JP5452639B2 - 母材加工装置におけるトーチ高さ保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、母材の切断あるいは溶接などの母材の加工を行う母材加工装置において、トーチの電極の磨耗量を計測する装置およびトーチの電極の寿命を計測する装置およびトーチの高さを一定に保持する装置に関するものである。

切断加工、溶接加工の分野では、アーク切断加工、アーク溶接加工が広く普及している。この種の母材加工装置は、トーチに電極が設けられ、電極と母材との間に印加されるアーク電圧に応じたアーク長さのアークを生成しつつトーチを母材の加工線に沿って移動させて母材を加工する。以下では、切断加工装置を例にとり説明する。

切断加工装置には、通常、ＡＶＣ（アーク ボルテージ コントロール）装置が備え付けられている。

ＡＶＣ装置は、測定されたアーク電圧を、設定された基準アーク電圧と比較してアーク長を一定に保持するように、切断用トーチを母材の高さ方向に移動させて切断用トーチと母材との距離を調整する制御を行なう装置である。この制御は、切断用トーチが斜めになったり、母材の熱歪みなどによって母材表面の高さ方向の位置が変化したとしても、常にアーク長を一定に保持するためのものである。母材Ｒの板厚に応じてアーク長が定まり、これに対応して基準アーク電圧が定まる。これは母材Ｒの板厚に応じて切断幅を規定の幅にするためのアーク長、基準アーク電圧が異なるからである。そのために板厚に対応して、切断幅を規定の幅にするために必要な基準アーク電圧が設定されている。

図１は、切断用トーチ１０と母材Ｒとの位置関係を時系列で示している。

切断加工開始位置に切断用トーチ１０が位置されると、切断用トーチ１０の高さを計測する動作（ＩＨＳ動作）を経て、ピアス工程に入る。ピアス工程では、切断用トーチ１０の高さ方向の位置は、ピアッシングに適した一定の高さ方向位置Ｈpに調整される。そして、切断用トーチ１０からプラズマを噴流することにより切断開始位置にピアス孔が開けられる。その後、切断用トーチ１０が溶接線に沿って移動し一定速度になるまで加速する（加速工程）。加速工程では、切断用トーチ１０の高さ方向の位置は、一定の高さ方向位置Ｈsに維持される。切断用トーチ１０が一定速度になると、ＡＶＣ開始点より、ＡＶＣ装置による制御が開始される。以後、切断用トーチ１０の高さ方向位置は、母材Ｒの表面高さ方向位置等が変動するに応じて、変動する。

切断開始位置から切断用トーチ１０が移動を開始してからＡＶＣ開始点に至るまでの加速工程は時間管理されている。切断開始位置から切断用トーチ１０が移動を開始してから所定時間に達すると、ＡＶＣ装置による制御が開始される。

ここで、電極１１の磨耗がないのであれば、ＡＶＣ装置による制御中、アーク長は切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬに比例し、切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬは一定に保持されるはずである。

しかし、電極１１が磨耗すると、その磨耗量分だけアーク長が長くなり、アーク電圧が上がる。そこで、アーク長を一定に保持するために、切断用トーチ１０が下げられアーク電圧を基準アーク電圧まで下げるように調整される。

しかし、切断用トーチ１０が限界値まで下がると、図２（ａ）に示すように、切断溝の断面形状が本来の形状（破線にて示す）に比較してテーパ状（実線にて示す）となり、製品の品質が悪化する。また、切断用トーチ１０が限界値まで下がると、母材Ｒへのドロス付着が顕著になり製品品質に悪影響を与えたり、ダブルアークによって切断用トーチ１０のノズルの損傷を招くおそれがある。そして図２（ｂ）に示すように、ノズル１２の損傷が進行すると、切断幅の寸法が本来の寸法（破線にて示す）に比較して広くなり（実線にて示す）、製品の寸法に誤差が生じるおそれがある。このように切断用トーチ１０の高さ位置の低下は、切断用トーチ１０の寿命の低下や製品品質の劣化に大きく影響を与える。

そこで、電極１１の磨耗が進行することに伴って切断用トーチ１０が限界値まで下がることを回避する必要がある。

（切断用トーチの寿命管理に関する従来の実施技術）
一般的には、電極を含めた切断用トーチの寿命管理は、オペレータに任されている。すなわち、たとえば切断用トーチの種類に対応して交換時間を明記した表に基づき、必要な時期に切断用トーチを新品と交換するようにしている。

