JP2005131683A

JP2005131683A - 加圧力可変溶接ヘッド

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Publication number: JP2005131683A
Application number: JP2003371645A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kobayashi; 寛和小林; Tetsuaki Kokuta; 哲章穀田
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP3893125B2

Abstract

【課題】加圧力可変の溶接ヘッドにおいて、加圧力のコントロールが正確にでき、電極の傾斜がない加圧機構を実現する。
【解決手段】一端に錘７を設けた第１のてこ部材５と一端に押圧部１６Ａを設けた第２のてこ部材１６を略並列方向に配置し、夫々の支点を昇降部材１５に固定する。また、第一のてこ部材５には当接部材８を設け、第２のてこ部材１６を押圧するようにする。さらに電極組立４を上下の直線方向へ移動可能に昇降部材１５で支持し、昇降部材１５が下降することで被溶接部材２１１に接触した電極組立部４を、押圧部１６Ａが上方から押圧するようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は抵抗溶接の溶接ヘッドに関し、さらに詳しくは比較的低加圧力の加圧力可変溶接ヘッドに関するものである。

従来より抵抗溶接においては溶接電流のコントロールとともに、溶接電極による被溶接部材への押圧力のコントロールが重要とされており、電気部品の電極に入出力のためのリードを溶接する場合や、プリント配線板の断線箇所に補修部材をあてがい、断線箇所の両側の回路パターンに補修部材を溶接する場合などにも、この加圧力のコントロールの工夫がなされてきた。

抵抗溶接による溶接作業の一例として、プリント配線板の断線修理における溶接の様子を図８に基づいて説明する。図８において１０１はプリント配線板、１０２はプリント配線板１０１上に形成された回路パターン、１０４は補修部材、１０５は電極組立である。

ここでプリント配線板１０１はステージ１０３上に位置ずれしないように載置され、ステージ１０３は断線箇所１０２Ａが電極組立１０５の直下に位置するように、水平面上のＸ方向、Ｙ方向に移動して位置決め動作を行う。またさらに水平面上の姿勢を所定の角度とするためにθ方向に回転する場合もある。位置決めがなされたのち補修部材１０４が断線箇所１０２Ａにあてがわれ、断線箇所１０２Ａの両側の回路パターン１０２と補修材１０４を図８（ａ）で示す１０４Ａと１０４Ｂの位置で溶接する。

電極組立１０５は図８（ｂ）で示すように、一対の電極１０５Ａおよび１０５Ｂが間隙１０５Ｃを挟んで配置されており、両電極の先端で被溶接部材である補修部材１０４を押圧したのち、図示しない電力供給手段により両電極に電位差が与えられ、この電位差で回路パターン１０２と補修部材１０４とに電流が流れナゲットが形成されることにより抵抗溶接がなされる。

前述したようにこのような溶接においても電極の被溶接部材に対する加圧力のコントロールが従来から工夫されており、例えば特許文献１で開示されたような、てこ部材を組み合わせて加圧力を可変にコントロールする技術がある。この技術は原理的には図９で示すようなものである。

図９において２０１は溶接ヘッドの外筺、２０２はベース、２０３は第１のてこ部材、２０４は第１の支点、２０５は錘、２０６は当接部材、２０７は第２のてこ部材、２０８は第２の支点、２０９は電極組立、２１０はストッパ、２１１は被溶接部材である。

ここで溶接ヘッドの外筺２０１は被溶接部材の上空に所定の高さで固定されており、内面にはベース２０２が固定されている。また、このベース２０２に設けてある第１の支点２０４からは、回動自在に第１のてこ部材２０３が延設されており、この第１のてこ部材２０３の先端には錘２０５が配設されている。

さらにこの第１のてこ部材２０３は丸棒に雄ねじを切った形状をなしており、下端にローラを有した当接部材２０６をこの雄ねじに螺合し、第１のてこ部材２０３を軸を中心に回転させる（前記雄ねじを回す）ことで、当接部材２０６を図９（ａ）で示す矢印ア方向に移動させ、第１の支点２０４と当接部材２０６とを任意の間隔に調整できるようにしている。またベース２０２に設けてある第２の支点２０８からは、回動自在に第２のてこ部材２０７が延設されており、この第２のてこ部材の先端には電極組立２０９が固定されている。

