(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチに、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方を流量調整または圧力調整を行ないつつ供給するプラズマ加工機におけるガス供給方法であって、
予め各種加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じてプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の最適な流量値または圧力値を記憶させておき、加工ワークの切断加工中にその加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じた最適な流量値または圧力値を読み込み、その最適な流量値または圧力値が得られるようにプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスのいずれか一方の供給量を適時調整することを特徴とするプラズマ加工機におけるガス供給方法。
【請求項２】
加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチに、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方を流量調整または圧力調整を行ないつつ供給するプラズマ加工機におけるガス供給装置であって、
（ａ）予め各種加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じて設定されるプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の最適な流量値または圧力値を記憶する記憶手段と、
（ｂ）プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量を自動的に調整可能なガス供給量調整手段と、
（ｃ）前記加工ワークの切断加工中に、その加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じた最適な流量値または圧力値を前記記憶手段から読み込み、この最適な流量値または圧力値が得られるように前記ガス供給量調整手段を適時制御する制御手段と
を備えることを特徴とするプラズマ加工機におけるガス供給装置。
【請求項３】
前記ガス供給量調整手段は電空レギュレータである請求項２に記載のプラズマ加工機におけるガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチに、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方を流量調整または圧力調整を行ないつつ供給するプラズマ加工機におけるガス供給方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ加工機では、加工ワークを切断加工する際に、その加工ワークの材質，板厚に応じて手動にてプラズマメインガスやプラズマアシストガスの流量または圧力を調整して、プラズマトーチに供給するようにされている。
【０００３】
また、特開平７−１６７５４号公報には、加工ワークとプラズマトーチとの間に形成されるプラズマアークの電流（アーク電流）の変化に応じて、プラズマガスの流量を自動調整する方法が提案されており、この方法によってアーク電流とプラズマガス流量との相対関係を一定にして適正なプラズマアークを継続して維持することができ、安定した切断加工を行なうことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、オペレータによる手動圧力調整あるいは流量調整では、加工ワークの板厚，材質毎にそれら圧力値あるいは流量値を設定調整する必要があり、非常に手間がかかるとともに、調整忘れや調整ミス等による切断不良の発生が懸念されるという問題点がある。また、前記プラズマメインガスやプラズマアシストガスの圧力または流量は、加工ワークの板厚，材質毎に設定調整され切断形状に応じた調整が不可能であるため、例えば同一加工ワーク内で外周と、孔と、コーナとを切断する場合であっても、同じ圧力または流量が保持されつつ切断加工が行なわれるため、べベル角（切断面の厚板方向の傾き）が大きくなる等、所望の切断精度および切断品質が得られないという問題点がある。
【０００５】
また、特開平７−１６７５４号公報に記載のガス供給方法においては、アーク電流とプラズマガス流量とを相対的に制御して適正なプラズマアークを維持するものであり、加工ワークの切断形状に応じてプラズマガス流量を調整するのは不可能である。したがって、例えば切断速度が遅く設定されている切断形状（例えば孔やコーナ部など）を切断加工する場合であっても、プラズマガス流量が調整されないため、その切断速度に影響するべベル角が大きくなり、切断不良や切断品質の悪化を招くという問題点がある。また、切断形状に応じた調整が不可能であるため、プラズマアークがプラズマトーチの切断進行方向の後方に流れることによる切断遅れや加工機の軸遅れによって、切断不良となり切断精度が悪化する問題点があり、さらに切断加工終了後の加工ワーク裏面にドロスが多く付着するという問題点もある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、切断加工中に加工ワークの板厚，材質，切断形状に応じてプラズマトーチに供給するプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の流量または圧力を自動的に調整することができ、切断精度および切断品質の向上を図ることができるプラズマ加工機におけるガス供給方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述された目的を達成するために、第１発明によるプラズマ加工機におけるガス供給方法は、
