JPH0818138B2

JPH0818138B2 - プラズマ加工機のスタンドオフ制御方法

Info

Publication number: JPH0818138B2
Application number: JP2102330A
Authority: JP
Inventors: 洋三西
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1996-02-28
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: JPH03297577A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、プラズマ加工機のスタンドオフ制御方法に
関する。

〔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、プラズマアークの大き
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ーチと被切
断材との間隔が変動すると、プラズマアークが持続でき
なかったり、プラズマアー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、トーチと被切断材との間隔（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。

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（アーク電圧）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
値に保持することがしばしば行われる（例えば、特開昭
57-195582号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記した従来のアーク電圧を検出してスタン
ドオフを一定に保持する方法は、検出したアーク電圧の
基準電圧に対する偏差の大きさに対応させてトーチの変
位量を変化させるだけであるため、偏差が大きい場合に
予め定めたスタンドオフにするのに時間がかかり、応答
遅れが生じて充分な切断精度を得ることができない。ま
た、偏差が異常に大きくなった場合には、スタンドオフ
制御を行う回路とは異なる異常電圧検出回路により検知
し、アークをオフするようにしており、切断作業の能率
を低下させる。しかも、従来は、偏差電圧が負側に大き
く振れた場合には、トーチが高速で下降し始めるため、
トーチの下降が継続してトーチが被切断材と衝突し、ト
ーチや被切断材を損傷させる危険がある。

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、設定値に対するスタンドオフのずれを迅速
に修正することができるプラズマ切断機のスタンドオフ
制御方法を提供することを目的としている。

〔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加
工機のスタンドオフ制御方法は、電極または電極周囲の
ノズルと被加工材との間の電圧を検出し、この電圧に基
づいてトーチと前記被加工材との距離を予め定めた値に
制御するプラズマ加工機のスタンドオフ制御方法におい
て、前記電極またはノズルと被加工材との間の電圧を検
出して基準電圧に対する偏差を求め、この偏差の増加す
る割合に対し、前記トーチの昇降速度変化の割合を大き
くしたことを特徴としている。

〔作用〕

上記構成によれば、偏差の増加割合に対し、トーチの
昇降速度の変化の割合を大きくしている。従って、スタ
ンドオフが所定のスタンドオフからずれても、トーチを
所定のスタンドオフの位置へ迅速に戻すようになる。し
かも偏差が小さくなるにつれてトーチの昇降速度が遅く
なるため、トーチのオーバシュートが避けられる。

〔実施例〕

本発明のプラズマ切断機のスタンドオフ制御方法の好
ましい実施例を、添付図面に従って詳説する。

第２図は、本発明のスタンドオフ制御方法を実施例す
る装置の一例を示すブロック図である。

第２図において、トランスファアーク型のプラズマ切
断機ロボットのトーチ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
トアークを発生するとともに、被切断材18との間にメイ
ンプラズマアーク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
アーク20を絞って高温プラズマが得られるようにしてあ
る。

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（アーク電圧）
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（アーク電圧）を検出
し、検出電圧e₂をスタンドオフ補正演算器28に入力す
る。

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からトーチの昇降方向、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、ロボットのトーチ10を昇降させる昇降装
置32を駆動してトーチ10を昇降させ、トーチ10と被切断
材18との間隔が所定のスタンドオフH₀となるようにす
る。

スタンドオフ補正演算器28は、第３図に示したよう
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、トーチ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。

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E_Hを
減算器37に出力する。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
H₀、切断速度データに基づいた基準電圧E₀を偏差演算器
37に出力する。

