(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークを噴射して被切断材を切断するプラズマ切断装置において、
アーク電流を直接パルス制御するアーク電流制御部と、
切断速度を測定する切断速度測定手段と、
該切断速度測定手段により測定された切断速度を一時記憶する切断速度記憶部と、
設定された基準速度を入力する入力部と、
該入力部より入力された前記基準速度を記憶する基準速度記憶部と、
前記切断速度記憶部に記憶された切断速度と前記基準速度記憶部に記憶された基準速度を比較する比較演算部とを有し、
前記比較演算部による演算結果に従って前記アーク電流制御部によりアーク電流を直接パルス制御することを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項２】
プラズマアークを噴射して被切断材を切断するプラズマ切断装置に於いて、
アーク電流を直接パルス制御するアーク電流制御部と、
切断時刻を計測する切断時刻計測手段と、
該切断時刻計測手段により計測された切断時刻を一時記憶する切断時刻記憶部と、
設定された設定時間を入力する入力部と、
該入力部より入力された前記設定時間を記憶する設定時間記憶部と、
前記切断時刻記憶部に記憶された切断時刻と前記設定時間記憶部に記憶された設定時間を比較する比較演算部とを有し、
前記比較演算部による演算結果に従って前記アーク電流制御部によりアーク電流を直接パルス制御することを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項３】
プラズマアークを噴射して被切断材を切断するプラズマ切断装置において、
アーク電流を直接パルス制御するアーク電流制御部と、
切断位置を検出する切断位置検出手段と、
該切断位置検出手段により検出された切断位置を一時記憶する切断位置記憶部と、
設定された設定位置を入力する入力部と、
該入力部より入力された前記設定位置を記憶する設定位置記憶部と、
前記切断位置記憶部に記憶された切断位置と前記設定位置記憶部に記憶された設定位置を比較する比較演算部とを有し、
前記比較演算部による演算結果に従って前記アーク電流制御部によりアーク電流を直接パルス制御することを特徴とするプラズマ切断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はノズル先端よりプラズマアークを噴射して切断を行うプラズマ切断装置に関するものであって、特に入熱量を抑えることにより自己燃焼を減少させ、切断品質を向上させる切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在プラズマ切断では定電流制御を行うことにより、プラズマアークの電流値を一定に保ちながら切断を行っている。一方、切断装置の機械的な精度を考えると切断速度を落とした方が軌跡精度が向上するため、最近のＮＣ切断機では切断経路が屈曲している場合には減速を行うことが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述のようにアーク電流が一定出力であることから、切断速度の上がらないスタート部およびエンド部、コーナー部などにおいては入熱過多に陥ってしまい、熱歪みや硬化、広範囲の組織変化を起こしやすい。また同様の理由から鋭角切断、小円切断等の微細加工を行おうと思った場合、加工部が自己燃焼してしまう為加工が困難であるという欠点を有していた。
【０００４】
また、大きな切断材から多数の小製品を切り出す場合のように切断部分が近接している場合には、先に行った切断の熱が残留し、後の切断の際において入熱過多になってしまう場合があった。
【０００５】