加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチに、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方を流量調整または圧力調整を行ないつつ供給するプラズマ加工機におけるガス供給方法であって、
予め各種加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じてプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の最適な流量値または圧力値を記憶させておき、加工ワークの切断加工中にその加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じた最適な流量値または圧力値を読み込み、その最適な流量値または圧力値が得られるようにプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスのいずれか一方の供給量を適時調整することを特徴とするものである。
【０００８】
第１発明においては、加工ワークの切断加工中にプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量を予め加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じた最適値に調整するようにされている。すなわち、加工ワークの材質，板厚毎にプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量（流量値または圧力値）が最適値に調整されるとともに、例えば同一加工ワークに複数の異なる切断形状部を有している場合であっても、それら切断形状部毎にプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量（流量値または圧力値）が最適値に調整される。
【０００９】
第１発明によれば、切断速度が切断加工形状毎に異なる場合であっても、切断面のべベル角は各切断速度に関係なく常に略一定とすることができるため、切断不良を抑制し、切断品質を向上することができるという効果を奏する。また、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量の調整により、プラズマ特有の切断面下方の切断遅れを解消することができるとともに、加工機の軸遅れに起因する形状誤差もなくすことができるため、切断速度を抑制し、切断精度を格段に向上させることができる。また、切断加工終了後の加工ワーク裏面にドロスが付着するのを抑制することができる。
【００１０】
次に、第２発明によるプラズマ加工機におけるガス供給装置は、
加工ワークとの間にプラズマアークを形成するプラズマトーチに、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方を流量調整または圧力調整を行ないつつ供給するプラズマ加工機におけるガス供給装置であって、
（ａ）予め各種加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じて設定されるプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の最適な流量値または圧力値を記憶する記憶手段と、
（ｂ）プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量を自動的に調整可能なガス供給量調整手段と、
（ｃ）前記加工ワークの切断加工中に、その加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じた最適な流量値または圧力値を前記記憶手段から読み込み、この最適な流量値または圧力値が得られるように前記ガス供給量調整手段を適時制御する制御手段と
を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
第２発明においては、予め各種加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じて設定されるプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の最適な流量値または圧力値を記憶する記憶手段から、加工ワークの切断加工中にその加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じた最適な流量値または圧力値を読み込んで、プラズマトーチに供給されるプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量を前記最適な流量値または圧力値となるようにガス供給量調整手段を適時制御するものである。
【００１２】
