御方法は次の如くして行われる。
【0024】ア−ク電圧eは、スタンドオフHの値によ
って変化し、スタンドオフHとの間に、第4図のような
比例関係がある。そして、設定するスタンドオフHo
は、被切断材18の材質、厚さ、ト−チ10のノズル1
4の径、切断速度Vによって定まる。そこで、スタンド
オフ補正演算器28の基準電圧演算設定器36は、被切
断材18の材質、厚さ、ト−チ10のノズル14の径、
目標スタンドオフHo 等が図示しないキ−ボ−ドや操作
パネル等から入力されると、標準切断速度Vo (例え
ば、1m/s)に対するア−ク電圧eo を次の数1によ
り演算し、これを基準電圧Eo として偏差演算器37に
出力する。
【0025】
【数1】eo = { Ks1+Ks2 (Ho +Kt )} x Kn
【0026】ただし、ここに Ks1、Ks2、Kt 、Kn
は、被切断材18の材質や厚さによって予め実験等によ
り求められ、第5図に示したように、テ−ブルとして基
準電圧演算設定器36内に格納してある。
【0027】なお、基準電圧演算設定器36は、内部に
被切断材18の材質、板厚、ノズル径、切断速度の各値
によって定まるスタンドオフに対応した第4図のような
テ−ブルを格納しておき、被切断材18の材質やノズル
径などと設定スタンドオフHo とが操作パネル等によっ
て与えられたときに、被切断材18の材質やノズル径の
値などに対応したテ−ブルを選択し、入力されたスタン
ドオフHo によって定まる基準電圧Eo を出力するよう
にしてもよい。
【0028】制御装置30には、被切断材18を切断す
る形状、切断速度等の切断プログラムが与えられてお
り、電極12−被切断材18間がア−ク電圧eo となる
位置までロボットの昇降装置32を介してト−チ10を
下降させ、切断を開始する。
【0029】一方、電圧検出器24、26は、切断が開
始されると、10ms等の所定時間毎に電極12−被切
断材18間の検出電圧e1 とト−チ10−被切断材18
間の検出電圧e2 とを検出し、スタンドオフ補正演算器
28の電極消耗・スタンドオフ検出器34に入力する。
【0030】ところで、電圧検出器24、26が検出し
たア−ク電圧e1 ,e2 は、スタンドオフHo を一定に
保持したとしても、電極が消耗することにより、第6図
のように変化する。そこで、電極消耗・スタンドオフ検
出器34は、次の数2から電極消耗成分Ep と、次の数
3からスタンドオフ成分Es を演算し、これらの数2及
び数3から求めた電極12の消耗量を求め、消耗量に応
じた電極消耗信号を図示しない表示装置等に出力して表
示させる。
【0031】
【数2】Ep =ae1 +be2
【0032】
【数3】Es =a’e1 +b’e2
【0033】そして、電圧検出器24が、検出した検出
電圧e1 に、第6図に示した電極12の消耗による電圧
の上昇分を除去したスタンドオフ信号EH を偏差演算器
37に出力する。
【0034】基準電圧演算設定器36には、ト−チ10
が切断を開始すると、図示しない切断速度検出器が検出
した切断速度、または制御装置30から切断速度デ−タ
(切断速度V)が入力してくる。そして、基準電圧演算
設定器36は、切断速度Vが入力してくると、切断速度
Vに応じてア−ク電圧eo を補正して基準電圧Eo とし
て出力する。
【0035】すなわち、ア−ク電圧eは、切断速度Vと
の間に第7図のような関係を有しており、切断速度Vが
大きくなると低下し、切断速度Vが小さくなると上昇す
る。このため、ト−チ10が設定スタンドオフHo に保
持されているとしても、切断速度Vが変化すると、偏差
演算器37が出力する偏差が大きくなり、補正量演算器
38がト−チ10を昇降させるための補正信号を出力
し、ト−チ10がスタンドオフHo からずれ、切断形状
を悪化させる。そこで、基準電圧演算設定器36は、被
切断材18の材質、板厚、ノズル径、スタンドオフHo
の各値に対応して格納してある第7図のテ−ブルから、
スタンドオフHo に対応して求められたア−ク電圧eの
切断速度Vの変化に対する補正電圧△eV を求め、基準
電圧Eo を
【0036】
【数4】Eo =eo ±△evのように演算して偏差演算
器37に出力する。すなわち、切断速度が基準より遅く
なった場合に、eo から電圧の上昇分△ev を減算した
値を基準電圧Eo として出力し、切断速度が基準より速
くなった場合に、eo に電圧の低下分△ev を加えた値
を基準電圧Eo として出力する。ただし、切断速度Vが
ある値、例えば2m/sを越えた場合には、補正量△e
v が一定となる。なお、この切断速度Vによる基準電圧
Eo の補正は、次の数5又は数6の演算によって行って
もよい。
【0037】
【数5】0<V≦KV2のとき、 Eo =eo −KV1×(V−1)
【0038】
【数6】V>KV2のとき、 Eo =eo −KV1×(KV2−1)
