JP2651543B2 - ウオータジェット切断加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高圧流体噴射を利用した加工技術に係り、
特に当該加工におけるノズルと被加工物との距離を一定
に保持しながら行う切断方法に関するものである。

［従来の技術］ 高圧流体噴射を物体加工に利用したウオータジェット
加工は、レーザ加工，プラズマ加工，放電加工等と共
に、高エネルギー密度の加工方法として既に数多く実用
化され、効果的に利用されている。

中でもウオータジェット加工は、特に加工時の発熱が
極めて少ないこと、加工工具として作用する高圧流体噴
流が加工時において方向性が全くないこと、加工しろが
極めて小さくて済むこと、加工工具の摩耗が無視し得る
こと、加工屑の発生が極めて少ないことなどの特徴を有
しており、エレクトロニクス、機械加工、医療、原子力
など、幅広い分野で洗浄，切断，掘削，剥離その他各種
用途において効果的に多用されている。

特殊な用途として、前記ウオータジェット加工方法の
特徴を生かしてウオータジェットでは加工が困難な材料
の加工に適用するように工夫されたのが、研摩材である
砥粒や砂等を水に混入して噴射する所謂アブレーシブジ
ェット加工方法である。該アブレーシブジェット加工方
法では前記ウオータジェット加工方法に加えて、脆性材
料も破損することなく切断加工ができること、複合材料
においては異種材料を同時に一挙に切断可能であるこ
と、鉄筋コンクリート等の構造物に適用した場合、加工
部位以外に振動を与えないため亀裂や損傷を防止できる
ことなど、アブレーシブジェット加工特有の効果を有し
ていて、各種産業界において近年注目されている加工方
法の一つである。

アブレーシブジェット加工を含めたウオータジェット
加工の特性上、任意の点から切断を開始し任意の点で切
断を終了できるため、穴明け加工を含むくり抜き加工に
その威力を発揮することができる。

加工技術について見れば、ノズルを手動で移動させる
簡易なもの、定型的な加工を行う自動専用機、自由な加
工が可能な汎用機、三次元加工を行うためにロボットな
どのマニプレータを組み込んだ加工機など、用途に応じ
て様々な形態で利用されている。汎用機の多くは制御装
置にコンピュータを内蔵していて、目的の加工形状を予
め記憶させ、該記憶加工形状に従ってノズルを移動させ
て被加工物を加工するようにしている。

ところが、目的の加工形状が比較的単純な形状や、二
次元的な平面加工においては、形状を記憶させるのにあ
まり困難は生じないが、目的の加工形状が自由曲線を多
く含んでいたり凹凸の多い複雑な形状、あるいは複雑な
三次元加工になると、その形状を記憶させるにはあまり
にも多大の労力と時間を要することになる。そこで、こ
のような複雑な形状の加工においては、加工形状に沿っ
てノズルを移動させながらノズルの移動軌跡を記憶し、
該記憶した移動軌跡通りに加工する所謂ティーチング・
プレーバック制御方式が便利であり、有効に利用されて
いる。

しかし、前記ティーチング・プレーバック制御方式に
おいて、ノズルの移動軌跡を記憶させるティーチング
時、従来は探触針で加工部位を順に接触しながら移動軌
跡を辿る方法や、ごく低圧の流体をノズルから実際に噴
射しながら順に移動軌跡を辿る方法などが用いられてい
た。

これら従来の方法においては、次のような不備を有す
るものであった。実際上は噴射流体の流線が到達可能で
加工可能である部位でも、探触針方式では探触針が触れ
ることができない場合があること、被加工物が柔軟な部
材で探触針が触れることによって変形し正確な形状を得
るには相当注意深く行う必要があること。低圧流体噴射
方式によれば水の飛散によって正確な位置の同定が困難
であること、水の飛散によって作業環境が悪くなること
などがあった。総じて、前記のような不備によりティー
チングに時間がかかり、しかもティーチングが不正確に
なり、結果的に加工そのものが不正確になりがちであっ
た。このような不備を解消するために本出願人は改良さ
れたティーチング手段として特願昭60−268746（特開昭
62−130200）を既に提案している。