第２発明によれば、予め各種加工ワークの材質，板厚および切断加工形状の組み合わせに応じて設定されるプラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の最適な流量値または圧力値にその供給量を自動的に調整することができるため、従来の問題点であるガス供給量の調整忘れや調整ミス等による切断不良を防止することができるとともに、前記第１発明と同様の効果を奏する。
【００１３】
第２発明において、前記ガス供給量調整手段は電空レギュレータであるのが好ましい。この電空レギュレータを用いれば、前記制御手段からの制御信号に基づいて、プラズマメインガスまたはプラズマアシストガスの少なくともいずれか一方の供給量を簡易に調整することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるプラズマ加工機におけるガス供給方法およびその装置の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１には本発明の一実施例に係るプラズマ加工機の全体斜視図が示され、図２にはそのプラズマ加工機のシステム構成図が示されている。
【００１６】
本実施例のプラズマ加工機１においては、板状の加工ワークＷを支持する切断定盤（切断架台）２が矩形状のフレーム３の内側空間に配されるとともに、このフレーム３を跨ぐように門形の走行ビーム４が配され、この走行ビーム４上にキャリッジ５が配されて、そのキャリッジ５にプラズマトーチ６が装着されている。
【００１７】
前記走行ビーム４は、Ｘ軸モータ７の駆動によりフレーム３の長手方向（Ｘ軸方向）に配されるＸ軸レール８に沿ってＸ軸方向に走行可能とされ、前記キャリッジ５は、Ｙ軸モータ９の駆動により走行ビーム４上に配されるＹ軸レール１０に沿ってＹ軸方向に走行可能とされている。また、前記プラズマトーチ６は、Ｚ軸モータ１１の駆動によりキャリッジ５に対して上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされている。こうして、各モータ７，９，１１を制御することで、プラズマトーチ６は加工ワークＷの任意の位置へ移動されるとともに、任意の高さ位置に位置決めされて加工ワークＷの切断加工が行われる。
【００１８】
前記プラズマトーチ６は、後述する電極１５にプラズマ電流を供給するために、トーチケーブル１２を介してプラズマ電源ユニット１３の一方の端子（マイナス端子）に接続されている。また、このプラズマ電源ユニット１３の他方の端子（プラス端子）は、母材ケーブル１４を介して加工ワークＷ（もしくは切断定盤２）に接続されている。
【００１９】
図３に示されるように、前記プラズマトーチ６は、略多重円筒形状であって、略中心部に配される略円柱状の電極１５と、この電極１５の外周側を覆うように配される略円筒状のノズル１６と、このノズル１６の外周側に配される略円筒状の第１ノズルキャップ１７と、この第１ノズルキャップ１７の外周側に配される略円筒状の第２ノズルキャップ１８とを備えている。そして、電極１５とノズル１６との間に画成される先端部開放空間が作動ガス通路１９とされ、ノズル１６と第１ノズルキャップ１７との間に画成される閉空間が冷却水通路２０とされ、第１ノズルキャップ１７と第２ノズルキャップ１８との間に画成される先端部開放空間が二次ガス通路２１とされている。
【００２０】
前記電極１５のプラズマアーク発生点となる先端部には、プラズマアークＡの高熱に耐え得る高融点材料製（例えば、ハフニウム製，ジルコニウム製，合金製等）の耐熱インサート２２が装着されている。また、前記ノズル１６の先端部にはノズルオリフィス２３が設けられ、前記作動ガス通路１９により供給されるプラズマメインガス（本実施例では酸素ガス）がそのノズルオリフィス２３から加工ワークＷに向けて噴出されるようになっている。さらに、前記第２ノズルキャップ１８の先端開口部にはシールドキャップ２４が装着され、前記二次ガス通路２１により供給されるプラズマアシストガス（本実施例では空気）がそのシールドキャップ２４先端の噴出口２５から噴出されるようになっている。
【００２１】
前記作動ガス通路１９は、プラズマメインガス供給ライン２６を介してプラズマメインガスが貯留されているプラズマメインガスボンベ２７に連結されている。このプラズマメインガス供給ライン２６には、下流側に向けて順に、プラズマメインガスの供給・遮断を行なう開閉手段としての電磁開閉弁２８と、アナログ電圧信号を受けて前記プラズマメインガスの圧力（すなわち作動ガス通路１９への供給量）を調整可能な電空レギュレータ２９が介挿されている。
【００２２】
また、前記２次ガス通路２１は、プラズマアシストガス供給ライン３０を介してプラズマアシストガス供給装置３１に連結されている。このプラズマアシストガス供給ライン３０には、下流側に向けて順に、プラズマアシストガスの供給・遮断を行なう開閉手段としての電磁開閉弁３２と、アナログ電圧信号を受けて前記プラズマメインガスの圧力（すなわち２次ガス通路２１への供給量）を調整可能な電空レギュレータ３３が介挿されている。
【００２３】
前記作動ガス通路１９および二次ガス通路２１にはそれぞれ作動ガススワラ３４および２次スワラ３５が嵌め込まれている。こうして、作動ガス通路１９を通過するプラズマメインガスは作動ガススワラ３４によって旋回流にされてノズルオリフィス２３から加工ワークＷに噴出される。同様に、二次ガス通路２１を通過するプラズマアシストガスは２次スワラ３５によって旋回流にされて噴出口２５から加工ワークＷに噴出される。このような２重の旋回気流によって加工ワークＷにおける切断溝の形状を変化させることが可能となり、前記プラズマメインガスとプラズマアシストガスとの各供給量を調整してベベル角の小さな直角の切断面を得ることが可能となっている。
