JP3761385B2 - アーク溶接方法およびアーク溶接機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね継手のすみ肉部をアーク溶接するための方法、およびアーク溶接機に関する。
【0002】
【従来の技術】
二部材を重ねた重ね継手をロボットを用いてアーク溶接する際には、その溶接位置を正確に割出す必要がある。図6は、一般的な溶接位置割出し方法の一例で、まずトーチ3をA位置からB位置に移動させて溶接ワイヤ9の先端を一方の部材P1に接触させ、次にトーチ3をA位置に戻し、さらにA位置からC位置に移動させて溶接ワイヤ9の先端を他方の部材P2に接触させ、BおよびC位置の検出結果から溶接位置Dを割出すものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車ボデーの組立ライン等においては、図7に示すように、厚さ0.5〜2mm程度の薄板P1、P2同士を重ね合わて溶接する工程が多く含まれる。この場合の溶接はスポット溶接により行うのが一般的であるが、スポット溶接では溶接部の両側に電極を配置しなければならないため、電極スペースが確保できない等の事情がある場合、これを一方側の電極のみで足りるアーク溶接に置き換えたいという要望が多くなっている。アーク溶接では、図7中のすみ肉部Cを溶接することとなるが、この場合、図6と同様の割出し方法では、B位置において薄板P1の端面精度にばらつきがある場合等には溶接ワイヤの先端を当該端面に確実に接触させることが難しくなり、溶接位置の割出しが困難となる。
【0004】
そこで、本発明は、薄板を含む重ね継手を精度良く、かつ低コストにアーク溶接できるようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的の達成のため、本発明にかかるアーク溶接方法は、重ね継手のすみ肉部をアーク溶接する方法であって、弾性力で溶接ワイヤの先端を突き出して一方の部材に接触させた後、溶接ワイヤをロックし、この状態で溶接ワイヤをすみ肉部を超える位置まで移動させて双方の母材と非接触にし、その後、溶接ワイヤをすみ肉部側に移動させ、上記一方の母材の端面に溶接ワイヤを接触させて溶接を開始することを特徴とするものである。
また、本発明にかかるアーク溶接機は、トーチと、トーチからの溶接ワイヤの突き出し量を管理する突出し量管理機構とを具備し、重ね継手のすみ肉部をアーク溶接するものであって、弾性力で溶接ワイヤの先端を母材側に突き出して母材に接触させる突出し手段と、溶接ワイヤをロックおよびアンロックするワイヤロック装置とを備え、突出し手段による溶接ワイヤの突出しにより溶接ワイヤの先端を母材に接触させた後、ワイヤロック装置で溶接ワイヤをロックすることを特徴とするものである。
【0006】
この溶接方法において、溶接ワイヤの先端を一方の母材に接触させるに際しては、溶接ワイヤの先端を上記薄板の表面に接近させた後、弾性力を利用して溶接ワイヤ先端を突き出し、溶接ワイヤの先端が薄板に接触したところで溶接ワイヤをロックするようにするのが望ましい。
【0007】
上記溶接方法の実施に際しては、突出し量管理機構で、トーチ先端からのワイヤの突出し量を管理するのが望ましい。このワイヤ突出し量管理機構は、重ね継手のすみ肉部をアーク溶接するに際し、トーチからの溶接ワイヤの突出し量を管理するための機構であって、弾性力を蓄積しながら溶接ワイヤを変位させた後、溶接ワイヤを蓄積した弾性力で復帰移動させることにより、溶接ワイヤの先端を母材側に突き出して母材に接触させる突出し手段と、突出し手段よりも溶接ワイヤの先端側で溶接ワイヤをロックおよびアンロックするワイヤロック装置とを具備し、上記突出し手段によるワイヤの突き出しにより溶接ワイヤの先端が母材と接触した後、ワイヤロック装置で溶接ワイヤをロックするものである。
