JP2010017731A - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの円形管を溶接する際に目違いをできる限り小さくする。
【解決手段】第１及び第２円形管９１，９２を同期回転させる回転手段４と、第１円形管９１を回転軸Ｘ１と直交する平面内で移動させる管移動手段１６と、各円形管９１，９２の溶接部９３，９４の中心位置Ｏ１，Ｏ２を検知する中心検知部３１と、中心位置Ｏ１の回転軸Ｘ１に対するズレを表す第１位置情報及び中心位置Ｏ２の回転軸Ｘ１に対するズレを表す第２位置情報を取得する位置情報取得部３２と、第１及び第２位置情報と円形管９１，９２の回転角とに基づいて中心位置Ｏ１を中心位置Ｏ２に一致させるために必要な移動量を算出する移動量算出部３３と、該移動量だけ第１円形管９１が移動するよう管移動手段１６の動作を制御する管移動制御部３４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば円形管等の２つのワークを溶接するための装置及び方法に関する。

例えばボイラ等に備えられる長尺の円形管を製造する際、同径の２つの円形管の開口端を開先加工して溶接部を形成し、各溶接部を互いに突合せた状態にしてこれら円形管を回転させながら互いに溶接するという手法が用いられている。従来、このような円形管同士の溶接を自動的に行うため、溶接部に外周側から侵入させるＴＩＧトーチ等の工具を備えた溶接装置が利用されている（例えば特許文献１参照）。

溶接部の中心位置は自身の回転軸に対して偏心していることがあり、溶接される円形管が長尺で端部が大曲がりになるときにはこれが顕著となる。溶接を精巧に行うためには、このような大曲がりがあっても、２つの円形管が目違いなく突合された状態に維持されていることが重要となる。

特許文献１には、目違い量をできる限り小さくすることを目的とした溶接装置が開示されている。この装置によれば、２つの円形管の溶接部を突合せた後、一方の円形管を回転し、周方向に互いに等間隔で離れた４位置の各々における目違い量が所定の閾値を超えないようになるとこの回転を停止する。このように４位置の目違い量を所定範囲内に収めた上で溶接作業を開始するようにしている。
特開２００４−２６８０５３号公報

しかし、特許文献１によれば、目違い量を計測する位置が４点に限られているため、隣り合う計測位置の相互間で目違い量が閾値を超えていたとしても、これを検知することができないおそれがある。このため、所定の回転角において一方の円形管の溶接部の中心が他方の円形管の溶接部の中心に近接したとしても、溶接作業を行う回転位置においては両円形管の目違い量が異なっている場合が考えられる。つまり、従来の装置によれば、溶接作業を開始して両円形管を回転したとき、目違い量が閾値を超えるような回転角度範囲が存在し得る。

そこで本発明は、例えば円形管等の２つのワークを溶接するにあたり目違いをできる限り小さくすることを目的としており、以って溶接品質を高めることを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明に係る溶接装置は、第１及び第２円形管を同期回転させながら突合せ溶接する溶接装置であって、前記第１及び第２の円形管を同期回転させる回転手段と、前記第１円形管を回転軸と直交する平面内で移動させる管移動手段と、前記第１及び第２円形管の各溶接部の中心位置を検知する中心検知部と、前記第１円形管の溶接部の中心位置の前記回転軸に対するズレを表す第１位置情報と、前記第２円形管の溶接部の中心位置の前記回転軸に対するズレを表す第２位置情報とを取得する位置情報取得部と、前記第１及び第２位置情報と前記第１及び第２円形管の回転角とに基づいて前記第１円形管の溶接部の中心位置を前記第２円形管の溶接部の中心位置に一致させるために必要な移動量を算出する移動量算出部と、前記移動量だけ前記第１円形管が移動するよう前記管移動手段の動作を制御する管移動制御部とを備えていることを特徴としている。

このような構成とすることにより、第１円形管と第２円形管とが回転軸に対して異なる方向に及び異なる量だけ偏心していても、この回転軸に対するズレを表す情報と回転角とに基づいて第１円形管の溶接部の中心位置を第２円形管の溶接部の中心位置に一致させるようにしているため、第１円形管の溶接部と第２円形管の溶接部とが回転角に関係なく目違いなく回転するようになる。このように回転角に関係なく目違いが解消されるため、溶接品質を高めることができる。

前記回転手段は、回転駆動源と、該回転駆動源に接続されて前記第１円形管に回転動力を出力する第１駆動軸と、該第１駆動軸にユニバーサルジョイントを介して連結されて前記第２円形管に回転動力を出力する第２駆動軸とを備えていてもよい。このような構成とすることにより、第１円形管の回転軸と直交する平面内での移動をユニバーサルジョイントで吸収することができる。

前記第１及び第２円形管の各溶接部の表面位置を検出する位置検出手段を更に備え、前記中心検知部は、前記位置検出手段により検知される各溶接部の周方向に互いに離れた複数の前記表面位置を取得し、該複数の表面位置を通過する真円を規定し、該真円の中心を該溶接部の中心位置として決定する構成であってもよい。また、前記第１及び第２円形管の各溶接部の頂点高さを検知する高さ検知手段を更に備え、前記中心検知部は、前記高さ検知手段により検知される各溶接部の所定回転角での頂点高さを取得し、該頂点高さと管径とに基づいて該溶接部の中心位置を算出する構成であってもよい。

前記溶接部を互いに溶接するため前記溶接部内に侵入するよう動作するトーチと、前記トーチを移動させるトーチ移動手段と、前記第１及び第２位置情報と前記第１及び第２円形管の回転角とに基づいて、管上の溶接位置とトーチ先端の相対位置が一定になるよう前記トーチ移動手段の動作を制御するトーチ動作制御部とを更に備えていてもよい。このような構成とすることにより、第１及び第２円形管の各溶接部が偏心回転していても、周方向に関して、管上の溶接位置とトーチ先端の相対位置がばらつかなくなる。したがって、溶接部の中心位置が回転軸に対して偏心していたとしても、例えば周方向全体に亘って良好に安定した裏波溶接を行うことができるようになる。

