JPH0671671B2 - プラズマトーチの電極破壊検出方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明はプラズマトーチに於ける電極破壊を検出するた
めの検出方法と検出装置に関するものである。

＜従来の技術＞ 今日、鋼板等の被加工材を溶接したり、或いは切断する
ためにプラズマアークを用いた加工方法が普及してい
る。

前記加工方法に用いられるプラズマトーチの電極はプラ
ズマアークの熱により溶融，気化して消耗し最終的に破
壊に至る。このような電極破壊は、電極製作上のバラツ
キ或いは使用条件等により何時発生するか予測し得ない
のが現状である。

このため、プラズマトーチの使用現場では、監視者によ
ってプラズマトーチの電極破壊時に発生する異常音，異
常発光等を確認し、電極破壊と判断した場合に電極を交
換したり、又は電極の寿命を予測し、電極が破壊する以
前に交換したり、或いはプラズマトーチのノズルと被加
工材との間に発生するシリーズアークの発生を確認して
電極を交換したりすることが一般的に行われている。

また特開昭62-267080号公報等に開示されたように電極
破壊時に生じるプラズマアーク電圧の特異な周波数成分
を検出してプラズマトーチの電極破壊を自動的に検出す
る技術や、特開昭62-127173号公報に開示されたように
電極の破損限界点近くに於けるノズル−電極間電圧に発
生する特異な電圧変動に着目し、電極消耗限界付近での
電圧レベルの増加、及び電極溶損時に於ける電圧変動
を、正常切断又は溶接時に於ける電圧レベルと比較する
ことにより電極の破損を検出する技術が提案されてい
る。

＜発明が解決しようとする課題＞ 然し、上記従来の技術に於いて、監視者によって電極破
壊を確認する場合、多数のプラズマトーチを使用してい
る作業場では電極破壊の発生と同時に所定の処置を施す
ことが困難であり、且つ作業コストが高くなる虞があ
る。

また被加工材と電極との間に印加されるプラズマ電圧に
発生する特異な周波数成分を検出して電極破壊を認識す
る技術にあっては、例えば被加工材にハンマー等により
衝撃を与えたり、被加工材を踏み付けたりして被加工材
が振動した場合に、プラズマ電圧に電極破壊時に生じる
特異な周波数成分と略同様な電圧変動が発生することが
あり、このため被加工材に与えられた衝撃等を電極破壊
と誤認する虞がある。

また、ノズルと電極間に発生する電圧変動を正常時の電
圧レベルと比較して電極破壊を確認する技術にあって
は、加工中のノズルを電極や装置本体等に対して絶縁を
保持した状態にしておく必要があるため、ノズルと電極
との間に一般的な測定器を接続することが困難であり、
ノズルと電極間の電圧を測定する測定手段が複雑化する
といった問題がある。

プラズマトーチの電極破壊時に於いて、被加工材と電極
との間に印加されるプラズマ電圧に特異な電圧変動が生
じることが知られている。前記電圧変動は、直流電圧で
あるプラズマ電圧に一時的な交流電圧が発生するもので
ある。従って、プラズマ電圧に生じる電圧変動を検知し
て電極破壊を検出することが可能である。そして従来よ
り提案されている電極破壊の検出技術は前記電圧変動を
検知して電極破壊として認識するものである。然し、実
際のプラズマトーチによる作業場にあっては、被加工材
に外部からの振動や衝撃等が加えられることがあり、こ
のとき、プラズマ電圧には外部からの振動や衝撃に応じ
た電圧変動が発生する。また被加工材を曲線的に切断或
いは溶接したり、一度切断した切断溝を跨いで切断する
場合にもプラズマ電圧に一時的な電圧変動が発生する。
このため、これらの電圧変動を電極破壊と誤認する虞が
あった。

