JP7695771B2

JP7695771B2 - プラズマ切断機、及びプラズマ切断機を制御するための方法

Info

Publication number: JP7695771B2
Application number: JP2019149601A
Authority: JP
Inventors: 伸浩高田; 義博山口
Original assignee: Komatsu Industries Corp
Current assignee: Komatsu Industries Corp
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2025-06-19
Anticipated expiration: 2039-08-19
Also published as: US11772183B2; US20210053141A1; JP2021030245A

Description

本発明は、プラズマ切断機、及びプラズマ切断機を制御するための方法に関する。

プラズマ切断機を用いて、鋼板などの材料を切断する場合、最初にプラズマアークによって材料に穴を開ける工程（以下、ピアス工程と呼ぶ）が行われる。例えば特許文献1に示すように、ピアス工程では、プラズマ切断機は、プラズマトーチを切断開始位置の上方に移動させ、切断開始位置の上方でプラズマトーチにプラズマアークを着火する。プラズマアークが材料を貫通することで、ピアス工程が完了する。ピアス工程の完了後、プラズマ切断機は、切断工程に移行する。切断行程では、プラズマ切断機は、事前にプログラムされた形状に沿ってプラズマトーチを移動させることで、材料を切断する。

上記のように、切断工程は、ピアス工程によって材料に貫通穴が形成された後に開始される。その理由は、貫通穴が材料に形成される前は、プラズマアークにより溶かされた溶融金属（スパッタ）が上方に吹き上がってくるからである。スパッタがプラズマトーチに衝突すると、プラズマトーチがダメージを受けて、切断性能が低下する。そのため、スパッタを回避するために、ピアス工程中は、プラズマトーチは高い位置に退避している。
材料に貫通穴が形成された後、プラズマ切断機は、プラズマトーチを切断に適した高さまで下降させてから、切断工程に移行する。

特開２０１３－２０２６７６号公報

プラズマアークは、プラズマトーチの電極と材料との間でのアーク放電より生成される。アーク放電を維持するための電流（以下、アーク電流と呼ぶ）は、プラズマ電源からプラズマトーチに供給される。プラズマ電源は、指令値通りのアーク電流がプラズマトーチに供給されるように、アークを維持するための電圧（以下、「アーク電圧」と呼ぶ）を調整する。

ピアス工程では、プラズマアークが材料を貫通した後に、プラズマアークが引き伸ばされることで、アーク電圧が上昇する。また、プラズマアークが材料を貫通した後に、プラズマトーチがその場に留まっていると、貫通孔がプラズマアークにより拡大する。それにより、プラズマアークと材料との間の距離が広がり、プラズマアークの長さが伸びることで、アーク電圧は更に上昇する。この時、プラズマ電源の出力可能電圧を越えてアーク電圧が上昇すると、プラズマアークが消滅してしまう。プラズマアークが消滅すると、プラズマ切断機は、切断工程に移行できず、加工工程が中断する可能性がある。そのため、プラズマアークの消滅を防止するために、プラズマ電源は、余力のある出力容量を有している。

上記のようなピアス工程の完了時のアーク電圧の上昇は、切断行程よりも非常に短い時間だけ発生する。そのような短い時間でのアーク電圧の上昇に備えるために、十分に余力のある出力容量を有するプラズマ電源が用いられており、電源容量の無駄となっている。

本開示の目的は、プラズマ切断機において、ピアス工程時のプラズマトーチの損傷を回避すると共に、電源容量の無駄を抑えることにある。

本開示の一態様は、プラズマ切断機であって、テーブルと、プラズマトーチと、プラズマ電源と、アクチュエータと、電圧センサと、コントローラとを備える。テーブルは、材料を支持する、プラズマトーチは、電極を含む。プラズマ電源は、プラズマトーチに接続される。アクチュエータは、テーブルに対して水平方向及び上下方向に移動可能に、プラズマトーチを支持する。電圧センサは、プラズマ電源からプラズマトーチに印可されるアーク電圧を検出する。コントローラは、プラズマ電源とアクチュエータと電圧センサと通信する。

