JP2013244498A - Device and method for welding - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、複雑かつ狭隘な場所での溶接を確実かつ効率的に行なうための溶接装置および溶接方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a welding apparatus and a welding method for reliably and efficiently performing welding in a complicated and narrow place.
一般に、原子炉内構造物の溶接部の点検・検査・溶接を行うために、放射線や水中などの環境条件の制約から遠隔操作が求められている。このような遠隔操作が可能な溶接装置には一定速度での走査や高精度な位置決めが行なえる機能が必要である。さらに、原子炉底部にある加圧水型原子炉(PWR)の炉内計装筒(BMI)や沸騰水型原子炉(BWR)の制御棒駆動機構(CRD)スタブチューブやインコアモニタ(ICM)ハウジングなどの管台における溶接部の溶接を行うためには、施工対象部位が3次元的に変化する形状であることや、原子炉容器や原子炉圧力容器の下鏡部と管台との間の間隔が狭隘であることから、特殊な装置が必要である。 Generally, in order to inspect, inspect, and weld a welded portion of a reactor internal structure, remote control is required due to restrictions on environmental conditions such as radiation and water. Such a welding apparatus capable of remote operation requires a function capable of scanning at a constant speed and positioning with high accuracy. Furthermore, in-core instrumentation cylinder (BMI) of pressurized water reactor (PWR) at the bottom of the reactor, control rod drive mechanism (CRD) stub tube and in-core monitor (ICM) housing of boiling water reactor (BWR), etc. In order to perform welding of the welded part in the nozzle stub, the construction target part must have a shape that changes three-dimensionally, and the distance between the lower mirror part of the reactor vessel or reactor pressure vessel and the nozzle stub Because it is narrow, special equipment is required.
このような溶接装置として、管台の周囲を旋回する軸、上下に移動する軸、管の半径方向に伸縮する軸、TIG溶接等の溶接トーチやレーザ溶接の溶接ヘッド部の姿勢を変えるための回転軸などを有する装置がある(例えば特許文献1)。この溶接装置の管台の周囲を旋回する軸、上下に移動する軸、管の半径方向に伸縮する軸等は、主に施工部位に対する位置決めのための軸である。また、回転軸は、溶接ヘッドの施工部位に対する角度を調整するための軸として用いられることが一般的である。 As such a welding device, an axis that pivots around the nozzle, an axis that moves up and down, an axis that expands and contracts in the radial direction of the pipe, a welding torch such as TIG welding, and a laser head for changing the position of the welding head There is an apparatus having a rotating shaft (for example, Patent Document 1). An axis that pivots around the nozzle base of the welding apparatus, an axis that moves up and down, an axis that expands and contracts in the radial direction of the pipe, and the like are mainly axes for positioning with respect to the construction site. Moreover, it is common that a rotating shaft is used as an axis | shaft for adjusting the angle with respect to the construction site | part of a welding head.
しかし、上記溶接装置を用いて3次元的に変化する形状を溶接するには絶えず溶接ヘッド部の姿勢を変える必要があり、さらにフィラーワイヤの位置や挿入方向をも制御して、適切な位置を維持する必要があった。 However, in order to weld a shape that changes three-dimensionally using the above-described welding device, it is necessary to constantly change the attitude of the welding head part, and also to control the position and insertion direction of the filler wire so that an appropriate position can be obtained. There was a need to maintain.
このような問題に対して、フィラーワイヤノズルを溶接トーチの軸周りに回転させることができるような機構を設けることにより、フィラーワイヤの挿入角度を溶接姿勢に応じて変更できるようにしている。 For such a problem, by providing a mechanism that can rotate the filler wire nozzle around the axis of the welding torch, the insertion angle of the filler wire can be changed according to the welding posture.
しかしながら、このような従来の溶接装置ではフィラーワイヤを供給するフィラー供給部の位置および姿勢を変更するための機構部が溶接ヘッド部に取り付けられているため、溶接ヘッド部が大きく成らざるを得ず、狭隘な施工部に対して干渉することなく施工を行なうことが困難であった。 However, in such a conventional welding apparatus, since the mechanism part for changing the position and attitude | position of the filler supply part which supplies a filler wire is attached to the welding head part, a welding head part must be large. It was difficult to perform construction without interfering with narrow construction parts.
本発明が解決しようとする課題は、複雑かつ狭隘な3次元形状の施工部位に対して、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工することができる炉内構造物の溶接装置および溶接方法を提供することにある。 A problem to be solved by the present invention is to provide a welding apparatus and welding method for an in-furnace structure capable of performing welding on a construction site having a complicated and narrow three-dimensional shape without interfering with the narrow portion. It is to provide.
上記目的を達成するために、実施形態の溶接装置は、原子炉内に配設された筒状の対象物に設置される溶接装置本体と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、前記溶接装置本体に少なくとも前記溶接ヘッド部と別途に旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、を具備することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a welding apparatus according to an embodiment is attached to a welding apparatus main body installed on a cylindrical object disposed in a nuclear reactor, and is attached to the welding apparatus main body so as to be capable of at least turning and raising / lowering. A welding head portion for welding the construction point of the object, and a filler supply that is attached to the welding apparatus main body so as to be capable of turning and raising / lowering separately from at least the welding head portion and supplying a filler wire to the construction point And a portion.
