JP2015091594A - 電極棒使用の熱加工トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】 電極棒自動着脱機構による電極棒把持を安定化，高信頼化。【解決手段】 先端部に、小径穴があってそこに内テーパ面１０ｔが連続し、かつ割り溝１０ｈがあり、該小径穴は電極棒１１が通っていないときは電極棒の直径より小さい直径であって電極棒が通るときは拡大し挿通した電極棒を先端部が把持する、チャック１０；該チャックに挿入されて先端が内テーパ面１０ｔに対向しチャック１０の軸方向の移動によりチャック先端部を拡大／縮小する、トーチ基体に固定されたストッパ２１；および、前記チャックを、内テーパ面１０ｔがストッパ２１の先端より離れてチャック先端部が電極棒１１を把持する電極棒保持位置と、内テーパ面１０ｔがストッパ２１の先端に当たってチャック先端部が電極棒を解放する電極棒解放位置に、駆動するチャック駆動手段２２−３０；を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマトーチ，ＴＩＧトーチなど、電極棒を用いて電気アークを発生して溶接，切断，加熱などを行う熱加工トーチに関し、特に、電極棒を自動交換するための電極棒自動着脱機構を備える熱加工トーチに関する。

例えば、筒状のノズル台に棒状のタングステン電極を通しノズル台の下端にノズルチップを装着したプラズマトーチは、ノズル台の、タングステン電極が通った空間に供給されるプラズマガスをタングステン電極の先端に発生するアークで電離したプラズマをノズルチップのノズル（噴気口）から噴射するとともに、ノズル台の外周面とシールドキャップの間の空間に供給されるシールドガスをノズルチップの外側面に沿って、前方（加工対象材）に噴射する。

棒状のタングステン電極は非消耗電極棒又は単に非消耗電極と表現されるが、加工作業、例えば溶接、の使用時間が長くなるにつれて先端が次第に消耗（損耗，変形）する。溶接品質を損なうほどに消耗する前に非消耗電極棒は未使用品（新品）に交換される。交換作業の自動化のために、自動着脱機構が各種提案されている。

特許文献１に記載の溶接トーチは、コレットチャックを、エアーシリンダの突き出しロッドに連結した電極棒ガイド（中空ロッド）で締め付けて電極棒を保持し、該ロッドをエアーシリンダに引き込むことにより、コレットチャックが開放されて電極保持が解除され、自重により電極棒が排出される。

特許文献２に記載のＴＩＧ溶接トーチは、エアーシリンダの突き出しロッドによる中空ロッドの押し下げ／引き上げにより、チャック（コレット）による電極棒の保持／解放を行う。また、トーチ上部にある電極ホルダから新しい電極をチャック（コレット）へ挿入し、使用済みの電極をトーチ先端から押し出す形で排出する。

特許文献３に記載の溶接トーチは、エアーシリンダのロッドに連結されたコレットをコレットボディに押圧することで電極を保持され、エアーシリンダを開放すると、コレットが、下部に設けられたスリットが元の間隔に戻ろうとする弾性力によってコレットボディの上部に移動し、前記スリットが開いて電極の保持が開放され、電極の自重によって排出される。

引用文献４に記載の電極自動交換装置は、電極排出用のチャックでトーチから電極を取り出し、別の箇所で新しい電極をセットする。

特開平０５−２８５６５４号公報 特開平１０−００６０１４号公報 特開２００１−０８７８６１号公報 特開２００８−０１８４４３号公報

いずれのトーチも、チャックあるいは中空ロッドの押し下げにより、チャックの十文字に分布する割り溝がある先端部の外テーパ面を、チャックストップの内テーパ面に沿わせて下方向に駆動し、これにより中心軸に向かう方向に先端部を圧搾して電極棒を挟持し、チャックあるいは中空ロッドの引き上げにより、前記外テーパ面が上方向に駆動し、先端部の圧搾が解除されて電極棒が開放される構造である。
しかしこの構造では、電極棒の開放は割り溝があるチャック先端部が元に戻ろうとする弾性力のみに頼っているが、繰り返し使用するうちに弾性力が弱くなり、チャック先端部が十分に広がらなくなり、電極が排出できなくなる。
また、特許文献２には、トーチ上部に電極ホルダを設けて新しい電極を挿入することで使用済みの電極を排出させる方法が記載されているが、これではトーチが構造が複雑化してしまう。特許文献４には、別途電極排出用のチャックを設けた電極自動交換装置が記載されているが、電極がノズルの奥に設置されているプラズマ溶接のトーチでは、電極を掴むことができないという課題があった。