前記第２位置情報と前記第１及び第２円形管の回転角とに基づいて前記管上の溶接位置とトーチ先端の相対位置が一定になるために必要なトーチ移動量を算出するトーチ移動量算出部を更に備え、前記トーチ動作制御部は、該トーチ移動量だけ前記トーチが移動するよう前記トーチ移動手段の動作を制御する構成であってもよい。また、前記トーチと前記溶接部との間で生じる電気的物理量を検出する電気的物理量検出手段を更に備え、前記トーチ動作制御部は、トーチ高さを一定にすべく該電気的物理量が一定になるよう前記トーチ移動手段の動作を制御する構成であってもよい。

また、本発明に係る溶接方法は、第１及び第２のワークを同期回転させながら突合せ溶接する溶接方法であって、前記第１及び第２のワークの各溶接部の中心位置を検知し、前記第１のワークの溶接部の中心位置の回転軸に対するズレを表す第１位置情報と、前記第２のワークの溶接部の中心位置の回転軸に対するズレを表す第２位置情報とを取得し、前記第１及び第２位置情報に基づき、前記第１及び第２のワークの回転角に応じて前記第１のワークの溶接部の中心位置を前記第２のワークの溶接部の中心位置に一致させるよう前記第１のワークを回転軸と直交する平面内で移動させながら、前記第１及び第２のワークを互いに溶接する、ことを特徴としている。

このような方法とすることにより、上記同様にして、第１のワークの溶接部と第２のワークの溶接部とが回転角に関係なく目違いなく回転するようになる。このため、溶接品質を高めることができる。

以上のように、本発明によれば、目違いをできる限り小さくして２つのワークを互いに溶接することができ、以って溶接品質を高くすることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。以下、ワークの回転軸方向を「Ｘ方向」、Ｘ方向と直交する平面内の一方向を「Ｙ方向」、この平面内でＹ方向と直交する方向を「Ｚ方向」として説明する場合がある。また、本実施の形態に係る溶接装置は水平面上に適正に設置されるとＸ方向が水平に向く構成となっており、以下の説明ではこの状況を前提とし、便宜的にこの状況ではＹ方向も水平に向いてＺ方向は鉛直に向くものとする。但し、これらの方向の定義は本発明の範囲を逸脱しない限り適宜変更可能である。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る溶接装置１の概要構成を示す模式図である。図１に示す溶接装置１は、ワークの一例である２つの円形管９１，９２をともに回転させながら互いに溶接するための装置であり、第１及び第２チャック２，３、回転ユニット４、溶接ユニット１３、管移動ユニット１６、及び制御ユニット３０を備えている。

第１及び第２チャック２，３は円筒状に形成され、その中心部に直径２５〜６０ｍｍ程度の円形管９１，９２を挾持可能な構成となっている。また、各チャック２，３は同一軸線Ｘ１上にて互いに離れて配置されている。

回転ユニット４は、各チャック２，３に挾持された円形管９１，９２を回転させるよう構成されており、駆動源として電動の回転用モータ５を備えている。回転用モータ５の出力軸６は伝動機構７を介して第１駆動軸８に連結されている。第１駆動軸８はＸ方向に延在して第２チャック３と径方向に対向し、減速機構９を介してこの第２チャック３に連結されている。この減速機構９は第２チャック３の中心Ｘ１に回転駆動力を出力する構成となっている。

また、第１駆動軸８は、軸方向における第１チャック２が配置される側の端部にて軸継手１０を介し、第１駆動軸８と実質的に同軸上に配置された第２駆動軸１１の端部と連結されている。第１駆動軸８は軸方向と直交する方向への移動が規制されている一方、第２駆動軸１１はこの方向への移動が許容されている。この第２駆動軸１１の移動を許容するため、軸継手１０はユニバーサルジョイントによって構成されている。

第２駆動軸１１は第１チャック２と径方向に対向し、減速機構１２を介してこの第１チャック２に連結されている。この減速機構１２は第１チャック２の中心Ｘ１に回転駆動力を出力する構成となっている。この減速機構１２の減速比は上記減速機構９の減速比と等しく、減速機構１２が出力する回転の方向は上記減速機構９が出力する回転の方向と同じとなっている。なお、伝動機構７及び減速機構９，１２は、例えばギヤ列、チェーン・スプロケット機構又はベルト・プーリ機構など、様々な動力伝動機構により構成される。

この回転ユニット４によれば、回転用モータ５が駆動すると、第１及び第２駆動軸８，１１が同一方向に同一速度で回転する。第１駆動軸８の回転は、所定減速比だけ減速されるとともに所定回転方向に変換されて第２チャック３に伝達される。第２駆動軸１１の回転は、これと同じ減速比で減速されるとともに同じ回転方向に変換されて第１チャック２に伝達される。従って、第１円形管９１は第２円形管９２と同一方向に同一速度で回転する。また、各円形管９１，９２の回転軸は第１及び第２チャック２，３の軸線Ｘ１と一致し、第１及び第２チャック２，３は同軸上に配置されている。結果として、各円形管９１，９２は同一の回転軸Ｘ１を中心にして同期回転することとなる。

各円形管９１，９２の開口端には開先加工により溶接部９３，９４が予め形成されている。各円形管９１，９２は、互いの溶接部９３，９４をＸ方向に突合せるようにして対応するチャック２，３に固定される。各溶接部９３，９４の断面形状は略真円形状であり、これが溶接継手円となる。第１円形管９１の溶接部９３の中心位置Ｏ１及び第２円形管９２の溶接部９４の中心位置Ｏ２のうちの一方又は両方が回転軸Ｘ１に対して偏心している場合があり、これにより目違いが発生するときがある。図１では目違いが発生している状況を明示すべく便宜的にこれを誇張して示すが、実際に発生し得る目違いの量は最大で３ｍｍ程度である。この目違いを解消してできる限り精巧に溶接するための方法については後述する。

