(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム・システムを制御する方法であって、前記方法は、
ａ）  投射レーザビームをワークに向けるステップと、
ｂ）  コントローラから少なくとも一つのコマンド信号を少なくとも一つの補助装置に提供して、前記少なくとも一つの補助装置によって生成された出力パラメータを制御するステップであって、少なくとも一つの補助装置は、エネルギー源および自動プロセス・コントローラのうちの一つである、ステップと、
ｃ）  少なくとも一つの補助装置によって生成される前記出力パラメータを検知し、前記検知した出力に基づいて、少なくとも一つの補助装置に提供される前記少なくとも一つのコマンド信号を調整するステップと、
ｃ１）  前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を光学検知器において検知するステップであって、前記検知器は、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、ステップと、
ｃ２）  前記ワークから放出される前記少なくとも一つの信号を制御するために、前記コントローラから少なくとも一つの補助装置への少なくとも一つのコマンド信号を調整するステップであって、前記コントローラによって提供される前記少なくとも一つのコマンド信号は、前記２つの出力の比率と前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の強度とに基づいている、ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、前記少なくとも一つのコマンド信号を提供するステップは、
ｄ）  前記２つの出力の前記比率と前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の前記強度とに基づいて、ルックアップ表中の位置を決定するステップと、
ｅ）  前記ルックアップ表中の前記位置に従って前記ルックアップ表に基づいてコマンド信号を提供するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項３】
請求項１の方法であって、前記少なくとも一つのコマンド信号はレーザビーム・コマンド信号であり、前記補助装置は前記レーザビームを制御するための前記エネルギー源である、方法。
【請求項４】
請求項１の方法であって、前記少なくとも一つのコマンド信号は、ガス・フロー・コマンド信号であり、前記少なくとも一つの補助装置は、前記自動プロセス・コントローラから供給される前記ガス・フローを制御するための前記自動プロセス・コントローラである、方法。
【請求項５】
請求項１の方法であって、前記少なくとも一つの補助装置は、前記レーザビーム・システムへのガス・フローを制御するための自動プロセス・コントローラであり、ステップｃ）は、前記自動プロセス・コントローラから流出するガスの圧力を検知することと、前記圧力に基づいて、前記自動プロセス・コントローラに提供される前記コマンド信号を調整することとを含む、方法。
【請求項６】
請求項１の方法であって、前記少なくとも一つの補助装置は、第一補助装置と第二補助装置とを含み、ステップｃ）は、前記第一補助装置によって生成された第一出力パラメータを検知することと、前記第一出力パラメータに基づいて、前記第二補助装置に提供される前記コマンド信号を調整することとを含む、方法。
【請求項７】
請求項６の方法であって、前記第一補助装置は前記自動プロセス・コントローラであり、前記第二補助装置は前記エネルギー源であり、ステップｃ）は、前記自動プロセス・コントローラから流出する出口ガスの圧力を検知することと、前記出口ガスの前記圧力に基づいて、レーザビーム・エネルギーを制御するために前記エネルギー源に提供される前記コマンド信号を調整することとを含む、方法。
【請求項８】
請求項７の方法であって、ステップｃ）は、前記エネルギー源によって生成され、前記レーザビーム・システムのエネルギー・ビームを示すフィードバック信号を検知することと、前記フィードバック信号に基づいて、ガス・フローを制御するために前記自動プロセス・コントローラに提供される前記コマンド信号を調整することとを含む、方法。
【請求項９】
請求項８の方法であって、フィードバック信号を検知するステップは、前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を光学検知器において検知することを含み、前記検知器は、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、方法。
【請求項１０】
請求項６の方法であって、前記第一補助装置は前記エネルギー源であり、前記第二補助装置はレーザ高度コントローラであって、ステップｃ）は、前記レーザビーム・システムのエネルギー信号を示す、前記エネルギー源によって生成されるフィードバック信号を検知することと、前記フィードバック信号に基づいて、スタンドオフを制御するため、前記レーザ高度制御に提供される前記コマンド信号を調整することとを含む、方法。
【請求項１１】
請求項１０の方法であって、前記フィードバック信号を検知するステップは、前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を光学検知器において検知することを含み、前記検知器は、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、方法。
【請求項１２】
請求項１の方法であって、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の前記強度は、最大値である、方法。
【請求項１３】
請求項１の方法であって、前記検知器は少なくとも２つの検知器要素を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１の方法であって、前記２つの出力は、光の第一スペクトル・バンドと、光の第二スペクトル・バンドとを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４の方法であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、前記光の第二スペクトル・バンドより、波長の短いバンドを有する、方法。
【請求項１６】
請求項１４の方法であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、約４５０ｎｍと約６５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、方法。
【請求項１７】
請求項１４の方法であって、前記光の第二スペクトル・バンドは、約９５０ｎｍと約１，１５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、方法。
【請求項１８】
請求項１の方法であって、
ｄ）  プロセス・パラメータの第一群をコントローラに入力し、前記パラメータの第一群に基づいて、プロセス・パラメータの第二群を生成するステップをさらに含む、方法。
【請求項１９】
請求項１の方法であって、切削ヘッドによって前記レーザビームをワークに向け、前記切削ヘッドは、プレナムと、ノズルと、焦点レンズと、受光器と、検知器とを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９の方法であって、前記受光器は、前記ワークから放出された前記少なくとも一つの信号をケーブルに搬送するための少なくとも一つのポートを含み、前記ケーブルは、前記ワークから放出された前記少なくとも一つの信号を前記検知器に搬送する、方法。
【請求項２１】
レーザビーム・システムを制御するための装置であって、前記装置は、
投射レーザビームをワークに向ける光源と、
少なくとも一つの補助装置へ少なくとも一つのコマンド信号を提供して前記少なくとも一つの補助装置によって生成された出力パラメータを制御し、前記光源と交信するコントローラであって、少なくとも一つの補助装置は、エネルギー源と、自動プロセス・コントローラとのうちの一つである、コントローラと、
少なくとも一つの補助装置によって生成された前記出力パラメータを検知し、前記検知された出力に基づいて、少なくとも一つの補助装置に提供される前記少なくとも一つのコマンド信号を調整するための検知モジュールと
を含み、
前記検知モジュールは、前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を測定するための光学検知器であって、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する光学検知器を含み、前記コントローラは前記光学検知器と交信しており、前記コントローラは、前記コントローラからの少なくとも一つのコマンド信号を少なくとも一つの補助装置に送信して、前記ワークから放出される前記少なくとも一つの信号を制御し、前記少なくとも一つのコマンド信号は、前記２つの出力の比率と、前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の強度とに基づいて、前記コントローラによって提供される、装置。
【請求項２２】
請求項２１の装置であって、前記コントローラは、
前記２つの出力の前記比率と、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の強度とに基づいてルックアップ表中の位置を決定することと、
前記ルックアップ表中の前記位置に従って前記ルックアップ表に基づいてコマンド信号を提供することと
によって前記レーザビーム・システムを制御する、装置。
【請求項２３】
請求項２１の装置であって、前記光源は、切削ヘッドを含み、前記切削ヘッドはプレナムと、ノズルと、焦点レンズと、受光器とを含む、装置。
【請求項２４】
請求項２３の装置であって、前記受光器は、前記ワークから放出された前記少なくとも一つの信号をケーブルに搬送するための少なくとも一つのポートを含み、前記ケーブルは、前記ワークから放出された前記少なくとも一つの信号を前記検知器に搬送する、装置。
【請求項２５】
請求項２４の装置であって、前記受光器は、レーザ切削ヘッド中に、前記少なくとも一つのポート配置するための環状リングを含む、装置。
【請求項２６】
請求項２１の装置であって、前記少なくとも一つのコマンド信号は、レーザビーム・コマンド信号であり、前記補助装置は、前記レーザビームを制御するための前記エネルギー源である、装置。
【請求項２７】
請求項２１の装置であって、前記少なくとも一つのコマンド信号は、ガス・フロー・コマンド信号であり、前記少なくとも一つの補助装置は、前記自動プロセス・コントローラによって供給される前記ガス・フローを制御するための前記自動プロセス・コントローラである、装置。
【請求項２８】
請求項２１の装置であって、前記少なくとも一つの補助装置は、前記レーザビーム・システムへのガス・フローを制御するための自動プロセス・コントローラであり、前記検知モジュールは、前記自動プロセス・コントローラから流出するガスの圧力を検知する、装置。
【請求項２９】
請求項２１の装置であって、前記少なくとも一つの補助装置は、第一補助装置と第二補助装置とを含み、前記検知モジュールは、前記第一補助装置によって生成された第一出力パラメータを検知し、前記第一出力パラメータに基づいて、前記第二補助装置に提供される前記コマンド信号を調整する、装置。
【請求項３０】
請求項２９の装置であって、前記第一補助装置は前記自動プロセス・コントローラであり、前記第二補助装置は前記エネルギー源であり、前記検知モジュールは、前記自動化プロセス・コントローラから流出する出口ガスの圧力を検知し、前記出口ガスの前記圧力に基づいて、レーザビーム・エネルギーを制御するために、前記エネルギー源に提供される前記コマンド信号を調整する、装置。
【請求項３１】
請求項３０の装置であって、前記検知モジュールは、前記エネルギー源によって生成され、前記レーザビーム・システムのエネルギー・ビームを示すフィードバック信号を検知し、前記フィードバック信号に基づいて、ガス・フローを制御するために前記自動プロセス・コントローラに提供される前記コマンド信号を調整する、装置。
【請求項３２】
請求項３１の装置であって、前記フィードバック信号は、前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号であり、前記検知モジュールは、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、装置。
【請求項３３】
請求項２９の装置であって、前記第一補助装置はエネルギー源であり、前記第二補助装置はレーザ高度コントローラであり、前記検知モジュールは、前記エネルギー源によって生成され、前記レーザビーム・システムのエネルギー信号を示すフィードバック信号を検知し、前記フィードバック信号に基づいて、スタンドオフを制御するために、前記レーザ高度コントローラに提供される前記コマンド信号を調整する、装置。
【請求項３４】
請求項３３の装置であって、前前記フィードバック信号は、前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号であり、前記検知モジュールは、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、装置。
【請求項３５】
請求項２１の装置であって、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の前記強度は、最大値である、装置。
【請求項３６】
請求項２１の装置であって、前記検知器は少なくとも２つの検知器要素を含む、装置。
【請求項３７】
請求項２１の装置であって、前記２つの出力は、光の第一スペクトル・バンドと、光の第二スペクトル・バンドとを含む、装置。
【請求項３８】
請求項３７の装置であって、前記光の前記第一スペクトル・バンドは、前記光の第二スペクトル・バンドよりも波長の短いバンドを有する、装置。
【請求項３９】
請求項３７の装置であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、約４５０ｎｍと約６５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、装置。
【請求項４０】
請求項３７の装置であって、前記光の第二スペクトル・バンドは、約９５０ｎｍと約１，１５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、装置。
【請求項４１】
材料加工システムを制御する方法であって、前記方法は、
材料加工ストリームをワークに向けるステップと、