本発明は、電極棒自動着脱機構による電極棒把持および排出を安定にし信頼性を高くすることを目的とする。

（１）先端部に小径穴があって該小径穴に内テーパ面(10t)が連続しかつ該内テーパ面に太径穴が連続し、前記先端部にそこを半径方向に拡大／縮小可能とする割り溝(10h)があり、前記小径穴は電極棒(11)が通っていないときは電極棒の直径より小さい直径であって電極棒が通るときは拡大し挿通した電極棒を前記先端部が把持する、円筒形のチャック(10)；
前記チャック(10)の前記太径穴に挿入されて先端が前記内テーパ面(10t)に対向し前記チャック(10)の軸方向の移動により前記チャックの前記先端部を拡大／縮小する、トーチ基体に固定されたチャックストッパ(21)；および、
前記チャック(10)を、前記内テーパ面(10t)が前記チャックストッパ(21)の前記先端より離れてチャックの前記先端部が前記電極棒(11)を把持する電極棒保持位置と、前記内テーパ面(10t)が前記チャックストッパ(21)の前記先端に当たってチャックの前記先端部が前記電極棒(11)を解放する電極棒解放位置に、駆動するチャック駆動手段(22-30)；
を備えることを特徴とする、電極棒使用の熱加工トーチ(Tch)。

なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は相当要素の記号を、例示として参考までに付記した。以下も同様である。

チャック(10)の先端部の小径穴は電極棒(11)が通っていないときは電極棒の直径より小さい直径であって電極棒が通るときは拡大し、チャック(10)先端テーパ面が電極ホルダ(9)の先端内テーパ面に当接し、チャック(10)先端部が圧搾され挿通した電極棒を前記先端部が把持する。

チャック駆動手段(22-30)にエアーシリンダを用い、トーチ不使用時に溶接設備の電源を断にする場合でも、本願発明の熱加工トーチ(Tch)によると、電極棒保持位置ではチャックの内テーパ面(10t)がチャックストッパ(21)の先端より離れていてチャックの先端部が弾性によって電極棒(11)を把持するので、チャック(10)が電極棒(11)を把持する締付け力は変化せず、電極棒保持の安定性および信頼性が高い。

また、チャック(10)が後端方向に駆動されると、先端部の割り溝の分割片がチャックストッパ(21)の先端テーパ(21p)によって確実に押し広げられるので、電極棒(11)を確実に脱落させることができる。

本発明の１実施例の熱加工トーチであるプラズマトーチＴｃｈを用いる、一形態の自動溶接設備の概要を示すブロック図である。 図１に示すプラズマトーチＴｃｈの拡大図であり、一部は電極棒チャック状態の縦断面を示す。 図１に示すプラズマトーチＴｃｈの一部の拡大縦断面図であり、電極棒解放状態を示す。 図１に示すプラズマトーチＴｃｈの電極棒自動着脱機構を示す縦断面図であり、（ａ）はチャック１０を電極棒保持位置に置いた電極棒チャック状態を示し、（ｂ）は電極棒解放位置に置いた電極棒解放状態を示す。いずれの状態も、チャックストッパ２１は固定で位置は変わらない。 図２に示すプラズマトーチＴｃｈの部品の一部を示し、（ａ１）はチャック１０の拡大縦断面図、（ａ２）はチャック１０の拡大平面図、（ａ３）はチャック１０の先端部の左側面図である。（ｂ１）はチャックストッパ２１の拡大縦断面図、（ｂ２）はチャックストッパ２１の拡大平面図である。（ｃ１）は断熱カラー１６の拡大縦断面図、（ｂ２）は断熱カラー１６の右側面図である。 図２に示すプラズマトーチＴｃｈの他の部品の一部を示し、（ａ１）は連結ロッド２３の拡大縦断面図、（ａ２）は連結ロッド２３の拡大平面図、（ａ３）は連結ロッド２３の右側面図である。（ｂ１）はフック半体２６aの拡大縦断面図、（ｂ２）はフック半体２６aの拡大平面図、（ｂ３）はフック半体２６aの右側面図である。（ｃ１）はフック半体２６ｂの拡大縦断面図、（ｃ２）はフック半体２６ｂの拡大平面図、（ｃ３）はフック半体２６ｂの右側面図である。 （ａ１）は連結フレーム２７の拡大縦断面図、（ａ２）は連結フレーム２７の拡大平面図、（ａ３）は連結フレーム２７の右側面図である。