実施形態の溶接方法は、原子炉内に配設された筒状の対象物に設置される溶接装置本体と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、を具備する溶接装置において、前記溶接ヘッド部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する工程と、前記フィラー供給部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する工程と、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記溶接装置本体を制御する工程と、を具備することを特徴とする。 The welding method of the embodiment includes a welding apparatus main body installed on a cylindrical object disposed in a nuclear reactor, and is attached to the welding apparatus main body so as to be capable of at least swiveling and ascending and descending. A welding apparatus comprising: a welding head section that performs welding on the welding apparatus main body; and a filler supply section that is attached to the welding apparatus main body so as to be capable of at least swiveling and raising and lowering and that supplies a filler wire to the construction point. A step of calculating a desired position and posture with respect to the construction point, generating a welding head side posture angle data representing the position and posture, and calculating a desired position and posture of the filler supply unit with respect to the construction point. Generating filler-feeder-side posture angle data representing the position and posture of the welding head portion-side posture angle data and Characterized by comprising the step of controlling the welding apparatus main body based on the over supply side attitude angle data.
本発明の実施形態によれば、複雑かつ狭隘な3次元形状の施工部位に対して、溶接ヘッド部の位置および姿勢とフィラー供給部について、施工に適する位置および姿勢となるよう制御することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to control the position and posture of the welding head unit and the filler supply unit so as to have a position and posture suitable for construction with respect to a complicated and narrow three-dimensional shape construction site. .
以下、本発明に係る溶接装置の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、以下の実施形態では、炉内構造物の複雑形状および過酷環境での溶接の施工として、PWR型原子炉の炉底部(水深約30m)に設置されたBMI管台またはBWR型原子炉の炉底部に設置されたCRDスタブの溶接の施工を対象としたレーザ溶接装置を例として説明する。 Hereinafter, embodiments of a welding apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, in the following embodiments, a BMI nozzle or a BWR reactor installed at the bottom of a PWR reactor (with a water depth of about 30 m) is used for welding in a complex shape of a reactor internal structure and a severe environment. As an example, a laser welding apparatus for welding a CRD stub installed at the bottom of the furnace will be described.
図1は、本実施形態に係る溶接装置の構成を示し、BMI管台1の原子炉容器の下鏡とBMI管台1との突合せ部の開先部に対してレーザ溶接を行なう際の概念図である。
FIG. 1 shows a configuration of a welding apparatus according to the present embodiment, and a concept when laser welding is performed on a groove portion of a butt portion between a lower mirror of a reactor vessel of a
本実施形態に係る溶接装置は、溶接装置本体40と、溶接ヘッド部6と、フィラー供給部10とを具備している。
The welding apparatus according to the present embodiment includes a welding apparatus
溶接装置本体40は、原子炉内に立設された筒状の対象物に設置される。溶接ヘッド部6は、溶接装置本体40に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、対象物の施工点11に対して溶接を行う。フィラー供給部10は、溶接装置本体40に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、施工点11にフィラーワイヤ12を供給する。
The welding apparatus
溶接装置本体40は、溶接ヘッド部側駆動部81と、フィラー供給部側駆動部82と、旋回部2とを具備している。
The welding apparatus
溶接ヘッド部側駆動部81の先端部には溶接ヘッド部6が取り付けられ、フィラー供給部側駆動部82の先端部にはフィラー供給部10が取り付けられている。旋回部2は、溶接ヘッド部側駆動部81とフィラー供給部側駆動部82とに対して共通の旋回軸となっており、BMI管台1の中心軸である共通旋回軸46(図4参照)を中心に旋回しながら施工を実施するための機構である。
The
溶接ヘッド部側駆動部81は、前後左右駆動部3と、昇降駆動部4と、回転駆動部5a〜5cとを備えている。
The welding head
前後左右駆動部3および昇降駆動部4の直動3軸は、レーザ照射点が施工点11となるように溶接ヘッド部6の位置決め制御を行うための機構である。前後左右駆動部3は、旋回部2と昇降駆動部4との間に接続され、前後左右駆動軸47(図4参照)に沿って前後左右に移動可能に設けられている。昇降駆動部4は、前後左右駆動部3と回転駆動部5aとの間に接続され、上述の共通旋回軸46に平行な昇降駆動軸48(図4参照)に沿って昇降可能に設けられている。
The three linear axes of the front / rear left / right drive unit 3 and the
