JP3623684B2 - コラムリング溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコラムリング溶接装置に係り、鋼管などのパイプにドーナツ盤形状のリングをフランジ状に装着させ、リングの内周側部分にテーパを形成し、パイプに嵌合装着することによって前記テーパ面とパイプ表面の間に形成された開先部分を両面から同時に溶接するのに好適なコラムリング溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコラムリングのパイプとリングの横向き多層肉盛溶接では、パイプの回転により、リング両側の同時隅肉溶接が行われるが、トーチの狙い位置・溶接条件（電流、電圧、速度）の調整は全てオペレータによる手動操作である。オペレータは溶接状態を常時監視しており、溶接中にトーチ狙い位置の手動修正、および電流・電圧・速度の溶接条件を手動調整しているのが現状である。オペレータの修正は、１トーチ毎で狙い位置修正と溶接条件調整はそれぞれ別々の操作となっている。したがって、１人のオペレータでは、２トーチの溶接操作が限界となっていた。また、複数台の多関節ロボット等による自動溶接装置もあるが、各リングの開先形状状態に適応する調整は行われていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、第１に、２リング４開先の同時横向き多層隅肉溶接の適応制御化により、溶接作業そのものを大幅省人化することにある。また、第２には溶接装置の各リング位置への移動の自動化による段取り作業を省人化することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコラムリング溶接装置は、コラムに開先を有するリングを装着し、前記コラムを回転させながら開先部に沿って周方向に溶接する装置であって、リングのついたパイプを支持して回転させるポジショナと、上下、水平方向に移動可能で、溶接電源、ハンド制御装置を搭載する単体もしくは複数台のマニピュレータと、このマニピュレータに取り付けられ水平、上下、折れの３軸を持ち前記リング両面の開先に対向する溶接ハンドと、この溶接ハンドに設けられ前記開先に向けられる溶接トーチと、個々の開先形状を認識させるレーザセンサとを有するとともに、対象ワークのリング位置、開先形状、溶接順序などを予め図面から入力作成されたワークデータを読み込ませ、積層計画および回転位置検出による、各層、各パス間での狙い位置、溶接条件を修正しつつ多層に肉盛溶接を施す制御手段とを備えてなり、前記ハンド制御装置は複数の前記溶接トーチを独立の溶接条件で調整可能として溶接作業中にそれぞれトーチ位置決めを行うことができるようにし、かつ最初に行われるドライパスセンシングにより自動・手動溶接の切替え判定を行わせるようにし、前記リングの各開先を同時に溶接可能としたものである。
【０００５】
【作用】
上記構成によれば、マニピュレータは、溶接トーチ１本を把持し、３軸（水平、上下、折れ）持つ溶接ハンド２本をリングの両側から挟むように配置し、この２本のハンドの上下、水平移動を行い、溶接電源・ハンド制御装置を搭載しているので、このマニピュレータを、回転手段により保持されているパイプに装着されているリング位置に移動させ、前記溶接トーチをリング開先に向けて配置させる。リングが２本ある場合には２台のマニピュレータを各リング位置に差し向け、それぞれの両側開先にトーチを向ける。
【０００６】
制御装置は、ハンド制御装置４台、マニピュレータ２台、回転装置１台と通信接合されたパソコンシステムにより構成すればよく、予めパソコン等によるオフラインのデータ作成システムにより、対話形式での属性データおよび溶接データの作成されたワークデータを入力する。この制御装置は、多層溶接アルゴリズムを構築し、開先種類、形状に応じた層数・パス数、溶接条件など積層計画ロジックと、溶接中の適性狙い位置、溶接条件など適応制御ロジックを作成して溶接作業を行なうことができる。
【０００７】
