Yo creo que en primer lugar habría que determinar el voltaje de arco incluso haciendo cortes en diferentes espesores de materiales
Eduardo;

Tienes acceso a alguna maquina que ya tenga este sistema de control del eje Z instalado?, pudieras medir el voltaje con distintos espesores de material y velocidades? (pon un resistor de alto valor, del orden de los Megaohms, hecho poniendo en serie varios resistores de 100K o mayores) en serie con el voltimetro para evitar que el arco pueda danar el voltimetro.

Supongo que el voltaje este en el rango de los cientos de volt (110 - 200volt) y no en los miles de volt.

Trata de usar un voltimetro analogico (de aguja) en lugar de uno digital, si es posible, ten en cuenta que el voltimetro va a leer solo la caida de potencial en su resistencia interna, es decir que va a haber un divisor de voltaje entre la resistencia que usamos como proteccion y los ohm por volt caracteristicos de la escala que emplearas.

Si usas un voltimetro digital la impedancia de entrada es del orden de los Megaohms y es necesario conocerla tambien para calcular el valor real de voltaje. ( los voltimetros digitales son mas suceptibles a danarse en estas mediciones de potencialmente altos voltajes a alta frecuencia), asegurate de que este conectado a tierra el borne de GND, al igual que la pieza a cortar)