【0008】
この場合、上記弾性力は、溶接ワイヤ自体の弾性力と弾性部材の弾性変形とにより与えることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明にかかるアーク溶接方法の一実施形態を示す。図示のようにこのアーク溶接方法の適用対象は重ね継手で、二枚の薄板状母材P1、P2を重ね合わせてできたすみ肉部Cを溶接するものである。図面では、双方の母材P1、P2を薄板としているが、本発明の適用対象としては、少なくともトーチ3側の母材P1が薄板(0.5〜2mm程度)であれば足り、反トーチ3側の母材P2の形状は任意で例えば厚肉状やブロック状であっても構わない。
【0010】
図1中の破線は、溶接ワイヤ9先端の移動軌跡▲1▼〜▲4▼を表しており、この軌跡に沿うようトーチ3をロボットで操作することによって溶接の開始位置が割出される。以下、この割出し手順を具体的に説明する。
【0011】
先ず、トーチ3を操作して溶接ワイヤ9の先端をトーチ3側の母材P1表面に接触させる。次にトーチ3を母材P1から離反する方向(図面では上方)に移動させてワイヤ先端を母材P1表面から浮上させ(▲1▼)、次にトーチ3を母材P1表面と平行方向に移動させてワイヤ先端をすみ肉部Cを超える位置に移し、溶接ワイヤ9を両母材P1、P2に対して非接触とする(▲2▼)。次に、トーチ3を他方の母材P2(トーチ3と反対側の部材)に接近する方向(図面では下方)に移動させ(▲3▼)、その後、トーチ3をすみ肉部C側に移動させて溶接ワイヤ9を上記トーチ3側の母材P1の端面に接触させる(▲4▼)。これにより溶接位置の割出しが完了するので、この状態を保持しながらアークを発生させ、溶接を開始する。溶接中のトーチ3の姿勢は、図示のように母材P1、P2表面に対して直交する方向(図面では垂直方向)とするのが望ましいが、トーチ3をワイヤ先端を中心に他方の母材P2側に僅かに傾けておいてもよい。
【0012】
この溶接位置割出し工程では、ワイヤ先端が他方の母材P2と非接触となるよう、具体的には図中のa、b、tの各値につき、少なくともa<b<a+tを満足できるようロボットが制御されるが、この程度の精度レベルを達成することは現状のロボットシステムにおいても十分に可能である。従って、薄板を含む重ね継手であっても溶接位置を正確に割出すことができ、精度の良いアーク溶接が可能となる。
【0013】
なお、この工程においては、溶接ワイヤ9が母材P1、P2と接触したか否かを検出する検出手段が必要となる。この検出手段の種類は特に問わないが、電気的導通状態の有無を検出するタッチセンサが低コストで信頼性も高いので望ましい。
【0014】
ところで、この溶接位置割出し工程では、▲1▼の前段階で溶接ワイヤ9の先端をトーチ3側の母材P1表面に接触させる際に、溶接ワイヤ9のトーチ3からの突出し量φを如何にして安定させるかが問題となる。すなわち、突出し量φにばらつきがあると、ワイヤ先端を母材P1表面に接触させることができず、Aの値にくるいを生じて正確な溶接位置の割出しが困難となる。
【0015】
その一方、溶接ワイヤ9はトーチ3内で多少の余裕(遊び)を持って配置されるため、この遊びの伸縮の影響でトーチ3からの突出し量は不安定化する傾向にあり、突出し量φを精度良く管理することは難しい。突出し量の管理手段として、例えばサーボモータ等で随時遊びを巻き取るような構成も考えられるが、モータ制御は一般に慣性が大きいため、溶接ワイヤを過不足なく巻き取るのは難しい。
【0016】
以上の問題点に鑑み、本発明にかかるアーク溶接機は、ワイヤ突出し量φを安定化させるための管理機構として、以下の構造を具備する。
【0017】
