JP2823612B2 - 溶接鋼管タブ板の切断位置検出方法および溶接鋼管タブ板の自動切断機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、溶接鋼管の突き合わされた両側縁を溶接
する際に用いるタブ板を切断する際の切断位置を検出す
る方法および切断機構に関する。

「従来の技術」 溶接鋼管は、厚鋼板をパイプ状に曲げ、両側縁を突き
合わせ溶接してなるが、溶接始終端の溶接品位は良好で
ないため、一般に、該始終端にタブ板を設け、溶接を鋼
管一端部のタブ板で始まって、他端部のタブ板で終わる
ようにして、溶接後は該タブ板を切断するようにしてい
る。

従来、上記タブ板を切断する装置としては、例えば、
特開昭61−88976号公報に記載のものが知られている。

この切断装置は、撮像手段を用いてタブ板の映像を
得、この映像を画像処理手段により２値化して基準位置
と比較し、水平面上に投影されたタブ板の位置を求める
とともに、位置検出手段により鋼管の周方向位置を検出
し、鋼管の中心位置と半径とを鋼管位置検出手段を用い
て求め、この鋼管位置検出手段と前記画像処理手段の出
力信号をロボット制御装置に入力し、これらの信号に基
づいてロボットを鋼管とタブ板との境界に沿って移動さ
せ、タブ板を溶接または切断するようにしたものであ
る。

「発明が解決しようとする課題」 ところが、上記装置では以下のような解決すべき課題
がある。

撮像手段、すなわちITVカメラ（工業用テレビカメ
ラ）でタブ板を含む鋼管の端部を捕らえる際に、鋼管の
位置が所定位置から軸方向にずれた場合（鋼管は大径、
長尺なものが多いので、停止精度が高くないのが実情で
ある。）に、ITVカメラにより鋼管の端部を認識できな
いことがある。これは、ITVカメラを傾斜させて、鋼管
の端部を斜めから捕らえることにより回避することがで
きるが、この場合、斜めから捕らえた鋼管端部の二次元
的な図形と、接触センサおよび鋼管位置検出手段による
高さ情報からタブ板の３次元的な位置を算出するのは、
計算が非常に複雑で誤差が大きくなり、正確にタブ板の
位置を認識するのが困難である。

ITVカメラで画像を捕らえることは、照明環境に大き
く左右され、常に安定した画像を得ることが困難であ
る。

固定したITVカメラで捕らえたタブ板の位置情報にし
たがってロボットを移動させることは、ロボットの持つ
座標系とカメラの座標系、およびロボットの実際の位置
とのずれが全て誤差となるので位置認識の精度が低くな
る。

この発明は、上記のような課題を解決することを目的
としている。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するために、この発明の溶接鋼管タブ
板の切断位置検出方法は、ロボットハンドに鋼管の長手
方向に隣接させて設けられた２個の位置検出センサを、
該ロボットハンドを移動させることにより鋼管の側方か
ら鋼管に向けてその長手方向に移動させて、前方の位置
検出センサにより鋼管の端面位置を粗検出し、さらに、
２個の位置検出センサを上記ロボットハンドにより同方
向に微動させて、後方の位置検出センサにより鋼管の端
面を正確に検出し、その後、上記２個の位置検出センサ
を、上記ロボットハンドにより鋼管の端面縁部を挾んだ
位置で鋼管の円周方向に移動あるいは鋼管を軸回りに回
転させて、上記後方の位置検出センサによりタブ板の円
周方向における両端面の位置を検出することにより、タ
ブ板の切断開始点と切断終了点を求めて切断位置を検出
するものである。