上述のような不都合を解決するために、切断速度が低下した場合にアーク電流を低くし、入熱量を減らすことが考えられる。しかしこれでは被切断材の溶融に必要十分な入熱量を投与できずにスラグを大量付着させたり、切断自体ができないという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマ切断装置の代表的な構成は、アーク電流を直接パルス制御するアーク電流制御部と、切断速度を測定する切断速度測定手段と、該切断速度測定手段により測定された切断速度を一時記憶する切断速度記憶部と、設定された基準速度を入力する入力部と、該入力部より入力された前記基準速度を記憶する基準速度記憶部と、前記切断速度記憶部に記憶された切断速度と前記基準速度記憶部に記憶された基準速度を比較する比較演算部と、前記比較演算部による演算結果に従って前記アーク電流制御部によりアーク電流を直接パルス制御することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るプラズマ切断装置の他の構成は、アーク電流を直接パルス制御するアーク電流制御部と、切断時刻を計測する切断時刻計測手段と、該切断時刻計測手段により計測された切断時刻を一時記憶する切断時刻記憶部と、設定された設定時間を入力する入力部と、該入力部より入力された前記設定時間を記憶する設定時間記憶部と、前記切断時刻記憶部に記憶された切断時刻と前記設定時間記憶部に記憶された設定時間を比較する比較演算部と、前記比較演算部による演算結果に従って前記アーク電流制御部によりアーク電流を直接パルス制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るプラズマ切断装置の他の構成は、アーク電流を直接パルス制御するアーク電流制御部と、切断位置を検出する切断位置検出手段と、該切断位置検出手段により検出された切断位置を一時記憶する切断位置記憶部と、設定された設定位置を入力する入力部と、該入力部より入力された前記設定位置を記憶する設定位置記憶部と、前記切断位置記憶部に記憶された切断位置と前記設定位置記憶部に記憶された設定位置を比較する比較演算部と、前記比較演算部による演算結果に従って前記アーク電流制御部によりアーク電流を直接パルス制御することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ切断装置の一実施例を、図を用いて説明する。図１は本発明に係るプラズマ切断装置のブロック図、図２はアーク電流発生部の回路図、図３はアーク電流のパルス波形の名称を説明する図、図４は（ａ）が切断形状、（ｂ）が切断速度、（ｃ）がアーク電流の平均電流値、（ｄ）がアーク電流のパルス波形の例を示す図、図５は大きな切断材から複数の小製品を切り出す場合の例である。
【００１０】
図１に示す数値制御（以下ＮＣという）プラズマ切断装置１にはトーチ２が搭載されており、アーク８を噴出して切断材９を切断するよう構成されている。ＮＣプラズマ切断装置１にはあらかじめ切断すべき経路を入力されており、常にトーチ２の切断速度、切断開始からの時刻、また切断開始位置からの相対的な位置等を認識しつつ切断を行っている。
【００１１】
ＮＣプラズマ切断装置１によって認識されたトーチ２の切断速度及び切断時刻、及び切断位置は、一度それぞれ切断速度記憶部３ａ、切断位置記憶部３ｃに記憶される。また、同様に切断が開始されてからの経過時間により現在の時刻を認識し、一時的に切断時刻記憶部３ｂに記憶する。
【００１２】
一方、切断開始前に入力部６よりあらかじめ基準速度、設定時間、設定位置が入力され、それぞれ基準速度記憶部４ａ、設定時間記憶部４ｂ、設定位置記憶部４ｃに記憶されている。ここで基準速度とは、直線を切断する場合において切断材９の材質、厚さ、及びプラズマ切断装置の連続出力電流により決定される最大切断速度のことである。また設定時間、設定位置とは任意に設定される時間および切断経路上の位置であって、後述するアーク電流のパルス制御を開始又は終了する指標となるものである。
【００１３】
比較演算部７は、切断速度記憶部３ａと基準速度記憶部４ａ、切断時刻記憶部３ｂと設定時間記憶部４ｂ、切断位置記憶部３ｃと設定位置記憶部４ｃを比較し、比較演算結果をアーク電流発生部５のアーク電流制御部５ａに伝達する役割を有している。また、切断速度及び切断位置は比較演算部７を介してアーク電流制御部５ａに伝えられる。
【００１４】
アーク電流発生部５はアーク電流を定電流制御しつつ供給するアーク電源Ｖ０と、アーク電流制御部５ａとからなり、図２に示すようにバイアス回路を構成している。アーク電流制御部５ａはトランジスタ２０とベースバイアス電源Ｖ１、二つの可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２、およびこれらを切り替えるスイッチＳを有して、出力部７ａより伝えられる信号に応じてこれらを制御することが可能である。
