特開 2023-12129 アプセット溶接機の溶接準備方法と、その実施に直接使用するアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023012129

(43)【公開日】2023-01-25

(54)【発明の名称】アプセット溶接機の溶接準備方法と、その実施に直接使用するアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/02 20060101AFI20230118BHJP

   B23K 11/24 20060101ALI20230118BHJP

【ＦＩ】

B23K11/02 330

B23K11/24 345

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021115601

(22)【出願日】2021-07-13

(71)【出願人】

【識別番号】398069447

【氏名又は名称】株式会社キャダック

(74)【代理人】

【識別番号】100090712

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 忠秋

(72)【発明者】

【氏名】丹保 勝利

(57)【要約】

【課題】ワークＷの弾性に起因して溶接部の接合強度にばらつきや不足が生じないようにする。
【解決手段】固定側の電極２１に対して移動側の電極２２を前後に駆動するサーボアンプ１１付きのサーボモータ１２と、移動側の電極２２とサーボモータ１２との間に介装するロードセル１４とを設け、ロードセル１４は、リセット信号Ｓ3 により出力値Ｖをゼロ点にリセット可能とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

閉ループ形せん断補強筋を製造する際のアプセット溶接機の溶接準備方法であって、ループ状のワークの両端面を弾発的に突き合わせて固定側、移動側の各電極の間にワークの両端部を挟むようにセットしてクランプし、サーボモータを介して移動側の電極を後退させてワークの両端面を分離させ、移動側の電極とサーボモータとの間に介装するロードセルの出力値をゼロ点にリセットすることを特徴とするアプセット溶接機の溶接準備方法。

【請求項2】

固定側の電極に対して移動側の電極を前後に直線的に駆動するサーボアンプ付きのサーボモータと、移動側の電極と前記サーボモータとの間に介装するロードセルとを備えてなり、前記ロードセルは、リセット信号により出力値をゼロ点にリセット可能であることを特徴とするアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置。

【請求項3】

前記サーボアンプは、溶接中のワークの溶接部の加圧力、押込量の各目標値が達成されるように前記サーボモータを介して移動側の電極を駆動制御することを特徴とする請求項２記載のアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置。

【請求項4】

前記サーボモータは、出力軸にボールねじ機構を連結し、前記ロードセルは、前記ボールねじ機構に連結することを特徴とする請求項２または請求項３記載のアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、高品質の閉ループ形せん断補強筋（いわゆる溶接閉鎖形のフープ筋、スターラップ筋などを総称していう、以下同じ）を製造するために特に有益なアプセット溶接機の溶接準備方法と、その実施に直接使用するアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

閉ループ形せん断補強筋を製造するときは、まず、所定材質、所定サイズの異形棒鋼を所定の形状、サイズのループ状のワークＷに成形する（図６（Ａ））。なお、このとき、ワークＷの両端部Ｗ1 、Ｗ1 は、たとえば約２０mm程度互いに重複させて成形する。つづいて、ワークＷは、両端部Ｗ1 、Ｗ1 の両端面をワークＷの弾性により弾発的に突き合わせた上（同図（Ｂ））、図示しないアプセット溶接機（突合せ抵抗溶接機）の固定側、移動側の各電極の間に両端部Ｗ1 、Ｗ1 を挟むようにセットしてクランプし（たとえば図６（Ｂ）のクランプ位置Ｃ、Ｃ）、アプセット溶接機を作動させて両端部Ｗ1 、Ｗ1 の両端面を加圧通電しながら抵抗溶接し、同図（Ａ）の両端部Ｗ1 、Ｗ1 の重複部分相当の膨出部ＷＡ1 を溶接部に有する所定形状の製品ＷＡを作ることができる（同図（Ｃ））。

