JPH06312269A - プラズマトーチの高さ制御方法及び高さ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プラズマトーチによって被加工材を加工する際
に、該トーチの移動速度の変化による影響を排除してト
ーチの高さを予め設定された値に維持する。 【構成】非消耗状態の電極１ａを装着したトーチ１を被
加工材２に垂直に配置して一定の速度で移動させてトー
チの高さに応じた極間電圧を測定して基準値を設定す
る。移動速度に応じた極間電圧の変化を測定した補正値
を設定する。加工に際し、測定部26によって実際の極間
電圧を測定し、測定された極間電圧を移動速度の変化に
応じた補正値で補正し、基準値と比較して両者を一致さ
せるようにトーチ上下装置６を駆動してトーチの高さを
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被加工材を加工するプラ
ズマトーチの被加工材からの高さを制御する制御方法と
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼板やステンレス鋼板等の被加工材にプ
ラズマアークを噴射して切断するプラズマ切断或いは溶
接するプラズマ溶接等の加工が行われている。これ等の
加工を行う場合、切断面或いは溶接部位の品質を維持す
るにはプラズマトーチの被加工材からの高さを予め設定
された値に維持して加工することが必要である。

【０００３】切断等の加工を行っている間プラズマトー
チの高さを維持するために種々の方法や装置が提案され
ている。このような装置として、例えばプラズマトーチ
の周囲にレーザーセンサーや磁気容量型センサー或いは
エアセンサー等のセンサーを配置して該センサーと被加
工材との間隔を検出し、検出値と予め設定された目標値
とを比較して異なる値になったとき、検出値を目標値に
一致させるようにプラズマトーチの高さを制御するもの
がある。

【０００４】上記装置は、プラズマトーチの周囲に複数
のセンサーを配置して構成されるため、プラズマトーチ
が被加工材の端部に接近したとき安定した制御をするこ
とが困難であるという問題があり、実際に検出する位置
がプラズマトーチの周囲であるため、プラズマトーチの
中心の高さが正確に予め設定された値に制御されている
か否かを保証することが出来ないという問題がある。

【０００５】またプラズマトーチが定電流制御されてい
ることに着目して極間電圧を測定してプラズマトーチの
高さを制御する方法がある。この方法は、プラズマアー
クを形成する二つの極の間に定電流が印加されるため、
プラズマトーチの高さが変化すると、この変化に応じて
極間電圧が変化するという現象に基づいている。

【０００６】即ち、プラズマアークを形成して被加工材
に対し所定の加工を行っている間、極間電圧を測定して
測定された電圧値を予め設定された電圧値と一致させる
ようにプラズマトーチの高さを制御することで、該トー
チの高さを維持している。この方法では、プラズマトー
チの中心の高さを予め設定された値に維持することが出
来る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記極間電圧を利用し
てプラズマトーチの高さを制御する方法では、プラズマ
トーチの高さの変化以外の要因によって極間電圧が変化
した場合、この変化に起因してプラズマトーチの高さが
変化するという問題がある。

【０００８】即ち、プラズマトーチの移動速度の変化に
応じて極間電圧に変化が生じた場合、この極間電圧の変
化がプラズマトーチの高さの変化であるとして認識さ
れ、プラズマトーチが予め設定された高さに維持されて
いる場合であっても、極間電圧の変化に応じてプラズマ
トーチの高さを変化させるような制御が行われるという
問題がある。

【０００９】本発明の目的は、プラズマトーチの移動速
度の変化に応じた極間電圧の変化による影響を排除して
プラズマトーチの高さを制御する方法と装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本件発明者等が、プラズ
マトーチに装着した電極の破壊を予知することを目的と
した研究，プラズマトーチによる加工速度を向上させる
ことを目的とした研究，プラズマトーチによって被加工
材に開先切断を行うことを目的とした研究等を実施した
過程で、プラズマトーチ高さの変化以外に極間電圧を変
化させる要因が複数存在することが判明した。

