JP6662553B2 - Thermal welding equipment - Google Patents
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Description
熱溶着を行うために最適な電圧、電流を供給する熱溶着方法とその熱溶着装置に関する。 The present invention relates to a heat welding method for supplying an optimal voltage and current for performing heat welding and a heat welding apparatus therefor.
近年の省エネ化に伴い、電灯や自動車用灯火類のＬＥＤ化が促進され、電灯器具や自動車用ライトハウジングに多数のＬＥＤを組み込む需要が増大している。 With the recent energy savings, the use of LEDs for electric lights and automotive lights has been promoted, and the demand for incorporating a large number of LEDs into electric lighting devices and automotive light housings has been increasing.
このため、数十カ所の熱カシメが同時に可能な熱溶着方法とその装置が必要になっており、この装置として、特開２００４−０９０５５８号公報及び特開２００８−１１４５１８号公報に掲載のものが知られている。 For this reason, a thermal welding method and its device capable of simultaneously performing dozens of thermal caulking are required. As this device, those disclosed in JP-A-2004-090558 and JP-A-2008-114518 are disclosed. Are known.
特許文献１および特許文献２の熱溶着装置は、交流電源をＳＳＲなどの電力調整器で制御し、さらにトランスで降圧した交流電流を電線で接続した熱溶着チップに低電圧大電流を印加して発熱させている。
The heat welding apparatuses disclosed in
しかし、多点の熱カシメを行うには熱溶着チップと同数の多数個のトランスが必要になるため熱溶着装置が大型化すると共にトランスの重量も大きな問題となっている。 However, in order to perform thermal caulking at multiple points, as many transformers as the number of heat welding chips are required, so that the size of the heat welding device is increased and the weight of the transformer is also a serious problem.
また、トランスは熱溶着チップの抵抗値（発熱量）に適合した容量が必要であり、熱溶着チップのサイズを変更した場合は抵抗値に合わせてトランスの交換も必要となる。 Further, the transformer needs a capacity suitable for the resistance value (heat generation amount) of the heat welding chip, and when the size of the heat welding chip is changed, it is necessary to replace the transformer according to the resistance value.
本発明は、熱溶着方法及びその装置において、実施する装置本体の小型化、軽量化、コストダウン、省エネ性に優れた内容のものを提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for performing heat welding that is excellent in miniaturization, weight reduction, cost reduction, and energy saving of an apparatus body to be implemented.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、抵抗発熱体に直流電流を印加するインパルス加熱方式の熱溶着装置において、前記発熱体に印加する直流電源を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータを介して電圧を１／６ないし１／４０に降圧変換し、電流を６ないし４０倍に増大変換する制御回路を一体に設けた熱溶着電源回路を具備し、この熱溶着電源回路から出力される直流電流を前記抵抗発熱体に印加する電源回路と、から成り、前記熱溶着電源出力回路を２つ以上具備し、それぞれの熱溶着電源出力回路は独立して出力電圧および出力電流を変化できること、前記熱溶着電源回路が溶着冶具に配置されていることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, an invention according to
請求項１に記載の発明によれば、抵抗発熱体に直流電流を印加するインパルス加熱方式の熱溶着装置において、直流電源を１／６ないし１／４０に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御回路を一体にした熱溶着電源回路を設けて、前記熱溶着電源回路の直流電流を６倍ないし４０倍に増大させた電流を印加して発熱体を発熱させるものであることから、従来の熱溶着方法及びその装置において必須であった交流電源を制御するＳＳＲ（電力調整器）と交流電圧を降圧するためのトランスが不要となり、大幅な小型化、軽量化が実現できる。 According to the first aspect of the present invention, in a heat welding apparatus of an impulse heating system for applying a DC current to a resistance heating element, a DC / DC converter for reducing a DC power supply to 1/6 to 1/40, and the DC / DC converter A heat welding power supply circuit integrating a control circuit for controlling the DC / DC converter is provided, and a current whose DC current is increased by 6 to 40 times is applied to the heat welding power supply circuit to generate heat. This eliminates the need for an SSR (power regulator) for controlling the AC power supply and a transformer for stepping down the AC voltage, which were indispensable in the conventional heat welding method and its apparatus. it can.
また、工場電圧の変動があっても安定した熱溶着加工が可能であると共に回路及び装置の小型化、トランス廃止による大幅な軽量化、コストダウンが可能である。 In addition, stable heat welding can be performed even if the factory voltage fluctuates, and the circuit and device can be downsized, and the weight can be reduced significantly and the cost can be reduced by eliminating the transformer.