補正量演算器38は、第１図に示したようなテーブルを
有し、偏差演算器37が出力するスタンドオフ信号E_Hの基
準電圧E₀に対する偏差ΔＥに基づいて、トーチ10をスタ
ンドオフH₀に戻すための、偏差ΔＥに応じた大きさの補
正電圧ΔE_Hを制御装置30に出力する。すなわち、補正量
演算器38が有するテーブルは、予め定めた第１の偏差の
範囲±ΔE₁においては、補正信号を出力せず、偏差ΔＥ
が＋ΔE₁と＋ΔE₂との間にあると、偏差が大きくなるに
従いトーチ10の上昇速度を大きくするような補正電圧Δ
E_Hを出力し、偏差ΔＥが−ΔE₁と−ΔE₂との間にある
と、偏差が大きくなるに従いトーチ10の下降速度を大き
くするような補正電圧−ΔE_Hを出力するようになってい
る。さらに、テーブルは、偏差ΔＥが±E₂を超えると、
偏差の大きさに応じたトーチ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を出力する。そし
て、偏差ΔＥが予め定めた第３の値±ΔE₃を超えると、
装置に異常が生じたものとして、トーチ10を急速に上昇
させるようになっている。

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。

アーク電圧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H₀は、被切断材
18の材質、厚さ、トーチ10のノズル14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
ーチ10のノズル14の径、目標スタンドオフH₀等が図示し
ないキーボードや操作パネル等から入力されると、標準
切断速度V₀（例えば、1m/s）に対するアーク電圧e₀を次
の（１）式により演算し、これを基準電圧E₀として偏差
演算器37に出力する。

e₀＝｛K_s1+K_s2(H₀+K_t)｝×K_N……（１）ただし、ここにK_s1、K_s2、K_t、K_N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、テーブルとして補正量演算器38内に格納し
てある。

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図のようなテーブルを格納
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H₀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
ーブルを選択し、入力されたスタンドオフH₀によって定
まる基準電圧E₀を出力するようにしてもよい。

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間がアーク電圧e₀となる位置までロボットの昇降
装置32を介してトーチ10を下降させ、切断を開始する。

一方、電圧検出器24、26は、切断が開始されると、10
ms等の所定時間毎に電極12−被切断材18間検出電圧e₁と
トーチ10−被切断材18間検出電圧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。

ところで、電圧検出器24、26が検出したアーク電圧
e₁、e₂は、スタンドオフH₀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
（２）式から電極消耗成分Epと、（３）式によりスタン
ドオフ成分Esを演算し、これらの式から求めた電極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。

Ep＝ae₁+be₂……（２） Es＝ａ′e₁＋ｂ′e₂……（３）そして、電極消耗・スタンドオフ検出器34は、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
E_Hを偏差演算器37に出力する。

基準電圧演算設定器36には、トーチ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から切断速度データ（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に応じてアーク電
圧e₀を補正して基準電圧E₀として出力する。

すなわち、アーク電圧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、トーチ10が設定スタンドオフH₀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がトーチ10を昇
降させるための補正信号を出力し、トーチ10がスタンド
オフH₀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H₀の各値に対応して格納してある第７
図のテーブルから、スタンドオフH₀に対応して求められ
たアーク電圧ｅの切断速度Ｖの変化に対する補正電圧Δ
e_vを求め、基準電圧E₀を E₀＝e₀±Δe_v……（４）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、e₀から電圧の上
昇分Δe_vを減算した値を基準電圧E₀として出力し、切断
速度が基準より速くなった場合に、e₀に電圧の低下分Δ
e_vを加えた値を基準電圧E₀として出力する。ただし、切
断速度Ｖがある値、例えば2m/sを超えた場合には、補正
量Δe_vが一定となる。なお、この切断速度Ｖによる基準
電圧E₀の補正は、次の演算によって行ってもよい。

０＜Ｖ≦K_v2のとき、 E₀＝e₀-K_v1×（Ｖ−１）……（５）Ｖ＞K_v2のとき、 E₀＝e₀-K_v1×(K_v2-1)……（６）ここに、K_v1、K_v2は、第５図に示した補正係数であ
る。

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E_Hの基準電圧E₀に対する偏差
ΔＥ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、トーチ10のスタンドオフ量が設定値H₀よ
り大きくなって、スタンドオフ信号E_Hが基準電圧E₀より
大きな場合には、スタンドオフ信号E_Hの大きさに応じた
負の偏差−ΔＥを出力し、逆の場合には正の偏差＋ΔＥ
を出力する。