溶接ユニット１３は、突合された各溶接部９３，９４を互いに溶接するための公知のＴＩＧトーチ１４を備えている。ＴＩＧトーチ１４はロボットアーム１５の先端に取り付けられており、ロボットアーム１５の動作によりＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能になっている。ロボットアーム１５は各チャック２，３の相互間に配置されており、ＴＩＧトーチ１４はロボットアーム１５の可動範囲内で溶接部９３，９４の表面に接離することができる。

なお、ＴＩＧトーチ１４は、自身と溶接部９３，９４との間に電位差をかけ、溶接部９３，９４と接触したときに流れる電流を検出して溶接部９３，９４と接触したことを検知する接触センサ３９としての機能も併せ持っている。なお、このように溶接部とトーチとの間の電気的物理量として電流を検出することで溶接部とトーチの接触を検知するようにしているが、溶接部とトーチとの間の電位差に基づいて溶接部とトーチの接触を検知するようにしてもよい。

管移動ユニット１６は、第１円形管９１を回転軸Ｘ１と直交する平面内で移動させるよう構成されており、駆動源として電動の鉛直移動用モータ１７及び水平移動用モータ１８を備えている。鉛直移動用モータ１７の出力軸１９には鉛直移動機構２０が連結されており、鉛直移動用モータ１７が駆動されると鉛直移動機構２０の動作により第１円形管９１がＺ方向に移動する。水平移動用モータ１８の出力軸２１には水平移動機構２２が連結されており、水平移動用モータ１８が駆動されると水平移動機構２２の動作によって第１円形管９１がＹ方向に移動する。第１円形管９１は管移動ユニット１６によって回転中に移動し得るため、第２円形管９２と比べて短尺であることが好ましい。この管移動ユニット１６のより詳細な構造については後述する。

制御ユニット３０は溶接装置１の動作を統括的に制御する構成となっており、より具体的には、回転ユニット４の回転用モータ５と、溶接ユニット１３のＴＩＧトーチ１４及びロボットアーム１５と、管移動ユニット１６の鉛直移動用モータ１７及び水平移動用モータ１８とを駆動制御し、これにより回転ユニット４、溶接ユニット１３及び管移動ユニット１６の動作を制御する構成となっている。

制御ユニット３０は、ＣＰＵ、例えばＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、及び入出力インターフェース等を備えるロボットコントローラによって構成されうる。また、制御ユニット３０は、メモリに記憶されてＣＰＵが実行する制御プログラムの内容に基づき、中心検知部３１、位置情報取得部３２、管移動量算出部３３、管移動制御部３４、トーチ移動量算出部３５、トーチ移動制御部３６、回転制御部３７及び溶接制御部３８を機能ブロックとして備えていると言える。

各機能ブロック３１〜３８の動作や機能を簡単に説明すると、中心検知部３１は溶接部９３，９４の各中心位置Ｏ１，Ｏ２を検知し、位置情報取得部３２は検知した各中心位置Ｏ１，Ｏ２の回転軸Ｘ１に対するズレを表す情報を取得する。管移動量算出部３３は、位置情報取得部３２が取得した情報と円形管９１，９２の回転角とに応じて溶接中における第１円形管９１のＹ方向及びＺ方向への移動量を算出する。管移動制御部３４は管移動ユニット１６の動作を制御する。トーチ移動量算出部３５は、位置情報取得部３２が取得した情報と円形管９１，９２の回転角とに応じてトーチ１４の位置のＹ方向及びＺ方向に対する補正量を算出する。トーチ移動制御部３６は溶接ユニット１３のロボットアーム１５の動作を制御する。回転制御部３７は回転ユニット４の動作を制御し、溶接制御部３８は溶接ユニット１３のトーチ１４の動作を制御する。これら各機能ブロック３１〜３８が動作することにより、溶接装置１を利用した第１及び第２円形管９１，９２の溶接作業が実行される。

図２は図１に示す溶接装置１の部分背面図である。図２に示すように、溶接装置１は、第２チャック３側に配置されるユニットを支持する架台４１と、第１チャック２側に配置されるユニットを支持する架台４２とを備えている。架台４１の下面には脚４３が取り付けられ、架台４１は脚４３を介して床面９０に支持される。また、架台４２の下面側には管移動ユニット１６が配置されている。

架台４１の側面には鉛直上向きに延在するブラケット４４が取り付けられ、このブラケット４４に取り付けられたベアリング４５により第１駆動軸８が回転可能に支持されている。架台４２の側面にも鉛直上向きに延在するブラケット４６が取り付けられ、このブラケット４６に取り付けられたベアリング４７により第２駆動軸１１のユニバーサルジョイント１０側の端部が回転可能に支持されている。架台４２の上面には、ブラケット４６からＸ方向に離れた位置からベアリング台４８が立設しており、このベアリング台４８の上端部に取り付けられたベアリング４９により第２駆動軸１１のユニバーサルジョイント１０と反対側の端部が回転可能に支持されている。

第１回転軸８上にはベース５０が固定され、このベース５０には第２チャック３に取り付けられたドラム５１が固着している。これにより、第２チャック３は架台４１に支持された状態となっている。同様に第２回転軸１１上にはベース５２が固定され、このベース５２には第１チャック２に取り付けられたドラム５３が固着している。これにより第１チャック２が架台４２に支持された状態となっている。