回転駆動部5a〜5cの回転軸3軸は、溶接ヘッド部6から照射されるレーザの照射角度を制御するための機構である。回転駆動部5aは、昇降駆動部4と回転駆動部5bとの間に接続され、上述の昇降駆動軸48に平行な回転駆動軸49a(図4参照)を中心に旋回可能に設けられている。回転駆動部5bは、回転駆動部5aと回転駆動部5cとの間に接続され、回転駆動軸49aに直交する回転駆動軸49b(図4参照)を中心に旋回可能に設けられている。回転駆動部5cは、回転駆動部5bと溶接ヘッド部6との間に接続され、回転駆動軸49aおよび49bに直交する回転駆動軸49c(図4参照)を中心に旋回可能に設けられている。
The three rotation axes of the
フィラー供給部側駆動部82は、前後左右駆動部7と、昇降駆動部8と、回転駆動部9とを備えている。
The filler supply unit
前後左右駆動部7および昇降駆動部8の直動3軸は、フィラー供給部10からのフィラーワイヤ12の挿入位置が施工点11になるように位置決め制御を行うための機構である。前後左右駆動部7は、旋回部2と昇降駆動部8との間に接続され、前後左右駆動軸50(図4参照)に沿って前後左右に移動可能に設けられている。昇降駆動部8は、前後左右駆動部7と回転駆動部9との間に接続され、上述の共通旋回軸46に平行な昇降駆動軸51(図4参照)に沿って昇降可能に設けられている。
The three linear axes of the front / rear left /
回転駆動部9は、フィラーワイヤ12の挿入角度を制御する機構である。回転駆動部9は、昇降駆動部8とフィラー供給部10との間に接続され、上述の昇降駆動軸51に平行な回転駆動軸52a(図4参照)を中心に旋回可能に設けられている。フィラー供給部10は、回転駆動部9に接続され、回転駆動軸52aに直交する回転駆動軸52b(図4参照)を中心に旋回可能に設けられている。
The
一般的に、溶接ヘッド部から照射されるレーザを施工点11に対して高精度に位置決めするためには3自由度が必要であり、レーザ照射角度を自由に決めるためには3自由度が必要である。ただし自由度を多く持たせれば持たせるほど溶接装置の駆動軸の数が増えて機構構成が複雑になるため、一般的には施工に必要な自由度で構成される。例えば図1ではフィラー供給部10の施工点11に対するフィラー挿入角度を決めるために姿勢を変化させることが可能な軸は旋回部2および回転駆動部9の2自由度であり、フィラーワイヤ12の軸方向に関して回転させる軸は必要がないために省略されている。
In general, three degrees of freedom are required to position the laser irradiated from the welding head with high accuracy with respect to the
また、旋回部2は溶接ヘッド部6およびフィラー供給部10の両方において、1自由度を与える溶接装置本体40に設けられた共通の可動部となっているが、溶接装置の駆動軸の構成によっては旋回軸のほかに直交3軸の直動軸を持たせても良い。
In addition, the
以上で示した装置構成により、溶接ヘッド部6の位置および姿勢とフィラー供給部10の位置および姿勢とをそれぞれ独立に制御することが可能であるために、複雑3次元形状の施工部位に対して対応することが可能となる。また、同一筐体に溶接ヘッド部6とフィラー供給部10とが存在しないために、管台と原子炉容器の下鏡部との間の狭隘な施工箇所などに対しても装置が干渉することなく溶接を行なうことができる。
With the apparatus configuration shown above, the position and posture of the
図2は、図1の溶接装置の据付方法の一例を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a method for installing the welding apparatus of FIG. 1.
図2に示されるように、本実施形態に係る溶接装置は支持部20に固定され、支持部20は原子炉容器21に対してBMI管台22(図1のBMI管台1と同様)を覆うように設置される。支持部20は場合によっては内部をArガスなどの不活性ガスを用いて気中環境とするチャンバーとして用いることができ、水中に部分気中環境を形成して施工を行うことができる。
As shown in FIG. 2, the welding apparatus according to the present embodiment is fixed to a
図3は、図1の溶接装置の別の据付方法を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing another installation method of the welding apparatus of FIG.
図3に示されるように溶接装置は据付部30に固定されており、据付部30はCRDスタブチューブ31上のCRDハウジング32に嵌め合わされることによって原子炉圧力容器33に対して位置を決めることができる。
As shown in FIG. 3, the welding apparatus is fixed to the
図4は、本実施形態に係る溶接装置の構成として溶接装置本体40に接続された制御系統、および、溶接装置本体の各駆動軸を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a control system connected to the welding apparatus
制御エリア42は原子炉建屋内上部にあるオペレーションフロアに設けられる。制御エリア42には、制御部である駆動機構制御装置43と、駆動コントローラ44と、状態表示コントローラ45とが設けられている。
The
駆動機構制御装置43は、コンピュータであり、コンピュータプログラムが格納された記憶装置、メインメモリ、CPU等を備え(図示しない)、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aと、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部43bと、溶接装置本体制御部43cと、反射光回避データ生成部43dとを備えている。
The drive
溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、溶接ヘッド部6の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する。フィラー供給部側姿勢角度データ生成部43bは、フィラー供給部10の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する。溶接装置本体制御部43cは、駆動制御信号(溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データ)に基づいて溶接装置本体40を制御する。反射光回避データ生成部43dは、溶接装置本体40の各駆動軸の値を算出する際に、レーザの反射光の影響を受ける(詳細後述)姿勢を回避するためのデータを生成する。
The welding head side posture angle
状態表示コントローラ45は液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの表示装置である。駆動コントローラ44は、駆動機構制御装置43の実行結果を状態表示コントローラ45に表示するためのコンピュータであり、コンピュータプログラムが格納された記憶装置、メインメモリ、CPU等(図示しない)を備えている。
The
駆動コントローラ44は、駆動機構制御装置43から出力される溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データにより、溶接装置とBMI管台1と原子炉容器(図2の原子炉容器21または図3の原子炉圧力容器33)との位置および姿勢の関係等について3次元のグラフィカルな表示を状態表示コントローラ45に行なう。
The
制御エリア42から溶接装置本体40への駆動制御信号の送受信には、原子炉底部における施工の場合で30m〜50m程度の信号ケーブル41により駆動機構制御装置43から溶接装置本体40へ信号が伝送される。
For transmission / reception of the drive control signal from the
次に、図4を用いて溶接の施工手順について説明する。 Next, the welding procedure will be described with reference to FIG.
