JP3888721B2 - クローラ走行式自動溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸着式クローラを備え、船殻ブロックなど大形外板の溶接を自動的に走行して上向き自動溶接が可能なクローラ走行式自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば大形の構造物を扱う造船ドッグ等において、船体外板を溶接する作業は、ほとんどが人手により行われている。特に船殻ブロックの底部外板を溶接する作業は、上向き溶接となり、長時間を要するため、自動化が要請されていた。
【０００３】
また大形構造物の溶接ラインにおいて、一定の軌道上を走行する走行体に、多関節アームを有する溶接ロボットを配置した自動溶接装置が見られ、一定の範囲の被溶接物であれば、軌道を設定することにより容易に自動溶接することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多様な形状を持った船体外板を溶接する場合、それぞれの船体ごとの各溶接範囲に軌道を設けることは容易ではなく、また船体ごとのプログラムの作成にも多大な費用と労力を必要とする。
【０００５】
本発明は、吸着式クローラを有する作業走行装置に着目して、溶接の自動化を図ることを目的とするもので、請求項１記載の発明は、上記問題点を解決して、上向き溶接などの人手による作業に大きい労力を必要とし、不特定で広範な長大な被溶接物を自動的に上向き溶接できるクローラ走行式自動溶接装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１記載の発明は、走行体の両側にそれぞれ被溶接材に吸着可能で、かつ走行速度を制御可能な走行クローラを具備し、前記走行クローラにより被溶接物に反転姿勢で吸着しつつ走行して被溶接物の溶接線に対して上向き溶接可能なクローラ走行式自動溶接装置であって、走行体の中間部で前記左右の走行クローラ間に溶接用空間を形成し、前記溶接用空間に、溶接トーチを左右方向にシフト自在に保持するトーチ支持装置を設け、走行体の前部に溶接線を検出する前部センサと、走行体の後部に溶接線を検出する後部センサとを配置し、前記前部センサと後部センサとの検出信号に基づいて、走行体の進行方向に沿う走行体中心線に対する溶接線の傾斜角と、溶接トーチの前記走行体中心線からのシフト量を演算し、溶接トーチのシフト位置を制御するとともに、前記傾斜角とシフト量がそれぞれ０になるように、左右の走行クローラの走行速度を制御するコントローラを設けたものである。
【０００７】
上記構成によれば、走行クローラにより走行体を被溶接材に吸着させつつ走行させるので、大きさの異なる長大な部材の上向き溶接を自動化することができ、作業員を３Ｋ作業から解放できる。またその走行制御を走行体の前部と後部に設けたセンサにより溶接線を検出し、これに基づいて左右の走行クローラの走行速度を制御することで、走行体を溶接線に沿わせて走行させることができる。またコントローラによる簡単な制御で溶接トーチを溶接線上方に沿って移動させ正確に溶接することができる。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、上記構成に加えて、コントローラを、まず左右の走行クローラを同一の基準速度で駆動して走行体の移動速度を溶接トーチの溶接速度と一致させ、左右の走行クローラを前記基準速度から等速度分相対して加算および減算し走行体の方向制御を行うように構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、走行クローラの走行速度を溶接トーチの溶接速度と同一であることを基準として、この基準速度に対して左右の走行クローラを同量ずつ増減させることで、走行体の走行速度を変えることなく方向制御を行うことができ、走行体を溶接速度に合わせつつ容易に方向制御することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係るクローラ走行式自動溶接装置の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
