JP2021058925A - 溶接台車およびこの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接の品質を向上できる溶接台車およびその制御方法を提供する。【解決手段】立設された板状部材２に吸着するための吸着機構５と、前輪８ａおよび後輪８ｂからなり板状部材２と接触して転動する車輪８と、溶接作業に使用する器具を保持する保持具３とを備えた横向姿勢用の溶接台車１において、溶接台車１の進行方向において前方側に設置される前輪８ａと後方側に設置される後輪８ｂとをそれぞれ独立する状態で操舵角を制御して、溶接台車１が走行する走行面の法線方向ｙを中心軸とする溶接台車１の回転を補正するとともに、溶接台車１が走行すべき目標経路に対する位置ずれを補正しつつ溶接台車１を走行させる。【選択図】図１

Description

本発明は、横向姿勢で溶接を行うための溶接台車およびこの制御方法に関するものであり、詳しくは溶接の品質を向上できる溶接台車およびその制御方法に関するものである。

横向姿勢用の溶接台車が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の溶接台車は、鋼板に吸着するための磁石と、開先に接触させることで溶接台車の走行を案内する倣いローラとを備えている。この構成により特許文献１に記載の溶接台車は、レールを設置することなく溶接を行うことが可能であった。

特許文献１に記載の溶接台車は、溶接台車の後方側が自重で下がる問題があった。このとき溶接台車の進行方向が上向きに傾き、前方側の倣いローラに上向きの力が発生して開先から逸脱する不具合があった。また前方側の倣いローラが開先から逸脱しない場合は、下がった後方側の倣いローラが元の高さまで戻ってこれない不具合があった。

つまり目標経路に対して溶接台車の位置が上下方向にずれたり、溶接台車が傾いたりする不具合があった。溶接台車の位置がずれたり傾いたりすると、開先に沿って溶接トーチを精度良く移動させることができないので、溶接品質が不十分となる問題があった。

日本国特開平１１−７７３８０号公報

本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は溶接の品質を向上できる溶接台車およびその制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するための溶接台車は、立設された板状部材に吸着するための吸着機構と、前輪および後輪からなり前記板状部材と接触して転動する車輪と、溶接作業に使用する器具を保持する保持具とを備えた横向姿勢用の溶接台車において、前記前輪および前記後輪をそれぞれ独立する状態で操舵する操舵機構を備えることを特徴とする

上記の目的を達成するための溶接台車の制御方法は、立設された板状部材に吸着させるとともにこの板状部材に沿って溶接台車を走行させつつ横向姿勢の溶接作業を行わせる際の前記溶接台車の制御方法において、前記溶接台車の進行方向において前方側に設置される前輪と後方側に設置される後輪とがそれぞれ独立する状態で操舵を制御されて、前記溶接台車が走行する走行面の法線方向を中心軸とする前記溶接台車の回転を補正するとともに、前記溶接台車が走行すべき目標経路に対する位置ずれを補正しつつ前記溶接台車を走行させることを特徴とする。

本発明によれば、目標経路に対して溶接台車の位置が上下方向にずれたり溶接台車が傾いたりする不具合を抑制できるので、目標経路に沿って溶接台車を精度良く走行させることができる。溶接品質を向上するには有利である。

溶接台車を例示する説明図である。 図１の溶接台車のＡＡ矢視を例示する説明図である。 溶接台車の旋回制御を説明する説明図である。 溶接台車の斜行制御を説明する説明図である。 図１の溶接台車の変形例を例示する説明図である。 図５の溶接台車の変形例を例示する説明図である。 図６の溶接台車のＢＢ矢視を例示する説明図である。 ガウジング施工を説明する説明図である。

以下、溶接台車およびその制御方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。図中では板状部材に平行となる水平方向を矢印ｘ、この水平方向ｘを直角に横断する方向であり板状部材の法線方向を矢印ｙ、上下方向を矢印ｚで示している。

図１に例示するように溶接台車１は、鋼板など立設された板状部材２に張り付いて水平方向ｘに移動しながら、保持具３に固定される溶接トーチ４で溶接を行う横向姿勢用の溶接台車１である。板状部材２は、例えば船舶の側壁など垂直な壁面で構成される。