このため、上述したように第１駆動軸８は第２チャック３及び第２円筒管９２とともにＹ方向及びＺ方向への移動が規制されることとなる。また、架台４２は管移動ユニット１６が動作に伴いＹ方向及び／又はＺ方向に移動し、架台４２が管移動ユニット１６の動作によってＹ方向及び／又はＺ方向に移動すると、第１チャック２及び第１チャック２に固定された第１円形管９１が連動するようになっている。

図３は図２に示す管移動ユニット１６の平面図である。図２及び図３を併せて参照するが、管移動ユニット１６は、水平な床面９０に平行に近接して対向するベース板６１上に設けられている。ベース板６１は平面視で略矩形状の平板であり、複数のボルト６２によって床面９０に固定されている。

ベース板６１の上面には、ブラケット６３を介して鉛直移動用モータ１７が固定されている。鉛直移動用モータ１７の出力軸１９はＸ方向に向けられ、軸継手６４を介してベースプレート６１の上方をＸ方向に延びるボールネジ６５と連結されている。ボールネジ６５はブラケット６７を介してスライド板６８に固定されたナット６６に螺合している。このスライド板６８は平面視で略矩形状の平板であり、ベース板６１に平行に近接して対向している。ベース板６１の上面にはＸ方向に延びるガイドレール６９が設けられ、スライド板６８の下面にはガイドレール６９に係合してガイドレール６９に沿ってＸ方向にスライド可能なスライダ７０が取り付けられている。これによりスライド板６８は、ベース板６１の上方でベース板６１に対してＸ方向にスライド可能になっている。また、ボールネジ６５はＸ方向に延在する軸を中心にして回転可能である一方、ベース板６１に対して軸方向及び軸直交方向には移動不能である。ナット６６はスライド板６８に回転不能に取り付けられている一方、スライド板６８と共にベース板６１に対してＸ方向に移動可能である。

スライド板６８の上面には２枚のウェッジ板７１が立設している。各ウェッジ板７１は、互いにＹ方向に離れて配置されており、スライダ板６１の可動方向であるＸ方向に延在している。ウェッジ板７１の上面には、この延在方向両端部において鉛直方向に傾斜するテーパ面７２が形成されている。このテーパ面７２にはスライダ７３が取り付けられ、このスライダ７３にはガイドレール７４が係合している。各ガイドレール７４は正面視で三角形状のブラケット７９を介してアッパー板７５の下面に固定されている。ガイドレール７４はウェッジ板７１のテーパ面７２と同じように傾斜している一方、アッパー板７５はスライド板６８の上方で床面９０、ベース板６１及びスライド板６８と平行に、すなわち水平に設けられている。

アッパー板７５の上面には２つのレール台７６が設けられている。各レール台７６は互いにＸ方向に離れて配置されてＹ方向に延在している。各レール台７６の上面には、Ｙ方向に延在するガイドレール７７が取り付けられており、このガイドレール７７には架台４２の下面に取り付けられたスライダ７８が係合している。つまり、架台４２はアッパー板７５に対し、Ｙ方向にスライド可能に支持されている。

アッパー板７５の上面の略中心部には、ブラケット７９を介して水平移動用モータ１８が取り付けられている。水平移動用モータ１８の出力軸２１はＸ方向に向けられ、軸継手８０に連結されている。この軸継手８０には、伝動機構８１の入力要素でありＸ方向に延びる入力軸が連結されている。伝動機構８１は略直方体状のハウジングに収容され、このハウジングはブラケット８２を介してアッパー板７５の上面に固定されている。伝動機構８１は、その出力要素として、ハウジングからＹ方向に突出するロッド８３を備えている。伝動機構８１は、入力要素に入力された回転駆動力を減速すると共にＹ方向の直線運動に変換し、出力要素であるロッド８３に伝達する構成となっている。ロッド８３は入力軸の回転方向に応じてＹ方向の一方又は他方に選択的に移動する。このロッド８３の先端には矩形箱状のブロック８４が固着され、このブロック８４はブラケット８５を介して架台４２の下面に固定されている。

上記構成の管移動ユニット１６によれば、鉛直移動用モータ１７が駆動されると、ボールネジ６５が回転してナット６６がスライド板６８と共にＸ方向に移動する。このため、ウェッジ板７１がＸ方向に移動してアッパー板７５が楔作用でＺ方向に移動し、架台４２も共にＺ方向に移動する。この架台４２のＺ方向の移動に連動して、第２駆動軸１１、ベース５２及びドラム５３とともに第１円形管９１がＺ方向に移動する。第１円形管９１は、鉛直移動用モータ１７の回転方向に応じてＺ方向の一方又は他方に選択的に移動する。

また、水平移動用モータ１８が駆動されると、伝動機構８１のロッド８３がブロック８４及びブラケット８５と共にＹ方向に移動し、ブラケット８５と固定された架台４２がガイドレール７７に案内されてＹ方向に移動する。この架台４２のＹ方向の移動に連動して、第２駆動軸１１、ベース５２及びドラム５３と共に第１円形管９１がＹ方向に移動する。第１円形管９１は、水平移動用モータ１８の回転方向に応じてＹ方向の一方又は他方に選択的に移動する。

つまり、本実施の形態の鉛直移動機構２０は、ボールネジ６５、ナット６６、スライド板６８、ガイドレール６９及びスライダ７０、ウェッジ板７１、ガイドレール７３及びスライダ７４、アッパー板７５によって構成されている。水平移動機構２２は、ガイドレール７７及びスライダ７８、及び伝動機構８１によって構成されている。

