JP2761752B2 - レーザビーム・アラインメント方法及び装置 - Google Patents

レーザビーム・アラインメント方法及び装置

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JP2761752B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本願は1987年９月15日付Kasner他の米国特許第4,694,
136号及びHawkins他の米国特許第4,694,137号の関連出
願である。
本発明はレーザ溶接装置、特に原子炉用蒸気発生器の
細管内にスリーブを溶接する溶接装置に使用するレーザ
ビームアラインメント方法及び装置に係わる。
管形熱交換器や原子炉用蒸気発生器の細管の欠陥部分
を修理するため管内にスリーブを溶接する種々のレーザ
溶接方法が上記関連特許に記載されている。しかし、原
子炉用蒸気発生器のチャンネルまたはヘッダー内にこの
ような溶接装置を物理的に取り付けることには困難が伴
なう。高出力レーザをターゲットまたは溶接部位とアラ
インメントさせることにも困難が伴なう。
第１図は上記関連特許のそれぞれに開示されている公
知レーザビーム・アラインメント装置を示す。ここでは
Hawkins他の特許第4,694,137号に基づいて公知システム
を考察するが、Kasner他の特許も同様のシステムを開示
している。
第１図に示すビーム搬送システム10はレーザビーム・
トランスミッタ、例えば、ビーム・トランスミッタ14の
高出力レーザ12から物理的には接続していない遠隔のレ
ーザビーム・レシーバ、例えば、ビーム・レシーバ16へ
ビームを送る。ビーム搬送システム10と連携する装置を
利用してシステム構成成分をアラインメントさせること
によりビームを最適光路に沿って進行させる。レーザを
正しくアラインメントさせれば、高出力ビームがビーム
搬送システム10または蒸気発生器18の構成成分に衝突す
ることがなく、このような衝突に起因する損傷を防止す
ることができる。ビーム搬送システムの初期アラインメ
ントには低出力ビーム検出器22及びいくつかのビデオカ
メラ24またはその他の視覚的モニター装置と共に可視光
線源として低出力HeNeレーザ20を利用する。
トランスミッタ14とレシーバ16をアラインメントさせ
たら、例えばHawkins他の特許に開示されているよう
に、適当な検出器を利用して高出力レーザ12を搬送シス
テムとアラインメントさせ、次いで出力レーザ12を作動
させ、レーザビーム・トランスミッタ14に向け、該トラ
ンスミッタから遠隔のレーザビーム・レシーバ16へビー
ムを送る。高出力ビームの直径をレンズ系26によって縮
小し、再びコリメートして溶接ヘッド28に当てる。ビー
ムは蒸気発生器18の細管32内のスリーブ30に当てられ
る。溶接作業中、溶接ヘッド28を回転させることにより
スリーブ30と細管32の間に漏れ防止シールを形成する。
Hawkins他の特許に開示された構成では、システムを
正しく作用させる前に高出力レーザ12、レーザ・トラン
スミッタ14及びレーザ・レシーバ16をそれぞれの位置に
据え付け、かつアラインメントさせねばならない。据え
付けとアラインメントは原子炉用蒸気発生器18の周辺装
置が接近を妨げるためしばしば困難を伴なう。また、場
所によって蒸気発生器が一様でないことが多く、蒸気発
生器のタイプに応じて据え付け及びアラインメントの手
順を変えねばならないことが多い。
個々の蒸気発生器に伴なう問題点のほかに、高出力レ
ーザ12をスリーブ30の溶接部位とアラインメントさせる
ことも容易ではない。高出力レーザ12は修理すべき細管
32から約10フィートあるいはそれ以上のところにある。
Hawkins他の特許及びその他の関連出願から明らかな
ように、トランスミッタ14及びレシーバ16はビーム偏向
ミラー36が装着されている可動リスト42を有する。リス
ト42はHawkins他の特許に詳しく記載されているように
モータ及び歯車機構46、48によって任意の位置へ駆動さ
れる。リストの正確な方向制御及び位置ぎめは歯車に固
有の低精度によって妨げられる。歯車48に関連するバッ
クラッシュを数学的に計算し、経験に照らしてこれを補
正することによりリスト42を比較的正確に方向制御する
ことができる。モータ46としては例えば１セコンドの回
転に多数のステップを要するステップモータを使用する
ことができる。しかし、レーザのアラインメントは正確
でなければならないから、歯車の潤滑も考慮しなければ
ならない。例えば、１つまたは２つ以上の、モータが反
転すると、各歯車48の潤滑油が歯車の歯が接触する前に
接触し、従って、リストは歯車48の反転に正確にかつ即
座に応答しない。歯車48が互いにしっかりと接触するよ
うに潤滑油が充分に排除されれば、リスト42の動作をモ
ータ46の動作によって比較的正確に制御できる。以下の
説明中において“ソフト・バックラッシュ”という場
合、歯車の応答を予測できるように２つの歯車の間の潤
滑油を排除するのに必要な歯車移動範囲を意味する。ま
た、“ハード・コンタクト”という語は歯車の歯が互い
にしっかりと接触した状態を意味する。ソフト・バック
ラッシュから“ハード・コンタクト”状態へ移動するの
に必要な移動量を計算し記録して実際のアラインメント
プロセスに際してこの値を利用する。ただし、ソフト・
バックラッシュはモータによって起動される動作のタイ
プに応じて異なる。もし特定のモータ／歯車セット46、
48を頻繁に、または特定のタイム・インターバルで比較
的長期間作動させると、ソフト・バックラッシュは同じ
モータ／歯車46、48を短いタイム・インターバルで一度
作動させる場合とは異なる。モータ／歯車セット46、48
が近い過去に使用されたかどうか、即ち、数分前に使用
されかどうかによっても異なる。従って、ソフト・バッ
クラッシュはばらつきを生じ易く、レーザビームの正確
なアラインメントを極めて困難にする。
経験に照らして、モータ46及び歯車48の動作に伴な
い、このモータ及び歯車と連携するリスト42に曲げモー
メントまたはたわみが発生する。リスト42のたわみは高
出力レーザ12のアラインメントをより複雑に、かつより
困難にする。
広義において、本発明は高出力レーザが溶接部位に供
給すべきレーザビームを発するレーザビーム・アライン
メント装置に係わる。トランスミッタが光学的にレーザ
と作動的に結合し、空間的に離れたレシーバにむかって
レーザビームを送る。トランスミッタと光学的に結合さ
れたレシーバはレーザビームを受ける入力及び溶接部位
にレーザビームを供給する機構を有する。方向制御可能
な、直交平面で作用する１対のビーム偏向手段を利用す
ることにより、トランスミッタ出力とレシーバ入力をア
ラインメントさせる。トランスミッタ入力に設けた１対
のかじ取り用デフレクタによりトランスミッタの方向制
御自在なビーム偏向手段にむかってレーザビームを送
る。レーザは溶接部位に対して種々の向きで選択的に取
り付けられる。トランスミッタの向きはレーザの向きに
対応する向きに選択的に調整される。レシーバの入力を
トランスミッタの出力とアラインメントさせるため方向
制御可能なビームデフレクタを駆動するための駆動装置
が、トランスミッタ及びレシーバの方向制御可能なビー
ムデフレクタのそれぞれのために設けられている。トラ
ンスミッタ及びレシーバの方向制御可能なビームデフレ
クタの駆動装置と作動的に結合し、比較的許容度が大き
い所定の初期位置から許容度が小さい所定のアラインメ
ント位置に来るようトランスミッタ及びレシーバのアラ
インメントを制御し、初期位置からアラインメント位置
へ一方向に各駆動装置を作動させる出力を供給するコン
トローラが設けられている。
また、本発明の要旨は、高出力レーザからのレーザビ
ームを溶接部位に供給するためのレーザビーム・アライ
ンメント装置であって、レーザと光学的に結合し、レー
ザビームを受ける入力及び空間的に離れた位置を占める
レシーバにむかってレーザビームを送出する出力を有す
るトランスミッタ、及びトランスミッタと光学的に結合
し、送出されたレーザビームを受ける入力及び溶接部位
にレーザビームを供給する供給機構を有する前記レシー
バと、トランスミッタ及びレシーバにそれぞれ１対ずつ
設け、各対を直交平面内で作用させることによりトラン