また、図２（ｂ）で説明したように、ノズル１０ａの損傷が進行すると、切断幅の寸法が広くなることから、製品の寸法を計測してノズルを含めた切断用トーチの損耗度を推定する手法も実施されている。

また、切断時間とピアス回数を計測して計測値が規定値に達した場合に警報信号を出力して、切断用トーチの交換を促す装置も存在する。

（切断用トーチの寿命管理に関して特許文献に記載された従来技術）
下記する特許文献１には、切断用トーチ内の電極の先端中央位置を計測し、計測値を新品時に同様に計測した値と比較することにより電極が交換時期に達したかを判断するという発明が記載されている。

下記する特許文献２には、アークによって消費された電力量とアークのスタート回数に基づいて切断用トーチ内の電極の消耗量を演算し、演算した電極消耗量が限界消耗量を超えた場合に電極が交換時期に達したと判断するという発明が記載されている。

下記する特許文献３には、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を監視することで、電極の消耗を検出するという発明が記載されている。

特開平６-２２６４５２号公報 特開平５-２７７７４４号公報 特開２００６-７３１５号公報

切断用トーチの寿命管理に関する従来技術は、いずれも、プラズマ電源、母材の板厚などの切断条件の影響を受けて、磨耗量、寿命時期の計測誤差が大きい。また、特許文献３に記載されたものでは、ノズル保護カバーが装着された特殊な切断用トーチにしか適用することができない。

さらに、従来技術にあっては、ＡＶＣ装置による制御の影響は何ら考慮されていない。すなわち、電極の磨耗が進行したまま、ＡＶＣ装置による制御が実行されると、切断用トーチの高さ位置が低下し、製品品質の劣化等を招く。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、トーチの電極の磨耗量を正確に計測して、トーチの交換時期を正確に判断できるようにすることを第１の解決課題とするものである。

また、電極の磨耗が進行したとしてもトーチの高さ位置が低下することを回避して、トーチの寿命の低下や製品品質の劣化を防止することを第２の解決課題とするものである。

第１発明は、
トーチに電極が設けられ、電極と母材との間に印加されるアーク電圧に応じたアーク長さのアークを生成しつつトーチを母材の加工線に沿って移動させて母材を加工する母材加工装置において、
アーク電圧を測定するアーク電圧測定手段と、
トーチと母材との距離を測定する距離測定手段と、
加工開始から所定時間後に制御を開始する制御手段であって、測定されたアーク電圧を、設定された基準アーク電圧と比較してアーク長を一定に保持するように、トーチを母材の高さ方向に移動させてトーチと母材との距離を調整する制御を行なうアーク電圧制御手段と、
加工開始から前記所定時間内に、アーク電圧測定手段によってアーク電圧を測定するとともに、距離測定手段によってトーチと母材との距離を測定し、これら測定されたアーク電圧およびトーチと母材との距離に基づいて、電極の磨耗量を演算する電極磨耗量演算手段と
が具えられた母材加工装置における電極磨耗量計測装置であることを特徴とする。

第２発明は、第１発明において、
電極磨耗量演算手段によって演算された電極磨耗量をしきい値と比較して、電極磨耗量がしきい値に達した場合に、警報信号を生成する警報信号生成手段
がさらに具えられた母材加工装置における電極寿命計測装置であることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明において、
電極磨耗量演算手段によって演算された電極磨耗量に応じて、トーチと母材との距離を一定に保持するように、測定されたアーク電圧を補正し、この補正アーク電圧をアーク電圧制御手段に出力するアーク電圧補正手段
がさらに具えられ、
アーク電圧制御手段は、
補正されたアーク電圧を、設定された基準アーク電圧と比較してアーク長を一定に保持するように、トーチを母材の高さ方向に移動させてトーチと母材との距離を調整する制御を行なう、母材加工装置におけるトーチ高さ保持装置であることを特徴とする。

第４発明は、第１発明または第２発明において、
電極磨耗量演算手段によって演算された電極磨耗量に応じて、トーチと母材との距離を一定に保持するように、基準アーク電圧を補正し、この補正基準アーク電圧をアーク電圧制御手段に出力する基準アーク電圧補正手段
がさらに具えられ、
アーク電圧制御手段は、
設定された基準アーク電圧を補正基準アーク電圧に置き換え、測定されたアーク電圧を、補正基準アーク電圧と比較してアーク長を一定に保持するように、トーチを母材の高さ方向に移動させてトーチと母材との距離を調整する制御を行なう、母材加工装置におけるトーチ高さ保持装置であることを特徴とする。