溶接時以外は図９（ａ）で示すようにストッパ２１０が第２のてこ部材２０７を下方から支持しているが、溶接時には操作者がストッパ２１０を下方へ移動させるので電極組立２０９が被溶接部材２１１に接触する。このとき電極組立２０９の先端は、第２のてこ部材２０７および電極組立２０９による荷重と当接部材２０６自身の荷重、さらに当接部材２０６を介して伝達された第１のてこ部材２０３および錘２０５の荷重が加わった押圧力で被溶接部材２１１を押圧する。またこのとき第１の支点２０４と当接部材２０６との間隔（図９（ｂ）で示す寸法イ）を所定の間隔に調整しておくことで、所定の押圧力を得ることができる。

特公昭４２−１５２９６号公報（第１頁、図１）

しかしながら、前述した電極組立２０９の動作範囲の中にあっても図９（ｂ）で示すように全動作範囲の下の方で電極先端が被溶接部材２１１に接触する場合と、図９（ｃ）で示すように全動作範囲の上の方で電極先端が被溶接部材２１１に接触する場合とでは第１および第２のてこ部材の角度が異なってしまい加圧力が所定の値からずれてしまう。

これを回避するために被溶接部材２１１の厚さに合わせて溶接ヘッド全体の上下位置の調整を正確に行うことは、操作者にとって非常に困難であるし手間がかかる。さらに被溶接部材２１１が同一の品種であっても厚さにばらつきがある場合は、それに応じて溶接ヘッドの位置を上下に調整することは現実的でない。

また、前述した従来の構成では電極組立２０９の電極の先端は円弧状の軌跡を描いて動作するため、被溶接部材２１１の上面の高さが変動することで、電極先端の被溶接部材２１１に接触する位置がずれてしまうという問題がある。例えば従来技術の説明で紹介したプリント配線板の回路パターンなどは、近年の高密度実装の要求から線幅が２５μｍ程度にまで細くなってきている。このような細線を溶接する場合には、１０μｍ程度の位置ずれが溶接品質に大きな影響を与える。

またさらに電極先端が円弧状の軌跡を描いて動作するため、電極先端の被溶接物２１１に接触すべき面が常に同じ角度で接触しないという問題があった。この現象は当業者間で片当たりと称され溶接品質と電極の寿命に大きく影響するため、電極を装置に組み込んでから先端を研磨する等の緻密な努力が払われているが、電極先端の接触すべき面と被溶接部材２１１の表面との接触時の平行度の確保は、前述した従来の構成からは望めない。

本発明は第１の態様として、一端に第１の支点、他端に錘を有し、前記第１の支点と前記錘とのあいだに前記第１の支点との間隔を調整可能に設けられた当接部材を有する第１のてこ部材と、一端に第２の支点、他端に押圧部を有し、前記第１のてこ部材に対して略並列位置に設けられた第２のてこ部材と、前記第１および第２の支点が固定された昇降部材と、前記押圧部に固定された電極組立とで構成され、前記当接部材が前記第２のてこ部材に当接した状態で前記昇降部材が下降して、前記電極組立が被溶接部材に接触することを特徴とする加圧力可変溶接ヘッドを提供する。

また第２の態様として、一端に第１の支点、他端に錘を有し、前記第１の支点と前記錘とのあいだに前記第１の支点との間隔を調整可能に設けられた当接部材を有する第１のてこ部材と、一端に第２の支点、他端に押圧部を有し、前記第１のてこ部材に対して略並列位置に設けられた第２のてこ部材と、前記第１および第２の支点が固定された昇降部材と、上下の直線方向に移動可能な状態で前記昇降部材に支持された電極組立とで構成され、前記当接部材が前記第２のてこ部材に当接した状態で前記昇降部材が下降して、前記昇降部材が下降することで被溶接部材に接触した前記電極組立部を、前記押圧部が上方から押圧することを特徴とする加圧力可変溶接ヘッドを提供する。

