JP2006007304A - レーザ切断方法及び装置並びに該方法及び装置を用いた解体方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ切断により遠隔かつ高能率で切断を行なえると共に２次生成物の発生量も少なくて済むレーザ切断方法及び装置並びに該装置を用いた解体方法を提供する。
【解決手段】 平行レーザビーム１６が得られる切断ヘッド２をロボットアーム１に装着し、前記切断ヘッド２の高さ方向は同切断ヘッド２に付設したハイトセンサ８により制御すると共に、移動方向は前記ロボットアーム１に装備した監視部６からの加工部における視覚情報を元に、オペレータ５がコントローラ４によりロボットアーム１を遠隔操作することで制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、橋、ビルディング、原子炉施設等の解体工事に適用して好適なレーザ切断方法及び装置並びに該レーザ切断方法及び装置を用いた解体方法に関する。

例えば原子炉施設の解体を想定した切断方法としては、回転ソー等の機械式切断やプラズマ等の熱的切断が用いられるが、原子炉圧力容器等の解体は放射線環境下での作業となることから遠隔操作で切断作業が実施され、被爆低減の観点からも高能率な切断が求められ、プラズマ切断やレーザ切断の使用が想定される（特許文献１参照）。このような切断では、例えばロボットアーム（電動多関節マニピュレータ等）先端に切断トーチ（ヘッド）を取り付け、切断部にアクセスして切断する方法等が考えられている。

特開２００１−１６６０９０号公報

ところで、上述したロボットアームを駆動しての切断に際しては、本切断の前にティーチングを行い、確認運転を行なった後、本切断を行なうという作業フローが一般的であった。これは、安定した切断を実現するには、プラズマ切断トーチやレーザ切断ヘッドとワーク（加工対象物）とのクリアランス（ワークディスタンス）を精密に制御する必要があるためで、精密制御がなされないとプラズマ切断の場合アークが途切れ切断が不安定になったり、レーザ切断の場合エネルギー密度やアシストガス流が変化することで切断不具合が発生したりすることに起因していた。そして、このティーチング時間は一連の切断作業の半分以上を占めることから、高能率な切断を行なうにあたっての制約となっていた。また、レーザ切断ではワークディスタンスは一般的に２ｍｍ程度と小さく、切断面の変動を吸収するにはロボット等を高精度に駆動する必要があることから、遠隔操作を困難とする要因でもあった。

本発明はこのような問題を解決するものであって、遠隔かつ高能率で切断を行なえると共にプラズマ切断等の他工法と比較して切断溝幅を抑制することで２次生成物の発生量も少なくて済むレーザ切断方法及び装置並びに該装置を用いた解体方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するための請求項１の発明のレーザ切断方法は、光軸方向に関して焦点距離からのずれに対してビーム直径変化が少なく、エネルギー密度変化の小さい焦点深度の大きいビームが得られる切断ヘッドをロボットアームに装着し、前記切断ヘッドの高さ方向は同切断ヘッドに付設したハイトセンサにより制御すると共に、移動方向は前記ロボットアーム或いはその周辺に装備した監視部からの加工部における視覚情報を元に、オペレータがコントローラによりロボットアームを遠隔操作することで制御することを特徴とする。

請求項２の発明のレーザ切断装置は、レーザ発振器と、該レーザ発振器から送られたレーザ光を焦点深度の大きい平行レーザビーム等に成形し得る切断ヘッドと、該切断ヘッドを装着したロボットアームと、前記切断ヘッドに付設されて加工対象物までの距離を検出するハイトセンサと、前記ロボットアーム或いはその周辺に装備されて加工部からの視覚情報を得る監視部と、前記ハイトセンサの検出情報と前記監視部の視覚情報が入力される制御部と、該制御部を介して前記ロボットアームとレーザ発振器９を駆動制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明のレーザ切断装置は、前記切断ヘッドに進行方向の障害物を検出する障害回避センサが付設されることを特徴とする。