コントローラは、以下の処理を実行するように構成されている。コントローラは、プラズマトーチをピアス位置に移動させる。コントローラは、プラズマトーチにプラズマアークを発生させてピアス位置でピアス工程を開始する。コントローラは、アーク電圧に基づいてピアス工程が完了したかを判定する。コントローラは、ピアス工程の開始からピアス工程の完了まで、プラズマトーチを水平方向においてピアス位置に保持する。コントローラは、ピアス工程の完了後、プラズマトーチを少なくても水平方向を含む所定方向に移動させる。

本開示の他の態様に係る方法は、プラズマ切断機を制御するための方法であって、以下の処理を備える。第１の処理は、プラズマトーチをピアス位置に移動させることである。第２の処理は、プラズマトーチにプラズマアークを発生させてピアス位置でピアス工程を開始することである。第３の処理は、プラズマトーチに印可されるアーク電圧を取得することである。第４の処理は、アーク電圧に基づいてピアス工程が完了したかを判定することである。第５の処理は、ピアス工程の開始からピアス工程の完了まで、プラズマトーチを水平方向においてピアス位置に保持することである。第６の処理は、ピアス工程の完了後、プラズマトーチを少なくとも水平方向を含む所定方向に移動させることである。なお、上述した各処理の名称は、説明の便宜のために付されたものであり、各処理が実行される順番を限定するものではない。

本開示によれば、プラズマ切断機において、ピアス工程時のプラズマトーチの損傷が回避されると共に、電源容量の無駄が抑えられる。

実施形態に係るプラズマ切断機の斜視図である。プラズマトーチの一部を示す断面図である。プラズマ切断機の制御システムを示すブロック図である。プラズマ切断機の制御の処理を示すフローチャートである。プラズマトーチの位置を示す模式図である。アーク電流およびアーク電圧の変化の一例と、プラズマトーチの高さの変化とを示す図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態について説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ切断機１の斜視図である。プラズマ切断機１は、テーブル２と、プラズマトーチ３と、アクチュエータ４と、入力装置５とを備えている。テーブル２上には、鋼板などの材料１００が置かれる。テーブル２は、切断される材料１００を支持する。プラズマトーチ３は、テーブル２の上方に配置されている。プラズマトーチ３は、プラズマアークを噴出する。

図２は、プラズマトーチ３の一部を示す断面図である。図２に示すように、プラズマトーチ３は、電極１１と、ノズル１２と、シールドキャップ１３とを含む。電極１１の先端は、ノズル１２内に配置されている。ノズル１２は、噴出孔１４を含む。ノズル１２の噴出孔１４は、電極１１の先端に向かい合っている。シールドキャップ１３は、ノズル１２を覆う。シールドキャップ１３は、ノズル１２の噴出孔１４に向かい合う噴出孔１５を含む。プラズマトーチ３は、電極１１と材料１００との間のアーク放電によって、プラズマアークを発生させる。

アクチュエータ４は、プラズマトーチ３をテーブル２に対して水平方向及び上下方向に移動可能に支持する。図１に示すように、アクチュエータ４は、第１リニアガイド２１と、第１キャリッジ２２と、第２リニアガイド２３と、第２キャリッジ２４とを含む。第１リニアガイド２１は、テーブル２の側方に配置されている。第１リニアガイド２１は、Ｘ軸方向に延びている。第２リニアガイド２３は、テーブル２の上方に配置されている。第２リニアガイド２３は、Ｙ軸方向に延びている。なお、本実施形態において、Ｘ軸及びＹ軸は、テーブル２の上面に沿う座標である。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交しており、水平方向に延びる。Ｚ軸は、テーブル２の上面に直交し、上下方向に延びている。

