(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜可能なトーチ（２）と、
該トーチの先端に絶縁体（３）を介して取り付けられ、被切断材（４）の切断面（５）へ向けて熱源を射出するとともに、前記切断面との間の離間距離が該切断面との間の静電容量に基づいて検知される切断用ノズル（７）とを備えた切断機（６）であって、
該切断用ノズルは、前記トーチの傾斜角度を変化させたときに、前記切断面との間の静電容量が一定に保持される球体形状を有することを特徴とする切断機。
【請求項２】
請求項１記載の切断機において、
前記トーチが傾斜したときに、前記トーチの軸線方向の先端から前記切断面へ到るまでの前記熱源の射出長が保持される前記離間距離を算出するとともに、該算出された離間距離に基づいて前記切断用ノズルを移動させるオフセット機構を備えてなることを特徴とする切断機。
【請求項３】
傾斜可能なトーチ先端に絶縁体を介して取り付けられ、被切断材の切断面へ向けて熱源を射出するとともに、前記切断面との間の離間距離が該切断面との間の静電容量に基づいて検知される切断用ノズルであって、
前記トーチの傾斜角度を変化させたときに、前記切断面との間の静電容量が一定に保持される球体形状を有することを特徴とする切断用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス切断、レーザ切断、プラズマ切断等により、鋼板等の被切断材を切断する切断用ノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トーチ先端に設けられた切断用ノズルと被切断材の切断面との距離を一定に保ちながら鋼板等の切断を行う切断機がある。この種の切断機においては、切断時、切断用ノズルから射出されるガス、レーザ、プラズマ等の熱源が被切断材へ到達するまでの距離を一定に保つことが、切断最適条件を維持する上で極めて重要である。
ここで、切断用ノズルと被切断材との距離は、切断用ノズル近傍を取り囲むようにして環状の電極を設け、この電極と被切断材との間の静電容量として検知している。
【０００３】
ところが、上記の切断機では、電極およびこの電極をトーチに支持させる支持部材を別途設ける必要がある。また、急激な高さ変化や障害物を有する被切断材の切断時に、電極がこれらに衝突して破損してしまう危険性もある。
さらに、切断用ノズルと切断面との距離を電極を介して検知しているので、トーチの移動等により電極の位置がずれた場合、切断用ノズルと切断面との距離が正確に検知できないという問題もあった。
【０００４】
そのため、図３に示すように、先端が円錐台の切断用ノズル１とトーチ２との間に絶縁体３を配置して、切断用ノズル１自体を電極として用いる構成のものが提供されている。
この場合、別途、電極や支持部材を設けることもなく、また切断用ノズル１とワーク（被切断材）４の切断面５との間の静電容量を直接検知することができるので、これらの間の距離を正確に検知することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の切断用ノズルには、以下のような問題が存在する。
上記静電容量により検知される切断用ノズル１と被切断材４との距離は、これらの間の最小離間距離である。
ここで、図３（ａ）に示す垂直切断では、切断用ノズル１から射出された熱源がワーク４の切断面５に対して垂直に射出されるので、適正なトーチ高さ（いわゆるスタンドオフ）に設定された切断用ノズル１から熱源がワーク４の切断面５へ到達するまでの距離ｈと、切断用ノズル１からワーク４までの最小離間距離ｈ１とが一致している。
【０００６】
ところが、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、トーチ２を傾斜させた状態で熱源を射出する、いわゆる開先切断では、熱源がワーク４へ到達するまでの距離ｈ２と、切断用ノズル１からワーク４までの最小離間距離ｈ３とが一致しない。
そのため、適正なスタンドオフｈとして、上記最小離間距離ｈ３の静電容量が検知されてしまうと、熱源がワーク４へ到達するまでの距離ｈ２は、適正なスタンドオフｈよりも大きくなってしまい、切断最適条件を得ることができなくなる。これは、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、円錐台の先端に円弧部が設けられた切断用ノズル１ａでも同様である。
【０００７】
そこで、検知される最小離間距離ｈ３の静電容量に対して一定の補正をかけることによって、熱源の到達距離ｈ２を適正なスタンドオフｈに一致させることも考えられるが、ノズル形状は一定ではないので、トーチを傾斜させたときに検知される最小離間距離ｈ３と、熱源の到達距離ｈ２との間には安定した相関関係がなく、実現性に乏しかった。
【０００８】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、トーチを傾斜させて開先切断する場合でも、切断最適条件を安定して得ることができる切断用ノズルおよび切断機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用している。