請求項４の発明のレーザ切断装置は、前記ハイトセンサは機械接触式または光学非接触式のものが周方向に複数配置されることを特徴とする。

請求項５の発明のレーザ切断装置は、前記切断ヘッドに、照射したレーザビームの反射光を検出する機構を設け、検出した反射光強度により切断ヘッドの傾斜状況を把握することを特徴とする。

請求項６の発明のレーザ切断装置は、前記ロボットアームとコントローラはマスタスレーブ機構やジョイスティック操作器等により操作部を構成することを特徴とする。

請求項７の発明のレーザ切断装置は、前記切断ヘッドはダイバージェントノズル等のガスモーメンタムを長距離にわたって保持可能な形状を有すると共に、その先端外周にシールド機構を備えることを特徴とする。

請求項８の発明の解体方法は、前記レーザ切断方法及び装置を用いて原子炉施設の解体工事を行うことを特徴とする。

請求項１の発明のレーザ切断方法によれば、焦点位置ずれに対する許容量ならびにワークディスタンスを増大可能である切断ヘッドとハイトセンサの併用により、ティーチングレスで直接切断することができるので作業能率が大幅に向上すると共に、高精度に切断できるので２次生成物の発生量も少なくて済む。

請求項２の発明のレーザ切断装置によれば、焦点位置ずれに対する許容量ならびにワークディスタンスを増大可能である切断ヘッドとハイトセンサの併用により、ティーチングレスで直接切断することができるので作業能率が大幅に向上すると共に、高精度に切断できるので２次生成物の発生量も少なくて済む。

請求項３の発明のレーザ切断装置によれば、切断ヘッドを安全かつ円滑に移動させられる。

請求項４の発明のレーザ切断装置によれば、切断面が曲面に対しても面直に倣うことができる。

請求項５の発明のレーザ切断装置によれば、ハイトセンサの数を減らすことができる。

請求項６の発明のレーザ切断装置によれば、より直感的な操作が可能となる。

請求項７の発明のレーザ切断装置によれば、プラズマ切断と同等以上に曲面倣い時のワークディスタンス変化許容量を大きくでき、精密な位置保証が不要となる。

請求項８の発明の解体方法によれば、ティーチングレスで直接切断することができるので作業能率が大幅に向上すると共に、高精度に切断できるので２次生成物の発生量も少なくて済む。

以下、本発明に係るレーザ切断方法及び装置並びに該方法及び装置を用いた解体方法を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示すレーザ切断装置のブロック図、図２は同じくレーザ切断ヘッドの説明図、図３は切断ヘッドの側面図、図４は同じく使用状態を示す説明図で、図７は短焦点ビームと長焦点ビームとの比較説明図である。

図１において、１は多関節形のロボットアームで、このロボットアーム１の先端にレーザ（ＹＡＧレーザ，半導体レーザ，ファイバレーザ，ディスクレーザ等）による切断ヘッド２が装着される。このロボットアーム１は、制御部３及びコントローラ４を介してオペレータ５により遠隔操作される。この際、ロボットアーム１とコントローラ４とはマスタスレーブ機構で構成され、オペレータ５により直感的に操作可能となっているが、コントローラ４としてジョイスティック等を用いても良い。

また、ロボットアーム１にはＣＣＤカメラ等の監視部６が装備され、その視覚情報が制御部３を介してオペレータ５に図示しないモニター等により提供し得るようになっている。この監視部６はロボットアーム１及び切断ヘッド２を全体的に監視可能なカメラであり、首振り等の位置調整機構とズーム等の視野調整機構が付与されていると好適である。

前記切断ヘッド２には、ハイトセンサ８の設置箇所より広範囲の位置情報を検出する非接触式の障害回避センサ７が装備され、その検出情報が制御部３を介してオペレータ５に図示しないモニター等により提供し得る、もしくは制御装置によりフィードバック制御することで自動的に障害物回避が可能なようになっている。