コントローラからの少なくとも一つのコマンド信号を少なくとも一つの補助装置へ提供して、前記少なくとも一つの補助装置によって生成される出力パラメータを制御するステップであって、少なくとも一つの補助装置は、材料加工ストリーム源と、自動プロセス・コントローラとのうちの一つである、ステップと、
少なくとも一つの補助装置によって生成される前記出力パラメータを検知し、前記検知された出力に基づいて、少なくとも一つの補助装置に提供される前記少なくとも一つのコマンド信号を調整するステップと、
前記材料加工ストリームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を光学検知器において検知するステップであって、前記検知器は、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、ステップと、
前記ワークから放出される前記少なくとも一つの信号を制御するために、前記コントローラから少なくとも一つの補助装置への少なくとも一つのコマンド信号を調整するステップであって、前記コントローラによって提供される前記少なくとも一つのコマンド信号は、前記２つの出力の比率と前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の強度とに基づいている、ステップと
を含む、方法。
【請求項４２】
請求項４１の方法であって、前記少なくとも一つのコマンド信号を提供するステップは、
前記２つの出力の前記比率と、前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の前記強度とに基づいてルックアップ表中の位置を決定するステップと、
前記ルックアップ表中の前記位置に従って前記ルックアップ表に基づいてコマンド信号を提供するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項４３】
請求項４１の方法であって、前記材料加工ストリーム源は、レーザ・システムであり、前記材料加工ストリームはレーザビームである、方法。
【請求項４４】
請求項４１の方法であって、前記材料加工ストリーム源は、プラズマ・アーク・システムであり、前記材料加工ストリームはプラズマ・アークである、方法。
【請求項４５】
ワークの加工をモニターするための方法であって、前記方法は、
投射レーザビームをワークに向けるステップと、
前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を光学検知器において測定するステップであって、前記検知器は、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する、ステップと、
前記２つの出力の比率と前記２つの出力のうちの少なくとも一つ出力の強度とに基づいて、前記ワークの加工の状態が、過燃焼切削状態であるか無穿通切削状態であるかを決定するステップと
を含む、方法。
【請求項４６】
請求項４５の方法であって、前記検知器は、サンドイッチ検知器を含む、方法。
【請求項４７】
請求項４５の方法であって、前記検知器は２つの要素を含む、方法。
【請求項４８】
請求項４５の方法であって、
前記２つの出力の前記比率と、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の強度とに基づいて、ルックアップ表の中での位置を決定するステップと、
前記ルックアップ表中の前記位置に基づいて、前記ルックアップ表から値を抽出するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項４９】
請求項４５の方法であって、試験切削を実施し、好適な切削を示す前記２つの出力の前記比率と、前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の前記強度とを決定することをさらに含む、方法。
【請求項５０】
請求項４５の方法であって、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の強度は、最大値である、方法。
【請求項５１】
請求項４５の方法であって、前記検知器は少なくとも２つの検知器要素を含む、方法。
【請求項５２】
請求項４５の方法であって、前記２つの出力は、光の第一スペクトル・バンドと、光の第二スペクトル・バンドとを含む、方法。
【請求項５３】
請求項５２の方法であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、前記光の第二スペクトル・バンドより、波長の短いバンドを有する、方法。
【請求項５４】
請求項５２の方法であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、約４５０ｎｍと約６５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、方法。
【請求項５５】
請求項５２の方法であって、前記光の第二スペクトル・バンドは、約９５０ｎｍと約１，１５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、方法。
【請求項５６】
請求項４５の方法であって、切削ヘッドによって前記レーザビームが前記ワークに向けられ、前記切削ヘッドは、プレナムと、ノズルと、焦点レンズと、受光器と、検知器とを含む、方法。
【請求項５７】
請求項５４の方法であって、前記受光器は、前記少なくとも一つの信号をケーブルに搬送するための少なくとも一つのポートを含み、前記ケーブルは、前記少なくとも一つの信号を前記検知器に搬送する、方法。
【請求項５８】
ワークを加工しモニターするための装置であって、前記装置は、
投射レーザビームをワークに向ける光源と、
前記投射レーザビームに応答して前記ワークから放出される少なくとも一つの信号を測定するための光学検知器であって、前記少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を生成する光学検知器と、
前記光学検出器と交信する光源モニターであって、前記２つの出力の比率と、前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の強度とに基づいて、ワークの加工品質を決定する光源モニターと
を含む、装置。
【請求項５９】
請求項５８の装置であって、前記検知器は、サンドイッチ検知器を含む、装置。
【請求項６０】
請求項５８の装置であって、前記検知器は、２つの要素を含む、装置。
【請求項６１】
請求項５８の装置であって、前記光源モニターは、
前記２つの出力の前記比率と、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の強度とに基づいて、ルックアップ表の中での位置を決定することと、
前記ルックアップ表中の前記位置に基づいて、前記ルックアップ表から品質値を抽出することと
によって、ワークの加工品質を決定する、装置。
【請求項６２】
請求項５８の装置であって、試験ワークを切削することによって、好適な品質を示す前記２つの出力の値と、前記２つの出力のうちの少なくとも一つの出力の前記強度とを決定する、装置。
【請求項６３】
請求項５８の装置であって、前記２つの出力のうちの前記少なくとも一つの出力の前記強度は、最大値である、装置。
【請求項６４】
請求項５８の装置であって、前記検知器は少なくとも２つの検知器要素を含む、装置。
【請求項６５】
請求項５８の装置であって、前記２つの出力は、光の第一スペクトル・バンドと、光の第二スペクトル・バンドとを含む、装置。
【請求項６６】
請求項６５の装置であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、前記光の第二スペクトル・バンドより、波長の短いバンドを有する、装置。
【請求項６７】
請求項６５の装置であって、前記光の第一スペクトル・バンドは、約４５０ｎｍと約６５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、装置。
【請求項６８】
請求項６５の装置であって、前記光の第二スペクトル・バンドは、約９５０ｎｍと約１，１５０ｎｍとの間のスペクトル・バンドである、装置。
【請求項６９】
請求項５８の装置であって、前記光源は、切削ヘッドを含み、前記切削ヘッドはプレナムと、ノズルと、焦点レンズと、受光器とを含む、装置。
【請求項７０】
請求項５８の装置であって、前記少なくとも一つの信号を受信するための、前記検知器と交信する受光器をさらに含む、装置。
【請求項７１】
請求項７０の装置であって、前記受光器は、前記少なくとも一つの信号をケーブルに搬送するための少なくとも一つのポートを含み、前記ケーブルは、前記少なくとも一つの信号を前記検知器に搬送する、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０００年４月１０日出願の米国特許出願第０９／５４６，１５５号の一部継続出願である。本出願は、米国特許出願第０９／５４６，１５５号に対する優先権を主張し、参考のため全体としてこれを組み込む。
【０００２】
発明の分野
本発明は、材料加工システムを作動するための集中制御アーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
レーザ及びプラズマ・アーク・トーチのような、材料加工装置は、金属材料の切削、溶接、及び熱処理に広く用いられている。レーザ・ベースの装置には、一般に、ワークと相互作用するガス・ストリームとレーザビームとを通過させるノズルが含まれる。ビーム及びガス・ストリームの両方は、開口部を通りノズルから流出して、ワークのターゲット部分にぶつかる。レーザビームはワークを加熱する。ワークに生じた熱は、ガスとワーク材料との間の何らかの化学反応と組み合わさって、ビームの焦点及びエネルギー・レベルに応じて、ワークの選定された部分を加熱し、液化し及び／又は蒸発させる。この反応により、操作者は、ワークを切削したり又は他の方法で変化させることができる。
【０００４】
同様に、プラズマ・アーク・トーチは、一般に、電極を搭載したカソード・ブロック、トーチ・ボディ内に中央放出開口部を備えたノズル、電気接続部、冷却及びアーク制御液の通路、電極とノズルとの間に形成されたプラズマ・チャンバー中の液流パターンを制御するための渦流リング、及び出力装置を含む。トーチはプラズマ・アークを生成し、このアークは高温で高モーメントのプラズマガスの圧縮されたイオン化噴流であって、ノズル開口部を通って噴出し、ワークにぶつかる。トーチに使用されるガスを、非反応性（例、アルゴン又は窒素）とすることも反応性（酸素又は空気）とすることもできる。
【０００５】
どのような材料加工でも、一般に高品質であることが望ましい。例えば、レーザ及びプラズマ切削により生成された切削カーフの縁端部は、不純物付着がなく、円滑、直線的で均一であるべきである。例えば、レーザによるワークの不均一な加熱、アシスト・ガスとワークとの間の過剰な化学反応、又はカット屑の除去不完全による縁端部の不ぞろいを最小限に抑えるべきである。
【０００６】
現今、ＣＮＣ制御プラズマ・アーク又はレーザ切削加工システムの作動には、一般に、所望品質のワーク加工結果を達成するため、手動によるいくつかのパラメータ調整が必要である。結果として、ユーザは、プロセスの信頼性を得るため、広範囲にわたる作業条件について一般に控えめのプロセス・パラメータを選択する。多くの場合、このトレードオフに伴って、材料加工の生産性低下が生じる（例、レーザ切削における切削速度の低減）。もっと積極的なプロセス・パラメータを用いるために、切削プロセスをモニターし、切削品質の低下をリアルタイムでユーザに警告してくれるような、信頼でき、自動化された手段が必要である。また、最適のプロセス実施状況、すなわち良好な切削品質及び最高の生産性を維持するように、作業条件を修正、調整するためにもこのようなシステムが必要となろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の要旨
一つの様態において、本発明は、材料加工システムのための制御アーキテクチャに関する。具体的には、一つの実施形態において、本発明は、システムの「知能」が単一のコントローラに集約されている、レーザビーム切削システムのための集中制御アーキテクチャに関する。別の実施形態において、本発明は、システムの「知能」が単一のコントローラに集約されている、プラズマ・アーク切削システムのための集中制御アーキテクチャに関する。
【０００８】
一つの様態において、本発明は、統合レーザビーム・システムを制御する方法を特色とする。この方法の一つの実施形態によれば、プロセス・パラメータの第一群はコントローラへの入力である。プロセス・パラメータの第二群は、プロセス・パラメータの第一群に基づいて生成される。コントローラから、少なくとも一つの補助装置が発生させる出力パラメータを制御するため、少なくとも一つのコマンド信号が少なくとも一つの補助装置に送信さる。少なくとも一つの装置は、エネルギー源又は自動プロセス・コントローラのいずれかである。補助装置が発生させる出力パラメータは検出され、検出された出力パラメータに基づいて補助装置に送信するコマンド信号が調整される。
【０００９】
別の様態において本発明は、統合化された材料加工ストリーム・システムを制御する方法を特色とする。一つの実施形態において、材料加工ストリームは、レーザビームである。別の実施形態において、材料加工ストリームは、プラズマ・アークである。
【００１０】
少なくとも一つの補助装置を自動プロセス・コントローラとすることができる。自動プロセス・コントローラから流出するガスの圧力を検知することができ、ガス・フローを制御するため自動プロセス・コントローラに送信するコマンド信号を、圧力に基づき調整することができる。少なくとも一つの補助装置をレーザビームのためのエネルギー源とすることができる。エネルギー源が発生させ、レーザ・システムのエネルギー・ビームを示すフィードバック信号を検知し、そのフィードバック信号に基づいて、レーザ・システムのエネルギー・ビームを制御するためエネルギー源に送信するコマンド信号を調整することができる。
【００１１】
少なくとも一つの補助装置の中に第一補助装置と第二補助装置とを含めることができる。第一補助装置が発生させる第一出力パラメータを検知して、その第一出力パラメータに基づき、第二補助装置に送信するコマンド信号を調整することができる。例えば、第一補助装置を自動プロセス・コントローラとし、第二補助装置をレーザビームのためのエネルギー源とすることができる。自動プロセス・コントローラから流出する出口ガスの圧力を検知して、その圧力に基づき、レーザビーム・エネルギーを制御するためエネルギー源に送信するコマンド信号を調整することができる。エネルギー源が発生させ、レーザ・システムのエネルギー・ビームを示すフィードバック信号を検知し、そのフィードバック信号に基づいて、ガス・フローを制御するため自動プロセス・コントローラに送信するコマンド信号を調整することができる。これに換えて、第一補助装置をエネルギー源とし、第二補助装置をレーザ高度コントローラとすることができる。エネルギー源が発生させるフィードバック信号を検知し、そのフィードバック信号に基づいて、スタンドオフを制御するため、レーザ高度コントローラに送信するコマンド信号を調整することができる。