図2、図3に示した据付方法により溶接装置を原子炉底部に据付けた後、溶接の施工前に形状計測を行い、施工対象形状の3次元形状モデルの作成を行う。駆動機構制御装置43は、この3次元形状モデルを用いて施工対象箇所の施工データを生成する。
After the welding apparatus is installed on the bottom of the reactor by the installation method shown in FIGS. 2 and 3, shape measurement is performed before welding work, and a three-dimensional shape model of the work target shape is created. The drive
施工データとは施工点の座標点列として生成されたデータであり、一般にCLデータと呼ばれる。このCLデータは、3DCADやCAMソフトを用いることで、自動的に作成することが可能でさらに面法線方向の情報を付与することも可能である。CLデータの具体的な生成方法については後述する。 The construction data is data generated as a coordinate point sequence of construction points, and is generally called CL data. The CL data can be automatically created by using 3D CAD or CAM software, and information on the surface normal direction can be given. A specific method for generating CL data will be described later.
次に、駆動機構制御装置43は、得られたCLデータに含まれる施工点1点1点に対して溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データを算出する。姿勢角度データとは各駆動軸の角度データである。図4の例では、溶接ヘッド部側姿勢角度データは、前述した共通旋回軸46、前後左右駆動軸47、昇降駆動軸48、回転駆動軸49a、回転駆動軸49b、回転駆動軸49cを含む各駆動軸に対する角度データであり、フィラー供給部側姿勢角度データは、前述した前後左右駆動軸50、昇降駆動軸51、回転駆動軸52a、回転駆動軸52bを含む各駆動軸に対する角度データである。溶接ヘッド部側姿勢角度データまたはフィラー供給部側姿勢角度データは、前述した共通旋回軸46に対する角度データをさらに含んでいる。
Next, the drive
次に、駆動機構制御装置43は、施工点11に対する溶接ヘッド部6とフィラー供給部10との位置および姿勢と、周辺構造物に干渉しない溶接装置の全体姿勢とを両立した溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データを算出する。ここではCLデータの座標点列ごとに対応した姿勢角度データをまとめて、RLデータと呼ぶ。RLデータの具体的な生成方法については後述する。
Next, the drive
次に、駆動機構制御装置43は、生成したRLデータを用いて3次元形状モデルを用いた施工シミュレーションを行い、RLデータの検証を行う。検証結果は状態表示コントローラ45上のディスプレイに表示され、溶接ヘッド部6から照射されるレーザの施工軌跡(位置および角度)、フィラーワイヤ12の走査軌跡(位置および角度)、溶接ヘッド部6と施工対象物との距離、反射光と溶接装置との干渉(重畳)の有無、周囲構造物(例えばBMI管台22や原子炉容器21)と溶接装置との干渉の有無等がチェックされる。
Next, the drive
施工シミュレーションの結果、干渉が確認された場合は、RLデータを修正し再度施工シミュレーションによる確認が行なわれる。干渉が無く施工可能だと判断された場合は実際の施工が行なわれる。多層溶接の場合は1層目の溶接が終了後に、表面形状の計測を行なって3DCADデータが更新される。再度CLデータおよびRLデータが生成された後、施工シミュレーションによる検証が行なわれ、問題がなければ次層の施工が開始される。ここで、表面形状の計測時に、形状計測で得られた点群データからCLデータを直接修正する場合は、3DCADデータを更新する必要はない。 As a result of the construction simulation, when interference is confirmed, the RL data is corrected and confirmation by the construction simulation is performed again. When it is determined that there is no interference and construction is possible, actual construction is performed. In the case of multilayer welding, the surface shape is measured and the 3D CAD data is updated after the first layer of welding is completed. After CL data and RL data are generated again, verification by construction simulation is performed, and if there is no problem, construction of the next layer is started. Here, when the CL data is directly corrected from the point cloud data obtained by the shape measurement when measuring the surface shape, it is not necessary to update the 3D CAD data.
次に、本実施形態に係る溶接装置の動作について図1および図4〜図6を用いて説明する。図5は、本実施形態に係る溶接装置の動作(溶接方法)を示すフローチャートである。図6は、本実施形態に係る溶接装置の各駆動軸に作用させるトルクの算出方法を示すフローチャートである。 Next, operation | movement of the welding apparatus which concerns on this embodiment is demonstrated using FIG. 1 and FIGS. 4-6. FIG. 5 is a flowchart showing the operation (welding method) of the welding apparatus according to the present embodiment. FIG. 6 is a flowchart showing a calculation method of torque to be applied to each drive shaft of the welding apparatus according to the present embodiment.