また、この発明の溶接鋼管タブ板の自動切断機構は、
ロボットハンドを鋼管に挿入した際に、該鋼管の長手方
向に隣接するようにロボットハンドに設けられ、かつ該
ロボットハンドの動きにより、鋼管の長手方向および円
周方向に移動して、上記タブ板の切断開始点および切断
終了点を検出する２個の位置検出センサと、 上記ロボットハンドに上記鋼管の径方向に移動可能に
設けられ、かつ上記タブ板の切断開始点と切断終了点の
情報に基づいて上記ロボットハンドが抑制されることに
より、上記タブ板の切断線に沿って移動して該タブ板を
切断する切断トーチと、 上記切断トーチに、この切断トーチの先端より突出し
て設けられて、上記鋼管の内面を離間することなく移動
して該切断トーチの切断線からの距離（高さ）を一定に
保つガイド部とを具備してなるものである。

さらに、上記位置検出センサは反射型光学センサ、透
過型光学センサ、レーザセンサのいずれかである。

「作用」 この発明にあっては、任意の大径鋼管のタブ板をロボ
ットハンドに取り付けた２個の位置検出センサによりタ
ブ板の切断開始点と終了点を検出し、この情報に基づい
て、ロボットハンドを制御して該ロボットハンドに直接
取り付けられた切断トーチによりタブ板の切断を行うと
ともに、切断する際に切断トーチに取り付けられたガイ
ド部を鋼管の内面を離れることなく移動させて、切断ト
ーチとタブ板の切断線との間の距離を一定に保つ。

「実施例」 以下、第１図ないし第16図を参照して、この発明の一
実施例を説明する。

第１図ないし第３図は、この発明に係わる自動切断機
構を示す、これらの図において、符号１はロボットを示
す。このロボット１は、５本の軸２〜６を有しており、
軸６の先端部にロボットハンド７が取り付けられてい
る。

上記軸２は、鋼管Ｋの軸方向と直交する方向に水平面
内において移動自在に設けられており、片方のタブ板Ｔ
の切断後、鋼管Ｋが長手方向に移動するときに引き込ま
れ、切断前に押し出されるようになっている。

軸３は上記軸２に、該軸２と直交する方向、すなわち
鋼管Ｋの長手方向に移動自在に設けられており、タブ板
Ｔの位置認識時、およびタブ板Ｔの切断時の鋼管端面の
ずれに応じて移動するようになっている。

軸４は上記軸３に垂直に設けられており、軸回りに回
転、上下方向に移動するようになっている。そして、こ
の軸４では、上記軸２が押し出された後、タブ板Ｔの方
にロボットハンド７を向けるために該ロボットハンド７
を左右に90゜ずつ回転させるとともに、鋼管Ｋの外径寸
法が変わる毎に鋼管Ｋの中心位置に合わせてロボットハ
ンド７を上下させるようになっている。

軸５は上記軸４に直交して軸回りに回転自在に設けら
れ、タブ板Ｔの位置認識時およびタブ板Ｔの切断時、ロ
ボットハンド７を鋼管Ｋの円周に沿って回転させるよう
になっている。なお、この軸５は鋼管Ｋの中心に一致さ
せられる。

軸６は上記軸５に直交して上下に向伸縮自在に設けら
れ、鋼管Ｋの外径寸法が変わる毎に、鋼管Ｋの外径寸法
に合わせてロボットハンド７の回転半径を伸縮するよう
になっている。

また、上記ロボットハンド７は、第２図および第３図
に示すように、上下板8,9と、この上下板8,9とを互いに
平行に保持し、かつ上記軸６が連結される側板10とから
なる断面略コ字状をなすものである。

上板８の下面先端部には、透過型光学センサ（位置検
出センサ）11,12の発光部11a,12aが、ロボットハンド７
を鋼管Ｋに挿入した際に、該鋼管Ｋの長手方向に隣接す
るように固定されており、一方、下板９の上面先端部に
は、透過型光学センサ11,12の受光部11b,12bがそれぞれ
上記発光部11a,12aに対向して取り付けられている。な
お、これら透過型光学センサ11,12は、それぞれセンサ
カバー13…により被覆保護されている。このセンサカバ
ー13は、その内部に清浄な空気が吹込まれて内部を正圧
に保たれ、これにより切断時に発生するヒューム等が内
部に侵入する事を防いでいる。