【００１２】
一つの様態において、本発明は、レーザビームによるワークの加工をモニターするための方法に関する。投射レーザビームをワークに当て、投射レーザビームの結果としてワークから放射される、少なくとも一つの信号を、光学検知器を用いて測定する。検知器は、ワークから放射された少なくとも一つの信号に基づいて、２つ以上の出力を発生させる。光源モニターは、２つ以上の出力の比率、及び２つの出力の少なくとも一つの強度に基づきワーク加工品質を判定する。一つの実施形態において、２つの出力の少なくとも一つの強度を、その最大値とすることができる。
【００１３】
本発明の様々な実施形態に、以下のステップを含めることができる。ワークの加工品質の判定に、２つの出力の比率、及び２つの出力の少なくとも一つの強度に基づき、ルックアップ表中での位置を判断し、ルックアップ表中のその位置の品質値を抽出することを含めることができる。
【００１４】
一つの実施形態において、検知器の２つの出力に、光の第一スベクトル・バンド及び光の第二スベクトル・バンドを含めることができる。別の実施形態において、光の第一スベクトル・バンドに、第二スベクトル・バンドよりも、光の波長の短いバンドを含めることができる。別の実施形態において、光の第一スベクトル・バンドを、約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの間とすることができ、光の第二スベクトル・バンドを、約９５０ｎｍから約１，１５０ｎｍの間とすることができる。
【００１５】
一つの実施形態において、本発明は、ワークを加工し、モニターするための装置を特色とする。この装置は、投射レーザビームをワークに当てる光源を含む。投射レーザビームに反応してワークから放出される少なくとも一つの信号を測定するための光学検知器が含まれている。光学検知器は、少なくとも一つの信号に基づいて２つの出力を発生させることができる。また、この装置は、光学検知器と交信する光源モニターを含む。光源モニターは、２つの出力の比率、及び２つの出力の少なくとも一つの強度に基づきワーク加工品質を判定することができる。
【００１６】
本発明の様々な実施形態において、光源モニターは、２つの出力の比率と少なくともその一つの強度とに基づき、ルックアップ表の中での位置を判断し、ルックアップ表中のその位置の品質値を抽出することができる。別の実施形態において、２つの出力の少なくとも一つの強度を、その最大値とすることができる。
【００１７】
以下の説明及び特許請求内容から、前記及びその他の本発明の目的、形態、特色及び利点は、さらに明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
発明の詳細な説明
本発明は、材料加工ストリームを放出する材料加工システムのための集中制御アーキテクチャに関するものであって、システムの「知能」は単一のコントローラに集約されている。この集中制御アーキテクチャは、冗長なハードウエア及びソフトウエアを排除してシステム全体を統合し、これにより、性能を向上し、サイクルタイムを削減する。一つの実施形態において、材料加工システムはプラズマ・アーク加工システムであり、材料加工ストリームとしてプラズマ・アークを放出し、集中制御アーキテクチャを包含する。本明細書中では、この実施形態を、密結合されたプラズマ・アーク・システム、又は単に、プラズマ・アーク・システムという。以下に説明する別の実施形態において、材料加工システムはレーザビーム加工システムであり、材料加工ストリームとしてレーザビームを放出し、集中制御アーキテクチャを包含する。本明細書中では、この実施形態を、密結合されたレーザビーム・システム、又は単に、レーザビーム・システムという。
【００１９】
図２を参照すると、密結合されたプラズマ・アーク・システム１０には、コンピュータ数値制御コントローラ（ＣＮＣ）１２ディスプレイ画面１３、出力装置１４、自動プロセス・コントローラ１６、トーチ高度コントローラ１８、駆動システム２０、切削テーブル２２、及びプラズマ・アーク・トーチ２４が含まれている。
【００２０】
一般に、ＣＮＣ１２は、切削テーブル２２を介してプラズマ・アーク・トーチ２４の運動、及びその運動と関連するプロセスとして切削プロセスのタイミングを制御する。本発明において、ＣＮＣ１２は、プラズマ・アーク・トーチ２４の運動のみならず、プラズマ・アーク・システム１０の他の構成要素の動作、及び他の切削プロセスをも制御する能力を持つ。ＣＮＣ１２は、プラズマ・アーク・システム１０の様々な構成要素を同時に制御することができる。
【００２１】
ＣＮＣ１２はユーザとやり取りする。ＣＮＣ１２は、ユーザが特定のプロセス・パラメータを選定又は入力できるようにする。ＣＮＣ１２は、ユーザの選定及び／又は入力に基づいて、プラズマ・アーク・システム１０を作動させるために必要な他のプロセス・パラメータを生成する。後記の図１６で示すように、切削プログラム６００は、トーチの運動及び切削アーク作動のための部品固有の情報を提供する。ＣＮＣ１２は、出力装置１４、自動プロセス・コントローラ１６、トーチ高度コントローラ１８及び駆動システム２０に作動を命令する。また、ＣＮＣ１２は、特定の加工条件をモニターし、プラズマ・アーク・システム１０が適切に動作しているかどうかを判断する。モニターした情報に基づいて、ＣＮＣ１２は、必要に応じ、プラズマ・アーク・システム１０の他の構成要素の動作を調整する。ＣＮＣ１２の内容については、図３、４、５Ａ−５Ｂ、及び１５−２０に関連して、後記でさらに詳細を説明する。
【００２２】
出力装置１４は、プラズマ・アークを生成するためガスをイオン化するのに十分な高周波信号を発生させ、アークを維持するためのＤＣ信号を発生させる。本発明において、切削プロセスを構成するため一般に出力装置中に具備されているすべての知能及び調整制御機能は、ＣＮＣ１２及び／又は自動プロセス・コントローラ１６に移されている。ＣＮＣから適切なコマンド信号を受信すると、出力装置１４は、入力信号を、プラズマ・アークを生成し維持するのに十分な出力信号に変換する。出力装置１４が発生させる出力を含め、出力装置１４のいくつかの構成要素は、フィードバック・メカニズムを通してＣＮＣ１２に制御される。出力装置１４については、図６及び７Ａ−７Ｃに関連して、後記でさらに詳細を説明する。
【００２３】
自動プロセス・コントローラ１６は、通常、出力装置及び／又はガス制御モジュールに設置されている手動のガス・フロー制御装置を代替するように設計されている。自動プロセス・コントローラ１６は、切削ガス及び遮蔽ガスの流量を制御するための比例フロー制御バルブを含む。あるいは、比例フロー制御バルブをサーボ制御バルブで置き換えることができる。一つの実施形態において、このサーボ制御バルブを、コネチカット、ブリストルのビクトリー・コントロールズ有限会社（Ｖｉｃｔｏｒｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ，ＬＬＣ）が販売する、双方向、ツーポートの空気フロー制御サーボ・バルブ、型式番号３００１０６−００１とすることができる。また、自動プロセス・コントローラ１６に、切削ガス及び遮蔽ガスの圧力を測定するための圧力トランスジューサを含めることができる。この圧力情報はＣＮＣ１２に提供され、これにより、ＣＮＣは、流量変更が必要であれば比例フロー制御バルブを調整する。また、自動プロセス・コントローラ１６の知能もＣＮＣ１２に置かれている。自動プロセス・コントローラ１６については、図８−１２と関連して後記で詳細を説明する。
【００２４】
トーチ高度コントローラ１８は、トーチ２４とワークとの間のスタンドオフを制御する。但し、在来型のトーチ高度コントローラ１８と違って、本トーチ高度コントローラ１８の知能はＣＮＣ１２中に移されている。トーチ高度コントローラ１８は、在来型のプラズマ・アーク・システム中の駆動システム２０と類似の方法で、別個のサーボ軸としてＣＮＣ１２により直接に制御される。ＣＮＣ１２は、プラズマ・アーク・トーチ２４で測定されたアーク電圧に基づき、トーチ高度コントローラ１８にコマンド信号を出して、スタンドオフを調整する。トーチ高度コントローラ１８については、図１３及び１４に関連して、さらなる詳細を後記で説明する。
【００２５】
駆動システム２０は、ＣＮＣからコマンド信号を受信して、切削テーブル２２を介し、ｘ軸又はｙ軸方向にプラズマ・アーク・トーチ２４を移動する。切削テーブル２２はワークを支える。プラズマ・アーク・トーチ２４は、トーチ高度コントローラ１８に搭載され、コントローラはガントリー２６に搭載されている。駆動システム２４は、テーブル２２に対してガントリー２６を移動させ、ガントリー２６と一緒にプラズマ・アーク・トーチを移動させる。プラズマ・アーク・トーチ２４の位置についての情報がＣＮＣ１２に提供される。こうして、ＣＮＣ１２は双方向性の対応を可能にし、正確な切削パスを維持する。駆動システム２０及び切削テーブル２２の作動は、本発明の発明的な面を構成するものでなく、当業者には周知であろう。
【００２６】
コンピュータ数値制御コントローラ
ＣＮＣ１２は、ディスプレイ、ハードディスク、マイクロプロセッサ、及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含む。このディスプレイを、例えば、ビデオ・グラフィック・アレイ（ＶＧＡ）カラー・ダブル・スーパー・ツィステッド・ネマチック（ＤＳＴＮ）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又はアクティブ・マトリックス薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ディスプレイとすることができる。ＣＮＣ１２に、例えば、２．１ギガバイトのハードディスクを含めることができ、また、オプションとしてフロッピー（登録商標）ディスク・ドライブを含めることができる。マイクロプロセッサを、例えば、１６６ＭＨｚ  Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）プロセッサとすることができる。ＣＮＣ１２に、例えば、３２メガバイトのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含めることができる。また、ＣＮＣ１２に、切削（例、ガス制御）及び運動ロジック（例、トレース・システム、マーカー、ホーミング）のためのインタフェース信号の導線を含めることができる。運動ロジックに、図面又は部品をトレースすることによってトーチ２４を方向付けるトレース・システムのためのロジックを含めることができる。運動ロジックに、ワークをマークするためのロジックを含めることができる。また、運動ロジックに、トーチをホーム・ポジションに移動させ、ＣＮＣ１２に正確な位置情報を提供するためのロジックを含めることもできる。
【００２７】
ＣＮＣ１２のプログラミング及び作動はメニュー方式である。画面階層の例が図３に示されている。図３に示す例において、画面階層は、メイン画面、セットアップ、及び形状マネージャーに分けられている。ユーザは、メイン画面によって、情報ファイルのロード又は保存のようなオプションの選定、部品オプション選択、及び密結合されたプラズマ・アーク・システム１０の一部の手動運転選定を行うことができる。セット画面によって、使用する切削ガスのような一部の切削パラメータを選定できる。ユーザは、形状マネージャーによって、形状ライブラリから一部の切削パターンを選択することができる。ＣＮＣ１２は、ユーザが特定のプロセス・パラメータを入力するためのグラフィカル・ユーザインタフェースを備えている。例えば、ユーザは、図４に示すように、出力のタイプ、トーチのタイプ、切削する材料のタイプ、電流の設定、プラズマガス及び遮蔽ガスのタイプ、切削表面（例、水面上）、切削する材料の厚さ、及び水マフラーを取付けるかどうか、についての情報を入力できる。また、ユーザは、所望の寸法とともに、形状パラメータ・ライブラリから切削のためのいくつかの任意の形状を選択することができる。形状パラメータ・ライブラリの例が図５Ａに提示されている。
【００２８】
ユーザ入力プロセス・パラメータに基づいて、ＣＮＣ１２は、他のプロセス・パラメータを生成する。これらのプロセス・パラメータは、出荷元での事前設定データベース又はユーザが規定したデータベースから提供される。生成されるプロセス・パラメータには、切削速度、切削カーフ径、設定アーク電圧、切削高さ、穿通高さ、及び移行失敗時の再試行回数を含めることができる。また、プロセス・パラメータには、予備フロー、点火、切削フロー、立下り、作業停止、及び作業後フローの間の切削ガス及び遮蔽ガスの圧力設定を含めることができる。さらに、プロセス・パラメータに、後フロー、供給オン、予備フロー、パージ、切削、クリープ、及び立下り余裕の持続時間に対する設定も含めることができる。図４には、ユーザ入力パラメータに応じて生成された他のプロセス・パラメータ示されている。プラズマ・アーク・システム１０を開始するためのユーザ入力を受け、プラズマ・アーク・システムの運転を開始するため必要なすべてのパラメータを生成すると、ＣＮＣ１２は、ソフトウエア・プログラムを実行して、プラズマ・アーク・システム１０の種々の構成要素の作動を開始し、制御する。ソフトウエア・プログラムについては、図１５−２０と関連させて、後記で詳細を説明する。
【００２９】
一つの実施形態において、ＣＮＣ１２は、消耗部品の寿命を追跡し記録するためのデータベースを含む。例えば、プラズマ・トーチに新しい電極又はノズルが設置されると、その情報はＣＮＣ１２に提供される。データベースは、その消耗部品が交換された日時、及び、分時間、穿通距離、インチ及びミリメータ単位でどの位継続使用されたかをデータベースに記録することができる。ＣＮＣが提示する消耗部品交換の画面の例が、図５Ｂに示されている。
【００３０】
出力装置
出力装置１４の目的は、電力とガスとを組み合わせて金属切削のためのイオン化ガスを生成することである。図６は、本発明の出力装置１４の実施形態を示す。出力装置１４の電力は、ＣＮＣ１２（図２に示す）によって制御され、ガス供給はＡＰＣ１６（図２に示す）によって制御される。
【００３１】