前記制御装置は、４本のハンド、２台のマニピュレータ、１台の回転装置をパソコンにて統括制御し、各ハンド、マニピュレータ、回転装置のシーケンス同期制御の組み込み、更に４開先の溶接共通条件の作成・チェック機能を持たせることができ、構築された多層溶接アルゴリズムにより、円周の多層隅肉溶接における開先形状データの前層参照を行ない、溶接中の１回転毎のパス間移動シーケンスにより、形状データに基づく狙い位置修正量、電流、電圧、速度など適応溶接条件生成ロジックに基づいて的確な溶接を行なう。
【０００８】
前記ワークデータは、パソコンによるデータ作成システムにより、図面情報に基づいて、パソコン画面での入力操作により、該当リングの溶接順序、組み合わせ、開先形状などを順次決定しておく。現場溶接前に、事務所にて事前作成し、フロッピーディスクで前記制御装置に読み込ませればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るコラムリング溶接装置の具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
実施形態に係るコラムリング溶接装置は、パイプコラム１０とリング１２を組み合わせてビル用鉄骨支柱として用いるべく、前記パイプコラム１０にリング１２を装着し、両者を溶接結合するために利用される。リング１２の内周部表裏面にテーパ面を形成しておき、このリング１２をパイプコラム１０に装着することによって形成される開先を多層肉盛溶接する。リング１２の両面部に開先が形成されるため、この実施形態に係る溶接装置はリング両側を同時に溶接するものとし、リング１２が２個所に併設されている場合には２リングを同時に４本のトーチで溶接するようにしたものである。
【００１０】
図１は２リング４開先の同時横向き多層肉盛溶接を行なうためのコラムリング溶接装置の全体斜視図である。この図に示すように、実施形態では、複数のリング１２を装着したパイプコラム１０をその軸芯回りに回転支持するためのポジショナ１４を備えている。このポジショナ１４は、横置きに配置されたパイプコラム１０の一端部を把持するチャッキング部１６を備えており、いわゆる片持ち状態で回転できるように保持しつつ、パイプコラム１０の端部での回転位置検出及び流れ防止をなすようにしている。パイプコラム１０の下面部側には、前記チャッキング部１６の近傍位置にて支える第１のローラ台車１８が、またパイプコラム１０の自由端側に第２のローラ台車２０が配置されている。両ローラ台車１８，２０ともにコラム支持ローラ２２によってパイプコラム１０の回転支持をなしており、第１ローラ台車１８はパイプ支持回転駆動ローラとして構成され、第２ローラ２０はサポートローラとして構成されている。両ローラ台車１８，２０ともに、パイプ径及び長さの違いに対応するため、走行及びコラム支持ローラ２２の間隔調整が可能となっている。また、ローラ台車２０は高さ調整可能となっている。
【００１１】
実施形態では、ポジショナ１４によってリング１２が装着されているパイプコラム１０が回転され、この回転中において、リング１２内周部とコラム１０との間に形成された開先部分に溶接トーチ２４を向けて多層肉盛溶接を行なわせるようにしている。この模式図を図２に示す。パイプコラム１０の外周面に装着されるリング１２の内周縁部の両面を先端先細りテーパとなるように切削し、これによってコラム１０に装着されたリング１２の両側にＶ字状の開先２６（２６Ｒ、２６Ｌ）が設定される。この両開先２６に対して溶接トーチ２４を横向きにしてトーチ先端が開先２６の頂部に向くように設定し、パイプコラム１０を回転させながら全周溶接を行ない、この全周溶接を複数回繰り返して多層に肉盛溶接を施すのである。
【００１２】