請求項１記載の切断機は、傾斜可能なトーチと、該トーチの先端に絶縁体を介して取り付けられ、被切断材の切断面へ向けて熱源を射出するとともに、前記切断面との間の離間距離が該切断面との間の静電容量に基づいて検知される切断用ノズルとを備えた切断機であって、該切断用ノズルは、前記トーチの傾斜角度を変化させたときに、前記切断面との間の静電容量が一定に保持される球体形状を有することを特徴とするものである。
【００１０】
従って、本発明の切断機では、トーチが傾斜した際でも、切断用ノズルと切断面との間の離間距離が変化しないので、切断用ノズルと切断面との間の静電容量を一定に保持することを可能にする。
【００１１】
請求項２記載の切断機は、請求項１記載の切断機において、前記トーチが傾斜したときに、前記トーチの軸線方向の先端から前記切断面へ到るまでの前記熱源の射出長が保持される前記離間距離を算出するとともに、該算出された離間距離に基づいて前記切断用ノズルを移動させるオフセット機構を備えてなることを特徴とするものである。
【００１２】
従って、本発明の切断機では、トーチが傾斜したときでも、前記トーチの軸線方向の先端から切断面へ到るまでの熱源の射出長が保持される前記離間距離を算出し、この離間距離分、切断用ノズルをオフセット移動させることによって上記熱源の射出長を保持することを可能にする。例えば、トーチの傾斜角をθ、切断用ノズルと切断面との離間距離をｈ１’、切断面へ到達するまでの熱源の射出長をＨ２、切断用ノズルの球体半径をｒとすると、ｈ１’＝（Ｈ２＋ｒ）×ｃｏｓθ−ｒという相関関係が得られる。これにより、射出方向の離間距離Ｈ２を適正なスタンドオフｈとするためには、上記離間距離ｈ１’を（ｈ＋ｒ）×ｃｏｓθ−ｒとすればよいことになる。
【００１３】
請求項３記載の切断用ノズルは、傾斜可能なトーチ先端に絶縁体を介して取り付けられ、被切断材の切断面へ向けて熱源を射出するとともに、前記切断面との間の離間距離が該切断面との間の静電容量に基づいて検知される切断用ノズルであって、前記トーチの傾斜角度を変化させたときに、前記切断面との間の静電容量が一定に保持される球体形状を有することを特徴とするものである。
【００１４】
従って、本発明の切断用ノズルでは、トーチが傾斜したときに、切断面との間の離間距離が変化しないので、切断面との間の静電容量を一定に保持することを可能にする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の切断用ノズルおよび切断機の実施の形態を、図１および図２を参照して説明する。
ここでは、例えば、熱源としてレーザを用いるレーザ切断機の例を用いて説明する。これらの図において、従来例として示した図３および図４と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１６】
図１において、符号６はレーザ切断機（切断機）であり、符号４はワークである。レーザ切断機６は、ワーク４の切断面５に沿って、且つワーク４の高さに倣って移動して該ワーク４を切断するものであって、トーチ２、切断用ノズル７、ハイトセンサ８およびオフセット機構１１とから概略構成されている。
【００１７】
トーチ２は、図示しない駆動機構によって、上下動自在、且つワーク４の切断面５に対して傾斜可能な構成とされている。
切断用ノズル７は、半径ｒの球体形状を有して、トーチ２の略軸線方向に沿って切断用のレーザを照射するものであって、トーチ２の先端に絶縁体３を介して取り付けられている。
ハイトセンサ８は、切断用ノズル７およびワーク４に接続され、これらの間の離間距離を静電容量として測定するとともに、測定された静電容量に対応する電圧をオフセット機構１１の電圧補正部９へ出力するものである。
【００１８】
オフセット機構１１は、トーチ２が傾斜したときに、射出されたレーザ光線が前記トーチの軸線方向の先端から切断面５へ到達するまでの射出長Ｈ２を適正なスタンドオフｈに保持するものであって、電圧補正部９と制御部１０とから構成されている。
【００１９】
電圧補正部９は、切断面５に対向する方向における切断用ノズル７と切断面５との間の離間距離ｈ１’と、レーザ光線の射出長Ｈ２との相関関係に基づいて、ハイトセンサ８から出力された電圧を補正し制御部１０へ出力するものである。制御部１０は、ハイトセンサ８から出力され、電圧補正部９で補正された電圧に基づいて駆動機構を駆動させるものである。
【００２０】
上記の構成の切断用ノズルおよび切断機の作用について以下に説明する。
図１に示すように、二点鎖線で示す垂直切断位置から実線で示す開先切断位置へ、トーチ２をワーク４の切断面５に対して傾斜角θ、いわゆる開先角度θで傾斜させると、切断用ノズル７のレーザ照射方向も傾斜する。
【００２１】
ここで、切断用ノズル７は球体形状を有しているので、開先切断位置における切断面５と切断用ノズル７との間の離間距離ｈ１’は、開先角度θの大きさに拘わらず垂直切断位置における切断面５と切断用ノズル７との間の離間距離、すなわち適正なスタンドオフｈと同一になる。従って、レーザ光線の切断面５へ到達するまでの射出長Ｈ２は、上記離間距離ｈ１’との間に次式の相関関係を生ずる。