第５発明は、第１発明において、
トーチの管理番号ごとに、あるいは母材の板厚の大きさごとに、トーチの電極の磨耗量を管理する電極磨耗量管理手段
が具えられたことを特徴とする。

本発明によれば、つぎの作用効果が得られる。

ａ）トーチの電極の磨耗量を正確に知ることができ、トーチの交換時期を正確に判断することができるようになる（第１発明）。さらにトーチの電極の磨耗量が限界に達した正確な時期を警報によって知ることができるようになる（第２発明）。

ｂ）トーチの電極の磨耗が進行したとしてもトーチの高さ位置が低下することを回避することができ、トーチの寿命の低下や製品品質の劣化を防止することができる（第３発明、第４発明）。

ｃ）トーチの種類毎あるいは母材の板厚毎に、電極磨耗量を管理することができ、複数のトーチが混用して使用される場合であっても、誤りなく、各トーチの交換時期を正確に判断することができるようになる（第５発明）。

図１は、切断用トーチと母材との位置関係を時系列で示した図である。 図２（ａ）、（ｂ）は従来技術および本発明の課題を説明するために用いた図である。 図３は、実施形態の全体システムの構成を示したブロック図である。 図４は、電極の磨耗量を計測する原理を説明する図である。 図５は、アーク電圧測定開始点からアーク電圧測定終了点までの切断用トーチの移動軌跡と母材の傾きとの幾何的関係を示した図である。 図６は、切断用トーチの高さ位置を保持する実施例における信号の流れを示す図である。 図７は、複数の切断用トーチを管理する実施例における処理の手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明に係る母材加工装置における電極磨耗量計測装置および電極寿命計測装置およびトーチ高さ保持装置について説明する。

実施形態では、切断加工装置を例にとり説明する。しかし、本発明は、溶接加工装置にも同様に適用することができる。

また、切断加工装置は、たとえばプラズマ切断加工装置を想定して説明する。

図３は、実施形態の全体システムの構成をブロック図にて示す。

同図３に示すように、実施形態のシステムは、大きくは、切断用トーチ１０と、プラズマ電源装置２０と、演算処理装置３０と、ストロークセンサ３１と、タッチパネル３２と、ＡＶＣ装置４０と、警報発生装置５０とから構成されている。なお、図３は、本発明に係る構成部分のみを示しており、本発明とは直接関係のない実際のシステムにおける構成部分は省略している。

切断用トーチ１０は、切断用トーチ１０内に設けられた電極１１と、切断用トーチ１０の先端に設けられたノズル１２とを含んで構成される。プラズマアークによって切断加工を行う母材切断加工装置は、電極１１と母材Ｒとの間に印加されるアーク電圧Ｖａに応じたアーク長さのプラズマアークを生成しノズル１２からプラズマを母材Ｒに向け噴流させつつ切断用トーチ１０を母材Ｒの加工線に沿って移動させて母材Ｒを切断加工する。

プラズマ電源装置２０は、切断用トーチ１０の電極１１（負極）と母材Ｒ（正極）との間にアーク電圧Ｖａを印加する。アーク電圧Ｖａは、プラズマ電源装置２０に設けられたアーク電圧測定手段２１によって測定される。アーク電圧測定手段２１によって測定されたアーク電圧Ｖａは、演算処理装置３０に入力される。

ストロークセンサ３１は、切断用トーチ１０の高さ方向の位置（以下、単に「高さ」という）Ｈを検出する。ストロークセンサ３１で検出された切断用トーチ１０の高さＨを示す信号は、演算処理装置３０に入力される。

タッチパネル３２は、入力部３３と、表示部３４を備えている。入力部３３で入力された内容を示す信号は、演算処理装置３０に入力される。表示部３４には、演算処理装置３０から出力された表示信号に応じて表示がなされる。