まず、駆動機構制御装置43の溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、旋回部2の位置および姿勢を含めて、溶接ヘッド部6の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出し、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する(ステップS1)。
First, the welding head part side attitude angle
ステップS1において、溶接ヘッド部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を満たすように旋回部2および溶接ヘッド部側駆動部81の各駆動軸(図4では共通旋回軸46、前後左右駆動軸47、昇降駆動軸48、回転駆動軸49a、49b、49c)に作用するトルクを算出する。具体的な算出方法としては、溶接ヘッド部6の位置および姿勢から解析的な手法としての逆運動学による演算を行い各駆動軸の値を算出する方法、数値計算による手法としてのヤコビ行列の転置行列を用いて各駆動軸に作用するトルクを算出する方法などが考えられる。以降、ヤコビ行列の転置行列を用いて各駆動軸に作用するトルクを算出する方法を例にして説明する。ここで、トルクをτ、ヤコビ行列をJ、そのヤコビ行列Jの転置行列をJT、溶接ヘッド部6に作用する力およびモーメントの行列をFとした場合、トルクτはτ=JTFにより表される。
In step S1, the drive shafts of the
まず、駆動機構制御装置43の溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、ヤコビ行列Jを溶接装置本体40の現在の各駆動軸の位置および姿勢から算出する(ステップS10)。次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、溶接ヘッド部6の目標の位置および姿勢に向けた力およびモーメントFを算出する(ステップS11)。このとき、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、τ=JTFにより溶接装置本体40の各駆動軸に作用させるトルクτを算出する(ステップS12)。次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、トルクτに比例した各駆動軸の角度を更新し(ステップS13)、溶接ヘッド部6の位置および姿勢が目標に収束したかの判定を行い(ステップS14)、収束するまで逐次計算的に計算を行なう。
First, the welding head side posture angle
次に、駆動機構制御装置43のフィラー供給部側姿勢角度データ生成部43bは、ステップS1により生成された溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる旋回部2の位置および姿勢を固定したときのフィラー供給部10の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出可能である場合、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する(ステップS2)。
Next, the filler supply unit side posture angle data generation unit 43b of the drive
ステップS2において、フィラー供給部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を満たすようにフィラー供給部側駆動部82の各駆動軸(図4では前後左右駆動軸50、昇降駆動軸51、回転駆動軸52a、52b)に作用するトルクを算出する。この場合、溶接ヘッド部6をフィラー供給部10に置き換えてトルクを算出する(ステップS10〜S14)。
In step S2, the drive shafts of the filler supply unit side drive unit 82 (in FIG. 4, front and rear left and
ここで、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データが生成された場合、1点のCLデータに対応したRLデータが生成されることになる。この場合、駆動機構制御装置43の溶接装置本体制御部43cは、駆動機構制御装置43内に1点のRLデータを格納する(ステップS3−YES)。
Here, when the welding head part side attitude angle data and the filler supply part side attitude angle data are generated, RL data corresponding to one point of CL data is generated. In this case, the welding apparatus main
一方、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部43bは、ステップS1により生成された溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる旋回部2の位置および姿勢を固定したときのフィラー供給部10の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出できない場合(ステップS3−NO)、旋回部2の位置および姿勢を含めてフィラー供給部10の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する(ステップS4)。
On the other hand, the filler supply unit side posture angle data generation unit 43b has a
ステップS4において、フィラー供給部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を満たすようにフィラー供給部側駆動部82の各駆動軸(図4では共通旋回軸46、前後左右駆動軸50、昇降駆動軸51、回転駆動軸52a、52b)に作用するトルクを算出する(ステップS10〜S14)。
In step S4, the drive shafts of the filler supply unit side drive unit 82 (in FIG. 4, the
次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、ステップS3により生成されたフィラー供給部側姿勢角度データに含まれる旋回部2の位置および姿勢を固定したときの溶接ヘッド部6の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する(ステップS5)。
Next, the welding head side posture angle
ここで、1点のRLデータ(溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データ)が生成されることになる。この場合、溶接装置本体制御部43cは、駆動機構制御装置43内に1点のRLデータを格納する。施工手順に従った全てのRLデータが駆動機構制御装置43内に格納されていない場合(ステップS6−NO)、ステップS1が実行される。
Here, one point of RL data (welding head part side attitude angle data and filler supply part side attitude angle data) is generated. In this case, the welding device main
一方、RLデータが駆動機構制御装置43内に格納された場合(ステップS6−YES)、溶接装置本体制御部43cは、そのRLデータを駆動制御信号として溶接装置本体40に出力する。すなわち、溶接装置本体制御部43cは、駆動制御信号に基づいて溶接装置本体40を制御する(ステップS7)。
On the other hand, when the RL data is stored in the drive mechanism control device 43 (step S6-YES), the welding device main
ステップS7において、駆動制御信号の各RLデータの溶接ヘッド部側姿勢角度データに対して旋回部2の位置および姿勢を表す角度データが含まれている場合、溶接装置本体制御部43cは、溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて旋回部2および溶接ヘッド部側駆動部81を制御し、駆動制御信号の各RLデータのフィラー供給部側姿勢角度データに基づいてフィラー供給部側駆動部82を制御する。
In step S7, when the angle data representing the position and orientation of the
また、ステップS7において、駆動制御信号の各RLデータのフィラー供給部側姿勢角度データに対して旋回部2の位置および姿勢を表す角度データが含まれている場合、溶接装置本体制御部43cは、溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて溶接ヘッド部側駆動部81を制御し、駆動制御信号の各RLデータのフィラー供給部側姿勢角度データに基づいて旋回部2およびフィラー供給部側駆動部82を制御する。
In step S7, when the angle data representing the position and orientation of the
このように、本実施形態の溶接装置によれば、複雑かつ狭隘な3次元形状の施工部位に対して、溶接ヘッド部6の位置および姿勢とフィラー供給部10の位置および姿勢とをそれぞれ独立に制御することにより、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工することができる。
As described above, according to the welding apparatus of the present embodiment, the position and posture of the
なお、本実施形態に係る溶接装置の動作として、ステップS1およびS2とステップS4およびS5とを入れ替えてもよい。 In addition, you may replace step S1 and S2 and step S4 and S5 as operation | movement of the welding apparatus which concerns on this embodiment.