このように、第１円形管９１は第２駆動軸１１と共にＹ方向及びＺ方向に移動可能となっているが、第２円形管９２は第１駆動軸８と共にＹ方向及びＺ方向に移動不能となっている。本実施の形態では、第１及び第２駆動軸８，１１を連結する軸継手１０がユニバーサルジョイントであるため、この第２駆動軸１１の軸直交方向への移動がユニバーサルジョイントにより吸収され、第２駆動軸１１は架台４１に連動して円滑に移動するとともにこのように第２駆動軸１１が移動することがあっても第１及び第２駆動軸８，１１の同期回転が妨げられることはない。なお、第２駆動軸１１を第１駆動軸８と独立して回転可能にし、第２駆動軸１１に第１駆動軸８と同期回転させるための回転駆動力を出力する電動の回転用モータを別途設けると、ユニバーサルジョイントを省略することができる。また、第１円形管９１と第２駆動軸１１とが一体に移動する構成であるため、第２駆動軸１１の回転を第１チャック２に伝達するための減速機構１２も一体に移動する。このように、第１円形管９１を移動させるときには減速機構１２の取合いが保持されたままとなるため、第１及び第２円形管９１，９２の同期回転が妨げられることはない。

なお、アッパー板７５は、テーパ面７２を有したウェッジ板７１の水平移動に伴う楔作用によってＺ方向に移動可能に構成されていればよいため、ウェッジ板７１の移動方向はＸ方向に限られず水平面内を移動可能であればよい。従って、ガイドレール６９の延在方向、ボールネジ６５の軸や鉛直移動用モータ１７の出力軸１９の向きもＸ方向に限られず適宜変更可能である。また、伝動機構８１は出力要素にＹ方向の直線運動を伝達するよう構成されていればよく、入力要素の軸の向きは特に限定されず伝動機構８１の内部構造に応じて適宜変更される。従って、水平移動用モータ１８の出力軸２１の向きもＸ方向に限られず適宜変更可能である。

次に、図１を参照しつつ図４乃至図８に基づいて制御ユニット３０が実行する制御内容、すなわち上記溶接装置１を利用して第１及び第２円形管９１，９２を突合せ溶接するための方法について説明する。

図４を参照し、第１及び第２円形管９１、９２の溶接に際し、まず対応するチャック２，３に円形管９１，９２を固定してチャック２，３の相互間で互いの溶接部９３，９４を突合せる（ステップＳ１）。次に、各溶接部９３，９４の中心位置Ｏ１，Ｏ２を検知する（ステップＳ２）。なお、ステップＳ１とステップＳ２との間には、溶接部９３，９４の突合せ位置をＸ方向に関して取得するステップを設けてもよい。

図５は第１実施形態に係る中心位置検知処理（ステップＳ２）の具体内容を示すフローチャートである。図６はこの処理の概念図である。図５に示す第１実施形態に係るフローの概要は、まず各溶接部の複数の表面位置を計測し、計測した表面位置に基づいて溶接部の断面形状を近似した真円を規定し、規定した真円の中心を溶接部の中心位置として決定する、というものである。このフローは各溶接部９３，９４について順番に行われるものであり、例えばまず第１円形管９１の溶接部９３の中心位置Ｏ１が検知された後、次いで同じフローに沿って第２円形管９２の溶接部の中心位置Ｏ２が検知される（順番は逆でもよい）。このため図６は第１円形管９１の溶接部９３の中心位置Ｏ１を検知する場合を例示し、中心位置Ｏ２を検知する場合は説明の重複を避けるため省略する。

まず、計測したい表面位置の個数Ｎを設定する（ステップＳ２０１）。図６にはＮが３の場合を例示している。「ｋ」は本処理を容易に説明すべく便宜上用いるパラメータであり、計測済の表面位置の個数である。つまり、ステップＳ２０１でのｋは０である。なお、溶接を行うたびこの個数Ｎを都度設定してもよいが、常に予め定めた個数Ｎの表面位置を計測するものとしてこのステップＳ２０１の処理を省略してもよい。

次に、回転ユニット４を駆動して円形管９１の回転角を０degとし（ステップＳ２０２）、図６（ａ）に示すように溶接部９３の表面位置Ｐ₀を計測する（ステップＳ２０３）。表面位置Ｐ₀の計測は接触センサ３９として機能するトーチ１４を用いて行われる。つまり、上記のようにトーチ１４と溶接部９３との間に電位差を設け、トーチ１４をＺ方向（本実施形態では鉛直下向き）に移動させる。トーチ１４が溶接部９３の表面に接触するとトーチ１４と溶接部９３との間に電流が流れ、制御ユニット３０はこの電流を検知するとトーチ１４の移動を停止させる。停止されたトーチ１４（又はロボットアーム１５）の座標に基づいて溶接部９３の表面位置Ｐ₀が計測される。このような手法を取るため、図６（ａ）に示すように、回転軸Ｘ１をＹＺ直交座標の原点(0, 0)に設定し、トーチ１４のＹ方向の位置を回転軸Ｘ１のＹ方向の位置と揃えた場合には、表面位置Ｐ₀がＺ軸上にプロットされることとなる。

また、このときトーチ１４は、Ｘ方向に関し、第１円形管９１の溶接部９３の表面に接触し得る位置であって突合せ位置にできる限り近付けた位置に配置される。このため、以降の処理を経て、できる限り突合せ位置に近い箇所の溶接部９３の中心位置Ｏ１を計測することができる。

このように０degでの表面位置Ｐ₀を計測してｋが１になると（ステップＳ２０４）、回転ユニット４を駆動制御して円形管９１を360/Ndegだけ回転する（ステップＳ２０５）。そして、図６（ｂ）に示すように360/N×kdegの表面位置Ｐ_kを測定する（ステップＳ２０６）。この表面位置Ｐ_kもトーチ１４のＺ方向の移動に伴い計測され、回転軸Ｘ１を原点(0, 0)に設定し、トーチ１４のＹ方向の位置を回転軸Ｘ１のＹ方向の位置と揃えた場合には、各表面位置Ｐ_kがＺ軸上にプロットされることとなる。