図2は、ロボットアーム1の先端に取付けられたトーチ3の概略構造を例示する。当該図面において、トーチ3は、筒状のハウジング5の先端にこれより細い筒状部7を取付けた構造で、ハウジング5および筒状部7の内部には、図示しない巻き取り装置から繰り出した溶接ワイヤ9が挿通されている。溶接ワイヤ9の先端は筒状部7の端部から突出している。
【0018】
本発明にかかる突出し量管理機構は、ワイヤロック装置11、突出し手段12、およびこれらの駆動装置13を主要部とするもので、これら主要部は何れもトーチ3に取付けられている。ワイヤロック装置11は、突出し手段12よりも溶接ワイヤ9の先端側に配置され、図示例では、ワイヤロック装置11を筒状部7に取付けた場合を例示している。
【0019】
ワイヤロック装置11は、溶接ワイヤ9のロックとアンロックを切替え可能としたもので、図1では、筒状部7の孔内に往復移動可能に収容したロック部材15と筒状部7側の受け面17との間に溶接ワイヤ9を通過させた構造を例示している。この場合、ロック部材15を受け面17に押し当てることにより、受け面17との間に挟持された溶接ワイヤ9がロックされ、ロック部材15を受け面17から離反させることにより、溶接ワイヤ9が繰り出しフリーのアンロック状態となる。
【0020】
突出し手段12は、溶接ワイヤ9を、弾性力を利用してソフトに突き出すものである。図示例の突出し手段12は、互いに対向させた押圧部材19と受け部材21とを有し、この押圧部材19と受け部材21との間を溶接ワイヤ9が緩やかな円弧を描きながら通過している。本実施形態において、押圧部材19の受け部材21との対向面19aは凸曲面状、受け部材21の押圧部材19との対向面21aは凹曲面状をなし、凸曲面19aの曲率は凹曲面21aの曲率よりも僅かに小さい。押圧部材19には案内部材23が装着されており、この案内部材23を駆動装置13で溶接ワイヤ9の送り方向と略直交する方向に往復移動させることにより、押圧部材19が受け部材21側に接近・離反する。受け部材21は、一または複数の弾性部材25(例えばバネ)を介してハウジング5に弾性的に支持されている。
【0021】
駆動装置13はワイヤロック装置11および突出し手段12を駆動するもので、本実施形態では両者11、12を共通の駆動源(シリンダ27)で駆動する場合を例示している。図示例のシリンダ27は両側ロッド式複動型の例えばエアシリンダで、一方のピストンロッド27aにカム部材29が装着されている。カム部材29は、ロック部材15に設けられた例えば球面状の案内部15aを案内するもので、シリンダ27の作動方向と平行な平面部29aと、これに対して傾斜したテーパ部29bとを備えている。他方のピストンロッド27bの端部は、上記案内部材23に形成されたテーパ面23a上を移動可能の例えば球面状に形成される。
【0022】
以下、上記突出し量管理機構による突出し量φの管理手順を説明する。
【0023】
先ず、ロボットを起動し、溶接ワイヤ9の先端をトーチ3側の母材P1に接近させる。この状態でシリンダ27を起動し、他方のピストンロッド27bを進出(一方のピストンロッド27aは縮退)させると、ピストンロッド27bの先端球面部が案内部材23のテーパ面23aに接触する。さらにピストンロッド27bを進出させると、テーパ面23aの案内作用により、押圧部材19が受け部材21側に移動して受け部材21に押し当たるため、押圧部材19と受け部材21との間で溶接ワイヤ9が拘束される。この時、押圧部材19の押しこみ力で弾性部材25が圧縮され、受け部材21が外径側(円弧状ワイヤ9の外径側)に変位し、同時に押圧部材19と受け部材21との間で拘束された溶接ワイヤ9が外径側にその曲率半径を小さくしながら変位する。一方、ワイヤロック装置11側では、ロック部材15の案内部15aがカム部材29の平面部29a上を摺動するため、ロック部材15は受け面17から離れた位置に保持され、従って、ワイヤロック装置11はアンロック状態となる。図2は、以上のようにワイヤロック装置11がアンロック状態となり、ワイヤ9が突出し手段12によって外径側に変位した状態を示している。なお、このように溶接ワイヤ9を変位させた後に、ロボットを起動し、溶接ワイヤ9の先端をトーチ3側の母材P1に接近させても良い。