図６を参照すると、出力装置１４は、三相電源入力部３０を含む。三相電源入力部３０は、メイン接点スイッチ３２と電気的につながっている。メイン接点スイッチ３２は、メイン・トランス３４と電気的につながっている。メイン・トランス３４は、ｄｃ電力モジュールと電気的につながっている。このｄｃ電力モジュールを、チョッパ、インバータ、又はサイリスタとすることができる。図６に示す実施形態において、ｄｃ電力モジュールは、第一チョッパ・モジュール３６及び第二チョッパ・モジュール３８である。第一チョッパ・モジュール３６及び第二チョッパ・モジュール３８は、第一チョッパ・インダクタ３５と第二チョッパ・インダクタ３７とに電気的につながっている。チョッパ・インダクタ３５、３７は、サージ注入及びトーチ点火回路モジュール４０に電気的につながっている。サージ注入及びトーチ点火回路モジュール４０は、トーチ出力及び冷却液リード４３と電気的につながっているカソード・マニホールド４２と電気的につながっている。電圧フィードバック・カード５２は、サージ注入及びトーチ点火回路モジュール４０に電気的につながっている。
【００３２】
また、出力装置１４は、制御トランス４６を含み、このトランスは三相電源入力部３０と電気的につながっている。制御トランス４６は、スイッチング電源４８と熱交換器／冷却器ユニット５０とに電気的につながっている。冷却液リード５８、６０の対は、熱交換器冷却器ユニット５０及びカソード・マニホールド４２から延びだしている。
【００３３】
また、出力装置１４はガス・マニホールド５４を含む。パイロット・アーク・リード５６は、サージ注入及びトーチ点火回路モジュール４０からガス・マニホールド５４に延びている。遮蔽ガス及びパイロット・アーク・リード６２は、ガス・マニホールド５４からトーチ・リード４４に延びている。切削ガス・リード６６、６４は、切削ガス源６８’、６８”から出力装置１４を通ってトーチ・リード４４へ延びている。
【００３４】
作動中、三相電源入力部３０は入力信号電力を受電する。この入力信号電力を、２００ボルトから６００ボルトまでの電圧範囲のＡＣ信号電力とすることができる。入力部３０は、メイン接点スイッチ３２を通してメイン・トランス３４に電力を供給する。メイン・トランス３４は、２つの二次側巻線（図示せず）を介して入来電力を変換する。各巻線は、チョッパ・モジュール３６、３８に電力を供給する。例えば、メイン・トランスは、各チョッパ３６、３８に２１０ＶＡＣの信号電力を供給できる。チョッパ・モジュール３６、３８は、トーチ２４に供給する切削電圧を提供する。また、三相電源入力部３０は、制御トランス４６に電力を供給し、トランスは、制御トランス４６の２つの二次側巻線（図示せず）を介して入来電力を変換する。制御トランス４６の２つの二次側巻線は、熱交換器すなわちユニット５０及びスイッチング電源４８の両方に電力を供給する。例えば、制御トランス４６はスイッチング電源４８に１２０ＶＡＣの信号電力を供給し、２４０ＶＡＣの信号電力を熱交換器／冷却器ユニット５０に供給できる。スイッチング電源４８は、ＣＮＣ１２に２４ＶＡＣの信号電力を供給して、ＣＮＣ１２に追加電力を提供する。
【００３５】
チョッパ・インダクタ３５、３７は、トーチ２４における電気アークを維持するための整流されたＤＣ出力信号を供給する。サージ注入及びトーチ点火回路４０は、トーチ２４を点火するための高周波初期サージ電流を供給する。
【００３６】
チョッパ・インダクタ３５，３７のＤＣ出力信号は、電圧フィードバック・カード５２によってモニターされる。メイン接点スイッチ５２により、出力装置１４に電源が入ると、電圧フィードバック・カード３２は、出力装置１４の準備ができたことをＣＮＣ１２に合図する。パイロット・アークが立ち上がると、電圧フィードバック・カード５２はＣＮＣ１２に合図する。切削アークが立ち上がると、電圧フィードバック・カード５２は、ＣＮＣ１２に運動を開始するための信号を送信する。アークの移行が行われ、運動が開始された後は、電圧フィードバック・カード５２は、ＣＮＣ１２に電圧フィードバックを提供するために用いられ、ＣＮＣ１２は、トーチ高度コントローラ１８を使ってアーク電圧を調整する。このプロセスの間に何らかの不具合があった場合には、ＣＮＣ１２がその不具合を検知し、プロセスは中止され、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを掲示する。
【００３７】
いくつかのやり方の一つで出力装置１４を作動することができる。出力装置１４を作動する一つのやり方は、全自動モードによるものである。操作者が、部品プログラム及びプラズマ・プロセスを選定した後で、単に「開始」ボタンを押すと、ＣＮＣ１２は、出力装置１４の電源が入れられているかどうかを点検し、入っていない場合には、出力装置１４の電源を入れて、その状態を検証することができる。その後、ＣＮＣ１２は、通常通り部品プログラムを実行を継続することになる。何らかの不具合状態があれば、出力装置は停止され操作者に対しエラーメッセージが提示される。
【００３８】
出力装置１４を作動する第二のやり方は、リモート手動モードによるものである。操作者は、ＣＮＣ１２の診断画面を開き、「電源オン」を選定することによって、手動で出力装置１４の電源を入れることができる。これにより、リモート診断及び装置の試験が実施可能となる。
【００３９】
出力装置１４を作動する第三のやり方は、ローカル手動モードによるものである。適切な教育・訓練を受けたサービス要員が、出力装置１４を開いて「電源オン」リレーを接合させて、手動で出力装置の電源を入れることができる。
【００４０】
出力装置１４の立上げシーケンスにおいて、ＣＮＣ１２は、三相電源入力３０が入力されていることを確認する信号を受信する。出力装置１４からこの信号がこなければ、ＣＮＣ１２は、タイムアウトし、作動停止し、操作者に警告を出すことになる。さらに、ＣＮＣ１２が提供する診断画面を使って、遠隔から出力装置の機能のすべてを手動で試験することができる。
【００４１】
電圧フィードバック・カード５２は、切削作業の間、遠隔でプラズマ・アーク・トーチ２４におけるアーク電圧モニターし、その情報を、トーチ高度コントローラ（ＴＨＣ）１８へのフィードバック信号として使用することができる。ＣＮＣ１２は出力装置の機能のすべての面を制御しているので、電圧フィードバック・カード５２は、本明細書に提示する他の機能も遂行することができる。
【００４２】
開始コマンドが与えられると、ＣＮＣ１２は、メイン接点スイッチ３２を入れて、チョッパ３６、３８が、その出力を全開路電圧まで昇圧することを可能にする。この全開路電圧は電圧フィードバック・カード５２によって検知され、その情報はＣＮＣ１２に中継される。全開路電圧が許容差内にあり、他のすべてのパラメータが満たされている場合、ＣＮＣ１２は、チョッパ３６，３８を有効にし、出力電流を設定ポイントまで流す。次に、ＣＮＣ１２は、サージ注入及びトーチ点火回路４０を作動して高周波電力信号を発生させ、パイロット・アーク・リレーを有効にする。いくつかの実施形態において、トーチ２４に、スプリング負荷メカニズムを具備し、電極とノズルとを接触させてパイロット・アークを形成することができる。トーチ２４においてパイロット・アークが立ち上がれば、出力電圧が変化し、電圧フィードバック・カード５２がそれを検知する。電圧フィードバック・カード５２は、電圧変化をＣＮＣ１２に中継する。アークは、ワークに向け外側に伸び出し、ついにはワークに接触し、電圧フィードバック・カード５２は、これに対応する電圧の変化をも検知してその情報をＣＮＣ１２に中継する。ＣＮＣ１２は、この情報をアーク移行信号として使用し、穿通作業を進行させる。
【００４３】
穿通作業が完了し、マシン全体の運動が連動し安定していれば、電圧フィードバック・カード５２は、トーチ高度コントローラ１８における元来の機能に復帰する。前記の状態のどのような不具合についても、操作者に対し適応する対応エラーメッセージが生成され、システム１０は「スタンバイ」モードに戻る。
【００４４】
出力装置１４は、斬新な冷却システムを包含する。一般的な冷却システムにおいては、安全上の理由で、ポンプ、タンク及び他の構成部品は、外枠のアースにつながれている。プラズマ切削作業の間、電極は高い電圧レベルになっているので、トーチ・リードの中で電気分解が生じる。試験では、冷却液ロスの９５％が電気分解によるものであることが示されている。出力装置１４内の熱交換器／冷却器ユニット５０は、電気分解を排除するように設計されている。熱交換器／冷却器ユニット５０のすべての構成部品を電極の電位で試験することによって、電気分解を防止することができ、冷却液を保持することができる。熱交換器／冷却器ユニット５０を、適切に標示された別個の囲いに収容することにより安全を維持する。
【００４５】
ＣＮＣ１２は、冷却液の流速、フロー・レベル、及び温度を直接にモニターし、どのような欠陥についても、その是正のため各々の不具合状況に知能的に対応することできる。温度超過状況の場合に、ＣＮＣ１２は、切削作業の現在の仕事を完了できるようにする。その後、ＣＮＣ１２は操作者に警告を出し、出力装置１４に「スタンバイ」状態を命令することになる。これにより、出力装置１４は、オン状態に留まりファンの回転を保持して冷却液を冷やすことができるが、出力装置１４の出力は停止される。冷却液のレベルが低下しすぎた場合、ＣＮＣ１２は、切削作業の現在の仕事を完了できるようにする。その後、ＣＮＣ１２は操作者に警告を出し、出力装置１４に電源オフを命令することになる。ＣＮＣ１２は、冷却液の下限レベルが満たされるまでは、出力装置１４を再度オンにできないようにできる。ＣＮＣ１２が冷却液流れのロスを検知した場合、直ちに切削作業を終了し、出力装置１４を停止し、操作者に警告を出すことになる。
【００４６】
ＣＮＣ１２は出力装置１４内のチョッパ３６、３８への直接リンクを持ち、チョッパ３６、３８に対し、求められる出力電圧に比例したアナログ信号を供給する。これにより、無限に近い分解能での電流出力が可能となる。出力電流の立上がり又は立下りの際の、このような動作において、非常にスムースな遷移が可能となる。このことにより、トーチ内の消耗部品への応力が低減され、その結果、これら消耗部品の使用寿命が延長される。
【００４７】
図７Ａ−７Ｃは、出力装置１４の構成要素各々の物理的配置を示す。図７Ａ−７Ｃに提示された構成要素の特定の配置は、単なる例示であって、本発明に沿って、他の配置を用いることができる。
【００４８】
自動プロセス・コントローラ
自動プロセス・コントローラ１６は、コンピュータ数値制御コントローラ（ＣＮＣ）１２からコマンド信号を受信して、プラズマ・アーク・トーチ２４へ流入するガス・フローを制御する。自動プロセス・コントローラ１６は、一般にプラズマ電源に設置されている、手動ガスフロー制御装置を操作する必要性を解消する。自動プロセス・コントローラ１６は、プラズマ・アーク・トーチ２４ボディの直ぐ前に配置された比例フロー制御（ＰＦＣ）バルブとともに、一般的に出力装置及び／又はガス制御モジュールに設置されている、ソレノイドバルブを代替する。
【００４９】
図８に、自動プロセス・コントローラ１６の平面図を示す。明瞭にするため、ガス・ホース及びホース接続部は図示していない。自動プロセス・コントローラ１６には、ガス・マニホールド７０、７１、バルブ７２、７３、７４、７５、圧力トランスジューサ７６、７７、圧力スイッチ７８、及び、自動プロセス・コントローラ１６を図１３に示すトーチ高度コントローラ１８に搭載するためのブラケット７９が含まれる。
【００５０】
図８及び９を参照すると、自動プロセス・コントローラ１６には、第一マニホールド７０及び第二マニホールド７１が含まれている。第一マニホールド７０は、フロー制御装置の使用を介してプラズマ・アーク・トーチ２４に供給される一つ以上の切削ガスの混合と調整とができるようにするチャンバである。第二マニホールド７１は、フロー制御装置の使用を介してプラズマ・アーク・トーチ２４に供給される遮蔽ガスの調整ができるようにするチャンバである。また、自動プロセス・コントローラ１６には、第一比例フロー制御（ＰＦＣ）バルブ７２、第二比例フロー制御（ＰＦＣ）バルブ７３、及び第三比例フロー制御（ＰＦＣ）バルブ７４が含まれている。第一ＰＦＣバルブ７２及び第二ＰＦＣバルブ７３は、第一マニホールド７０と物理的につながっている。第一ＰＦＣバルブ７２は、第一切削ガスのフローを制御する。第二ＰＦＣバルブ７３は、第二切削ガスのフローを制御する。例えとして、第一切削ガスを窒素、第二切削ガスを酸素とする。これら第一切削ガスと第二切削ガスとを第一マニホールド７０の中で混合することができる。
【００５１】
第三ＰＣＦバルブ７４は、第二マニホールド７１と物理的につながり、また、制御用ソレノイドバルブ７５とも物理的につながっている。制御用バルブ７５は、プラズマ・アーク・トーチへの遮蔽ガスの流入を制御する。例えとして、遮蔽ガスを空気とする。この遮蔽ガスの一部を大気中に排出できる。第三ＰＦＣバルブ７４は、大気中へ排出する遮蔽ガスの量を制御する。このように、遮蔽ガスのフローは、過剰なガスを大気中に放散することにより制御される。
【００５２】
自動プロセス・コントローラ１６に、第一圧力トランスジューサ７６及び第二圧力トランスジューサ７７をさらに含めることができる。図９を参照すると、第一圧力トランスジューサ７６は、第一マニホールド内部のライン８１に接続されている。第一圧力トランスジューサ７６は、第一切削ガス、第二切削ガス、あるいは第一切削ガスと第二切削ガスとの混合ガスの出口圧力をモニターする。第一トランスジューサ７６からの圧力測定値はフィードバックとしてＣＮＣ１２に供給される。ＣＮＣ１２は、必要に応じ、第一ＰＦＣバルブ７２及び／又は第二ＰＦＣバルブ７３に調整コマンドを送信して、遮蔽ガスのフローを調整することができる。第二圧力トランスジューサ７７は、第二マニホールド内部のライン８２にタップされている。第二圧力トランスジューサ７７は、プラズマ・アーク・トーチ２４に供給される遮蔽ガスの出口圧力をモニターする。第二圧力トランスジューサ７７からの圧力測定値は、フィードバックとしてＣＮＣ１２に送信される。ＣＮＣ１２は、必要に応じ、調整信号を第三ＰＦＣバルブ７４の送信して遮蔽ガスのフローを制御する。
【００５３】
作業の中で、ユーザは、ＣＮＣ１２に格納された多くのプログラムの中から一つの切削プログラムを選択し、いくつかのプロセス変数を選定する。例えば、ユーザは８つのプロセス変数を選定することができる。図４に関連して説明したように、これら８つの変数には、出力のタイプ、トーチのタイプ、材料のタイプ、電流の設定、プラズマ／遮蔽ガスのタイプ、切削表面、材料の厚さ、及び水マフラーの取付けが含まれている。ＣＮＣ１２は、内部のデータベースにアクセスし、ユーザに与えられたプロセス変数に基づいて、切削ガス及び遮蔽ガスの流量を設定し、調整する。データベースは、出荷元デフォルトデータベース、あるいはユーザ定義のデータベースとすることができる。ガス制御のためのパラメータを表示するＣＮＣ画面の例を図４に示す。
【００５４】