また、複数点の同時加工における発熱のばらつきを個別に出力電圧および出力電流調整で最適化することができる。 Further, it is possible to individually optimize variations in heat generation in simultaneous machining of a plurality of points by adjusting output voltage and output current.
また、電源部分を受け治具ユニットに搭載可能で、熱溶着チップまでの電源配線を短縮することにより、例えば、５ｍ→０．５ｍ、１２１．６Ｗ→１２．１Ｗのように電力損失を少なくすることができる。 Further, the power supply portion can be mounted on the jig unit and the power supply wiring to the heat welding chip is shortened, so that the power loss is reduced, for example, from 5 m to 0.5 m, 121.6 W to 12.1 W. be able to.
また、ＡＣ高電圧入力は安定化電源までで、以降の配線は全てＤＣ１２Ｖ以下の低電圧となるため安全性に優れる。 In addition, the AC high voltage input is up to the stabilized power supply, and all the wiring thereafter is at a low voltage of 12 V DC or less, which is excellent in safety.
また、交流電源の無い場所でもバッテリ電源による溶着が可能な可搬式熱量着装置が実現できる。 In addition, a portable calorie deposition device that can be welded by a battery power supply even in a place where there is no AC power supply can be realized.
また、溶着チップ（消費電力）の変更は、トランス切り替えまたはトランス交換 → ＤＣ／ＤＣ定格範囲内で条件変更のみで対応が可能である。 In addition, the change of the welding tip (power consumption) can be dealt with only by changing the condition within the rated range of DC / DC switching or transformer replacement.
以下、本発明の熱溶着装置１を図に示した実施形態に基づいて説明する。
Hereinafter, a
図１に熱溶着装置１の概略構成を示す。
FIG. 1 shows a schematic configuration of the
熱溶着装置１はＰＬＣ９ 操作盤１５ 直流安定化電源２ 熱溶着電源３ ロボットケーブル８ 熱溶着チップ７ 受け冶具１４から構成される。
The
なお、通常の熱溶着装置は熱溶着チップを溶着対象のワークに対して進退動作させるためのエアーまたはサーボシリンダーや前記リンダーの動作を制御するための制御装置と位置センサー、熱溶着チップの冷却装置などが含まれるが、その構造や動作についての説明は省略する。 In addition, a normal heat welding device is a control device and a position sensor for controlling the operation of the air or servo cylinder or the above-mentioned cylinder for moving the heat welding chip forward and backward with respect to the work to be welded, and a cooling device for the heat welding chip. And the like, but the description of the structure and operation is omitted.
熱溶着電源３は工場電源の交流１００Ｖ（または２００Ｖ）を直流１２Ｖに変換する直流安定化電源２から供給される直流１２Ｖで駆動される。
The heat
工場の電源電圧は、一般に機械装置の設置場所や周囲の機械稼働状況または昼と夜などで電圧変動する可能性があり、その電圧変動が接続された機械装置の動作を不安定にする場合がある。この問題は日本よりも海外の電力事情が不安定な地域で発生しやすい。 In general, the power supply voltage of a factory may fluctuate depending on the installation location of the machinery and equipment, the surrounding machine operation status, day and night, and such voltage fluctuation may cause unstable operation of the connected machinery. is there. This problem is more likely to occur in regions where power conditions are more unstable overseas than in Japan.