【0039】ここに、KV1、KV2は、第5図に示した補
正係数である。
【0040】偏差演算器37は、電極消耗・スタンドオ
フ検出器34が出力したスタンドオフ信号EH の基準電
圧Eo に対する偏差△Eを求め、補正量演算器38に出
力する。すなわち、偏差演算器37は、ト−チ10のス
タンドオフ量が設定値Ho より大きくなって、スタンド
オフ信号EH が基準電圧Eo より大きな場合には、スタ
ンドオフ信号EH の大きさに応じた負の偏差−△Eを出
力し、逆の場合には正の偏差+△Eを出力する。
【0041】補正量演算器38は、第3図に示したテ−
ブルに基づいて、入力してきた偏差△Eに対応してト−
チ10とスタンドオフHo に急速に戻すための補正電圧
△EH を制御装置30に出力する。そして、制御装置3
0は、補正電圧△EH を受けると、ト−チ10の昇降速
度とト−チ10の昇降量とを求め、昇降装置32を駆動
して△EH に応じた速度でト−チ10昇降させ、設定ス
タンドオフHo に戻す。
【0042】このように、実施例においては、電極12
−被切断材18間の検出電圧e1 の基準電圧Eo に対す
る偏差△Eの大きさに応じてト−チ10の昇降速度を大
きくするため、ト−チ10が設定スタンドオフHo から
ずれた場合に、速やかにスタンドオフHo に戻され、良
好な切断を行うことができる。しかも、偏差△Eの小さ
い部分に補正信号を出力しない不感帯を設けているた
め、設定スタンドオフHo 近辺におけるト−チ10の不
安定な変動を防止でき、切断面を良好にすることができ
る。さらに、実施例においては、電極12の消耗による
ア−ク電圧の変化と、切断速度Vの変化に対するア−ク
電圧の変化とを補正しているため、より良好な切断を行
うことができる。また、ト−チ10の昇降速度の変化の
割合を、偏差△Eの小さな部分で小さくしているため、
ト−チ10のオ−バ−シュ−トを防ぐことができる。
【0043】なお、前記実施例においては、ア−ク電圧
として電極12−被切断材18間検出電圧e1 を用いて
スタンドオフHを制御する場合について説明したが、ノ
ズル14−被切断材18間の検出電圧e2 を利用してス
タンドオフHの制御を行ってもよい。
【0044】第8図は、他の実施例を説明するフローチ
ャートである。スタンドオフ補正演算器28の基準電圧
演算設定器36には、第1図の破線に示したように、電
圧検出器24、26による検出電圧e1,e2が入力す
るようになっている。そして、基準電圧演算設定器36
は、入力してきた検出電圧e1または検出電圧e2に基
づいて基準電圧Eを求めるようになっている。
【0045】すなわち、制御装置30は、切断開始の命
令が与えられると、ト−チ10を被切断材18から所定
の高さまで下降させる(第8図ステップ50)。ト−チ
10が下降して所定の高さに達するとリミットスイッチ
(図示せず)が作動し(ステップ52)、ト−チ10が
所定の高さに達したことが検知される。その後、制御装
置30は、ト−チ10の下降速度を落としてト−チ10
をピアス高さにし、ピアシングをする(ステップ54、
56)。そして、制御装置30は、ピアシングが終了す
ると、ト−チ10をさらに下降させ、切断高さにして切
断を開始する(ステップ58、60)。
【0046】この切断高さ、すなわち設定スタンドオフ
Ho は、前記したように被切断材18の材質、厚さ、ト
−チ10のノズル14の径等によって異なり、予め実験
などによって求めた値がキ−ボ−ドや操作パネル等から
制御装置30に与えてある。
【0047】ト−チ10がスタンドオフHo に保たれて
切断が開始されると、電圧検出器24、26は、所定の
時間(例えば、0.1秒毎)に電圧を検出し、検出電圧
e1,e2 を基準電圧演算設定器36と電極消耗・スタ
ンドオフ検出器34とに入力する。基準電圧演算設定器
36は、電圧検出器24、26から入力してくる最初の
数個(例えば3個)の検出電圧e1 または検出電圧e2
を読み込み(ステップ62)、これらの平均値を求めて
基準電圧Eo として出力する(ステップ64)。
【0048】そして、基準電圧演算設定器36は、切断
が進行するに伴い、前記した切断速度Vの変化に対する
補正をした基準電圧Eo を出力する(ステップ68)。
一方、電極消耗・スタンドオフ検出器34は、前記した
と同様に、電極12の消耗による補正をしたスタンドオ
フ信号EH を偏差演算器37に出力する。以下、前記実
施例と同様にして切断を行い、切断が終了すると、ト−
チ10を上昇させる(ステップ70、72)。
【0049】このように、切断開始時のア−ク電圧を基
準電圧Eo とすると、電極の消耗による影響を除去でき
るとともに、基準電圧Eo の設定が容易となる。
【0050】なお、前記実施例においては、トランスフ
ァアーク型のプラズマ切断機について説明したが、プラ
ズマ切断機はノントランスファアーク型であってもよ
