JP6083231B2

JP6083231B2 - 天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置

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Publication number: JP6083231B2
Application number: JP2012276515A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　浩; 浩齋藤; 昭浩西見; 聡山中
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: JP2014117789A

Description

本発明は、アルミ製ＬＮＧタンク、船体構造、橋梁構造などの大型枠組構造物を溶接する天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置に関する。

アルミ製ＬＮＧタンク、船体構造、橋梁構造などでは、大型の枠組構造物が製造工程の途中（例えば、造船における組立工程）において、多数製造される。

このような大型枠組構造物（例えば、船殻平板ブロック）は、パネル、ロンジ、トランス等の構成材を配材して仮溶接した後、これを水平な定盤上に搬送して１対のロンジと１対のトランスで囲まれた升目形状の枠内の交差部を隅肉溶接により本溶接する。

かかる本溶接の手段として、天吊り溶接ロボットを用いる場合、溶接用のトーチまで溶接ワイヤ等を供給する手段として、特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１は、レーザ加工装置の光ファイバーケーブル保持機構であり、光ファイバーケーブルの途中を少なくとも２つのスプリングバランサで吊持するものである。
特許文献２は、天吊り溶接ロボットの上端部のロボット旋回部にケーブル処理金具が固定され、スプリングバランサ及びケーブル保持具を介してトーチケーブルの中間部分が支持されるものである。
特許文献３は、溶接トーチを先端部に有する前腕の基部上に前腕の長手方向に沿って移動可能なスライド機構が設けられたものである。

特開２０１０−２１４４３７号公報特開２００８−２３８１７８号公報特許４２３３５０３号公報

上述した従来の手段の場合、天吊り溶接ロボットを用いて大型枠組構造物（以下、ワークと呼ぶ）の角隅部を溶接する場合に、溶接用のトーチの下端部が前後左右に動くと、トーチに接続されたケーブルも前後左右に動くためケーブル中間部の移動範囲が広く、ケーブルがワークに干渉しやすい問題点があった。
また、トーチの移動によりケーブルの屈曲半径が変化するため、溶材ワイヤがアルミである場合などは、ケーブルによる屈曲変化が溶接ワイヤの曲がり癖となり、施工品質が悪化又は不安定となるなどの問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、天吊り型溶接ロボットで大型枠組構造物（ワーク）の角隅部を溶接する場合に、溶接ワイヤ等を供給するケーブルとワークとの干渉を大幅に低減することができ、かつケーブルの屈曲半径の変化を抑制して溶接ワイヤの曲がり癖を低減することができる天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置を提供することにある。

本発明によれば、上方から吊り下げられた天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置であって、
前記天吊り型溶接ロボットは、溶接用のケーブルが接続された溶接トーチと、前記溶接トーチを把持するトーチ把持装置と、先端部に前記トーチ把持装置を取り付け末端部から下方又は斜め下方に延びる最下端アームとを有し、前記トーチ把持装置は、前記最下端アームの長さ方向の軸線を含む直交３軸まわりに搖動可能であり、
前記ケーブル保持装置は、前記最下端アームの全長より短く、前記最下端アームの側面に沿って固定されており、
上方から供給された前記ケーブルを把持し前記溶接トーチに向けて案内するケーブルガイドと、
前記ケーブルガイドを前記最下端アームに沿って前記溶接トーチと反対方向に移動して前記溶接トーチとの間の移動方向の弛みを低減するスライド装置と、
前記ケーブルガイドの溶接トーチ側が上方を向く方向に前記ケーブルガイドを付勢して前記ケーブルの軌道がＳの字を描くように回動する回動装置と、を備えることを特徴とする天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置が提供される。

また、本発明によれば、前記スライド装置は、最下端アームの長さ方向の軸線方向に延びるレールと、レールに沿って移動可能なスライドと、スライドを溶接トーチと反対方向に最下端アームの長さの範囲内で引っ張る引張装置とを有し、前記スライドにケーブルガイドが取り付けられている。

また、前記回動装置は、ケーブルガイドを把持するガイド把持部材と、ガイド把持部材を最下端アームの軸方向に直交する回転軸を中心に搖動可能に保持する旋回軸受と、ガイド把持部材の溶接トーチ側を上方に付勢する付勢部材とを有する。

上記本発明の構成によれば、ケーブル保持装置が、最下端アームの全長より短く、最下端アームの側面に沿って固定されているので、天吊り型溶接ロボットの可動範囲に制約が少なく、狭隘部に最下端アームを挿入する場合にもケーブル、天吊り型溶接ロボット、ケーブル保持装置などがワークと干渉する範囲を小さくできる。