［発明が解決しようとする課題］ 別の不都合な点として、被加工物が個々にある程度の
製作誤差による変形を含んでいるという点である。この
誤差変形がノズルの移動面に対して平行な方向の変形で
あれば問題は少ないが、誤差変形がノズルの移動面に対
して垂直な方向の変形であった場合、予めティーチング
された軌跡に沿って移動するノズルと被加工物との距離
が変形部位において変化することになり、切断精度に著
しい影響を与えるものである。具体的には、切断部位表
面がウオータジェットあるいはアブレーシブジェットの
投射によって荒れること。被加工物が厚い場合にはジェ
ット入射部位とジェット抜け部位において切断幅が著し
く異なること。極端な場合にはノズルと被加工物とがぶ
つかって双方共破損する可能性があること、等である。
同様の変形が加工中に生じることもしばしばであり、例
えば、切断された部位において被加工物の内部応力のバ
ランスが崩れて、加工中に変形してしまう場合等であ
る。このような加工中の変形に対しリアルタイムで対処
しなければならない。特に、アブレーシブジェット加工
において切断精度を向上させようとする場合、ノズルと
被加工物との距離を例えば1mmないし2mmの範囲であるよ
うにかなり厳格に管理しながら実施しなければならな
い。ところが、このような重大な欠点でありながらこれ
を解決するような効果的な方法が未だに採られていない
のが現状である。一部において、ハイトセンサと称する
距離検出器をアナログサーボによって高さ制御する方法
が採られているが、価格的に極めて高価なものとなり、
実用上、生産設備としてのウオータジェット加工装置に
適用することは困難である。

本願発明は、このような従来放置されていた加工上の
欠点を解決しようとするもので、その目的は、アブレー
シブジェット加工を含むウオータジェット加工装置に対
してノズルと被加工物との距離を適正な範囲に自動的に
維持する手段を付加すること、すなわち、ノズルと被加
工物との距離を一定にするような所謂倣い機能を備えて
いない比較的安価なノズル駆動装置に付加することによ
って、安価に倣い機能を持たせて、加工精度の向上を達
成せんとするものであり、もってウオータジェットの加
工の普及に寄与せんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明では次のような方
法を採っている。すなわち、ウオータジェットまたはア
ブレーシブジェットを用いて物品を切断する方法におい
て、ノズルに近接しかつノズルと一体的に移動する検出
手段によって被加工物との距離を検出し、ノズルと被加
工物との適正な距離に対応する検出手段と被加工物との
距離において検出される電気量として設定された基準値
を判別手段で前記検出したアナログ信号との大小関係を
比較し、判別手段の出力信号として基準値の上限を越え
ている時に信号1,基準値の下限を下回っている時に信号
２の２値のデジタル信号、あるいは基準値の範囲内ある
時に信号３を含めたデジタル信号をノズル駆動制御装置
に所定時間間隔で入力してノズルの上下動を制御するも
のである。具体的には、検出手段が渦電流式距離検出
器，光学式距離検出器，エアー式距離検出器，静電容量
式距離検出器等で構成され、判別手段に対して入力され
る信号がアナログ信号であり、出力される信号がデジタ
ル信号である加工方法である。

［作用］ 作用について述べる。

ノズルに近接して配設された検出手段は、ノズルと一
体的に加工開始位置へ移動する。ノズルが被加工物に近
づくにつれて、検出手段で検出される距離に比例して検
出信号が変化する。この変化する信号は通常アナログ信
号であり、該信号を判別手段に入力し、判別手段におい
て、予め設定された基準値と比較して基準値との大小関
係を判別し、大小に応じたデジタル信号を出力する。す
なわち、ノズルと被加工物との適正な距離に対応する検
出信号強度の基準値を設定することによって、ノズルが
次第に被加工物に接近して、前記適正な距離よりも近づ
きすぎた時点で信号が変化するものである。そこで、該
信号をノズル駆動制御装置に入力してやればノズル下
降、ノズル上昇を適時に制御して、ノズルと被加工物と
の距離を常に適正な値に維持し得るものである。

［実施例］ 以下、図示の好適な実施例に基づいてさらに詳細に説
明する。

第１図はノズルと検出手段を示す外観図であって、ノ
ズル１と検出手段であるセンサ２は一体的に移動すべく
構成されている。センサ２は、被加工物３の材質によっ
てその材質に適合したものが選択的に使用されなければ
ならない。金属をはじめ導電性材料の場合には渦電流式
距離検出器が効果的であり、水濡れや汚れなどの外乱に
対しても安定にその機能を発揮し得る。非導電性材料の
場合は光学式距離検出器やエアー式距離検出器が効果的
である。光学式検出器は水による乱反射や光学系への汚
れの付着などの外乱に弱く、使用環境に注意を要する反
面、材質を問わず適用可能である。エアー式については
ノズル１と被加工物３との距離が近い場合には有効であ
るがある程度離れた距離を検出しようとすると、不正確
になったり分解能が低下したりする反面、前記光学式と
同様材質を問わず適用可能である。