【００１１】これ等の要因は、電極の消耗量の変化，プ
ラズマトーチの移動速度の変化，プラズマトーチの被加
工材に対する傾斜角度の変化等であり、前記要因による
極間電圧に対する影響を排除することでプラズマトーチ
の高さを正確に制御し得ることを確認した。

【００１２】従って、本発明に係るプラズマトーチの高
さ制御方法は、極間電圧を測定して該電圧が予め設定さ
れた値と等しくなるようにプラズマトーチの被加工材か
らの高さを制御する制御方法であって、予め非消耗状態
の電極を装着したプラズマトーチを被加工材に対し垂直
に配置して一定の速度で移動させたときのプラズマトー
チの高さに対応する極間電圧を基準値として設定すると
共に、プラズマトーチの移動速度の変化によって生じる
極間電圧の変化を計測して補正値を設定し、被加工材を
加工する際に、実際の極間電圧を測定して該測定値を補
正値によって補正してプラズマトーチの高さを制御する
ことを特徴とするものである。

【００１３】また本発明に係るプラズマトーチの高さ制
御装置は、電極を装着したプラズマトーチと、プラズマ
トーチに装着された電極と被加工材との間の極間電圧を
測定する測定手段と、プラズマトーチを被加工材に対し
垂直方向に昇降させる昇降手段と、非消耗状態の電極を
装着したプラズマトーチを被加工材に対し垂直に配置し
て一定の速度で移動させたときのプラズマトーチの被加
工材からの高さに対応する極間電圧のデータからなる基
準データを記憶する基準値記憶部と、プラズマトーチの
移動速度の変化に応じた極間電圧の変化データを補正デ
ータとして記憶する補正値記憶部と、前記補正値記憶部
に記憶された補正データに対応する情報を検出する検出
手段と、前記検出手段によって検出された情報と補正デ
ータに基づいて前記測定手段によって測定された極間電
圧を補正する制御部と、前記制御部によって補正された
値に応じて前記昇降手段を駆動する駆動手段とを有して
構成されるものである。

【００１４】

【作用】上記プラズマトーチの高さ制御方法によれば、
プラズマトーチ（以下単に『トーチ』という）の被加工
材からの高さ（以下『トーチの高さ』という）の変化以
外の極間電圧を変化させるトーチの移動速度の変化の影
響を排除して正確にトーチの高さを制御することが出来
る。

【００１５】即ち、予め非消耗状態の電極を装着したト
ーチを被加工材に対し垂直に配置して一定の速度で移動
させたときのトーチの高さに対応する極間電圧を基準値
とし、トーチの高さの変化以外の極間電圧を変化させる
要因である加工速度（被加工材に対するトーチの移動速
度）の変化による極間電圧の変化を計測して補正値を設
定し、加工に際して実際の極間電圧及びトーチの移動速
度を測定し、測定された極間電圧を実際の移動速度に対
応する補正値によって補正することで、トーチの高さを
正確に維持するように制御することが出来る。

【００１６】トーチに装着された電極（−極）と被加工
材（＋極）との間に定電流を印加してプラズマアークを
形成し、トーチの高さを変化させると極間距離が変化し
て極間電圧が変化する。従って、非消耗状態の電極を装
着したトーチを被加工材に対し垂直に配置して一定の速
度で移動させたときのトーチの高さに対応する極間電圧
を計測することでトーチの高さの制御基準である基準値
を設定することが出来る。

【００１７】トーチの移動速度が増加すると極間電圧は
減少し、移動速度が減少すると極間電圧は増加する。こ
のため、非消耗状態の電極を装着したトーチを被加工材
に対し垂直に配置して移動速度を変化させて加工し、こ
のときの移動速度の変化に応じた極間電圧を計測するこ
とで、移動速度の変化を要因とする補正値を設定するこ
とが出来る。