警報発生装置５０は、演算処理装置３０から出力された警報信号に応じて警報を発生する。警報発生装置５０は、たとえばブザー、パトライト（登録商標）で構成される。

ＡＶＣ装置４０は、演算処理装置３０から入力される後述する補正アーク電圧Ｖａ1を、設定された基準アーク電圧と比較してアーク長を一定に保持するように、切断用トーチ１０を母材Ｒの高さ方向に移動させて切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離を調整する制御を行なう。この制御は、切断用トーチ１０が斜めになったり、母材Ｒの熱歪みなどによって母材表面の高さ方向の位置が変化したとしても、常にアーク長を一定に保持するためのものである。母材Ｒの板厚に応じてアーク長が定まり、これに対応して基準アーク電圧が定まる。これは母材Ｒの板厚に応じて切断幅を規定の幅にするためのアーク長、基準アーク電圧が異なるからである。そのために板厚に対応して、切断幅を規定の幅にするために必要な基準アーク電圧が設定されている。

以下、各実施例について説明する。

（第１実施例：電極磨耗量計測）
図４は、電極１１の磨耗量を計測する原理を説明する図である。

電極１１の磨耗量をΔＤ、ノズル１２の長さをΔＮ、切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離をΔＬとすると、アーク電圧Ｖａとこれらの間には、
Ｖａ＝Ｋ１・ΔＬ＋Ｋ２・ΔＤ＋Ｋ３・ΔＮ …（１）
という関係が成立する。ただし、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、既知の定数である。ノズル長さΔＮは、既知の値である。切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬは、ストロークセンサ３１で検出された切断用トーチ１０の高さＨと、母材Ｒの板厚（既知）とよって求められる。なお、ストロークセンサ３１の代わりに、切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬを直接測定する距離測定手段を設ける実施も可能である。

上記（１）式を変形すると、電極磨耗量ΔＤは、
ΔＤ＝（Ｖａ−Ｋ１・ΔＬ−Ｋ３・ΔＮ）／Ｋ２ …（２）
によって求められる、よって、アーク電圧測定手段２１によってアーク電圧Ｖａを測定するとともに、ストロークセンサ３１によって検出されたトーチ高さＨに基づき切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬを測定し（あるいは距離測定手段によって距離ΔＬを直接測定し）、これら測定されたアーク電圧Ｖａおよび切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬに基づいて、電極１１の磨耗量ΔＤを演算することができる。

しかし、ＡＶＣ装置４０による制御が実行されている間は、切断用トーチ１０の高さ方向位置が変動してしまい正確なアーク電圧Ｖａを測定することができない。そこで、ＡＶＣ装置４０による制御が実行されていない期間に、アーク電圧測定手段２１によってアーク電圧Ｖａを測定する。

図１は、切断用トーチ１０と母材Ｒとの位置関係を時系列で示している。

切断加工開始位置に切断用トーチ１０が位置されると、切断用トーチ１０が母材Ｒに当接するまで下げられ、この位置から母材Ｒの板厚に応じた高さＨpまで上昇される（ＩＨＳ動作）。高さＨpは、ピアッシングに適した高さである。高さＨpの測定は、ストロークセンサ３１によって行われる。そして、アークを形成する工程を経て、ピアス工程に入る。ピアス工程では、切断用トーチ１０の高さＨは、ピアッシングに適した一定の高さＨpに維持される。そして、切断用トーチ１０からプラズマが噴流されて切断開始位置にピアス孔が開けられる。

その後、切断用トーチ１０が溶接線に沿って移動し一定速度になるまで加速する（加速工程）。加速工程では、切断用トーチ１０の高さ方向の位置は、一定の高さ方向位置Ｈsに維持される。この加速工程では、ＡＶＣ装置４０による制御は行われない。

よって、この加速工程で、アーク電圧測定手段２１によってアーク電圧Ｖａが所定のサンプリング周期で測定される。

図５は、アーク電圧測定開始点（加速の開始点）からアーク電圧測定終了点（加速の終了点）までの切断用トーチ１０の移動軌跡と母材Ｒの傾きとの幾何的関係を示したものである。母材Ｒの傾きは、母材Ｒが置かれる定盤（架台）の傾きや、定盤上に堆積されたドロスなどによって生じる。母材Ｒが傾いていると、測定されるアーク電圧Ｖａに誤差が生じる。そこで、測定されるアーク電圧Ｖａから傾きによる誤差分を差し引き補正する必要がある。

図５中、εが、アーク電圧の測定誤差となる。よって、このアーク電圧測定誤差を解消するために、測定されたアーク電圧の増減傾向から１次式の傾きを計算して補正を行う。具体的には下記の補正演算を行う。