【００１１】
このクローラ走行式自動溶接装置は、図１〜図４に示すように、左右に走行クローラ２Ａ，２Ｂを有する走行体１に、溶接トーチ３を搭載した溶接台車装置４と、この溶接台車装置４を制御するメインコントローラ５を備えた外部制御部６と、前記溶接トーチ３に溶接用電源を供給するとともに走行体１および外部制御部６に電源を供給する電源装置７と、前記溶接トーチ３に溶接ワイヤ８を給送するワイヤ給送装置９とを具備し、支援設備として図７に示すサポート台車１０が配備されている。
【００１２】
前記溶接台車装置４の走行クローラ２Ａ，２Ｂは、リンクチェーン間に永久磁石が装着されるとともに駆動輪体および遊点輪体間に巻張され、走行体１を保持して被溶接材である逆向きの鋼製床面や垂直床面、ここでは船体外板４１を走行可能に構成されている。また左右の走行クローラ２Ａ，２Ｂは、それぞれ独立した走行用サーボモータ（図示せず）に連動連結されて走行駆動され、それぞれの駆動速度差により走行体１の方向転換を行うことができる。
【００１３】
また走行体１に配置されて溶接トーチ３を保持するトーチ支持装置１１は、走行体１に形成された溶接用空間１ａの前部に配置されており、図５，図６に示すように、走行体１に立設された左右方向の支持壁１２の後面に、上下一対の横行レール１３を介して横行体１４が左右方向にシフト自在に配設されている。そして、この横行体１４の後面に、左右一対の昇降レール１５を介して昇降体１６が昇降自在に支持され、この昇降体１６に支持アーム１７を介して溶接トーチ３が保持されている。
【００１４】
また溶接トーチ３を左右方向にシフトするトーチシフト装置１８は、支持壁１２の前面に左右方向に支持された横行用ねじ軸１８ａと、この横行用ねじ軸１８ａに嵌合された雌ねじ部材１８ｂと、巻掛け伝動機構１８ｃを介して横行用ねじ軸１８ａを回転駆動する横行用サーボモータ１８ｄと、支持壁１２の切欠き窓１２ａを介して雌ねじ部材１８ｂと横行体１４とを連結する連結部材１８ｅとで構成されている。さらに溶接トーチ３を昇降するトーチ昇降装置１９は、横行体１４の後面に左右方向に支持された昇降用ねじ軸１９ａと、この昇降用ねじ軸１９ａに嵌合された雌ねじ部材１９ｂと、巻掛け伝動機構１９ｃを介して昇降用ねじ軸１９ａを回転駆動する昇降用サーボモータ１９ｄと、昇降体１６の切欠き窓１６ａを介して雌ねじ部材１９ｂと横行体１４とを連結する連結部材１９ｅとで構成されている。
【００１５】
走行体１の前部と後部には、左右方向に照射する赤色レーザ光により、溶接線ＡＢを検知して、図８に示すように、走行体１の走行体中心線ＭＮと溶接線ＡＢとの距離Ｌａ，Ｌｂを計測する前部センサ２１Ａおよび後部センサ２１Ｂが配設されている。また走行クローラ２Ａ，２Ｂの前後位置には、落下防止用センサ２２がそれぞれ設けられている。
【００１６】
前記外部制御部６は、メインコントローラ５を操作するＣＲＴ２３およびキーボード２４と、前部および後部センサ２１Ａ，２１Ｂをそれぞれ操作するセンサコントローラ２５Ａ，２５Ｂと、リモートコントロールボックス２６が接続された中継ボックス２７が具備されている。
【００１７】
前記電源装置７からの溶接電源ケーブル２８は、＋側がワイヤ給送装置９の溶接ワイヤ８に接続され、−側が被溶接材である船体外板４１に接続されている。また、不活性ガスボンベ２９からＣＯ₂ガスが供給されている。