ＣＮＣ１２は、第一ＰＦＣバルブ７２、第二ＰＦＣバルブ７３、第三ＰＦＣバルブ７４、及び制御用ソレノイドバルブ７５にコマンド信号を送信する。コマンド信号に応じて、第一ＰＦＣバルブ７２、第二ＰＦＣバルブ７３、及び第三ＰＦＣバルブ７４は、所定ガスのフローを制御することができる。比例ソレノイドバルブは、完全に閉又は完全に開の標準ソレノイドバルブと対照的に、比例ソレノイドバルブを通るフローを計量的に制御する。典型的な比例ソレノイドバルブの構造と動作は、米国特許第５，２３２，１９６号に詳記されており、その内容を参考のため本明細書に組み込む。
【００５５】
図１０Ａ及び１０Ｂを参照すると、比例ソレノイドバルブには、ソレノイドコイル１３８、電機子アセンブリ１２４、ヨーク１４０、ポール１３４及び薄板バネ１３２が含まれている。ソレノイドコイル１３８が活性化されると、磁気作用力には、ヨーク１４０とポール１３４とを通り、磁束ワーキング・ギャップ１３５を横断して、電気子アセンブリ１２４を通り、磁束集束器１４８を経由してヨーク１４０に戻る磁束が含まれるようになる。この磁束は、電機子アセンブリ１２４とポール片１３４との間に引き合い力を発生させ、電機子１２４をポール片１３４の方向に動かす。電機子１２４がポール片１３４の方に移動し、バルブ・ボディ１１２の開口部１２２から離れるに伴い、薄板バネ１３２がソレノイドの力に対抗して、電機子アセンブリ１２４の正味偏りの大きさを制御する。コイル電流を増加すると電機子アセンブリ１２４とポール片１３４との間の引合い力は増大し、結果として、電機子アセンブリ１２４がポール片１３４の方向への移動する量が増加する。薄板バネ１３２はソレノイドコイル１３８が誘発した力に対する抵抗を提供する。薄板バネ１３２はは３ローブ形であり、外径上で６自由度の一つを制約されている。図１０Ｂは、薄板バネ１３２の外径がどのようにＯリング１３０と電機子アセンブリ１７８の棚部の間に保持されているかを示す。コイルへ流れる電流が増加するにつれ、それに比例してバルブのフロー出力は増加する。電流が減少すると、それに比例してフローも減少する。図１０Ａ及び１０Ｂに、参照記載されているＰＦＣバルブは例示のためだけのものである。これと違った原理で作動する、又は他の構造を組み込んだ比例ソレノイドバルブも、本発明に従って使用することができる。
【００５６】
ソレノイドバルブ７５は、ＣＮＣ１２からのコマンド信号に従って開閉する。ソレノイドバルブ７５は、比例ソレノイドバルブ７２、７３，７４よりも単純なバルブである。ソレノイドバルブ７５は、比例ソレノイドバルブ７２、７３，７４について記載した、比例フロー制御を可能にする薄板バネを持たない。これに換えて、ソレノイドバルブ７５は、２つの状態を取る、開状態及び閉状態である。例えば、コマンド信号がゼロ状態のときは、ソレノイドバルブ７５は閉じている。コマンド信号が１状態のときは、ソレノイドバルブ７５は開いている。
【００５７】
ＰＦＣバルブ７２、７３，７４及びソレノイドバルブ７５を通過するガス出力は、圧力トランスジューサ７６、７７によりモニターされ、その情報はＣＮＣ１２に伝えられる。ＣＮＣ１２は、必要に応じコマンド信号を調整して、ＰＦＣバルブ７２、７３，７４及びソレノイドバルブ７５に送信し、これにより、ＣＮＣ１２と自動プロセス・コントローラ１６との間に、閉ループの動的関係を形成する。この動的関係により、プラズマ・アーク・トーチ２４に流入するプラズマ・ガスと遮蔽ガスをより正確に制御することによって、プラズマ切削プロセスが改善される。
【００５８】
また、圧力トランスジューサ７６、７７によって収集された圧力情報を他のプロセス・パラメータの調整に使うことができる。一つの実施形態において、自動プロセス・コントローラ１６及びトーチ高度コントローラ１８に対するプロセス・パラメータを調整するために、切削プログラム６００（図１６）の中の運動速度及びプロフィールが使われる。例えば、コーナー切削作業において、トーチ２４がコーナー部に進入、退出する際には、トーチ２４の速度をそれぞれ、低減、増加しなければならない。このコーナー切削作業の間、低減速度ゾーンでは、アークによりワークから材料が過剰に除去されて、広すぎる切削カーフ幅、不正確な仕上がり部品寸法、及び消耗部品寿命の短縮の原因となる。このような際、ＣＮＣ１２は、切削プログラム６００内に収納された切削パス及び速度に関する知識を用い、自動プロセス・コントローラ１６を使ってガス・フローを調整することができる。ガス・フローの調整に従って、出力装置１４からのアーク電流レベルの変更、及びトーチ高度コントローラ１８が適用するトーチ高度の変更が決まる。さらに、これらの調整によって、切削プログラム６００の切削パスが変更され、切削カーフ幅の変化が補償される。この結果が、統合された切削プロセスとなる。
【００５９】
一つの実施形態において、自動プロセス・コントローラ１２は安全フィードバック機能を含む。一つの実施形態において、安全フィードバック機能は、遮蔽ガスを、第二マニホールド７１を通過させ、開口部８３を通ってライン８０に送ることによって、シールドキャップにおいてエア圧力モニターする。開口部８３は、遮蔽ガスのフローを制限する。キャップが除去されると、圧力安全スイッチ７８が圧力低下をモニターする。圧力安全スイッチ７８は、キャップにおける圧力を感知して、シールド・キャップが外されたことを知らせる。シールド・キャップにおいて適切な圧力が維持されていない場合、出力装置１４は機能停止され、ＣＮＣディスプレイ１３にエラーメッセージが表示される。この安全フィードバック機能は、出力装置１４の開始に先立って、又は出力装置１４の使用中に、シールドキャップが所定位置に設置されていることを確実にする。また、第一圧力トランスジューサ７６及び第二圧力トランスジューサ７７も、安全モニターとして機能し、適切なガス・フローを確実にする。適切なガス・フローが維持されていない場合、ＣＮＣ１２は、プロセスを停止することができる。
【００６０】
一つの実施形態において、自動プロセス・コントローラ１６は、図１１Ａ及び１１Ｂに示す遮蔽ガス・ダイバータ・マニホールド８４をも含む。遮蔽ガス・ダイバータ・マニホールド８４の目的は、図６に示す出力装置１４から延びているライン６２に結合されたパイロット・アーク線から、遮蔽ガスを分離することである。遮蔽ガス・ダイバータ・マニホールド８４は、ブラケット７９に取り付けられている。また、ブラケット７９は、自動プロセス・コントローラ１６の遮蔽ガス・マニホールド７１及び切削ガス・マニホールド７０にも取り付けられている。遮蔽ガス・ダイバータ・マニホールド８４は、パイロット・アーク線を自動プロセス・コントローラ１６から隔離している。遮蔽ガスは、遮蔽ガス・ダイバータ・マニホールド８４からライン８５を通って自動プロセス・コントローラ１６に移動する。次に、遮蔽ガスのフローは、遮蔽ガス・マニホールド７１の中で調整され、調整された遮蔽ガスは、自動プロセス・コントローラ１６の遮蔽ガス・マニホールド７１から、ライン８６を経由して遮蔽ガス・ダイバータ・マニホールド８４に戻される。そこで、調整されたガスは、パイロット・アーク・リードも包含しているトーチ・リード８７の一端の中に供給される。トーチ・リード８７の他の端は、調整された遮蔽ガスをトーチ２４に供給するため、また、パイロット・アーク・リードをトーチ・ノズルと電気的に接触させるため、トーチ２４に接続されている。図１２Ａ及び１２Ｂは、切削ガスマニホールド７０にガスを供給する窒素ライン６４及び酸素ライン６６を示す。切削ガスは、切削ガス・マニホールド７０からライン９０を通してトーチ２４に供給される。
【００６１】
本明細書に記載の自動プロセス・コントローラ１６はいくつかの利点を提供する。第一に、切削品質を向上する。ガス・フローのモニター、及び継続的なフィードバックによるガス・フローの制御に基づき、閉ループ切削プロセスを実行することにより切削品質が向上する。また、ガス・フロー・バルブの自動制御は、手動制御に対比して、精度を向上させる。さらに、マニホールド７０、７１からプラズマ・アーク・トーチ２４への短縮されたリードによって瞬時に近い反応が得られ、さらに切削品質を向上する。第二に、操作者の関与が最小化され、マニホールド７０、７１とプラズマ・アーク・トーチ２４との間の距離短縮されガス・パージの時間が短くなることにより、プラズマ・アーク・システムのサイクルタイムが短縮される。例えば、一般的なプラズマ・アーク・システムでは、パージ時間として数秒の時間が必要である。一方、本発明では、約２００ミリ秒より短い時間で安定したガス状態を設定することができる。より短い時間で安定したガス状態を設定することにより、自動プロセス・コントローラは、不安定なガスの状態を最小化して消耗部品の寿命を改善する。第三に、本自動プロセス・コントローラは安全機能を含む。例えば、本発明は、ガス・フローが不十分な場合、プラズマ・アークの点火を停止し、ＣＮＣディスプレイ上にエラーメッセージを生成してユーザに警告する。また、本発明は、許容差外れのフロー状態が生じないようにし、ＣＮＣが、プラズマ・トーチの消耗部品を損傷することなく、安全にシステムを停止することを可能にする。
【００６２】
トーチ高度制御
トーチ高度コントローラ１８の目的は、所望の金属切削プロセスのため最適の電圧を供給することである。切削電圧とスタンドオフとの間には直接的な関係がある。スタンドオフとは、金属ワークの表面とトーチ電極との間のギャップ距離をいう。
【００６３】
図１３及び１４を参照すると、トーチ高度コントローラ（ＴＨＣ）１８はモータ９１に駆動される機械的スライダーすなわちリフター９０を含む。モータ９１は、ＣＮＣ１２と電気的につながっている。プラズマ・アーク・トーチ２４はスライダー９０に取り付けられている。モータ９１中に具備されたエンコーダはＣＮＣ１２と電気的につながっている。エンコーダは、スライダー９０からの位置情報をＣＮＣ１２にバック提供する。トーチ２４は出力装置１４の内部に設置された電圧フィードバック・カード５２、及びＣＮＣ１２と電気的につながっており、電圧情報をＣＮＣ１２に提供する。ＣＮＣ１２は、ＣＮＣ１２の中にプログラムされた所望のワークの切削パスと併せて、エンコーダから提供された位置情報、及び電圧フィードバック・カード５２から提供された電圧情報を用い、モータ９１に入力信号を送信してスタンドオフを変更する。
【００６４】
切削プロセスを開始する際、ＣＮＣ１２は、ワーク９２と接触するまでトーチ２４を下降させる。トーチ２４がワーク９２に接触すると、電圧フィードバック・カード５２からＣＮＣ１２にワーク９２の位置を知らせる信号が送信される。
【００６５】
トーチ２４がワーク９２に接触した後、トーチ２４は、ＣＮＣ１２が定めた穿通高さまで引き上げられる。トーチ２４中のパイロット・アークが切削アークに移行した後、信号９４が電圧フィードバック・カード５２からＣＮＣ１２に送信され、ＣＮＣ１２がトーチ高度コントローラ１８の運動を制御することを可能にする。
【００６６】
電圧フィードバック・カード５２は、トーチ２４の読み取り電圧を、例えば、４０：１の比率で低下させ、ＣＮＣ１２へその低電圧信号９４を送信する。そこで、ＣＮＣ１２は、電圧フィードバック・カード５２が用いた電圧低下率の逆数を低下された電圧に乗じ、正確な切削アーク電圧を判定する。切削アーク電圧が、所定の部品切削プログラムに基づいてＣＮＣ１２が定めた設定電圧でない場合には、ＣＮＣ１２は、信号９５をモータ９１に送信し、トーチ高度コントローラ１８を上下に調整して電圧を調整する。ＴＨＣ１８がＣＮＣ１２からのコマンド９５に対応できない場合、又は、切削電圧がＣＮＣ１２中にプログラムされた設定電圧許容差から外れている場合、ＣＮＣ１２は、現在の作業を中止し、ＣＮＣディスプレイ画面１３上にユーザに対する誤りメッセージを掲示することができる。
【００６７】
トーチ２４をワークと次のワークの間で上昇するようにプログラムすることができ、トーチ２４は、切削セグメントの終端に来ると、次のワークに対する初回の切削サイクルを開始する前に傷害物を越えて移動するため、引上げられることになる。次の部品への移動距離が短い場合、ユーザの決定により、全面的な引上げと初期プレート検知とをバイパスして、穿通高度及び電圧のまま、ＴＨＣ１８の迅速な位置決めをし、次の切削サイクルを開始することができる。この特色は、プレート上の個別のワーク９２を切削する全体的加工時間を大きく改善する。
【００６８】
作業中、トーチ２４が、プレート上の金属のない部分、例えばワーク９２の縁の外、を越えて通過する場合、ＣＮＣ１２は、大きな電圧スパイクを検知することになる。この電圧スパイクに応じて、ＣＮＣ１２は、ＴＨＣ１８の動きを制約して、ＴＨＣ１８が、トーチ２４をワーク９２に突き込むのを防止する。
【００６９】
トーチ２４が、ワーク９２に対する運動プロフィールが非常に複雑な部分、例えば鋭い角又はカーブを通過する場合は、トーチの運動は低速化することになる。このトーチ運動の低速化は、切削パスに沿ってより多くの材料が除去され、より広い幅の切削パスと電圧の増大をもたらす原因となる。ＣＮＣ１２は、複雑な運動プロフィールを持つ部分におけるＴＨＣ１８の運動を制約して、ＴＨＣ１８が、トーチ２４をワーク９２に突き込むのを防止する。
【００７０】
切削アークが失われた場合、ＣＮＣ１２は、電圧フィードバック・カード５２が送信してくる信号から、そのロスを検知して、ＣＮＣ１２は切削プロセスを中止し、ＣＮＣ１２のディスプレイ画面１３に、操作者に対するエラーメッセージを送信する。
【００７１】
ＣＮＣプログラム
ＣＮＣ１２は、プラズマ・アーク・システムを開始するためのユーザ入力を接取し、プラズマ・アーク・システムの作動を開始するため必要なすべてのパラメータを生成すると、図１５に示すように、駆動システム２０、トーチ高度コントローラ１８、出力装置１４及び自動プロセス・コントローラ１６の各々にコマンド信号を送信し、これらからフィードバック信号を受信する。ＣＮＣは、図１６−２０に図示されたルーチンを実行する。例えば、ＣＮＣは、システムが作動している間ずっと、これらのルーチンを１ミリ秒の間隔で実施する。
【００７２】
ＣＮＣは部品プログラムを実行して、密結合されたプラズマ・アーク・システム１０に対し、ワーク中に所望の形状を切削するための情報を提供する。図１６に示されたフローチャートを参照すると、開始コマンドを受信すると（ステップ６０５）、ＣＮＣ１２は切削プログラムを確認して、その切削プログラムが完遂されたかどうかを判定する（ステップ６１０）。すべての作業が完了している場合には、プログラムは終了する（ステップ６１５）。切削プログラムが完了していない場合には、ＣＮＣ１２は、切削プログラムの運動セグメント確認して、ガントリー及びトーチを動かす必要があるかどうかを判断する。ガントリー及びトーチを動かす必要がある場合、ＣＮＣ１２は、コマンドを出してガントリー及びトーチを動かし（ステップ６２０）、そこでＣＮＣ１２はプログラム確認（ステップ６１０）に戻り、切削プログラムが完了したかどうかを判定する。ガントリー及びトーチを動かす必要がない場合、ＣＮＣ１２はプラズマ・アークを遮断しなければならないかどうかを判断する。プラズマ・アークを遮断する必要がある場合は、ＣＮＣ１２はプラズマ・アークを停止するコマンドを出し（ステップ６２５）、そこでＣＮＣ１２はプログラムの確認（ステップ６１０）に戻り、切削プログラムが完了したかどうかを判定する。プラズマ・アークを遮断しなくてもよい場合には、プログラムは、プラズマ・アークを開始する必要があるかどうかを点検確認する。プラズマ・アークを開始しなくてもよい場合、ＣＮＣ１２はプログラムの確認（ステップ６１０）に戻り、切削プログラムが完了したかどうかを判定する。プラズマ・アークを開始する必要がある場合、ＣＮＣ１２はプラズマ・アークを開始するコマンドを出し（ステップ６３０）、パイロット・アークからワーク６３３へのアーク移行を点検する。アークがワークに移行していれば、ＣＮＣ１２はプログラム確認（ステップ６１０）に戻り、切削プログラムが完了したかどうかを判定する。パイロット・アークが移行しない場合、ＣＮＣ１２は、再試行の回数を確認する（ステップ６３５）。再試行の回数が超過している場合、エラーメッセージがＣＮＣディスプレイ上に表示される（ステップ６４０）。再試行の回数が超過していない場合には、再試行の回数は増分され（ステップ６４５）、プラズマ・アーク開始（ステップ６３５）が再試行される。