Ｖａ´＝Σ（Ｖａｉ−ｉ・atan（ＶａN−Ｖa1／N）／Ｎ …（３）
ただし、Ｖａｉは、加速中にトーチの下降が併行するケースもあるので、プラズマ電源と板厚で規定される電圧の範囲内を対象とし、ｉ番目（ｉ＝１、２…Ｎ）のサンプリング時に測定されたアーク電圧であり、ＶａNは、最後のN番目のサンプリング時に測定されたアーク電圧である。

上記（３）式によって補正演算されたアーク電圧Ｖａ´を、上記（２）式に代入して、電極磨耗量ΔＤを求める。

このようにして、電極１１の磨耗量ΔＤが、演算処理装置３０の電極磨耗量演算手段３５で演算される。

ここで、一般に、電極１１が限度値まで磨耗するときの平均的な電圧降下は、アーク電圧に換算すると、約８Ｖである。通常、アーク電圧は、１００Ｖ〜２００Ｖ程度であるので、必要とされる測定分解能は、４％以下となる。これはＡ／Ｄ変換精度の５ビット相当になる。更に波形に重畳された雑音等を考慮すると、８ビット（２５６）以上が必要となる。また、演算処理装置３０には、上記した程度の精度のＡ／Ｄ変換機能と高周波雑音（プラズマの正極点の変動は数ｋＨｚ）を除去するためのローパスフィルタが必要となる。アーク電圧のサンプリング周期は１ｍｓあれば充分である。よってハードのフィルタ回路ではなくソフトのフィルタ処理で対応可能である。なお、アーク電圧は電圧減衰器を介して１０Ｖ以下に落として処理される。

母材Ｒを切断加工する毎に、電極磨耗量演算手段３５で逐次演算される電極１１の磨耗量ΔＤは、表示信号に変換されて、タッチパネル３２の表示部３４に出力される。これによりタッチパネル３２の表示部３４に、現在の電極１１の磨耗量ΔDが表示され、オペレータは常時、切断用トーチ１０の磨耗状態を確認することができる。

（第２実施例：電極磨耗量計測とトーチ寿命計測の併用）
一方、演算処理装置３０の、しきい値設定部３６には、電極１１の磨耗量ΔＤが限界値に達したか否かを判断するためのしきい値ΔＤcが設定されている。

警報信号生成手段１３６では、電極磨耗量演算手段３５によって演算された電極磨耗量ΔＤがしきい値ΔＤcと比較される。その結果、電極磨耗量ΔＤがしきい値ΔＤcに達した場合には、警報信号が生成され、警報信号が警報発生装置５０に出力される。これにより警報発生装置５０で警報が発生される。これにより、オペレータは、電極１１の磨耗が限界に達したことを認識することができ、切断用トーチ１０を新品に交換するなどの処置をとることができる。なお、警報信号をタッチパネル３２に出力して、表示部３４に警報内容を表示してもよい。

切断用トーチ１０の寿命を判断するために他の手法を併用してもよい。

通常は、電極１１とノズル１２のいずれかが寿命に達すると、電極１１とノズル１２は同時に交換される。切断用トーチ１０の寿命は、電極１１とノズル１２の損耗を合算したものとして表される。電極１１とノズル１２の損耗は、アーク時間（切断時間）とピアス回数により規定される。アーク時間は、プラズマ電源装置２０の電源の種類、ガスの種類、電極１１の種類（材料）によって規定される。切断時間は、アーク電圧が規定値以上になっている時間を計時することにより得られる。ピアス回数は、アーク電圧と切断用トーチ１０の高さから計数して累積される。

演算処理装置３０の寿命演算部３７では、切断用トーチ１０の寿命時間が下記式によって演算される。

寿命時間＝切断時間＋Ｋ・ピアス回数 …（４）
Ｋは、ピアス回数で加速される切断用トーチ１０の損耗度合いの時間換算値である。Ｋの値は、既知の値として、プラズマ電源装置２０の電源の種類、ガスの種類、電極１１の種類（材料）に対応してデータベース３８に記憶されておかれる。このため演算処理装置３０には、適度な容量の不揮発性メモリが必要とされる。