第１キャリッジ２２は、第１リニアガイド２１に沿ってＸ軸方向に移動可能である。第２リニアガイド２３は、第１キャリッジ２２に支持されている。第２キャリッジ２４は、第２リニアガイド２３に沿ってＹ軸方向に移動可能である。プラズマトーチ３は、第２キャリッジ２４に取り付けられている。第２キャリッジ２４は、プラズマトーチ３をＺ軸方向に移動可能に支持している。

図３は、プラズマ切断機１の制御システムを示すブロック図である。図３に示すように、プラズマ切断機１は、第１モータ２５と、第２モータ２６と、第３モータ２７とを備えている。第１モータ２５は、第１キャリッジ２２を第１リニアガイド２１に沿って移動させる。第２モータ２６は、第２キャリッジ２４を第２リニアガイド２３に沿って移動させる。第３モータ２７は、プラズマトーチ３を第２キャリッジ２４に対して上下に移動させる。第１～第３モータ２５－２７が駆動されることで、アクチュエータ４は、プラズマトーチ３を、テーブル２上の材料１００に対して、水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）及び上下方向（Ｚ軸方向）の任意の位置に移動させる。

図３に示すように、プラズマ切断機１は、プラズマ電源２８と電圧センサ２９とを備えている。プラズマ電源２８は、プラズマトーチ３に電気的に接続されている。プラズマ電源２８は、プラズマアークを発生させるための電力をプラズマトーチ３に供給する。プラズマ電源２８は、例えば整流器とインバータと変圧器とを含む。電圧センサ２９は、プラズマ電源２８からプラズマトーチ３に印可されるアーク電圧を検出する。電圧センサ２９は、アーク電圧を示す信号を出力する。入力装置５は、例えば複数の入力キーとディスプレイとを含む。オペレータは、入力装置５を用いて、加工条件などのデータを入力する。入力装置５は、入力されたデータを示す信号を出力する。

図３に示すように、プラズマ切断機１は、コントローラ３１を備えている。コントローラ３１は、取得したデータに基づいて、プラズマ切断機１を制御するようにプログラムされている。コントローラ３１は、記憶装置３２とプロセッサ３３とを含む。記憶装置３２は、ROMなどの不揮発性メモリと、RAMなどの揮発性メモリとを含む。記憶装置３２は、ハードディスク、或いはSSD（Solid State Drive）などの補助記憶装置を含んでもよい。記憶装置３２は、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置３２は、プラズマ切断機１を制御するためのコンピュータ指令及びデータを記憶している。

プロセッサ３３は、例えばCPU（central processing unit）である。プロセッサ３３は、プログラムに従って、プラズマ切断機１を制御するための処理を実行する。コントローラ３１は、第１～第３モータ２５－２７、プラズマ電源２８、及び電圧センサ２９と通信を行う。コントローラ３１は、第１～第３モータ２５－２７を制御することで、プラズマトーチ３を移動させる。コントローラ３１は、プラズマ電源２８を制御することで、プラズマトーチ３にプラズマアークを発生させる。コントローラ３１は、プラズマトーチ３においてプラズマアークを維持しながら、プラズマトーチ３を移動させることで、材料１００を切断する。

次に、コントローラ３１によって実行されるプラズマ切断機１による加工の処理について説明する。プラズマ切断機１による加工では、まずピアス工程により材料１００にピアス孔が形成される。そして、切断工程によって、材料１００から製品が切り出される。図４は、プラズマ切断機１の制御の処理を示すフローチャートである。

図４に示すように、プラズマ切断機１による加工が開始されると、ステップＳ１０１において、コントローラ３１は、プラズマトーチ３をピアス位置へ移動させる。ピアス位置は、テーブル２上における水平方向の位置であり、ＸＹ座標で示される。図５は、プラズマトーチ３の位置を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、コントローラ３１は、ピアス位置においてプラズマトーチ３を第１高さＨ１に配置する。

