JP7724387B2 - 溶接トーチのためのティーチングツール、そのようなティーチングツールを備えた溶接トーチ、及びそのようなティーチングツールを備えた溶接トーチの溶接経路をティーチングするための方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ロボットに取り付けられた溶接トーチの被加工物に沿った溶接経路をティーチングする場合に使用される、先端部を有する非溶融電極のための開口部を有するガスノズルを備えた溶接トーチ、特にプラズマ溶接トーチのためのティーチングツールであって、自由端を有する実質的に環状に対称な本体部を有し、本体部は、弾性材料で形成される、ティーチングツールに関する。

さらに、本発明は、非溶融電極のための開口部を有するガスノズルを備え、溶接ロボットに取り付けるための装置を備えた、非溶融電極のための溶接トーチ、特にプラズマ溶接トーチに関する。

最後に、本発明は、前述のティーチングツールを備え、溶接ロボットに取り付けられた溶接トーチの溶接経路をティーチングするための方法に関する。

ロボット溶接、特に大きい被加工物を溶接するためのロボット溶接では、溶接ノズルからの視界がガスノズルによって完全に遮られるため、オペレーターが溶接をティーチングすることは極めて困難である。その結果、溶接電極が溶接継手又はアーク位置に向いているか、またノズルと被加工物との間の距離が適切であるかが判断することができない。

本発明は、非溶融電極と被加工物との間にアークが形成されるプラズマ溶接に主として関するものであるが、これに限定されるものではない。プラズマ溶接トーチは、比較的大きく、そのため、ティーチングプロセス中のプラズマガスノズルの視界は、特に制限され又はブロックされ、ティーチングプロセスを非常に困難にする。溶接トーチの視界がティーチングプロセス中に妨害される又は遮断される場合、電極が溶接軌道上の所望の位置に指向されているか、また電極又はガスノズルと被加工物との間の距離が適切であるかを判断することができない。

非溶融電極を備えた通常の溶接トーチを用いてティーチングプロセスが行われる場合、被加工物又は溶接トーチの部品、ガスノズル又は電極などを損傷する危険性もある。

ティーチングプロセスに使用するための特別の溶接トーチは、先行技術から知られている。例えば、ＪＰＨ０７２６０６１Ｕは、溶接トーチにネジを介して接続することができるダミーコンタクトチップを記載する。ダミーコンタクトチップは、弾性材料で形成され、その寸法は、実際の電極の寸法に対応する。

ＣＮ２０７９５２８９９Ｕは、技術水準による溶接トーチのためのティーチングツールを記載するが、溶接トーチ又は溶接ロボットとの接続は、詳細に記載されていない。

ＣＮ２０５４９７５３２Ｕは、産業用ロボットのための別のティーチングツールを開示する。

ＭＩＧ／ＭＡＧ溶接プロセスのための溶接ロボットのための別のティーチングツールは、ＪＰＨ０７２６０６２Ｕに示されている。ティーチングツールは、トーチに取り外し可能にネジ止めされ、圧縮バネ又はゴム板バネを含む。

溶接トーチのティーチングプロセスに使用するためのこの種の既知の要素は、複雑な設計を有する、又は溶接トーチへの取り付け及び取り外しが複雑であることが多い。

従って、本発明の目的は、非溶融電極を備えた溶接トーチ、特にプラズマ溶接トーチのためのティーチングツールであって、特に簡単に且つ迅速に溶接トーチに取り付けられ、溶接トーチから取り外すことができ、特に簡単且つ費用効果の高い設計を有するティーチングツールを作り出すことである。本発明のさらなる目的は、非消耗電極のための溶接トーチ、特にプラズマ溶接トーチ、及びそのような溶接トーチを備えた溶接の溶接経路をティーチングするための方法であって、それによって、ティーチイン（teach-in）操作を、簡単に且つ安全に、被加工物又は溶接トーチの部品に損傷を与える危険性なしに行うことができる方法を提供することである。既知の装置及び方法の欠点は、回避される又は少なくとも軽減される。