（Ｈ２＋ｒ）×ｃｏｓθ＝ｈ１’＋ｒ          …（１）
そして、式（１）を変形すると次式が得られる。
ｈ１’＝（Ｈ２＋ｒ）×ｃｏｓθ−ｒ        …（２）
【００２２】
このとき、ハイトセンサ８は、垂直切断位置における上記離間距離ｈに対応する静電容量と同一に保持された離間距離ｈ１’に対応する静電容量を測定するとともに、測定された静電容量に対応する指令電圧Ｖ１を電圧補正部９へ出力する。
電圧補正部９は、上記レーザ光線の切断面５へ到達するまでの射出長Ｈ２が適正なスタンドオフｈになるような、切断面５と切断用ノズル７との間の離間距離ｈ２を、式（２）に基づいて次式で算出する。
ｈ２＝（ｈ＋ｒ）×ｃｏｓθ−ｒ            …（３）
【００２３】
そして、電圧補正部９は、ハイトセンサ８から出力された指令電圧Ｖ１を、式（３）で得られる離間距離ｈ２に対応する指令電圧Ｖ２へ次式を用いて補正するとともに制御部１０へ出力する。
Ｖ２＝Ｖ１×Ｋ１                    …（４）
ここで、Ｋ１は式（３）に基づくオフセット係数である。
【００２４】
制御部１０は、指令電圧Ｖ２を受け取ると、駆動機構を駆動させてトーチ２を下降させることにより、切断用ノズル７が切断面５から距離ｈ２離間したところに位置するようにオフセットをかける。
かくして、切断用ノズル７は、レーザ光線が切断面５へ到達するまでの射出長Ｈ１が、切断最適条件を得ることのできるスタンドオフｈになる位置にオフセット移動される。
【００２５】
本実施の形態の切断用ノズルおよび切断機では、切断用ノズル７が球体形状を有しているので、図３に示す切断用ノズルをノズルＡ、図４に示す切断用ノズルをノズルＢ、図１に示す切断用ノズルをノズルＣとしたときに、図２に示すように、開先角度θを種々変化させた場合でも、ワーク４の切断面５との間の離間距離が一定となる。
そのため、ハイトセンサ８によって測定される離間距離ｈ１’と、レーザ光線の射出長Ｈ２との間に安定した相関関係が生ずることになり、オフセットをかける際に必要な値を容易に、且つ安定して得ることができる。
【００２６】
また、オフセット機構１１の電圧補正部９が、この相関関係に基づいて上記離間距離ｈ１’に対応する指令電圧Ｖ１を、離間距離ｈ２に対応する指令電圧Ｖ２に自動的に補正しているので、開先角度θを適宜変更した場合でも、切断用ノズル７は、切断最適条件を得ることのできるスタンドオフｈを常に保持することができるとともに、倣い高さが変化することなくワーク４を安定して切断することができる。
【００２７】
なお、上記実施の形態において、本発明の切断用ノズルをレーザ切断機に適用した構成としたが、これに限られることなく、例えば、ガス切断機やプラズマ切断機に用いるような構成であってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る切断機は、トーチを傾斜させたときでも、切断用ノズルと切断面との間の静電容量が一定に保持される球体形状を有する構成となっているので、トーチを傾斜させて開先角度を適宜変化させた場合でも、切断用ノズルと被切断材との間隔を一定に維持することができる。また、オフセットをかける際に必要な値を容易に、且つ安定して得られるという優れた効果が得られる。加えて、静電容量測定時に必要な電極として切断用ノズルを用いて開先切断を行うので、別途電極や電極支持部材を設ける必要がなく、より正確で、且つ安価な切断機を得ることができる。
【００２９】
請求項２に係る切断機は、トーチが傾斜したときに、前記トーチの軸線方向の先端から切断面へ到るまでの熱源の射出長が保持される離間距離を算出するとともに、この離間距離に基づいて切断用ノズルを移動させるオフセット機構を備える構成となっている。これにより、この切断機では、開先角度を適宜変更した場合でも、切断用ノズルが切断最適条件を得ることのできる位置を維持することができるので、倣い高さが変化することなく被切断材を安定して切断できるという効果が得られる。
【００３０】
請求項３に係る切断用ノズルは、トーチの傾斜角度を変化させたときに、切断面との間の静電容量が一定に保持される構成となっているので、開先角度を適宜変化させた場合でも被切断材との間の離間距離が一定となり、オフセットをかける際に必要な値を容易に、且つ安定して得られるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態を示す図であって、球体形状を有する切断用ノズルが設けられたトーチの正面図である。
【図２】  ワークとノズルの間隔と開先角度との関係を示す関係図である。
【図３】  従来技術による切断用ノズルの一例を示す正面図である。
【図４】  従来技術による切断用ノズルの一例を示す正面図である。
【符号の説明】
２  トーチ
３  絶縁体
４  ワーク（被切断材）
５  切断面
６  レーザ切断機（切断機）
７  切断用ノズル
１１  オフセット機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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