保持具３は溶接作業に使用する器具を保持する構成を有している。溶接作業に使用する器具とは例えば溶接トーチ４やガウジングトーチを含むものである。保持具３は溶接台車１の下方側に配置されている。溶接作業の際に発生する溶けた金属等が溶接台車１に付着する不具合を抑制するには有利である。

図２に例示するように溶接台車１は、板状部材２に吸着するための吸着機構５を備えている。この実施形態では吸着機構５は永久磁石６を有している。板状部材２に対する永久磁石６の位置を調整する支持部７を吸着機構５が備える構成にしてもよい。永久磁石６を板状部材２に接近または離間させることで溶接台車１が板状部材２に吸着する際の力を調整することができる。

吸着機構５の構成は上記に限らない。溶接台車１を板状部材２に吸着できる構成を有していればよく、例えば電磁石で構成することができる。また溶接台車１と板状部材２との間を密閉するとともに空気を吸引して負圧を発生させる吸引装置で構成することができる。また吸着機構５は、例えば永久磁石と吸引装置など複数を組み合わせて構成してもよい。

溶接台車１は板状部材２と接触して転動する車輪８を備えている。図１に例示するように車輪８は水平方向ｘに間隔をあけて配置される前輪８ａおよび後輪８ｂから構成されている。この実施形態では車輪８は軸方向となる上下方向ｚに比較的長い幅広のローラで構成されている。水平方向ｘに間隔をあけて対置される一つの前輪８ａと一つの後輪８ｂで車輪８が構成されている。図では説明のため車輪８など一部の構成を破線で示している。

車輪８の構成は上記に限らない。軸方向に比較的短い幅狭の車輪を上下方向ｚに多数配置して前輪８ａを構成してもよい。また上下方向ｚに間隔をあけて一対の幅狭の車輪を配置して前輪８ａを構成してもよい。前輪８ａと同様に後輪８ｂを構成してもよい。前輪８ａおよび後輪８ｂの一方を一対の幅狭の車輪で構成して、他方を幅広のローラで構成してもよい。

幅広のローラで車輪８を構成する方が、溶接台車１の自重による上下方向ｚの車輪８の変形を抑制できる。また一対の幅狭の車輪で構成されるときよりも多数の車輪で構成されるときの方が、上下方向ｚの車輪８の変形を抑制しやすくなる。溶接台車１を精度良く走行させるには有利である。

図２に例示するように前輪８ａおよび後輪８ｂには走行モータ９がそれぞれ連結されている。前輪８ａおよび後輪８ｂはそれぞれの走行モータ９から得られる動力で回転する構成を有している。前輪８ａおよび後輪８ｂが一つの走行モータ９から得られる動力で回転する構成にしてもよい。

図１および図２に例示するように溶接台車１は、前輪８ａおよび後輪８ｂをそれぞれ独立する状態で操舵する操舵機構１０を備えている。この実施形態では溶接台車１は、前輪８ａを操舵する操舵機構１０と後輪８ｂを操舵する操舵機構１０とをそれぞれ備えている。操舵機構１０は、車輪８を操舵可能な状態に支持する操舵軸１１を有している。操舵軸１１は板状部材２の法線方向ｙを軸方向とする。この法線方向ｙは溶接台車１の高さ方向ともいえる。車輪８は操舵軸１１を中心に操舵角が変化する。

操舵機構１０は車輪８の操舵角を制御する操舵モータ１２を有している。この実施形態では操舵モータ１２は、リンク部材１３を介して車輪８の車軸に連結されている。操舵モータ１２が車輪８の車軸の一端を水平方向ｘに移動させることで、車輪８の操舵角は制御される。操舵モータ１２が操舵軸１１に連結されて操舵軸１１を回転させる構成にしてもよい。

図１に例示するように溶接台車１により溶接作業を行う際には、まず鋼板等の板状部材２に溶接台車１を吸着させる。このとき保持具３に保持される溶接トーチ４の先端を板状部材２の開先１４に合わせる。溶接台車１を水平方向ｘに走行させつつ、溶接トーチ４で溶接を行う。