【0003】

なお、このようにしてワークＷの両端部Ｗ1 、Ｗ1 を抵抗溶接するとき、加圧力、通電電流、通電加圧時間等の溶接パラメータや溶接パターンなどによって溶接部の接合強度が大きく影響されることが分かっている（たとえば特許文献１、２）。また、従来のアプセット溶接機において、移動側の電極は、空圧シリンダまたは油圧シリンダにより駆動されている（同）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－８１３８９号公報

【特許文献2】特開２０１６－２１５２６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

かかる従来技術によるときは、ワークＷの両端部Ｗ1 、Ｗ1 を図６（Ｂ）のように弾発的に突き合わせる際に、ワークＷを構成する異形棒鋼の公称径が大きく、ワークＷのサイズが小さいと、ワークＷの弾性により両端面を押し付ける方向に作用する力が大きくなるため、両端面を接合する抵抗溶接の際に加圧力が過大となり、溶接部の接合強度が極端にばらついたり不足したりすることがあるという問題があった。

【0006】

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、アプセット溶接機の移動側の電極と駆動用のサーボモータとの間にロードセルを導入することによって、ワークの弾性に起因する溶接部の接合強度の問題を効果的に解決することができるアプセット溶接機の溶接準備方法と、その実施に直接使用するアプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

かかる目的を達成するための請求項１の発明の構成は、閉ループ形せん断補強筋を製造する際のアプセット溶接機の溶接準備方法であって、ループ状のワークの両端面を弾発的に突き合わせて固定側、移動側の各電極の間にワークの両端部を挟むようにセットしてクランプし、サーボモータを介して移動側の電極を後退させてワークの両端面を分離させ、移動側の電極とサーボモータとの間に介装するロードセルの出力値をゼロ点にリセットすることをその要旨とする。

【0008】

請求項２の発明の構成は、固定側の電極に対して移動側の電極を前後に直線的に駆動するサーボアンプ付きのサーボモータと、移動側の電極とサーボモータとの間に介装するロードセルとを備えてなり、ロードセルは、リセット信号により出力値をゼロ点にリセット可能であることをその要旨とする。

【0009】

なお、サーボアンプは、溶接中のワークの溶接部の加圧力、押込量の各目標値が達成されるようにサーボモータを介して移動側の電極を駆動制御することができる。

【0010】

また、サーボモータは、出力軸にボールねじ機構を連結し、ロードセルは、ボールねじ機構に連結することができる。

【発明の効果】

【0011】

かかる請求項１の発明の構成によるときは、固定側、移動側の電極にワークをセットしてクランプし、サーボモータを介して移動側の電極を後退させてワークの両端面を分離させると、ロードセルには、ワークの弾性による引張力が負荷される。そこで、このときのロードセルの出力値をゼロ点にリセットすれば、リセット時のワークの弾性相当分だけロードセルの入出力特性をシフトすることができる。

【0012】

一方、その後の溶接工程において、サーボモータを介して移動側の電極を前進させてワークの両端面を閉じると、ワークの両端面には、ワークの弾性による圧縮力と、サーボモータの駆動力に基づく引張力または圧縮力とのベクトル和に等しい力が負荷され、ロードセルは、サーボモータの駆動力に基づく力だけを検出する。ただし、ワークの弾性による圧縮力は、両端面を分離させた時にロードセルに負荷されるワークの弾性による引張力と同大である。そこで、ロードセルは、入出力特性がワークの弾性相当分だけシフトされていることにより、ワークの弾性による圧縮力を反映して、ワークの両端面すなわち溶接部に負荷される力相当の出力信号を出力することができ、サーボモータは、ロードセルの出力値に基づいて移動側の電極を駆動制御することにより、ワークの弾性による圧縮力を含む所定の加圧力相当の力をワークの溶接部に正しく負荷させることができる。