ステップＳ１０２では、コントローラ３１は、プラズマトーチ３にプラズマアークを着火する。それにより、コントローラ３１は、ピアス工程を開始する。図６は、アーク電流およびアーク電圧の変化の一例と、プラズマトーチ３の高さの変化とを示す図である。図６において、実線Ａ１はプラズマトーチ３の高さの変化を示し、破線Ｉ１はアーク電流を示し、実線Ｖ１はアーク電圧を示す。図６に示すように、時間Ｔ１において、コントローラ３１は、プラズマトーチ３の電極１１に高電圧を印加する。それにより、プラズマトーチ３においてプラズマアークが発生する。プラズマアークが発生することで、時間Ｔ２においてアーク電圧が低下する。

次に、ステップＳ１０３において、コントローラ３１は、プラズマトーチ３を上昇させる。図５に示すように、コントローラ３１は、ピアス位置で、プラズマトーチ３を第２高さＨ２に上昇させる。第２高さＨ２は、第１高さＨ１よりも上方に位置する。図６に示すように、時間Ｔ１～Ｔ３において、コントローラ３１は、プラズマトーチ３を上昇させる。それにより、アーク電圧が上昇する。

ステップＳ１０４において、コントローラ３１は、ピアス位置でプラズマトーチ３を第２高さＨ２に保持する。それにより、図５（ｂ）に示すように、プラズマアークによって、ピアス孔が材料１００に形成される。このとき、材料１００からスパッタが飛散するが、プラズマトーチ３は第２高さＨ２に位置していることで、スパッタのプラズマトーチ３への衝突が回避される。図６では、時間Ｔ３～Ｔ４において、ピアス孔２００が材料１００に形成される。このとき、ピアス孔２００の伸長に伴い、アーク電圧が上昇する。

ステップＳ１０５において、コントローラ３１は、ピアス工程が完了したかを判定する。コントローラ３１は、アーク電圧に基づいてピアス工程が完了したかを判定する。詳細には、コントローラ３１は、アーク電圧の単位時間当たりの上昇率を取得する。コントローラ３１は、電圧センサ２９の検出値から、アーク電圧の単位時間当たりの上昇率を算出する。コントローラ３１は、上昇率が閾値以上であるときに、ピアス工程が完了したと判定する。図５（ｃ）に示すように、ピアス工程は、ピアス孔２００が材料１００を貫通したときに完了する。ピアス孔２００が材料１００を貫通すると、プラズマアークが引き伸ばされる。それにより、図６において時間Ｔ４～Ｔ５で、アーク電圧が急上昇する。コントローラ３１は、このときのアーク電圧の急上昇を検出することで、ピアス工程の完了を判定する。

なお、コントローラ３１は、プラズマアークの発生開始時点から所定時間の間には、ピアス工程の完了の判定を無効とする。それにより、例えば、図６において時間Ｔ１～Ｔ３の間のプラズマアークの発生時の電圧上昇により、ピアス工程の完了が誤って判断されることを防止できる。

ステップＳ１０５において、コントローラ３１が、ピアス工程が完了していないと判定したときには、処理はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、コントローラ３１は、ピアス工程の開始から所定時間が経過したかを判定する。所定時間は、切断条件ごとに設定されてもよい。或いは、所定時間は一定値であってもよい。ピアス工程の開始から所定時間が経過していないときには、処理はステップＳ１０４に戻る。すなわち、コントローラ３１は、ピアス工程の完了まで、或いはピアス工程の開始から所定時間が経過するまで、プラズマトーチ３をピアス位置において第２高さＨ２に保持する。ステップＳ１０５において、コントローラ３１が、ピアス工程が完了したと判定したとき、或いはステップＳ１０６において、コントローラ３１が、ピアス工程の開始から所定時間が経過したと判定したときには、処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、コントローラ３１は、プラズマトーチ３を下降させながら切断工程を開始する。図５（ｄ）に示すように、コントローラ３１は、プラズマトーチ３を第３高さＨ３まで下降させながら、プラズマトーチ３の目標軌道に従って水平方向へ移動させる。第３高さＨ３は、第２高さＨ２よりも下方に位置する。第３高さＨ３は、第１高さＨ１よりも下方に位置する。プラズマトーチ３が第３高さＨ３に到達した後、図５（ｅ）に示すように、コントローラ３１は、プラズマトーチ３の高さを第３高さＨ３に保持しながら、プラズマトーチ３を目標軌道に沿って水平方向へ移動させる。目標軌道は、予め設定された製品の目標形状に従って、コントローラ３１によって決定される。プラズマトーチ３が目標軌道に沿って移動することで、材料１００から製品が切り出される。なお、上述したピアス位置、第１～第３高さＨ３、製品の目標形状は、記憶装置３２に保存されている。