図３に例示するように溶接台車１の後端側が自重で下がることがある。溶接台車１の進行方向が上方に傾いているので、この状態を放置すると溶接台車１は上方に向かって開先１４から離れる方向に走行してしまう。本発明では例えば前輪８ａを右方に操舵角を増加させるとともに、後輪８ｂを左方に操舵角を増加させる。具体的には例えば前輪８ａの操舵角を＋１０度、後輪８ｂの操舵角を−１０度とする。ここで車輪８が右方に操舵される場合の操舵角をプラスとして左方に操舵される場合の操舵角をマイナスで示している。

溶接台車１が全体として時計回りに旋回する（以下、旋回制御ということがある）。溶接台車１の進行方向が開先１４と平行となる時点で旋回制御を終了する。旋回制御の終了後に前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角はいずれも±０度となる。溶接台車１の傾きは水平となるので開先１４に沿って走行可能な状態となる。

本明細書において溶接台車１の進行方向とは、前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角がいずれも±０度としたときに溶接台車１が進む方向をいう。本明細書において溶接台車１の傾きとは、溶接台車１が走行する走行面の法線方向ｙを中心軸として溶接台車１が回転する回転角度をいう。溶接台車１が傾く状態とは、溶接台車１の後方側に対する前方側が上がったり下がったりしている状態をいう。図３では説明のため溶接台車１の進行方向を白抜き矢印で示して、溶接台車１の旋回方向を矢印で示している。

図４に例示するように溶接台車１が開先１４から離れた位置を走行することがある。このような場合は前輪８ａおよび後輪８ｂのいずれも右方に操舵角を同量増加させる。具体的には例えば前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角をいずれも＋１０度とする。前輪８ａと後輪８ｂとが同一方向に操舵されて同一の操舵角となる。

溶接台車１が傾きを変化させることなく下方の開先１４に向かって走行する（以下、斜行制御ということがある）。溶接トーチ４の先端が開先１４の位置と合った時点で斜行制御を終了する。斜行制御の終了後に前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角はいずれも±０度となる。図４では説明のため溶接台車１の進行方向を白抜き矢印で示して、溶接台車１の斜行方向を矢印で示している。

前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角の制御は、例えば作業者が操作するコントローラからの信号に基づき行うことができる。このときコントローラからの信号によりそれぞれの操舵機構１０が前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角を制御する。

操舵角の制御が、溶接台車１の外部に設置される制御装置により実行される構成にしてもよい。制御装置は例えば板状部材２に対向配置されて溶接台車１の傾きや位置を取得するカメラと、カメラで取得される溶接台車１の傾き等に基づき操舵機構１０に制御信号を送るコントローラを備える。

旋回制御により溶接台車１の傾きを制御することができる。溶接台車１の傾きは、溶接台車１の進行方向と開先１４の延在方向とが平行となる状態に維持されることが望ましい。開先１４が水平に延在しているときは、溶接台車１の後方側に対して前方側が上下方向ｚにおいて同じ高さとなる状態に傾きを制御する。溶接台車１の傾きを制御することで、溶接台車１に対する溶接トーチ４の位置が一定となる。開先１４に沿って溶接トーチ４を正確に移動させるには有利である。

斜行制御により溶接台車１を目標経路に沿って走行させることができる。目標経路とは、溶接台車１が走行すべき理想の経路であり、通常開先１４と平行に形成される。図３および図４では説明のため、溶接台車１の中心Ｐが通るべき目標経路を一点鎖線で示している。

斜行制御では溶接台車１を傾けずに目標経路に向けて移動させることができるので、溶接トーチ４の位置が不意に変化することを抑制できる。目標経路に戻ったときには溶接台車１の傾きが発生していないので、溶接トーチ４は正しい位置となる。

前輪８ａおよび後輪８ｂのいずれも操舵可能であるため、溶接台車１は前進および後進のいずれも同様に行うことができる。開先１４に対して複数回溶接を行う必要がある場合であっても、溶接台車１を往復移動させて複数パスの溶接を行うことができる。溶接台車１の向きを変えたり板状部材２に設置し直したりする作業等が不要となるため、溶接作業を効率よく行うことができる。

溶接台車１を精度良く開先１４に沿って走行させることができる。また溶接台車１の傾きを制御できるので溶接トーチ４の位置を安定させることができる。溶接台車１による溶接の品質を向上するには有利である。