【0013】

なお、ロードセルの出力値をリセットする際、ワークの両端面は、機械的に離れている限り必要最少の隙間に開けばよく、実用的には、たとえば０．５～１．５mm程度の微少隙間に分離させれば十分である。また、ロードセルのリセット時のワークの弾性による引張力は、それを数値的に読み取って記憶したりする必要がなく、それがロードセルに負荷されている状態でロードセルの出力値をゼロ点にリセットし、ロードセルの入出力特性をワークの弾性相当分だけシフトさせるだけである。そこで、ロードセル自体としては、リセット時のワークの弾性相当分を入出力特性に反映させることができればよく、任意の形式が使用可能である。

【0014】

請求項２の発明の構成によるときは、サーボアンプ付きのサーボモータは、移動側の電極を前後に駆動することにより、固定側、可動側の各電極にクランプするワークを押し方向、引き方向の双方向に駆動制御することができ、ロードセルは、移動側の電極とサーボモータとの間に作用する力を検出することができる。そこで、ロードセルは、サーボモータを介してワークの両端面を分離させたときに外部からのリセット信号により出力値をゼロ点にリセットさせ、ワークの弾性相当分だけ入出力特性をシフトさせて請求項１の発明を円滑に実施することができる。

【0015】

サーボモータのサーボアンプは、たとえばロードセルの出力値、サーボモータの駆動量を入力して、外部から与えられる溶接中のワークの溶接部の加圧力、押込量の各目標値が達成されるように、サーボモータによる移動側の電極の駆動制御動作を実行する。ただし、サーボモータの駆動量は、たとえばサーボモータに内蔵のエンコーダを介して検出してもよく、サーボモータの制御対象としての移動側の電極の移動ストロークを検知する外付けセンサを介して検出してもよい。また、押込量とは、アプセット溶接におけるアプセット代またはアプセット寄り代（ＪＩＳ Ｚ ３００１）をいう。

【0016】

サーボモータは、出力軸に連結するボールねじ機構を介して回転運動を直線運動に変換し、移動側の電極を直線的に駆動する形式が好ましい。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】アプセット溶接機の要部模式構成図

【図2】アプセット溶接機の要部模式ブロック系統図

【図3】アプセット溶接機の動作フローチャート

【図4】ロードセルの入出力特性線図

【図5】動作パラメータ表

【図6】閉ループ形せん断補強筋の構成説明図

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

【0019】

アプセット溶接機における移動側の電極の駆動装置は、サーボアンプ１１付きのサーボモータ１２と、ロードセル１４とを備えてなる（図１、図２）。

【0020】

アプセット溶接機は、固定側の電極２１、移動側の電極２２を有し、固定側、移動側の電極２１、２２は、それぞれ共通のベースフレーム２３上の固定架台２１ａ、移動架台２２ａ上に積載されている。固定側、移動側の電極２１、２２には、それぞれクランプ用の可動電極２１ｂ、２２ｂが付設されており、固定架台２１ａは、ベースフレーム２３上の台座２１ｃ上に固定され、移動架台２２ａは、ベースフレーム２３上の台座２２ｃ上に直線状のガイド部材２２ｄを介して前後動自在に搭載されている（図１、図２の各矢印Ｋ方向）。固定側、移動側の電極２１、２２は、それぞれ共通の電流調整器２４を介して溶接電源２５に接続されている。

【0021】

サーボモータ１２の出力軸には、ボールねじ機構１３が連結されており、ロードセル１４は、移動架台２２ａ、ボールねじ機構１３を介し、移動側の電極２２とサーボモータ１２との間に介装されている。サーボモータ１２は、ブラケット１２ａを介してベースフレーム２３上に積載されている。また、ボールねじ機構１３は、ボールねじ軸１３ａ、ねじ部材１３ｂを組み合わせ、ボールねじ軸１３ａの一端は、タイミングベルト、ギヤ、チェーンなどの伝動部材１３ｃを介してサーボモータ１２の出力軸に連結され、ねじ部材１３ｂは、ロードセル１４に連結されている。なお、ボールねじ軸１３ａは、サーボモータ１２の出力軸に直結してもよい。