【００１８】従って、被加工材に対する所定の加工を行
っている間、トーチの移動速度を検出すると共に極間電
圧を測定し、検出した移動速度に対応する補正値を決定
し、この補正値によって測定された極間電圧を補正する
ことで、トーチの移動速度を要因とする極間電圧の影響
を排除することが出来る。

【００１９】そして被加工材を加工する際に、上記補正
値によって実際の極間電圧を補正することで、この要因
による影響を排除してトーチを予め設定された高さに維
持するように制御することが出来る。

【００２０】また上記トーチの高さ制御装置によれば、
上記制御方法を実施してトーチを予め設定された高さに
維持するように制御することが出来る。

【００２１】即ち、基準値記憶部に非消耗状態の電極を
装着したトーチを被加工材に対し垂直に配置して一定の
速度で移動させたときのトーチの被加工材からの高さに
対応する極間電圧のデータからなる基準データを記憶さ
せると共に、補正値記憶部に補正データを記憶させ、検
出手段によって前記補正データに対応する情報を検出す
ると共に測定手段によって実際の極間電圧を測定してこ
れ等の情報を制御部に伝達すると、制御部では検出情報
と補正データに基づいて実際に測定された極間電圧を補
正することが出来る。そして補正された値に応じて昇降
手段を駆動することで、電極を装着したトーチを被加工
材に対し垂直方向に昇降させて高さを制御することが出
来る。

【００２２】

【実施例】以下、トーチの高さ制御方法の一実施例につ
いて図を用いて説明し、合わせてトーチの高さ制御装置
について説明する。図１はプラズマ加工装置の一例であ
るプラズマ切断装置の斜視図、図２はトーチの高さを制
御する基準値を説明する図、図３はトーチの移動速度の
変化に応じて変化する極間電圧を説明する図、図４は制
御系のブロック図である。

【００２３】本発明に係るトーチの高さ制御方法は、ト
ーチと被加工材との間に形成されるプラズマアークは定
電流制御されるため、トーチの高さが変化するとこの変
化に伴って極間電圧が変化するという現象に基づいてい
る。

【００２４】従って、被加工材に対する加工を実施して
いる間、電極と被加工材の間の極間電圧を測定し、測定
された極間電圧の値を補正値によって補正して基準値と
比較することでトーチの高さを制御することが可能であ
る。以下本発明に係るトーチの高さ制御方法を具体的に
説明する。

【００２５】本制御方法を実施するに当たり、予め図２
に示す制御の基準となるトーチの高さと極間電圧との関
係を求める。同図は、非消耗状態の電極をトーチに装着
し、且つトーチを被加工材に対し垂直に配置して定電流
に制御したプラズマアークを形成させて一定の速度で移
動させ、この移動過程でトーチを昇降させて得た線の一
例を示すものである。

【００２６】従って、予め被加工材の厚さや加工条件等
に応じた種々の電流値に対応して複数の線（例えば、 1
00Ａ， 150Ａ等）が設定される。前記複数の線は夫々対
応する加工条件に応じた基準値としての機能を有するも
のであり、被加工材の厚さ，加工条件等が決定されたと
き、前記線の中から特定の線が選択されて加工条件等に
応じた特定の基準値が設定される。

【００２７】そして加工に際して、測定された実際の極
間電圧を後述するトーチの移動速度の変化に応じた補正
値によって補正し、補正された極間電圧と基準値を比較
することで、前記要因に起因する影響を排除してトーチ
の高さを制御することが可能である。

【００２８】トーチの移動速度を変化させると、この変
化に応じて極間電圧が変化する。従って、トーチの高さ
を一定に保持して移動速度を変化させつつ極間電圧を計
測することで、図３に示す移動速度と極間電圧との関係
を示す線を得ることが可能である。

【００２９】従って、同図に示す線の情報を移動速度の
変化を要因とする補正値とし、加工に際してトーチの移
動速度を検出すると共に実際の極間電圧を測定し、検出
された移動速度に対応する極間電圧の値を実際の極間電
圧から差し引くことで、測定された極間電圧を補正する
ことが可能である。