スミッタの出力とレシーバの入力をアラインメントさせ
る少なくとも２対の方向制御可能なビームデフレクタ
と、トランスミッタの方向制御可能なビームデフレクタ
にむかってレーザビームを当てるためトランスミッタの
入力に設けた１対のかじ取り用デフレクタと、溶接部位
に対して任意の向きにレーザを取り付けるための支持手
段と、トランスミッタの向きをレーザの向きに対応する
向きに随意調整するためトランスミッタに設けた調節機
構とを有し、溶接部位は、蒸気発生器内にあり、レーザ
は、蒸気発生器の開口マンウェイに配置され、レーザを
任意の向きに取り付けるための支持手段は、マンウェイ
の任意の孔に配置でき、ビームの軸に沿って該マンウェ
イ内にトランスミッタ及びレーザを固定するブラケット
であることを特徴とするレーザビーム・アラインメント
装置にある。
本発明はレーザ・トランスミッタをレーザ・レシーバ
とアラインメントさせる方法にも係わる。トランスミッ
タ及びレシーバはいずれもアラインメントを指示する点
でアラインメントレーザビームを受ける検出器を有す
る。トランスミッタ及びレシーバは共に対応の偏向手段
を位置ぎめするためのステップ駆動手段をも含み、この
駆動手段は逆方向の回転である固有のバックラッシュを
有する。アラインメントレーザはレシーバ及びトランス
ミッタのそれぞれ対応の検出器におけるスタート・ブロ
ックでアラインメントされる。トランスミッタ駆動装置
及びレシーバ駆動装置はそれぞれ一方向のバックラッシ
ュをゼロにするのに充分な量だけスタート・ブロック及
びアラインメント位置から駆動される。次いで各駆動装
置を反転させ、単一方向に向けることによってアライン
メントレーザビームを再びスタート・ブロックとアライ
ンメントさせてから、駆動装置を一方向にだけ回転させ
ながら逐次ステップを重ねてアラインメント位置に戻
す。
本発明の装置は下端にマンウェイ52を有し、管板54及
びこれに形成された孔に挿通された細管56をも含むヘッ
ダーの断片的な部分として第２図に略示した原子炉用蒸
気発生器50の修理を目的とする。図面には細管56を１本
だけ示してある。蒸気発生器細管の修理に際しては、細
管56のスリーブ58を挿入する。本発明では、溶接部位60
において円形または円周方向の溶接部を形成することに
より、スリーブ58を細管56に溶接する。
本発明のレーザ溶接装置70は高出力レーザ72、レーザ
ビーム・トランスミッタ74、レーザビーム・レシーバ76
及び溶接ヘッド78を含む。本発明では、レーザ72は出力
約1000ワットのCO2レーザである。作動すると、高出力
レーザ72は高出力ビーム80を発し、これがトランスミッ
タ74を介してレシーバ76に送られ、さらに溶接ヘッド78
によって溶接部位60に向けられる。
トランスミッタは１対のかじ取り可能なデフレクタ又
はミラー82、84を含む。ミラー82、84を動かすことによ
ってビーム80の位置または方向を調節できる。トランス
ミッタ74はまたレーザビーム80の光路中に第１偏向ミラ
ー86をも含む。図示のようにレーザビームの光路中には
第２偏向ミラー88、第３偏向ミラー90及び第４偏向ミラ
ー92も配置されている。第３偏向ミラー90は（図示しな
い）マウント上で方向制御または調整自在である。第３
偏向ミラー90はまた第２図に垂直軸として示した軸94を
中心に回転自在である。第４偏向ミラー92は第３偏向ミ
ラー90と共に軸94を中心に回転自在であり、第２図に水
平に示した軸96を中心に回転することもできる。レーザ
ビーム80は図示のようにトランスミッタ74の出力98を出
る。ビーム80は出力98から上向きにレシーバ76にむかっ
て進む。
トランスミッタ74及びレシーバ76が正しくアラインメ
ントした状態で、レーザビーム80は第５、第６及び第７
偏向ミラー100、102、104にむかって進み、これらによ
って偏向させられる。偏向ミラー104はビーム80を偏向
させて縮小レンズ106及び凹レンズ108を含むレンズ系を
通過させ、２つの下方偏向ミラー110、111集束レンズ11
4及び１つの上方偏向ミラー112を含む溶接ヘッド78にむ
かって進行させる。上方偏向ミラー112はビーム80を溶
接部位60に向ける。第５偏向ミラー100は第２図に水平
線で示した軸116を中心に回転自在である。第６偏向ミ
ラー102は（第５偏向ミラー100と共に）垂直軸118を中
心に回転自在である。従って、ミラー90、92、100、102
をそれぞれの回転軸94、96、116、118を中心に操作する
ことによってトランスミッタ74をレシーバ76とアライン
メントさせることができる。トランスミッタ74とレシー
バ76のアラインメントを容易にするため、低出力可視He
Neレーザ120を利用する。HeNeレーザ120は（図示しな
い）トランスミッタ筐体に取り付けられている。HeNeレ
ーザ120は可視アラインメントビーム122を発する。HeNe
レーザ120はトランスミッタ74の出力98においてアライ
ンメントビーム122が高出力ビーム80と一線になるよう
に構成されている。HeNeレーザは下記のようにして高出
力ビーム80とアラインメントさせる。図示のように第２
偏向ミラー88の近傍に比較的小さい方向制御ミラー12
4、126を設け、HeNeレーザ120を第１の方向制御ミラー1
24に当てることによってビーム122を第２の方向制御ミ
ラー126に向け、さらに特殊反射面128に当てると、該反
射面128がHeNeレーザ122を高出力ビーム80と結合する。
特殊反射面128は図示のように高出力ビーム80の光路中
に直接配置され、高出力ビームに対して約99％透明なセ
レン化亜鉛ビーム結合器117の透明窓である。結合器127
の特殊反射面128はHeNeレーザ122を約50％反射する。従
って、HeNeレーザ122は結合器127の下流側129から高出
力ビーム80と同じ方向に向けられ、その結果２つのビー
ムが結合され、出力98へのトランスミッタ74の残り部分
を通して同一線となる。結合器127は第2A図に示すよう
に楔形を呈する。上流側131及び下流側129は平行ではな
いから、結合器127の第２面131または下流側からのHeNe
レーザ反射分は主要レーザビーム光路80−122からそれ
る。
アラインメントビーム122を利用することにより、レ
シーバ76の位置を定め、上述のように溶接を行なうため
に高出力ビーム80がこのレシーバに当たるようにする。
上述のようなHeNeレーザ120の構成は極めて好都合であ
る。なぜなら、レーザ120を取り付けてあらかじめトラ
ンスミッタ74の光学系とアラインメントさせてあるか
ら、HeNeレーザ120と高出力レーザ72のアラインメント
は簡単であり、有効に達成させるからである。
本発明では、高出力レーザビーム80及び低出力レーザ
ビーム122を検出する手段を設ける。トランスミッタ74
にはトランスミッタ74の出力98において高出力ビーム80
の一部を高出力検出器130に向けることにより、高出力
ビーム80がトランスミッタの出力98に正しくアラインメ
ントしているかどうかを判定する。高出力ビーム80の正
しいアラインメントを確実に行なうため、レシーバ76に
も高出力検出器132を設ける。
トランスミッタ74の出力98に近い低出力ビーム122の
光路に後退自在に低出力検出器またはレシーバ検出器13
4を設ける。レシーバ検出器134の目的は後述する。レシ
ーバ76の入力138に近い低出力ビーム122の光路に低出力
またはトランスミッタ検出器136を後退自在に設ける。
トランスミッタ74におけるレシーバ検出器134はトラン
スミッタ74に対するレシーバ76の位置を検出する。レシ
ーバ76におけるトランスミッタ検出器136はレシーバ76
に対するトランスミッタ74の位置を検出する。
第３図はトランスミッタ検出器136及びレシーバ検出
器134の動作原理を略示する。レシーバ検出器134はトラ
ンスミッタ74の出力98の近くに取り付けられ、トランス
ミッタ検出器136はレシーバ76の入力138の近くに取り付
ける。低出力ビーム122は第３図に示すようにレシーバ7
6にむかって送られる。低出力ビーム122は半透明ミラー
140を含むレシーバ検出器134を通過する。ミラー140は
低出力ビーム122の一部がトランスミッタ74とレシーバ7