本発明の第１の態様によれば、電極先端が動作範囲のどの位置で被溶接物に接触しても接触開始時点での第１および第２のてこ部材の傾斜角度を同じにできる。したがって、接触した直後に溶接電流を流すことで、被溶接部材の厚さにばらつきがあったり、溶接ヘッドの上下位置の設定にばらつきがあった場合でも常に安定した押圧力を得ることが可能となり、安定した溶接品質が得られる。

また本発明の第１の態様のように電極先端が円弧状の軌跡を描く機構であっても、電極先端と被溶接部材との接触開始時点での第２のてこ部材の傾斜角度が一定であるため、電極先端の被溶接部材に接触すべき面と被溶接部材表面との接触直後の平行度が保たれ、安定した溶接品質が得られる。

さらに、本発明のように電極先端が円弧状の軌跡を描くような機構であっても、電極先端と被溶接部材との接触開始時点での第２のてこ部材の角度が一定であるため、常に溶接位置が一定となり位置ずれを起こし難い。

また本発明の第２の態様によれば、電極先端と被溶接部材との接触開始時点だけでなく、電極先端の被溶接部材に接触すべき面を常に一定の角度に保つことが可能となり、前述したような片当たりをさらに確実に回避することができる。

加えて本発明の第２の態様によれば、電極先端と被溶接部材との接触開始時点だけでなく、時間の経過とともに昇降部材が沈み込み、第２のてこ部材が傾斜した状態でも電極先端の位置がずれないので、溶接後の被溶接部材に横方向の力を加えることがなく、微細な溶接作業の溶接品質がさらに向上する。

図５は本発明による加圧力可変溶接ヘッドを用いた溶接装置の全体図である。本図において１は溶接ヘッド、５１は溶接ヘッドを保持する支柱、５２は被溶接部材を載置して位置決めするステージ、５３は架台、５４はフットスイッチである。溶接ヘッド１は外筺２で覆われており先端には電極組立４が露出している。また外筺２の側面からは、ダイヤル３も露出している。本図において電源部、制御部、操作部は省略してある。

操作者は溶接ヘッド１を適切な高さで支柱５１に固定し、ステージ５２上に被溶接部材を載置する。そしてステージ５２の駆動により溶接箇所を電極先端の直下に位置決めしたあとフットスイッチ５４を踏むことで溶接動作を開始する。

次に図１乃至図４に基づいて溶接動作を詳細に説明する。図１および図２は本発明の第１の態様を示す溶接ヘッドの断面模式図、図３および図４は本発明の第２の態様を示す溶接ヘッドの断面模式図である。図１において２は外筺、４は電極組立、５は第１のてこ部材、６は第１の支点、７は錘、８は当接部材、９は第２のてこ部材、１０は第２の支点、１１は昇降部材、１２はストッパ、２１１は被溶接部材である。

ここで第１のてこ部材５は丸棒に雄ねじを切った形状であり、当接部材８は下端にローラを有し、上部は第１のてこ部材５の雄ねじに螺合している。また、図５で示したダイヤル３は第１の支点６の位置に中心軸を持っており、これと同一軸上に配置した図示しない第１の傘歯歯車と連動している。さらにこの第１傘歯歯車に直角方向にかみ合った図示しない第２の傘歯歯車は第１のてこ部材と同一軸上で固定されている。

この構成においてダイヤル３を回すことで第一の傘歯歯車が回転し、これにかみ合った第２の傘歯歯車が回転することにより第１のてこ部材５が自らの軸を中心に回転する。一方第２のてこ部材９は上面側に平面を持つ部材であり、当接部材８の下端のローラがこの第２のてこ部材９の平面部に当接しているために、当接部材８は第１のてこ部材５の軸回りには回転しない。

したがって、ダイヤル３を回すことで、第１のてこ部材５に螺合した当接部材８を第１のてこ部材５の軸方向（矢印ウの方向）に移動させることができる。その結果、第１のてこ部材５と錘７と当接部材８との合計質量を支点６を基準とした半径可変のモーメントとして第２のてこ部材９に伝達することができる。