【００７３】
ＣＮＣ１２は、図１７に示すルーチンを実行して駆動システムを作動する。図１７に示されたフローチャートを参照すると、開始コマンドを受信した（ステップ７００）ＣＮＣ１２は、ガントリー及びレールの各端に設置された過移動スイッチを確認する（ステップ７０１）。過移動スイッチが作動している場合、フィードバック信号がＣＮＣ１２に送信され、システム１０は作動停止されて（ステップ７０２）、ＣＮＣのディスプレイ１３上にエラーメッセージが作成される（ステップ７０４）。過移動スイッチが作動していない場合、ＣＮＣは、モータとサーボ・ループしているエンコーダを用いて、トーチ２４及びガントリー２６の位置を確認する（ステップ７０６）。位置が適正な場合、駆動システム２０に対するルーチン１回分の実行が完了する。位置が正しくない場合、ＣＮＣ１２は、駆動システム２０にコマンド信号を送信し、ガントリー２６及び／又はトーチ２４を移動させる（ステップ７０８）。ＣＮＣ１２は、トーチ・システムの速度を確認する（ステップ７１０）。速度が、プラズマ上下限を超え、ユーザが定めた速度、例えば設計速度の９０％、を超えている場合（ステップ７１２）、トーチ高度コントローラ１８は作動状態にされ（ステップ７１４）、ルーチンが完了する。速度がユーザ指定速度より低い場合、トーチ高度コントローラ１８は非作動状態にされ（ステップ７１６）、ルーチンが完了する。ＣＮＣ１２は、プラズマ・システムが動作している間、駆動システム２０に対するこのルーチンをずっと繰り返す。
【００７４】
ＣＮＣ１２は、トーチ高度コントローラ１８を作動するため、図１８に示すルーチンを実行する。開始信号を受信すると、ＣＮＣ１２は、動作モードを確認する（ステップ８００）。動作モードが自動モードの場合、ＣＮＣ１２は、トーチ高度コントローラ１８が非作動状態かどうかを点検確認する（ステップ８０２）。トーチ高度コントローラ１８が非作動状態の場合、ルーチンは完了する。トーチ高度コントローラ１８が非作動状態でない場合、ＣＮＣ１２は、アーク電圧を確認する（ステップ８０４）。アーク電圧が高すぎる場合、トーチ高度コントローラ１８は、プラズマ・アーク・トーチ２４を下降させ（ステップ８０６）、ルーチンは完了する。アーク電圧が高すぎない場合、ＣＮＣ１２はアーク電圧を確認して、アーク電圧が低すぎないかどうかを判断する（ステップ８０８）。アーク電圧が低すぎない場合、そこでルーチンは完了する。アーク電圧が低すぎる場合、トーチ高度コントローラ１８は、プラズマ・アーク・トーチ２４を上昇させ（ステップ８１０）、ルーチンは完了する。トーチ高度コントローラ１８が自動モードでない場合（ステップ８００）、ＣＮＣ１２は、トーチをできるだけ高くの所定位置に上昇させてトーチ高度を設定し、次に、トーチを下降させてワークに接触させる。そこで、トーチは望ましい位置に上昇され、そのトーチ高度が確認される（ステップ８１２）。トーチ高度が高すぎる場合、トーチ高度コントローラは、プラズマ・アーク・トーチ２４を下降させ（ステップ８０６）、ルーチンは完了する。トーチ高度が高すぎない場合、ＣＮＣ１２は、トーチ高度が低すぎないか点検確認する。トーチ高度が低すぎない場合、そこでルーチンは完了する。トーチ高度が低すぎる場合、トーチ２４は上昇されて（ステップ８１０）ルーチンは完了する。ＣＮＣ１２は、プラズマ・システム１０が動作している間、トーチ高度コントローラ１８に対するこのルーチンをずっと繰り返す。
【００７５】
ＣＮＣ１２は、図１９に示すルーチンを実行することによって、出力装置１４を作動する。ＣＮＣ１２は、出力装置１４の状態を確認する（ステップ９００）。出力装置１４が準備完了状態にない場合には、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを作成する（ステップ９０２）。出力装置１４が準備完了状態になっている場合、ＣＮＣ１２は、冷却液流量の不具合確認に進む（ステップ９０４）。冷却液フローが低すぎる場合、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを作成する（ステップ９０６）。冷却液のフローが十分であれば、ＣＮＣ１２は、冷却液の温度を確認する（ステップ９０８）。冷却液温度が高すぎる場合には、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを作成する（ステップ９１０）。冷却液温度に問題がなければ、ＣＮＣ１２は、冷却液のレベルを確認する（ステップ９１２）。冷却液レベルが低すぎる場合には、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを作成する（ステップ９１４）。冷却液レベルが十分であれば、ＣＮＣ１２は、電流セッティングを確認する（ステップ９１６）。電流セッティングが不適正であれば、ＣＮＣ１２は、コントローラ中に設置された、チョッパに対してアナログ信号を送信するデジタル・アナログ変換器を調整するためのコマンド信号を送信する（ステップ９１８）。電流セッティングが適正であれば、ルーチンは完了する。ＣＮＣ１２は、このルーチンを繰り返して出力源を制御する。
【００７６】
ＣＮＣ１２は、図２０に示すルーチンを実行することによって、自動プロセス・コントローラ１６の動作を制御する。ＣＮＣ１２は、遮蔽ガスに対する圧力トランスジューサの圧力を確認する（ステップ１０００）。トランスジューサが測定した遮蔽ガス圧力が不適正である場合、ＣＮＣ１２は、遮蔽ガスに対するＰＦＣバルブ７４（図８に示す）を調整するためのコマンド信号を生成し実行させる（ステップ１００２）。ＣＮＣ１２は、ＣＮＣ１２内に設けられた遮蔽ガスタイマーを確認し（ステップ１００４）、遮蔽ガス・タイマーが超過している場合、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを作成する（ステップ１００６）。遮蔽ガス・タイマーが超過していない場合、不具合状態がなかったので、遮蔽ガスタイマーを増分し（ステップ１００８）、ＣＮＣ１２は、切削ガス圧力の確認へと進む（ステップ１０１０）。遮蔽ガス圧力が適正である場合、ＣＮＣ１２は遮蔽ガスタイマーをリセットする（ステップ１０１２）。遮蔽ガスタイマーをリセットした後、ＣＮＣ１２は、切削ガス圧力を確認して（ステップ１０１０）、切削ガス圧力が適正であるかどうかを判定する。切削ガス圧力が適正であれば、ＣＮＣ１２は、切削ガス・タイマーをリセットし（ステップ１０１４）、ルーチンは完了する。切削ガス圧力が不適正な場合、ＣＮＣ１２は、切削ガス・マニホールド７０内のＰＦＣバルブ７２、７３を調整する（ステップ１０１６）。切削ガス・マニホールド７０内のＰＦＣバルブ７２、７３を調整した後、ＣＮＣ１２は、切削ガス・タイマーを確認する（ステップ１０１８）。切削ガス・タイムが超過している場合には、ＣＮＣ１２はエラーメッセージを作成する（ステップ１０２０）。切削ガス・タイマーが超過していない場合、ＣＮＣ１２は切削ガス・タイマーを増分し（ステップ１０２２）ＡＰＣ１６を制御するルーチンは完了する。ＣＮＣ１２は、トーチの全作動時間にわたって、ＡＰＣ１６制御のためのこのルーチン実行を繰り返し、切削ガス・フロー及び遮蔽ガス・フローを制御する。
【００７７】
レーザ応用
本明細書のこの点まで、ＣＮＣ１２、出力装置１４、自動プロセス・コントローラ１６、トーチ高度コントローラ１８、及びＣＮＣプログラムを、プラズマ・アーク・システムに関連させて説明してきた。後記でさらに詳細を説明するように、これらと同じ構成要素を、ワークを加工するためレーザビームを用いる材料加工システムにも用いることができる。出力装置を、レーザビームを発生させる光源とすることができ、トーチ高度制御装置を、レーザ高度制御装置としてワークに対するレーザ高度を設定することができる。
【００７８】
光源モニター
例示目的のための図に示すように、本発明によるシステムは、産業環境において、ワークの加工をモニターする。本システムは、切削方向に影響されない、オンライン切削モニターとして機能し、ほとんどリアルタイムで作動し、切削品質の信頼できる指標を提供する。切削先端部の温度の測定は、一般に切削品質の信頼できる指標であることが判明している。さらに具体的に言うと、最適条件の下でクリーンな切削が生成されるとき、その切削面平均温度は比較的均一である。切削品質の顕著な劣化、例えば、過剰不純物の存在、不均一な切削カーフ幅、又は凹凸のある切削縁端は、一般的に切削面の温度バラツキに伴って発生するものである。本発明によるシステムは、平均温度の全体的変化、及び、変化する振幅及び周期による温度の不規則な変動を検知する能力がある。具体的には、本システムは、２つのスペクトル・バンドで光度を測定する。測定された光度は、処理され（例、スペクトル・バンド間の比率を判定する）、結果は、ルックアップ表とつないで、リアルタイムで切削品質を確認するために用いられる。さらに、レーザビームに対する温度リモート検知には、利点があることが判明している。
【００７９】
図２１は、材料加工システム１１００の実施形態の断面略図を示す。材料加工ストリーム源１４’は、材料加工ストリーム１１１０を発生させ、それを加工ヘッド・アセンブリ２４’に供給する。自動プロセス・コントローラ１６’は、アシスト・ガスのような流体を加工ヘッド・アセンブリ２４’に供給する。チャンバ１１１４が、自動プロセス・コントローラ１６’から供給される流体を受取る。また、加工ヘッド・アセンブリ２４’内にはノズル１１０８も配置されている。自動プロセス・コントローラからの材料加工ストリーム１１１０及び流体は、チャンバ１１１４とノズル１１０８とを通過し、ワーク１１１２にぶつかって、ワーク１１１２を切断、溶接、熱処理、又はその他の変形をする。
【００８０】
一つの実施形態において、材料加工ストリーム源１４’は、プラズマ源であり、材料加工ストリーム１１１０はプラズマである。別の実施形態において、材料加工ストリーム源１４’は、レーザであり、材料加工ストリーム１１１０はプラズマ・ビームである。プラズマ源の実施形態において、チャンバ１１１４をプラズマ・チャンバとすることができる。レーザ源の実施形態において、チャンバ１１１４をプレナムとすることができる。
【００８１】
図２２Ａに、加工ヘッド・アセンブリ２４’及びノズル１１０８のさらなる詳細を示す。図２２Ｂに、ノズル１１０８の部分拡大図を提示する。ノズルは、中央出口開口部１２０６を含む。いくつかの実施形態において、ノズル１１０８に対して邪魔板１２０２が配置されている。邪魔板１２０２は、材料加工ストリーム１１１０の伝搬の軸に対し垂直であって中央出口開口部１２０６にきちんと一致する開口部１２０４を含む。
【００８２】
加工ヘッド・アセンブリ２４’の「作業先端部」は、ワーク１１１２に最も近い部分である。作業先端部は、材料加工中にワーク１１２にかかる極度の条件に直接曝露されるので、一般に使用によって劣化する。これらの条件には、例えば、高温、及び高度な反応性ガスの局部雰囲気が含まれる。
【００８３】
一つの実施形態において、ノズル１１０８の軸は、加工ヘッド・アセンブリ２４’の軸に揃えられている。これにより、材料加工ストリーム１１１０は、ワーク１１１２へ向かう通過途上で、中央出口開口部１２０６中に確実に集中される。整合を維持するために、ノズル１１０８に、所定の軸範囲に輪郭取りした面１２０８を設けることができる。この輪郭取り面１２０８は、隣接する加工ヘッド・アセンブリ２４’の構造と対になる。この対結合によって、ノズル１１０８と加工ヘッド・アセンブリ２４’との軸整合が得られ、結果として加工精度及び切削品質が向上し、また、アセンブリ１１０４の作業先端部の稼動寿命が延びる。
【００８４】
図２３を参照すると、本発明の別の実施形態において、材料加工システム１１００は、図２のＣＮＣ１２のようなＣＮＣ１２’を含む。ＣＮＣ１２’は、後記するように、ケーブル１３３６を介して光源モニター１３３２と交信しており、切削品質についての情報を取得している。別の実施形態において、ＣＮＣは、光源モニターとして機能することができる。光学検知器１３２０を使って、ワーク１１１２から放出された信号１３２４が測定される。信号１３２４は、ワーク１１１２にぶつかる材料加工ストリーム１１１０に反応して、ワークから放出される。一つの実施形態において、信号１３２４を「光放射」とすることができる。光学検知器１３２０は、光学検知器１３２０が測定した信号１３２４に基づいて、出力１３２８をを発生させる。一つの実施形態において、光学検知器１３２０は、カリフォルニア、ホーソンのＵＤＰセンサーズ社（ＵＤＰ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｉｎｃ．）の販売するシリコン光ダイオード２色検知器、型式番号ＰＩＮ−４４ＤＰである。出力１３２８は、光源モニター１３３２に送信される。一つの実施形態において、２つの光学検知器１３２０を使い、各検知器は、信号１３２４の異なる周波数範囲に対して感受性を持つ。第一波長範囲１３２８ａと、第二波長範囲１３２８ｂとに対応する２つの光学検知器の出力は、電気信号であり、配線を介して光源モニター１３３２に送信される。別の実施形態において、２つの光学検知器１３２０を、波長の２つの範囲を検知する一つのサンドイッチ検知器で置き換えることができる。一つの実施形態において、このサンドイッチ検知器を、カリフォルニア、ホーソンのＵＤＰセンサーズ社（ＵＤＰ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｉｎｃ．）の販売する型式番号ＰＩＮ−ＤＳＳのサンドイッチ検知器とすることができる。
【００８５】
