JPH09150264A - 鋼製セグメント溶接用位置決め治具及び溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トンネルの支持壁を構成する鋼製セグメントの
枠体とスキンプレートを溶接するに際し、両者の仮付け
精度の良否に関わらず、安定してスキンプレートの全周
をすみ肉溶接する。 【解決手段】フレーム11にスキンプレート２の内周面２
ｅと接触して支持する複数の支持部材12を設け、これら
の支持部材12の間に磁石14ａを有し且つ該磁石14ａの高
さ方向の位置を調整し得るように構成した固定部材14を
設ける。フレーム11の一方の側面にスキンプレート２の
端面２ｄと接触して位置決めを行う軸方向ストッパー13
を設け、該側面と直交する方向の側面にスキンプレート
２の端面２ａと接触して位置決めを行う周方向ストッパ
ー16を設ける。周方向ストッパー16は該ストッパー16の
姿勢及び位置を調整するブラケット17に取り付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネルの支持壁
を構成するセグメント、特に、トンネルの軸方向に隣接
する他のセグメントと接続される鋼製の主桁板と周方向
に隣接する他のセグメントと接続される鋼製の継手板か
らなる枠体に円弧状に成形された鋼製のスキンプレート
を溶接して構成される鋼製セグメント製造する際に用い
る溶接用位置決め治具と、この位置決め治具を用いた溶
接装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼製セグメントは円周方向及び軸方向に
連結されてトンネルの支持壁を構成するものであり、土
圧に対抗し得る強度と地下水の漏洩を防止し得る水密性
を有することが必須である。

【０００３】鋼製セグメントは、目的のトンネルの内径
に対応する半径と、トンネルの内径を予め設定された数
で分割した角度に対応する角度を持った円弧状で且つ予
め設定された軸方向の長さを有しており、図６，７に示
すように、軸方向に隣接する他の鋼製セグメントと接続
される主桁板１ａと周方向に隣接する他の鋼製セグメン
トと接続される継手板１ｂからなる枠体１に円弧状に成
形されたスキンプレート２を載置すると共に、該スキン
プレート２の全周を枠体１に溶接して構成されている。

【０００４】鋼製セグメントは、主桁板１ａ，継手板１
ｂ，縦リブ，グラウトパイプ，吊り金具及びスキンプレ
ート２を型枠状の治具に取り付けて夫々溶接すること
で、枠体１及び枠体１にスキンプレート２が仮付けされ
た中間製品を形成し、その後、該中間製品を治具から取
り出してスキンプレート２と枠体１との全接続部位をす
み肉溶接することで製造されるのが一般である。

【０００５】上記溶接作業は手溶接によって行われてい
たが、溶接技能者の減少化，高齢化等により人員の確保
が困難となり、溶接ロボットを採用して自動化をはかる
ことが研究されている。溶接ロボットを用いて上記中間
製品に於ける枠体１とスキンプレート２を溶接する場
合、一般に枠体１を構成する主桁板１ａの側面或いは主
桁板１ａに形成されたボルト穴３を基準として位置決め
することが行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】溶接ロボットを用いて
溶接する場合、被溶接物の位置決め精度が製品精度に大
きな影響を与えることが知られている。上記の如く、主
桁板１ａの側面或いは主桁板１ａに形成されたボルト穴
３を基準として中間製品の位置決めを行った場合、枠体
１の位置は正確に設定されるものの、該枠体１に仮付け
されたスキンプレート２の位置が正確であるか否かの保
証はない。即ち、図８に示すように、枠体１に仮付けさ
れたスキンプレート２の周辺が正確に主桁板１ａの側面
と平行である保証はない。このため、溶接ロボット主桁
板１ａを基準とした軌跡を描くこととなり、スキンプレ
ート２と枠体１を一様なビードを形成して溶接すること
が出来ず、手直し作業が必要になるという問題がある。

【０００７】上記問題を解決するためには、枠体１に対
してスキンプレート２を仮付けする際の位置精度を向上
させることが必要であるが、仮付け治具の改良が必須と
なりコストが上昇するという問題を派生する。