図５に例示するように溶接台車１が操舵機構１０を制御する制御機構１５を備える構成にしてもよい。溶接台車１は旋回制御と斜行制御とを制御機構１５からの信号に基づき行うことができる。例えば作業者が操作するコントローラから旋回制御および斜行制御を行う旨の信号が制御機構１５に送られた場合、制御機構１５が操舵機構１０を介して前輪８ａおよび後輪８ｂの操舵角を制御する。例えば操舵モータ１２が制御機構１５に信号線で接続されていて、制御機構１５からの信号に基づき車輪８の操舵角を制御する構成とすることができる。

図５に例示するように溶接台車１が、溶接台車１の傾きを検出する傾き検出機構１６を備える構成にしてもよい。傾き検出機構１６は制御機構１５と信号線で接続される。信号線は有線でも無線でもよい。

傾き検出機構１６は、例えば板状部材２の法線方向ｙを中心軸とする溶接台車１の回転角度θを検出する角度センサで構成できる。角度センサは水平方向ｘと溶接台車１の進行方向とがなす角θを取得する構成を有している。溶接台車１の進行方向が水平方向ｘよりも上向きに傾いているときに回転角度θがプラスとなり、下向きに傾いているときに回転角度θがマイナスとなる。

傾き検出機構１６の構成は上記に限らない。溶接台車１の進行方向を検出できる構成であればよい。傾き検出機構１６は例えば溶接台車１の後方側と前方側との上下方向ｚにおける相対位置を取得するセンサで構成してもよい。

傾き検出機構１６から得られる値に基づき、制御機構１５が旋回制御を行う構成とすることができる。溶接台車１の進行方向が上向きに傾いているときは、前輪８ａの操舵角が例えば＋５度、後輪８ｂの操舵角が例えば−５度となる状態に制御機構１５が操舵機構１０を制御する。前輪８ａは右方に操舵され後輪８ｂは左方に操舵される。前輪８ａを＋５度として後輪８ｂを＋３度としても旋回制御は行われる。前輪８ａと後輪８ｂとの操舵角が異なる角度であれば旋回制御を行うことができる。

溶接台車１の進行方向が下向きに傾いているときは、前輪８ａの操舵角が例えば−１０度として、後輪８ｂの操舵角が例えば＋１０度となる状態に制御機構１５が操舵機構１０を制御する。溶接台車１の傾きの大きさに応じて、制御機構１５が操舵角の大きさを変更する構成にしてもよい。例えば溶接台車１の傾きが大きいほど旋回制御の際の操舵角を大きくすることができる。

傾き検出機構１６で得られる値に基づいて制御機構１５により自動的に溶接台車１の傾きが制御される。溶接台車１の傾きが自動的に補正されるので、溶接台車１の傾きを望ましい状態に維持するには有利である。例えば溶接台車１の進行方向が水平方向ｘと平行となる状態を維持できる。

溶接台車１の傾きを望ましい状態に維持できるので、溶接トーチ４の位置が、開先１４からずれる等の不具合が発生しない。溶接台車１による溶接の品質を向上するには有利である。

傾き検出機構１６から逐次値を取得して制御機構１５が旋回制御を逐次行う構成とすることが望ましい。溶接台車１に傾きが発生すると直ちにこの傾きが補正されるので、溶接台車１の傾きを望ましい状態に維持しやすくなる。

図６および図７に例示するように溶接台車１が、目標経路を検出する位置検出機構１７を備える構成にしてもよい。位置検出機構１７は制御機構１５と信号線で接続される。信号線は有線でも無線でもよい。

位置検出機構１７は、例えば開先１４と平行となる状態で板状部材２に付された墨出し線１８を検出する画像センサで構成できる。画像センサは検出範囲における墨出し線１８の位置を取得する構成を有している。

位置検出機構１７の構成は上記に限らない。目標経路に対する溶接台車１の上方または下方への位置ずれを検出できる構成であればよい。位置検出機構１７は例えば開先１４を検出する画像センサや、開先１４にレーザ光を照射して開先１４を検出するレーザセンサで構成してもよい。