本発明の目的は、電極と被加工材との間に印加した電圧
を測定し、その電圧に発生する特定の高周波成分の振幅
と周期および特定の低周波数成分の振幅と周期を各成分
毎に抽出し、両者に特定な関係がある場合を検出するこ
とで、被加工材を加工する加工条件や被加工材に加えら
れる外部条件に起因する電圧変動と、電極が破壊したこ
とに起因する電圧変動とを判別して認識し、確実に電極
破壊を検出することが出来るプラズマトーチの電極破壊
検出方法と、その装置を提供することにある。

＜課題を解決するための手段＞ 上記課題を解決するための本発明のプラズマトーチの電
極破壊検出方法は、電極と被加工材との間の電圧を計測
して該電圧に発生する比較的高い周波数成分と比較的低
い周波数成分とを抽出し、前記比較的高い周波数成分の
振幅が予め設定された値以上の値となり、同時に前記比
較的低い周波数成分の振幅が一定期間予め設定された値
以上の値となった時に電極が破壊されたことを認識する
ことを特徴とするものである。

またプラズマトーチの電極破壊検出装置は、電極と被加
工材との間の電圧を入力し比較的高い周波数成分を濾過
するための第１のバンドパスフィルターと、前記第１の
バンドパスフィルターからの信号が予め設定した値以上
であるときに信号を発生する第１のレベル検出器と、プ
ラズマ電極と被加工材との間の電圧を入力し比較的低い
周波数成分を濾過するための第２のバンドパスフィルタ
ーと、前記第２のバンドパスフィルターからの信号が予
め設定した値以上であるときに信号を発生する第２のレ
ベル検出器と、前記第２のレベル検出器から発生する信
号が一定期間継続したときに信号を発生するタイマー
と、前記第１のレベル検出器と前記第２のレベル検出器
とから同時に信号が発生したときに該信号を記憶すると
共に出力信号を発生する記憶手段と、前記記憶手段の出
力信号と前記タイマーからの信号が同時に発生したとき
に動作する動作手段とを有して構成されるものである。

＜作用＞ 上記プラズマトーチの電極破壊検出方法によれば、プラ
ズマトーチの電極と被加工材との間の電圧を計測して該
電圧に発生する比較的高い周波数成分と比較的低い周波
数成分とを抽出することで、前記電圧に生じる特異な変
動を検出することが出来る。そして前記比較的高い周波
数成分の振幅が予め設定された値以上の値となり、同時
に前記比較的低い周波数成分の振幅が一定期間予め設定
された値以上の値となった時に電極破壊として検出する
ことが出来る。

即ち、電極破壊時に於いてプラズマ電圧に発生する電圧
変動は、比較的大きな電圧値の変動を伴う低周波数成分
に比較的小さな電圧値の変動を伴う高周波成分が重畳さ
れたものである。そしてこの電圧変動は一定時間継続し
て発生した後、再び正常な状態に復帰する。

これに対し、外部から被加工材に加えられる例えばハン
マー等による衝撃や外部から被加工材に加えられる振動
等によって発生するプラズマ電圧の変動は比較的小さな
電圧値の変動を伴う高周波成分のみで構成されている。
また外部からの衝撃によって発生するプラズマ電圧の変
動は短時間で減衰する傾向を有している。また被加工材
を曲線的に加工する場合、或いは一度切断した切溝を跨
いで切断する場合に発生するプラズマ電圧の変動は比較
的大きな電圧の変動を伴う低周波成分のみによって構成
されている。

本件発明者等の実験によれば、電極破壊時に発生するプ
ラズマ電圧の変動値は、高周波成分としては、電圧値約
3V,周波数約12Hzであり、低周波成分としては、電圧値
約10V,周波数約0.5Hzであった。

従って、プラズマ電圧を計測して該電圧に変動が発生し
た時、この電圧を構成する高周波成分と低周波成分を抽
出し、抽出された周波数成分が高周波或は低周波の何れ
か一方である場合には、前記電圧変動が被加工材に外部
から加えられた振動等或いは加工条件に起因するもので
あり、従って、電極破壊ではないとして認識することが
出来る。