【0022】

サーボモータ１２用のサーボアンプ１１には、制御ユニット３０からの目標信号Ｓ1 が入力されている。また、制御ユニット３０は、電流調整器２４、ロードセル１４に対してそれぞれ指令信号Ｓ2 、リセット信号Ｓ3 を出力することができ、ロードセル１４は、サーボアンプ１１に出力信号Ｓ4 を出力している。制御ユニット３０は、クランプ用の可動電極２１ｂ、２２ｂ用の図示しない油圧シリンダに動作信号を送出し、可動電極２１ｂ、２２ｂを介して固定側、移動側の電極２１、２２に所定のループ状のワークＷをクランプすることができる。また、制御ユニット３０は、電流調整器２４に指令信号Ｓ2 を送出することにより、固定側、移動側の電極２１、２２間のワークＷの溶接部に所定の溶接用の通電電流Ｉを通電させることができる。

【0023】

一方、サーボモータ１２は、ボールねじ機構１３、ロードセル１４、移動架台２２ａを介して移動側の電極２２を前後に駆動してワークＷに圧縮力または引張力を加え、ロードセル１４は、サーボモータ１２の駆動力に基づく力Ｆを検出し、出力値Ｖの出力信号Ｓ4 としてサーボアンプ１１に出力する。なお、サーボアンプ１１には、サーボモータ１２に内蔵の図示しないエンコーダから、サーボモータ１２の駆動量がフィードバックされている。また、サーボアンプ１１には、制御ユニット３０からの目標信号Ｓ1 として、ワークＷの溶接部に加えるべき加圧力Ｐの目標値Ｐs 、ワークＷの溶接部に発生させるべき押込量Ａの目標値Ａs が入力されており、サーボアンプ１１は、加圧力Ｐ、押込量Ａの各目標値Ｐs 、Ａs が達成されるように、サーボモータ１２を介して移動側の電極２２を駆動制御することができる。

【0024】

ただし、制御ユニット３０は、ワークＷの断面積により加圧力Ｐの目標値Ｐs をワークＷの溶接部に負荷される圧縮力に換算し、サーボモータ１２から移動側の電極２２に至る駆動系の仕様に基づき、押込量Ａの目標値Ａs をサーボモータ１２の駆動量に換算して、サーボアンプ１１に出力するものとする。また、ロードセル１４は、制御ユニット３０からのリセット信号Ｓ3 により、現に検出中の力Ｆに拘らず、出力信号Ｓ4 の出力値Ｖをゼロ点にリセットする。

【0025】

アプセット溶接機により閉ループ形せん断補強筋を製造する際の動作手順は、たとえば図３のフローチャートとおりである。

【0026】

まず、図６（Ａ）のループ状のワークＷを用意し、ワークＷの両端部Ｗ1 、Ｗ1 の両端面を弾発的に突き合わせて（同図（Ｂ））、固定側、移動側の電極２１、２２にセットし、両端部Ｗ1 、Ｗ1 を挟むようにしてワークＷをクランプする（同図（Ｂ）のクランプ位置Ｃ、Ｃ、図３のステップ（１）、以下、単に（１）のように記す）。

【0027】

その後、サーボモータ１２を介して移動側の電極２２を後退させてワークＷに引き方向の力を加え、ワークＷの両端面を開いて分離させる（２）。このとき、制御ユニット３０は、目標信号Ｓ1 の押込量Ａの目標値Ａs として、たとえばＡs ＝－１mmをサーボモータ１２の駆動量に換算してサーボアンプ１１に出力すればよい。また、ロードセル１４は、ワークＷの両端面が分離することにより、ワークＷの弾性による引張力Ｆ＝Ｆd ＜０を検出し（図４の直線（１））、出力信号Ｓ4 として出力値Ｖ＝Ｖd ＜０を出力することができる。ただし、図４の横軸、縦軸は、それぞれロードセル１４が検出する力Ｆ、ロードセル１４からの出力信号Ｓ4 の出力値Ｖを示し、直線（１）は、原点を通るロードセル１４の正規の入出力特性である。また、図４の横軸の正方向、負方向は、それぞれ力Ｆの圧縮方向、引張方向である。