位置検出機構１７から得られる値に基づき、制御機構１５が斜行制御を行う構成にすることができる。具体的には画像センサの検出範囲の例えば中心に墨出し線１８が位置する状態を維持する制御を行う。墨出し線１８の位置が上方または下方にずれたとき、即ち溶接台車１が目標経路から上方または下方にずれたとき、制御機構１５は斜行制御により溶接台車１を目標経路に戻すことができる。

位置検出機構１７で得られる値に基づいて制御機構１５により自動的に溶接台車１の位置が制御される。目標経路に対する溶接台車１の位置ずれが自動的に補正されるので、溶接台車１を目標経路に沿って精度よく走行させることができる。溶接台車１による溶接の品質を向上するには有利である。

位置検出機構１７から逐次値を取得して制御機構１５が斜行制御を逐次行う構成とすることが望ましい。溶接台車１が目標経路から大きく離れる前にその位置を補正できるので、溶接トーチ４が開先１４から外れる不具合の発生を抑制できる。

制御機構１５および傾き検出機構１６および位置検出機構１７は本発明の必須要件ではない。傾き検出機構１６または位置検出機構１７を溶接台車１が備える場合は制御機構１５と組み合わせて利用される。傾き検出機構１６および位置検出機構１７の両方を溶接台車１が備える構成にしてもよい。このとき溶接台車１は自動的に旋回制御および斜行制御を行うので、溶接トーチ４が開先１４から外れる不具合の発生を防止できる。

溶接台車１の傾きおよび位置ずれのいずれも発生した場合、まず傾きが解消されるまで旋回制御を優先して行い、その間の斜行制御を禁止する構成とすることができる。溶接台車１の傾きが補正された後に、斜行制御が行われるので斜行の角度を比較的大きくできる。目標経路に戻る時間を短縮するには有利である。

旋回制御と斜行制御とを同時に行う構成としてもよい。例えば旋回制御のために前輪８ａを＋１０度、後輪８ｂを−１０度の操舵角として、斜行制御のために前輪８ａおよび後輪８ｂを＋１０度の操舵角としたい場合、これを合成して前輪８ａを＋２０度、後輪８ｂを±０度とする制御を行ってもよい。

目標経路が水平方向ｘと平行である場合を前提として説明したが、これに限定されない。目標経路が上方または下方に傾いていてもよい。予め目標経路の各位置における傾きの上方が与えられた場合は、目標経路が曲線であってもよい。板状部材２が曲面を有していてこの曲面に沿って目標経路が形成されていてもよい。このとき溶接台車１の傾きは、目標経路と平行となる状態が望ましい状態である。溶接台車１の進行方向が目標経路と平行となる状態に傾きが補正される。目標経路が曲線のときは目標経路の各位置における傾きと溶接台車１の進行方向とが平行となる状態に、溶接台車１の傾きが補正される。

図７に例示するように保持具３または位置検出機構１７の少なくとも一方の位置を上下方向ｚに調整する調整部１９を溶接台車１が備える構成にしてもよい。この構成により溶接台車１を板状部材２に吸着させる際の位置合わせの精度を向上できる。

溶接台車１で溶接を行う際には、まず開先１４と平行となる状態で墨出し線１８を板状部材２に付す。開先１４と墨出し線１８との間となる位置に溶接台車１を配置して板状部材２に吸着させる。調整部１９ａを利用して保持具３に設置される溶接トーチ４の先端を開先１４の近傍となる位置に移動させる。調整部１９ｂを利用して位置検出機構１７を墨出し線１８の近傍となる位置に移動させる。その後、溶接台車１による溶接を開始する。

調整部１９ａ、１９ｂのいずれか一方のみを溶接台車１が備える場合は、保持具３または位置検出機構１７のうち、調整部１９を備えていない側の位置合わせをしつつ溶接台車１を板状部材２に吸着させる。その後、調整部１９を備えている側の位置合わせを調整部１９により行う。

図７に例示するように開先１４に対して複数回の溶接が必要であり、２回目以降の溶接を従来の溶接台車で行うとき、開先１４に倣いローラ等が入らないことがある。３パス目は倣いローラ等が開先１４に入り難い状態となる。このような場合であっても、溶接台車１が墨出し線１８を検出する位置検出機構１７を備えていれば、目標経路に沿って精度良く溶接台車１を走行させることができる。つまり３パス目の溶接も溶接台車１で行うことができる。