すなわち、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部43bは、旋回部2の位置および姿勢を含めてフィラー供給部10の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する(ステップS4)。次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる旋回部2の位置および姿勢を固定したときの溶接ヘッド部6の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出可能である場合、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する(ステップS5)。
That is, the filler supply unit side posture angle data generation unit 43b calculates a desired position and posture with respect to the
一方、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部43aは、フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる旋回部2の位置および姿勢を固定したときの溶接ヘッド部6の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出できない場合(ステップS3−NO)、旋回部2の位置および姿勢を含めて溶接ヘッド部6の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する(ステップS1)。次に、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部43bは、溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる旋回部2の位置および姿勢を固定したときのフィラー供給部10の施工点11に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する(ステップS2)。
On the other hand, the welding head side posture angle
一方、施工手順に従った全てのRLデータが駆動機構制御装置43内に格納された場合(ステップS6−YES)、溶接装置本体制御部43cは、駆動制御信号(RLデータ)に基づいて溶接装置本体40を制御する(ステップS7)。
On the other hand, when all the RL data according to the construction procedure is stored in the drive mechanism control device 43 (step S6-YES), the welding device main
図7は本実施形態に係る溶接装置の反射光の回避に関して、レーザ光の反射を示す図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating reflection of laser light with respect to avoiding reflected light of the welding apparatus according to the present embodiment.
図7に示されるように、溶接ヘッド部6から照射されたレーザは、施工点11においてレーザの入射角度と施工面60との関係から決まる反射角度にて反射する。このときの反射光61が溶接ヘッド部6やフィラー供給部10に当たることで装置の損傷を引き起こすことや、BMI管台1などに当たることで入熱によるBMI管台1の傾きが生じるなどの問題がある。このため、反射光61がBMI管台1に当たらないように入射角度条件内で溶接ヘッド部6の姿勢を制御してやることや、反射光61が当たらないようにフィラーワイヤ12の挿入角度が施工条件内に収まる範囲以内でフィラー供給部10の姿勢を制御することが必要となる。
As shown in FIG. 7, the laser irradiated from the
具体的には、駆動機構制御装置43の反射光回避データ生成部43dは、図5のステップS2およびステップS5において、特に、図6のステップS11において、溶接装置本体40の各駆動軸の値を算出する際に反射光61の回避を考慮する。例えば数値計算による手法を用いる場合は上述した式τ=JTFにより表されるFの力およびモーメント成分に対して、目標の位置および姿勢に向けた力およびモーメントの項と、反射光61を回避するための力およびモーメントの項とを足し合わせることで回避姿勢を生成することができる。
Specifically, the reflected light avoidance
図8は、本実施形態に係る溶接装置における反射光の回避方法を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing a method for avoiding reflected light in the welding apparatus according to the present embodiment.