6の間のギャップを通過するのを可能にする。トランス
ミッタ検出器136は反射ビーム144として入射する低出力
ビーム122の一部を反射させる半透明または部分反射窓1
42を有する。反射ビーム144は半透明窓またはミラー140
に衝突し、低出力ビーム146としてレシーバ光検知器148
にむかって偏向させられる。レシーバ光検知器148はト
ランスミッタ74とレシーバ76のアラインメントを特徴づ
ける出力信号を発する。部分反射窓142が入射低出力ビ
ーム122に対して直交位置にあり、トランスミッタ74と
レシーバ76がアラインメント関係にあることを示唆する
と、レシーバ光検知器148が該当の信号を発する。
部分反射窓142は低出力ビーム122の一部を通過させ、
トランスミッタ光検出器150に入射させ、該検出器150は
レシーバ76に対するトランスミッタ74の位置を表わす低
出力ビームに応答応答して信号を出力する。トランスミ
ッタ74がレシーバ76と正しくアラインメントすると、ト
ランスミッタ光検出器150が該当の信号を出力する。レ
シーバ光検出器148の前面149を図示のように傾斜させる
ことにより、さもなければ第３図に示すシステムの光路
へ反射するおそれのある光151を散乱させる。同様に、
トランスミッタ光検出器150の前面153も傾斜させて光15
5を散乱させる。
以上に略説したトランスミッタ74をレシーバ76とアラ
インメントさせるプロセスは反復的であり、一度では達
成されない。ただし、このプロセスにより高い精度が得
られる。アラインメントプロセスの精度及び速度を高め
るため、中央処理ユニット（CPU）158を設ける。CPUは
検出器148、150のそれぞれから出力を受信し、以下に述
べるように情報を処理する。CPUの出力はトランスミッ
タ74の出力98をレシーバ76の入力138とアラインメント
させるためビーム偏向ミラー90、92、100、102の位置を
制御する（第２図）。
第4A図に示すように、ボルト・サークル162（図面で
はボルト孔を１個だけ示す）を有する蒸気発生器50のマ
ンウェイ・フランジ160に高出力レーザ72を取り付け
る。（図面には１本だけ示す）３本のボルト166を介し
てブラケット164がマンウェイ・フランジ160にレーザ72
を固定する。ブラケット164及びボルト166の位置を変え
るだけでマンウェイ52の中心線168を中心にレーザ72を
任意の向きに位置ぎめすることができる。即ち、レーザ
は邪魔にならない好都合な場所に配置できる。図示のよ
うに、レーザ支持ブラケット164にミラー・ボックス支
持ブラケット170を取り付ける。ミラー・ボックス172は
後退自在な係合カプラー174によって支持されるブラケ
ット170に結合される。ブラケット170、ミラー・ボック
ス入口173及び後退自在のカプラー174は高出力レーザビ
ーム80がミラー・ボックス172に入射するのを可能にす
るアラインメント孔176を有する。ミラー・ボックス172
の出口180は適当な孔182及びボルト・サークル185を有
する。ミラー・チェンバー184はミラー・ボックス172の
出口180と整列する内側チェンバー186を有する。ミラー
・チェンバー184もミラー・ボックスのボルト孔185と一
致するボルト・サークル187を有し、このボルト・サー
クルの目的については後述する。図示しないが、ミラー
・チェンバー184に形成した孔が低出力レーザビーム122
の入口として作用する。ミラー・チェンバー184は第１
及び第２ミラー86、88及び小さい方向制御用ミラー12
4、126を取り付けるマウントを具備する。特殊なレフレ
クターまたは結合器127を図示のようにミラー筐体184の
光路80中に配置して特殊レフレクター128の下流面129に
おいて低出力ビーム122を高出力ビーム80とアラインメ
ントさせる（詳細は第2A図）。
図示のように、ミラー・チェンバー184の出口187に第
１リスト装置188を配置する。この第１リスト装置188は
軸94を中心に回転自在である。初期アラインメントのた
め、第１リスト188に調節自在に第３ミラー90を取り付
ける。第１リスト装置188の出口189には第２リスト装置
190が結合され、軸96を中心に回転自在である。検出器
筐体192は高出力検出器130及びレシーバ検出器134を支
持する。高出力ビーム80の光路中に高出力検出器を後退
自在に位置させるため、この高出力検出器にアクチュエ
ーター194を結合する。また、低出力ビーム122の光路中
にレシーバ検出器134を後退自在に位置させるため、こ
のレシーバ検出器134にアクチュエーター196を結合す
る。ミラー・チェンバー184には第１リスト駆動手段198
を取り付けてあり、その出力歯車200が第１リスト装置1
88の輪歯車201と係合する。駆動手段198は軸94を中心に
360゜の角度に亘って第１リスト装置188を可逆駆動す
る。第１リスト188には駆動手段204が取り付けられ、こ
れも軸96を中心に360゜の角度に亘って第２リスト190を
可逆駆動する。
レシーバ検出器134は比較的小さい孔208を有する支持
部材206に装着されたレシーバ・ミラー140を含む。前記
小さい孔208はビーム結合器177における多重反射によっ
てシステム中に現われる外来光を偏向させる。
レシーバ76（第4B図）は多くの点でトランスミッタ74
と似ている。レシーバ76の入口138に設けた第３リスト
装置220は軸116を中心に回転自在である。第３リスト22
0の出口223に結合された第４リスト222は図示のように
軸118を中心に回転自在である。詳しくは第２図に示し
たビーム縮小レンズ106及びコリメーター・レンズ108を
含むビーム縮小装置224に前記第４リスト222が結合され
ている。第３及び第４リスト220、222は可逆駆動手段に
よって適当に駆動される。第4B図から明らかなように、
第３駆動手段226が軸116を中心に第３リスト220を駆動
する。第４リスト222を駆動する第４駆動手段247は第４
リスト222を陰にかくれて見えない。第３及び第４リス
トを駆動するために適当な歯車機構を設けるが、この機
構はトランスミッタ部分に関して述べた歯車機構と同様
であり、繰返し説明することは不要であろう。
溶接ヘッド装置228をビーム縮小装置224の出口230の
付近に後退自在に設ける。溶接ヘッドは第６図に示す下
方後退位置と、上方伸張位置との間を往復移動して高出
力ビーム80を上述のように（第２図）溶接部位に向ける
ことを可能にする。レシーバ76及び溶接ヘッド装置228
は空気圧作動カムロック234を含むカムプレート232に取
り付けられる。カムロック234は公知の態様で管板（第
２図）の空いている細管の孔と係合する。溶接プロセス
のモニター手段としてのマイクロホン450をカムプレー
ト232に固定する。
４つの駆動装置198、204、226、247は全く同じであ
り、第５図に示すように、駆動モータ236、出力歯車23
8、中間歯車240、すべりクラッチ241及び遊星歯車242を
含み、歯車242の出力が出力歯車200に結合される。歯車
200は上記それぞれのリスト（188、190、220、222）に
おいて輪歯車202と結合される。すべりクラッチ241を設
けることにより、もしリスト188、190、220または222が
障害物と衝突しても損傷しないようにする。
本発明装置の安定性を維持するためには、位置ぎめさ
れたらリスト188、190、220、222がその位置から動かな
いことが必要である。本発明では、適当なキャプアチュ
アド軸受224及びピン止めベルビル座金246によって各リ
スト188、190、220、222の可動部分を隣接の装置に固定
する（例えば第4B図におけるリスト220〜222）。キャプ
アチュアド軸受244は図示のように第４リスト222の延長
部248と第３リスト220のフランジ部分250の間に配置さ
れる。ピン止めベルビル・座金246はフランジ250とこれ
と対応する第４リスト222の対向面252の間に挟持され
る。ピン254はベルビル・座金246を第３リストと共に回
転するように位置ぎめする。レーザビーム・座金246は
駆動手段226が停止したらリスト220、222を静止状態に
維持するための摩擦を発生させる。なお、リストを位置
ぎめしたら、このリストの駆動手段を、輪歯車202に作
用する出力歯車200の残留圧を除くのに充分なカウント