本発明の目的は、一方では、前述したティーチングツールによって解決され、本体部は、自由端の反対側に配置されたコネクタを有し、コネクタは、溶接トーチのガスノズルの開口部に工具なしで固定するための円錐台によって形成される。ティーチングツールは、弾性材料で構成され、一方では、ティーチングプロセス中に被加工物への損傷を防止することができる。他方では、ティーチングツールは、このように溶接トーチに取り付けられ、特に迅速に且つ容易にまた取り外すことができる。ティーチングツールの弾性材料及びそれに対応する寸法は、ティーチングツールが摩擦によってガスノズル内に保持されることを可能にし、固定要素（fastening element）及び工具は、組立及び分解のために必要ではない。ティーチングツールのコネクタは、円錐台によって形成される。この設計は、溶接トーチのガスノズルの開口部にティーチングツールを配置し、摩擦によってティーチングツールを保持することを容易にする。溶接トーチの非溶融電極は、ティーチングプロセスのための変更中に取り外される必要はないが、ガスノズルの開口部にティーチングツールのためのスペースが作り出されるように、ガスノズル内に移動させるだけでよい。このティーチングはまた、特に簡単であり、従って製造するために費用がかからない。

好ましくは、円錐台のコネクタの平均直径は、溶接トーチのガスノズルの開口部の直径よりわずかに大きい。このような寸法設定は、ティーチングツールが摩擦によってガスノズルの開口部にしっかりと保持されることを保証する。好ましくは、円錐台の平均直径は、溶接トーチのガスノズルの開口部の直径より４％～８％大きい。

コネクタより大きい直径を有するフランジがコネクタとティーチングツールの本体部の自由端との間に配置される場合、ティーチングツールが所望の位置にガスノズルに取り付けられることを確実にすることができる。一方では、フランジは、ティーチングツールがガスノズルに対して傾くことを防止し、他方では、ガスノズルの端部からティーチングツールの先端の規定された距離は、常に確保される。これは、ティーチングプロセス中に適切なツールセンターポイント（ＴＣＰ）を保証する。

特にティーチングツールの本体部は、ワンピースで作られる。これは、ティーチングツールを非常に容易に且つコスト効率よく生産することを可能にする。

ティーチングツールの本体部の弾性材料が黒鉛状炭素（graphitic carbon）、特に３０～４０体積パーセント、を含有する場合、材料の耐摩耗性を向上させることができ、従って耐用年数を延ばすことができる。一般的なシリコーンゴムで作られるティーチングツールの場合、４回使用後に耐摩耗性は大幅に低下する。シリコーンゴムのマトリックスにいくらかの黒鉛状炭素を加えることは、ティーチングツールの寿命を１０倍以上に向上させる。黒鉛状炭素は、粉末の形及び／又は粉末複合材料の形でシリコーンゴムマトリックスに混ぜることができる。

有利には、本体部の弾性材料は、４０～５０ショアＡ、特に４５～４８ショアＡのショア硬さを有する。このような硬さ値は、ティーチングツールの適用及びガスノズルの開口部における保持に有利である。

本発明の別の特徴によれば、本体部の弾性材料は、７.８～１２ＭＰａ、特に９.８～１０ＭＰａの弾性係数を有する。

ティーチングツールの本体部に適した材料は、ゴム又はゴム化合物、特にシリコーンゴムである。このような前述した特徴を有する材料は、摩擦、硬さ、耐摩耗性及び弾性を調整するために使用される。シリコーンゴムは、１５０℃以上の温度においてさえ弾性及び耐熱性の理想的な性能を示す。さらに、シリコーンゴムは、１０～８０程度のショア硬さと、弾性硬さが４０ショアＡであるときに８ＭＰａの弾性係数とを有するので、少しの弾性変形は、ティーチングツールとガスノズルの金属表面との摩擦を得るために十分な押し出し力を発生させることができる。摩擦力は、ｆ＝μ*Ｎによって計算され、ここでｆは摩擦、μは摩擦係数（銅とシリコーンゴムとの間は０.２５）、Ｎは法線力である。その結果、摩擦ｆは、法線力Ｎと弾性変形とに比例する。この場合、シリコーンゴムの０.２ｍｍ～０.４ｍｍの変形は、重力に打ち勝つ摩擦ｆを発生させるために十分である。

蛍光粒子が弾性材料に混ぜられる、又は本体部が少なくとも部分的に蛍光トップ又はカバー層で囲まれる場合、ティーチングプロセス中のティーチングツールの視認性を高めることができる。蛍光ティーチングツールは、オペレーターにとって、特に暗い作業環境において有利であり得る。

本発明の別の特徴によれば、ティーチングツールの本体部の自由端は、丸みを有し、特に直径が０.４～０.６ｍｍの直径を有する丸みを有する。このような半径は、先端部の耐摩耗性に関して実際に適していることが証明されている。