【００１５】
ここで二つの可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗を異なる値に設定してスイッチＳを周期的に切り替えることにより、ベースバイアス電流をパルス状にすることができ、それに伴ってトーチ２に供給されるアーク電流もパルス状に変化する。またスイッチＳの切り替え時間を変化させたり、可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗を変化させることで、所望のパルス波形を形成することができる。
【００１６】
図３を用いてパルス電流の名称を説明する。図３は縦軸にアーク電流、横軸に時間を表す図であり、直線切断における連続出力電流が最大出力電流１０、またプラズマアークを維持できる最小の電流値を最低保持電流１１となっている。またアーク電流をパルス制御した際の最大電流値を最大パルス電流１３、最小電流値を最小パルス電流１４とし、一つのパルス周期１５はＯＮ時間１５ａとＯＦＦ時間１５ｂとから構成されている。
【００１７】
最大出力電流１０及び最低保持電流１１は切断条件により決定される定数である。しかし上述のようにアーク電流制御部５ａにおいて可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を変化させることにより、最大パルス電流１３および最小パルス電流１４は最大出力電流１０と最低保持電流１１の間に於いて所望の値に設定することが可能である。またスイッチＳの切り替え時間を変化させることによって、パルス周期１５の長さ、およびパルス周期１５内におけるパルス波のＯＮ時間１５ａ、ＯＦＦ時間１５ｂの比を所望の値に変化させることが可能である。
【００１８】
図４（ａ）に示すような切断経路Ｐを矢印Ｑ方向へ切断する場合、はじめ直線を切断している場合には、図４（ｂ）に示す基準速度１２、及び図４（ｃ）に示す最大出力電流１０をもって切断する。このときアーク電流制御部５ａにおいてスイッチＳの切り替えは行われず、定電流にてアーク電流が供給されている。
【００１９】
切断がコーナー部に至る前の減速開始位置Ｐ１、減速開始時刻Ｔ１において、ＮＣプラズマ切断装置１はトーチ２の軌跡精度を向上させるために切断速度Ａを図４（ｂ）に示すように減速させる。このとき切断速度記憶部３ａに記憶された現在の切断速度が基準速度記憶部４ａに記憶された基準速度１２よりも遅くなったことを比較演算部７が判断し、出力部７ａを介してアーク電流制御部５ａに指示を送る。するとアーク電流制御部５ａでは所定の比率にてスイッチＳの切り替えを開始してアーク電流をパルス制御し、入熱量を減少させる。その後図４（ｂ）に示される如く切断速度が低下するに伴ってパルス波形を制御し、図４（ｃ）に示すように平均電流値Ｂを低下させて入熱量を減少させる。
【００２０】
切断がコーナー部に至ると、減速終了位置Ｐ２から増速開始位置Ｐ３、時刻にして減速終了時刻Ｔ２から増速開始時刻Ｔ３の間は定速にて切断が行われる。この間アーク電流制御部５ａによって形成するパルス波形も変化させず、一定の入熱量にて切断を行う。
【００２１】
また、切断がコーナー部をぬける増速開始位置Ｐ３、増速開始時刻Ｔ３からＮＣプラズマ切断装置１はトーチ２を再び加速しはじめ、増速終了位置Ｐ４、増速終了時刻Ｔ４において切断速度Ａを基準速度１２に回復させる。この時アーク電流制御部５ａは切断速度Ａの増加に伴ってパルス波形を減縮し、平均電流値Ｂを増加させる。そして、増速終了位置Ｐ４、増速終了時刻Ｔ４においてアーク電流制御部５ａはパルス制御を終了する。
【００２２】
図４（ｄ）にパルス制御されたアーク電流の波形の例を示す。可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を速度に依存して変化させることにより、波形Ｃに示すのは最小パルス電流１４の値を変化させた例、波形Ｇに示すのは最大パルス電流１３を変化させた例である。またスイッチＳの切り替え時間の比率を変えることにより、波形Ｄに示すのはパルス周期１５を変えずにＯＮ時間１５ａとＯＦＦ時間１５ｂの割合を変化させた例、波形Ｅに示すのはＯＮ時間１５ａを一定にしてＯＦＦ時間１５ｂを変化させた例、波形Ｆに示すのはＯＦＦ時間１５ｂを一定にしてＯＮ時間１５ａを変化させた例である。また、これら波形Ｃ乃至波形Ｇを単独又は適宜重ね合わせて使用することにより、切断材９の材質、板厚、加工形状に応じて適切なパルス波形を形成することができる。
