JP5008132B2 - 溶接トーチの電極交換装置 - Google Patents

Description

本発明は溶接トーチの電極交換装置に関する。より詳しくは、タングステン電極の検知機構を設けることによって、タングステン電極の交換作業を効率的かつ適正に行うことを可能とした溶接トーチの電極交換装置に関する。

近年、自動車工業、電気機器工業などでは溶接ロボットの導入により溶接工程の自動化が進んでいる。従来のタングステンイナートガス溶接（ＴＩＧ溶接）用の溶接ロボットは、多関節ロボットに溶接トーチを設けたものが用いられている。このようなＴＩＧ溶接作業においては、電極先端が磨耗等により次第に丸みを帯び、また、電極先端に溶接中の析出部が付着する。したがって、このまま溶接を継続すると不安定なアークにより溶接品位が低下する。このため、電極の交換時期に達すると先端を鋭角に研磨した新品のタングステン電極に交換する作業がなされている。

このような電極交換に関連して、例えば、特許文献１には、溶接トーチ本体の後部側にタングステン電極が通過出来る貫通穴を有する中空ロッドでコレットをコレットボディに押付けてタングステン電極を把持する電極固定機構と、円柱状回転体の外周側に均等間隔で多数穿設した電極保持穴に定尺タングステン電極を挿設してなる電極ホルダをモータで回転位置決めさせる電極割出し機構と、前記電極ホルダから新しいタングステン電極を挿入し古いタングステン電極をトーチ先端から排出する電極入替え機構と、を具えるように構成して電極の自動交換を可能とした溶接トーチが記載されている。
特開平１０−６０１４号公報

しかしながら、前記特許文献１のような溶接トーチでは、電極ホルダに適正に装着されたタングステン電極の有無を検知するためのセンサ機構が設けられていないために電極ホルダの駆動や新規電極の供給を効率化できないことに加えて、タングステン電極がアーク熱によって劣化摩耗したり不純物が付着したりして溶接に悪影響を与えるが、この不規則となる電極の交換タイミングに合わせて、新規電極を準備しておくことが困難な場合もあった。
本発明はこの様な事情に鑑みて提案されたもので、電極の検知機構を設けることによって電極の交換作業を効率的かつ適正に行うことを可能とした溶接トーチの電極交換装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の溶接トーチの電極交換装置は、ロボットアームを介して操作される溶接トーチに電極を取り付ける溶接トーチの電極交換装置であって、
前記電極が挿入立設される電極ホルダ１３をその周縁に沿って等間隔に配置した回転テーブル１４と、
前記回転テーブル１４の電極取出位置Ｘに設けられた電極ホルダ１３に装着された前記電極１２の有無を検知する第１のスイッチ１５と、
前記回転テーブル１４の電極補充予知位置Ｙに設けられた電極ホルダ１３に装着された前記電極１２の有無を検知する第２のスイッチ１６と、を有した溶接トーチの電極交換装置であって、
前記回転テーブル１４は、上部円盤１４ａ及び下部円盤１４ｂを上下平行に配置して形成され、
上部円盤１４ａと下部円盤１４ｂとの間隔は、電極の長さに応じて調整可能なように下部円盤１４ｂを上昇できるようになっており、
前記電極ホルダ１３は、上部円盤１４ａに穿孔され電極が挿入される電極挿入部１３ａと、挿入された電極の先端を受ける下部円盤１４ｂに形成された凹部１３ｂとで構成されていることを特徴とする。

（２）本発明の溶接トーチの電極交換装置は前記（１）において、第１のスイッチにおける検知信号が「電極なし」の場合に回転テーブルを１ピッチ分回転させ、「電極あり」の場合に回転テーブルを当該位置に保持させる制御部を備えていることにも特徴を有している。

（３）本発明の溶接トーチの電極交換装置は、前記（１）又は（２）において、第２のスイッチにおける検知信号が「電極なし」の場合に補充警告音などの警告信号を発生させる警告部を有していることにも特徴を有している。

（４）本発明の溶接トーチの電極交換装置は、前記（１）〜（３）において、電極が把持された溶接トーチにおける電極突出長さを調整するための電極調整部を配置したことにも特徴を有している。
（５）本発明の溶接トーチの電極交換装置は、前記（１）〜（４）において、
その上部に移動させた溶接トーチから、消耗した電極を引き抜くためのアンチャック装置をさらに設けたことにも特徴を有している。