光源モニター１３３２は、出力１３２８ａ及び１３２８ｂに基づき、ワーク１１１２に施している加工の品質を判定する。さらに、光源モニター１３３２は、ケーブル１３３６を経由してＣＮＣ１２’に信号を送信することができ、その信号を、ケーブル１３３８を経由して、材料加工ストリーム源１４’の出力を制御するために使用することができる。さらに、ＣＮＣ１２’はケーブル１３３９経由で自動プロセス・コントローラ１６’に信号を送信して、加工ヘッド・アセンブリ２４’に供給される流体の量を調整することもできる。一つの実施形態において、光源モニター１３３２を独立したマイクロプロセッサとすることができる。別の実施形態において、光源モニターを、ニューハンプシャー、ウエストレバノン所在のハイパーサーム・オートメーション（Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）が販売するコンピュータ制御コントローラとすることができる。
【００８６】
ワーク１１１２に施されている加工の品質を判定するために、検知装置は、２色高温測定法を用い、材料加工ストリーム１１１０に反応してワーク１１１２から放出される信号１３２４を評価する。２色（すなわち２つの光波長）高温測定法は、離散狭帯域スペクトル・バンドでの放射光度の計算を必要とする。本システムは放射光度を測定し、ヘッド・アセンブリにより形成されている切削カーフ（例、切削ゾーン）の相対温度を算定する。
【００８７】
数学的に、波長λを中心とする波長狭帯域ｄλ上の黒体の放射光度は次式で与えられる：
【００８８】
【数１】
0004678876.tif 000002
ここで、ｃは光速度、ｈはプランク定数、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは黒体の温度である。２つの異なる波長、λ１及びλ２において検知された光度の間の比率は：
【００８９】
【数２】
0004678876.tif 000003
２つの波長の帯域幅が等しいとし（すなわち、等しい帯域幅ｄλ＝ｄλ１＝ｄλ２を持つ２つのバンドパス・フィルタで光をろ波する）、２つの波長が固定されているとすれば、「光度比率」は次式のようになる：
【００９０】
【数３】
0004678876.tif 000004
ここで、Ｃ１及びＣ２は定数である。λ２＞λ１において、Ｃ２は正の定数であり、「光度比率」は、単調に減少する温度の関数であること、すなわち、より低い「光度比率」は、より高い相対温度を表す。このように、「光度比率」は放射体の温度の関数であり、この場合は、切削ゾーンの温度である。
【００９１】
材料加工中に、過燃焼又は無穿通の切削状態が生じる環境を考慮すれば、この加工技法の利点は明らかになる。これら両方のケースにおいて、放射光度信号（Ｓλ１及びＳλ２）は、クリーン切削時に対して計算された値を超える光度に上昇する、但し、これらの比率は過燃焼切削状態において増大し、無穿通切削状態においては比率は減少する。無穿通切削状態において、ワークが放出する放射光度は、ワークの温度が上昇するにつれ増大し、これにより、放射光度信号（Ｓλ１及びＳλ２）の増大と、関数式（３）に従った「光度比率」の低下とがもたらされる。過燃焼切削状態においては、ワークの温度は低下し、「光度比率」は上昇する。さらに、過燃焼切削状態は幅の広すぎる切削カーフをもたらす。広すぎる幅の切削カーフは、受信器に対し「可視的」なので、検知器に入射する光レベルは大きくなり、両方の放射光度信号（Ｓλ１及びＳλ２）が増大する原因となる。単一の波長検出の仕組みが用いられた場合、光源モニターは過燃焼切削状態と無穿通切削状態との区別ができないことになろう。さらに、切削品質を判定するため２つの波長（Ｓλ１及びＳλ２）処理技法を採用し、特定の材料組成及び寸法（例、１２．７ｍｍ鋼鉄）を設定することによって、「光度比率」の最適範囲は、一般に、レーザの平均出力及びノズル出口直径に左右されなくなる。このことには、操作者が、カスタムな動作パラメータを決定する必要なしに、光源モニター１３３２を、いろいろな材料加工システム設備に使用できるという利点がある。
【００９２】
但し、「光度比率」だけを使って切削速度を制御すると、紛らわしい結果が生じることがある。図２６に、試験切削における、放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）及び光度比率と、切削速度との対比をプロットしており、この中では切削速度を０から２メーター／分まで変化させている。図６は、試験切削速度が０から２メーター／分まで変化する中で生じる「４つの切削状態」を示している。最初の領域「Ａ」は開始領域であり、０から０．３３メーター／分までの範囲にある。開始領域においては、切削カーフの加工先端面はほとんど垂直であり、放射は少ない。第二領域「Ｂ」は、切削速度が最適速度よりも低い領域である。この実施形態において、領域Ｂは、約０．３３から０．９メーター／分までの範囲にわたる。領域Ｂは、（Ｓλ１又はＳλ２）双方が増加する一方、Ｓλ２がＳλ１より速く増大するので光度比率が減少する領域として類別される。第三領域「Ｃ」は、切削速度がおおむね最適なので好適な切削ゾーン領域として類別される。この実施形態において、Ｃ領域は、約０．９から１．１メーター／分までの範囲にわたる。第四領域「Ｄ」は、切削速度が最適レベルよりも速く、無穿通切削を引き起こす。この実施形態において、領域Ｄは、約１．１メーター／分を超える一切の切削速度である。領域Ｄは、光度比率が、おおむね最適切削ゾーンＣのレベルから減少し、Ｓλ１及びＳλ２の絶対値が増大して行く領域として類別される。「光度比率」は、Ｃ領域の両側の２つの大きく異なる切削速度において、例えば一つのピークは低速度に、もう一方はより高い速度で、同一の値をとることがある。品質が「光度比率」だけに基づいている材料加工システムにおいては、この２つの異なる条件を区分することはできないことになろう。
【００９３】
本光源モニター１３３２は、「光度比率」とともに、少なくとも一つの放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）の強度を用いて、切削品質を判定することにより、この問題を処理する。過燃焼切削状態においては、放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）の双方の強度が増大する。そこで、どちらかの波長（Ｓλ１又はＳλ２）信号に対して閾値を規定することによって、過燃焼切削状態を検知することができる。過燃焼切削が関わる状態は、「光度比率」があらかじめ定めた上限より大きく、同時に波長信号（Ｓλ１又はＳλ２）の一つが第二の所定限度を超える状態としてこれを検知できる。一つの実施形態において、この対象強度を最大測定値とすることができる。別の実施形態において、この強度を最小値とすることができる。別の実施形態において、この強度を最大値と最少値との間の値とすることができる。
【００９４】
無穿通切削状態においては、放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）双方の強度が増大する。そこで、より長い波長（Ｓλ２）信号に対する閾値を規定することによって、無穿通切削状態を検知できる。無穿通切削状態が関わる状態は、「光度比率」があらかじめ定めた下限より小さく、同時にどちらかの波長信号（Ｓλ２）が第二の所定限度を超えて増大する状態としてこれを検知できる。一つの実施形態において、対象強度を最大測定値とすることができる。別の実施形態において、この強度を最小値とすることができる。別の実施形態において、この強度を最大値と最少値との間の値とすることができる。
【００９５】
同様に、非常に低い、及び非常に高い切削速度に対して、これらの状態について計算した「光度比率」が似た値になり、切削品質の特性（例、切削が穿通しているか、無穿通か）が隠れてしまうことがある。低い切削速度においては、両方の放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）とも値は小さい。高速（例、最適切削速度範囲を超える）においては、レーザはワークを穿通できず、代わりにワークを加熱するので、両方の放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）とも値が増大する。
【００９６】
図２６に示したような、光度比率対切削速度のチャートは、各種のワークの材料及び厚さに対し、また、各種のレーザ・システムに対して作成すべきものであることを銘記されたい。これによって、ユーザは所定の材料の所定の厚さ、所定のレーザ・システムに対する、おおむね最適な切削速度範囲を判断することができる。
【００９７】
図２４Ａに示す別の実施形態において、加工されるワークの切削ゾーンから放出される少なくとも一つの光信号をモニターするための、環状形受光器１４００が提供される。この一つの実施形態において、受光器１４００は、受光器１４００のリング１４２０の円周部に等間隔に配置された８つのポート１４１０を含む。各ポート１４１０を通過した光信号は、続いて個別の光ファイバー（図示せず）を経由して３つの光ファイバー・ケーブル１４３０ａ、１４３０ｂ、及び１４３０ｃ（総称１４３０）の各々へ送られる。各ポート１４１０を通過した光信号部分は等しく各ケーブル１４３０の間に分配される。
【００９８】
この実施形態において、受光器１４００は、図２４Ｂ及び２４Ｃに示すように、レーザ切削ヘッド２４’の中に設置されている。ケーブル１４３０（明瞭にするためケーブル１４３０の１本だけを示している）は、各々が個別の光学検知器１３２０に接続されている。光信号１３２４は、それぞれのケーブル１４３０によって各光学検知器１３２０に導かれる。検知器１３２０は、材料加工ストリーム１１１０に反応してワーク１１１２から放出される光信号１３２４の放射光度を測定する。各検知器１３２０の出力（すなわち離散、狭帯域スペクトル・バンドによる放射光度）は、次に、図２３の光源モニター１３３２のような光源モニターに送られる。一つの実施形態において、光源モニターは、操作者に、材料加工装置が生成した切削品質の指標を提供する。別の実施形態において、光源モニターを、２００３年３月３１日出願の同時係属出願、名称「諸材料のレーザ及びプラズマ材料加工のためのプロセス・モニター（Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｍｏｎｉｔｏｒ  Ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」（出願番号未定）に記載されたシステムのような、材料加工システムの加工品質をモニターするための独立したシステムとすることができ、前記出願は参考のため全体として本明細書に組み込まれる。
【００９９】
他の実施形態において、異なる間隔及び数のポート１４１０、及びその各々の光ファイバーを使用することができる。但し、一般的に、十分な数の（例、３つより多い）ポート１４１０を使用し、受光器１４００による、材料加工中のワークから放出される平均光度の測定を確実にすることが望ましい。十分な数の（例、３つより多い）ポートが使用された場合、切削品質判定への切削方向の影響が無くなるか、影響が低減する。
【０１００】
図２５に示す別の実施形態において、ケーブル１４３０ａ、１４３０ｂ、及び１４３０ｃは、光信号を検知システム１５００へ伝送する。ケーブル１４３０ａ及び１４３０ｃを通過する光信号は、続いて、それぞれに、２つの信号フィルタ１５３０ａ及び１５３０ｃを通される。フィルタ１５３０ａ及び１５３０ｃは、本明細書中で前記したように、フィルタを通過する光信号の各々が放射光度の狭帯域スペクトル・バンドを表すように調整する。一つの例として、フィルタ１５３０ａ及び１５３０ｃは、コネチカット、パトナムに所在のＣＶＣレーザ社（ＣＶＣ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｏｒｐ．）が販売する型式番号Ｆ１０−１０５０−４−０．５及びＦ１０−５６０．０−４−０．５である。フィルタ１５３０ａを通過した放射光度信号（Ｓλ１）は約５６０ｎｍを中心とした光波長における狭バンドの光を表すが、一般に約４５０ｎｍから約６５０ｎｍの間にある。フィルタ１５３０ｃを通過した放射光度信号（Ｓλ２）は約１，０５０ｎｍを中心とした光波長における狭バンドの光を表すが、一般に約９５０ｎｍから約１，１５０ｎｍの間にある。
【０１０１】
フィルタ１５３０ａ及び１５３０ｃからの放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）出力は、それぞれ、検知器１３２０ａ及び１３２０ｃに送られる。検知器１３２０ａ及び１３２０ｃは、放射光度信号（Ｓλ１又はＳλ２）を、それぞれ、電気信号の出力１５２２ａ及び１５２２ｃに変換する。出力１５２２ａ及び１５２２ｃは、続いて信号調整モジュール１５１０に送信される。信号調整モジュール１５１０、出力１５２２ａ及び１５２２ｃを、例えば増幅し、増幅した信号を光源モニター１３３２に送る。光源モニター１３３２は、出力１５２２ａ及び１５２２ｃに基づいて、ワークの加工品質を判定する。光源モニター１３２２は、出力１５２２ｃに対する出力１５２２ａの比率（すなわち、関数式（３）の光度比率）計算する。一般的に、この比率は、リアルタイム、又は不連続のあらかじめ定められた時点で計算され、時間の関数として加工品質の指標が生成される。また、光源モニター１３３２は、比率計算と同じ所定時点で、光度、例えば、出力１５２２ａ及び１５２２ｃの光度を抽出する。一つの実施形態において、この対象強度を最大測定値とすることができる。別の実施形態において、この強度を最小値とすることができる。別の実施形態において、この強度を最大値と最少値との間の値とすることができる。
【０１０２】
次に、光源モニター１３３２は、比率及び強度を、光源モニター１３３２の中に格納されたルックアップ表と対比し、所定の時点において実施されている材料加工の品質を判定する。一つの実施形態において、ルックアップ表は、システムの出荷元又はシステムの操作者があらかじめ定めた実験データの集合である。この表には、各種のワーク材料（例、鋼鉄、アルミニウム、及びチタン）、いろいろな材料厚さ、いろいろな切削速度、いろいろな切削加速、及び各種切削プロフィール（例、曲線又は直線）に対するデータが含まれている。ルックアップ表に含めることができるような、軟鋼の直線切削のためのデータ例を、以下に示す：
【０１０３】
【表１】
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一つの例として、特定の時点で実施されている材料加工の品質測定値を、例えば、ワークの過燃焼切削状態、クリーン（正常）切削状態、又は不十分燃焼切削状態で、材料加工システムが作動されているかどうかを示す値とすることができる。
【０１０４】