位置検出機構１７が画像センサで構成される場合、この画像センサに遮光カーテン２０を設置する構成にしてもよい。遮光カーテン２０は画像センサと溶接トーチ４との間となる位置に設置される。遮光カーテン２０の設置により溶接等の光の影響を画像センサが受け難くなる。溶接台車１を更に精度良く目標経路に沿って走行させるには有利である。

溶接トーチ４と車輪８との間に設置されるカバー２１を溶接台車１が備える構成にしてもよい。溶接作業により発生した溶けた金属等が車輪８に付着する不具合を抑制するには有利である。

図８に例示するように開先１４に沿って複数回の溶接を行なった後にその裏側からの更に溶接を行う場合、下処理としてガウジング施工を行うことがある。本明細書においてガウジング施工とは、開先１４の裏側の金属を削り落とすとともに溝２２を形成する作業であり、溶接作業の一種をいう。位置検出機構１７が画像センサで構成されていて、墨出し線１８を利用して走行する溶接台車１の場合、このガウジング施工を溶接台車１により自動で行うことができる。このとき保持具３にはガウジングトーチが設置される。

溶接台車１は、墨出し線１８に沿って走行しながらガウジング施工を行い、その後溶接をしながら元の位置に戻ることができる。溶接台車１が複数の保持具３を有していて、ガウジングと溶接とを同時に行う構成にしてもよい。

１ 溶接台車
２ 板状部材
３ 保持具
４ 溶接トーチ
５ 吸着機構
６ 永久磁石
７ 支持部
８ 車輪
８ａ 前輪
８ｂ 後輪
９ 走行モータ
１０ 操舵機構
１１ 操舵軸
１２ 操舵モータ
１３ リンク部材
１４ 開先
１５ 制御機構
１６ 傾き検出機構
１７ 位置検出機構
１８ 墨出し線
１９、１９ａ、１９ｂ 調整部
２０ 遮光カーテン
２１ カバー
２２ 溝
ｘ 水平方向
ｙ （板状部材の）法線方向
ｚ 上下方向
Ｐ （溶接台車の）中心
θ 回転角度

Claims (5)

1. 立設された板状部材に吸着するための吸着機構と、前輪および後輪からなり前記板状部材と接触して転動する車輪と、溶接作業に使用する器具を保持する保持具とを備えた横向姿勢用の溶接台車において、
   前記前輪および前記後輪をそれぞれ独立する状態で操舵する操舵機構を備えることを特徴とする溶接台車。
2. 前記操舵機構を制御する制御機構を備えていて、
   前記前輪および前記後輪を同一方向でありかつ同一の操舵角となる状態に操舵する斜行制御と、前記前輪および前記後輪を異なる操舵角となる状態に操舵する旋回制御とを実行する構成を前記制御機構が有する請求項１に記載の溶接台車。
3. 前記溶接台車が走行する走行面の法線方向を中心軸として前記溶接台車が回転する回転角度を傾きとして検出する傾き検出機構を備えていて、この傾き検出機構から得られる値に基づき旋回制御を行う構成を前記制御機構が備える請求項２に記載の溶接台車。
4. 前記溶接台車が走行すべき目標経路に対する前記溶接台車の位置を検出する位置検出機構を備えていて、この位置検出機構から得られる値に基づき斜行制御を行う構成を前記制御機構が備える請求項２または３に記載の溶接台車。
5. 立設された板状部材に吸着させるとともにこの板状部材に沿って溶接台車を走行させつつ横向姿勢の溶接作業を行わせる際の前記溶接台車の制御方法において、
   前記溶接台車の進行方向において前方側に設置される前輪と後方側に設置される後輪とがそれぞれ独立する状態で操舵角を制御されて、前記溶接台車が走行する走行面の法線方向を中心軸とする前記溶接台車の回転を補正するとともに、前記溶接台車が走行すべき目標経路に対する位置ずれを補正しつつ前記溶接台車を走行させることを特徴とする制御方法。

Images