JP2011079009A - ポータブル溶接ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】一台の溶接ロボットで、管の内外面溶接、シーム溶接など、各種の溶接に対応可能とする。
【解決手段】溶接線に沿って配設されるガイドレール１０、１０’、１０”と、該ガイドレール上を移動可能な、該ガイドレールに対して着脱自在とされた走行台車１２と、該走行台車１２に搭載された溶接ヘッド２０と、該溶接ヘッド２０、該溶接ヘッド２０に溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給装置４０、前記溶接ヘッド２０に電源を供給するための溶接電源５０、前記溶接ヘッド２０による溶接を制御するための制御装置６０の少なくとも一部を分散し、又は、まとめて搭載した、相互に連結可能な複数の運搬台車８０とを備えてなるポータブル溶接ロボットを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポータブル溶接ロボットに係り、特に、現地配管の継手の溶接に用いるのに好適な、一台の溶接ロボットで、管の内外面溶接、シーム溶接など様々な溶接が可能な、汎用性の高いポータブル溶接ロボットに関する。

現地溶接継手の開先ギャップ、目違いなどの変動は比較的大きい。特に大径管溶接継手の場合は仮付けビードもある。このような溶接継手を溶接ロボットにて自動溶接するために、溶接ロボットに開先形状を計測するセンサと、このセンサ情報に基づく自動制御機能を備える必要がある。また、溶接中に、これらの制御誤差をリアルタイムに検出し補正制御を行って溶接品質を確保することも重要である。

現地配管の特徴として、ほとんどが固定管である。したがって、溶接場所の変更に伴って、溶接対象の管でなく、溶接に使われる溶接ロボットを移動せざるをえない。この場合、軽量小型である、なおかつ移動、組立とセッティングなどを簡便に行えるポータブル溶接ロボットが必要である。

先行技術として、管の自動溶接に関する技術の一例が、特許文献１に記載され、管体中継ぎ部の内面溶接に関する技術が特許文献２に記載され、溶接機器を搭載した台車を何台も接続して走行する管内走行台車に関する技術が特許文献３に記載され、自動溶接制御に関する技術が特許文献４に記載されている。

又、出願人は、溶接ロボットの溶接トーチに配設するのに好適なレーザ・視覚複合センサを特許文献５や６で提案している。

特開平９−２９５１４５号公報 特開平１０−２４９５８５号公報 特開平１１−２６８６３８号公報 特開２０００−９４１３０号公報 特開２００９−１６６１０７号公報 特開２００９−１９５９７７号公報

しかしながら、現地配管の溶接継手は、円周継手だけではなく、管軸方向でのシーム継手もある。これらの継手は、管内という場所の狭さから、複数機種のロボットではなく、一台の溶接ロボットで全部施工ができることも望まれているが、従来、そのような汎用性を備えた溶接ロボットは提案されていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、一台の溶接ロボットで、管の内外面溶接、シーム溶接など様々な溶接が可能なポータブル溶接ロボットを提供することを課題とする。

本発明は、溶接線に沿って配設されるガイドレールと、該ガイドレール上を移動可能な、該ガイドレールに対して着脱自在とされた走行台車と、該走行台車に搭載された溶接ヘッドと、該溶接ヘッド、該溶接ヘッドに溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給装置、前記溶接ヘッドに電源を供給するための溶接電源、前記溶接ヘッドによる溶接を制御するための制御装置の少なくとも一部を分散し、又は、まとめて搭載した、相互に連結可能な複数の運搬台車とを備えたことを特徴とするポータブル溶接ロボットにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記走行台車を、前記ガイドレールを両側から挟む走行車輪及び締め付け車輪と、該締め付け車輪を締め付けるための車輪締め付けレバーを備えることができる。