【０００８】本発明の目的は、溶接精度を向上させるた
めにスキンプレートの２辺の端面を基準として位置決め
するようにした鋼製セグメント溶接用位置決め治具を提
供すると共に、複数の前記位置決め治具と走行可能な溶
接ロボットを組み合わせることで溶接ロボットの稼働率
を向上させることが出来る溶接装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る鋼製セグメント溶接用位置決めロボット
は、主桁板と継手板からなる枠体に円弧状のスキンプレ
ートを仮付けした鋼製セグメントの中間製品に於けるス
キンプレートの周囲を溶接する際に用いる鋼製セグメン
ト溶接用位置決め治具であって、所定位置に配置されス
キンプレートの内周側の面と接触して中間製品を水平方
向に支持する複数の支持部材と、主桁板に沿って配置さ
れ前記支持部材によって支持されたスキンプレートの主
桁板側の端面と当接して該端面の位置を設定する主桁板
側位置設定部材と、継手板と対向して配置され前記支持
部材によって支持されたスキンプレートの継手板側の端
面と当接して該端面の位置を設定する継手板側位置設定
部材と、前記支持部材によって支持され且つ前記主桁板
側位置設定部材及び継手板側位置設定部材とによって所
定位置に設定されたスキンプレートを固定する固定部材
とを有して構成されるものである。

【００１０】上記鋼製セグメント溶接用位置決め治具
（以下「位置決め治具」という）では、枠体にスキンプ
レートを仮付けした鋼製セグメントの中間製品（以下単
に「中間製品」という）の位置決めを行うに際し、スキ
ンプレートを支持すると共に主桁板側位置設定部材及び
継手板側位置設定部材によってスキンプレートの主桁板
側の端面と継手板側の端面を位置決めすることが出来
る。このため、枠体に対しスキンプレートが正確に位置
決めされているか否かに関わらず、スキンプレートの端
面を基準として溶接を実施することが出来、精度の高い
溶接を行うことが出来る。

【００１１】また本発明に係る溶接装置は、走行可能な
溶接用ロボットを配置すると共に該溶接用ロボットの走
行範囲であって溶接可能領域に上記鋼製セグメント溶接
用位置決め治具を複数配置したものである。

【００１２】上記溶接装置では、位置決め治具に対する
段取り作業を実施している間に他の位置決め治具に取り
付けられた中間製品の溶接を実施することが出来る。こ
のため、１台の溶接ロボットを用いた場合であっても、
該ロボットの稼働率を向上させることが出来る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、上記位置決め治具及び溶接
装置の好ましい実施形態について図を用いて説明する。
図１は位置決め治具の斜視図、図２は中間製品を位置決
めする際の各位置設定部材とスキンプレートとの関係を
説明する斜視図、図３は形状の異なる鋼製セグメントの
中間製品に対する位置決めを実施する場合の説明図、図
４は溶接ロボットとの位置関係を説明する図、図５は溶
接装置を説明するブロック図である。

【００１４】本発明に係る位置決め治具Ａは、主桁板１
ａと継手板１ｂからなる枠体１に円弧状に成形されたス
キンプレート２を仮付けした鋼製セグメントの中間製品
（図６参照）を本溶接する際に用いるものであり、スキ
ンプレート２の２辺（図４の２ａ，２ｄ）を基準として
位置決めすることで、該プレート２の枠体１に対する位
置決め精度の如何に関わらず、溶接ロボットを利用した
溶接の自動化を実現したものである。

【００１５】特に、溶接ビードの品位を安定させる場
合、下向き溶接を実施することが好ましい。このため、
位置決め治具Ａは上記中間製品に於ける溶接部位となる
主桁板１ａ，継手板１ｂの端面とスキンプレート２の端
面２ａ〜２ｄとの接合部位が上方に配置されるように、
中間製品を水平にした状態で位置決めし得るように構成
されている。

【００１６】また枠体１に仮付けされたスキンプレート
２の位置精度（枠体１とスキンプレート２の平行度）に
関わらず安定した状態でスキンプレート２の全周をすみ
肉溶接し得るように、スキンプレート２を直接支持する
と共に該プレート２の端面２ａ，２ｄと接触して中間製
品の位置決めを行うように構成されている。

【００１７】図１〜図４に於いて、位置決め治具Ａは剛
性を持ったフレーム11を有し、該フレーム11の上面11ａ
にスキンプレート２の内周面２ｅと接触して該プレート
２を支持する複数の支持部材12が配置されている。前記
支持部材12によって支持される中間製品は常に同一の姿
勢でセットされる。即ち、中間製品はフレーム11に対し
常に円弧方向が図１に示す矢印ａ，ｂ方向に配置され、
軸方向が矢印ｃ，ｄ方向に配置される。