また、切断ヘッド２には、図３に示すように、機械接触式（光学非接触式でも良い）のハイトセンサ８が３式装備（３式に限定されるものではなく、必要に応じて増減しても良い）され、切断ヘッド２を切断面に対し面直かつ距離一定に保持し得るようになっている。３式のハイトセンサ８は切断ヘッド２の外周に等配され、切断面が曲面でも面直に倣うことが可能になっている。図３中１１は弾性部材等からなるヘッド姿勢保持機構で、切断ヘッド２を前記ハイトセンサ８と協動して切断面に対し常に面直に保持し得るようになっている。尚、ヘッド姿勢保持機構１１はハイトセンサ８自体に設けても良い。

また、切断ヘッド２には、切断用熱源としてのレーザ発振器９が光ファイバ１０を介して接続され、ロボットアーム１と同様に、制御部３及びコントローラ４を介してオペレータ５により操作される。

そして、切断ヘッド２は、図２に示すように構成される。光ファイバ１０はレーザ発振器９から出射されたレーザ光を当該切断ヘッド２の位置迄導くもので、その先端部からレーザ光１２を照射する。集光光学系１３は、入射したレーザ光１２を集光して絞り込んだ集光レーザビーム１４を出射する。本実施例における集光光学系１３は、これが出射する集光レーザビーム１４の収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成してある。このことにより、後述する平行光光学系１５の出射光として得る平行レーザビーム１６の平行度を良好に保持し焦点深度の大きい、つまり光軸方向に関して焦点位置からのずれに対してビーム直径変化が少なく、エネルギー密度変化の小さいビームが得られる。

平行光光学系１５は、集光光学系１３で集光して絞り込んだ集光レーザビーム１４を入射して、これを平行光である平行レーザビーム１６に成形して出射する。この平行光光学系１５は、例えば両凹レンズ１７で好適に形成し得る。また、平凹レンズや凹レンズと凸レンズの組み合わせであっても勿論良い。

ノズルは、ガスモーメンタムを長距離にわたって保持可能な形状を有する、例えばダイバージェントノズル１８は、その内部に狭窄部１８ａ及び開口部１８ｂに向かって狭窄部１８ａに連続する拡幅部１８ｃを有して当該切断ヘッド２の先端部に形成してあり、その内部の平行レーザビーム１６との間の隙間を介して加工対象物としての例えば原子炉における圧力容器Ｗに向けて切断加工時のアシストガス（図中矢印イ参照）を噴射するようになっている。このダイバージェントノズル１８を介して噴射するアシストガスは平行な整流となり平行レーザビーム１６に沿う、長い平行なガス流を形成することができる。また、アシストガスには酸素ガスや酸素，窒素混合ガスが用いられる。

また、ダイバージェントノズル１８を囲繞するようにしてシールド機構のシールドカップ１９が装備され、アシストガスと同組成のガスをシールドガス（図中矢印ロ参照）として流すようになっている。この際、遷音速流のガス流をシールドガスのさらに外周に流すようにしてもよい。また、シールド機構として予熱炎や高動粘性ガスによりアシストガス流を周囲の空気と遮断するようにしてもよい。

そして、このように構成された切断ヘッド２を装着したロボットアーム１は、切断加工時には、図４に示すように、大型の位置決めアーム２０（同図（ａ）参照）やキャタピラ等の駆動部を備えた自走式機構２１（同図（ｂ）参照）に取り付けられたり、圧力容器Ｗ自体に取り付けられたり（同図（ｃ）参照）して使用される。

このように構成されるため、切断加工時には、大型の位置決めアーム２０等によりロボットアーム１が圧力容器Ｗに対し所定位置に位置決めされた後、切断ヘッド２がロボットアーム１により切断駆動される。

この切断ヘッド２の切断駆動の際には、切断ヘッド２の高さ方向、面直度は３式のハイトセンサ８（図３参照）により前述したように高精度に制御される。そして、切断ヘッド２の速度は制御部３によりＮＣ設定とし、監視部６による視覚情報や障害回避センサ７による検出情報を元にしたコントローラ４による移動方向制御が行なわれ、所謂ティーチングレスで直接切断加工される。