図２６に、レーザ・システムを使って１２．７ｍｍ厚さの鋼鉄ワークを切削するために用いられる材料加工装置の実施形態によって取得されたデータ例を示す。このグラフは、Ｓλ２及びＳλ１として、２つのろ波された信号１５３０ａ及び１５３０ｃを図示している。また、図２６は、Ｓλ１信号とＳλ２信号との比率も示している。Ｓλ２データは、検出器が測定した、元の光の波長と等しい中心波長を持つ狭帯域スペクトル・バンドにろ波された放射光度を表しており、一つの実施形態において、この中心波長を約６７５ｎｍとすることができる。Ｓλ１データは、検出器が測定した、元の光の波長と等しい中心波長を持つ狭帯域スペクトル・バンドにろ波された放射光度を表しており、一つの実施形態において、この中心波長を約５３０ｎｍとすることができる。他の実施形態において、光信号を約４５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間にろ波することができる。比率データは、Ｓλ２データとＳλ１データとの比率を表す（すなわち、本明細書に記載の「光度比率」値）。
【０１０５】
加工対象材料、材料の厚さ、及び使用設備に基づいて、任意のスペクトル・バンドの対を用いることがことを銘記されたい。一般に、このスペクトル・バンドを、約３００−２，０００ｎｍの間の任意の範囲とすることができる。
【０１０６】
このグラフのＸ軸は切削プロセスの速度を表しており、切削速度は毎分０から２メータまで増加している。また、グラフには、好適（例、微量の不純物、又は望ましい切削カーフ・サイズ）切削ゾーンである領域Ｃが表示されている。グラフには、切削速度約０．３３から０．９メータ／秒範囲の、最適よりも遅い条件領域Ｂも示されている。領域Ｄは、最適よりも速い切削条件であり、切削速度は約１．１メータ／秒より大きい。最後に、グラフには、開始領域である領域Ａも示されており、その範囲は約０から約０．３３メータ／秒である。
【０１０７】
切削の速度を変えることによって、好適切削領域、過燃焼領域、及び無穿通領域の実験的判断ができる。あらかじめ定めたルックアップ表に加えて、図６に記載するような試験切削によって、諸条件を自動的に決定することができ、アルゴリズムを使って切削のための最適領域を識別することができる。
【０１０８】
図２１の材料加工システム１１００に、前記の図２に示した要素をさらに含め、レーザ検索システムのための中央制御アーキテクチャを構築することができ、そのシステムの「知能」は単一のコントローラに集約される。中央制御アーキテクチャは、冗長なハードウエア及びソフトウエアを排除し、システム全体を統合し、これにより、性能を向上し、サイクルタイムを低減する。本明細書では、中央制御アーキテクチャを含むレーザ切削システムを、密結合されたレーザ切削システム、又は単に、レーザ切削システムという。
【０１０９】
図２７を参照すると、密結合されたレーザ切削システム１０’には、コンピュータ数値制御コントローラ（ＣＮＣ）１２’、ディスプレイ画面１３’、この実施形態では光源１４’である材料加工ストリーム源、自動プロセス・コントローラ１６’、レーザ高度コントローラ１８’、駆動システム２０’、切削テーブル２２’、及びレーザ加工ヘッド２４’が含まれる。
【０１１０】
一般に、ＣＮＣ１２’は、切削テーブル２２’を介してレーザ加工ヘッド２４’の運動、及びその運動と関連するプロセスとして切削プロセスのタイミングを制御する。本発明において、ＣＮＣ１２’は、レーザ加工ヘッド２４’の運動のみならず、レーザ切削システム１０’の他の構成要素の動作、及び他の切削プロセスをも制御する能力を持つ。ＣＮＣ１２’は、レーザ切削システム１０’の様々な構成要素を同時に制御することができる。
【０１１１】
ＣＮＣ１２’はユーザとやり取りする。ＣＮＣ１２’は、ユーザが特定のプロセス・パラメータを選定又は入力できるようにする。ＣＮＣ１２’は、ユーザの選定及び／又は入力に基づいて、レーザ切削システム１０’を作動するため必要な他のプロセス・パラメータを生成する。プラズマ・アーク・システムに対する前記の図１６で示した切削プログラム６００と同様に、レーザ切削システムの切削プログラムは、レーザ・ヘッドの運動及び切削レーザの動作のための部品固有の情報を提供する。ＣＮＣ１２’は、光源１４’、自動プロセス・コントローラ１６’、レーザ高度コントローラ１８’及び駆動システム２０’に作動を命令する。また、ＣＮＣ１２’は、特定のプロセス条件をモニターし、レーザ切削システム１０’が適切に動作しているかどうかを判断する。モニターした情報に基づいて、ＣＮＣ１２’は、必要に応じ、レーザ切削システムの他の構成要素の動作を調整する。ＣＮＣ１２’の詳細は、前に、図３、４、５Ａ−５Ｂ、及び１５−２０において詳記した内容と同様である。
【０１１２】
材料加工ストリーム源１４’は、レーザビームを発生させる光源である。本発明において、切削プロセスを構成するため一般に光源中に具備されているすべての知能及び調整制御機能は、ＣＮＣ１２’及び／又は自動プロセス・コントローラ１６’に移されている。ＣＮＣから適切なコマンド信号を受信すると、光源１４’は、入力信号を、レーザビームを発生させ維持するのに十分な出力信号に変換する。光源１４’が発生させる出力を含め、光源１４’のいくつかの構成要素は、フィードバック・メカニズムを通してＣＮＣ１２’に制御される。一つの実施形態において、光源１４’は、ドイツ、ハンブルグに所在するロフィンシナー・レーザ社（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ  Ｌａｓｅｒ  ＧｍｂＨ）の販売する、型式番号ＲＦ０５０のレーザ出力源である。
【０１１３】
自動プロセス・コントローラ１６’は、通常、光源及び／又はガス制御モジュールに設置されている手動ガス・フロー制御装置を代替するように設計されている。自動プロセス・コントローラ１６’は、アシスト・ガス及び遮蔽ガスの流量を制御するための比例フロー制御バルブを含む。また、自動プロセス・コントローラ１６’に、アシスト・ガス及び遮蔽ガスの圧力を測定するための圧力トランスジューサを含めることができる。この圧力情報はＣＮＣ１２’に提供され、これにより、ＣＮＣは、流量変更が必要であれば比例フロー制御バルブを調整する。また、自動プロセス・コントローラ１６’の知能もＣＮＣ１２’に置かれている。自動プロセス・コントローラ１６については、図８−１２でその詳細を説明した。
【０１１４】
レーザ高度コントローラ１８’は、レーザ加工ヘッド２４’とワークとの間のスタンドオフを制御する。但し、在来型の高度コントローラと違って、このレーザ高度コントローラ１８’の知能はＣＮＣ１２’中に移されている。レーザ高度コントローラ１８’は、在来型のプラズマ・アーク・システム中の駆動システム２０’と類似の方法で、別個のサーボ軸として、ＣＮＣ１２’から直接に制御される。ＣＮＣ１２’は、レーザ加工ヘッド２４’で測定された出力に基づき、レーザ高度コントローラ１８にコマンド信号を出して、スタンドオフを調整する。レーザ高度コントローラ１８’は、図１３及び１４で詳細を説明したトーチ高度コントローラ１８’と類似である。一つの実施形態において、レーザ高度コントローラ１８’が発生させる出力信号は、レーザ切削ヘッドとワークとの間の距離に比例するアナログ電圧信号である。これに換えて、レーザ高度コントローラが発生させる出力信号をデジタル・コマンド信号又はアナログ電流信号とすることができる。
【０１１５】
駆動システム２０’は、ＣＮＣからコマンド信号を受信して、切削テーブル２２’を介し、ｘ軸又はｙ軸方向にレーザ加工ヘッド２４’を移動する。切削テーブル２２’はワークを支える。レーザ加工ヘッド２４’は、レーザ高度コントローラ１８’に搭載され、このコントローラはガントリー２６’に搭載されている。駆動システム２０’は、テーブル２２’に対してガントリー２６’を移動させ、ガントリー２６’と一緒にレーザ加工ヘッド２４’を移動させる。レーザ加工ヘッド２４’の位置についての情報がＣＮＣ１２’に提供される。そこで、ＣＮＣ１２’は双方向性の対応を可能にし、正確な切削パスを維持する。駆動システム２０’及び切削テーブル２２’の作動は、本発明の発明的な面を構成するものでなく、当業者には周知のものであろう。
【０１１６】
図１−１９に記載したＣＮＣ１２と同様に、ＣＮＣ１２’は、電源１４’、自動プロセス・コントローラ１６’、レーザ高度コントローラ１８’、駆動システム２０’、切削テーブル２２’及びレーザ加工ヘッド２４’のような、レーザ切削システム１０’の様々な構成要素からの出力を受信することができる。ＣＮＣ１２’は、最初に出力を送信してきた構成要素（第一補助装置）又は他の任意の構成要素（第二補助装置）への入力を送信して、最初に出力を送信してきた構成要素、又はＣＮＣ１２と交信している他の任意の構成要素の出力を変更することができる。
【０１１７】
特定の好適実施形態と関連させて、本発明を具体的に示し、説明してきたが、添付の請求範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の形態及び細部について様々な変形を加えることができることを、当業者は理解すべきである。例えば、本明細書に記載した集中制御アーキテクチャを、プラズマ・アーク溶接システムのような他の金属加工システムの作動にも活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
添付の図面と併せ、後記の好適実施形態の説明を読めば、前記及びその他の本発明の目的、形態、特色及び利点、ならびに本発明自体を、さらに十分に理解できよう。
【図１】図１は、自動化プラズマ・アークシステムの略図である。
【図２】図２は、本発明の一つの実施形態による、密結合されたプラズマ・アーク・システムの略図である。
【図３】図３は、本発明の一つの実施形態による、コントローラの画面階層を図示したフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の一つの実施形態による、コントローラ・ディスプレイ画面ショットである。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一つの実施形態による、コントローラの中で使うための形状パラメータ・ライブラリの画面ショットである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の一つの実施形態による、消耗部品変更についてのコントローラ画面ショットである。
【図６】図６は、本発明の一つの実施形態による、閉ループの出力装置を示すブロック図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の一つの実施形態による、閉ループの出力装置の側面略図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の一つの実施形態による、閉ループの出力装置の別の側面の略図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の一つの実施形態による、閉ループの出力装置の平面略図である。
【図８】図８は、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス・コントローラの平面略図である。
【図９】図９は、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス・コントローラを図解したブロック図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の一つの実施形態による、比例フロー制御バルブの断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の一つの実施形態による、図１０Ａの範囲Ａの拡大図である。
【図１１】図１１Ａは、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス・コントローラの側面略図である。図１１Ｂは、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス・コントローラの別の側面の略図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス・コントローラの別の側面の略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス・コントローラのさらに別の側面の略図である。
【図１３】図１３は、本発明の一つの実施形態による、トーチ高度コントローラ、出力装置及びＣＮＣの間の相互作用を示す略図である。
【図１４】図１４は、本発明の一つの実施形態による、トーチ高度コントローラを示すブロック図である。
【図１５】図１５は、本発明の一つの実施形態による、密結合されたプラズマ・プロセスを図示したフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の一つの実施形態による、部品プログラム実行を図示したフローチャートである。
【図１７】図１７は、本発明の一つの実施形態による、駆動システムの制御を図示したフローチャートである。
【図１８】図１８は、本発明の一つの実施形態による、トーチ高度制御装置の制御を図示したフローチャートである。
【図１９】図１９は、本発明の一つの実施形態による、出力装置の制御を図示したフローチャートである。
【図２０】図２０は、本発明の一つの実施形態による、自動プロセス制御装置の制御を図示したフローチャートである。
【図２１】図２１は、本発明の実施形態による、材料加工装置のブロック図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明の実施形態による、加工ヘッド・アセンブリの断面略図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、本発明の実施形態による、加工ヘッド・アセンブリの断面拡大略図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施形態による、光源モニターを含む材料加工装置のブロック図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、本発明の実施形態による、ワークから放出された光をモニターするための、材料加工装置の受光器の斜視図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、本発明のレーザ切削ヘッド及び受光器の実施形態ので断面図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、本発明の実施形態による、ポートの断面拡大図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施形態による、材料加工装置が実施した加工の品質をモニターするための検知システムの図である。
【図２６】図２６は、本発明の材料加工装置の実施形態を表すデータのグラフである。
【図２７】図２７は、本発明の一つの実施形態による、密結合されたレーザ切削システムの略図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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