また、ケーブルガイドを最下端アームに沿って溶接トーチと反対方向に移動して溶接トーチとの間の移動方向の弛みを低減するスライド装置を備えるので、溶接トーチの下端部が前後左右に広く動く場合でも、トーチとケーブルガイドとの間のケーブルの弛みを少なくできるため、トーチとケーブルガイド間のケーブルのワークとの干渉を大幅に低減できる。
また、上方からケーブルガイドまでのケーブルは、最下端アームの上端より上方に位置するので、ワークの狭隘部に最下端アームを挿入する場合にワークとは干渉しない。

また、ケーブルガイドの溶接トーチ側が上方を向く方向にケーブルガイドを付勢して回動する回動装置を備えるので、溶接トーチの下端部が前後左右に動く場合でも、トーチとケーブルガイドとの間のケーブルの曲率半径を大きく維持し、ケーブルのねじれやケーブルの屈曲半径の変化を抑制して溶接ワイヤの曲がり癖を低減することができる。

本発明が溶接対象とする大型枠組構造物の説明図である。本発明によるケーブル保持装置を備えた天吊り型溶接ロボットの全体斜視図である。本発明によるケーブル保持装置の全体斜視図である。本発明によるケーブル保持装置の全体構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明が溶接対象とする大型枠組構造物Ｂの説明図である。
この図において、大型枠組構造物Ｂは、平板状のパネル１の表面に複数列のロンジ２を配置する一方、これらロンジ２と直交する方向にトランス３を一定間隔で配置し、パネル１とロンジ２とトランス３とで形成され四方が囲まれた枠組部分（溶接対象領域４）の内側交差部５を溶接することで構成される。
すなわち、本発明が溶接対象とする大型枠組構造物Ｂは、水平に位置するパネル１と、パネル１の上面に固定され互いに間隔を隔てて長手方向に延びる複数のロンジ２と、パネル１の上面に固定され互いに間隔を隔ててロンジ２と直交する幅方向に延びる複数のトランス３とからなる。

パネル１の大きさは、例えば７ｍ×７ｍから２０ｍ×２０ｍである。また、ロンジ２は、例えば高さ３００〜８００ｍｍ、ロンジ２の幅方向の間隔は、８５０〜１０００ｍｍである。さらにトランス３は、例えば高さ１８００〜３０００ｍｍ、トランス３の長手方向の間隔は、４０００〜５０００ｍｍである。
またこの例において、ロンジ２及びトランス３は、それぞれの上端部に水平に延びる水平部材２ａ、３ａを有している。
なお、本発明において、大型枠組構造物Ｂは、この構成に限定されず、その他の構造であってもよい。

図１において、本発明が対象とする溶接対象領域４は、１対のロンジ２と１対のトランス３で囲まれた升目形状の枠内である。
また、溶接対象領域４の具体的な溶接箇所は、図中に５で示す内側交差部である。なお、本発明の溶接箇所は、この例に限定されず、溶接対象領域４の内側であればよい。

図２は、本発明によるケーブル保持装置３０を備えた天吊り型溶接ロボット１０の全体斜視図である。
天吊り型溶接ロボット１０は、そのベース１１が水平レール（図示せず）に吊り下げられ、水平レールに沿って移動し、その下方において溶接対象領域４を溶接可能に構成された逆吊多関節溶接ロボットである。

この例で、天吊り型溶接ロボット１０は、ベース１１に対し鉛直な第１軸Ｒ１を中心に旋回する旋回部１２と、上端部が水平な第２軸Ｒ２を中心に搖動可能に旋回部１２に固定され下方又は斜め下方に延びる第１アーム１４と、末端部が水平な第３軸Ｒ３を中心に搖動可能に固定され下方又は斜め下方に延びる第２アーム１６と、第２アーム１６の先端部に設けられ第２アーム１６の長さ方向の第４軸Ｒ４を中心に回転可能な第１回転部１８と、第１回転部１８の先端部に設けられ第４軸Ｒ４に直交する第５軸Ｒ５を中心に回転可能な第２回転部２０と、第２回転部２０の先端部に設けられ第４軸Ｒ４と第５軸Ｒ５に直交する第６軸Ｒ６を中心に回転可能な第３回転部２２と、を備える。
また、溶接トーチ２４は、第３回転部２２に取り付けられる。