まず、駆動機構制御装置43の反射光回避データ生成部43dは、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データが生成されたときに、溶接ヘッド部6の姿勢からレーザ照射角度ベクトルを算出し(ステップS20)、レーザ照射角度ベクトルと施工点11における表面形状データ(法線ベクトル)とに基づいて、反射光61の光路を表す反射光ベクトルを算出し(ステップS21)、その反射光ベクトルと溶接ヘッド部6、フィラー供給部10およびBMI管台1などの反射光を回避したい箇所との交差判定を行う(ステップS22)。
First, the reflected light avoidance
交差判定では、例えば、フィラー供給部10の姿勢に対してある4点の座標から定義できる長方形の面を考え、その面と反射光ベクトルとを幾何学的に判定する。反射光61が当たる場合(ステップS22−YES)は、溶接ヘッド部6およびフィラー供給部10へ反射光61が当たることを防ぐように、溶接ヘッド部6の姿勢を変更してレーザ照射角度ベクトルを変更する、もしくは、フィラー供給部10の姿勢を変更して反射光が入射しないようにする必要があり、上述した式τ=JTFにより表されるFの力およびモーメントの項に交差判定により得られた該当部と反射光との幾何学的な距離などに比例した値を設定する。すなわち、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データが表す姿勢を補正する(ステップS23)。
In the intersection determination, for example, a rectangular surface that can be defined from coordinates of four points with respect to the posture of the
以上の説明により、本実施形態の溶接装置によれば、複雑かつ狭隘な3次元形状の施工部位に対して、溶接ヘッド部6の位置および姿勢とフィラー供給部10の位置および姿勢とをそれぞれ独立に制御することにより、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工することができる。
As described above, according to the welding apparatus of the present embodiment, the position and posture of the
また、本実施形態の溶接装置によれば、反射光61の光路を考慮して溶接ヘッド部6の姿勢とフィラー供給部10の姿勢とをそれぞれ補正するため、溶接ヘッド部6およびフィラー供給部10へ反射光61が当たることを防ぐことができる。
In addition, according to the welding apparatus of the present embodiment, the
本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、レーザでなくTIG等の溶接にも適用でき、また、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 This embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be applied not only to lasers but also to welding such as TIG, and can be implemented in various other forms, and various omissions and replacements are possible without departing from the spirit of the invention. Can be changed. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 … BMI管台
2 … 旋回部
3 … 前後左右駆動部
4 … 昇降駆動部
5a、5b、5c … 回転駆動部
6 … 溶接ヘッド部
7 … 前後左右駆動部
8 … 昇降駆動部
9 … 回転駆動部
10 … フィラー供給部
11 … 施工点
12 … フィラーワイヤ
20 … 支持部
21 … 原子炉容器
22 … BMI管台
30 … 据付部
31 … CRDスタブチューブ
32 … CRDハウジング
33 … 原子炉圧力容器
40 … 溶接装置本体
41 … 信号ケーブル
42 … 制御エリア
43 … 駆動機構制御装置
43a … 溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部
43b … フィラー供給部側姿勢角度データ生成部
43c … 溶接装置本体制御部
43d … 反射光回避データ生成部
44 … 駆動コントローラ
45 … 状態表示コントローラ
46 … 共通旋回軸
47 … 前後左右駆動軸
48 … 昇降駆動軸
49a、49b、49c … 回転駆動軸
50 … 前後左右駆動軸
51 … 昇降駆動軸
52a、52b … 回転駆動軸
60 … 施工面
61 … 反射光
81 … 溶接ヘッド部側駆動部
82 … フィラー供給部側駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、
前記溶接装置本体に少なくとも前記溶接ヘッド部と別途に旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、
を具備することを特徴とする溶接装置。 A welding apparatus main body installed on a cylindrical object disposed in the nuclear reactor,
A welding head that is attached to the welding apparatus main body so as to be at least capable of turning and raising and lowering, and welds to a construction point of the object;
A filler supply unit that is attached to the welding apparatus main body at least separately from the welding head unit so as to be capable of turning and raising and lowering, and that supplies a filler wire to the construction point;
A welding apparatus comprising:
を具備することを特徴とする請求項1に記載の溶接装置。 A desired position and orientation of the welding head portion with respect to the construction point is calculated, welding head side posture angle data representing the position and orientation is generated, and a desired position and orientation of the filler supply portion with respect to the construction point is generated. Control for generating filler supply portion side posture angle data representing the position and posture thereof, and controlling the welding apparatus main body based on the welding head portion posture angle data and the filler supply portion side posture angle data And
The welding apparatus according to claim 1, comprising:
先端部に前記溶接ヘッド部が取り付けられた溶接ヘッド部側駆動部と、
先端部に前記フィラー供給部が取り付けられたフィラー供給部側駆動部と、
前記溶接ヘッド部側駆動部と前記フィラー供給部側駆動部とに対して共通の旋回軸となる旋回部と、
を具備することを特徴とする請求項2に記載の溶接装置。 The welding apparatus body is
A welding head side drive unit in which the welding head unit is attached to a tip part; and
A filler supply unit side drive unit in which the filler supply unit is attached to the tip; and
A swivel unit that serves as a common swivel axis for the welding head unit drive unit and the filler supply unit drive unit;
The welding apparatus according to claim 2, comprising:
前記旋回部の位置および姿勢を含めて前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出し、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部と、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成するフィラー供給部側姿勢角度データ生成部と、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記溶接ヘッド部側駆動部を制御し、前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記フィラー供給部側駆動部を制御する溶接装置本体制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項3に記載の溶接装置。 The controller is
Welding head side posture angle data for calculating a desired position and posture with respect to the construction point of the welding head unit including the position and posture of the swivel unit and generating the position and posture as the welding head side posture angle data A generator,
A desired position and posture with respect to a construction point of the filler supply unit when the position and posture of the swivel unit included in the welding head side posture angle data are fixed, and the position and posture are calculated by the filler supply unit. A filler supply unit side posture angle data generating unit that generates side posture angle data;
A welding apparatus main body that controls the swivel unit and the welding head unit side drive unit based on the welding head unit side posture angle data and controls the filler supply unit side drive unit based on the filler supply unit side posture angle data. A control unit;
The welding apparatus according to claim 3, further comprising:
前記旋回部の位置および姿勢を含めて前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成するフィラー供給部側姿勢角度データ生成部と、
前記フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部と、
前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記フィラー供給部側駆動部を制御し、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記溶接ヘッド部側駆動部を制御する溶接装置本体制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項3に記載の溶接装置。 The controller is