警報信号生成手段１３６では、寿命演算部３７によって演算された寿命時間が規定値と比較される。その結果、寿命時間が規定値を超えた場合には、警報信号が生成され、警報信号が警報発生装置５０に出力される。これにより警報発生装置５０で警報が発生される。これにより、オペレータは、電極１１またはノズル１２の損耗が限界に達したことを認識することができ、切断用トーチ１０を新品に交換するなどの処置をとることができる。

寿命時間が規定値を超えた場合に発生される警報信号は、電極磨耗量ΔＤがしきい値ΔＤcに達した場合に発生される警報信号と識別できるようにすることが望ましい。この場合も、各警報信号をタッチパネル３２に出力して、表示部３４に警報内容を表示してもよい。

（第３実施例：トーチ高さ保持）
さて、電極１１の磨耗がないのであれば、ＡＶＣ装置４０による制御中、アーク長は切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離に比例し、切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離ΔＬは一定に保持されるはずである。

しかし、電極１１が磨耗すると、その磨耗量分だけアーク長が長くなり、測定されるアーク電圧Ｖａが上がる。そこで、アーク長を一定に保持するために、切断用トーチ１０が下げられ、アーク電圧を基準アーク電圧まで下げるように調整される。

しかし、切断用トーチ１０が限界値まで下がると、図２（ａ）で説明したように、切断用トーチ１０の寿命の低下や製品品質の劣化に大きく影響を与える。このため、電極１１の磨耗が進行することに伴って切断用トーチ１０が限界値まで下がることを回避する必要がある。

そこで、本実施例では、演算処理装置３０に、アーク電圧補正手段３９を設け、アーク電圧補正手段３９で補正されたアーク電圧Ｖa1を、ＡＶＣ装置４０に出力することで切断用トーチ１０の高さを保持するようにしている。

図６は、本実施例における信号の流れを示す図である。以下、この図を併せ参照して説明する。

プラズマ電源装置２０に設けられたアーク電圧測定手段２１では、実際のアーク電圧Ｖaが測定される。アーク電圧測定手段２１によって測定されたアーク電圧Ｖａは、演算処理装置３０のアーク電圧補正手段３９に入力される。

アーク電圧補正手段３９では、電極磨耗量演算手段３５によって演算された電極磨耗量ΔＤに応じて、切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離を一定に保持するように、測定されたアーク電圧Ｖａを下記式のごとく補正演算し、補正アーク電圧Ｖａ1を生成する。

Ｖａ1＝Ｖａ−Ｋ２・ΔＤ …（５）
そして、この補正アーク電圧Ｖａ1をＡＶＣ装置４０に出力する。

ＡＶＣ装置４０では、測定アーク電圧Ｖａを、補正アーク電圧Ｖａ1に置き換え、制御を行なう。すなわち、補正アーク電圧Ｖａ1を、設定された基準アーク電圧と比較してアーク長を一定に保持するように、切断用トーチ１０を母材Ｒの高さ方向に移動させて切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離を調整する制御を行なう。

これにより、電極１１の磨耗が進行したとしても、切断用トーチ１０は下がることなく一定の高さに保持される。しかも、本実施例によれば、手動にて基準アーク電圧に変更を加える必要がなく、自動的に、切断用トーチ１０の高さを一定に保持する制御が実現される。さらに本実施例によれば、既存のプラズマ電源装置２０、ＡＶＣ装置４０には何ら改造、加工を加えることなく、これらの装置間に、アーク電圧補正手段３９（演算処理装置３０）を追加するという簡易なシステム構成で、切断用トーチ１０の高さを自動的に一定に保持することができるという顕著な効果が得られる。

この実施例では、測定アーク電圧Ｖａを補正して、ＡＶＣ装置４０による制御を行なうようにしている。しかし、基準アーク電圧を補正して、ＡＶＣ装置４０による制御を行なうようにしてもよい。

この場合、電極磨耗量演算手段３５によって演算された電極磨耗量ΔＤに応じて、切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離を一定に保持するように、現在ＡＶＣ装置４０で設定されている基準アーク電圧Ｖthを、下記式のごとく補正演算し、補正基準アーク電圧Ｖth1を生成する。

Ｖth1＝Ｖth＋Ｋ２・ΔＤ …（６）
そして、この補正基準アーク電圧Ｖth1をＡＶＣ装置４０に出力する。

ＡＶＣ装置４０では、現在設定されている基準アーク電圧Ｖthを、補正基準アーク電圧Ｖth1に置き換え、制御を行なう。すなわち、アーク電圧測定手段２１で測定されたアーク電圧Ｖａを、補正基準アーク電圧Ｖth1と比較してアーク長を一定に保持するように、切断用トーチ１０を母材Ｒの高さ方向に移動させて切断用トーチ１０と母材Ｒとの距離を調整する制御を行なう。