又、前記溶接ヘッドに、センサ付の溶接トーチと、前記ガイドレールに対する走行台車の位置を制御するための機構と、前記ガイドレールに対する走行台車の位置を検出するセンサと、前記溶接トーチの高さを制御するための機構と、前記溶接トーチの揺動を制御するための機構と、を取付けることができる。

又、前記センサを、溶接トーチの中心軸に対して回転自在とすることができる。

又、１本の前記ガイドレールに、複数の前記走行台車を配設することができる。

本発明によれば、ガイドレールを溶接線に沿って配設することにより、一台の溶接ロボットで、管の内外面溶接、シーム溶接など様々な溶接が可能となる。

本発明に係るポータブル溶接ロボットの実施形態の全体構成の溶接前の状態を示す、溶接対象パイプの縦断面図 同じく溶接中の状態を示す（Ａ）横断面図及び（Ｂ）縦断面図 前記実施形態の溶接ロボット本体の構成を示す（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図 同じく走行台車を管の内面溶接用ガイドレールに取付けた状態を示す要部拡大断面図 同じく管のシーム溶接用ガイドレールに取付けた時の要部拡大断面図 同じく管の外面溶接用ガイドレールに取付けた時の要部拡大断面図 同じく走行台車のガイドレールへの着脱機構を示す拡大断面図 同じく溶接トーチホルダの構造及び作用を示す正面図 同じく溶接ロボットのトーチホルダの分解斜視図 同じくレーザ・視覚複合センサの取付け状態及び作用を示す正面図 前記実施形態のシーム継手溶接への適用例を示す（Ａ）縦断面図及び（Ｂ）横断面図 同じく１つの円周継手に２台の溶接ヘッドを同時に使用する例を示す（Ａ）横断面図及び（Ｂ）縦断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係るポータブル溶接ロボットの実施形態の溶接前の状態、図２は同じく溶接中の状態の全体構成を示すものである。この溶接ロボットは、主に、溶接対象パイプ８の例えば円周状の溶接線に沿って配設される、例えばリング状のガイドレール１０、図２に示す如く、該ガイドレール１０上を移動可能な、該ガイドレール１０に対して着脱自在とされた走行台車１２、該走行台車１２に搭載された溶接ヘッド２０、該溶接ヘッド２０に溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給装置４０、前記溶接ヘッド２０に電源を供給するための溶接電源５０、前記溶接ヘッド２０による溶接を制御するための制御装置６０およびケーブル・ホース収納機７０等により構成される。また補助設備として、各装置を搭載可能な、相互に連結された運搬台車８０、例えば先頭台車の走行モータ８２、溶接ヘッド２０の近傍に配設された半自動ワイヤ送給装置４２などもある。

管内の細長く狭い場所に設置することや、曲がった管路内でも移動できることなどを考慮して、図１のようにワイヤ送給装置４０、溶接電源５０、制御装置６０およびケーブル、ガスホースなどの収納機７０を、それぞれの運搬台車８０に搭載する。また各運搬台車８０を連結しておけば、同時に移動することもできる。なお先頭の運搬台車には、その車輪を駆動する動力の電気モータである走行モータ８２を付けて、動力で移動させることが可能である。

ここで、溶接ヘッド２０の走行台車１２は、図１に示す如く、溶接前は先頭の運搬台車８０に載せられ、ガイドレール１０の近くまで運ばれた後、図２に示す如く、溶接に備えてガイドレール１０上に装着される。

図３（Ａ）（正面図）及び（Ｂ）（側面図）は、本実施形態の溶接ロボット本体を示すものである。このロボット本体は、ガイドレール１０と、このガイドレール１０に簡単に着脱できる走行台車１２と溶接ヘッド２０の組み合わせタイプを採用する。これにより同一機種のロボットが、ガイドレール１０さえ変えれば、幅広い管径の円周溶接継手にも適用できるし、直線のシーム溶接継手の溶接にも適用できる。