数だけ反転させ、リストがその所期位置からずれないよ
うにする。図示のようにベルビル・座金246をピン止め
することにより、万一座金の位置がずれた時に座金の形
状及びサイズの変化がリスト220、222及び連携部材のア
ラインメント精度を狂わせないようにする。なお、第４
リスト222は第１及び第２リストに関して述べたのと同
様の構成でビーム縮小装置224に結合されている。
各駆動手段198、204、226、247は連結歯車251を介し
て出力歯車200と作動的に結合するポテンシオメーター2
53もを含む。ポテンシオメーター253の回転位置は特定
リストの概略位置を指示する。ポテンシオメーター253
の出力を利用してシステム中における各リストの位置を
概則する。
トランスミッタ74（第4A図）には、レシーバ76の予期
される方向にほぼ向けられたトランスミッタ・ビデオカ
メラ252が装着されている。同様に、レシーバ76（第4B
図）にもトランスミッタ74に向けられた小さいレシーバ
・ビデオカメラ256が装着されている。トランスミッタ7
4とレシーバ76を整列させる時、オペレーターは隣接構
造上に低出力ビーム122（第３図）を探すと同時にレシ
ーバ76を探し、両者を一致させればよい。同様に、オペ
レーターは反射ビーム144（第３図）を観察することに
よりレシーバ76の動作を制御し、これをトランスミッタ
74の方向に移動させ、トランスミッタ74に向ければよ
い。上述した種々のモータ装置における各モータ236は3
60゜リスト回転につき732,000ステップまたは１セコン
ド・アーク回転につき0.6ステップ割り当てられたClift
on Precision model 11−SHBD−47ABのような高精度ス
テップモータである。モータ236はモータ及び連携のリ
スト装置を極めて正確に位置ぎめするためカウント数を
追跡するコンピューター（例えば、第３図のCPU158）に
よって制御される。
事情が許せば、第4A図に示すように、高出力レーザ72
をマンウェイ・フランジ160に直接ボルト止めしてもよ
い。ただし、隣接構造が邪魔になる場合には、ボルト・
サークル162を利用してマンウェイ・フランジ160に対し
て任意の好都合な位置へ回転させればよい。ミラー・ボ
ックス172及びミラー筐体184のボルト・サークル185、1
87はマンウェイ・フランジ160のボルト・サークル162に
対して割り出される。即ち、マンウェイ・フランジ160
の任意のボルト孔を利用してレーザ72を蒸気発生器50に
固定する場合、ボルト・サークル185、187によりミラー
・ボックス172及びミラー筐体184の相対位置を対応の所
定関係に調整する。このようにしてトランスミッタ74は
常にマンウェイ孔52に既知の向きに、即ち、ホームポジ
ションと呼ばれる向きに配置される。システムのすべて
の測定値はトランスミッタ74のホーム・ポジションを起
点として求められる。
本発明では、マンウェイ孔に対してレーザ72の方向制
御をやり直すことが可能であり、多くの場合必要であ
る。第4C図はブラケット164とマンウェイ・フランジ160
の間にテーパー・シム270を配置した構成を示す。第4C
図の場合、テーパー・シム270はレーザ72の方向をマン
ウェイ・フランジ160の平面に対して30゜だけ修正す
る。レーザ72をこのような向きにする場合には、ミラー
・ボックス172に対するレーザ72の位置が第4A図に示す
構成における位置と正確に同じでない限り、方向制御用
ミラー82、84の方向と修正または調整しなければならな
い。状況によってはマンウェイ孔52におけるレーザ72及
びトランスミッタ74の位置をシフトする必要がある。こ
のためには、第4A図に示すように単数または複数の扁平
シム272を使用すればよい。
出力検出器274（第２、4A及び13図）を後退自在に高
出力レーザの光路中に配設する。この出力検出器274を
利用することにより、レーザ72の動作を微かく調節し、
ミラー・ボックス172に固定された空気圧式リンケージ2
77（第13図）を介して枢動マウント276を中心に検出器
を回転させることによって前記出力検出器274を後退さ
せる。
第２及び4A図に示すようにブラケット170にレーザア
ラインメント装置278を設ける。レーザアラインメント
装置278は高出力レーザ72からレーザビームを受光して
レーザ調整情報を出力し、オペレーターはこの情報を利
用することにより高出力レーザ72内に設けた（図示しな
い）空洞ミラーを調節することができる。
レシーバ76及び溶接ヘッド228を支持するカムプレー
ト232の詳細を第６及び７図に示した。カムプレート232
は円筒カプラー300を介して（図示しない）ロボット・
アームに装着することができる。カプラー300はカムプ
レート232の円筒孔302に配置され、軸受304によって円
形孔内に支持される。心出しバー306の一端をカプラー3
00の上側にピン連結部308において固定し、他端をピン
連結部310によってカムプレート232に連結する。従っ
て、円形孔302内でのカプラー300の回転量は著しく制限
される。カプラー300の上面313には対向する偏倚部材31
2を設けてあり、該偏倚部材は心出しバー306の両側と係
合してこれをカプラー300の直径方向中心線316と整列さ
せようとするばね付勢ピン314を含む。このようにして
心出しバー306に可撓性が与えられるから、カム・プレ
ート232に装着されているカムロック234は工業的目的に
必要な可撓度と許容度をもって管板の孔と係合すること
ができ、しかも、カムプレート232を位置ぎめするロボ
ット・アームに対してカムプレート232を極めて正確に
心出しすることができる。
これに関連して、１対のカムロック234を示す第７図
上部を参照されたい。同図においてカムロック234のう
ちの下方カムロックはカムロック234と正確に一致する
円形孔320内に位置するが、第７図上方のカムロック234
はやや楕円形の、カムプレート232に対してカムロック
が横移動することを可能にする孔322内に取り付けられ
ている。従って、もし管板孔がカムロック234の間隔と
正確に一致しない場合でも、ある程度の横方向自由度が
あるから、管板に挿入する際にカムロック234を相対的
に横移動させることができる。同様に、心出しバー306
によってカプリング300に可撓性が与えられるから、管
孔へのカムロック234の挿入及び抜き取りが可能とな
り、カムプレートの管板に対して正確に位置ぎめするこ
とができる。これにより、溶接すべきスリーブと細管に
溶接ヘッド228を係合させることができる（第２及び６
図）。
カムプレート232を管板54と確実に係合できるように
するため、入れ子式フィーラー330を設ける。入れ子式
フィーラー330はカムプレート232の上面332から突出す
るように偏倚させられている。各フィーラー330の上方
尖端334はロボットのアームがカムプレート232、溶接ヘ
ッド228及びレシーバー76を種々の管位置へ操作するの
に伴なって管板54と係合する。カムプレート232が管板5
4の近傍に位置ぎめされ、カムロック234が位置ぎめさ
れ、かつロックされると、フィーラー332の上方尖端334
が管板54と係合し、同時にカムプレート232の上動に伴
なってフィーラー330が圧縮される。各フィーラー330と
連携する（図示しない）ポテンシオメーターは圧縮度、
従って、カムプレート232と管板54の整列を示す出力を
提供する。３つのフィーラー330のそれぞれが完全に圧
縮されると、カムプレート232は正しく位置ぎめされ
る。システムのオペレーターがレシーバー76を正しく位
置ぎめするのを助ける手段として、カムプレート232の
下側にビデオカメラ338を設け、視認口340を通してカム
ロック234を視認する。
溶接ヘッド228を細管及びスリーブ56、58と正しく整
列させることができるようにするため、溶接ヘッド228
に第６、９及び10図に示す特殊なマウントを設ける。溶
接ヘッド228は回転可能ベース352に取り付けられる管状
部分350を含み、回転ベースは（図示しない）モータに
よって駆動される。溶接管350はベース352のねじ付き突
出部354に螺着される。原子炉用蒸気発生器の細管内へ
のスリーブの溶接に要求される精度を考慮して、ベース