本発明の溶接トーチの電極交換装置は、電極を挿入立設する電極ホルダをその周縁に沿って等間隔に配置した回転テーブルと、回転テーブルの電極取出位置の電極の有無を検知する第１のスイッチと、回転テーブルの電極補充予知位置の電極の有無を検知する第２のスイッチと、を有するので、回転テーブル上に配置される電極の有無を把握して、回転テーブル上に電極を常時適正に配置しておくことができ、電極の交換作業を効率的に行うことができる。

本実施形態における溶接トーチの電極交換装置は、溶接トーチの電極交換装置であって、回転テーブルの周縁に沿って電極ホルダを等間隔に配置し、その電極ホルダに新規の電極を挿入して立設させ、回転テーブルの電極取出位置に第１のスイッチを設け電極ホルダに装着された新規電極の有無を検知するとともに、回転テーブルの電極補充予知位置にも第２のスイッチを設け電極ホルダに予備的な新規電極が補充されているかどうかを検知するようにしている。これによって、回転テーブル上に電極を常時配置するようにして、電極の交換作業を効率的に行うことができるようにしている。

溶接トーチは、ティグ溶接、ミグ溶接、マグ溶接に代表されるガスシールドアーク溶接などに適用されるタングステン電極などを支持するためのトーチ部材であって、溶接を行うための溶接電流や、溶接雰囲気内に空気が侵入するのを防ぐためのシールドガスなどの供給を行うための器具である。この溶接トーチは、トーチ本体を把持するロボットアームを介して所定位置に移動操作され、そのアンクランプ操作やクランプ操作などがなされるようになっている。ロボットアームはプログラム制御又はオペレータによる手動制御により駆動されて、前記溶接トーチの作動が制御される。

回転テーブルは、溶接トーチが作動される溶接箇所の近傍に、消耗した電極を引き抜くための電極引抜装置や、新規電極の突出長さを調整するための電極長調整装置とともに設けられ、新規電極を挿入立設する電極ホルダをその周縁に沿って等間隔に配置している。この回転テーブルは溶接システムを制御する制御部５０を介して、電動モータなどの駆動部により回転駆動される。

電極ホルダは、溶接トーチに装着される細長の電極を保持しておく部分であり、回転テーブルの周縁に沿って均等間隔に多数穿設されている。そして、この電極ホルダが配置された回転テーブルの近傍には、ロボットアームによって電極を電極ホルダから取り出すための電極取出位置や、回転テーブルの空（電極が補充されていない）の電極ホルダに電極を補充するための電極補充予知位置を設けている。

第１のスイッチや第２のスイッチは、そのセンサ部分に対して電極が所定距離内に近づいたときにオンまたはオフするセンサデバイスであり、金属の存在を検出する誘導形近接スイッチ、金属及び非金属物体の存在を検出する静電容量形近接スイッチ、音響反射物体を検出する超音波近接スイッチ、物体の存在を検出する光電形近接スイッチなどを適用することができる。近接スイッチは、マイクロスイッチやリミットスイッチのように可動部を持ち検出対象に接触し機械的なエネルギーにて接点を開閉するものに対し、非接触で物体の有無を検出するので、高速応答性と高い信頼性が期待できる。

また、本実施形態における溶接トーチの電極交換装置は、第１のスイッチにおける検知信号が「電極なし」の場合に回転テーブルを電極ホルダーの１ピッチ分回転させて次の電極ホルダーを位置付け、「電極あり」の場合に回転テーブルを当該位置に保持させる制御部を有するように構成することもできる。これによって、回転テーブルの電極取出位置に新規電極を常時補充させることができ、回転テーブルの回転動作に伴うロスタイムを少なくして、溶接トーチの電極交換装置の効率的な稼動を行うことができる。

本実施形態における溶接トーチの電極交換装置は、第２のスイッチにおける検知信号が「電極なし」の場合に補充警告音などの警告信号を発生させる警告部を有するように構成することもできる。これによって、回転テーブルにおける空の電極ホルダの位置を把握することができ、オペレータによる手動操作又はロボットアームなどを介した自動操作により、空の電極ホルダに新規電極を補充することができる。

本実施形態における溶接トーチの電極交換装置は、新規の電極が把持された溶接トーチにおける電極突出長さを調整するための電極調整部を配置することもできる。これによって、溶接トーチの電極長さを一定に固定し、高精度でかつ信頼性に優れた溶接作業を行うことができる。
さらに本実施形態における溶接トーチの電極交換装置は、溶接トーチが作動される溶接箇所の近傍に、消耗した電極を引き抜くための電極引抜装置を設けることもできる。これによって、消耗した電極を溶接トーチから引き抜く作業を自動化して、高効率な溶接作業を行うことができる。