これにより、電極１１の磨耗が進行したとしても、切断用トーチ１０は下がることなく一定の高さに保持される。

（第４実施例：電極磨耗量管理）
アーク電圧は、電極１１を陰極とし母材Ｒ内のプラズマの陽極点との電圧差である。母材Ｒの板厚が変化すれば、加速工程中に測定されるアーク電圧Ｖａが変化する。これは母材Ｒの板厚に応じて切断性能を補償するために適切なトーチ高さＨ（トーチ・母材間距離ΔＬ）が決まっているからである。

異なる板厚の母材Ｒが切断加工される毎に、切断用トーチ１０が板厚の大きさに応じた種類のものに交換される。そして、加速工程では、母材Ｒの板厚の大きさに応じた高さに、切断用トーチ１０の高さＨsが調整される。このように異なる種類の複数の切断用トーチ１０が混用されて使用される場合には、電極磨耗量の管理を、切断用トーチ１０の種類毎に行う必要がある。

そこで、演算処理装置３０の管理手段１３１は、母材Ｒの板厚の大きさごとに切断用トーチ１０の電極１１の磨耗量を管理する。

以下、図７のフローチャートを参照して演算処理装置３０で行われる処理の手順について説明する。

切断加工開始にあたり、タッチパネル３２の入力部３３より、プラズマ電源装置２０の電源の種類、ガスの種類、電極１１の種類（材料）のデータが入力される。これにより入力データに対応するＫの値がデータベース３８から読み出される。また切断用トーチ１０が新品である場合には、「新品」であることを示すデータが入力される（ステップ１０１）。

つぎに切断用トーチ１０がセットされ（ステップ１０２）、切断用トーチ１０の種類を示す管理番号のデータがタッチパネル３２の入力部３３より入力される。この切断用トーチ１０の種類を示す管理番号は、母材Ｒの板厚に対応している（ステップ１０３）。

つぎに、切断加工が実行される。切断加工中は、切断時間、ピアス回数、寿命時間、電極磨耗量ΔＤが前述したごとく演算される。

管理手段１３１は、切断用トーチ１０の種類を示す管理番号に対応して、切断時間、ピアス回数、寿命時間、電極磨耗量ΔＤの履歴をメモリに記憶し、管理している。

切断用トーチ１０が「新品」の場合には、対応する管理番号の切断用トーチ１０の履歴情報を消去、つまり切断時間、ピアス回数、寿命時間、電極磨耗量ΔＤをリセットした上で、対応する管理番号の切断用トーチ１０の切断時間、ピアス回数、寿命時間、電極磨耗量ΔＤをメモリに記録する。

これに対して、「新品」の入力がなく、切断用トーチ１０が旧品の場合には、対応する管理番号の切断用トーチ１０の履歴情報を引き継ぐ、つまり、対応する管理番号の切断用トーチ１０の切断時間、ピアス回数、寿命時間、電極磨耗量をメモリから読み出し、新たに演算された切断時間、ピアス回数、寿命時間、電極磨耗量ΔＤによってデータを更新してメモリに記憶する（ステップ１０４）。

以上のごとくして、管理番号毎に電極磨耗量ΔＤ、切断時間、ピアス回数、寿命時間がメモリに記録される。なお、記録内容は、表示信号に変換されて、タッチパネル３２の表示部３４に出力される。これによりタッチパネル３２の表示部３４に、切断用トーチ１０の種類（管理番号）毎に電極磨耗量ΔＤ、切断時間、ピアス回数、寿命時間を表示させることができ、オペレータは常時、複数の切断用トーチ１０の損耗状態を確認することができる。また、記録内容に基づき警報信号が出力されて、警報発生装置５０によって、切断用トーチ１０の種類（管理番号）毎に電極磨耗量ΔＤが限界に達したこと、あるいは、寿命時間が限界に達したことをオペレータに知らしめることができる。

なお、本実施例では、切断用トーチ１０の種類を示す管理番号を入力し、入力した管理番号によって切断用トーチ１０の種類を判別し、切断用トーチ１０の種類毎に電極磨耗量等を管理するようにしているが、母材Ｒの板厚の大きさ毎に電極磨耗量等を管理する実施も可能である。