352に浮動軸受を設け、管350の中心軸351に沿って溶接
管350をレーザビーム80と正しく整列させることができ
るようにする。第10図は第９図10−10線におけるベース
352のオフセット断面図である。ベース352は（図示しな
い）モータによって駆動される上方駆動部材356、被駆
動部材358及び調整板360を含む。ねじ付き突出部354を
有する被駆動部材358はねじ362によって駆動部材356に
固定される。被駆動部材358の垂下縁364は第10図に示す
ようにこれと対応する駆動部材356の上面366と当接す
る。調整板360は被駆動部材356の上に設けられ、インボ
ート・ボルト368によって該部材356に固定する。調整板
360は駆動板356のねじ孔372にボルト370を螺入すること
によって駆動部材356にも固定する。被駆動部材358の孔
374はオーバーサイズであり、ボルト370を摺動自在に挿
通させることができる。また、ボルト370の位置におい
て被駆動部材358の垂下縁364は矢印377で示すように駆
動部材から間隔を保っている。オペレーターはボルト37
0の締め具合を調節して被駆動部材358を駆動部材356に
圧接させればよい。これにより、ビーム80に対する溶接
管350の整列を調節することができる。従って、各ボル
ト370の締め具合を調節することによって溶接管350とビ
ーム軸線との整合を図示のように最終調整できる。溶接
作業中、溶接管350の内部チェンバー378にはパージまた
はシールド・ガスが供給される。パージ・ガスが供給さ
れるチェンバーをＯリング376がシールする。
駆動部材356の下端はねじ付き部分380及び“V"字形軸
受384として取り付けられた上下軸受部材を有する（第
６及び８図）。駆動部材356の軸受面382は“V"字形軸受
384の上下対向面385と係合する。対向面385は円形軸受
の扁平セグメントの形態を取る。“V"字形軸受面384と
対向するねじ付きバー386はばね偏倚させられて駆動部
材356の下端のねじ付き部分380と当接する。ねじ付きバ
ー386は被駆動部材のねじ付き部分380と螺合するねじ付
き部分388を有する。ねじ付きバー386をばね偏倚などに
よって分割軸受面385の方向に適当に固定することによ
り、駆動部材356を回転自在に、ただし密着状態に軸受3
84内に固定する。軸受384は上下軸受382を収容する円筒
形の凹部390を有する。この凹部390は細長く、上下軸受
382の軸方向移動を可能にする。溶接作業中、溶接ヘッ
ド228が回転すると、駆動部材356がねじ付きバー386の
螺条に沿って回転し、溶接ヘッド228が上昇または下降
する。即ち、上下軸受382は分割軸受384に係合して回転
するだけでなく、第６図に示すように自由に上下動す
る。溶接作業中、溶接管350が（図示しない）モータに
よって回転駆動され、細管及びスリーブ56、58内にらせ
ん形溶接部を形成する。溶接作業が終るごとに、溶接管
の方向が反転し、軸受382が下方のホーム・ポジション
に移動する。
第11及び12図は第２、4A及び13図に示すかじ取り用ミ
ラー82、84の駆動機構400をそれぞれ平面図及び断面図
で示す。かじ取り用ミラー駆動機構400は歯車406及びこ
れと連結している親ねじ408を駆動する駆動モータ402を
含み、親ねじ408はねじ付け孔410に取り付けられてい
る。モータ402が時針または反時針方向に回転すると、
歯車404が歯車406及び親ねじ408を上下いずれかの方向
へ駆動する。親ねじ408の上端には玉軸受412を設けてあ
る。ミラー・プレート414はピボット416を中心に親ねじ
408によって旋回駆動される。ミラー・プレート414はば
ね付勢ピン420によりフレームまたはモータ・ベース418
に固定される。第11図は２組のモータ402、親ねじ408及
びばね付勢ピン420が図示のようにピボットピン位置416
において交差する直交軸422、424を中心にミラー・プレ
ート414を駆動する場合を示す。かじ取り用ミラー82、8
4はかじ取り自在に取り付けられ、所期のビーム位置80
に対応する中心線428の交差点にレーザ・エネルギーを
向け、心出しすることができる。
本発明では、トランスミッタ74とレシーバ76のアライ
ンメントが一連の手動ステップ及び後述する一連のコン
ピューター制御自動ステップによって達成される。視認
によるトランスミッタ74とレシーバ76のアラインメント
はビデオカメラ252、256（第4A−4B図及び第５図）で可
視レーザビーム122及び反射レーザビーム144（第３図）
を観察することによって達成される。視認によるアライ
ンメント達成後、低出力レーザビーム122がほぼトラン
スミッタ検出器150上に、反射ビーム144がほぼレシーバ
検出器148上に来れば手動による粗アラインメントが得
られたことになる。オペレーターは駆動機構198、204、
242、247の各モータ236（第２、4A、4B図）を、トラン
スミッター74とレシーバ76を粗アラインメントさせるよ
うに視覚によって得た各モータの位置から数えた任意の
カウントにセットすればよい。トランスミッタ74とレシ
ーバ76をこうして粗アラインメントさせたら、Richard
P.Paul（マサチューセッツ工科大学、1981年）著“Robo
t Manipulations:Mathematics,Programming and Contro
l"に記載されている幾何学的及び運動学的関係から得ら
れる記憶されている数式を利用して、CPU158が許容度が
比較的大きい特定の“スタート・ブロック”において各
ビーム122、144をアラインメントさせる。次いでモータ
236を作動させて駆動機構198、204、226、247をスター
ト・ブロックから離脱させると共にアラインメント状態
の所期最終位置から離脱させることによってシステムに
全バックラッシュを作用させる。次いでモータ236を反
転させて駆動機構198、204、242、247を方向反転させる
ことによりシステムからアラインメント方向へのすべて
のバックラッシュをできるだけ小さくする。即ち、ビー
ム124、144は先ずスタート・ブロックに戻され、次いで
正確なコンピューター制御により、プログラムされてい
るシーケンスに従って正確な所期アラインメント位置へ
移動させられる。
コンピューター・プログラムが最終アラインメントプ
ロセスを制御する。コンピューター・プログラムはアラ
インメント手順に際して下記のようないくつかの重要な
要因を考慮する。
４つのリスト188、190、220、222はそれぞれ対応の駆
動機構198、204、242、247により、また正確に制御でき
るステップ・モータ236によってアラインメントさせら
れる。ミラー筐体及びモータは上述したように潤滑され
た歯車を使用する。レーザのアラインメントは正確でな
ければならないから、歯車の潤滑も考慮しなければなら
ない。モータ236の方向を反転させると、歯車（例えば
第4B図の歯車238、240、242、200）も方向を変える。歯
車の接触には歯接触間のある程度の許容度、即ち、バッ
クラッシュが伴なう。従って、回転方向が反転した後、
特定の被駆動歯車が駆動歯車に対して即座に、または正
確に応答しない。本発明では、精度条件がきびしいか
ら、歯車の歯の間の潤滑油の効果もバックラッシュの計
算及び処理に際して考慮される。例えば、反転後、歯車
の歯が実際に接触する前に、作業条件に応じて潤滑油が
排除されねばならない。歯車の歯に存在する残留膜の量
は歯車ごとに異なる可能性があるから、バックラッシュ
を常に必要な精度で予測できるとは限らない。本発明に
よるプログラム制御では、歯車の反転後、薄い潤滑油層
だけを残して歯車が互いにしっかりと係合する。次いで
モータ動作によってリストの動作が正確に制御される。
“ソフト・バックラッシュ”という表現は駆動歯車に
対する被駆動歯車の応答を予想できるように２つの歯車
の間の潤滑油を排除するのに必要な歯車の移動範囲を意
味する。また、“ハード・コンタクト”という表現は歯
車間のしっかりした接触状態を意味する。“ソフト・バ
ックラッシュ”から“ハード・コンタクト”状態への移
行に必要な移動量はシステム運動に先立って計算され、
実際のアラインメントプロセス中に考慮される。例え
ば、潤滑の状態によっては、また、歯車の歯の摩耗程度