【0028】

次に、制御ユニット３０は、リセット信号Ｓ3 をロードセル１４に送出してロードセル１４の出力値Ｖをゼロ点にリセットする（３）。すなわち、ロードセル１４の入出力特性は、実質的に図４の直線（１）から直線（２）にシフトし、ロードセル１４は、引張力Ｆ＝Ｆd ＜０を負荷されながら出力値Ｖ＝０にリセットされる。なお、図４において、直線（２）は、引張力Ｆ＝Ｆd に対する出力値Ｖ＝Ｖd 相当だけ直線（１）を上方に平行移動させている。そこで、その後のロードセル１４は、図４の直線（２）の入出力特性に基づいて動作し、図３のステップ（１）～（３）は、アプセット溶接機の溶接準備方法に該当している。

【0029】

つづいて、制御ユニット３０は、サーボモータ１２を介して移動側の電極２２をゆっくり前進させてワークＷの両端面を閉じるとともに、サーボモータ１２の駆動力を調節して所定の加圧力Ｐ1 相当の圧縮力Ｆ1 をワークの両端面に負荷させる（（４）、図４）。ただし、このときの圧縮力Ｆ1 は、ワークＷの弾性による圧縮力｜Ｆd ｜より小さく、したがって、サーボモータ１２は、その駆動力に基づく引張力Ｆ1a＝Ｆ1 －｜Ｆd ｜＜０をワークＷに与える必要がある。一方、ロードセル１４は、図４の直線（２）の入出力特性であるから、引張力Ｆ＝Ｆ1aに対する出力値Ｖ＝Ｖ1 であり、出力値Ｖ＝Ｖ1 は、直線（１）の正規の入出力特性では、圧縮力Ｆ1 ＝Ｆ1a＋｜Ｆd ｜に対応している。すなわち、サーボアンプ１１は、ロードセル１４からの出力信号Ｓ4 の出力値Ｖ＝Ｖ1 となるようにサーボモータ１２の駆動力を調節して引張力Ｆ1aを実現し、ワークＷの両端面に所定の圧縮力Ｆ1 を負荷させて加圧力Ｐの目標値Ｐs ＝Ｐ1 を達成することができる。

【0030】

なお、ステップ（４）における制御動作を要約すると、次のとおりである。まず、図４の直線（１）の正規の入出力特性に基づいて必要な圧縮力Ｆ1 に対応するロードセル１４の出力値Ｖ＝Ｖ1 を見出し、図４の直線（２）の入出力特性となっているロードセル１４の出力値Ｖ＝Ｖ1 となるようにサーボモータ１２の駆動力を調節すると、サーボモータ１２による引張力Ｆ1a＝Ｆ1 －｜Ｆd ｜＜０を実現して目的を達成することができる。

【0031】

その後、制御ユニット３０は、電流調整器２４に指令信号Ｓ2 を送出してワークＷの両端面の溶接部に所定の通電電流Ｉ＝Ｉ1 を通電させて一次溶接を開始するとともに（５）、目標信号Ｓ1 の押込量Ａの目標値Ａs ＝Ａ1 が達成されるのを待つ（６）。所定の押込量Ａ＝Ａ1 が達成されたら（６）、通電電流Ｉ＝Ｉ1 を停止するとともに、サーボモータ１２を介して、ワークＷの溶接部に加圧力Ｐ＝Ｐh1相当の圧縮力Ｆh1≒０を加えながら所定時間の一次ホールド動作を実行する（７）。