また、上記上板８の下面中央部には、この部分から下
方に延びるガイドロッド14…が固定されており、このガ
イドロッド14…には長方形板状の保持板15が上下方向に
移動自在に支持されている。この保持板15にはプラズマ
トーチ（切断トーチ）16が垂直に固定され、該保持板15
と上記上板８との間にはエアーシリンダ17が設けられて
いる。さらに、上記保持板15には下方に延びるロッド18
の基端部が固定されており、このロッド18の先端部に
は、ガイドローラ（ガイド部）20が回転自在に取り付け
られている。

このガイドローラ20は、上記プラズマトーチ16の先端
より下方に突出しており、上記エアーシリンダ17を伸長
させることにより、鋼管Ｋの内面に押し付られ、さら
に、エアーシリンダ17で鋼管Ｋの内面に押し付けると
き、エアーシリンダ17のストロークに余裕を持たせ、な
おかつエア供給弁を開けたままにしておくことにより、
鋼管Ｋの高さの変動に応じて鋼管Ｋから離れることなく
自由に上下し、これにより、プラズマトーチ16と切断線
との間の距離を一定に保つようになっている。

また、上記エアーシリンダ17には、エンコーダ、リニ
アスケール等の変位測定センサが組み込まれ、または併
設されており、鋼管Ｋ上を転動するガイドローラ20の上
下動を検出知できるようになっており、これにより、鋼
管Ｋの長手方向に沿う溶接ビート部Ｃ（第４図および第
５図参照）の盛り上がり高さを認識できるようになって
いる。

次に、上記構成の自動切断装置により鋼管Ｋの端部に
設けられたタブ板Ｔを切断する方法を説明する。

まず、ロボット１の軸４および６を鋼管Ｋの外径寸法
に合わせて伸縮させ、このときのロボットハンド７の位
置をロボット動作開始点とする。

次に、鋼管Ｋの長手方向の移動に備えてロボット動作
開始点に引き込んでおいた軸２を押し出した後、軸４を
回転させて、ロボットハンド７をタブ板Ｔ側に向ける。

次いで、以下のようにしてタブ板Ｔの切断開始点Ａと
終了点Ｂを認識する。

まず、第６図および第７図に示すように、ロボットハ
ンド７を鋼管軸方向に高速で移動させ、鋼管端面予定位
置の約70mm手前で減速して中速とし、前方の透過型光学
センサ11が鋼管端面を検出（粗検出）したら、端面の縁
部が２個の透過型光学センサ（以下光学センサと略称す
る）11,12の中間にくるように停止させる。この場合、
鋼管Ｋの端面を検知した前方の光学センサ11をONとし、
検知しない後方の光学センサ12をOFFとする。なお、図
においては、○をOFFとし、●をONとして示す。

次いで、第８図および第９図に示すように、ロボット
ハンド７を中速で鋼管円周方向に回転させる。すると、
光学センサ12がタブ板Ｔの端面位置に達したときにONと
なり、このときにロボットハンド７を停止させる。な
お、光学センサ11は既にONとなっているので、光学セン
サ12が端面位置に達したときには、両方の光学センサ1
1,12がONとなる。

次に、第10図に示すように、ロボットハンド７を中速
で上記と逆に回転させて戻し、光学センサ12がタブ板Ｔ
の端面より約5mm離れた位置で、停止させる。

さらに、第11図に示すように、ロボットハンド７を微
速で鋼管軸方向に移動させる。そして、光学センサ12が
ONになったことにより鋼管Ｋの端面の位置（切断終了点
の軸方向の位置）を正確に検出して、ロボットハンド７
を停止させる。なお、光学センサ11は既にONとなってい
るので、光学センサ12が鋼管Ｋの端面位置に達したとき
には、両方の光学センサ11,12がONとなる。

その後、第12図に示すように、ロボットハンド７を中
速で鋼管Ｋの軸方向に引き出し、鋼管Ｋの端面の縁部が
光学センサ11,12の中間にきた位置で停止させる。この
とき、光学センサ11はON状態であるが、光学センサ12は
OFFとなる。