次に、ｋに１を加算し（ステップＳ２０７）、計測済みの表面位置の個数ｋが計測したい表面位置の個数Ｎに達したか否かが判断される（ステップＳ２０８）。達していないと判断されたときには、ステップＳ２０５に戻り、再び円形管を360/N degだけ回転し、360/N×kdegの表面位置Ｐ_kを計測してｋを１だけ加算する。このように、計測済みの表面位置の個数ｋが計測したい表面位置の個数Ｎに達するまで、360/N deg毎の表面位置を計測すべく、ステップＳ２０５〜ステップＳ２０７の処理が繰り返される。

計測済みの表面位置の個数ｋが計測したい表面位置の個数Ｎに達したと判断されると、図６（ｃ）に示すように計測した各回転角の表面位置Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃を、所定回転角（例えば０deg）である場合の位置に変換する（ステップＳ２０９）。

次に、変換された各表面位置Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃を通過する真円Ｃ₁を規定する（ステップＳ２１０）。そして、規定された真円Ｃ₁の中心座標（y₁, z₁）を求め、これを溶接部９３の中心位置Ｏ１として決定する（ステップＳ２１１）。

図４に戻り、このように決定された中心位置Ｏ１，Ｏ２の回転軸Ｘ１に対するズレを表す情報を取得する（ステップＳ３）。図７はこの処理（ステップＳ３）の概念図を示している。ここでは、回転軸Ｘ１をＹＺ直交座標の原点(0, 0)に設定されるものとする。溶接部９３の中心位置Ｏ１の座標が(y₁, z₁)であるとき、中心位置Ｏ１の回転軸Ｘ１(0, 0)に対するズレ量Ｌ₁及びズレ角（つまりズレ方向）θ₁は次式から求められる。

また、溶接部９４の中心位置Ｏ２の座標が(y₂, z₂)であるとき、中心位置Ｏ２の回転軸Ｘ１(0, 0)に対するズレ量Ｌ₂及びズレ角θ₂は次式から求められる。

このように数１の式から溶接部９３の中心位置Ｏ１の回転軸Ｘ１に対するズレ量及びズレ角（第１位置情報）を取得することができ、数２から溶接部９４の中心位置Ｏ２の回転軸Ｘ１に対するズレ量及びズレ角（第２位置情報）を取得することができる。

再び図４に戻り、回転ユニット４の動作を制御して第１及び第２円形管９１、９２を同期回転させながら溶接ユニット１３の動作を制御してトーチ１４を溶接部９３，９４に侵入させて各円形管９１，９２を互いに溶接する（ステップＳ５）。ここで、各円形管９１，９２の回転速度は、溶接部９３，９４の外面が毎分１０ｃｍ程度回転移動するような速度に設定される。

そして、同期回転する円形管９１，９２の回転角αに応じて管移動ユニット１６の動作を制御して第１円形管９１を移動させ、且つこの回転角αに応じてロボットアーム１５の動作を制御してトーチ１４を移動させる（ステップＳ６）。

図８はこの処理（ステップＳ６）のうち第１及び第２円形管９１，９２を移動させる処理の概念図である。第１円形管９１は、自身の溶接部９３の中心位置Ｏ１が第２円形管９２の溶接部９４の中心位置Ｏ２と一致するよう、回転軸Ｘ１と直交するＹＺ平面内で移動される。ここで、回転角αのときの溶接部９３の中心位置Ｏ１の座標は(L₁cos(θ₁＋α), L₁sin(θ₁＋α))であり、溶接部９４の中心位置Ｏ２の座標は(L₂cos(θ₂＋α), L₂sin(θ₂＋α))である。従って、中心位置Ｏ１を中心位置Ｏ２に一致させるために必要なＹ方向の移動量Ｙ_α、及び中心位置Ｏ１を中心位置Ｏ２に一致させるために必要なＺ方向の移動量Ｚ_αは次式から算出される。

このように算出された移動量Ｙ_α，Ｚ_αだけＹ方向及びＺ方向に第１円形管９１が移動するよう、制御ユニット３０は鉛直移動用モータ１７及び水平移動用モータ１８に制御信号を出力してこれらモータ１７，１８を駆動する。これにより第１円形管９１の溶接部９３の中心位置Ｏ１が第２円形管９２の溶接部９４の中心位置Ｏ２と一致し、両溶接部９３，９４間での目違いが解消される。

また、溶接部９３，９４上の溶接位置とトーチ１４の先端の相対位置が所定の値で一定すれば管の全周に亘って良好に安定した裏波溶接を施すことができるようになる。但し、第２円形管９２の溶接部９４の中心位置Ｏ２が回転軸Ｘ１に対して偏心している場合には、トーチ１４のＹＺ平面内での位置が固定されていれば回転角αに応じてトーチ１４に対する溶接部９３，９４の表面の位置が変化するため、結果としてトーチ１４の先端と溶接部９３，９４上の溶接位置の相対位置が変化する。

ステップＳ６では、まずこの相対位置を回転角αに関わらず一定にするため、次式に基づいて、トーチ１４を回転角αに応じた溶接部９３，９４の表面の位置変化に追従させるようトーチ１４の先端の位置をＹ方向に補正する補正量ｙ_α及びＺ方向に補正する補正量ｚ_αが算出される。

そして、ステップＳ６ではこのように算出された補正量だけＹ方向及びＺ方向にトーチ１４が移動するよう制御ユニット３０によりロボットアーム１５が駆動制御される。これによりトーチ１４は第２円形管９２（及び第１円形管９１）の偏心回転による溶接部９３，９４の表面の位置変化に追従して回転軸Ｘ１と直交するＹＺ平面内を移動し、トーチ１４の先端と溶接部９３，９４の溶接位置の相対位置が回転角αに関わらず一定となる。