本発明の目的はまた、非溶融電極のための開口部を有するガスノズルと、前述した溶接ロボットに取り付けるための装置とを備え、それによって前述したティーチングツールが設けられてガスノズルの開口部に固定される非溶融電極のための溶接トーチ、特にプラズマ溶接トーチによって解決される。これによって達成可能な利点についてはティーチングツールの前記説明を参照されたい。

最後に、本発明の目的はまた、前述したティーチングツールを備えた溶接ロボットに取り付けられた溶接トーチの溶接経路をティーチングするための前述した方法であって、所望の溶接経路は、前記ティーチングツールが固定される溶接トーチを用いて横断される前記方法によって解決される。この方法によって達成することができる利点については、前記ティーチングの説明を参照されたい。

有利には、ティーチングツールの被加工物との接触が検出され、それに応じて溶接経路のティーチングが修正される。

ティーチングツールの被加工物との接触は、溶接ロボットにおいて検出される力を介して、又はティーチングツールにおいて電気測定電圧を介して検出することができる。ティーチングツールに作用する力は、例えば、ロボットに通常存在する力測定装置を介して検出することができる。後者の場合、ティーチングツールに一定の導電性が要求されるが、これは、例えば、ティーチングツールの本体部の弾性材料に導電粒子（例えば、グラファイト、ニッケルクラッド銅粉末及び／又は銀粉末）を加えることによって、又はティーチングツールの本体部を導電材料で包むことによって実現することができる。さらなる実施形態では、本体部は、少なくとも部分的に導電性カバー層によって囲まれる。導電性カバー層は、ブラッシング、スプレー、浸漬、又は他のコーティング方法によって適用することができる。

本発明を、添付図を参照してさらに詳細に説明する。

図１は、先行技術による溶接ロボットに取付可能であるプラズマ溶接トーチを簡略化して示す。 図２は、ティーチングツールの第１実施形態を詳細に示す。 図３は、ティーチングツールの第２実施形態を示す。 図４は、本発明の保護範囲に入らないが、円筒形のコネクタを備え、自由端が丸みを有する別のティーチングツールを示す。 図５は、蛍光トップ層を備えたティーチングツールの別の実施形態を示す。 図６は、ティーチングツールの別の実施形態の断面図を示す。 図７は、ティーチングツールの別の実施形態の断面図を示す。 図８は、図３に示すように第２実施形態に係る本発明によるティーチングツールを備えたガスノズルの部分断面図を示す。 図９は、図３に示すように第２実施形態に係る本発明によるティーチングツールを備えた別のガスノズルの部分断面図を示す。 図１０は、図７に示すように前記実施形態に係る本発明によるティーチングツールを備えた別のガスノズルの部分断面図を示す。

図１は、先行技術による溶接ロボット１６（図示せず）に取り付けるための装置１７を備えた溶接トーチ１０、特にプラズマ溶接トーチ１５を簡略化して示す。プラズマ溶接トーチ１５は、開口部１２を有するガスノズル１１と、通常タングステンで作られる非溶融電極１３とを含む。溶接トーチの設計に基づいて、非溶融電極１３は、突出することができる又は突出することができない。様々な電気ケーブルと冷却ライン（図示せず）は、ホースパッケージＳを介してプラズマ溶接トーチ１５に供給される。上の図では、プラズマ溶接トーチ１５は、溶接点Ｐに溶加材Ｚを供給され、溶接点を用いて、溶接経路Ｘに沿って被加工物Ｗの溶接が行われる。溶接プロセスが行われる前に、いわゆるティーチングプロセスが通常行われ、ティーチングプロセスでは、溶接ロボット１６の移動は、後続の溶接プロセスが所望の溶接経路Ｘに沿って行われるように決定される。ティーチングプロセス中、プラズマ溶接トーチ１５と被加工物Ｗとの間の距離が小さすぎるように選択される場合、被加工物Ｗ又はプラズマ溶接トーチ１５の構成部品、特に非溶融電極１３が損傷する危険性がある。この問題は、本発明によって取り除かれる。