（実施例１）
図１は実施例１に係る溶接トーチの電極交換装置の平面図、図２はその正面図、図３は回転テーブルの平面図、図４は溶接トーチの説明図である。以下、図面を参照しながら実施例の溶接トーチの電極交換装置について説明する。
図１〜４に示すように、溶接トーチの電極交換装置１０は、溶接トーチ１１に装着される新規電極となるタングステン電極１２を保持するための電極ホルダ１３をその周縁に沿って合計２０個を、等間隔に配置した回転テーブル１４をその基台１０ａ上に備えている。なお、図４に示す溶接トーチ１１は図示しないロボットアームなどに把持されて駆動されるようになっている。
この回転テーブル１４の電極取出位置Ｘには電極ホルダ１３にロボットアームを介して装着されたタングステン電極１２の有無を検知するための近接スイッチ（第１のスイッチ）１５と、回転テーブル１４の電極補充予知位置Ｙに設けられ電極ホルダ１３に装着されたタングステン電極１２の有無を検知するための近接スイッチ（第２のスイッチ）１６が設置されている。

回転テーブル１４はその全体が直径約２００ｍｍの上部円盤１４ａ及び下部円盤１４ｂを約７２ｍｍ間隔で上下平行に配置して形成したような円筒状のものである。そして、上部円盤１４ａに穿孔され新規電極が挿入される電極挿入部１３ａと、挿入された新規電極の先端を受ける下部円盤１４ｂに形成された凹部１３ｂとによって電極ホルダ１３が構成されている。
回転テーブル１４の底部には図示しない電動モータが内蔵され、この電動モータを制御部５０を介して駆動させることによって、所定の回転角度で全部で２０個となる各極ホルダ１３を、回転テーブル１４上の予め設定された電極取出位置Ｘや電極補充予知位置Ｙに位置付けることができるようになっている。なお、上部円盤１４ａと下部円盤１４ｂとの間隔は、電極の長さに応じて調整可能となっており、図２の破線で示すように下部円盤１４ｂを上昇できるようになっている。
さらに、下部円盤１４ｂを上昇させる代わりに、下部円盤１４ｂの上に着脱自在のキャップ１７（破線で示す）を設置することによっても、電極の長さに応じて上部円盤１４ａと下部円盤１４ｂとの間隔を調整可能とすることができる。

第１又は第２の近接スイッチ１５、１６は、例えば金属の存在を検出する誘導形近接スイッチなどであって、回転テーブル１４上における電極取出位置Ｘや電極補充予知位置Ｙにそれぞれ配置されている（図１及び図３参照）。そして、各近接スイッチ１５、１６の検出信号が溶接トーチの電極交換装置１０の制御部５０に取得されるようになっている。

溶接トーチ１１は、例えばロボットアームの先端に取り付けられ、予め作成されたプログラムに従ってロボットアームと共に動作し、図示しない被溶接物を溶接する。なお、符号２０は繰返し溶接を行うことによって消耗した溶接トーチ１１の使用済みのタングステン電極を溶接トーチ１１から取り外すためのアンチャック装置の一部であり、符号２１は溶接トーチ１１に装着されたタングステン電極１２の突出長さを調整するための電極調整部である。

図４の溶接トーチ１１の断面図に示すように、トーチ本体１１ａに装入された後部コレット支持体１１ｈは、クランプシリンダ１１ｃの動作によって上下方向に駆動される。後部コレット支持体１１ｈに支持される後部コレット１１ｂはその先端部で内周面がテーパ状に拡径されており、クランプシリンダ１１ｃの動作によって上下方向に移動させることができるようになっている。

後部コレット支持体１１ｈに後部コレット１１ｂを介して連接される前部コレット１１ｄは、トーチ本体１１ａの内周面に嵌合され、その先端部がテーパ状に縮径されており、後部コレット１１ｂと同様に上下方向に移動する。

後部コレット１１ｂ及び前部コレット１１ｄは先き割れしており、タングステン電極１２を挿入又は引き抜きできる程度の内径を有している。後部コレット１１ｂ及び前部コレット１１ｄを下方に移動させることによって、先き割れした部分が互いに接近し後部コレット１１ｂ及び前部コレット１１ｄの内径が縮小してタングステン電極１２がクランプされる。

インシュレータ１１ｅは、前部コレット１１ｄの外周面に嵌合され、また前部コレット１１ｄの外周面には、ノズル部１ｆが嵌合されている。後部コレット支持体１１ｈはバネ１１ｇによって常時下方に付勢されている。消耗したタングステン電極１２を溶接トーチ１１から引き抜く場合、またはタングステン電極１２の突出長を調整する場合に、クランプシリンダ１１ｃが駆動して後部コレットを上方に移動させることでタングステン電極１２がアンクランプされる。