【００２４】
このように構成されているので、作動ガス通路１９に作動ガスを供給した状態で、電極１５と加工ワークＷとの間にパイロットアークを着火させると、電離された導電性を持つ作動ガスがノズルオリフィス２３を通じて加工ワークＷに噴出され、電極１５−加工ワークＷ間にプラズマアークＡが着火される。このプラズマアークＡは、ノズルオリフィス２３による拘束性と作動ガス気流による熱的ピンチ作用が効果的に働くことにより、高温でかつ高密度エネルギーを有するプラズマアークとなる。このようにして形成されるプラズマアークＡが加工ワークＷを溶融して、ピアッシングおよび切断が行われる。
【００２５】
前記プラズマトーチ６をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動させるＸ軸モータ７、Ｙ軸モータ９およびＺ軸モータ１１は、ＮＣ装置３６からの制御信号によってサーボコントロール部３７における図示されない各サーボアンプを介して駆動される。また、前記プラズマメインガスおよびプラズマアシストガスの各電磁開閉弁２８，３２および電空レギュレータ２９，３３が前記ＮＣ装置３６からのＯＮ／ＯＦＦ信号およびアナログ電圧信号によって駆動される。
【００２６】
この制御を可能にするために、ＮＣ装置３６には、各種加工ワークＷに対する切断加工形状およびそれら切断加工形状の配置位置に係る情報を認識し、各情報の数値データを作成して出力するＣＡＤ／ＣＡＭ装置３８が接続されるとともに、各種加工ワークＷに対応する切断条件データベースを格納する記憶部３９が付設されている。また、前記ＮＣ装置３６には、プラズマ電源ユニット１３から入力されるプラズマアーク電圧（電極１５−加工ワークＷ間の電圧）に基づいて高さ信号を演算し、この高さ信号を出力する切断高さコントロール部４０が付設されている。
【００２７】
前記記憶部３９に格納される切断条件データベースは、加工ワークの板厚，材質，切断加工形状毎に予め設定される切断条件の最適値からなっている。ここで、前記切断条件はプラズマアーク電流（アーク電流），切断速度，切断幅，プラズマメインガス圧力，プラズマアシストガス圧力，ピアス高さ，ピアス時間である。図４には、切断条件データベースの一例を説明する説明図が示されている。図示されるように加工ワークの板厚および材質に応じて加工ワークコードＡ（Ａ１，Ａ２，…Ａｎ）が決まり、これら加工ワークコードＡ（Ａ１，Ａ２，…Ａｎ）は形状コードＴ（Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２）にそれぞれ分割され、これら形状コード毎に前記各切断条件の最適値が入力されている。したがって、加工ワークコードＡと形状コードＴとを指定すれば、加工ワークの板厚，材質，切断加工形状に応じた各切断条件の最適値が出力される。なお、本実施例においては、形状コードＴ０は孔形状，Ｔ１はコーナ形状，Ｔ２は外周形状を表している。また、図中には具体的な最適値は記載されていないが、形状コードＴ０およびＴ１では、切断速度が遅く設定されており、この切断速度の低下に伴い、加工ワークＷに対する入熱量が過多になったり、プラズマメインガス圧およびプラズマアシストガス圧による旋回流効果が過多になるのを防いで、切断速度の切換りによる切断面テーパ（ベベル角）の変化もしくは切断幅の変化を補正するように、前記切断幅，プラズマメインガス圧力，プラズマアシストガス圧力の最適値がそれぞれ設定されている。
【００２８】
本実施例の制御システムにおいては、ＮＣ装置３６にＣＡＤ／ＣＡＭ装置３８から加工ワークＷの数値データが入力され、この数値データに基づいて加工ワークコードＡおよび形状コードＴが認識され、記憶部３９に格納されている切断条件データベースから加工ワークコードＡおよび形状コードＴにて指定される各切断条件の最適値が読み込まれる。これら切断条件の最適値および前記数値データに基づいて、前記ＮＣ装置３６が前記サーボコントロール部３７，切断高さコントロール部４０，電磁開閉バルブ２８，３２および電空レギュレータ２９，３３に各信号を送信して作動させて、切断加工が行なわれる。
【００２９】
次に、前記ＮＣ装置３９によって加工ワークＷを切断加工する制御手順について、図５に示されるフローチャートに基づいてより詳細に説明する。
Ｓ１：まず、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置３８から各種加工ワークＷに対する切断加工形状およびそれら切断加工形状の配置位置に係る数値データを読み込む。
Ｓ２：前記数値データから加工ワークＷの板厚および材質より加工ワークコードＡと、切断加工形状より形状コードＴとを認識し、記憶部３９に格納された切断条件データベースから前記加工ワークコードＡおよび形状コードＴにて指定された各切断条件の最適値を読み込む。
Ｓ３：続いて、前記プラズマトーチ６を前記数値データより認識される切断開始位置（またはピアシング位置）に配置させるように、サーボコントロール部３７を制御してＸ，Ｙ軸方向に移動させる。
Ｓ４：次に、ピアシング加工が必要な場合は、前記各切断条件の最適値に基づいて、プラズマトーチ６がＺ軸方向のピアス高さとなるようにサーボコントロール部３７を制御して位置決めし、アーク電流が最適値となるように前記プラズマ電源ユニット１３を制御するとともに、前記プラズマメインガス圧力およびプラズマアシストガス圧力が最適値となるように各電磁開閉弁２８，３２および電空レギュレータ２９，３３を制御する。こうしてピアス時間が経過した時点で、ピアシング加工を終了する。なお、ピアシング加工が必要でない場合は、ステップＳ４の処理を省略してステップＳ５以降の処理を行なう。