（２）前記チャック(10)の前記太径穴の周壁には軸方向に延びる案内溝(10g)があり、前記チャックストッパ(21)には、前記案内溝(10g)を内側から外側に突出してトーチ基体(1)に固定されるチャックガイド(21g)がある、上記（１）に記載の、電極棒使用の熱加工トーチ。

（３）前記チャック駆動手段(22-30)は、前記チャック(10)を前記電極棒保持位置から前記電極棒解放位置にまたその逆に駆動するエアーシリンダ(30)を含む、上記（１）又は（２）に記載の、電極棒使用の熱加工トーチ。

（４）前記チャック駆動手段(22-30)は更に、前記チャック(10)と前記エアーシリンダ(30)の突き出しロッド(29)との間に介挿されたコイルスプリング(24)を含む、上記（１）ないし（３）のいずれか1つに記載の、電極棒使用の熱加工トーチ。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

図１に示す自動溶接設備は、自動溶接ロボットＷｒｏに装着した本発明の熱加工トーチの一実施例であるプラズマトーチＴｃｈで、図示しない溶接対象箇所を自動溶接するものである。所定の電極棒交換タイミングになると、自動溶接ロボットＷｒｏによってトーチＴｃｈが電極棒回収箱Ｒｕｃの直近真上に位置決めされ、トーチＴｃｈのチャック１０（図４）が電極解放位置（図３，図４の（ｂ））に駆動され、これにより電極棒であるタングステン電極１１がトーチＴｃｈから外れて電極棒回収箱Ｒｕｃの内部に落下する。次にトーチＴｃｈは、電極棒テーブルＲｏｓに準備されたタングステン電極群の中の１本のタングステン電極の真上から、該タングステン電極をトーチノズル１５（図２）の内部に受け入れるように下げられ、タングステン電極がトーチ内に奥深く所定位置に進入したタイミングでトーチの下げ駆動は停止される。そして電極棒テーブルＲｏｓにあって該タングステン電極を下支えするエアーシリンダが該タングステン電極を上駆動しトーチ使用時の所定位置で止め、そこでトーチＴｃｈのチャック１０が電極チャック位置（図２，図４の（ａ））に駆動されてタングステン電極を保持する。溶接ロボットＴｃｈは溶接作業を再開する。

図２に、図１に示すプラズマトーチＴｃｈを拡大して示す。プラズマトーチ基体１の円筒状内空間には、陰極台２，絶縁ブッシュ３および陽極台４が挿入され、これらが基体１に一体に固着されている。陽極台４の内部には、ノズル台内筒５およびノズル台６が挿入されている。ノズル台６の下端（先端）にはノズルチップ１４が装着されている。ノズル台６には連結筒７が固着されており、連結筒７に、その雄ねじを受け入れた雌ねじ付きのシールドキャップ８が螺合しており、シールドキャップ８をねじ込み方向に廻すことによって、シールドキャップ８の端面が基体１の端面に締め付けられている。

ノズル台内筒５の内部には電極ホルダ９があり、その内部に導電性のチャック１０がある。チャック１０を、電極棒であるタングステン電極１１が貫通している。チャック１０の割り溝１０ｔが切り込まれた先端がタングステン電極１１の中心に向かう方向に圧搾されてタングステン電極１１を把持（挟持）している。タングステン電極１１はセンタリングストーン１３を貫通して、ノズルチップ１４のノズル１５の中心に位置決めされている。

陰極台２には電極ホルダ９およびチャック１０が挿入されており、タングステン電極１１は、チャック１０，電極ホルダ９及び陰極台２を介して、パイロット電源およびメイン電源に電気的に接続される。

基体１のアームにあるプラズマガス管１７から、電極ホルダ９の内空間にプラズマガスが供給され、センタリングストーン１３の中心穴空間に至り、タングステン電極１１の先端のアークで電離されてプラズマとなって、ノズル１５から噴出する。基体１のアームにあるシールドガス管１８から、ノズル台６と基体１の間に送給されたシールドガスは、連結筒７の通気孔を通って、シールドキャップ８の内空間に至り、キャップ８からトーチ前方に噴出する。

導電性の給水管である陽極パイプ１９は基体１のアームを通して陽極台４に繋がっており、すなわち電気的に接続されており、陽極パイプ１９に供給される冷却水（実線矢印）は、陽極台４に入り、そしてノズル台６とノズル台内筒５との間の給水路ｗ１を通って、ノズルチップ装着部を周回するリング状空間ｗ２を通り、さらに排水路ｗ３を通って絶縁ブッシュ３の内空間であるリング状空間ｗ４を通って、導電性の排水管である陰極パイプ２０に出る。陰極パイプ２０は基体１のアームを通して陰極台２に繋がっている。すなわち電気的に接続されている。