によっては、リスト回転方向が反転すると、被駆動歯車
がいくつかのモータ・ステップに亘って作動に応答す
る。ただし、リストの実測移動量とモータ動作との間に
線形関係は成立しない。このような非線形関係がソフト
・バックラッシュである。次いで、モータ・ステップと
リスト回転との間に線形関係が成立すると、ハード・コ
ンタクト状態が得られる。また、第14図に示すように、
線形関係も非線形関係も共に変動する可能性がある。し
かし、コンピューター・プログラムはアラインメント手
順においてソフト・バックラッシュからハード・コンタ
クト状態への移行に所与のモータ・ステップ数を割り当
てる。プログラムは現割り当て値を正確に予測し、正確
なアラインメントが達成される。もしこれらの要因を考
慮しなければ、オーバーシュート及びターゲット不アラ
インメントが起こる。バックラッシュは自動的に測定さ
れ、CPUによって記憶される。位置フィードバック用検
出器を利用してCPUがモータ方向を反転させ、検出面を
移動させるためのモータ・ステップ量を測定する。第15
図はこのような測定結果を示すグラフである。
本発明では、ビームをスタート・ブロック500に位置
させ、アラインメント位置502まで一連のステップを経
て移動させる。即ち、ビームは先ずスタート・ブロック
500の位置504に置かれる。、次いで、アラインメント位
置502の方向とは反対の方向にモータを予定のモータ・
ステップ数だけ回転させることにより歯車をハード・コ
ンタクト状態に係合させ、ビームを位置506へ移動させ
る。次に、歯車を再びハード・コンタクト状態に戻すの
に必要なモータ・ステップ数だけモータを反転させてリ
ストを回転させ、レーザビームをほぼスタート・ブロッ
ク500の、例えば、位置508に移動させる。これは、続く
最終アラインメント手順の間歯車をハード・コンタクト
状態に維持するためである。システムが位置508で示さ
れる状態となれば、被駆動歯車はすべて対応の駆動歯車
に完全応答する。
ソフト及びハード・コンタクト状態のほかにも歯車機
構に伴なう問題がある。歯車駆動されるシステムにはね
じれ及び伝達トルクが付きものであるから、歯車列にあ
る程度の量のワインドアップまたは応力が発生する。こ
のワインドアップまたは応力はいつでも解放される可能
性があり、リストが設定位置から回転またはドリフトす
るおそれがある。本発明のレーザアラインメントシステ
ムのような敏感かつ精密なシステムのアラインメントに
際しては、ドリフトはレーザビームの不アラインメント
を招き、高価の装置を損傷させることがある。従って、
最終アラインメントの前に、モータ236を数ステップだ
け反転させることにより歯車から応力を除く。歯車の最
後の動作から位置を読み取るまでには、すべての動作を
完全に停止させるため10msecの遅延が存在する。
トランスミッタ74とレシーバ76はトランスミッタ74か
らレシーバ76を見て下記の４通りの位置関係のいずれか
に配置することができる。
１）トランスミッタ74が中央より左、レシーバ76も中央
より左、 ２）トタンスミッター74が中央より左、レシーバ76が中
央より右、 ３）トランスミッタ74が中央より右、レシーバ76が中央
より左、 ４）トランスミッタ74が中央より右、レシーバー76も中
央より右。
以上４通りの幾何的配置を選択することにより、任意
の位置でレーザビームを送受し、あるいは蒸気発生器内
の障害物を避けてレーザビームを当てるシステムの能力
にすぐれた融通性が与えられる。コンピューター操作
中、モータ236が各リストを所期の方向に回転させるよ
うにするためには、トランスミッタ74及びレシーバ76の
所期配置が既知でなければならない。
第4A−4B図に示す各リスト188、190、220、222の軸受
244はリスト輪歯車202と同一平面には位置せず、従っ
て、駆動歯車200が回転すると、リスト軸はビーム80に
対して輪歯車202の回転方向とは反対の方向に偏向する
駆動歯車200の回転方向が反転すれば上記偏向も逆にな
る。低出力アラインメントレーザビーム122及び高出力
レーザビーム80はリスト188、190に入射する前に同一光
路中に固定されるから、トランスミッタ74における上記
偏向の補正は不要である。ただし、この偏向はレシーバ
76におけるビーム80のアラインメントに特殊な影響を持
つ。レシーバにおいては、アラインメントプロセス中、
リストの回転を一方向に固定することによって偏向の補
正が行なわれる。換言すれば、スタート・ブロック500
の位置508からアラインメント位置502までの最終アプロ
ーチの間、レシーバ・モータ236を同じ方向に回転させ
る。
スタート・ブロック500（第15図）は検出器510（例え
ば、第３図におけるトランスミッタ検出器150またはレ
シーバ検出器148）における指定域である。スタート・
ブロック500は各検出器510の中心514からやや離れた点5
12に配置され、検出器510の中心514に対して45゜の線51
6に沿って位置する。各リスト198、200、220、222を回
転させることにより、検出器510の中心514またはその近
傍の狭いアラインメント域502内に位置ぎめすることが
できる。第15図ではスタート・ブロック500の位置をリ
スト回転軸との関係を示している。スタート・ブロック
500の位置は検出器510の中心514に対してコンピュータ
ー158（第３図）が設定する。コンピューター158はトラ
ンスミッタ74及びレシーバ76の初期相対位置と、モータ
236の回転方向に関する制約を考慮する（第4B及び５
図）。各検出器510の中心514は溶接中の最適レーザ光路
と一致する。
コンピューター158はカウントの形でモータ236に指令
を与えることにより、一連のステップでリストを回転さ
せ、レーザビーム122、144を検出器506の中心504付近で
アラインメントさせる。例えば、位置508から位置518へ
の移動はすべてのモータ236を同時回転させることによ
って達成される。第15図では移動量をＸ軸及びＹ軸にそ
れぞれ平行な直交ベクトル520−Ｘ及び520−Ｙで表わし
た。結果としての移動量520−Ｒはすべてのリストの運
動のベクトル和である。もし特定リストの回転量が予想
量よりも大きいか、または小さければ、ビーム位置518
は理想の線または光路516からずれることになる。518か
ら522への次の移動量を計算することによってオーバー
シュート（またはアンダーシュート）を補償する。最後
に、位置522から位置524におけるアラインメント域502
へのアラインメントはコンピューター計算によって達成
される。もしビーム122がアラインメント域502をオーバ
ーシュートしてモータ反転が必要なら、スタート・ブロ
ック500にレーザを再位置ぎめし、アラインメントプロ
セスを繰り返す。単一ステップではなく、一連の小ステ
ップを利用してアラインメント域502をオーバーシュー
トするおそれを軽減する。ステップごとにリスト・モー
タを反転させて歯車から応力を除くことにより、位置検
出器信号が処理される前にドリフトが起こる可能性を排
除する。
コンピューター・プログラムのフローチャートを第16
A−16C図に示した。手動及び視認による粗アラインメン
トに続いて以下に述べるようにコンピューター制御が行
なわれる。第16A図に示すプログラムのループＩは開始
ブロック630から始まる。ブロック632においてコンピュ
ーターがスタート・ブロックを決定する。この決定はレ
シーバ・リストの回転方向と、レシーバ及びマンウェイ
孔に対するトランスミッタの初期幾何学的方向に基づい
て行なわれる。ブロック634において検出器信号を処理
することによりスタート位置及びアラインメント位置を
求める。この信号を既に得られたスタート・ブロック位
置と比較し、もしレーザビームがブロック636において
求められたスタート・ブロックに位置しなければ、ブロ
ック638において計算することによってビームを前記ス
タート・ブロックへ移動させる。ブロック638におい
て、すべてのモータの動作も同時に行なわれる。ブロッ
ク642においてレーザビーム応答時間に問題があると判
明したら、CPUはブロック646において各モータのソフト
・バックラッシュ状態を判定し直し、ブロック634にお
ける再処理のためブロック648の点Ａに戻る。もしレー