い。また、前記実施例においては、プラズマ切断機につ
いて説明したが、プラズマ溶接機についても適用するこ
とができる。そして、前記実施例においては、補正量演
算器38の有するテーブルが、原点を中心とした点対称
である場合について説明したが、点対称にする必要はな
く、特に−△E3の絶対値は+△E3の絶対値より小さ
くして、トーチ10が被切断材18に接触するのを確実
に防止することが望ましい。そして、第3図に示したテ
ーブルの±△E1、±△E2、±△E3および各線分の
傾斜は、実験等により適宜に決定することができる。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わるプ
ラズマトーチのスタンドオフ制御装置では、各種加工条
件に基づき、被加工材を加工する際の所望の基準値を算
出してプラズマトーチの被加工材からの間隔を制御する
ことで、該基準値に対応してプラズマトーチのスタンド
オフを制御するので各種加工条件の変化に対しても所定
のスタンドオフを保持できる。また各種加工条件に対応
して複数の基準値を設定して記憶し、所定の加工に際
し、該加工に対応した基準値を選択することで、該基準
値に対応してプラズマトーチのスタンドオフを制御する
ので各種加工条件の変化に対しても所定のスタンドオフ
を保持できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラズマ切断装置のスタンドオフ補正演算器の
詳細説明図である。
【図2】実施例の方法を実施するプラズマ切断装置のブ
ロック図である。
【図3】本発明の実施例に係るプラズマ切断機のスタン
ドオフ制御方法を説明する偏差とト−チの昇降速度との
関係を示す図である。
【図4】スタンドオフ量とア−ク電圧との関係を示す図
である。
【図5】スタンドオフ補正演算器の基準電圧演算設定器
がア−ク電圧を演算するためのテ−ブルの一例を示す図
である。
【図6】電極の消耗度とア−ク電圧との関係を示す図で
ある。
【図7】切断速度とア−ク電圧との関係を示す図であ
る。
【図8】基準電圧を設定する方法の他の実施例を説明す
るフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
10…ト−チ、12…電極、14…ノズル、18…被切
断材、20…プラズマア−ク、24、26…電圧検出
器、28…スタンドオフ補正演算器、30…制御装置、
32…昇降装置、34…電極消耗・スタンドオフ検出
器、36…基準電圧演算設定器、37…偏差演算記、3
8…補正量演。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒川 巌 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松 製作所 研究所内 (72)発明者 泉井 敦 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松 製作所 研究所内 (56)参考文献 特開 昭54−152644(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極を備えたプラズマトーチと、 前記プラズマトーチを被加工材に対して垂直方向に昇降
    させる昇降手段と、 前記プラズマトーチに備えた電極またはノズルと被加工
    材との間の極間電圧を検出する電圧検出手段と、 各種加工条件に対応する複数の係数値を記憶する係数値
    記憶手段と、 加工条件の変更に際して前記係数値記憶手段から所望の
    基準値を算出する基準値演算手段と、 前記基準値演算手段によって算出された基準値と前記電
    圧検出手段が検出した極間電圧とを比較する比較手段
    と、 前記比較手段が発生する信号に応じて前記昇降手段を駆
    動する駆動手段とを有することを特徴としたプラズマト
    ーチのスタンドオフ制御装置。
  2. 【請求項2】 電極を備えたプラズマトーチと、 前記プラズマトーチを被加工材に対して垂直方向に昇降
    させる昇降手段と、 前記プラズマトーチに備えた電極またはノズルと被加工
    材との間の極間電圧を検出する電圧検出手段と、 各種加工条件に対応する極間電圧のデータからなる複数
    の基準値を記憶する基準値記憶手段と、 加工条件の変更に際して前記基準値記憶手段から所望の
    基準値を選択する基準値選択手段と、 前記基準値選択手段によって選択された基準値と前記電
    圧検出手段が検出した極間電圧とを比較する比較手段
    と、 前記比較手段が発生する信号に応じて前記昇降手段を駆
    動する駆動手段とを有することを特徴としたプラズマト
    ーチのスタンドオフ制御装置。
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