以上のように構成される溶接トーチの電極交換装置１０を用いた溶接トーチの電極交換方法について説明する。
まず、以下の（１）〜（９）で、溶接トーチから消耗電極を抜き取る動作について説明する。なお、以下の動作は、全て制御部５０を介して制御させる。
（１）ロボットアームに把持された溶接トーチ１１を回転テーブルの近傍のアンチャック装置２０の上部に移動させ、溶接トーチ１１から消耗した電極を引抜くためのアンチャック装置２０のチャックの爪がタングステン電極１２を掴んでいるのを確認した後、溶接トーチ側チャックをアンクランプ状態にする。
（２）タングステン電極１２が溶接トーチ１１から完全に脱ける位置まで溶接トーチ１１を引き上げる。
（３）アンチャック装置２０の電極取り外しチャックを開放状態にして使用済みのタングステン電極１２を電極受けボックスに落下させる。
（４）溶接トーチ１１内のセンサにより溶接トーチ１１に電極が保持されていないことを確認する。
（５）溶接トーチ１１を回転テーブル１４上の交換用タングステン電極１２を掴める電極取出位置Ｘの電極ホルダ１３の上部に移動させ、その電極ホルダ１３に挿入立設されているタングステン電極１２を溶接トーチ１１内に挿入するように下降させる。
（６）溶接トーチ１１に新規のタングステン電極１２をクランプさせ、タングステン電極１２が電極ホルダ１３から完全に脱ける位置まで溶接トーチ１１を上昇させる。
（７）溶接トーチ１１内のセンサにより溶接トーチ１１がタングステン電極１２をクランプしていることを確認する。
（８）溶接トーチ１１にクランプした新規電極の電極突出長さを調整するため、電極調整部２１の上に移動させ、タングステン電極１２の先端部を電極調整部２１の台上に突き当て、溶接トーチ側のチャックを一旦アンクランプ状態にする。
（９）溶接トーチ１１を上下に移動させ、最適なタングステン電極１２の突出長さのところで、タングステン電極１２を溶接トーチ１１のチャックで再クランプする。

次に、回転テーブル１４の電極ホルダ１３にタングステン電極１２を補充する操作について説明する。回転テーブル１４には、電極取出位置Ｘに設けた第１の近接スイッチ１５における検知信号が「電極なし」の場合に回転テーブル１４を電極ホルダ１ピッチ分回転させ、「電極あり」の場合に回転テーブル１４を当該位置に保持させるための制御部５０を備えている。これによって、電極取出位置Ｘには、常時タングステン電極を挿入立設状態にするようにしている。

また、回転テーブル１４の電極補充予知位置Ｙに設けた第２の近接スイッチ１６における検知信号が「電極なし」の場合には警告音をブザーなどの警告部で発生させる。したがって、タングステン電極が保持されていない空の電極ホルダが回転テーブル１４に生じたときに、作業者が空の電極ホルダ１３に新規のタングステン電極１２を適宜、所定のタイミングで補充できる。こうして、タングステン電極１２交換時におけるタイムロスを少なくして、効率的な溶接作業を行うことができるようにしている。

（実施例２）
図５は溶接トーチの電極交換装置１０に適用される電極交換のフローチャートの一例である。以下図面を参照して説明する。最初のステップＳ１０では、溶接トーチの電極交換装置１０における制御部５０や電動モータなどの電源状態やメモリ条件がクリアーされる。

次のステップＳ１１では、第１の近接スイッチ１５を介して回転テーブル１４の電極取出位置Ｘにあるタングステン電極１２の有無がチェックされる。ここで、タングステン電極１２が有る場合（「電極あり」）（ｙｅｓ）には、ステップＳ１６へ移行し、無しの場合（「電極なし」）（ｎｏ）には、第２の近接スイッチ１６を判定するステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、回転テーブル１４の電極補充予知位置Ｙにおけるタングステン電極１２の有無が第２の近接スイッチ１６により判定される。ここでタングステン電極１２が有る場合（「電極あり」）（ｙｅｓ）には、ステップＳ１５へ移行し、無しの場合（「電極なし」）（ｎｏ）には、タングステン電極１２の補充警告信号を発生させるステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３ではブザーやベルなどの補充警告信号により周囲に補充警告がなされ、これによって、次のステップＳ１４において、作業者や図示しない電極補充装置などによって、回転テーブル１４上の空の電極ホルダ１３に新規のタングステン電極１２を補充する処理がなされる。