また、切断用熱源としてレーザを用いているので、ハイトセンサ８，監視部６及び障害回避センサ７のセンシング情報を取得する際、また制御部３に伝送する際のノイズが抑制される。また、加工部にプラズマ切断時のような高輝度光がないことから画像情報による直接監視が容易である。また、レーザビームは小径であり、ビームそのものは温度を持たないことから、加熱点から半径方向に近い位置をセンシング可能であり、これにより曲面等複雑形状への高精度な倣いが可能となる。

さらに、各横断面におけるエネルギー密度がほぼ同じ平行レーザビーム１６が得られる切断ヘッド２を用いているため、エネルギー密度変化を抑制可能な単なる長焦点のレーザビームよりも切断ヘッド２の小型化が可能となると共に長焦点のレーザビーム以上に曲面倣い時のワークディスタンス変化許容量を大きくでき、精密な位置保証が不要となる。換言すれば、ハイトセンサ８の精度を緩和できる。また、これに加えて前述したシールド機構やダイバージェントノズル１８を用いてアシストガスを供給するので、同アシストガスを圧力容器Ｗの厚さ方向に均一に供給することができ、プラズマ切断と同等以上の変動に対する許容が可能となる。

尚、図７に示すように、通常のレーザ溶接等に用いられる短焦点（焦点距離＝２００ｍｍ程度迄）のレーザビーム１６ａ（同図（ａ）参照）と長焦点のレーザビーム１６ｂ（同図（ｂ）参照）とを比較すると、長焦点のレーザビーム１６ｂの方がスポット径（ビーム形状参照）の変化が緩やかになることから、曲面倣い時のワークディスタンス変動幅が多少大きくても許容可能となることが解るが、焦点距離が長い分だけ切断ヘッド２が長尺化するので使用条件によっては好ましくない。

このようにして本実施例では、切断用熱源としてレーザを用いると共に平行レーザビーム１６が得られる切断ヘッド２を用いるので、曲面倣い時のワークディスタンス変化許容量を大きくでき、遠隔操作により高精度に安定してレーザ切断を行ない得ることからティーチングレスで直接切断可能となり、切断時間を大幅に短縮することができる。また、レーザを用いた、かつ平行レーザビーム等焦点深度の大きなレーザビームを用いるプロセスであることから、表面から裏面までの切断溝幅を抑制可能であり、２次生成物を抑制可能である。この結果、圧力容器Ｗは所要の切断幅で切断されるので、２次生成物の発生も少なくて済む。また、ティーチングレスで直接切断加工できるので、切断作業時間を大幅に短縮することができる。

図５は本発明の実施例２を示す切断ヘッドの要部断面図である。

これは、実施例１におけるダイバージェントノズル１８に代えてテーパノズル１８Ａを用いてアシストガスを供給するようにした例であり、その他の構成は実施例１と同様である。

この実施例によれば、アシストガスを圧力容器Ｗの厚さ方向に均一に供給することができ、プラズマと同等以上の変動に対する許容が可能となり、実施例１と同様の作用・効果が得られる。

図６は本発明の実施例３を示す切断ヘッドの側面図である。

図６の（ａ）は、実施例１におけるハイトセンサ８を１本とし、その代わりに平行レーザビーム１６の反射光を検出する機構を設けて、検出した反射光強度（図６の（ｃ）参照）により切断ヘッド２の傾斜状況をモニター２２を通して把握するようにした例であり、図６の（ｂ）は、実施例１におけるハイトセンサ８を１本とし、その代わりに指向性の高いレーザビーム２３を平行レーザビーム１６と同軸で出射させ、その反射光を検出することで切断ヘッド２の傾斜状況をモニター２２を通して把握するようにした例である。その他の構成は実施例１と同様である。