以上説明した本実施形態に係るプラズマ切断機１では、コントローラ３１は、アーク電圧に基づいてピアス工程の完了を判定する。そのため、ピアス工程の完了までの推定時間に基づいてピアス工程の完了が判定される場合と比べて、精度よくピアス工程の完了を判定することができる。それにより、ピアス工程の時間を短縮することで、ピアス孔２００の拡大によるアーク電圧の上昇を抑えることができる。

また、実施形態に係るプラズマ切断機１では、コントローラ３１は、ピアス工程の完了後、プラズマトーチ３を下降させながら、速やかに水平方向に移動させる。そのため、ピアス工程の完了後にプラズマトーチ３がピアス位置に保持されたまま下降する場合と比べて、ピアス孔２００の拡大を抑えることができる。それにより、アーク電圧の上昇を抑えることができる。なお、図６では、時間Ｔ１において電圧が急激に上昇しているが、電流が小さいために、電源容量の増大を招くものではない。以上より、本実施形態に係るプラズマ切断機１では、ピアス工程によるアーク電圧の上昇に備えるためのプラズマ電源２８の電源容量を小さく抑えることができる。或いは、同じ電源容量であれば、アーク電圧が抑えられることで、アーク電流を増大することができる。それにより、電源容量の増大を抑えながら、プラズマ切断機１の切断性能を向上させることができる。

図６において、二点鎖線Ａ２は、比較例に係るプラズマトーチ３の高さの変化を示し、二点鎖線Ｖ２は、比較例に係るアーク電圧を示す。比較例では、コントローラは、ピアス工程の開始から所定時間後に、プラズマトーチを真下に降下させる。そして、コントローラは、プラズマトーチの下降を所定の高さ位置で停止し、その後、水平方向にプラズマトーチを移動させる。比較例では、ピアス工程の開始から完了までの予測時間が、所定時間として設定される。予測時間は余裕をもって見積もられるため、図６に示すように、比較例では、上述した時間Ｔ５よりも遅い時間Ｔ５’でプラズマトーチが下降を開始する。また、比較例では、プラズマトーチが真下に降下し、その後、水平方向に移動する。そのため、図６においてＶ２で示されているように、アーク電圧の最高電圧が大きくなる。それに対して、本実施形態に係る一例では、図６においてＶ１で示されているように、アーク電圧の最高電圧が低く抑えられる。それにより、電源容量の増大を抑えながら、プラズマ切断機１の切断性能を向上させることができる。

コントローラ３１は、アーク電圧に基づいてピアス工程が完了していないと判定しても、ピアス工程の開始から所定時間が経過したと判定したときには、プラズマトーチ３を下降させながら水平方向に移動させる。そのため、切断条件によっては、ピアス貫通時のアーク電圧上昇が小さく、上記のようなアーク電圧の変化を検知できない場合であっても、アーク電圧の上昇を抑えることができる。

コントローラ３１は、アーク電圧の単位時間当たりの上昇率によって、ピアス工程の完了を判定している。それにより、ピアス工程での溶接トーチの高さ、或いはアーク電流の値などの切断条件の違いによる影響を抑えて、精度良くピアス工程の完了を判定することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、プラズマトーチ３の構成は変更されてもよい。アクチュエータ４の構成は変更されてもよい。上述したコントローラ３１による処理は、変更、或いは追加されてもよい。コントローラ３１による処理の一部が省略されてもよい。コントローラ３１による処理の実行順序が変更されてもよい。