ここで、リング１２の両側で同時に溶接を行なっている場合、初期の溶接条件が同一でも溶接を繰り返すうちに、左右で溶接層厚さが異ってしまうことがある。このために溶接トーチ２４は各開先２６に応じて独立で溶接条件を調整できるようにしている。図３は溶接トーチ２４の駆動の自由度を示しているスケルトン図である。図示のように、溶接トーチ２４は左右一対備えられており（２４Ｒ，２４Ｌ）、その各々は溶接ハンド２８（２８Ｒ，２８Ｌ）に取り付けられている。溶接ハンド２８は先端に備えているトーチ２４を水平移動させる軸３０Ｈと、垂直移動させる軸３０Ｖとを有しており、また、溶接トーチ２４の方向角を調整可能にトーチ基端部を屈曲節３０Ｒで支持している。また、前記一対の溶接ハンド２８Ｒ，２８Ｌは一体で１台のマニピュレータ３２に装備され、このマニピュレータ３２は前記溶接ハンド２８の垂直移動軸３４Ｖと全体の水平移動を可能とする水平移動軸３４Ｈの２軸の自由度をもつ構成とされている。これにより、溶接装置の主体は、上下、水平方向に移動可能で、溶接電源、ハンド制御装置等を搭載するマニピュレータ３２と、このマニピュレータ３２に取り付けられ水平、上下、折れの３軸持つ溶接ハンド２８Ｒ，２８Ｌと、この溶接ハンド２８Ｒ，２８Ｌに設けられ前記開先２６に向けられる溶接トーチ２４Ｒ，２４Ｌとを備えた構造となっているのである。このような構成によって、各溶接リング１２位置への移動はマニピュレータ３２の全体の走行移動によって行ない、該当リング１２位置への移動後、パイプコラム１０の径に応じてマニピュレータ３２（３４Ｖ）が上下方向の位置決めを行なう。そして、溶接作業中であって、溶接ビードラインのセンシング中においては、それぞれのトーチ位置決めは、上下・水平・水平角のみで行われ、マニピュレータ３２の走行（３４Ｈ）や上下（３４Ｖ）動作は停止状態とされる。これらの制御は後述する制御手段によって実行される。
【００１３】
このような一対の溶接トーチ２４を具備するマニピュレータ３２は、実施形態では図１に示すように、２つのリング１２の両面側を同時に溶接するように２基配備され、これによって２リング４開先の同時溶接を可能としている。
また、この溶接装置は開先２６の状態を監視するためのレーザセンサ３６を備えている。レーザセンサ３６は回転しているパイプコラム１０の溶接対象となっている個々の開先２６に向けられ、各開先２６の形状を制御手段に出力させ、当該制御手段で溶接トーチ２４の狙い位置、速度、電流などの溶接条件を生成して溶接ハンド２８を駆動制御させるようにしている。
【００１４】
制御装置は個々の溶接トーチ２４を対応する前記レーザセンサ３６からの入力に応じて個別に各開先２６形状に適応する溶接条件となるように個別制御するハンド制御装置（ロボットコントローラ）３８と、全体を統括するマスタコントローラ４０とから構成されている。ハンド制御装置３８は溶接トーチ２４の数だけ設けられ、実施例では４台設置している。このハンド制御装置３８は各溶接トーチ２４毎のシーケンス、３軸位置制御、センサ制御をなすもので、前記レーザセンサ３６で検出された開先形状データに基づき、適応溶接条件を専用のアルゴリズムで計算実行するものである。また、マスタコントローラ４０はマニピュレータ３２の走行（３４Ｈ）、上下（３４Ｖ）移動と、ポジショナ１４の回転１軸制御をなすもので、２台または４台の前記ハンド制御装置３８間での通信制御と、対象ワークの詳細溶接データの作成、及び関連機器の制御をなすものとしている。
【００１５】
更に、この溶接装置は、対象ワークのリング位置、開先形状、溶接順序などを予め図面から入力作成されたワークデータを読み込ませ、初期条件を設定するようにしている。このため、オフラインに設けられたコンピュータ４２を有し、このオフラインコンピュータ４２に対象ワークのデータを図面から入力し、この入力データに基づいて予め積層計画を設定しておき、これによって作成された溶接条件を前記マスタコントローラ４０に入力させるようにしている。この基本計画により溶接条件を設定しつつ、実際の作業においてレーザセンサ３６からの開先形状データと、ポジショナ１４からの回転位置検出により、各層、各パス間での狙い位置、溶接条件を修正するものとし、個々のハンド制御装置３８によってトーチ制御をなさしめているのである。
【００１６】