このように回転角αに応じて第１円形管９１が移動するとともにトーチ１４が移動しながら溶接作業が実行される。そして、溶接が完了したか否かが判断され（ステップＳ７）、溶接が完了していないと判断されたときには、ステップＳ５に戻り、第１及び第２円形管９１，９２が継続して回転されて溶接作業が継続される。制御ユニット３０は、この制御ループを比較的短い時間間隔（例えば約１msec）で実行する構成となっている。他方、第１及び第２円形管９１，９２は上記のとおり比較的低速で回転している（例えば約２〜７deg/min）。このため、ステップＳ６における移動量Ｙ_α，Ｚ_α及び補正量ｙ_α，ｚ_αの算出は、回転角αが微少角度（例えば約２〜７×10⁻³deg）変化するたび行われる。また、実際に発生し得る目違い量は管径と比べると比較的小さいオーダーである（例えば１〜３ｍｍ）。このため回転角αの変化に応じた目違いの解消は高精度で行われ、且つ、トーチ１４の溶接部９３，９４の位置変化に対するトーチ１４の追従性が高くなる。

溶接作業が完了したと判断されると、所定の終了動作が実行され（ステップＳ８）、第１及び第２円形管９１，９２が溶接された状態で溶接装置１から搬出される。

このような方法を経ることにより、第１及び第２円形管９１，９２は目違いなく溶接される。しかも、これら円形管９１，９２の内周面側には全周に亘って適度に肉が盛られた裏波溶接が施されることとなる。したがって、耐久性の高い高品質の管製品を提供することができるようになる。

（第２実施形態）
図９は第２実施形態に係る中心位置検知処理（ステップＳ２）の具体内容を示すフローチャートであり、図１０は第２実施形態に係る管の溶接部周辺の概要構成を軸方向に見た模式図である。なお、第１実施形態と同じ構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図９に示す第２実施形態に係るフローの概要も、まず各溶接部９３，９４の複数の表面位置を計測し、計測した表面位置に基づいて溶接部９３，９４の断面形状を近似した真円を規定し、規定した真円の中心を溶接部の中心位置として決定する、というものである。

また、第１実施形態では、溶接部９３，９４の表面との接触を検知して溶接部９３，９４の表面位置を計測するためのセンサ３９（図１参照）としてＴＩＧトーチ１４（図１参照）を利用しているが、本実施形態では図１０に示すように、このＴＩＧトーチ１４と同様の原理で表面位置を計測する複数の位置計測センサ１３９（図示例では３つ）が、Ｘ方向と直交する平面内で互いに等間隔に離れて設けられている。各位置計測センサ１３９はこの平面内で回転軸Ｘ１に対して接離するよう移動可能になっている。この複数の位置計測センサ１３９の１つがＴＩＧトーチ１４によって構成されていてもよい。

図９を参照すると、まず、回転ユニット４を駆動して円形管９１の回転角を０degとする（ステップＳ２２１）。次に、各位置計測センサを動作させて複数の表面位置を同時的に計測する（ステップＳ２２２）。ここでいう「同時的」とは、第１実施形態が中心位置Ｏ１，Ｏ２の検知に管９１，９２の回転動作を必要としていたのに対し、本実施形態では円形管９１，９２を回転させることなく測定可能であることを意味している。

次に、計測された各表面位置を通過する真円を規定する（ステップＳ２２３）。そして、規定された真円の中心座標を求め、これを溶接部９３，９４の中心位置Ｏ１，Ｏ２として決定する（ステップＳ２２４）。

このようにして検知された中心位置Ｏ１，Ｏ２に基づいて図４中のステップＳ３以降の処理を行うことにより、第１実施形態と同様にして耐久性の高い高品質の管製品を提供することができるようになる。

（第３実施形態）
図１１は第３実施形態の中心位置検知処理（ステップＳ２）の具体内容を示すフローチャートであり、図１２はこの処理の概念図である。なお、第１実施形態と同じ構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１１に示す第３実施形態に係るフローの概要は、まず所定回転角における各溶接部９３，９４の頂点高さを計測し、計測した頂点高さに基づいて溶接部９３，９４の中心位置を求める、というものである。このフローに沿って溶接部９３，９４の中心位置を求めるため、本実施形態には各円形管９１，９２の直径を表すデータが予め記憶される。

また、このフローに沿って溶接部９３，９４の中心位置を求めるため、本実施形態の溶接装置には頂点高さを計測する図示しない頂点計測センサが設けられる。

図１１を参照すると、まず、回転ユニット４を駆動して円形管９１の回転角を０degとする（ステップＳ２３１）。次に、頂点計測センサを動作させて円形管９１，９２の頂点高さを表す頂点位置を計測する（ステップＳ２３２）。ここで言う頂点位置とは、図１２に示すように、溶接部９３，９４の表面のうちＺ方向すなわち鉛直方向に関して最上端となる位置である。この頂点位置Ｐ₁₀の座標が取得されると、頂点位置と予め記憶されている円形管の半径ｒに基づいて中心位置を求める（ステップＳ２３３）。図１２に示すとおり、中心位置Ｏ１は、頂点位置Ｐ₁₀をＺ方向にｒだけ平行移動することによって求めることができる。

このようにして検知された中心位置Ｏ１，Ｏ２に基づいて図４中のステップＳ３以降の処理を行うことにより、第１実施形態と同様にして耐久性の高い高品質の管製品を提供することができるようになる。

これまで本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態の構成に限られず、本発明の範囲を逸脱しない限り適宜変更可能である。例えば、互いに溶接されるワークは、角型管であっても同様にして適用することができる。この場合、ワークの溶接部の断面形状が矩形状となりえるが、例えば対角線の交点を中心位置と捉えることによって本発明を応用することができる。また、溶接ユニットが備える工具は、ＴＩＧ型に限られず、例えばＭＡＧ型やＭＩＧ型やＣＯ_２型など、どのような形式のものでもよい。