以下、上述の例で、第２アーム１６を「最下端アーム」と呼び、第１回転部１８、第２回転部２０及び第３回転部２２をまとめて「トーチ把持装置２３」と呼ぶ。
言い換えれば、天吊り型溶接ロボット１０は、溶接用のケーブル２９が接続された溶接トーチ２４と、溶接トーチ２４を把持するトーチ把持装置２３と、先端部にトーチ把持装置２３を取り付け末端部から下方又は斜め下方に延びる最下端アーム１６とを有する。また、トーチ把持装置２３は、最下端アーム１６の長さ方向の軸線を含む直交３軸（第４軸Ｒ４、第５軸Ｒ５、第６軸Ｒ６）まわりに搖動可能に構成されている。

図２において、天吊り型溶接ロボット１０は、図示しない水平レールに沿って移動しながら、溶接対象領域４の全域にわたり溶接トーチ２４を３次元的に数値制御して溶接する。

また、天吊り型溶接ロボット１０はロボットコントローラ（図示せず）を有し、水平レールに沿う１軸直動機構（１軸）の数値制御を含めた７軸（１軸＋ロボットの直交３軸と直交３軸まわりの回転軸）の制御を行う。

なお、天吊り型溶接ロボット１０は、この例に限定されず、最下端アーム１６とトーチ把持装置２３を有し、吊り下げられた状態で下方に位置する溶接対象領域４に対し、溶接トーチ２４を３次元的に数値制御して溶接できる限りで、その他の溶接ロボットであってもよい。

以下、天吊り型溶接ロボット１０を特に必要な場合を除き、単に「溶接ロボット」と呼ぶ。

溶接ロボット１０は、この例で旋回部１２の側面に固定されたワイヤリール２６及びワイヤ供給装置２８を備え、ワイヤリール２６に巻かれた溶接ワイヤ２６ａをワイヤ供給装置２８で引き出し、ケーブル２９の内側を通して溶接トーチ２４の上端部に供給し、さらに溶接トーチ２４の内部を通して下方の溶接部に溶接ワイヤ２６ａを連続供給するようになっている。
なお溶接ワイヤ２６ａの供給手段は、ワイヤ供給装置２８のみによるプッシュ方式でも、ワイヤ供給装置２８と溶接トーチ２４とで供給するプッシュプル方式でもよい。

ケーブル２９は、例えば内面がシリコン等からなる可撓性の中空パイプであり、その内側を通して溶接ワイヤ２６ａが低い抵抗でスムースに通過できるようになっている。
なお、この例ではケーブル２９の内側を通して溶接ワイヤ２６ａを溶接トーチ２４まで供給しているが、本発明はこれに限定されず、電力、冷却媒体、燃料等を通すケーブルであってもよい。

図２において本発明によるケーブル保持装置３０は、最下端アーム１６の全長より短く、最下端アーム１６の側面に沿って固定されている。また、ワイヤ供給装置２８と溶接トーチ２４の上端を直接連結するケーブル２９の中間部がケーブル保持装置３０のケーブルガイド３２（後述する）に固定されている。

図３は、本発明によるケーブル保持装置３０の全体斜視図である。
この図において、ケーブル保持装置３０は、ケーブルガイド３２、スライド装置３４、及び回動装置４０を備える。
ケーブルガイド３２は、上方から供給されたケーブル２９を把持し溶接トーチ２４に向けて案内する。
スライド装置３４は、ケーブルガイド３２を最下端アーム１６に沿って溶接トーチ２４と反対方向に移動して溶接トーチ２４との間の移動方向の弛みを低減する。
回動装置４０は、ケーブルガイド３２の溶接トーチ側が上方を向く方向にケーブルガイド３２を付勢して回動し、溶接トーチ２４との間のケーブル２９の曲率半径を大きくする。

図４は、本発明によるケーブル保持装置３０の全体構成図である。この図において、（Ａ）はケーブル保持装置３０の正面図、（Ｂ）はその上方からみた側面図である。

図４において、スライド装置３４は、最下端アーム１６の長さ方向の軸線方向（図で左右方向）に延びるレール３７と、レール３７に沿って移動可能なスライド３８と、スライド３８を溶接トーチ２４と反対方向に最下端アーム１６の長さの範囲内で引っ張る引張装置３９とを有する。
この例で、引張装置３９は、スライド３８を所定の力で引っ張る定荷重バネ３９である。
レール３７とスライド３８は、１軸のリニアスライダであり、レール３７に対してスライド３８が姿勢を保持したまま直線上を摺動するようになっている。
定荷重バネ３９は、例えばコンストンバネであり、スライド３８の移動範囲にわたりほぼ一定の力でスライド３８を引っ張るようになっている。「所定の力」は、ケーブルガイド３２と溶接トーチ２４との間に位置するケーブル２９から移動方向に受ける力が過大にならず、かつその間の移動方向の弛みを低減するように設定するのがよい。この力は例えば、１〜１０Ｎの範囲である。