【００１８】支持部材12は、曲率の異なる多品種の鋼製
セグメントの中間製品を支持し得るように円弧方向（矢
印ａ，ｂ方向）に２か所及び軸方向（矢印ｃ，ｄ方向）
に２か所の合計４か所に配置されている。また中間製品
に於ける軸方向の寸法（幅寸法）の変化に対応し得るよ
うに、矢印ｃ，ｄ方向に配置された支持部材12は、フレ
ーム11の上面11ａに前記方向に沿って形成された複数の
取付穴11ｂに選択的に取り付けられて配置位置を調整し
得るように構成されている。

【００１９】支持部材12は、予め設定された高さを有す
る支柱12ａの先端に全方向に回転可能なボール12ｂを取
り付けて構成されており、支柱12ａの下端側をフレーム
11の上面11ａに形成された取付穴11ｂに挿通すると共に
図示しないボルト等の固定具によって固定されている。

【００２０】フレーム11の一方側の側面（矢印ｄ方向の
側面）にはアーム11ｃが設けられ、該アーム11ｃに主桁
板側位置設定部材となる２つの軸方向ストッパー13が配
置されている。この軸方向ストッパー13は、スキンプレ
ート２の軸方向の端面２ｄと接触する接触子13ａとハン
ドル13ｂを有しており、接触子13ａを固定する機構とし
てトグル機構を用いている。

【００２１】上記ハンドル13ｂを操作することで、接触
子13ａを位置決め位置に設定して固定し、或いは退避位
置に設定することが可能である。そして接触子13ａが位
置決め位置に固定されたとき、２つの接触子13ａの先端
面を結ぶ線が矢印ｄ方向の基準位置となる。

【００２２】上記２つの軸方向ストッパー13は、夫々矢
印ｃ，ｄ方向に配置された２つの支持部材12を結ぶ線の
延長上に配置されており、且つ接触子13ａの高さが支持
部材12のボール12ｂの天端レベルと略等しいか或いは僅
かに高いレベルを有するように設定されている。

【００２３】従って、図３（ｂ）に示すように、スキン
プレート２の内周面２ｅのレベルが支持部材12のボール
12ｂによって設定されることから、枠体１を構成する主
桁板１ａの板厚や高さ寸法の如何に関わらず、スキンプ
レート２の端面２ｄと接触して位置決めすることが可能
である。

【００２４】フレーム11の上面であって矢印ａ，ｂ方向
に配置された支持部材12の間にスキンプレート２を固定
する固定部材14が設けられている。この固定部材14はス
キンプレート２の内周面２ｅと接触して固定するもので
あり、選択的に固定及び固定解除し得る磁石或いは真空
ポンプと接続された吸着カップ等を用いることが可能で
ある。

【００２５】本例では、固定部材14を、スキンプレート
２を磁気により吸着して固定する磁石14ａと、この磁石
14ａを上下方向に移動させると共に所望の位置に設定し
得るジャッキ14ｂと、磁石14ａの移動方向を案内する枠
状のガイド14ｃとによって構成している。

【００２６】固定部材14は固定部材取付板15に取り付け
られており、この取付板15はフレーム11の上面に矢印
ａ，ｂ方向に形成された長穴11ｄに対しボルト15ａによ
って固着されている。従って、固定部材14を矢印ａ，ｂ
方向に配置された支持部材12の間で中間製品の寸法や形
状に応じた所望の位置に配置することが可能であり、且
つジャッキ14ｂを操作することによって磁石14ａを所望
の高さに設定することが可能である。

【００２７】フレーム11のアーム11ｃを設けた側面と直
行する方向の側面（矢印ａ方向の側面）に継手板側位置
設定部材となる周方向ストッパー16が配置されている。
この周方向ストッパー16は、軸方向ストッパー13と同様
にスキンプレート２の軸方向の端面２ａと接触して位置
決めする接触子16ａと、接触子16ａを操作するハンドル
16ｂとを有するトグル機構によって構成され、ハンドル
16ｂの操作によって接触子16ａを位置決め位置に設定し
て固定すると共に退避位置に退避させることが可能であ
る。

【００２８】上記周方向ストッパー16はブラケット17を
介してフレーム11に取り付けられており、三次元的に姿
勢を調整することが可能なように構成されている。ブラ
ケット17は、水平プレート17ａと、垂直プレート17ｂ
と、傾斜プレート17ｃの３つの部材によって構成されて
おり、夫々のプレート17ａ〜17ｃには長穴17ｄ〜17ｆが
形成されている。