すなわち、切断用トーチ１０の加速工程中に、ストロークセンサ３１で検出された切断用トーチ１０の高さＨに応じて母材Ｒの板厚の大きさを判別し、母材Ｒの板厚の大きさごとに切断用トーチ１０の電極１１の磨耗量等を管理してもよい。

以上説明した実施例によれば、つぎのような作用効果が得られる。

ａ）切断用トーチ１０の電極１１の磨耗量ΔＤを正確に知ることができ、切断用トーチ１０の交換時期を正確に判断することができるようになる（第１実施例）。さらに切断用トーチ１０の電極１１の磨耗量が限界に達した正確な時期を警報によって知ることができるようになる（第２実施例）。

ｂ）電極磨耗量ΔＤの計測と切断用トーチ１０の寿命時間の計測を併用して、それぞれ限界に達した時期に警報を発生させることができ、切断用トーチ１０の交換時期を正確かつ的確に判断することができるようになる（第２実施例）。

ｃ）切断用トーチ１０の電極１１の磨耗が進行したとしても切断用トーチ１０の高さ位置が低下することを回避することができ、切断用トーチ１０の寿命の低下や製品品質の劣化を防止することができる（第３実施例）。

ｄ）切断用トーチ１０の種類毎あるいは母材Ｒの板厚毎に、電極磨耗量ΔＤ、切断時間、ピアス回数、寿命時間を管理することができ、複数の切断用トーチ１０が混用して使用される場合であっても、誤りなく、各切断用トーチ１０の交換時期を正確に判断することができるようになる（第４実施例）。

１０ 切断用トーチ、３０ 演算処理装置、４０ ＡＶＣ装置、５０ 警報発生装置

Claims (3)

1. トーチに電極が設けられ、電極と母材との間に印加されるアーク電圧に応じたアーク長さのアークを生成しつつトーチを母材の加工線に沿って移動させて母材を加工する母材加工装置において、
   アーク電圧を測定するアーク電圧測定手段と、
   トーチと母材との距離を測定する距離測定手段と、
   加工開始から所定時間後にアーク電圧制御を開始する制御手段であって、測定されたアーク電圧を、設定ないしは入力された基準アーク電圧と比較して、前記所定時間後の当該アーク電圧制御中の間はアーク長を一定に保持するように、トーチを母材の高さ方向に移動させてトーチと母材との距離を調整する制御を行なうアーク電圧制御手段と、
   加工開始から前記所定時間内であって前記トーチの高さ方向が変動せずに前記トーチが一定速度になるまで加速する加速期間内に、アーク電圧測定手段によって所定のサンプリング周期で複数回アーク電圧を測定するとともに、距離測定手段によってトーチと母材との距離を測定し、前記複数回測定されたアーク電圧およびトーチと母材との距離に基づいて、電極の磨耗量を演算する電極磨耗量演算手段と
   が備えられたものであり、
   電極磨耗量演算手段によって演算された電極磨耗量に応じて、電極磨耗量の大きさに関わらずトーチと母材との距離を一定に保持するための補正基準アーク電圧を現在設定されている基準アーク電圧に基づき演算し、この演算された補正基準アーク電圧をアーク電圧制御手段に出力する基準アーク電圧補正手段
   がさらに具えられ、
   前記アーク電圧制御手段は、
   現在設定されている基準アーク電圧を入力された補正基準アーク電圧に置き換え、測定されたアーク電圧を、補正基準アーク電圧と比較して、前記所定時間後の前記アーク電圧制御中の間はアーク長を一定に保持するように、トーチを母材の高さ方向に移動させてトーチと母材との距離を調整する制御を行なう
   ものであることを特徴とする母材加工装置におけるトーチ高さ保持装置。
2. 前記電極磨耗量演算手段によって演算された電極磨耗量をしきい値と比較して、電極磨耗量がしきい値に達した場合に、警報信号を生成する警報信号生成手段
   がさらに具えられたことを
   を特徴とする請求項１記載の母材加工装置におけるトーチ高さ保持装置。
3. トーチの管理番号ごとに、あるいは母材の板厚の大きさごとに、トーチの電極の磨耗量を管理する電極磨耗量管理手段
   が具えられたことを特徴とする請求項１記載の母材加工装置におけるトーチ高さ保持装置。

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