第２のてこ部材９は一端に第２の支点１０、他端に押圧部９Ａを有し、押圧部９Ａには電極組立４が固定されている。また、図１（ａ）の状態では第２のてこ部材９の押圧部９Ａ側が昇降部材１１の端部１１Ａにより下方から支持されている。昇降部材１１には第１の支点６および第２の支点１０が相対移動がないように設けてあり、スライドレール１３Ａとスライドブロック１３Ｂからなるリニアガイド１３により上下移動自在に外筺２に支持されている。さらに図９（ａ）の状態ではストッパ１２が昇降部材１１を下方から支持している。この状態が溶接動作前の待機状態である。

次に溶接の準備が整ったところで、操作者はストッパ１２を下げ溶接動作に入る。ストッパ１２が下がると図１（ｂ）あるいは図１（ｃ）で示すように、リニアガイド１３により上下自在に支持された昇降部材１１が下方へ移動するのに伴って、第１のてこ部材５と第２のてこ部材９も夫々の姿勢を変化させることなく下方に移動する。

ここで、図１（ｂ）は被溶接部材２１１が比較的下方にあった場合、図１（ｃ）は被溶接部材２１１が比較的上方にあった場合を示す。これら両方の場合においても、第１のてこ部材５、第２のてこ部材９および電極組立４の姿勢が変化しない状態で、被溶接部材２１１表面に電極先端を接触させる動作を実現している。

次にこれらの状態の直後、つまり昇降部材１１の端部１１Ａが第２のてこ部材９から離隔した時点で、図示しない電力供給手段から電極組立４に電圧が印加され、溶接がなされる。本実施例の場合、溶接のために通電される時間は約５０ミリ秒である。

さらに時間が経過すると夫々図１（ｂ）は図２（ｂ２）、図１（ｃ）は図２（ｃ２）で示すような状態になる。ここで被溶接部材２１１が比較的下方にあった場合の図２（ｂ２）では、昇降部材１１が動作範囲の下端に到達した状態でも、第１のてこ部材５および第２のてこ部材９は大きく傾斜しないが、被溶接部材２１１が比較的上方にあった場合は、図２（ｃ２）で示すように第１のてこ部材５および第２のてこ部材９が大きく傾斜する。

本実施例の場合は、操作者が足でフットスイッチ５４を操作することにより溶接動作を開始するものであるが、フットスイッチ５４を踏んでから図２（ｂ２）や図２（ｃ２）の状態になるまでには通常５００ミリ秒以上の時間が経過する。ところが前述したように溶接電流が流れている時間、換言すると実質的な溶接時間は約５０ミリ秒である。つまり、実質的な溶接は図１（ｂ）や図１（ｃ）の状態の直後に行われ、第１および第２のてこ部材の姿勢変化が僅かなうちに完了する。

次に本発明の第２の態様について図３および図４に基づいて説明する。図３において電極組立４はスライドレール１４Ａとスライドブロック１４Ｂからなるリニアガイド１４によって昇降部材１５の端部１５Ａに上下移動自在に支持されている。また、第２のてこ部材１６の押圧部１６Ａは電極組立４の上面に当接しており、さらに溶接動作前の待機状態である図３（ａ）の状態では、電極組立４はリニアガイド１４による上下移動範囲の下端に位置している。またここで、他の部材は図１および図２で説明した第１の態様の構成と同等であるため、同一の符号を使用して説明する。

次に溶接作業の動作を説明する。図３（ａ）で示すように被溶接部材２１１の位置決めがなされ溶接動作の準備が整ったところで、操作者はストッパ１２を下げて溶接動作に入る。ストッパ１２が下がると図３（ｂ）あるいは図３（ｃ）で示すように、リニアガイド１３により上下自在に支持された昇降部材１５が下方へ移動するのに伴って、第１のてこ部材５と第２のてこ部材１６も夫々の姿勢を変化させることなく下方に移動する。