【００２３】
また、小円加工のように切断の開始から終わりまで基準速度１２に到達しないような切断においては、アーク電流を切断の開始から終わりまでパルス制御することによって、入熱量を抑えて良好な切断面を得ることができる。
【００２４】
また、上記説明に於いては切断速度Ａが低下する時刻とアーク電流のパルス制御を開始する時刻を共に減速開始時刻Ｔ１として説明したが、予め入力部６より入力され設定時間記憶部４ｂに記憶された設定時間によってパルス制御の開始又は終了時刻を変化させることができる。すなわちＮＣ切断装置に於いてはあらかじめ切断経路と切断速度が決定されていることから、切断速度が基準速度よりも低下する減速開始時刻Ｔ１などもあらかじめ知ることができ、これを基準として設定時間ずらした時刻よりパルス制御の開始又は終了を開始する。
【００２５】
例えば、切断に際してこの減速開始時刻Ｔ１よりも設定時間記憶部４ｂに記憶された設定時間だけ早い時刻、すなわち時刻Ｔ５に至った場合に比較演算部７が出力部７ａを介してアーク電流制御部５ａに信号を出し、アーク電流のパルス制御を開始する。すると図４（ｃ）の破線Ｂ１に示すように減速開始時刻Ｔ１よりも早期の時刻Ｔ５より平均電流値Ｂを減少させることとなり、熱伝導の良い材料を切断する場合において入熱量を減らしてさらに切断性能を向上させ、良好な切断面を得ることができる。
【００２６】
また同様に減速開始時刻Ｔ１よりも設定時間遅らせた時刻、すなわち時刻Ｔ６よりアーク電流のパルス制御を開始することにより、破線Ｂ２に示すようにパルス制御の開始を遅らせることができ、熱伝導性の悪い材料を切断する場合には入熱量の不足を防止することができる。
【００２７】
また切断速度を増加する場合にも同様に、増速開始時刻Ｔ３より設定時間だけ早い時刻Ｔ７、または遅い時刻Ｔ８を比較演算部７により検出して、パルス制御の減縮を開始することができる。これにより破線Ｂ３、破線Ｂ４に示すように増速開始時刻Ｔ３よりも早く又は遅くからパルス制御を減縮し、入熱量を調整することができる。
【００２８】
また、あらかじめ設定位置記憶部４ｃに記憶された設定位置と、切断位置記憶部３ｃに記憶された切断位置とを比較演算部７によって比較することにより、位置に依存してアーク電流のパルス制御を開始又は終了させることが可能である。
【００２９】
すなわちパルス制御を開始又は終了すべき設定位置を入力部６より入力し、設定位置記憶部４ｃに記憶させておく。そしてＮＣ切断装置により得られる切断位置の情報を一時的に切断位置記憶部３ｃに記憶させつつ随時比較演算部７により比較し、切断位置が設定位置に至った場合にアーク電流のパルス制御を開始又は終了する。
【００３０】
このことにより、例えば減速開始位置Ｐ１よりも前の切断位置Ｐ５を設定位置として設定位置記憶部４ｃに記憶させておけば、切断位置記憶部３ｃに記憶された切断位置が位置Ｐ５に至ったことを比較演算部７により検知してアーク電流のパルス制御を開始する。すると図４（ｃ）の破線Ｂ１に示すように減速開始位置Ｐ１よりも前の位置である位置Ｐ５よりアーク電流のパルス制御を開始することとなり、入熱量をさらに減少させることが可能である。同様にして切断位置Ｐ６を記憶させてパルス制御を開始させることにより入熱量を増加させることができる。
【００３１】
また増速開始位置Ｐ３においても同様であり、切断位置Ｐ７、Ｐ８を記憶させてパルス制御の減縮を開始させることにより、破線Ｂ３、破線Ｂ４に示すように入熱量の増加を早めたり、または遅くしたりすることが可能である。
【００３２】
また、設定位置を定めてパルス制御を開始又は終了させることが可能であることから、任意の範囲に於いてアーク電流をパルス制御することが可能である。図５に示すのは大きな切断材から複数の三角形１６、１７を切り出す場合の例である。
【００３３】
図５（ａ）に示すように三角形１６の後に三角形１７を切断する場合には、切断位置１７ｂから切断位置１７ｃまでの間は、先の三角形１６の切断による残留熱によってすでに切断材が加熱している。この切断位置１７ｂおよび切断位置１７ｃを、切断前にあらかじめ入力部６より入力して、設定位置記憶部４ｃに記憶させておく。