【００３０】次に、被加工材を加工する装置の一例につ
いて図１により説明する。同図に示す加工装置はトーチ
１を用いて被加工材２を切断する切断装置として構成さ
れている。尚、以下説明するトーチの高さ制御方法は切
断装置，溶接装置或いは他の加工装置に共通して適用し
得るものであり、且つ高さ制御装置も同一に構成された
ものを使用することが可能である。

【００３１】図１に於いて、平行に敷設された一対のレ
ール３には、走行サドル４ａとレール３と直交方向に配
置されたクロスガーター４ｂからなるフレーム４が走行
可能に搭載されている。クロスガーター４ｂにはトーチ
１を有するキャリッジ５が横行可能に搭載されている。

【００３２】キャリッジ５にはトーチ１の昇降手段とな
るトーチ上下装置６が設けられており、このトーチ上下
装置６の下方にトーチ１を傾斜させる傾斜装置７が設け
られている。そしてクロスガーター４ｂの下方であって
トーチ１の移動範囲に対応して被加工材２が配置されて
いる。

【００３３】またフレーム４の所定位置にはトーチ１の
高さ及び移動軌跡を制御する制御装置８が設けられ、フ
ロア上にはプラズマ用の電源９が設けられている。前記
電源９とトーチ１及び被加工材２はは夫々ケーブル10
ａ，10ｂによって接続され、且つ制御装置８とケーブル
10ｃによって接続されている。

【００３４】フレーム４の走行サドル４ａには該フレー
ム４をレール３に沿って走行させる走行モーター11が設
けられており、このモーター11に該モーター11の回転を
検出するロータリーエンコーダー11ａが取り付けられて
いる。またキャリッジ５には該キャリッジ５を横行させ
る横行モーター12が設けられており、横行モーター12に
該モーター12の回転を検出するロータリーエンコーダー
12ａが取り付けられている。

【００３５】従って、制御装置８によって走行モーター
11，横行モーター12の回転を制御することでフレーム
４，キャリッジ５を所望の方向に走行させ、これによ
り、トーチ１を被加工材２上で二次元的に移動させるこ
とが可能である。またトーチ１のレール３に沿った方向
の速度及びクロスガーター４ｂに沿った方向の速度はロ
ータリーエンコーダー11ａ，12ａによって検出される。

【００３６】トーチ上下装置６は制御装置８からの信号
に応じてトーチ１を昇降させるものであり、トーチ１を
昇降させる駆動手段となる昇降モーター13が取り付けら
れている。この昇降モーター13には該モーター13の回転
を検出するロータリーエンコーダー13ａが取り付けられ
ている。

【００３７】トーチ上下装置６の下方に設けた傾斜装置
７は、トーチ１を該トーチ１の軸心の延長上に設定され
た点を中心として所望の角度に傾斜させるものであり、
扇状のガイド７ａと、ガイド７ａに装着され且つトーチ
１を取り付けたホルダー７ｂと、ホルダー７ｂをガイド
７ａに沿って移動させる傾斜モーター14とによって構成
されている。また傾斜モーター14には該モーター14の回
転を検出するロータリーエンコーダー14ａが取り付けら
れている。

【００３８】従って、トーチ１の昇降高さをエンコーダ
ー13ａによって検出することが可能であり、且つトーチ
１の傾斜角度をエンコーダー14ａによって検出すること
が可能である。

【００３９】次に、図４によりトーチ１の高さを制御す
る制御系について説明する。図に於いて、21ａは基準値
記憶部であり、図２に示す非消耗状態の電極を装着した
トーチ１を被加工材２に対し垂直に配置して一定の速度
で移動させたときのトーチ１高さに応じた極間電圧であ
る基準データを記憶している。