ここで、図３（ｂ）は被溶接部材２１１が比較的下方にあった場合、図３（ｃ）は被溶接部材が比較的上方にあった場合を示す。これら両方の場合において、第１のてこ部材５、第２のてこ部材１６および電極組立４の姿勢が変化しない状態で、被溶接部材２１１表面に電極先端を接触させる動作を実現している。

次にこれらの状態の直後、つまり電極組立４が下降しないで昇降部材１５が下降し始めた時点で、図示しない電力供給手段から電極組立４に電圧が印加され、溶接がなされる。そしてさらに時間が経過すると、夫々図３（ｂ）は図４（ｂ２）、図３（ｃ）は図４（ｃ２）で示すような状態になる。

ここで被溶接部材２１１が比較的下方にあった場合の図４（ｂ２）では、昇降部材１５が動作範囲の下端に到達した状態でも、第１のてこ部材５および第２のてこ部材１６は大きく傾斜しないが、被溶接部材２１１が比較的上方にあった場合は、図４（ｃ２）で示すように第１のてこ部材５および第２のてこ部材１６が大きく傾斜する。

しかしながら第２の態様によれば、図４（ｂ２）と図４（ｃ２）で示すように、昇降部材１５が動作範囲の下端に至ったときでも、電極組立４の姿勢つまり側方からみた角度は変化することがなく、それが、被溶接部材２１１の上面の高さが異なった場合においても維持される。つまり通電が行われて実質的な溶接が終了した後にも、被溶接物２１１は電極先端によって横方向の力を受けることがない。

次に図６および図７に基づいて本発明の第２の態様に係る実施例の詳細な構造を説明する。図６において１７は溶接ヘッド全体の構造的強度を確保するためのベース、１８は絶縁プレート、１９は第１の給電プレート、２０は銅合金の薄板を重ねた材料からなり可撓性を有する第２の給電プレート、２１は給電ブロック、２２はこれも可撓性を有する第３の給電プレート、２３は図５で示したフットスイッチ５４と連動するワイヤ、２４は圧縮コイルばね、２５はプランジャ、２６は第１の傘歯歯車、２７は第２の傘歯歯車である。

まず操作者は、図５で示すダイヤル３を回し溶接時の電極の押圧力を設定する。第１の傘歯歯車２６はダイヤル３と連動しており、ダイヤル３を回すことにより第１の傘歯歯車２６とかみ合った第２の傘歯歯車２７も回転する。ここで第１のてこ部材５は第１の支点６を中心に図６で見て時計の針のように回動自在に支持されていると共に、自らの軸心を中心として回転可能に支持されている。

したがって、この第１のてこ部材５に固定された第２の傘歯歯車２７が回転することで第１のてこ部材５の表面に刻まれた雄ねじが回転し、これに螺合した当接部材８が第１のてこ部材５の軸方向に移動する。このようにして溶接時の押圧力の設定がなされ、さらに被溶接部材２１１の位置決めがなされたのち、操作者は図５に示すフットスイッチ５４を踏み、溶接動作を開始する。

フットスイッチ５４が踏まれることで、これに連動したワイヤ２３が圧縮コイルばね２４の反発力に抗してプランジャ２５を引く。この動作を図６上部に引き出したストッパ１２の詳細図で説明する。ストッパ１２は支点１２Ａでベース１７に支持されており（支持部の図は省略してある）、力点部１２Ｂをプランジャ２５が引くことにより支点１２Ａを中心に回動する。

これに伴いローラ１２Ｃも支点１２Ａを中心として回動し、このローラ１２Ｃに張り出し部１５Ｂを下方から支持されていた昇降部材１５が下方へ移動する。また、昇降部材１５はリニアガイド１３により上下方向に移動自在に支持されており、リニアガイド１３のスライドレール１３Ａはベース１７に固定されている（固定部の図は省略してある）。