【００３４】
ピアシング位置１７ａより切断を開始すると、比較演算部７が切断位置記憶部３ｃに記憶された現在の切断位置と前記設定位置記憶部４ｃに記憶された設定位置１７ｂ、１７ｃとを比較演算し、一致した位置に於いてアーク電流制御部５ａに信号を送ってアーク電流のパルス制御を開始又は終了する。このようにして先の切断の残留熱による入熱過多を防止することができ、切断面の品質を向上させることができる。
【００３５】
尚、上記説明においてアーク電流をパルス制御するためのアーク電流制御部をバイアス回路を用いて説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、一般にパルス波を形成しうるものであればよい。
【００３６】
【発明の効果】
上述の如く構成したことにより、本発明に係るプラズマ切断装置は切断速度があらかじめ設定された速度よりも低下した場合にのみアーク電流をパルス制御することができる。このことから、通常切断に於いては切断効率の良い連続電流を以って切断し、またコーナー部などの切断速度のあがらない部分に於いてはアーク電流をパルス制御して入熱量を減少させ、切断面の品質を向上させることができる。また終始切断速度のあがらない微細加工等に於いて全切断経路をパルス制御することにより、入熱過多による切断部の自己燃焼を防いで良好な切断面を得ることができる。
【００３７】
また、あらかじめ設定された時刻においてアーク電流のパルス制御を開始または終了させることにより、切断材の熱伝導率の違いに対応してアーク電流による入熱量を調節し、切断性能を向上させることができる。
【００３８】
またあらかじめ設定された切断位置においてアーク電流のパルス制御を開始又は終了させることにより、先の切断によってすでに加熱された部位を切断する場合においてアーク電流をパルス制御することができ、入熱過多による熱歪み、硬化、広範囲の組織変化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ切断装置を模式的に表したのブロック図である。
【図２】アーク電流発生部の回路図である。
【図３】アーク電流のパルス波形の名称を説明する図である。
【図４】（ａ）が切断形状、（ｂ）が切断速度、（ｃ）がアーク電流の平均電流値、（ｄ）がアーク電流のパルス波形の例を示す図である。
【図５】大きな切断材から複数の小製品を切り出す場合の例である。
【符号の説明】
Ａ        …切断速度
Ｂ        …平均電流値
Ｂ１〜Ｂ４…破線
Ｃ〜Ｇ    …波形
Ｐ        …切断経路
Ｐ１      …減速開始位置
Ｐ２      …減速終了位置
Ｐ３      …増速開始位置
Ｐ４      …増速終了位置
Ｐ５〜Ｐ８…位置
Ｒ１、Ｒ２…可変抵抗器
Ｓ        …スイッチ
Ｔ１      …減速開始時刻
Ｔ２      …減速終了時刻
Ｔ３      …増速開始時刻
Ｔ４      …増速終了時刻
Ｔ５〜Ｔ８…時刻
Ｖ０      …アーク電源
Ｖ１      …ベースバイアス電源
１        …プラズマ切断装置
２        …トーチ
３ａ      …切断速度記憶部
３ｂ      …切断時刻記憶部
３ｃ      …切断位置記憶部
４ａ      …基準速度記憶部
４ｂ      …設定時間記憶部
４ｃ      …設定位置記憶部
５        …アーク電流発生部
５ａ      …アーク電流制御部
６        …入力部
７        …比較演算部
７ａ      …出力部
８        …アーク
９        …切断材
１０      …最大出力電流
１１      …最低保持電流
１２      …基準速度
１３      …最大パルス電流
１４      …最小パルス電流
１５      …パルス周期
１５ａ    …時間
１５ｂ    …時間
１６      …三角形
１７      …三角形
１７ａ    …ピアシング位置
１７ｂ    …切断位置
１７ｂ    …設定位置
１７ｃ    …切断位置
２０      …トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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