【００２９】ブラケット17を構成する水平プレート17ａ
は矢印ａ，ｂ方向に移動して所望の位置でボルト18ａに
よってフレーム11に固定され、また垂直プレート17ｂは
垂直方向に移動し且つボルト18ｂを中心に所望の角度に
傾斜して水平プレート17ａに固定され、更に、傾斜プレ
ート17ｃは矢印ａ，ｂ方向に移動し且つボルト18ｃを中
心に傾斜して垂直プレート17ｂの固定される。

【００３０】従って、前記各プレート17ａ〜17ｃの移動
位置及び傾斜角度を調整することで、周方向ストッパー
17を中間製品の円弧角度や周長に対応させて所望の姿勢
に調整することが可能である。そして前記の如くして調
整されたブラケット17に取り付けた周方向ストッパー16
の接触子16ａが位置決め位置に固定されたとき、該接触
子16ａの先端面が矢印ａ方向の基準となる。

【００３１】次に、上記位置決め治具Ａによって鋼製セ
グメントの中間製品を位置決めして溶接の段取りを行う
作業手順について図２〜図４により説明する。鋼製セグ
メントは目的のトンネルの径に対応した曲率を有し、且
つ前記トンネルの周を予め設定された数で分割した弧長
と予め設定された軸方向の長さを有している。このた
め、図３（ａ）に示すように、異なるトンネルに適用さ
れる鋼製セグメントは夫々異なる形状を有するが、同一
のトンネルに適用される鋼製セグメントは同一の形状と
寸法を持って構成されている。

【００３２】以下、同図に示す中間製品Ｂを位置決めす
る場合について説明する。

【００３３】先ず、位置決めすべき中間製品Ｂの幅寸法
に応じて矢印ｃ，ｄ方向に配置された支持部材12の間隔
を設定し、フレーム11の形成された取付穴11ｂに固定す
る。また中間製品Ｂの曲率と矢印ａ，ｂ方向に於ける支
持部材12の間隔寸法とによって固定部材14を構成する磁
石14ａの高さｈを計算し、該計算結果に応じてジャッキ
14ｂを操作して磁石14ａを所定の高さに位置させる。

【００３４】次いで、ブラケット17を調整し、周方向ス
トッパー16の接触子16ａが支持部材12によって支持され
た中間製品Ｂのスキンプレート２の軸方向の端面と接触
し得るように設定して固定する。

【００３５】上記の如く支持部材12，固定部材14及びブ
ラケット17を調整した後、各ストッパー13，16の接触子
13ａ，16ａを位置決め位置に固定する。次に、中間製品
Ｂの枠体１を下側にスキンプレート２を上側に配置し、
スキンプレート２の内周側の面をボール12ｂと接触させ
て支持部材12に載置する。このとき、中間製品Ｂは単に
支持部材12によって支持されるのみである。

【００３６】次いで、中間製品Ｂを矢印ｄ方向に付勢
し、図３（ｂ）に示すように、スキンプレート２の端面
２ｄを２つの軸方向ストッパー13の接触子13ａに当接さ
せる。同時に中間製品Ｂを矢印ａ方向に付勢してスキン
プレート２の端面２ａを周方向ストッパー16の接触子16
ａに当接させる。これにより中間製品Ｂはスキンプレー
ト２の端面２ｄを基準として軸方向の位置決めがなさ
れ、且つ端面２ａを基準として周方向の位置決めがなさ
れる。

【００３７】尚、中間製品Ｂを矢印ｄ，ａ方向に付勢し
て位置決めを行うに際し、該製品Ｂが全方向に自由に回
転し得るボール12ｂと接触しているため、小さい力で所
望の方向に移動させることが可能である。このため、位
置決め時の付勢は作業員によって行うことが可能であ
る。

【００３８】上記の如くして中間製品Ｂを矢印ｄ，ａ方
向に位置決めしたとき、図４に示すように、スキンプレ
ート２の４辺２ａ〜２ｄが溶接ロボットＣに於ける平面
上の直交２軸（矢印ａ，ｂ方向の軸及び矢印ｃ，ｄ方向
の軸）と平行となる。従って、中間製品Ｂはスキンプレ
ート２の枠体１に対する位置決め精度の良否に関わら
ず、該プレート２を基準として位置決めされる。

【００３９】中間製品Ｂの位置決めが終了した後、固定
部材14の磁石14ａを作動させてスキンプレート２を吸着
固定し、各ストッパー13，16のハンドル13ｂ，16ｂを操
作して接触子13ａ，16ａを退避させる。これにより、中
間製品Ｂの溶接作業に対する段取りが終了する。