ノズル台内筒５の、半径方向ｘに突出し軸方向ｚに延びる突条（図示せず）によって筒状空間が縦割りに半円筒状空間ｗ１，ｗ３に２区分されており、一方の半円筒状空間が給水路ｗ１、他方の半円筒状空間が排水路ｗ３である。ノズル台６は先端が裁頭円錐形状の外筒（６）と円筒状の内筒５で構成され２重筒状になっている。ノズル台６の内筒５の先端部にノズルチップ１４が挿入されている。ノズル台内筒５の内部に、タングステン電極１１をトーチ基体１の軸心に位置決めするセンタリングストーン１３がある。

チャック１０は電極台９の内部にあって軸方向(タングステン電極１１が延びる方向)に移動可能である。図５の（ａ１），（ａ２）に示すように、チャック１０の先端部には、十文字に分布する割り溝１０ｈがあり、タングステン棒１１を通す小径穴の直径は、タングステン棒１１の直径より小さい。しかし割り溝１０ｈが広がると該小径穴の直径が広がり、そこにタングステン棒を通すことができる。タングステン棒１１を通す小径穴に内テーパ面１０tが連続しかつ内テーパ面１０ｔに太径穴が連続している。

図２に示すように、チャック１０の太径穴にはその後端からチャックストッパ２１が挿入されており、チャックストッパ２１のチャックガイド２１ｇ（図５）を、トーチ基体１に一体の陰極台２にねじ結合（固着）した断熱カラー１６で、電極ホルダ９に締め付けることにより、チャックストッパ２１は陰極台２（トーチ基体１）に固定されている。すなわちチャックストッパ２１はトーチ基体１に固定であり、移動しない。チャックストッパ２１の先端面は、チャック１０の内テーパ面１０tに対向しそれに当接する先端テーパ２１ｐである。チャック１０が後端方向に移動し内テーパ面１０tが先端テーパ２１ｐに当接すると（図３）、割り溝１０ｈ間の分割片が外方に広げられるので、つまりタングステン棒１１を通す小径穴が広がるので、タングステン棒１１の把持がなくなる。すなわちチャックが解放され、タングステン棒１１はチャック１０から外れて滑り落ちる。なお、チャック１０には図５の（ａ１），（ａ２）に示すように、後端部に案内溝１０ｇがありそこにチャックストッパ２１の後端部のチャックガイド２１ｇが嵌り込んでおり（図２）、チャックストッパ２１がトーチ基体１（陰極台２）に固定されていても、チャック１０は軸方向に移動できる。

陰極台２にはねじ締めで断熱カラー１６が固着されている。この断熱カラー１６の内部にチャック１０の後端があって（図４の（ａ））、シールドカラー２２の先端部に挿入されている。また、チャック１０の後端には、そこの雌ねじ穴１０ｆ(図５の（ａ１）)へのねじ込みにより連結ロッド２３（図６の（ａ１）−（ａ３））の先端が連結している（図２）。連結ロッド２３はコイルばね２４および係合リング２５を貫通している。コイルばね２４の先端はシールドカラー２２の後端面に当接し、後端は係合リング２５に対向している。

トーチ基体１と一体の陰極台２にねじ結合で固着した断熱カラー１６（図５の（ｃ１），（ｃ２））に、連結フレーム２７（図７）の先端部が、４本のねじで固定されている。連結フレーム２７の後端部にはエアーシリンダ３０が装着されている（図２）。２分割のフック半体２６ａ，２６ｂ（図６の（ｂ１）−（ｂ３），（ｃ１）−（ｃ３））の先端部で係合リング２５を把持し、後端部で、エアーシリンダ３０から突出した突き出しロッド２９に固着した連結カラー２８を把持して、両半体２６ａ，２６ｂをねじで一体に結合することにより、係合リング２５に突き出しロッド２９を連結している（図２）。

図２は、エアーシリンダ３０の突き出しロッド２９を突き出して、コイルスプリング２４およびシールドカラー２２を介してチャック１０を、電極棒チャック位置に駆動した、電極棒チャック状態を示す。図３には、エアーシリンダ３０の突き出しロッド２９を引き込んでチャック１０によるタングステン棒１１の保持を解除した、電極棒解放状態を示す。