昇降部材１５が下方に移動することで、第１のてこ部材５および第２のてこ部材１６が夫々の姿勢を変化させることなく下方に移動し、同時に電極組立４も下方に移動して図７（ａ）で示すように電極先端が被溶接部材２１１の表面に接触する。そしてさらに昇降部材１５が下方に移動すると、電極組立４はリニアガイド１４に規制されながらこの位置に止まり、昇降部材１５のみが下降を続ける。その結果押圧部１６Ａが所定の押圧力で電極組立４を下方に押圧する。この押圧力と電極組立４の自重との和が設定された溶接時の押圧力となる。

このように設定された押圧力が被溶接部材２１１に加わったところで、第１の給電プレート１９に対して図示しない電力供給手段から電圧が印加される。この第１の給電プレート１９はベース１７上に絶縁プレート１８を介して固定されており、加えられた電圧は第２の給電プレート２０に伝達される。第２の給電プレート２０はその可撓性により、ベース１７と昇降部材１５との相対的な変位を僅かな反力で吸収する。

第２の給電プレート２０に伝達された電圧は、昇降手段１５に電気的に絶縁されて固定された給電ブロック２１を介して第３の給電プレート２２に伝達される。第３の給電プレート２２はその可撓性により、昇降部材１５と電極組立４との相対的な変位を僅かな反力で吸収する。そして第３の給電プレート２２に伝達された電圧は電極組立４の電極に伝達される。

ここで第１の給電プレート１９、第２の給電プレート２０、給電ブロック２１、第３の給電プレート２２および電極は、図６および図７においては側面図として夫々１個のみ描いてあるが、実際は図を見て前後方向に夫々一対設けて電圧の印加を実現している。

このように通電して実質的な溶接がなされてからも昇降部材１５の下方への移動が続き、図７（ｂ）で示すように第１のてこ部材５と第２のてこ部材１６とは夫々傾斜するが、電極組立４は傾斜することなく、また横方向に移動することもない。

本発明の第１の態様に係る実施形態を示す断面模式図本発明の第１の態様に係る実施形態を示す断面模式図本発明の第２の態様に係る実施形態を示す断面模式図本発明の第２の態様に係る実施形態を示す断面模式図本発明の１実施形態の装置を示す側面図本発明の第２の態様に係る実施例を示す断面図本発明の第２の態様に係る実施例を示す断面図従来の技術を示す斜視図と断面図従来の技術を示す断面模式図

符号の説明

１溶接ヘッド
２外筺
３ダイヤル
４電極組立
５第１のてこ部材
６第１の支点
７錘
８当接部材
９、１６第２のてこ部材
１０第２の支点
１１、１５昇降部材
１２ストッパ
１３、１４リニアガイド

Claims

抵抗溶接のための電極を設けた溶接ヘッドであって、
一端に第１の支点、他端に錘を有し、前記第１の支点と前記錘とのあいだに前記第１の支点との間隔を調整可能に設けられた当接部材を有する第１のてこ部材と、一端に第２の支点、他端に押圧部を有し、前記第１のてこ部材に対して略並列位置に設けられた第２のてこ部材と、前記第１および第２の支点が固定された昇降部材と、前記押圧部に固定された電極組立とで構成され、前記当接部材が前記第２のてこ部材に当接した状態で前記昇降部材が下降して、前記電極組立が被溶接部材に接触することを特徴とする加圧力可変溶接ヘッド。
抵抗溶接のための電極を設けた溶接ヘッドであって、
一端に第１の支点、他端に錘を有し、前記第１の支点と前記錘とのあいだに前記第１の支点との間隔を調整可能に設けられた当接部材を有する第１のてこ部材と、一端に第２の支点、他端に押圧部を有し、前記第１のてこ部材に対して略並列位置に設けられた第２のてこ部材と、前記第１および第２の支点が固定された昇降部材と、上下の直線方向に移動可能な状態で前記昇降部材に支持された電極組立とで構成され、前記当接部材が前記第２のてこ部材に当接した状態で前記昇降部材が下降して、前記昇降部材が下降することで被溶接部材に接触した前記電極組立部を、前記押圧部が上方から押圧することを特徴とする請求項１に記載の加圧力可変溶接ヘッド。