【0024】
次に、シリンダ27を逆駆動し、他方のピストンロッド27bを縮退させると(一方のピストンロッド27aを進出させると)、ピストンロッド27bの軸端がテーパ面23aから離れるため、弾性部材25に蓄勢された弾性力、さらには溶接ワイヤ9自体の弾性力により受け部材21、溶接ワイヤ9、および押圧部材19が初期位置に弾性的に復帰する(この時、押圧部材19と受け部材21との間では溶接ワイヤ9に拘束力が働かず、アンロック状態となる)。このように溶接ワイヤ9が弾性復帰すると、図3に示すように、溶接ワイヤ9の円弧部分の長さが復帰前(破線で示す)よりも短くなるため、溶接ワイヤ9の過剰分の一部がワイヤ先端側に移行し、溶接ワイヤ9の先端がゆっくりと突き出して、トーチ3側の母材P1にソフトタッチする(突出幅をδで表す)。この溶接ワイヤ9の突き出しをスムーズに行うため、ワイヤロック装置11は上記アンロック状態に保持される。
【0025】
その後、シリンダ27の逆起動を継続すると、ロック部材15の案内部15aがカム部材29のテーパ面29bによって案内され、ロック部材15が受け面17側に移動し、ロック部材15と受け面17との間で溶接ワイヤ9が拘束されてワイヤロック装置11がロック状態に切り替わる。このようにワイヤ先端が母材P1に接触した状態でワイヤロック装置11によってロックされるため、ワイヤ9の突出し量φは一定値に保たれ、以後、ロボットアーム1を操作しても溶接ワイヤ9の突出し量φは安定して保持される。
【0026】
以上の工程が終了した後、図1に示す溶接位置割出し工程▲1▼〜▲4▼を経てすみ肉部Cの溶接を開始する。
【0027】
上記ワイヤ突出し量管理機構によれば、トーチ3の停止位置が一定である限り、溶接ワイヤ9の突出し量φは一定値に安定して保持される。従って、その後の溶接作業でも溶接開始位置がずれることはなく、精度の良い溶接が行える。特に本発明では、溶接ワイヤ9の突き出しをワイヤ自体の弾性力や別に設けた弾性部材25の弾性力を利用して緩やかに行うので、ワイヤ先端を母材P1にソフトタッチさせることができ、急激な突き出しによるワイヤの座屈等を防止して適度な突出し量φを過不足なく確保することができる。弾性力を与える手段としては、溶接ワイヤ9の弾性変形による弾性力のみでも構わないが、本実施形態では作動安定性を高めるため、さらに別途弾性部材25を付加し、この弾性部材25の弾性力を溶接ワイヤ9の弾性力と併用するようにしている。もちろん、溶接条件等によっては、溶接ワイヤ9の弾性力のみを利用しても構わない。
【0028】
図4(a)は、突出し手段12において、溶接ワイヤ9の送り方向を安定化させるため、押圧部材19の凸曲面19aにワイヤ送り方向に沿ってワイヤ収容用の溝31を形成したものである。この場合、ワイヤ9の繰り出しがスムーズに行えるよう、ボルト等からなるアジャスタ30で凸曲面19aと凹曲面21aとの間の距離を適正値に管理できるようにするのが望ましい。同図(b)は、同様に溝31を凸曲面19aに形成したもので、凸曲面19aと凹曲面21aとが密着した際にも、ワイヤ9がスムーズに繰り出されるようにワイヤ9と溝31との間の遊びを大きくしている。図4(a)(b)と同様の溝31を凸曲面19aと受け部材21の凹曲面21aの双方に形成してもよく、また、同様の溝31は、ワイヤロック装置11のロック部材15、あるいは受け面17の何れか一方または双方にも形成することができる。
【0029】