次いで、第13図に示すように、ロボットハンド７を微
速で鋼管円周方向に回転させ、光学センサ12がONになっ
たことによりタブ板Ｔの端面の位置（切断終了点の円周
方向の位置）を正確に検出する。なお、光学センサ11は
既にONとなっているので、光学センサ12がタブ板Ｔの端
面位置に達したときには、両方の光学センサ11,12がON
となる。

その後、ロボットハンド７を高速で鋼管円周方向に回
転させ、タブ板Ｔのもう一方の円周方向の端面の端面の
約60mm手前で中速に減速する。なおも、回転を続けると
光学センサ12がOFFになり、これにより、タブ板Ｔのも
う一方の端面を検出（粗検出）したら、光学センサ12が
端面より約5mm離れた位置で、ロボットハンド７を停止
させる。

次いで、第14図に示すように、ロボットハンド７を微
速で鋼管Ｋの軸方向に僅か移動させ、光学センサ12がON
になったことにより鋼管Ｋの端面の位置（切断開始点の
軸方向の位置）を正確に検出し、停止させる。

次に、第15図に示すように、ロボットハンド７を中速
で鋼管Ｋの軸方向に引き出して、光学センサ11,12の中
間に鋼管Ｋの端面の縁部が位置とときに停止させる。

次いで、第16図に示すように、ロボットハンド７を微
速で鋼管円周方向に回転させ、光学センサ12がONになっ
たことによりタブ板Ｔのもう一方の円周方向の位置（切
断開始点の円周方向の位置）を正確に検出し、停止させ
る。

このようにして、タブ板Ｔの切断開始点Ａと終了点Ｂ
を求めるが、光学センサ11,12による測定点とプラズマ
ーチ16の火口とは鋼管Ｋの長手方向にのみ数cmずれてい
るので、実際の切断の際には、このずれ分を考慮して切
断が行なわれる。

タブ板Ｔの切断開始点Ａと終了点Ｂが求められると、
以下のように切断が行なわれる。

ロボットハンド７を移動させて、該ロボットハンド７
に取り付けられたプラズマトーチ16の先端の火口を上記
切断開始点からさらに数mm離間した（鋼管円周方向にタ
ブ板Ｔ端面から離れる方向）切断準備点の直上に位置さ
せる。なお、準備点の位置は上記切断開始点Ａの情報に
基づいてロボットコントローラが鋼管軸周り回転の座標
計算により求める。

次いで、エアシリンダ17に圧縮空気を供給し、ガイド
ローラ20を鋼管Ｋの内面に押し付けた後、プラズマトー
チ16のプラズマパイロットアークを点火する。

その後、ロボットハンド７を鋼管円周方向に移動させ
てプラズマトーチ16を切断準備点から切断開始点Ａに移
動させ、この切断開始点Ａ付近においてプラズマトーチ
16のプラズマメインアークが点火する。

次に、ロボットハンド７を鋼管円周方向に移動させる
とともに、鋼管端面のずれに応じて鋼管Ｋの長手方向に
移動させることにより、プラズマトーチ16を切断終了点
Ｂに向けて移動させる。

この際、ガイドローラ20が、エアーシリンダ17のスト
ロークに余裕を持たせ、なおかつエア供給弁を開けたま
まにしておくことにより、鋼管Ｋの高さの変動に応じて
鋼管Ｋの内面から離れることなく自由に上下するので、
プラズマトーチ16とタブ板Ｔの切断線Ｌと間の距離は常
に一定に保たれる。