前記溶接ヘッド２０には、出願人が特許文献５や６で提案したレーザ・視覚複合センサ２４付きの溶接トーチ２２が取付けられている。これにより、開先形状の変動や仮付けビード位置などの自動計測が溶接前に事前に行え、また溶接中に溶接状態の計測もできるので、高精度な溶接線倣い制御および溶接条件の適応制御ができ、高品質な溶接が保証される。

前記溶接ロボット本体は、溶接トーチ２２を移動する走行台車１２のＺ軸機構と、溶接トーチ２２の高さを調整するＹ軸機構３０Ｙと、溶接トーチ２２の揺動を制御するＸ軸機構３０Ｘと、レーザ・視覚複合センサ付き溶接トーチ２２と、ガイドレール１０上の走行台車１２の位置から溶接位置を検知する位置センサ３２およびケーブル・ガスホースなどの出入りを集約するコネクタボックス３４などにより構成されている。

ロボット本体の自由度構造はＸ−Ｙ−Ｚ軸の直交型である。ここで、溶接トーチ２２は、トーチホルダ３６を介してＸ軸機構３０Ｘのスライダーに直接取付けて、Ｘ軸からのトーチ揺動制御を受ける。

一方、Ｘ軸機構３０Ｘは、Ｙ軸機構３０Ｙのスライダーに固定し、Ｙ軸のトーチ高さ制御を溶接トーチ２２に伝達する。そして、このように構成したＸ−Ｙ軸ブロック３０は、Ｙ軸機構３０Ｙで走行台車１２に固定して、走行台車１２の走行速度制御を、溶接トーチ２２の走行速度制御に使用する。

図４は走行台車１２の構造を示すものである。この走行台車１２は、ガイドレール１０の一方側（図では上側）を走行する走行車輪１２Ａと、該走行車輪１２Ａを回転するための走行モータ１２Ｂと、前記走行車輪１２Ａと協働して、ガイドレール１０を他方側（図では下側）から挟むための締め付け車輪１２Ｃと、該締め付け車輪１２Ｃを締め付けるための車輪締め付けレバー１２Ｄとを備えている。図において、１２ＥはＸ−Ｙブロック３０の取り付け面である。

この走行台車１２は、図４に示すような管の内面溶接に用いるガイドレール１０に取付けることはもちろん、図５に示す管のシーム溶接に用いる直線ガイドレール１０’にも、または図６に示す管の外面溶接に用いるガイドレール１０”にも取付けられることが特徴である。

さらに、この走行台車１２のガイドレール１０、１０’、１０”への着脱も簡単である。図７は、走行台車１２をガイドレール１０に着脱する機構を示すものである。この着脱機構は、前記締め付けレバー１２Ｄを締め付けるための締め付けナット１２Ｆと締め付けばね１２Ｇを備えている。この機構の特徴は、たった一つの締め付けナット１２Ｆにて、走行台車１２のガイドレール１０への着脱作業が行えることである。

図８はトーチホルダ３６の構造を示すものであり、図９は、トーチホルダ３６の分解斜視図を示すものである。このトーチホルダ３６は、トーチの傾きを事前に調整できる回転部３６Ａと、ガイドレール１０の高さに応じて溶接トーチ２２の上下高さを事前に調整できるアーム部３６Ｂと、溶接トーチ２２を捕まえるハンド部３６Ｃで構成される。前記回転部３６Ａは、隅肉溶接や管内シーム継手を溶接するときに、溶接トーチ２２が所定の角度で開先を狙えるようにするために設けられている。前記アーム部３６Ｂは、ガイドレール高さの変化を吸収して、溶接時のトーチ高さ調整を、Ｙ軸機構３０Ｙのストローク範囲を抑えられるために設けられている。