【００４０】また21ｂは補正値記憶部であり、トーチ１
に装着した電極１ａのプラズマアーク発生回数，使用時
間（アークタイム）の増加に応じた消耗データ及び電極
の消耗に応じた極間電圧の変化データやトーチ１の傾斜
角度の変化に応じた極間電圧の変化データを記憶し、且
つ図３に示すトーチ１の移動速度の変化に応じた極間電
圧の変化データを記憶している。

【００４１】21ｃは一時記憶部であり、予め図示しない
入力手段によって入力された維持すべきトーチ１の高さ
情報，被加工材２の板厚情報，トーチ１の移動速度情
報，或いはトーチ１の軌跡情報等の情報を記憶する機能
を有するものである。

【００４２】22は制御部であり、インターフェース23を
介して伝達された移動速度情報に応じて補正値記憶部21
ｂに記憶された夫々の情報に対応する極間電圧の変化デ
ータを読みだし、この変化データによって実際に測定さ
れた極間電圧を補正する演算を行うと共に、演算結果に
基づいてトーチ上下装置６を駆動する駆動信号を発生す
るものである。尚、上記記憶部21ａ，21ｂ、制御部22は
制御装置８に組み込まれている。

【００４３】24は電極１ａのプラズマアークの発生回数
を積算する積算部であり、25は電極１ａのアークタイム
を計測する計測部である。前記積算部24，計測部25は電
源９と接続され、被加工材２に対する加工の実施毎にプ
ラズマアークの発生回数及びアークタイムを計数し、こ
の計数値を制御部22に伝達する機能を有する。

【００４４】26は電源９に内蔵された測定手段となる極
間電圧の測定部であり、制御部22と接続されてトーチ１
が被加工材２に対し所定の加工を実施している間、電極
１ａと被加工材２の間の極間電圧を測定してこの情報を
制御部22に伝達する。

【００４５】27は速度演算部であり、ロータリーエンコ
ーダ11ａ，12ａから発生する信号に基づいてトーチ１の
移動速度を演算するものである。そして演算された移動
速度情報は制御部22に伝達される。尚、速度演算部27は
制御部22を用いることが可能である。

【００４６】28は傾斜角度演算部であり、ロータリーエ
ンコーダ14ａから発生する信号に基づいてトーチ１の傾
斜角度を演算するものである。この傾斜角度演算部28に
よって演算された傾斜角度情報は制御部22に伝達され
る。尚、傾斜角度演算部28は制御部22を用いることが可
能である。

【００４７】29はトーチ上下装置６を作動させる昇降モ
ーター13のドライバであり、制御部22から伝達された駆
動信号に応じて昇降モーター13を駆動するものである。
また昇降モーター13に取り付けたロータリーエンコーダ
13ａは制御部22と接続され、昇降モーター13の回転によ
るトーチ上下装置６の昇降情報を制御部22に伝達する。

【００４８】上記構成に於いて、記憶部21ａ，21ｂに夫
々基準データ，補正データを記憶させると共に記憶部21
ｃにトーチ１を維持すべき高さ情報及び被加工材２の加
工情報を入力する。そしてトーチ１を被加工材２の上方
所定位置にセットしてプラズマアークを形成して加工を
開始させると、積算部24，計測部25からトーチ１に装着
された電極１ａのプラズマアークの発生回数，アークタ
イム情報が制御部22に伝達される。

【００４９】測定部26では電極１ａと被加工材２との間
の極間電圧を測定して制御部22に伝達する。また傾斜モ
ーター14を駆動してトーチ１を被加工材２に対し所望の
角度に傾斜させたとき、傾斜モーター14の回転がロータ
リーエンコーダ14ａによって検出され、傾斜角度演算部
28によりトーチ１の傾斜角度が演算されて傾斜角度情報
として制御部22に伝達される。

【００５０】被加工材２に対する加工の実施に伴って、
トーチ１のレール３に沿った方向及びクロスガーター４
ｂに沿った方向の速度がロータリーエンコーダ11ａ，11
ｂによって検出され、検出された信号を速度演算部27で
演算してトーチ１の移動速度情報として制御部22に伝達
する。