また抽出された周波数成分が高周波及び低周波を有して
おり、且つ低周波成分が一定期間継続して発生している
場合には、前記電圧変動が電極破壊に起因するものであ
り、従って、電極が破壊されたものとして認識すること
が出来る。

また抽出された周波数成分が高周波及び低周波を有して
いる場合であっても、低周波成分が一定期間継続して発
生しない場合は、前記電圧変動が被加工材に外部から加
えられた振動等及び加工条件に起因するものであり、従
って、電極破壊ではないとして認識することが出来る。

また上記プラズマトーチの電極破壊検出装置によれば、
第１のバンドパスフィルター及び第１のレベル検出器に
よってプラズマ電圧に生じる高周波成分を抽出すること
が出来、また第２のバンドパスフィルター及び第２のレ
ベル検出器によってプラズマ電圧に生じる低周波成分を
抽出することが出来る。そして前記第２のレベル検出器
から発生する信号が一定期間継続したときに信号を発生
するタイマーによって前記低周波成分の継続期間を検出
することが出来る。更に、前記第１のレベル検出器と前
記第２のレベル検出器とから同時に信号が発生したとき
に該信号を記憶手段に記憶すると共に、前記記憶手段の
出力信号と前記タイマーからの信号が同時に発生したと
き動作手段に所定の動作を実施させることが出来る。

＜実施例＞ 以下上記手段を適用したプラズマトーチの電極破壊検出
方法及び検出装置の一実施例について図を用いて説明す
る。

第１図（Ａ）〜（Ｆ）は計測されたプラズマ電圧を示す
説明図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）は被加工材の加工条件の
説明図、第３図はプラズマトーチの電極破壊検出装置の
ブロック図である。

第３図に於いて、プラズマトーチ１の先端にノズル２が
着脱可能に取り付けられており、またプラズマトーチ１
の先端であって且つノズル２の内部に電極３が着脱可能
に取り付けられている。また電極３とノズル２との間に
は動作ガス通路４が形成されており、該通路４に動作ガ
ス供給源５から酸素ガス等の動作ガスが供給されてい
る。

鋼板等の被加工材６及び電極３は電源７と接続されてい
る。前記プラズマトーチ１は手動走査することが可能で
あるが、一般的には図示しないキャリッジに搭載されて
いる。

電源７によって印加されるプラズマ電圧は、比較的高い
周波数成分を濾過するための第１のバンドパスフィルタ
ー８（以下『フィルター８』という）と、比較的低い周
波数成分を濾過するための第２のバンドパスフィルター
９（以下『フィルター９』という）に入力されている。

前記フィルター８は本実施例にあっては約12Hzの周波数
成分を濾過し得るフィルターで構成されている。またフ
ィルター９は約0.5Hzの周波数成分を濾過し得るフィル
ターで構成されている。

前記フィルター８は第１のレベル検出器10と接続されて
いる。このレベル検出器10はフィルター８によって濾過
された約12Hzの周波数成分の電圧が約3V以上の振幅を有
している場合に信号を発生し得るように予め設定されて
いる。また前記フィルター９は第２のレベル検出器11と
接続されている。このレベル検出器11はフィルター９に
よって濾過された約0.5Hzの周波数成分が約10V以上の振
幅を有している場合に信号を発生し得るように予め設定
されている。

前記レベル検出器10,11は記憶手段12と接続されてい
る。この記憶手段12はレベル検出器10及びレベル検出器
11から同時に信号が出力されている時にこの信号の発生
状態を記憶すると共に動作手段13に対し信号を出力し得
るように構成されている。またタイマー14はレベル検出
器11からの出力が予め設定されている限時値以上になっ
たときに信号を発生し得るように構成されている。

前記動作手段13は、記憶手段12からの信号とタイマー14
からの信号が同時に入力した時に所定の動作信号を発生
するものであり、この動作信号によって例えば電極が破
壊したことを知らせるアラーム灯を点灯し、キャリッジ
を停止させ、或いは電源７及び供給源５から供給される
動作ガスを遮断させることが出来る。