図4の構造では、溶接ワイヤ9が変位位置(図2)から初期位置(図3)に戻る際に溶接ワイヤ9が押圧部材19の凸曲面19aに設けた溝31から外れる場合がある。図5は、これを防止するもので、この実施形態では、押圧部材19を中央部191とその送り方向両側の端部192、193とに分割し、それぞれの凸曲面191a〜193aに溝31を設けている。両端部192、193は中央部191にバネ等の弾性部材33を介して弾性的に支持されている。この場合、溶接ワイヤ9を外径側に変位させる際には、押圧部材19の前進に伴って弾性部材33が弾圧されて弾性力が蓄積される。一方、初期位置への復帰時には弾性部材33の弾性力により、端部192、193が受け部材21側に相対変位するため(破線で示す)、溶接ワイヤ9が溝31から外れることはない。
【0030】
なお、以上の構造は例示にすぎず、例えばワイヤロック装置11は、溶接ワイヤ9のロックとアンロックを任意に切替え可能である限り、任意の構造を採用することができる。また、突出し手段12も溶接ワイヤを弾性的に突き出すものであればその構造は図2に示すものに限定されない。また、駆動装置13もロック装置11と突出し手段12を個別に駆動できる限り任意の構造を採用することができ、図示のように共通の駆動源27で駆動する他、両装置11、12を独立した駆動源(シリンダ等)で駆動してもよい。
【0031】
また、本実施形態では、押圧部材19と受け部材21との間で溶接ワイヤ9をカーブさせているが、これをストレートにしても構わない。
【0032】
【発明の効果】
このように、本発明にかかるアーク溶接方法によれば、すみ肉部における薄板状母材の端面精度にばらつきがある場合でも、溶接位置を正確に割出すことができ、従って、重ね継手(特に一方の母材が薄板である場合)を確実に精度良くアーク溶接することが可能となる。
【0033】
この場合、上述のワイヤ突出し量管理機構を用いることにより、突出し量が安定化されるので、溶接位置の割出しを精度よく行うことができ、溶接品質が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるアーク溶接方法を概略図示する断面図である。
【図2】本発明にかかる突出し量管理機構の断面図である。
【図3】上記突出し量管理機構の動作を示す断面図である。
【図4】突出し手段の断面図である(ワイヤ送り方向と直交方向)。
【図5】突出し手段の断面図である(ワイヤ送り方向と平行)。
【図6】従来のアーク溶接方法を示す断面図である。
【図7】重ね継手の断面図である。
【符号の説明】
1 ロボットアーム
3 トーチ
9 溶接ワイヤ
11 ワイヤロック装置
12 突出し手段
13 駆動装置
19 押圧部材
21 受け部材
25 弾性部材
Claims (2)
- 重ね継手のすみ肉部をアーク溶接する方法であって、
弾性力で溶接ワイヤの先端を突き出して一方の部材に接触させた後、溶接ワイヤをロックし、この状態で溶接ワイヤをすみ肉部を超える位置まで移動させて双方の母材と非接触にし、その後、溶接ワイヤをすみ肉部側に移動させ、上記一方の母材の端面に溶接ワイヤを接触させて溶接を開始することを特徴とするアーク溶接方法。 - トーチと、トーチからの溶接ワイヤの突き出し量を管理する突出し量管理機構とを具備し、重ね継手のすみ肉部をアーク溶接するアーク溶接機であって、
突出し量管理機構が、弾性力で溶接ワイヤの先端を突出して母材に接触させる突出し手段と、溶接ワイヤをロックおよびアンロックするワイヤロック装置とを備え、突出し手段による溶接ワイヤの突出しにより溶接ワイヤの先端を母材に接触させた後、ワイヤロック装置で溶接ワイヤをロックすることを特徴とするアーク溶接機。
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