図２は、ティーチングツール１の第１実施形態を詳細に示す。ティーチングツール１は、自由端３を有する実質的に環状に対称の本体部２を有し、本体部２は、弾性材料、例えばゴム又はゴム化合物、特にシリコーンゴムで形成される。さらに、ティーチングツール１の本体部２は、自由端３の反対側に配置されたコネクタ４を有し、コネクタ４は、溶接トーチ１０（図１参照）のガスノズル１１の開口部１２に工具なしで固定するように設計される。本体部２のコネクタ４は、円錐台５によって形成され、ガスノズル１１（図８参照）の開口部１２内にティーチングツール１を固定し易くする。コネクタ４（図３参照）の平均直径Ｄ_Ａは、ティーチングツール１がガスノズル１１（図８参照）内においてのみ摩擦によって保持するように溶接トーチ１０のガスノズル１１の開口部１２の直径Ｄ_Ｇよりわずかに大きい。

図３は、ティーチングツール１の第２実施形態を示し、コネクタ４の最大直径Ｄ_Ｍより大きい直径Ｄ_Ｆを有するフランジ６は、コネクタ４と本体部２の自由端３との間に配置される。ティーチングツール１の一種の制限であるフランジ６によって、ティーチングツール１がガスノズル１１に所望の位置において取り付けられることを保証することができる。フランジ６は、ティーチングツール１がガスノズル１１に対して傾くことを防止し、ガスノズル１１の端部からティーチングツール１の先端部の規定された距離は、常に確保される。

図４は、ガスノズル１１の開口部１２の直径Ｄ_Ｇよりわずかに、好ましくは４％～８％大きい外径Ｄ_Ａを有する円筒形コネクタ４を備えたティーチングツール１の別の実施形態を示す。この円筒形コネクタ４は、本発明の保護範囲に入らない。本体部２の自由端３の先端部は、丸み８、特に０.４～０.６ｍｍの直径を有する丸み８を示す。

図５は、ティーチングツール１の別の実施形態を示し、それは、他のすべての点において図３による実施形態に対応する。コネクタ４は、円錐台５によって形成され、円錐台の平均直径Ｄ_Ｃは、ガスノズル１１の開口部１２の直径Ｄ_Ｇよりわずかに大きい。この実施形態では、ティーチングツール１の本体部２は、少なくとも部分的に蛍光トップ層７で囲まれる。蛍光トップ層７は、ブラッシング、スプレー、浸漬、又は他のコーティング方法によって適用することができる。蛍光トップ層７の代わりに、蛍光粒子はまた、ティーチングツール１の本体部２の弾性材料に混ぜることができる。蛍光トップ層７は、ティーチングプロセス中にティーチングツール１の視認性を改善することができる。

図６は、図３による実施形態と同様のティーチングツール１の別の実施形態の断面図を示す。唯一の違いは、ティーチングツール１の本体部２の自由端３の反対側にコネクタ４に凹部１８が存在することであり、溶接トーチ１０の非溶融電極１３の先端部は、ティーチングプロセス中に凹部１８内に配置することができる（図１０参照）。凹部１８は、非溶融電極１３の先端部の形状に対応するように構成される。

図７は、ティーチングツール１の別の実施形態の断面図を示す。凹部１８の角度は、図６による凹部１８の角度より小さい。ティーチングツール１の本体部２の弾性材料が黒鉛状炭素Ｃを含む場合、一方では、ティーチングツール１の耐摩耗性、よって耐用年数を向上させることができる。他方では、これは、又は他の（ニッケルクラッド銅粉末又は銀粉末のような）導電性粒子の添加は、ティーチングツール１を導電性にすることができる。これは、溶接トーチ１０又はティーチングツール１と被加工物Ｗとの接触が、短絡検出によって検出することができることを意味する。この目的のために、測定電圧Ｕ_Ｍは、ガスノズル１１を介してティーチングツール１に適用され、ティーチングツール１の自由端３が導電性被加工物Ｗに接触するときの電圧降下を介して検出される。接触した場合、音響信号及び／又は視覚信号を発することができる。

図８は、図３に示す第２実施形態による本発明に係るティーチングツール１を備えたガスノズル１１の部分断面図を示す。ガスノズル１１は、直径Ｄ_Ｇを有する開口部１２を有する。非溶融電極１３は、ティーチングプロセスの間、ガスノズル１１内にとどまることができ、単に後方に移動される。これは、ティーチングプロセス中のハンドリングを容易にする。コネクタ４の最大直径Ｄ_Ｍがガスノズル１１の開口部１２の直径Ｄ_Ｇよりわずかに大きいティーチングツール１は、ガスノズル１１の開口部１２に挿入される。ティーチングツール１の本体部２の弾性材料のために、ティーチングツール１は、簡単に開口部１２に挿入することができ、それは、摩擦のために保持される。フランジ６は、ティーチングツール１がガスノズル１１に対して傾くことを防止し、ガスノズル１１の端部とティーチングツール１の自由端３における先端部との間の距離が正しいことを確保する。