補正量演算器38は、第１図に示したテーブルに基づい
て、入力してきた偏差ΔＥに対応してトーチ10をスタン
ドオフH₀に急速に戻すための補正電圧ΔE_Hを制御装置30
に出力する。そして、制御装置30は、補正電圧ΔE_Hを受
けると、トーチ10の昇降速度とトーチ10の昇降量とを求
め、昇降装置32を駆動してΔE_Hに応じた速度でトーチ10
昇降させ、設定スタンドオフH₀に戻す。

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E₀に対する偏差ΔＥの大きく
なるに従いトーチ10の昇降速度を大きくするため、トー
チ10が設定スタンドオフH₀からずれた場合に、速やかに
スタンドオフH₀に戻され、良好な切断を行うことができ
る。しかも、偏差ΔＥ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H₀近辺
におけるトーチ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の消耗によるアーク電圧の変化と、切断速度Ｖの
変化にたいするアー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、トーチ
10の昇降速度の変化の割合を、偏差ΔＥの小さな部分で
小さくしているため、トーチ10のオーバーシュートを防
ぐことができる。

なお、前記実施例においては、アーク電圧として電極
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。

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３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E₀を求めるように
なっている。

すなわち、制御装置30は、切断開始の命令が与えられ
ると、トーチ10を被切断材18から所定の高さまで下降さ
せる（第４図ステップ50）。トーチ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）と作動し
（ステップ52）、トーチ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、トーチ10の下降速
度を落としてトーチ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、トーチ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）。

この切断高さ、すなわち設定スタンドオフH₀は、前記
したように被切断材18の材質、厚さ、トーチ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
値がキーボードや操作パネル等から制御装置30に与えて
ある。

トーチ10がスタンドオフH₀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E₀として出力する（ステップ64）。

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E₀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E_H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、トーチ10を上昇させる（ステッ
プ70、72）。

このように、切断開始時のアーク電圧を基準電圧E₀と
すると、電極の消耗による影響を除去できるともに、基
準電圧E₀の設定が容易となる。

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のであってもよい。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−
ΔE₃の絶対値は＋ΔE₃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１図に示したテーブルの±ΔE₁、±
ΔE₂、±ΔE₃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。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、次の効果を奏
する。スタンドオフが所定のスタンドオフからずれて
も、トーチを所定のスタンドオフの位置へ迅速に戻す。
しかも偏差が小さくなるにつれてトーチの昇降速度が遅
くなるため、トーチのオーバシュートを阻止できる。即
ち、安定した加工精度を得ることができる。これに対し
従来技術は、偏差の増加割合に対し、トーチの昇降速度
が一定であるため、上記本発明の効果は全くない。

【図面の簡単な説明】

第１図は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ーチの昇降速度との
関係を示す図、第２図は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、第３図は前記装置のスタンド
オフ補正演算器の詳細説明図、第４図はスタンドオフ量
とアーク電圧との関係を示す図、第５図はスタンドオフ
補正演算器の基準電圧演算設定器がアーク電圧を演算す
るためのテーブルの一例を示す図、第６図は電極の消耗
度とアーク電圧との関係を示す図、第７図は切断速度と
アーク電圧との関係を示す図、第８図は基準電圧を設定
する方法の他の実施例を説明するフローチャートであ
る。 10……トーチ、12……電極、14……ノズル、18……被切
断材、20……プラズマアーク、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、38……補正量演算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極または電極周囲のノズルと被加工材と
の間の電圧を検出し、この電圧に基づいてトーチと前記
被加工材との距離を予め定めた値に制御するプラズマ加
工機のスタンドオフ制御方法において、前記電極または
ノズルと被加工材との間の電圧を検出して基準電圧に対
する偏差を求め、この偏差の増加する割合に対し、前記
トーチの昇降速度変化の割合を大きくしたことを特徴と
するプラズマ加工機のスタンドオフ制御方法。