そして、さらに、ロボットハンド７を移動させると、
ガイドローラ20が鋼管Ｋの長手方向に延びる溶接ビート
部Ｃを横断する。このとき、ガイドローラ20は溶接ビー
ト部Ｃでその盛り上がりにより、鋼管Ｋ自体の歪による
ものより急激に高さが上下する。一定の傾斜以上で立ち
上がった後、プラズマトーチ16の移動速度（切断速
度）、すなわちロボットハンド７の移動速度を減速し、
一定の傾斜以上で下がって再び平らな動きとなったと
き、増速して元の速度に戻すことにより、溶接ビート部
Ｃの切断品質の悪化を防止することができる。ここで、
上記ガイドローラ20の上下動は、エアシリンダ17に組み
込まれ、または併設された変位測定センサにより検出す
ることができ、この検出値に基づいてロボットハンド７
の移動速度を調節するようになっている。

プラズマトーチ16が切断終了点Ｂを通過し、さらに、
この切断終了点Ｂから数mm先のアーク消滅点に達した
ら、アークを消し、上記エアシリンダ17によりプラズマ
トーチ16を上昇させる。なお、アーク消滅点の位置は、
上記切断終了点Ｂの情報に基づいてロボットコントロー
ラが鋼管軸周り回転の座標計算により求める。

そして、タブ板Ｔを切断した後に、上記軸３を引き込
み、さらに軸２を引き込んで、ロボットハンド７を鋼管
Ｋの移動範囲から出し、その後、軸４、軸５を回転させ
てロボットハンド７を切断動作開始点へ復帰させ、切断
を完了する。

また、残り片方のタブ板Ｔを切断する場合、鋼管Ｋを
長手方向に所定の位置まで移動させた後、上記と同様の
工程を繰り返す。但し、この場合、タブ板Ｔの位置が逆
方向なので、上記軸４の回転方向を反対にする。

なお、上記実施例では、位置検出センサ11,12が認識
した切断開始点Ａおよび切断終了点Ｂがタブ板Ｔの鋼管
Ｋへの付け根の位置と一致しているが、実際に切断を行
う場合、切断のノッチ角等を考慮して、実際の切断開始
点と切断終了点はタブ板の付け根位置からずらすことが
できる。

上記溶接鋼管Ｋタブ板Ｔの自動切断方法および装置に
よれば、タブ板Ｔの位置を認識するのに、従来のように
ITVカメラを用いることなく、透過型の光学センサ11,12
を用いているので、照明環境に影響されることなく、正
確にタブ板Ｔの位置を認識して切断することができ、し
かも、従来の画像処理装置方式に比べ非常に安価であ
る。

また、ロボットハンド７に取り付けられた２個の光学
センサ11,12によりタブ板Ｔの切断開始点と終了点を検
出し、この検出値に基づいてロボットハンド７を制御、
移動させ、該ロボットハンド７に直接取り付けられたプ
ラズマトーチ16によりタブ板Ｔを切断するようにし、し
かも、切断する際にプラズマトーチ16に取り付けられた
ガイドローラ20を鋼管Ｋの内面を離れることなく転動さ
せて、プラズマトーチ16とタブ板Ｔの切断線との間の距
離を一定に保つようにしたので、タブ板Ｔの位置認識を
非常に簡単にしかも高精度に行って、その切断を行うこ
とができる。

さらに、ガイドローラ20の上下動を、エアシリンダ17
に組み込まれた変位測定センサにより検出することがで
きるので、ガイドローラ20が鋼管Ｋの長手方向に沿う溶
接ビート部Ｃを横断するのを検出して、これに基づいて
ロボットハンド７の移動速度すなわち切断速度を遅くし
て、溶接ビート部の切断品質の悪化を防止することがで
きる。

なお、上記実施例では、位置検出センサとして、透過
型光学センサ11,12を使用したが、この他、反射型光学
センサ、レーザセンサ等を使用してもよい。この場合に
おいても、切断開始点Ａおよび切断終了点Ｂは、上記実
施例と同様にして求められる。