また、回動装置４０は、ケーブルガイド３２を把持するガイド把持部材４２と、ガイド把持部材４２を最下端アーム１６の軸方向に直交する回転軸を中心に搖動可能に保持する旋回軸受４４と、ガイド把持部材４２の溶接トーチ側を上方に付勢する付勢部材４６とを有する。
付勢部材４６は、この例では、両端がスライド３８とガイド把持部材４２にそれぞれ取り付けられた引張バネであるが、その他のバネであってもよい。
付勢部材４６による付勢力は、トーチ後端からのケーブル２９の角度が急激に変化することなく、ほぼ一定の曲率を保つことができるように設定するのがよい。この力は例えば、１〜１０Ｎの範囲である。

ケーブルガイド３２は、ガイド把持部材４２を介してスライド３８に取り付けられている。

上述したように、本発明によるケーブル保持装置３０は、ワークやほかの機器、ロボット自身との干渉を避けるため、最下端アーム１６の全長より短く、最下端アーム１６の側面に沿って固定され、他のアームやその周辺スペースの影響を受けないようになっている。

上述した本発明によるケーブル保持装置３０の作用を以下に説明する。

主に溶接ロボット１０の第４軸Ｒ４、第５軸Ｒ５、及び第６軸Ｒ６で作られるトーチ角度、姿勢の変化に応じてガイド把持部材４２が旋回軸受４４の中心に旋回することで、トーチ後端からのケーブル２９の角度が急激に変化することなく、ほぼ一定の曲率を保つことができる。

また、主に溶接ロボット１０の第２軸Ｒ２と第３軸Ｒ３の旋回駆動により発生する、ワイヤ供給装置２８からトーチ２４までの距離の変化に対応してスライド３８が前後方向に移動することで、ワイヤ供給装置２８の出口部からのケーブル角度が急激に変化することなく、また捻じれることもなく、垂れ下がりによるワークとの干渉、及びワーク干渉に起因するケーブル２９の曲率の急激な変化などを防止できる。

例えば図２のように溶接ロボット１０を枠組構造体の角隅部の狭隘箇所の溶接に適用する場合、トーチ２４の位置、姿勢に関わらず、ケーブル２９の軌道は常に大きくＳの字を描くようになり、周辺ワークとの干渉を避けられるだけでなく、ケーブル軌道、曲率も安定するため、ワイヤ曲がり癖のばらつきが小さく、安定して高品質の溶接施工が可能となる。また、図１のようなワークの長辺側などの移動量の大きな溶接についても、同様にワークとの干渉範囲が小さく、ケーブル２９の変動も小さくなるため安定して高品質な溶接施工ができる。

上述した本発明の構成により、以下の効果が得られる。

（１）ケーブル保持装置３０を、最下端アーム１６の全長より短く、最下端アーム１６の側面に沿って最下端アーム１６上に搭載可能な構造としたため、溶接ロボット１０の可動範囲の制約が少なく、狭隘部に最下端アーム１６を挿入する場合にもケーブル２９、溶接ロボット１０、ケーブル保持装置３０などがワークと干渉する範囲も小さくできる。

（２）ケーブル保持装置３０の自由度を、スライド装置３４による直進１軸と回動装置４０による旋回１軸としたため、溶接トーチ２４の下端部が前後、左右に広く動く場合（例えば船殻構造のような枠組構造体の角隅部の溶接）にもケーブル２９のねじれやワークとの干渉が少ない。
また、上方からケーブルガイド３２までのケーブル２９は、最下端アーム１６の上端より上方に位置するので、ワークの狭隘部に最下端アーム１６を挿入する場合にワークとは干渉しない。