センサ２で検出された被加工物３との距離Ｌは、該距
離Ｌに対応した電気量で例えば電圧や電流としてセンサ
２から出力される。すなわち、距離Ｌの変化を電気量の
変化として出力する。センサ２から出力された電気量は
センサコントローラ４に入力され、適宜フィルター処理
や増幅処理がなされて、判別手段５に送られる。判別手
段５においては、センサコントローラ４から送られた電
気量にたいし、ノズル１と被加工物３との適正な距離
ｌ′に対するセンサ２と被加工物３との距離Ｌ′におい
て検出される電気量を基準値としてあらかじめ設定され
ていて、該基準値と入力される値とを比較して、その大
小関係に基づいてON,OFFの２値信号に変換し出力する。
基準値と比較してセンサ２と被加工物３との距離が離れ
すぎているときにセンサ２によって検出される電気量に
対してON、逆にセンサ２と被加工物３との距離Ｌが近づ
きすぎているときにセンサ２によって検出される電気量
に対してOFFの信号が割り当てられるものとする。

判別手段５から出力されたON,OFFの２値信号はノズル
駆動制御装置６に入力され、該ノズル駆動制御装置６に
よってセンサ２と被加工物３との距離Ｌ、すなわちノズ
ル１と被加工物３との距離ｌが変更され得る。つまり、
ノズル１と被加工物３との距離ｌが離れすぎていて、判
別装置５からのON信号がノズル駆動制御装置６に入力さ
れると、該ノズル駆動制御装置６によってノズル駆動手
段（図示せず）が駆動されて、ノズル１が被加工物３に
接近すべく移動する。逆にノズル１と被加工物３との距
離ｌが近づきすぎていて、判別装置５からのOFF信号が
ノズル駆動制御装置６に入力されると、該ノズル駆動制
御装置６によってノズル駆動手段（図示せず）が駆動さ
れて、ノズル１が被加工物３から離れるべく移動する。
このようなノズル１の移動制御を所定時間間隔で行うこ
とによって、ノズル１と被加工物３との距離ｌをほぼ一
定に維持することができるものである。この時間間隔は
適用される装置全体との関連で適宜選択され得るもので
あり、例えば0.1秒や0.05秒といった値が使用され得
る。第３図は前記作用に基づいて作動するセンサ２と被
加工物３との位置関係の推移を示したものである。

また、判別手段５に予め設定される基準値が、ある一
定の幅をもった値であり、その上限と下限が設定されて
いて、該基準値に基づいてセンサ２からの信号を、基準
値の上限を超えている，基準値の範囲内にある，基準値
の下限を下まわっているという３つのケースに応じて信
号を３種出力するようにすることも可能であり、より効
果的に利用することができるものである。

［発明の効果］ 以上詳述した通り本発明によれば、ウオータジェット
またはアブレーシブジェットを用いて物品を切断する方
法において、ノズルに近接しかつノズルと一体的に移動
する検出手段によって被加工物との距離を検出し、判別
手段で前記検出信号をデジタル化してノズル駆動制御装
置に入力してノズルの上下動を制御するものであり、具
体的には、検出手段が渦電流式距離検出器，光学式距離
検出器，エアー式距離検出器，静電容量式距離検出器等
で構成され、判別手段に対して入力される信号がアナロ
グ信号であり、出力される信号を２値または３値のデジ
タル信号としたものであるから、簡単で安価な構成で容
易にしかも効果的にノズルと被加工物との距離を逐次的
に制御し得るものであり、被加工物の変形に対して有効
にウオータジェットを作用させることが可能になったも
のである。

このことによって、加工精度と加工品質の向上を達成
し得たものであり、加えて当該加工における安全と機器
の保全に寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するための構成の一例を示す外観
図、第２図は本発明の実施例を示す制御ブロック図、第
３図及び第４図は本発明を適用したときのセンサと被加
工物との位置関係を示す図である。 1:ノズル、2:センサ 3:被加工物、4:センサコントローラ 5:判別手段、6:ノズル駆動制御装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウオータジェットまたはアブレーシブジェ
   ットを用いて物品を切断する方法において、ノズルに接
   近しかつノズルと一体的に移動する検出手段によって被
   加工物との距離を検出し、ノズルと被加工物との適正な
   距離に対応する検出手段と被加工物との距離において検
   出される電気量として設定された基準値を判別手段で前
   記検出したアナログ信号との大小関係を比較し、判別手
   段の出力信号として基準値の上限を越えている時に信号
   1,基準値の下限を下回っている時に信号２の２値のデジ
   タル信号をノズル駆動制御装置に所定時間間隔に入力し
   てノズルの上下動を前記基準値適正領域内に制御するこ
   とを特徴とする加工方法。
2. 【請求項２】デジタル信号が基準値の上限を越えている
   時に信号1,基準値の下限を下回っている時に信号2,基準
   値の範囲内ある時に信号３の３値である請求項１に記載
   の方法。