【００５１】制御部22では、伝達された移動速度情報に
対応した極間電圧の値を決定し、測定された実際の極間
電圧の値から移動速度に応じた極間電圧の値を差し引く
ことで補正すると共に、補正された極間電圧の値を基準
値と比較する。そして両者の値が異なるとき、補正され
た極間電圧を基準値と一致させるような駆動信号が発生
して昇降モーター13を駆動する。これにより、トーチ１
は移動速度を要因とする影響を排除して高さを制御され
る。

【００５２】上記の如くして被加工材２に対する所定の
加工を実施している間、トーチ１は予め設定された高さ
に維持される。従って、トーチ１は被加工材２に対し常
に適正な間隔を維持して良好な加工を実施することが可
能である。

【００５３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
プラズマトーチの高さ制御方法では、プラズマトーチの
高さの変化以外の極間電圧を変化させる要因であるプラ
ズマトーチの移動速度の変化による補正値を設定し、加
工中に測定された極間電圧を補正値によって補正するこ
とで、前記要因による影響を排除してプラズマトーチの
高さを維持し得るように制御することが出来る。このた
め、プラズマトーチを適正な高さに維持してプラズマ加
工を実施することが可能となり、切断面の品質或いは溶
接部位の品質を安定させることが出来る。

【００５４】また本発明に係るプラズマトーチの高さ制
御装置では、上記制御方法を実施して確実に且つ安定し
た状態でプラズマトーチを予め設定された高さに維持す
ることが出来る等の特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ加工装置の一例であるプラズマ切断装
置の斜視図である。

【図２】トーチの高さを制御する基準値を説明する図で
ある。

【図３】トーチの移動速度の変化に応じて変化する極間
電圧を説明する図である。

【図４】制御系のブロック図である。

【符号の説明】

１ トーチ １ａ 電極 ２ 被加工材 ６ トーチ上下装置 ７ 傾斜装置 ８ 制御装置 ９ 電源 11 走行モーター 11ａ，12ａ，13ａ，14ａロータリーエンコーダー 12 横行モーター 13 昇降モーター 14 傾斜モーター 21ａ 基準値記憶部 21ｂ 補正値記憶部 21ｃ 一時記憶部 22 制御部 26 測定部 27 速度演算部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極間電圧を測定して該電圧が予め設定さ
   れた値と等しくなるようにプラズマトーチの被加工材か
   らの高さを制御する制御方法であって、予め非消耗状態
   の電極を装着したプラズマトーチを被加工材に対し垂直
   に配置して一定の速度で移動させたときのプラズマトー
   チの高さに対応する極間電圧を基準値として設定すると
   共に、プラズマトーチの移動速度の変化によって生じる
   極間電圧の変化を計測して補正値を設定し、被加工材を
   加工する際に、実際の極間電圧を測定して該測定値を補
   正値によって補正してプラズマトーチの高さを制御する
   ことを特徴としたプラズマトーチの高さ制御方法。
2. 【請求項２】 電極を装着したプラズマトーチと、プラ
   ズマトーチに装着された電極と被加工材との間の極間電
   圧を測定する測定手段と、プラズマトーチを被加工材に
   対し垂直方向に昇降させる昇降手段と、非消耗状態の電
   極を装着したプラズマトーチを被加工材に対し垂直に配
   置して一定の速度で移動させたときのプラズマトーチの
   被加工材からの高さに対応する極間電圧のデータからな
   る基準データを記憶する基準値記憶部と、プラズマトー
   チの移動速度の変化に応じた極間電圧の変化データを補
   正データとして記憶する補正値記憶部と、前記補正値記
   憶部に記憶された補正データに対応する情報を検出する
   検出手段と、前記検出手段によって検出された情報と補
   正データに基づいて前記測定手段によって測定された極
   間電圧を補正する制御部と、前記制御部によって補正さ
   れた値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高さ制御装
   置。