【0032】

以下同様にして、制御ユニット３０は、別の加圧力Ｐ2 相当の圧縮力Ｆ2 ＞｜Ｆd ｜をワークＷの溶接部に負荷させる（（８）、図４）。このとき、サーボモータ１２の駆動力に基づく圧縮力Ｆ2a＝Ｆ2 －｜Ｆd ｜＞０は、ロードセル１４の出力値Ｖ＝Ｖ2 に対応しており、ステップ（８）における制御動作は、ステップ（４）における制御動作と実質的に同一である。つづいて、溶接用の通電電流Ｉ＝Ｉ2 として二次溶接を開始し（９）、所定の押込量Ａ＝Ａ2 となるのを待ち（１０）、別の加圧力Ｐ＝Ｐh2相当の圧縮力Ｆh2＜Ｆ2 をワークＷの溶接部に加えながら所定時間の二次ホールド動作を実行し（１１）、可動電極２１ｂ、２２ｂを開いてワークＷのクランプを開放して（１２）、図６（Ｃ）の製品ＷＡを製造することができる。その後、移動側の電極２２を原点に復帰させて次のワークＷのセットに備える（１３）。

【0033】

図３の一連の処理手順における具体的な動作パラメータの一例を図５に示す。ただし、図５の「準備段階」の列は、図３のステップ（１）～（３）に対応し、以下、「一次溶接」、「一次ホールド」、「二次溶接」、「二次ホールド」の列は、それぞれステップ（４）～（６）、（７）、（８）～（１０）、（１１）に対応する。また、「一次溶接」、「二次溶接」の所要時間は、それぞれ約１０秒、１～２秒の程度であった。

【0034】

なお、図５の「準備段階」の押込量Ａ＝－２０mm相当は、図６（Ａ）のワークＷの両端部Ｗ1 、Ｗ1 の重複部分の長さに対応しており、加圧力Ｐ＝２９０kg／cm² は、図６（Ｂ）のワークＷの両端面に作用するワークＷの弾性による圧縮力｜Ｆd ｜に対応している。また、「一次溶接」の加圧力Ｐ＝２７３kg／cm² ＝Ｐ1 は、一次溶接の際にワークＷの両端面に負荷させる圧縮力Ｆ1 に対応しており、「一次ホールド」、「二次溶接」、「二次ホールド」の加圧力Ｐ＝１４、１４８８、１１９０kg／cm² ＝Ｐh1、Ｐ2 、Ｐh2は、それぞれ一次ホールド、二次溶接、二次ホールドの際にワークＷの溶接部に負荷させる圧縮力Ｆh1≒０、Ｆ2 ＞｜Ｆd ｜、Ｆh2＜Ｆ2 に対応している。ただし、「一次ホールド」、「二次ホールド」は、それぞれワークＷの溶接部の半溶融組織の安定化、冷却化を目的としているが、「二次ホールド」は、必ずしも必須ではない。

【0035】

図３の処理手順、図５の動作パラメータを適用した製品ＷＡは、溶接部の接合強度が母材以上に強力であり、ばらつきも十分小さく、安定していることが確認された。

【0036】

以上の説明において、ロードセル１４は、圧縮力、引張力の双方を検出するに代えて、圧縮力のみを検出してもよい。ただし、このときのロードセル１４は、ワークＷの両端面を分離させて出力値をゼロ点にリセットする際に、ワークＷの種別ごとにあらかじめ設定する一定値相当分だけ入出力特性をシフトさせるものとする。

【産業上の利用可能性】

【0037】

この発明は、ワークの弾性による圧縮力がばらついても、溶接部の接合強度がばらついたり不足したりすることがなく、閉ループ形せん断補強筋を製造するに際し、広く好適に適用することができる。

【符号の説明】

【0038】

Ｗ…ワーク
Ｐ…加圧力
Ａ…押込量
Ｐs 、Ａs …目標値
Ｖ…出力値
Ｓ3 …リセット信号
１１…サーボアンプ
１２…サーボモータ
１３…ボールねじ機構
１４…ロードセル
２１、２２…電極

特許出願人 株式会社 キャダック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】