図９は、図３に示すように第２実施形態による本発明に係るティーチングツール１を備えた別のガスノズル１１の部分断面図を示す。矢印Ｇは、溶接プロセス中のガスノズル１１内の不活性ガスＧの経路を示す。

最後に、図１０は、図７に示すように前記実施形態による本発明に係るティーチングツール１を備えた別のガスノズル１１の部分断面図を示す。ここで、非溶融電極１３の先端部は、ティーチング手順の間、ティーチングツール１のコネクタ４の凹部１８に配置することができる。

説明したティーチングツール１を用いて、ティーチングプロセスは、改善することができ、被加工物Ｗ又は溶接トーチ１０の構成部品が破壊する危険性は、最小化する又は防止することができる。

Claims (14)

1. 溶接ロボット（１６）に取り付けられた溶接トーチ（１０）の被加工物（Ｗ）に沿った溶接経路（Ｘ）をティーチングする場合に使用される、先端部（１４）を有する非溶融電極（１３）のための開口部（１２）を有するガスノズル（１１）を備えた溶接トーチ（１０）、特にプラズマ溶接トーチ（１５）のためのティーチングツール（１）であって、自由端（３）を有する実質的に環状に対称な本体部（２）を有し、本体部（２）は、弾性材料で形成される、ティーチングツール（１）において、本体部（２）は、自由端（３）の反対側に配置されたコネクタ（４）を有し、コネクタ（４）は、溶接トーチ（１０）のガスノズル（１１）の開口部（１２）に工具なしで固定するための円錐台（５）によって形成される、ことを特徴とするティーチングツール（１）。
2. 円錐台（５）の平均直径（Ｄ_Ｃ）は、溶接トーチ（１０）のガスノズル（１１）の開口部（１２）の直径（Ｄ_Ｇ）よりわずかに大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
3. 円錐台（５）の平均直径（Ｄ_Ｃ）は、溶接トーチ（１０）のガスノズル（１１）の開口部（１２）の直径（Ｄ_Ｇ）より４～８％大きい、ことを特徴とする請求項２に記載のティーチングツール（１）。
4. コネクタ（４）より大きい直径（Ｄ_Ｆ）を有するフランジ（６）は、コネクタ（４）と本体部（２）の自由端（３）との間に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
5. 本体部（２）は、ワンピースで作られる、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
6. 本体部（２）の弾性材料は、黒鉛状炭素（Ｃ）を、特に３０～４０体積パーセント、含有する、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
7. 本体部（２）は、ゴム又はゴム化合物、特にシリコーンゴムで作られる、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
8. 蛍光粒子は、前記弾性材料に混入される、又は、本体部（２）は、少なくとも部分的に蛍光トップ層（７）で囲まれる、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
9. 本体部（２）の自由端（３）は、特に０.４～０.６ｍｍの直径を有する、丸み（８）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のティーチングツール（１）。
10. 非溶融電極（１３）のための開口部（１２）を有するガスノズル（１１）を備え、溶接ロボット（１６）に取り付けるための装置（１７）を備えた、非溶融電極（１３）のための溶接トーチ（１０）、特にプラズマ溶接トーチ（１５）であって、請求項１から９の何れか１項に記載のティーチングツール（１）が設けられてガスノズル（１１）の開口部（１２）に固定される、ことを特徴とする溶接トーチ（１０）。
11. ティーチングツール（１）を備え、溶接ロボット（１６）に取り付けられた溶接トーチ（１０）の溶接経路（Ｘ）をティーチングするための方法であって、所望の溶接経路（Ｘ）は、請求項１から９の何れか１項に記載のティーチングツール（１）が固定される溶接トーチ（１０）を用いて横断される、ことを特徴とする方法。
12. ティーチングツール（１）の被加工物（Ｗ）との接触が検出され、それに応じて溶接経路（Ｘ）のティーチングが修正される、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. ティーチングツール（１）の被加工物（Ｗ）との接触は、溶接ロボット（１６）において検出される力（Ｆ）を介して検出される、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. ティーチングツール（１）の被加工物（Ｗ）との接触は、ティーチングツール（１）における電気測定電圧（Ｕ_Ｍ）を介して検出される、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。