さらに、光学センサ11,12およひプラズマトーチ16を
移動させるのに、上記のような軸２〜６を有するロボッ
ト１を使用したが、必要動作さえ満足できれば、他のロ
ボットを使用してもよい。但し、この場合においても、
ロボットコントローラで円筒座標系を自在に選べる必要
ある。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、タブ板の位
置を認識するのに、従来のようにITVカメラを用いるこ
となく、位置検出センサを用いているので、照明環境に
影響されることなく、正確にタブ板の位置を認識して切
断することができ、しかも、従来の画像処理装置方式に
比べ非常に安価である。

また、ロボットハンドに取り付けられた２個の位置検
出によりタブ板の切断開始点と終了点を検出し、この検
出値に基づいてロボットハンドを移動させ、該ロボット
ハンドに直接取り付けられた切断トーチによりタブ板を
切断するようにし、しかも、切断する際に切断トーチに
取り付けられたガイド部を鋼管の内面を離れることなく
移動させて、切断トーチとタブ板の切断線との間の距離
を一定に保つようにしたので、タブ板の位置認識を非常
に簡単にしかも高精度に行って、その切断を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第16図は、この発明の一実施例を示すもの
であり、第１図は自動切断機の概略構成図、第２図はロ
ボットハンドの概略側面図、第３図はロボットハンドの
詳細側面図、第４図はタブ板の切断開始点および終了点
を示す説明図、第５図は溶接ビート部を示す断面図、第
６図ないし第16図はそれぞれ、切断開始点と終了点を求
める過程を示す説明図である。 Ｋ……鋼管、Ｔ……タブ板 Ａ……切断開始点、Ｂ……切断終了点、 ７……ロボットハンド、 11,12……透過型光学センサ（位置検出センサ）、 16……プラズマトーチ（切断トーチ）、 20……ガイドローラ（ガイド部）。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】端部にタブ板が設けられた鋼管の該タブ板
   の切断位置を検出する方法であって、 ロボットハンドに鋼管の長手方向に隣接させて設けられ
   た２個の位置検出センサを、該ロボットハンドを移動さ
   せることにより鋼管の側方から鋼管に向けてその長さ方
   向に移動させて、前方の位置検出センサにより鋼管の端
   面位置を粗検出し、さらに、２個の位置検出センサを上
   記ロボットハンドにより同方向に微動させて、後方の位
   置検出センサにより鋼管の端面を正確に検出し、その
   後、上記２個の位置検出センサを、上記ロボットハンド
   により鋼管の端面縁部を挟んだ位置で鋼管の円周方向に
   移動あるいは鋼管を軸回りに回転させて、上記後方の位
   置検出センサによりタブ板の円周方向における両端面の
   位置を検出することをにより、タブ板の切断開始点と切
   断終点を求めて切断位置を検出してなり、上記位置検出
   センサが反射型光学センサ、透過型光学センサ、レーザ
   センサのいずれかであることを特徴とする溶接鋼管タブ
   板の切断位置検出方法。
2. 【請求項２】端部にタブ板が設けられた鋼管の該タブ板
   の切断位置を求めて、このタブ板を切断する溶接鋼管タ
   ブ板の自動切断機構であって、 ロボットハンドを鋼管に挿入した際に、該鋼管の長手方
   向に隣接するようにロボットハンドに設けられ、かつ該
   ロボットハンドの動きにより、鋼管の長手方向および円
   周方向に移動して、上記タブ板の切断開始点および切断
   終了点を検出する２個の位置検出センサと、 上記ロボットハンドに上記鋼管の径方向に移動可能に設
   けられ、かつ上記タブ板の切断開始点と切断終了点の情
   報に基づいて上記ロボットハンドが制御されることによ
   り、上記タブ板の切断線に沿って移動して該タブ板を切
   断する切断トーチと、 上記切断トーチに、この切断トーチの先端より突出して
   設けられて、上記鋼管の内面を離間することなく移動し
   て該切断トーチの切断線からの距離（高さ）を一定に保
   つガイド部とを具備してなり、 上記位置検出センサが反射型光学センサ、透過型光学セ
   ンサ、レーザセンサのいずれかであることを特徴とする
   溶接鋼管タブ板の自動切断機構。