Ｓ５：前記各切断条件の最適値に基づいて、プラズマトーチ６がＺ軸方向の切断高さとなるようにサーボコントロール部３７を制御して位置決めし、前述のようにアーク電流値，プラズマメインガス圧力およびプラズマアシストガス圧力を制御しながら、前記プラズマトーチ６を切断速度で前記数値データにより認識される切断加工形状に沿ってＸ，Ｙ軸方向に移動させるようにサーボコントロール部３７を制御して、切断加工が行われる。
Ｓ６：前記ＣＡＤ／ＣＡＭ装置３８より読み込まれた数値データに基づく加工ワークＷ内の切断加工がすべて終了した場合は、終了となる。一方、切断加工がすべて終了していない場合は、ステップＳ３以降の処理が行なわれる。
【００３０】
以上のように、本実施例においては、加工ワークＷの板厚，材質および加工形状毎に設定される切断条件の最適値に基づいて制御され、例えば同一加工ワークＷ内に複数の切断加工形状の切断加工を施す場合であっても、その切断形状毎に各種切断条件を変更するように制御される。したがって、切断形状に応じてプラズマメインガス圧およびプラズマアシストガス圧を変更することができ、このようにプラズマメインガス圧およびプラズマアシストガス圧を変更することにより切断面テーパ（ベベル角）に影響を及ぼすガス旋回流の効果を変えることができ、切断速度を低下させてもベベル角をほぼ一定に保つことができる利点がある。こうして、切断精度および品質を向上することができる。また、切断幅を変更するようにすれば、切断速度の低下に伴う切断幅の変化を補正することができ、さらに切断精度を維持する上で有効である。
【００３１】
また、本実施例によれば、切断形状に応じた切断加工が可能となり、切断速度の低下に伴ってプラズマメインガス圧およびプラズマアシストガス圧を変更させることにより、加工機の移動軸遅れや切断面遅れに起因する形状精度の悪化を軽減することができ、また切断加工終了後の加工ワークＷ裏面にドロスが付着するのを抑制することができる。なお、各切断条件は相互に関連なく、任意に設定できるようにするのが好ましい。
【００３２】
本実施例における記憶部３９，ＮＣ装置３６および電空レギュレータ２９，３３は本発明におけるガス供給装置に相当し、前記記憶部３９は本発明における記憶手段に、前記電空レギュレータ２９，３３は本発明におけるガス供給量調整手段に、前記ＮＣ装置３６は本発明における制御手段にそれぞれ相当する。
【００３３】
本実施例においては、プラズマトーチ６にプラズマメインガスとプラズマアシストガスとが供給され、これらガスにより２重の旋回気流が形成されているが、これに限らず、プラズマメインガスのみをその供給量を調整しつつ供給し、１重の旋回気流を形成させるようにしても、前述と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の一実施例に係るプラズマ加工機の全体斜視図である。
【図２】  図２は、本実施例のプラズマ加工機のシステム構成図である。
【図３】  図３は、本実施例のプラズマトーチを説明する概略断面図である。
【図４】  図４は、本実施例の切断条件データベースの一例を説明する説明図である。
【図５】  図５は、本実施例のＮＣ装置による加工ワークの切断加工制御手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１            プラズマ加工機
２            切断定盤
３            フレーム
４            走行ビーム
５            キャリッジ
６            プラズマトーチ
７            Ｘ軸モータ
８            Ｘ軸レール
９            Ｙ軸モータ
１０            Ｙ軸レール
１１            Ｚ軸モータ
１２            トーチケーブル
１３            プラズマ電源ユニット
１４            母材ケーブル
１５            電極
１６            ノズル
１７            第１ノズルキャップ
１８            第２ノズルキャップ
１９            作動ガス通路
２０            冷却水通路
２１            二次ガス通路
２２            耐熱インサート
２３            ノズルオリフィス
２４            シールドキャップ
２５            噴出口
２６            プラズマメインガス供給ライン
２７            プラズマメインガスボンベ
２８，３２      電磁開閉弁
２９，３３      電空レギュレータ
３０            プラズマアシストガス供給ライン
３１            プラズマアシストガス供給装置
３４            作動ガススワラ
３５            ２次スワラ
３６            ＮＣ装置
３７            サーボコントロール部
３８            ＣＡＤ／ＣＡＭ装置
３９            記憶部
４０            切断高さコントロール部
【図１】
0003792070.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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