【００４０】上記の如くして位置決め治具Ａに中間製品
Ｂを位置決めした後、溶接ロボットＣを作動させて該ロ
ボットＣに搭載した溶接トーチを予め記憶させた経路に
従って移動させることで、スキンプレート２の４辺２ａ
〜２ｄの全周をすみ肉溶接することが可能である。そし
てスキンプレート２の全周に対する溶接が終了した後、
固定部材14の磁石14ａの作動を停止することで、鋼製セ
グメントを位置決め治具Ａから取り外すことが可能であ
る。

【００４１】次に、溶接装置の構成について図５により
説明する。溶接ロボットＣはティーチングプレイバック
方式の６軸制御ロボットが用いられており、該ロボット
Ｃは矢印ａ，ｂ方向に沿って敷設されたレール21上を走
行し得るように構成されている。またレール21に沿って
両側に複数の位置決め治具Ａが夫々設置されている。

【００４２】上記の如く構成された溶接装置では一方の
位置決め治具Ａに中間製品Ｂを載置して段取り作業を行
っている間、並行して他の位置決め治具Ａにセットされ
た中間製品Ｂに対する溶接を行うことが可能であり、溶
接ロボットＣの稼働率を向上させると共に見掛け上の作
業時間を短縮してコストを削減することが可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
位置決め治具では、主桁板と継手板からなる枠体に仮付
けされたスキンプレートの端面を基準として位置決めを
行うことが出来る。このため、枠体とスキンプレートと
の仮付け位置の精度の如何に関わらず、位置決めされた
溶接線は一義的に設定され、安定した溶接を実施するこ
とが出来、溶接ロボットを採用して自動化をはかること
が出来る。

【００４４】また本発明に係る溶接装置では、複数の位
置決め治具に対し並行して位置決め作業と溶接作業を実
施することが出来る。このため、溶接ロボットの待ち時
間をなくして稼働率を向上させると共に見掛け上の作業
時間を短縮してコストを低減させることが出来る等の特
徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】位置決め治具の斜視図である。

【図２】中間製品を位置決めする際の各位置設定部材と
スキンプレートとの関係を説明する斜視図である。

【図３】形状の異なる鋼製セグメントの中間製品に対す
る位置決めを実施する場合の説明図である。

【図４】溶接ロボットとの位置関係を説明する図であ
る。

【図５】溶接装置を説明するブロック図である。

【図６】鋼製セグメントをスキンプレート側から見た斜
視図である。

【図７】鋼製セグメントを枠体側からみた斜視図であ
る。

【図８】課題を説明する図である。

【符号の説明】

Ａ 位置決め治具 Ｂ 中間製品 Ｃ 溶接ロボット １ 枠体 １ａ 主桁板 １ｂ 継手板 ２ スキンプレート ２ａ〜２ｄ 端面 ２ｅ 内周面 11 フレーム 11ａ 上面 11ｂ 取付穴 11ｃ アーム 12 支持部材 12ａ 支柱 12ｂ ボール 13 軸方向ストッパー 13ａ，16ａ 接触子 13ｂ，16ｂ ハンドル 14 固定部材 14ａ 磁石 14ｂ ジャッキ 14ｃ ガイド 15 取付板 16 周方向ストッパー 17 ブラケット 17ａ 水平プレート 17ｂ 垂直プレート 17ｃ 傾斜プレート 21 レール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主桁板と継手板からなる枠体に円弧状の
   スキンプレートを仮付けした鋼製セグメントの中間製品
   に於けるスキンプレートの周囲を溶接する際に用いる鋼
   製セグメント溶接用位置決め治具であって、所定位置に
   配置されスキンプレートの内周側の面と接触して中間製
   品を水平方向に支持する複数の支持部材と、主桁板に沿
   って配置され前記支持部材によって支持されたスキンプ
   レートの主桁板側の端面と当接して該端面の位置を設定
   する主桁板側位置設定部材と、継手板と対向して配置さ
   れ前記支持部材によって支持されたスキンプレートの継
   手板側の端面と当接して該端面の位置を設定する継手板
   側位置設定部材と、前記支持部材によって支持され且つ
   前記主桁板側位置設定部材及び継手板側位置設定部材と
   によって所定位置に設定されたスキンプレートを固定す
   る固定部材とを有することを特徴とする鋼製セグメント
   溶接用位置決め治具。
2. 【請求項２】 走行可能な溶接用ロボットを配置すると
   共に該溶接用ロボットの走行範囲であって溶接可能領域
   に請求項１に記載した鋼製セグメント溶接用位置決め治
   具を複数配置したことを特徴とする溶接装置。