図１０は、本実施形態で使用した溶接トーチ２２を示すものである。この溶接トーチ２２には、出願人が特許文献５、６で提案したようなレーザ・視覚複合センサ２４の、カメラを含むセンサヘッド２４Ａが取付けられている。また、このセンサヘッド２４Ａは、回転ブロック２４Ｂに取付けられ、溶接トーチ２２の中心軸２２Ｃを中心に簡単に１８０度回転できるようにされているため、溶接時に使用する視覚センサのセンサヘッド２４Ａの設置位置が、例えば溶接方向前方に制限される場合であっても、溶接を双方向に行える。

図において、２４Ｃは、レーザセンサ使用時の画像をカメラ視野中央部におくように、センサヘッド２４Ａの設置位置を調整するためのスライダー、２４Ｄは、その固定ボルトである。

図１１（Ａ）（縦断面図）（Ｂ）（横断面図）は、管内溶接ロボットのシーム継手溶接への適用例を示すものである。この場合、溶接ヘッド２０を直線ガイドレール１０’に乗せ、またワイヤ送給装置４０は溶接ヘッドと連動できるワイヤ送給装置の架台４４に乗せている。

図１２（Ａ）（横断面図）（Ｂ）（縦断面図）は、２台の溶接ヘッド（走行台車）を使って同時に一つの円周継手を溶接する例である。

図中に示した溶接方法は、振り分け上進溶接する方法であるが、無論、２台を同じ方向に走行させ、連続周回転して溶接することもできる。

なお、前記実施形態においては、センサとしてレーザ・視覚複合センサが用いられていたが、センサの種類はこれに限定されず、レーザセンサ以外の光るセンサや、複合センサでなく単体センサであってもよい。又、溶接対象もパイプに限定されない。

８…溶接対象パイプ
１０、１０’、１０”…ガイドレール
１２…走行台車
１２Ａ…走行車輪
１２Ｂ…走行モータ
１２Ｃ…締め付け車輪
１２Ｄ…締め付けレバー
１２Ｆ…締め付けナット
２０…溶接ヘッド
２２…溶接トーチ
２４…レーザ・視覚複合センサ
２４Ａ…センサヘッド
２４Ｂ…回転ブロック
３０…Ｘ−Ｙ軸ブロック
３０Ｘ…Ｘ軸機構
３０Ｙ…Ｙ軸機構
３６…トーチホルダ
４０…ワイヤ送給装置
４２…半自動ワイヤ送給装置
５０…溶接電源
６０…制御装置
７０…ケーブル・ホース収納機
８０…運搬台車
８２…運搬台車走行モータ

Claims (5)

1. 溶接線に沿って配設されるガイドレールと、
   該ガイドレール上を移動可能な、該ガイドレールに対して着脱自在とされた走行台車と、
   該走行台車に搭載された溶接ヘッドと、
   該溶接ヘッド、該溶接ヘッドに溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給装置、前記溶接ヘッドに電源を供給するための溶接電源、前記溶接ヘッドによる溶接を制御するための制御装置の少なくとも一部を分散し、又は、まとめて搭載した、相互に連結可能な複数の運搬台車とを備えたことを特徴とするポータブル溶接ロボット。
2. 前記走行台車が、前記ガイドレールを両側から挟む走行車輪及び締め付け車輪と、該締め付け車輪を締め付けるための車輪締め付けレバーを備えていることを特徴とする請求項１に記載のポータブル溶接ロボット。
3. 前記溶接ヘッドに、センサ付の溶接トーチと、前記ガイドレールに対する走行台車の位置を制御するための機構と、前記ガイドレールに対する走行台車の位置を検出するセンサと、前記溶接トーチの高さを制御するための機構と、前記溶接トーチの揺動を制御するための機構と、が取付けられている請求項１又は２に記載のポータブル溶接ロボット。
4. 前記センサが、溶接トーチの中心軸に対して回転自在とされている請求項１乃至３のいずれかに記載のポータブル溶接ロボット。
5. １本の前記ガイドレールに、複数の前記走行台車が配設されている請求項１乃至４のいずれかに記載のポータブル溶接ロボット。

Images