図４の（ａ）および（ｂ）に、理解を容易にするために、電極棒チャック状態および電極棒解放状態の、自動着脱機構のみを摘出して示す。図４の（ａ）に示す電極チャック状態では、電極ホルダ９の内側テーパにチャック１０の先端外側テーパが当接し、先端部の割り溝部を圧搾し、タングステン棒１１が把持されている。しかし、図４の（ｂ）に示すように、チャック１０が後端方向に駆動されてその内テーパ面１０tがチャックストッパ２１の先端テーパ２１ｐに当接しさらに後端方向に駆動されると、チャック１０の先端部の割り溝間の分割片が先端テーパ２１ｐにより押し広げられるので、タングステン棒１１が解放され下方に抜け落ちる。

エアーシリンダ３０で突き出しロッド２９を距離Ｄｅ分押し出すことにより、プラズマトーチＴｃｈは、図２および図４の（ａ）に示す電極棒チャック状態となる。この状態で長く放置されて仮にエアーシリンダ３０の駆動圧が抜けても、チャック１０が先端テーパ２１ｐに当たり先端部が押し広げられるほどに移動することはなく、チャック１０によるタングステン棒１１の保持は継続する。

Ｔｃｈ：プラズマトーチ
Ｗｒｏ：溶接ロボット
Ｗｐｗ：溶接電源他
Ｒｕｃ：使用済電極棒回収箱
Ｒｏｓ：電極棒テーブル
１：基体
２：陰極台
３：絶縁ブッシュ
４：陽極台
５：ノズル台内筒
６：ノズル台
７：連結筒
８：シールドキャップ
９：電極ホルダ
１０：チャック
１０ｈ：割り溝
１０ｔ：内テーパ
１０ｇ：案内溝
１０ｆ：雌ねじ穴
１１：タングステン電極
１３：センタリングストーン
１４：ノズルチップ
１５：ノズル
１６：断熱カラー
１６ｃ：リング溝
１７：プラズマガス管
１８：シールドガス管
１９：陽極パイプ（給水管）
２０：陰極パイプ（排水管）
２１：チャックストッパ
２１ｐ：先端テーパ
２１ｇ：スライダ
２２:シールドカラー
２３：連結ロッド
２３ｍ：雄ねじ
２３ｇ：電極棒収容穴
２４：コイルスプリング
２５：係合リング
２６ａ：フック半体
２６ａｂ：連結溝
２６ａｆ：ねじ通し穴
２６ｂ：フック半体
２６ｂｂ：連結溝
２６ｂｆ:雌ねじ穴
２７：連結フレーム
２８：連結カラー
２９：突き出しロッド
３０：エアーシリンダ
ｗ１：給水路
ｗ２：リング状空間
ｗ３：排水路
ｗ４：リング状空間

Claims (4)

1. 先端部に小径穴があって該小径穴に内テーパ面が連続しかつ該内テーパ面に太径穴が連続し、前記先端部にそこを半径方向に拡大／縮小可能とする割り溝があり、前記小径穴は電極棒が通っていないときは電極棒の直径より小さい直径であって電極棒が通るときは拡大し挿通した電極棒を前記先端部が把持する、円筒形のチャック；
   前記チャックの前記太径穴に挿入されて先端が前記内テーパ面に対向し前記チャックの軸方向の移動により前記チャックの前記先端部を拡大／縮小する、トーチ基体に固定されたチャックストッパ；および、
   前記チャックを、前記内テーパ面が前記チャックストッパの前記先端より離れてチャックの前記先端部が前記電極棒を把持する電極棒保持位置と、前記内テーパ面が前記チャックストッパの前記先端に当たってチャックの前記先端部が前記電極棒を解放する電極棒解放位置に、駆動するチャック駆動手段；
   を備えることを特徴とする熱加工トーチ。
2. 前記チャックの前記太径穴の周壁には軸方向に延びる案内溝があり、前記チャックストッパには、前記案内溝を内側から外側に突出してトーチ基体に固定されるチャックガイドがある、請求項１に記載の熱加工トーチ。
3. 前記チャック駆動手段は、前記チャックを前記電極棒保持位置から前記電極棒解放位置にまたその逆に駆動するエアーシリンダを含む、請求項１又は２に記載の熱加工トーチ。
4. 前記チャック駆動手段は更に、前記チャックと前記エアーシリンダの突き出しロッドとの間に介挿されたコイルスプリングを含む、請求項１乃至３のいずれかひとつに記載の熱加工トーチ。

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