次に第１図（Ａ）〜（Ｆ）について説明すると、各図に
於いて、区間ａは電源７によって電極３と被加工材６と
の間にプラズマ電圧を印加した場合に電極３と被加工材
６との間にプラズマアークが発生して安定するまでの準
備区間である。

区間ｂはプラズマアークが安定して発生している区間で
ある、プラズマトーチ１によって被加工材６に所定加工
を施すことが出来る区間である。

区間ｃは電源７を遮断して加工を終了する区間である。

第１図（Ａ）は電極３に破壊が発生すること無く第２図
（Ａ）に示すような直線切断を実施した際に測定された
プラズマ電圧の波形である。このとき区間ｂに於ける波
形に大きな変動は無く、電極３と被加工材６との間には
略一定の直流電圧が印加されている。

第１図（Ｂ）は被加工材を切断した際に電極３の破壊が
発生したときに測定されたプラズマ電圧の波形である。
図に於いて、区間ｄは電極３が破壊された時に発生した
プラズマ電圧の変動区間であり、図に明らかなように低
周波成分に高周波成分が重畳した波形を有している。前
記各周波成分は前述の如く、低周波成分は約0.5Hzであ
り、区間ｄは約１〜３秒間継続したものである。このと
きの電圧変動値は約10Vである。また高周波成分は約12H
zであり、このときの電圧変動値は約3Vである。

電極３が破壊したときに発生する高周波成分は、低周波
成分が発生している間継続して発生するものでは無く、
同図（Ｃ）に示すように断続することがある。この場合
であっても発生する高周波成分は低周波成分に重畳され
ている。

第１図（Ｄ）は第２図（Ｂ）〜（Ｄ）に示す切断線を切
断した際に測定されたプラズマ電圧の波形である。図に
於いて、区間ｅは直線の方向変換点、及び第２図（Ｄ）
に示す曲線の交点に於いて発生したプラズマ電圧の変動
区間であり、図に明らかなように低周波成分のみで構成
されている。この低周波成分はプラズマトーチ１による
被加工材６の加工速度によって異なった周波数を呈する
が、前記電極破壊時に発生する低周波成分と比較すると
小さな周期を有するものである。

第１図（Ｅ）は被加工材６に外部から衝撃や振動が加え
られた際に測定されたプラズマ電圧の波形である。図に
於いて、区間ｆは被加工材６に加えられた振動等に応じ
て発生したプラズマ電圧の変動区間であり、図に明らか
なように高周波成分のみで構成されている。この高周波
成分は被加工材６に加えられた振動等に応じて異なった
周波数と振幅とを有するものである。

第１図（Ｆ）は第２図（Ｂ）〜（Ｄ）に示す曲線を切断
している時に被加工材６に外部から振動等を加えた際に
測定されたプラズマ電圧の波形である。図に於いて、区
間ｇは曲線の方向変換点、及び第２図（Ｄ）に示す曲線
の交点に於いて発生したプラズマ電圧の変動と被加工材
６に加えられた振動等に応じて発生したプラズマ電圧の
変動とが重畳した状態を示している。この場合に於ける
低周波成分は、第１図（Ｄ）で説明したように、電極破
壊時に発生する低周波成分と比較すると小さな周期を有
するものである。

以上説明したように、プラズマトーチ１によって被加工
材６を加工する際に加工曲線等の加工条件、及び外部か
らの衝撃や振動等の外部条件によってプラズマ電圧に電
極３が破壊された時に発生する電圧変動と類似の変動が
発生する。従って、前記加工条件及び外部条件によって
発生するプラズマ電圧の変動と電極破壊時に発生するプ
ラズマ電圧の変動とを明確に判別することが出来れば確
実に電極破壊を検出することが可能となる。