直流安定化電源２はスイッチング方式の降圧整流回路で、入力可能な電圧はＡＣ８０Ｖ〜２４０Ｖと適応範囲が広い。このため工場電源が変動した場合でも変換出力された１２Ｖ直流電源は電圧が一定に保たれ、熱溶着電源３の安定した稼働が可能となり、熱溶着チップ７への給電が安定する。
The stabilized
また、海外の単相交流電源は１００Ｖ〜２４０Ｖであるが直流安定化電源２はどの地域でも対応可能であることは言うまでもない。
The overseas single-phase AC power supply is 100 V to 240 V, but it is needless to say that the stabilized
さらに、直流安定化電源２の出力は１２Ｖに限定されるものではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入出力電圧電流に応じて適宜選択が可能である。
Further, the output of the stabilized
操作盤１５を操作することでＰＬＣ９に接続された図示しないサーボシリンダを動作させて熱溶着チップ７をワークに進退動作させると同時に熱溶着電源３の動作制御を行う。
By operating the
ＰＬＣ９は、熱溶着チップ７の熱電対（図示省略）による加熱温度監視と加熱温度フィードバック制御をすると同時に、熱溶着電源３から熱溶着チップ７へ給電される直流電源の電圧、電流、通電時間の制御をして設定した温度プロファイルで熱溶着チップ７の加熱制御を行う。
The
図6に示した従来のトランスを用いた交流式熱溶着装置の場合、熱溶着チップ７の抵抗値に合わせてトランス１１の容量が選定されるため、熱溶着チップ７を異なる抵抗値（発熱量）に変更する場合はトランス１１のタップ切り替えるかトランス１１を交換する必要があった。
In the case of the conventional AC heat welding apparatus using the transformer shown in FIG. 6, the capacity of the
しかし、本発明による熱溶着電源３はＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧をＰＬＣ９の指示で変更することが可能であり、熱溶着チップ７を抵抗値が異なるものに交換することが容易である。
However, the heat
図２に熱溶着電源３の構成を示す。
FIG. 2 shows the configuration of the heat
熱溶着電源３は制御回路４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を搭載して電力変換を行うＤＣ入出力基盤６から構成される。
The heat
ＤＣ入出力基盤６は規格化されたＤＣ／ＤＣコンバータ５をマウントするための搭載部である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入出側及び出力側にノイズ除去回路を有する。
The DC input /
本実施例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ５はＴＤＫ社のデジタル制御ＤＣ／ＤＣモジュー
ル１００Ａで仕様は入力ＤＣ８〜１４Ｖ 出力ＤＣ０．６〜２．０Ｖで、使用条件は入力ＤＣ１２Ｖ 出力ＤＣ１．０Ｖ 出力電流８０Ａである。
The DC /
ＰＬＣ９からの制御信号を受けた制御回路４はＤＣ／ＤＣコンバータ５の電力変換動作制御を行い、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は制御回路４の指令によって直流安定化電源２からのＤＣ１２ＶをＤＣ１．０Ｖに降圧し、最大１００Ａを出力する。
The
この時、入力電圧１２Ｖを１／１２の１Ｖに降圧して出力しているため、理論的には電流を１２倍にすることが可能であるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の変効率が８５〜９０％であるため、実際の電流は約１０倍まで高めることができる。
At this time, since the
熱溶着チップ７への出力電圧１．０Ｖで電流が最大１００Ａであるため、必要な入力電流は前述の計算より出力１００Ａの１／１０で約１０Ａとなる。
Since the current is 100 A at the maximum when the output voltage to the
ＤＣ／ＤＣコンバータ５に供給するＣＤ１２Ｖ １０Ａの電力は市販の直流安定化電源（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を使用すれば容易に供給することが可能でありコスト削減につながる。
The power of the CD12V 10A supplied to the DC /
本実施形態においての入力および出力の電圧と電流は一例であり、熱溶着電源７の入出力の値はＤＣ／ＤＣコンバータ２の性能の範囲で、熱溶着チップ７の抵抗値及び必要な加熱温度により自由に選択できる事は言うまでもない。
The input and output voltages and currents in the present embodiment are examples, and the input and output values of the heat
さらに、制御回路４は電圧、電流、熱溶着チップ温度の測定監視機能と、ＰＬＣとの通信機能を有するため、ＰＬＣから加工条件設定と加工中の測定及び測定監視情報のフィードバック管理が可能である。このために別途測定装置を設置する必要がなく、装置の小型化簡略化が可能となる。
Further, since the
本実施例では熱溶着チップ７が４点の熱溶着装置１を図３に示す。
In this embodiment, a
熱溶着装置１はＰＬＣ９ 操作盤１５ 直流安定化電源２ 熱溶着電源３ ロボットケーブルの８ 熱溶着チップ７ 受け冶具１４から構成される。
The
熱溶着チップ７が４点であるため、前述のように熱溶着電源３に必要な入力電流は１０Ａ×４＝４０Ａであるが、直流安定化電源２は余裕を見て出力１２Ｖ５０Ａを使用した。
Since the number of the
比較例として、従来のＳＳＲ１０とトランス１１を用いた熱溶着装置１を図６に示す。ＳＳＲとトランスは隣接した設置が必要であり、重量物であるトランスは熱溶着装置１の本体下側に搭載せざるを得ない。このため、熱溶着チップ７までは長尺のロボットケーブル８で接続するためロボットケーブル８の内部抵抗による電力損失が避けられない。
As a comparative example, FIG. 6 shows a
さらに、本実施例の４点熱溶着チップに対応する熱溶着電源３を図３に示す。
Further, FIG. 3 shows a heat
本実施例の熱溶着電源３は１ユニット内に制御回路４と４つのＤＣ入出力基盤６を搭載し、ユニットの外形寸法は１９４ｍｍ×１７６ｍｍ×４２ｍｍと小型で、ケースを含む重量は１ｋｇである。
The heat
このように熱溶着電源３が小型軽量であるため、熱溶着チップ７の近接位置に熱溶着電源３を設置することが可能となり、溶着電源３から熱溶着チップ７に電力を供給するロボットケーブル８の長さを最小にして電力のロスを低減することができる。
Since the heat
電力損失の比較例を図７に示す。 FIG. 7 shows a comparative example of the power loss.