また、回転角に応じたトーチ１４の先端位置の制御は、回転角と第１及び第２位置情報に基づいて実行するものに限られず、トーチと溶接部との間に生じる電位差や電流などの電気的物理量が所定の値で一定になるようにトーチを移動させることによってトーチ高さを制御するようにしてもよい。この電気的物理量を検出する装置としては、上記のようにトーチを用いることができる。この制御を実行することによっても、トーチ高さが適切に保持され、良好な安定した裏波溶接を行うことができるようになる。

本発明は、２つのワークを回転させながら突合せ溶接するための装置及び方法に広く適用されうる。特に、比較的長尺の円形管を製造する装置及び方法に好適に適用されうる。

本発明の実施の形態に係る溶接装置の概要構成を示す概念図である。 図１に示す溶接装置の一部背面図である。 図２に示す管移動ユニットの平面図である。 本発明の実施の形態に係る溶接方法を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る溶接部の中心位置を検知する処理を説明するフローチャートである。 図５に示す処理の概念図あって、（ａ）が０degのときの表面位置の計測の概念図、（ｂ）が360/N×kdegのときの表面位置の計測の概念図、（ｃ）が各表面位置を通過する真円の概念図である。 溶接部の位置情報の取得処理の概念図である。 回転角に応じた第１円形管の移動量の算出処理の概念図である。 本発明の第２実施形態に係る溶接部の中心位置を検知する処理を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る溶接装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る溶接部の中心位置を検知する処理を説明するフローチャートである。 図１１に示す処理の概念図である。

符号の説明

１ 溶接装置
２，３ チャック
４ 回転ユニット（回転手段）
８ 第１駆動軸
１０ ユニバーサルジョイント
１１ 第２駆動軸
１３ 溶接ユニット
１４ トーチ
１５ ロボットアーム（トーチ移動手段）
１６ 管移動ユニット（管移動手段）
２０ 鉛直移動機構
２２ 水平移動機構
３０ 制御ユニット
９１ 第１円形管
９２ 第２円形管
９３，９４ 溶接部
Ｏ１，Ｏ２ 中心位置
Ｘ１ 回転軸

Claims (9)

1. 第１及び第２円形管を同期回転させながら突合せ溶接する溶接装置であって、
   前記第１及び第２円形管を同期回転させる回転手段と、
   前記第１円形管を回転軸と直交する平面内で移動させる管移動手段と、
   前記第１及び第２円形管の各溶接部の中心位置を検知する中心検知部と、
   前記第１円形管の溶接部の中心位置の前記回転軸に対するズレを表す第１位置情報と、前記第２円形管の溶接部の中心位置の前記回転軸に対するズレを表す第２位置情報とを取得する位置情報取得部と、
   前記第１及び第２位置情報と前記第１及び第２円形管の回転角とに基づいて、前記第１円形管の溶接部の中心位置を前記第２円形管の溶接部の中心位置に一致させるために必要な移動量を算出する移動量算出部と、
   前記移動量だけ前記第１円形管が移動するよう前記管移動手段の動作を制御する管移動制御部とを備えていることを特徴とする溶接装置。
2. 前記回転手段は、回転駆動源と、該回転駆動源に接続されて前記第１円形管に回転動力を出力する第１駆動軸と、該第１駆動軸とユニバーサルジョイントを介して連結されて前記第２円形管に回転動力を出力する第２駆動軸とを備えることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記第１及び第２円形管の各溶接部の表面位置を検出する位置検出手段を更に備え、
   前記中心検知部は、前記位置検出手段により検知される各溶接部の周方向に互いに離れた複数の前記表面位置を取得し、該複数の表面位置を通過する真円を規定し、該真円の中心を該溶接部の中心位置として決定する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接装置。
4. 前記第１及び第２円形管の各溶接部の頂点高さを検知する高さ検知手段を更に備え、
   前記中心検知部は、前記高さ検知手段により検知される各溶接部の所定回転角での頂点高さを取得し、該頂点高さと管径とに基づいて該溶接部の中心位置を算出する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接装置。
5. 前記溶接部を互いに溶接するため前記溶接部内に侵入するよう動作するトーチと、
   前記トーチを移動させるトーチ移動手段と、
   前記第１及び第２位置情報と前記第１及び第２円形管の回転角とに基づいて、管上の溶接位置とトーチ先端の相対位置が一定になるよう前記トーチ移動手段の動作を制御するトーチ動作制御部と
   を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶接装置。
6. 前記第２位置情報と前記第１及び第２円形管の回転角とに基づいて管上の溶接位置とトーチ先端の相対位置が一定になるために必要なトーチ移動量を算出するトーチ移動量算出部を更に備え、
   前記トーチ動作制御部は、該トーチ移動量だけ前記トーチが移動するよう前記トーチ移動手段の動作を制御する構成であることを特徴とする請求項５に記載の溶接装置。
7. 前記トーチと前記溶接部との間で生ずる電気的物理量を検出する電気的物理量検出手段を更に備え、
   前記トーチ動作制御部は、トーチ高さを一定にすべく該電気的物理量が一定になるよう前記トーチ移動手段の動作を制御する構成であることを特徴とする請求項５に記載の溶接装置。
8. 第１及び第２のワークを同期回転させながら突合せ溶接する溶接方法であって、
   前記第１及び第２のワークの各溶接部の中心位置を検知し、
   前記第１のワークの溶接部の中心位置の回転軸に対するズレを表す第１位置情報と、前記第２のワークの溶接部の中心位置の回転軸に対するズレを表す第２位置情報とを取得し、
   前記第１及び第２位置情報に基づき、前記第１及び第２のワークの回転角に応じて前記第１のワークの溶接部の中心位置を前記第２のワークの溶接部の中心位置に一致させるよう前記第１のワークを回転軸と直交する平面内で移動させながら、前記第１及び第２のワークを互いに溶接する、ことを特徴とする溶接方法。
9. 前記第１及び第２のワークがそれぞれ円形管であることを特徴とする請求項８に記載の溶接方法。

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