次に前述したプラズマトーチの電極破壊検出装置によっ
て、電極３の破壊を検出する場合について説明する。

電源７とフィルター8,9とを接続することでプラズマ電
圧に発生する特定の周波数成分を有する電圧変動を抽出
する。即ち、フィルター８によって約12Hzの高周波成分
を濾過すると共に、フィルター９によって約0.5Hzの低
周波成分を濾過する。そしてフィルター８に接続された
レベル検出器10によって前記高周波成分が所定の振幅
（約3V）以上の値を有するか否かを判別し、この振幅以
上の高周波成分を検出した場合に該レベル検出器10から
信号を発生する。同様にレベル検出器11によって前記低
周波成分が所定の振幅（約10V）以上の値を有するか否
かを判別し、この振幅以上の低周波成分を検出した場合
に該レベル検出器11から信号を発生する。

前記レベル検出器10,11の出力信号は記憶手段12によっ
て記憶される。これは前述の如く、電極３が破壊された
場合の高周波成分な電圧変動が断続して発生することが
あるため、前記レベル検出器10,11の出力信号を直接動
作手段13に入力すること無く、一度記憶手段12に記憶す
るものである。そして前記レベル検出器10,11の出力信
号が同時に記憶手段12に入力された時、該記憶手段12か
ら信号が発生する。

前記レベル検出器11の出力信号はタイマー14に転送さ
れ、該タイマー14によってプラズマ電圧に発生する低周
波成分の継続時間の計測する。このときタイマー14のカ
ウント時間は約1.5秒に設定されている。この時間は、
電極３が破壊された時に発生する電圧変動の低周波成分
が約0.5Hzであり、且つ被加工材６に加えられる振動等
によって発生する電圧変動の低周波成分がこれより小さ
いことから、前記各低周波成分を判別するために充分な
時間が設定されている。そしてレベル検出器11からの出
力信号がタイマー14に設定された時間以上継続して発生
した場合には、このタイマー14から信号が発生する。

前記記憶手段12とタイマー14とが動作手段13に接続さ
れ、記憶手段12の出力信号とタイマー14の出力信号が並
行して動作手段13に入力された時、該動作手段13によっ
て所定の動作信号が発生する。

従って、プラズマ電圧が第１図（Ａ）に示すような波形
を有する場合には、フィルター8,9を通過する周波成分
が発生しないため、動作手段13は何等動作信号を発生す
ることがない。またプラズマ電圧が第１図（Ｄ）に示す
波形を有する場合には、低周波成分がフィルター９を通
過するが高周波成分が含まれないため、レベル検出器10
から信号が発生せず、このため記憶手段12から信号が発
生しない。従って、動作手段13は何等動作信号を発生す
ることがない。プラズマ電圧が第１図（Ｅ）に示す波形
を有する場合には、同様にレベル検出器11から信号が発
生せず、このため動作手段13は何等動作信号を発生する
ことがない。

またプラズマ電圧が第１図（Ｆ）に示す波形を有する場
合には、レベル検出器10から信号が発生し、この信号が
記憶手段12に伝達される。同時にレベル検出器11からも
信号が発生し、この信号が記憶手段12及びタイマー14に
伝達される。従って、記憶手段12に於いて信号が発生
し、該信号が動作手段13に伝達される。タイマー14では
レベル検出器11からの信号の継続時間をカウントする
が、低周波成分の継続時間がタイマー14に設定された時
間よりも短いため、該タイマー14がカウントアップする
前に低周波成分が消滅し、このためタイマー14から信号
が発生せず、従って、動作手段13は何等動作信号を発生
することがない。