ロボットケーブル太さ５．５ｓｑ 抵抗３．８ｍΩ／ｍ 電流８０Ａの場合、ロボットケーブル８の長さが１／１０に短縮されたことで電力損失Ｐが１／１０に低減される。
Robot cable thickness 5.5 sq Resistance 3.8 mΩ / m In the case of a current of 80 A, the power loss P is reduced to 1/10 by reducing the length of the
電力損失Ｐの比較
計算式 Ｐ＝Ｉ×Ｉ×Ｒ
従来例
５ｍのロボットケーブルの抵抗＝３．８ｍΩ×５ｍ＝０．０１９Ω
Ｐ＝８０×８０×０．０１９＝１２１．６Ｗ
１２１．６Ｗ×４＝４８６．４Ｗの電力損失であった。
Power Loss P Comparison Formula P = I × I × R
Resistance of conventional 5 m robot cable = 3.8 mΩ × 5 m = 0.19Ω
P = 80 × 80 × 0.019 = 121.6W
The power loss was 121.6 W × 4 = 486.4 W.
本実施例
０．５ｍのロボットケーブルの抵抗＝３．８ｍΩ×０．５ｍ＝０．００１９Ω
Ｐ＝８０×８０×０．００１９＝１２．１６Ｗ
１２．１６Ｗ×４＝４８．６Ｗ
This embodiment
0.5m robot cable resistance = 3.8mΩ x 0.5m = 0.0019Ω
P = 80 × 80 × 0.0019 = 12.16W
12.16W × 4 = 48.6W
４８６．４Ｗ（従来）−４８．６Ｗ（本実施例）＝４３７．８Ｗ
電力損失低減４３７．８Ｗ
486.4W (conventional) -48.6W (this embodiment) = 437.8W
437.8W power loss reduction
次に、溶着電源の重量を従来の熱溶着装置１と比較したものを図７に示す。
Next, FIG. 7 shows a comparison between the weight of the welding power source and that of the conventional
重量の比較
従来例
ＳＳＲ ０．５ｋｇ+トランス ４ｋｇ＝４．５ｋｇ
４．５ｋｇ×４点＝１８ｋｇ
トランス取付台３ｋｇを加えると合計２１ｋｇである。
Conventional weight comparison
SSR 0.5kg + transformer 4kg = 4.5kg
4.5 kg x 4 points = 18 kg
When 3 kg of transformer mounting base is added, the total is 21 kg.
本実施例
直流安定化電源２（５０Ａ）１．６ｋｇ
熱溶着電源３（４点用）１．０ｋｇ 合計２．６ｋｇ
This embodiment
DC stabilized power supply 2 (50A) 1.6kg
Thermal welding power supply 3 (for 4 points) 1.0kg Total 2.6kg
軽量化 ２１ｋｇ−２．６ｋｇ＝１８．４ｋｇ Light weight 21kg-2.6kg = 18.4kg
実際の自動車用灯具の熱溶着装置においては溶着ポイントが４０点に及ぶため、熱溶着電源全体の重量差は１００ｋｇ近くとなり、熱溶着装置１の大きさと製造コストにも大きな差が出る。
Since the welding point reaches 40 points in the actual heat welding device of a vehicle lighting device, the weight difference of the entire heat welding power source is close to 100 kg, and the size and the manufacturing cost of the
さらに、熱溶着チップ７を複数使用する場合、熱溶着チップ７の個体差によって発熱温度（抵抗値）にばらつきが発生する場合があるが、熱溶着電源３は４点の熱溶着チップ７に対応して４つのＤＣ入出力基盤６を搭載しているため、ＰＬＣ９の指令で印加する電圧及び電流を個別に増減（補正）することが可能である。
Further, when a plurality of
このため、複数個の熱溶着チップ７の加熱温度のばらつきを抑え、一定の加工時間で熱溶着の品質を安定させることが可能となる。
For this reason, it is possible to suppress the variation in the heating temperature of the plurality of
直流電源にバッテリ−１３を用いた熱溶着装置１の実施例を図５に示す。
FIG. 5 shows an embodiment of the
本実施例はバッテリー１３が電源で、ＰＬＣ９、制御回路４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、 ＤＣ入出力基盤６を一体化した熱溶着装置１からの出力が熱溶着チップ７に接続される構成であり、電源が異なる以外は図２の熱溶着装置と同様の機能を有する。
In this embodiment, the
熱溶着装置１にはＰＬＣ９への加工プログラムを入力するための接続端子と熱溶着加工を起動するための起動スイッチが設置されているが、図示は省略している。
The
また、本実施例では熱溶着装置１を小型化するため、ＰＬＣ９に接続する操作パネルを廃止している。このため、加工条件設定は前記接続端子にパソコンを接続して行う。