A filler supply unit side attitude angle that calculates a desired position and attitude with respect to the construction point of the filler supply unit including the position and attitude of the swivel unit and generates the position and attitude as the filler supply unit side attitude angle data A data generator;
A desired position and posture with respect to a construction point of the welding head portion when the position and posture of the swivel portion included in the filler supply portion side posture angle data are fixed, and the position and posture are calculated. A welding head side posture angle data generation unit for generating side posture angle data;
A welding apparatus main body that controls the swivel unit and the filler supply unit side drive unit based on the filler supply unit side posture angle data, and controls the welding head unit side drive unit based on the welding head unit side posture angle data. A control unit;
The welding apparatus according to claim 3, further comprising:
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部は、前記フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成し、
前記溶接装置本体制御部は、前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記フィラー供給部側駆動部を制御し、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記溶接ヘッド部側駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項4に記載の溶接装置。 The filler supply unit side posture angle data generation unit calculates a desired position and posture with respect to a construction point of the filler supply unit when the position and posture of the swivel unit included in the welding head side posture angle data are fixed. If not, calculate the desired position and orientation for the construction point of the filler supply unit, including the position and orientation of the swivel unit, and generate the position and orientation as the filler supply unit side attitude angle data,
The welding head side posture angle data generation unit calculates a desired position and posture with respect to the construction point of the welding head unit when the position and posture of the swivel unit included in the filler supply unit side posture angle data are fixed. Then, the position and posture are generated as the welding head side posture angle data,
The welding apparatus main body control unit controls the turning unit and the filler supply unit side drive unit based on the filler supply unit side posture angle data, and the welding head unit side based on the welding head unit side posture angle data Control the drive,
The welding apparatus according to claim 4.
前記フィラー供給部側姿勢角度データ生成部は、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成し、
前記溶接装置本体制御部は、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記溶接ヘッド部側駆動部を制御し、前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記フィラー供給部側駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項5に記載の溶接装置。 The welding head side posture angle data generation unit calculates a desired position and posture with respect to the construction point of the welding head unit when the position and posture of the swivel unit included in the filler supply unit side posture angle data are fixed. If not, calculate the desired position and orientation for the construction point of the welding head portion including the position and orientation of the swivel portion, and generate the position and orientation as the welding head side orientation angle data,
The filler supply unit side posture angle data generation unit calculates a desired position and posture with respect to a construction point of the filler supply unit when the position and posture of the swivel unit included in the welding head side posture angle data are fixed. Then, the position and posture are generated as the filler supply unit side posture angle data,
The welding apparatus main body control unit controls the swivel unit and the welding head unit side drive unit based on the welding head unit side attitude angle data, and based on the filler supply unit side attitude angle data, the filler supply unit side Control the drive,
The welding apparatus according to claim 5.
前記制御部は、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データが生成されたときに、前記対象物の表面形状とレーザ入射角度とに基づいて反射光の光路を算出し、前記溶接ヘッド部および前記フィラー供給部へ反射光が当たることを防ぐように前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を補正する反射光回避データ生成部、
をさらに備えたことを特徴とする請求項4ないし請求項7のいずれか一項に記載の溶接装置。 The welding head is a device that irradiates a laser;
The controller is
When the welding head side posture angle data and the filler supply unit side posture angle data are generated, an optical path of reflected light is calculated based on a surface shape of the object and a laser incident angle, and the welding head unit And a reflected light avoidance data generation unit that corrects the position and orientation represented by the welding head side posture angle data and the filler supply unit side posture angle data so as to prevent the reflected light from hitting the filler supply unit,
The welding apparatus according to claim 4, further comprising:
前記溶接ヘッド部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する工程と、
前記フィラー供給部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する工程と、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記溶接装置本体を制御する工程と、
を具備することを特徴とする溶接方法。 A welding apparatus main body installed on a cylindrical object disposed in a nuclear reactor, and a welding head which is attached to the welding apparatus main body so as to be capable of at least turning and raising and lowering and welding the construction point of the object And a filler supply unit that is attached to the welding apparatus main body so as to be capable of at least turning and raising and lowering, and that supplies a filler wire to the construction point.
Calculating a desired position and orientation of the welding head portion with respect to the construction point, and generating welding head side posture angle data representing the position and orientation;
Calculating a desired position and orientation with respect to the construction point of the filler supply unit, and generating filler supply unit side posture angle data representing the position and orientation;
Controlling the welding apparatus main body based on the welding head side attitude angle data and the filler supply part side attitude angle data;
The welding method characterized by comprising.
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