プラズマ電圧が第１図（Ｂ），（Ｃ）に示す波形を有す
る場合には、この波形を構成する高周波成分がフィルタ
ー８を通過すると共にレベル検出器10によって抽出さ
れ、該検出器10から信号が発生する。同時に低周波成分
がフィルター９を通過すると共にレベル検出器11によっ
て抽出され、該検出器11から信号が発生する。前記レベ
ル検出器10,11の出力信号が記憶手段12に伝達され、該
記憶手段12に記憶されると共に動作手段13に対し信号が
伝達される。またレベル検出器11の出力信号はタイマー
14に伝達され、該タイマー14によって低周波成分の継続
時間がカウントされる。そしてタイマー14がカウントア
ップすると、該タイマー14からの出力信号が動作手段13
に伝達される。記憶手段12からの信号とタイマー14から
の信号が同時に動作手段13に伝達されると、該動作手段
13に於いて所定の動作信号が発生する。

＜発明の効果＞ 以上詳細に説明したように、本発明のプラズマトーチの
電極破壊検出方法によれば、プラズマトーチの電極と被
加工材との間の電圧を計測して該電圧に発生する比較的
高い周波数成分と比較的低い周波数成分とを抽出し、前
記電圧に生じる特異な変動を検出することで電極破壊を
検出することが出来る。このとき、被加工材を加工する
加工条件や被加工材に加えられる衝撃或いは振動等の外
部条件と電極破壊とを確実に判別して電極破壊のみを検
出することが出来る。

また本発明のプラズマトーチの電極破壊検出装置によれ
ば、第１のバンドパスフィルター及び第１のレベル検出
器によってプラズマ電圧に生じる高周波成分を抽出する
ことが出来、また第２のバンドパスフィルター及び第２
のレベル検出器によってプラズマ電圧に生じる低周波成
分を抽出することが出来る。そして前記第２のレベル検
出器から発生する信号が一定期間継続したときに信号を
発生するタイマーによって前記低周波成分の継続期間を
検出することが出来る。更に、前記第１のレベル検出器
と前記第２のレベル検出器とから同時に信号が発生した
ときに該信号を記憶手段に記憶すると共に、前記記憶手
段の出力信号と前記タイマーからの信号が同時に発生し
たとき動作手段に所定の動作を実施させることが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｆ）は計測されたプラズマ電圧を示す
説明図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）は被加工材の加工条件の
説明図、第３図はプラズマトーチの電極破壊検出装置の
ブロック図である。 １はプラズマトーチ、３は電極、４は動作ガス通路、５
は動作ガスの供給源、６は被加工材、７は電源、８は第
１のバンドパスフィルター、９は第２のバンドパスフィ
ルター、10は第１のレベル検出器、11は第２のレベル検
出器、12は記憶手段、13は動作手段、14はタイマーであ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極と被加工材との間の電圧を計測して該
   電圧に発生する比較的高い周波数成分と比較的低い周波
   数成分とを抽出し、前記比較的高い周波数成分の振幅が
   予め設定された値以上の値となり、同時に前記比較的低
   い周波数成分の振幅が一定期間予め設定された値以上の
   値となった時に電極が破壊されたことを認識することを
   特徴としたプラズマトーチの電極破壊検出方法。
2. 【請求項２】電極と被加工材との間の電圧を入力し比較
   的高い周波数成分を濾過するための第１のバンドパスフ
   ィルターと、前記第１のバンドパスフィルターからの信
   号が予め設定した値以上であるときに信号を発生する第
   １のレベル検出器と、プラズマ電極と被加工材との間の
   電圧を入力し比較的低い周波数成分を濾過するための第
   ２のバンドパスフィルターと、前記第２のバンドパスフ
   ィルターからの信号が予め設定した値以上であるときに
   信号を発生する第２のレベル検出器と、前記第２のレベ
   ル検出器から発生する信号が一定期間継続したときに信
   号を発生するタイマーと、前記第１のレベル検出器と前
   記第２のレベル検出器とから同時に信号が発生したとき
   に該信号を記憶すると共に出力信号を発生する記憶手段
   と、前記記憶手段の出力信号と前記タイマーからの信号
   が同時に発生したときに動作する動作手段とを有して構
   成したことを特徴としたプラズマトーチの電極破壊検出
   装置。