In this embodiment, the operation panel connected to the
ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電圧は８〜２４Ｖに対応しているため、バッテリーの種類は特に限定するものでなく、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素バッテリーなどから入力電圧と必要電流に応じて適宜選択し、複数を組み合わせて使用することが可能である。
Since the input voltage of the DC /
ここで、熱溶着チップ７の溶着電流を８０Ａ、電圧１．０Ｖ、加熱時間２秒の溶着条件とすれば１回の消費電力は０．０４４Ｗｈになる。
Here, assuming that the welding current of the
小型のリチウムイオン電池として広く流通する１８６５０サイズで容量３０００ｍＡを３本直列を電源とした場合の溶着可能な回数は、
バッテリー容量 ３．７Ｖ×３Ａｈ×３本＝３３．３Ｗｈ
溶着可能な回数 ３３．３Ｗｈ÷０．０４４Ｗｈ≒７５０回
The number of times that welding can be performed in the case of 18650 size, which is widely distributed as a small lithium-ion battery, and has a capacity of 3000 mA in series with three power supplies,
Battery capacity 3.7V x 3Ah x 3 = 33.3Wh
Number of times that welding is possible 33.3Wh ÷ 0.044Wh ≒ 750 times
稼働に際してはＰＬＣ９の消費電力、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の変換ロス、電線での通電ロスで加工回数は減少し、さらにバッテリ−の放電特性により安定した加工可能な回数は変化するがおよそ２００〜３００回程度の加工が可能である。
At the time of operation, the number of machining decreases due to the power consumption of the
従来の熱溶着は交流電源を確保できる場所でしか行うことができなかったが、本実施例によれば手持ちサイズでコードレスの熱溶着装置が可能となり、交流電源の確保しにくい屋外や建物の内部、機械装置内など狭小な場所での熱溶着加工が可能となる。 Conventional heat welding can be performed only in a place where an AC power supply can be secured. However, according to the present embodiment, a hand-held, cordless heat welding apparatus can be used, and it is difficult to secure an AC power supply outdoors or inside a building. In addition, heat welding can be performed in a narrow place such as in a mechanical device.
さらに、自動車用の１２Ｖ８０Ａｈ鉛バッテリーを使用した場合は、
バッテリー容量 １２Ｖ×８０Ａｈ＝９６００Ｗｈ
９６００Ｗｈ÷０．０４４Ｗｈ≒２０万回以上
Furthermore, when using a 12V80Ah lead battery for automobiles,
9600Wh ÷ 0.044Wh ≒ 200,000 times or more
１日の加工回数を１０００回と仮定した場合、前述の電力ロスやバッテリーの放電特性を考慮しても数日間の熱溶着加工は可能であり、電力事情の不安定な場所での一時的な操業も可能となる。 Assuming that the number of times of processing per day is 1000 times, heat welding can be performed for several days even in consideration of the power loss and the discharge characteristics of the battery described above. Operation is also possible.
１ 熱溶着装置
２ 直流安定化電源（ＡＣ／ＤＣコンバータ）
３ 熱溶着電源
４ 制御回路
５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ ＤＣ入出力基盤
７ 熱溶着チップ
８ ロボットケーブル（給電ケーブル）
９ ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）
１０ ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）
１１ トランス
１２ 交流電源
１３ バッテリー（２次電池）
１４ 受け冶具
１５ 操作盤
1.
3 Heat
9 PLC (Programmable Logic Controller)
10 SSR (Solid State Relay)
11 Transformer 12
14 Receiving
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