このような構成の溶接装置のブロック図を図４に示している。マスタコントローラ４０はパソコンシステムによって構成されており、オフラインデータインターフェース４４により前述したオフラインコンピュータ４２にて予め設定された基本溶接計画データを入力できるようにしている。また、ユーザインタフェース４６によりキーボード入力データや、押しボタンスイッチなどからのスイッチ入力データを入力できるようにしている。更に、これらの入力データに基づき、予め定められたアルゴリズムにより溶接作業の実行計画をなすプランニング処理部４８が設けられ、この実行計画処理を通信制御部５０によって４台のハンド制御装置３８に制御信号を出力するものとしている。また、プランニング処理部４８の実行計画処理に基づいてマニピュレータ３２やポジショナ１４を作業態勢にするための軸制御装置５２を制御するプロセスコントロール部５３が設けられている。軸制御装置５２はサーボアンプ５４を介してポジショナ１４の回転操作、並びにマニピュレータ３２の走行操作（３４Ｈ）及び上下操作（３４Ｖ）を行なわせるようにしている。
【００１７】
一方、ハンド制御装置３８では、主演算装置（ＣＰＵボード）５６を備え、通信制御部５８を介してマスタ側から入力されてくる実行計画処理に基づき、軸制御装置６０により溶接ハンド２８に取り付けられている溶接トーチ２４の３軸操作制御をサーボアンプ６２を通じて行なう。溶接トーチ２４の作動やワイヤ送給装置６４の作動をアナログインターフェース６６、デジタルインターフェース６８を通じて行なうようにしている。更に、このハンド制御装置３８にはマニュアル操作ができるようにペンダント操作盤７０が設けられ、このペンダント操作盤７０からの信号に基づいて独立した作業を実施できるようにしている。
【００１８】
このような構成に係るコラムリング溶接装置による溶接処理の基本フローチャートを図５に示す。最初にオフラインにて図面情報に基づき、パソコン画面での入力操作により、該当リングの溶接順序、組み合わせ、開先形状などを順次決定する。これは現場溶接前に事務所にて事前作成し、フロッピディスクなどの記録媒体に記録しておき、これをマスタコントローラ４０に読み込ませる。かかる準備の完了の後、作業対象ワークの該当パイプデータを選択し（ステップ１００）、自動運転スイッチを投入する（ステップ１０２）。この運転開始指令により、溶接ハンド２８などの各軸を原点を設定し（ステップ１０４）、マニピュレータ３２を溶接リング位置に移動させる（ステップ１０６）。その後はポジショナ１４によるパイプコラム１０を回転させた状態で、マスタコントローラ４０から入力された基本実施計画に基づき、ハンド制御装置３８の指令により、最初にドライパスセンシングを行なう（ステップ１０８）。これは４トーチで同時溶接可能かどうかのチェックを行なうためである。このドライパスセンシングにより２リング４開先の同時溶接の可能性を対象開先形状の偏差（ギャップ）が許容値の範囲かどうかの判定をなし（ステップ１１０）、許容値から外れている場合には（ステップ１１２）、手動溶接に切り替える（ステップ１１４）。許容値内である場合には片側１開先ずつ初層溶接を施す（ステップ１１６）。全ての初層溶接が終了したならば、４開先を対象にして次層溶接をレーザセンサ３６によるセンシングを行なって前層開先形状データを参照しつつ最終層まで多層肉盛溶接を行なう（ステップ１１８、１２０）。前層を参照して各層単位で溶接条件が変化するので、これはハンド制御装置３８が溶接トーチの狙い位置修正、電流・電圧・速度等が最適になるように適応するロジックを生成しつつ個別に制御を行なう。そして、最終リングであるかどうかの判定をなした後（ステップ１２２）、まだ対象リングが残存している場合には次のリングにマニピュレータ３２を移動して（ステップ１２４）、ステップ１０８に戻り、ドライパスセンシング処理から開始する。最終リングであればマニピュレータ３２を原点位置に戻して作業を終了するのである（ステップ１２６，１２８）。
【００１９】
このように本実施形態によれば、オフラインで図面データに基づいて溶接計画を立て、実際の溶接作業に際して円周の多層隅肉溶接における開先形状データの前層参照により溶接中の１回転毎のパス間移動シーケンスを設定し、形状データに基づくトーチ狙い位置や電流制御などの適応溶接条件を生成しつつ多層に肉盛溶接を施すので、常に最適な条件で複数の開先の多層肉盛溶接を実施できるものとなっている。