ザビーム応答が妥当なら（ブロック642）、ブロック644
においてモーターを反転させて歯車から応力を除き、ド
リフトを回避する。コンピューターはブロック634に戻
る。もしレーザビームがブロック636で得られたスター
ト・ブロックに位置するなら、コンピューターは640に
おいてループＩを出て第16B図に示すプログラムのルー
プIIに進む。
第16B図に示すプログラムのループIIはブロック650で
始まり、すべてのリストをビームアラインメントに必要
な方向とは反対の方向に回転する。次いでブロック652
において回転方向を反転させることにより、リストを再
びスタート・ブロック位置へ戻す。このプロセスを行な
うことにより歯車がハード・コンタクト状態となるよう
にする。次いでブロック654において位置検出器信号を
処理し、これを利用してレーザビームが各検出器の中心
にアラインメントしているかどうかを判定する。この動
作におけるモータのステップ数は一定ではない。ブロッ
ク656においてレーザがオーバーシュートしていること
が判明すれば、コンピューターは一時的にループIIを離
れ、ブロック658においてループIIIを開始する。ブロッ
ク656においてレーザビームのアラインメントが確認さ
れれば、制御はブロック660においてオペレーターに戻
される。
第16C図に示すループIIIは664で始まり、レーザビー
ム位置が検出器中心と比較される。レーザビームが検出
器中心を越えた点（ミラー筐体の回転方向の反転を必要
とする点）に向けられているなら、コンピューターはブ
ロック666を介してループＩの点Ａに戻る。レーザビー
ムがスタート・ブロックと各検出器の中心との間に位置
するなら、ブロック666において移動量を計算してレー
ザビームを少しずつ中心に近づける。この移動のために
いずれかのモータの方向を反転させる必要があるかどう
かについてブロック668で判定される。このような反転
を必要とする移動は無視され、ブロック670において新
しい行き先が計算される。もし反転の必要がなければ、
プログラムはブロック672に移行し、すべての軸が同時
に移動させられる。次いでブロック674においてモータ
を反転させて歯車から応力を除くことによってドリフト
を回避する。次いでコンピューターはブロック662を介
してループIIの点Ｂに戻る。
本発明では上述した構成により、約3048mmに亘って約
0.05080mm以内の精度でレーザビームをアラインメント
させる方法が実施可能になる。この精度は歯車駆動装置
を利用し、手動による予備アラインメント手順及びコン
ピューター制御精密アラインメント手順によって達成さ
れる。
以上に特定実施例との関連で本発明を説明したが、ほ
かにも種々の実施態様が可能である。頭書した特許請求
の範囲は本発明の原理に基づく変更、発明の利用または
適用にも及び、開示内容と一致しなくても当業者には自
明と考えられる実施態様をも包含する。
【図面の簡単な説明】
第１図は関連のHawkins他の特許第4,694,137号に開示さ
れたレーザ溶接装置の構成図である。 第２図は煩雑化を避けるため筐体、駆動機構、軸受など
を省略して示す本発明のレーザ溶接装置の簡略図であ
る。 第2A図は第２図に示したビーム結合器の詳細図である。 第３図は本発明のレーザ溶接装置用のアラインメント装
置及び制御システムを略示するブロックダイヤグラムで
ある。 第4A及び4B図は両図で本発明のレーザ溶接装置を示す断
面図である。 第4C図は高出力レーザ取り付け態様の変更例を示す部分
図である。 第５図はレーザ検出器及びリスト機構用モータ駆動機構
の詳細を示す、第4A及び4B図のレーザ溶接装置の部分図
である。 第６図は原子炉用蒸気発生器などにおいて本発明の溶接
装置の各部分を支持するキャリアまたはカムプレートの
断面図である。 第７図は第６図に示した支持手段の頂面図である。 第８図は第６図８−８線における軸受断面図である。 第９図は回転軸に対する溶接ヘッド位置を調整するアラ
インメント機構の頂面図である。 第10図は第９図に示した調整機構の断面図である。 第11図は第4A図に示したかじ取り用ミラー機構の頂面図
である。 第12図は第11図12−12線における断面図である。 第13図は第4A図に示したかじ取り用ミラー及び可動パワ
ー・メーターの側面図である。 第14図はハード・コンタクト及びソフト・バックラッシ
ュ状態を示すグラフである。 第15図はスタート・ブロックからアラインメント位置に
至るアラインメントビームの典型的な移動パターンを示
すグラフである。 第16A−16C図は本発明のレーザビームアラインメントシ
ステムのトランスミッタ及びレシーバをアラインメント
させるプロセスのフローチャートである。 50……蒸気発生器 56……細管 58……スリーブ 60……溶接部位 70……レーザ溶接装置 72……高出力レーザ 74……レーザトランスミッタ 76……レーザーレシーバ 80……レーザビーム
フロントページの続き (72)発明者 ビンセント・アンドリュー・トス アメリカ合衆国，ペンシルベニア州，ハ ンソン・シティー，グレンシャイア，ド ライブ ４ (72)発明者 マリアン・キャサリン・ストロスター アメリカ合衆国，ペンシルベニア州，ア ーウィン，アイザマン・ロード，アー ル・ディー・ナンバー３ (56)参考文献 特開 昭62−173093（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高出力レーザからのレーザビームを溶接部
    位に供給するためのレーザビーム・アラインメント装置
    であって、レーザと光学的に結合し、レーザビームを受
    ける入力及び空間的に離れた位置を占めるレシーバにむ
    かってレーザビームを送出する出力を有するトランスミ
    ッタ、及びトランスミッタと光学的に結合し、送出され
    たレーザビームを受ける入力及び溶接部位にレーザビー
    ムを供給する供給機構を有する前記レシーバと、トラン
    スミッタ及びレシーバにそれぞれ１対ずつ設け、各対を
    直交平面内で作用させることによりトランスミッタの出
    力とレシーバの入力をアラインメントさせる少なくとも
    ２対の方向制御可能なビームデフレクタと、トランスミ
    ッタの方向制御可能なビームデフレクタにむかってレー
    ザビームを当てるためトランスミッタの入力に設けた１
    対のかじ取り用デフレクタと、溶接部位に対して任意の
    向きにレーザを取り付けるための支持手段と、トランス
    ミッタの向きをレーザの向きに対応する向きに随意調整
    するためトランスミッタに設けた調節機構と、トランス
    ミッタ及びレシーバの方向制御可能なビームデフレクタ
    のそれぞれのために設けられていて、レシーバの入力を
    トランスミッタの出力とアラインメントさせるため方向
    制御可能なビームデフレクタを駆動するための駆動装置
    と、前記トランスミッタ及び前記レシーバの方向制御可
    能なビームデフレクタの駆動装置と作動的に結合し、比
    較的許容度が大きい所定の初期位置から許容度が小さい
    所定のアラインメント位置に来るようトランスミッタ及
    びレシーバのアラインメントを制御し、初期位置からア
    ラインメント位置へ一方向各駆動装置を作動させる出力
    を供給するコントローラとを有することを特徴とするレ
    ーザビーム・アラインメント装置。
  2. 【請求項２】コントローラがプログラム制御コンピュー
    タを含むことを特徴とする請求項第１項に記載のレーザ
    ビーム・アラインメント装置。
  3. 【請求項３】溶接部位に対して調整自在にレシーバを支
    持する調整自在な支持手段を含むことを特徴とする請求
    項第１項に記載のレーザビーム・アラインメント装置。
  4. 【請求項４】レシーバを調整自在に支持する前記調整自
    在な支持手段が孔を有する支持板、前記孔に挿着された
    カラー及び支持板をカラーの直径方向に遠隔の部分と連
    結するぱね偏倚バーから成るねじりカプラーと、バーの
    両側に配置され、常態においてカラーを、バーとカラー
    の直径が一線上に来る位置へ偏倚する弾装ピンを含むこ
    とを特徴とする請求項第３項に記載のレーザビーム・ア