この実施例によれば、切断ヘッド先端部を簡便な構成としつつ、圧力容器Ｗの切断面に対する切断ヘッド２の面直度が高精度に保持され、実施例１と同様の作用・効果が得られる。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、切断駆動に際して、予めＣＡＤデータやカメラによる撮影情報等を元に切断情報を設定した上で、直接的に駆動しながら切断しても良い。また、原子炉施設の解体工事に限らず、橋やビルディングの解体工事にも適用できることは言うまでもない。

本発明の実施例１を示すレーザ切断装置のブロック図である。 同じくレーザ切断ヘッドの説明図である。 同じく切断ヘッドの側面図である。 同じく使用状態を示す説明図である。 本発明の実施例２を示す切断ヘッドの要部断面図である。 カッタ交換室旋回時のカッタヘッドの正断面図である。 短焦点ビームと長焦点ビームとの比較説明図である。

符号の説明

１ ロボットアーム、２ 切断ヘッド、３ 制御部、４ コントローラ、５ オペレータ、６ 監視部、７ 障害回避センサ、８ ハイトセンサ、９ レーザ発振器、１０ 光ファイバ、１１ ヘッド姿勢保持機構、１２ レーザ光、１３ 集光光学系、１４ 集光レーザビーム、１５ 平行光光学系、１６ 平行レーザビーム、１７ 両凹レンズ、１８ ダイバージェントノズル、１８ａ 狭窄部、１８ｂ 開口部、１８ｃ 拡幅部、１８Ａ テーパノズル、１９ シールドカップ、２０ 位置決めアーム、２１ 自走式機構、２２ モニター、２３ レーザビーム、Ｗ 圧力容器。

Claims (8)

1. 光軸方向に関して焦点距離からのずれに対してビーム直径変化が少なく、エネルギー密度変化の小さい焦点深度の大きいビームが得られる切断ヘッドをロボットアームに装着し、前記切断ヘッドの高さ方向は同切断ヘッドに付設したハイトセンサにより制御すると共に、移動方向は前記ロボットアーム或いはその周辺に装備した監視部からの加工部における視覚情報を元に、オペレータがコントローラによりロボットアームを遠隔操作することで制御することを特徴とするレーザ切断方法。
2. レーザ発振器と、該レーザ発振器から送られたレーザ光を焦点深度の大きい平行レーザビーム等に成形し得る切断ヘッドと、該切断ヘッドを装着したロボットアームと、前記切断ヘッドに付設されて加工対象物までの距離を検出するハイトセンサと、前記ロボットアーム或いはその周辺に装備されて加工部からの視覚情報を得る監視部と、前記ハイトセンサの検出情報と前記監視部の視覚情報が入力される制御部と、該制御部を介して前記ロボットアームとレーザ発振器９を駆動制御するコントローラと、を備えたことを特徴とするレーザ切断装置。
3. 請求項２記載のレーザ切断装置において、前記切断ヘッドに進行方向の障害物を検出する障害回避センサが付設されることを特徴とするレーザ切断装置。
4. 請求項２又は３記載のレーザ切断装置において、前記ハイトセンサは機械接触式または光学非接触式のものが周方向に複数配置されることを特徴とするレーザ切断装置。
5. 請求項２，３又は４記載のレーザ切断装置において、前記切断ヘッドに、照射したレーザビームの反射光を検出する機構を設け、検出した反射光強度により切断ヘッドの傾斜状況を把握することを特徴とするレーザ切断装置。
6. 請求項２，３，４又は５記載のレーザ切断装置において、前記ロボットアームとコントローラはマスタスレーブ機構やジョイスティック操作器等により操作部を構成することを特徴とするレーザ切断装置。
7. 請求項２，３，４，５又は６記載のレーザ切断装置において、前記切断ヘッドはダイバージェントノズル等のガスモーメンタムを長距離にわたって保持可能な形状を有すると共に、その先端外周にシールド機構を備えることを特徴とするレーザ切断装置。
8. 前記請求項１記載のレーザ切断方法又は前記請求項２記載のレーザ切断装置を用いて原子炉施設の解体工事を行うことを特徴とする解体方法。

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