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るコラムリング溶接装置に依れば、コラムに開先を有するリングを装着し、前記コラムを回転させながら開先部に沿って周方向に溶接する装置であって、リングのついたパイプを支持して回転させるポジショナと、上下、水平方向に移動可能で、溶接電源、ハンド制御装置を搭載する単体もしくは複数台のマニピュレータと、このマニピュレータに取り付けられ水平、上下、折れの３軸を持ち前記リング両面の開先に対向する溶接ハンドと、この溶接ハンドに設けられ前記開先に向けられる溶接トーチと、個々の開先形状を認識させるレーザセンサとを有するとともに、対象ワークのリング位置、開先形状、溶接順序などを予め図面から入力作成されたワークデータを読み込ませ、積層計画および回転位置検出による、各層、各パス間での狙い位置、溶接条件を修正しつつ多層に肉盛溶接を施す制御手段とを備えてなり、前記ハンド制御装置は複数の前記溶接トーチを独立の溶接条件で調整可能として溶接作業中にそれぞれトーチ位置決めを行うことができるようにし、かつ最初に行われるドライパスセンシングにより自動・手動溶接の切替え判定を行わせるようにし、前記リングの各開先を同時に溶接可能とし、前記リングの各開先を同時に溶接可能としたので、オペレータは、初期操作および各層溶接終了時の品質チェックのみで、各リングへの移動および溶接は全自動で行われるため、大幅省人化を実現できる。４トーチの場合は、従来２トーチずつで２人の溶接工が必要であったが、本装置ではワークの段取り作業を除き、異常時の処理以外は無人運転で可能である。また、パス数多い場合、パス間移動含めて狙い位置、溶接条件は安定した状態で管理されるため、手動溶接に比べて、品質安定度が非常に高いものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るコラムリング溶接装置の全体斜視図である。
【図２】同装置の溶接状態の模式図である。
【図３】同装置の要部スケルトン図である。
【図４】同装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図５】同装置による溶接処理基本フローチャートである。
【符号の説明】
１０ パイプコラム
１２ リング
１４ ポジショナ
１６ チャッキング部
１８ 第１ローラ台車
２０ 第２ローラ台車
２２ コラム支持ローラ
２４（２４Ｒ，２４Ｌ） 溶接トーチ
２６（２６Ｒ，２６Ｌ） 開先
２８（２８Ｒ，２８Ｌ） 溶接ハンド
３０Ｈ 水平移動軸
３０Ｖ 垂直移動軸
３０Ｒ 屈曲節
３２ マニピュレータ
３４Ｖ 垂直移動軸
３４Ｈ 水平移動軸
３６ レーザセンサ
３８ ハンド制御装置
４０ マスタコントローラ
４２ オフラインコンピュータ
４４ オフラインデータインターフェース
４６ ユーザインターフェース
４８ プランニング処理部
５０ 通信制御部
５２ 軸制御装置
５４ サーボアンプ
５６ 主演算装置
５８ 通信制御部
６０ 軸制御装置
６２ サーボアンプ
６４ ワイヤ送給装置
６６ アナログインターフェース
６８ デジタルインターフェース
７０ ペンダント操作盤

Claims (1)

1. コラムに開先を有するリングを装着し、前記コラムを回転させながら開先部に沿って周方向に溶接する装置であって、リングのついたパイプを支持して回転させるポジショナと、上下、水平方向に移動可能で、溶接電源、ハンド制御装置を搭載する単体もしくは複数台のマニピュレータと、このマニピュレータに取り付けられ水平、上下、折れの３軸を持ち前記リング両面の開先に対向する溶接ハンドと、この溶接ハンドに設けられ前記開先に向けられる溶接トーチと、個々の開先形状を認識させるレーザセンサとを有するとともに、対象ワークのリング位置、開先形状、溶接順序などを予め図面から入力作成されたワークデータを読み込ませ、積層計画および回転位置検出による、各層、各パス間での狙い位置、溶接条件を修正しつつ多層に肉盛溶接を施す制御手段とを備えてなり、前記ハンド制御装置は複数の前記溶接トーチを独立の溶接条件で調整可能として溶接作業中にそれぞれトーチ位置決めを行うことができるようにし、かつ最初に行われるドライパスセンシングにより自動・手動溶接の切替え判定を行わせるようにし、前記リングの各開先を同時に溶接可能としたことを特徴とするコラムリング溶接装置。

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