（３）ケーブル保持装置３０の直動１軸＋旋回１軸は、それぞれ一定方向にバネで力が掛かっているため溶接ロボット１０の姿勢、トーチ位置、トーチ角度などが類似の場合には、ケーブル２９の軌道、曲率などの位置、形状再現性が高い。
すなわち、ケーブルガイド３２の溶接トーチ側が上方を向く方向にケーブルガイド３２を付勢して回動する回動装置４０を備えるので、溶接トーチ２４の下端部が前後左右に動く場合でも、溶接トーチ２４とケーブルガイド３２との間のケーブル２９の曲率半径を大きく維持し、ケーブル２９のねじれやケーブル２９の屈曲半径の変化を抑制して溶接ワイヤ２６ａの曲がり癖を低減することができる。
これは溶接ワイヤ２６ａがアルミなど曲がり癖が付きやすい場合には非常に効果的であり、溶接個所ごとのケーブル位置、曲率に再現性があるため、これに起因する溶接ワイヤ２６ａの曲がり癖にも再現性があり、予めのロボットティーチングでこれを考慮した軌道生成を行うことで施工品質が安定し、高品質な施工が可能となる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、ケーブル保持装置３０は、最下端アーム１６の側面に１つに限られず、両側面又は下面を含めて２以上でもよい。また、ガイド把持部材４２で把持されるケーブル２９は、１本に限定されず、ロボット形状、溶接電源からのケーブル本数などに合わせて、複数設けてもよい。
上述の例で、スライド３８は、コンパクトな配置をするために定荷重バネ３９で張力を与えているが、同様に動作するスプリングバランサなどを使用してもよい。
また上述の例で、ガイド把持部材４２に旋回力を与えるために、組立性、メンテ性を考慮して引張バネを使用しているが、より省スペースで配置するためにねじりコイルばねを使用してもよい。
またケーブル２９の曲率をより安定させるために、ケーブル保持装置３０の前後のケーブル部にスプリングバランサなどで重力方向にケーブルを支持してもよい。
また上述の例では、ワイヤ供給装置２８及びワイヤリール２６を溶接ロボット１０上に設置しているが、ワイヤパックなどを使用して、ロボット外部にワイヤ供給装置２８を備えてもよい。この場合、ケーブル保持装置３０を、例えばロボット１０の第１アーム１４上にも追加設置してもよい。

１パネル、２ロンジ、３トランス、２ａ、３ａ水平部材、
４溶接対象領域、５内側交差部、
１０天吊り型溶接ロボット（溶接ロボット）、
１１ベース、１２旋回部、１４第１アーム、
１６第２アーム（最下端アーム）、１８第１回転部、
２０第２回転部、２２第３回転部、
２３トーチ把持装置、２４溶接トーチ、
２６ワイヤリール、２６ａ溶接ワイヤ、
２８ワイヤ供給装置、２９ケーブル、
３０ケーブル保持装置、３２ケーブルガイド、
３４スライド装置、３７レール、
３８スライド、３９引張装置（定荷重バネ）、
４０回動装置、４２ガイド把持部材、
４４旋回軸受、４６付勢部材（引張バネ）

Claims

上方から吊り下げられた天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置であって、
前記天吊り型溶接ロボットは、溶接用のケーブルが接続された溶接トーチと、前記溶接トーチを把持するトーチ把持装置と、先端部に前記トーチ把持装置を取り付け末端部から下方又は斜め下方に延びる最下端アームとを有し、前記トーチ把持装置は、前記最下端アームの長さ方向の軸線を含む直交３軸まわりに搖動可能であり、
前記ケーブル保持装置は、前記最下端アームの全長より短く、前記最下端アームの側面に沿って固定されており、
上方から供給された前記ケーブルを把持し前記溶接トーチに向けて案内するケーブルガイドと、
前記ケーブルガイドを前記最下端アームに沿って前記溶接トーチと反対方向に移動して前記溶接トーチとの間の移動方向の弛みを低減するスライド装置と、
前記ケーブルガイドの溶接トーチ側が上方を向く方向に前記ケーブルガイドを付勢して前記ケーブルの軌道がＳの字を描くように回動する回動装置と、を備えることを特徴とする天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置。
前記スライド装置は、前記最下端アームの長さ方向の軸線方向に延びるレールと、前記レールに沿って移動可能なスライドと、前記スライドを前記溶接トーチと反対方向に前記最下端アームの長さの範囲内で引っ張る引張装置とを有し、
前記スライドに前記ケーブルガイドが取り付けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置。
前記回動装置は、前記ケーブルガイドを把持するガイド把持部材と、前記ガイド把持部材を前記最下端アームの軸方向に直交する回転軸を中心に搖動可能に保持する旋回軸受と、前記ガイド把持部材の溶接トーチ側を上方に付勢する付勢部材とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の天吊り型溶接ロボットのケーブル保持装置。