ピアス工程の完了の判定方法は変更されてもよい。例えば、アーク電圧が所定の閾値以上であるときに、ピアス工程の完了が判定されてもよい。上記の実施形態では、コントローラ３１は、ピアス工程の完了後、プラズマトーチ３を下降させながら水平方向に移動させる。しかし、コントローラ３１は、ピアス工程の完了後、プラズマトーチ３を水平方向に移動させてもよい。

２テーブル
３プラズマトーチ
４アクチュエータ
２８プラズマ電源
２９電圧センサ
３１コントローラ

Claims

プラズマアークによって材料を切断するプラズマ切断機であって、
前記材料を支持するためのテーブルと、
電極を含むプラズマトーチと、
前記プラズマトーチに接続されたプラズマ電源と、
前記プラズマトーチを前記テーブルに対して水平方向及び上下方向に移動可能に支持するアクチュエータと、
前記プラズマ電源から前記プラズマトーチに印可されるアーク電圧を検出する電圧センサと、
プラズマ電源と前記アクチュエータと前記電圧センサと通信するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、
前記プラズマトーチをピアス位置に移動させ、
前記プラズマトーチにプラズマアークを発生させて前記ピアス位置でピアス工程を開始し、
前記アーク電圧に基づいて前記ピアス工程が完了したかを判定し、
前記ピアス工程の開始から前記ピアス工程の完了まで、前記プラズマトーチを前記水平方向において前記ピアス位置に保持し、
前記ピアス工程の完了後、前記プラズマトーチを下降させながら前記水平方向に移動させ、
前記アークの発生開始時点から所定時間の間には、前記アーク電圧に基づく前記ピアス工程の完了の判定を無効とし、前記アークの発生開始時点から前記所定時間経過後に、前記アーク電圧に基づく前記ピアス工程の完了の判定を有効とする、
プラズマ切断機。
前記コントローラは、
前記アーク電圧の単位時間当たりの上昇率を取得し、
前記上昇率が閾値以上であるときに、前記ピアス工程が完了したと判定する、
請求項１に記載のプラズマ切断機。
前記コントローラは、前記アーク電圧に基づいて前記ピアス工程が完了していないと判定しても、前記ピアス工程の開始後、所定時間が経過したときには、前記プラズマトーチを少なくとも前記水平方向を含む所定方向に移動させる、
請求項１又は２に記載のプラズマ切断機。
プラズマトーチを含み、プラズマアークによって材料を切断するプラズマ切断機を制御するための方法であって、
前記プラズマトーチをピアス位置に移動させることと、
前記プラズマトーチにプラズマアークを発生させて前記ピアス位置でピアス工程を開始することと、
前記プラズマトーチに印可されるアーク電圧を取得することと、
前記アーク電圧に基づいて前記ピアス工程が完了したかを判定することと、
前記ピアス工程の開始から前記ピアス工程の完了まで、前記プラズマトーチを水平方向において前記ピアス位置に保持することと、
前記ピアス工程の完了後、前記プラズマトーチを下降させながら前記水平方向に移動させることと、
前記アークの発生開始時点から所定時間の間には、前記アーク電圧に基づく前記ピアス工程の完了の判定を無効とすることと、
前記アークの発生開始時点から前記所定時間経過後に、前記アーク電圧に基づく前記ピアス工程の完了の判定を有効とすること、
を備える方法。
前記アーク電圧の単位時間当たりの上昇率を取得することをさらに備え、
前記上昇率が閾値以上であるときに、前記ピアス工程の完了が判定される、
請求項４に記載の方法。
前記アーク電圧に基づいて前記ピアス工程が完了していないと判定されても、前記ピアス工程の開始後、所定時間が経過したときには、前記プラズマトーチを少なくとも前記水平方向を含む所定方向に移動させることをさらに備える、
請求項４又は５に記載の方法。