    ラインメント装置。
  5. 【請求項５】溶接部位が蒸気発生器管板における細菅及
    びスリーブであり、支持板が支持板に互いに間隔を置い
    て形成した孔に配置されて細管と係合する１対のカムロ
    ックを含み、１つのカムロックを他のカムロック及び可
    調支持手段に対して側方へ撓ませることができるように
    前記孔の１つを他よりも大きく形成したことを特徴とす
    る請求項第３項に記載のレーザビーム・アラインメント
    装置。
  6. 【請求項６】トランスミッタに設けられて低出力可視ビ
    ームを発する低出力アラインメントレーザ、及び高出力
    レーザビームを透過させ、低出力ビームを反射する窓を
    有して高出力レーザビームと低出力可視ビームを結合す
    る結合手段をも含み、前記窓を高出力ビームの光軸を直
    接通過する高出力ビームの光路中に直接設け、高出力ビ
    ームの中心軸に対応する点において高出力ビームが窓を
    通過した側から、高出力ビームと低出力ビームが同軸関
    系に結合されるような角度で低出力ビームを窓に入射さ
    せることを特徴とする請求項第１項に記載のレーザビー
    ム・アラインメント装置。
  7. 【請求項７】窓が低出力ビームと高出力ビームを結合す
    る第１面及び主光軸から外れた派生的なレーザエネルギ
    ーを反射する、前記第１面と非平行な第２面と、トラン
    スミッタの出力付近に設けられて偏向された派生的レー
    ザエネルギーがレシーバに達するのを制限する制限手段
    を有することを特徴とする請求項第６項に記載のレーザ
    ビーム・アラインメント装置。
  8. 【請求項８】レーザビームを受けてこれを溶接部位に向
    けるための溶接ヘッドをも含み、前記溶接ヘッドがその
    中心軸を中心にらせん状にレーザビームを溶接部位に向
    け、前記溶接ヘッドが溶接ヘッドを光軸とアラインメン
    トさせるための可調マウントを含むことを特徴とする請
    求項第１項に記載のレーザビーム・アラインメント装
    置。
  9. 【請求項９】可調マウントが溶接ヘッドを支持する回転
    ベースと、半径方向の所定位置及び該位置から間隔を保
    つ半径方向中間位置において回転ベースと当接しかつこ
    れに固定された溶接ヘッド支持部材と、ベースと支持部
    材の間隔を調整することにより溶接ヘッドを中心軸とア
    ラインメントさせるこめ支持部材を介して中間位置にお
    いてベースに調整自在に固定される調整板を含むことを
    特徴とする請求項第８項に記載のレーザビーム・アライ
    ンメント装置。
  10. 【請求項１０】高出力レーザからのレーザビームを溶接
    部位に供給するためのレーザビーム・アラインメント装
    置であって、レーザと光学的に結合し、レーザビームを
    受ける入力及び空間的に離れた位置を占めるレシーバに
    むかってレーザビームを送出する出力を有するトランス
    ミッタ、及びトランスミッタと光学的に結合し、送出さ
    れたレーザビームを受ける入力及び溶接部位にレーザビ
    ームを供給する供給機構を有する前記レシーバと、トラ
    ンスミッタ及びレシーバにそれぞれ１対ずつ設け、各対
    を直交平面内で作用させることによりトランスミッタの
    出力とレシーバの入力をアラインメントさせる少なくと
    も２対の方向制御可能なビームデフレクタと、トランス
    ミッタの方向制御可能なビームデフレクタにむかってレ
    ーザビームを当てるためトランスミッタの入力に設けた
    １対のかじ取り用デフレクタと、溶接部位に対して任意
    の向きにレーザを取り付けるための支持手段と、トラン
    スミッタの向きをレーザの向きに対応する向きに随意調
    整するためトランスミッタに設けた調節機構とを有し、
    溶接部位は、蒸気発生器内にあり、レーザは、蒸気発生
    器の開口マンウェイに配置され、レーザを任意の向きに
    取り付けるための支持手段は、マンウェイの任意の孔に
    配置でき、ビームの軸に沿って該マンウェイ内にトラン
    スミッタ及びレーザを固定するブラケットであることを
    特徴とするレーザビーム・アラインメント装置。
  11. 【請求項１１】レーザを支持するのに利用される任意の
    マンウェイ孔と対応する向きにトランスミッタのかじ取
    り用デフレクタを支持する支持手段を含み、マンウェイ
    に対してトランスミッタを調整する調整装置をも含むこ
    とを特徴とする請求項第10項に記載のレーザビーム・ア
    ラインメント装置。
  12. 【請求項１２】支持手段がレーザをトランスミッタに対
    して角度を形成するように支持する楔を含むことを特徴
    とする請求項第10項に記載のレーザビーム・アラインメ
    ント装置。
  13. 【請求項１３】トランスミッタから低出力レーザエネル
    ギーを受けてトランスミッタの位置を表わす出力を発す
    るレシーバのためのトランスミッタ検出器と、レシーバ
    から低出力レーザエネルギーを受けてレシーバの位置を
    表わす出力を発するトランスミッタのためのレシーバ検
    出器をも含むことを特徴とする請求項第12項に記載のレ
    ーザビーム・アラインメント装置。
  14. 【請求項１４】検出器をレシーバ及びトランスミッタの
    中心軸に対して傾斜させて配置することにより低出力レ
    ーザを偏向させることを特徴とする請求項第13項に記載
    のレーザビーム・アラインメント装置。
  15. 【請求項１５】レーザ・トランスミッタ及びレーザレシ
    ーバのそれぞれが前記トランスミッタとレシーバのアラ
    インメントを示す点においてアラインメントレーザビー
    ムを受けるように適当に配置された検出器を有し、トラ
    ンスミッタ及びレシーバのそれぞれがトランスミッタ及
    びレシーバをそれぞれ位置ぎめするステップ駆動装置を
    含み、前記駆動装置が固有のバックラッシュを有し、こ
    のバックラッシュが駆動装置の反転となって現われるレ
    シーバ・トランスミッタをレーザ・レシーバとアライン
    メントさせる方法であって、スタート・ブロックにおい
    てレシーバ及びトランスミッタの検出器に対してレーザ
    をアラインメントし、駆動装置を一方向にバックラッシ
    ュさせるに充分な量だけアラインメント位置から駆動
    し、駆動装置を単一方向に作動させることによって駆動
    装置を駆動させたのち、前記同じ方向に駆動装置を逐次
    繰返し作動させて初期位置からアラインメント位置へ駆
    動する段階から成ることを特徴とするレーザ・トランス
    ミッタをレーザ・レシーバとアラインメントさせる方
    法。
  16. 【請求項１６】もしアラインメントレーザがアラインメ
    ント位置に達するために駆動装置の反転を必要とするに
    充分な量だけアラインメント位置を通り過ぎると駆動装
    置をアラインメント位置から再び初期位置へ反転させる
    段階をも含むことを特徴とする請求項第15項に記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】各逐次ステップにおいて駆動装置が調整
    されるごとにアラインメントレーザビームの位置を計算
    する段階をも含むことを特徴とする請求項第15項に記載
    の方法。
  18. 【請求項１８】前記計算中に瞬間的に駆動装置を解放す
    ることによってアラインメントシステム中の応力を解放
    する段階をも含むことを特徴とする請求項第17項に記載
    の方法。
  19. 【請求項１９】ソフフト・バックラッシュ状態を克服す
    るのに必要なステップ数を計算し、あらかじめ予期され
    たソフト・バックラッシュ状態がハード・コンタクト動
    作を生じない場合、ハード・ギヤ・コンタクトを確認す
    る段階をも含むことを特徴とする請求項第15項に記載の
    方法。
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