次いで、ステップＳ１５では、回転テーブル１４を１ピッチ分回転させることによって、隣接する次の電極ホルダ１３を回転テーブル１４の電極取出位置Ｘに位置付けた後、ステップＳ１１に戻る。

前記ステップＳ１１における第１の近接スイッチ１５の検出信号が（ｙｅｓ）の場合のステップＳ１６では、ロボットアームに取り付けられた溶接トーチ１１のタングステン電極の消耗程度が判定される。ここで、タングステン電極１２が交換時期と判定された場合（ｙｅｓ）には、ステップＳ１７へ移行し、交換時期でないと判定された場合（ｎｏ）には、溶接可能表示を行うステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１７におけるロボットアームの作動処理では、ロボットアームを介して溶接トーチ１１をタングステン電極１２のアンチャック装置２０に移動させ、消耗したタングステン電極を抜き取る。次に溶接トーチ１１の先端を電極取出位置Ｘに位置付けて、電極ホルダ１３に立設された新規のタングステン電極１２を把持する。

最後のステップＳ１９では、新規のタングステン電極１２が装着された溶接トーチ１１を、ロボットアームを介して、タングステン電極１２の電極突出長さを調整するための電極調整部２１に移動させ、突出長さを所定長に設定する処理を実行する。

本発明は、自動車工業や電気機器工業などにおける溶接ロボットによる溶接工程に広く適用することができる。すなわち、回転テーブル上に配置される電極の位置をスイッチにより把握することができるので、回転テーブル上に電極を常時適正に配置しておくことができる。こうして、溶接作業において電極先端が磨耗したり、電極先端に析出物が付着したりした際の電極交換を迅速に行うことが可能となる。

実施例１に係る溶接トーチの電極交換装置の平面図である。 同溶接トーチの電極交換装置の正面図である。 回転テーブルの平面図である。 溶接トーチの断面図である。 実施例２における電極交換のフローチャートである。

符号の説明

１０ 溶接トーチの電極交換装置
１１ 溶接トーチ
１１ａ トーチ本体
１１ｂ 後部コレット
１１ｃ クランプシリンダ
１１ｄ 前部コレット
１１ｅ インシュレータ
１１ｆ ノズル部
１１ｇ バネ
１１ｈ 後部コレット支持体
１２ タングステン電極
１３ 電極ホルダ
１３ａ 電極挿入部
１３ｂ 凹部
１４ 回転テーブル
１４ａ 上部円盤
１４ｂ 下部円盤
１５ 第１のスイッチ（近接スイッチ）
１６ 第２のスイッチ（近接スイッチ）
１７ キャップ
２０ アンチャック装置
２１ 電極調整部
５０ 制御部
Ｘ 電極取出位置
Ｙ 電極補充予知位置

Claims (5)

1. ロボットアームを介して操作される溶接トーチに電極を取り付ける溶接トーチの電極交換装置であって、
   前記電極が挿入立設される電極ホルダ１３をその周縁に沿って等間隔に配置した回転テーブル１４と、
   前記回転テーブル１４の電極取出位置Ｘに設けられた電極ホルダ１３に装着された前記電極１２の有無を検知する第１のスイッチ１５と、
   前記回転テーブル１４の電極補充予知位置Ｙに設けられた電極ホルダ１３に装着された前記電極１２の有無を検知する第２のスイッチ１６と、を有した溶接トーチの電極交換装置であって、
   前記回転テーブル１４は、上部円盤１４ａ及び下部円盤１４ｂを上下平行に配置して形成され、
   上部円盤１４ａと下部円盤１４ｂとの間隔は、電極の長さに応じて調整可能なように下部円盤１４ｂを上昇できるようになっており、
   前記電極ホルダ１３は、上部円盤１４ａに穿孔され電極が挿入される電極挿入部１３ａと、挿入された電極の先端を受ける下部円盤１４ｂに形成された凹部１３ｂとで構成されていることを特徴とする溶接トーチの電極交換装置。
2. 前記第１のスイッチ１５における検知信号が「電極なし」の場合に前記回転テーブル１４を１ピッチ分回転させ、「電極あり」の場合に前記回転テーブル１４を当該位置に保持させる制御部５０を有していることを特徴とする請求項１記載の溶接トーチの電極交換装置。
3. 前記第２のスイッチ１６における検知信号が「電極なし」の場合に補充警告音などの警告信号を発生させる警告部を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の溶接トーチの電極交換装置。
4. 前記電極が把持された前記溶接トーチにおける電極突出長さを調整するための電極調整部を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶接トーチの電極交換装置。
5. その上部に移動させた溶接トーチから、消耗した電極を引き抜くためのアンチャック装置をさらに設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の溶接トーチの電極交換装置。

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