【００１８】
前記サポート台車１０は、図７に示すように、走行自在な台車本体３１に油圧シリンダ等からなる高さ調節装置３２を介して反転受け台３３が昇降自在に支持され、この反転受け台３３は図示しない反転装置によりストッパ３４，３４の間で１８０°反転可能に構成されている。したがって、この反転受け台３３に溶接台車装置４を正立姿勢で乗り移らせた後、反転受け台３３を反転して溶接台車装置４を反転姿勢とし、高さ調節装置３２により船体外板４１と同一レベルに調整して、溶接台車装置を船底外板４１に取り付けることができる。また逆の操作で船体外板４１から取り出すことができる。
【００１９】
次に溶接台車装置４の倣い走行制御を図８を参照して説明する。この倣い制御は、前部センサ２１Ａと後部センサ３２１Ｂから検出される走行体中心線ＭＮとの距離Ｌａ，Ｌｂから溶接トーチ３のシフト量Ｕと、走行体中心線ＭＮに対する溶接線ＡＢの傾斜角θを求め、θ＝０、Ｕ＝０を制御目標とする（θ＝０が優先）ものである。
【００２０】
すなわち、Ｏ₀ は溶接トーチ３の原点位置、Ｏａは前部センサ２１Ａの原点位置、Ｏｂは後部センサ２１Ｂの原点位置、Ｈａは前部センサ２１Ａと溶接トーチ３との距離、Ｈｂは後部センサ２１Ｂと溶接トーチ３との距離とすると、溶接トーチ３のシフト量Ｕは、
Ｕ＝［（Ｌａ＋Ｌｂ）／（Ｈａ＋Ｈｂ）］×Ｈｂ−Ｌｂ…▲１▼
また、走行体中心線ＭＮに対する溶接線ＡＢの傾斜角θは、
tan θ＝（Ｌａ＋Ｌｂ）／（Ｈａ＋Ｈｂ）
θ＝tan^-1 （Ｌａ＋Ｌｂ）／（Ｈａ＋Ｈｂ）…▲２▼により求められる。
さらに、ＶＬは左走行クローラ２Ａの走行速度、ＶＲは右走行クローラ２Ｂの走行速度、ΔＶは左右の走行クローラ２Ａ，２Ｂの速度差とすると、
ΔＶ＝Ｋ１｜Ｖ｜［θ−Ｋ２×Ｕ×（Ｖ／｜Ｖ｜）］…▲３▼−１
ＶＬ＝Ｖ−ΔＶ，ＶＲ＝Ｖ＋ΔＶ…▲３▼−２，３
ここで、Ｋ１，Ｋ２は倣いゲイン、θは前部で走行体中心線ＭＮより左側が＋である。
【００２１】
前記倣いゲインＫ１，Ｋ２は、たとえばθ＝１０°のずれでΔＶ＝２０％の速度差を発生させるとすると、Ｋ１＝０．２／（１０π／１８０）＝１．１４６となり、Ｕ＝５０ｍｍのずれでΔθ（≡Ｋ２×Ｕ）＝１０°の進行方向修正を発生させるとすると、Ｋ２＝（１０×π／１８０）／５０＝０．００３４９となる。
【００２２】
またθ＝２０°のずれでΔＶ＝２０％の速度差を発生させるとすると、Ｋ１＝０．２／（２０π／１８０）＝０．５７３となり、Ｕ＝５０ｍｍのずれでΔθ（≡Ｋ２×Ｕ）＝２０°の進行方向修正を発生させるとすると、Ｋ２＝（２０×π／１８０）／５０＝０．００６９８となる。
【００２３】
上記構成において、溶接台車装置４をサポート台車１０の反転受け台３３から船体外板４１の底面に反転姿勢で乗り移らせた後、溶接台車装置４が自動運転される。この時の制御動作を図９，図１０を参照して説明する。
１．メインコントローラ５の入出力装置であるキーボード２４により溶接速度Ｖが設定される（Ｓｔｅｐ１）。
２．自動溶接中には、前部センサ２１Ａによる溶接線ＡＢの検出データと、後部センサ２１Ｂの溶接線ＡＢの検出データから，走行体中心線ＭＮからのずれ量Ｌａ，Ｌｂを求め、溶接トーチ３のシフト位置Ｕと、走行体１の傾斜角θを算出する（Ｓｔｅｐ１１）。
３．走行体１の傾斜角θから倣い走行のための左右の走行クローラ２Ａ，２Ｂの速度ΔＶを算出し（Ｓｔｅｐ１２）、さらに溶接トーチ３のシフト位置Ｕ（Ｓｔｅｐ１３）を算出する。
４．トーチシフト装置１８の横行用モータ１８ｄと、左右の走行クローラ２Ａ，２Ｂの駆動モータに指令値Ｕおよび±ΔＶを指令する（Ｓｔｅｐ１４）。
【００２４】
上記実施の形態によれば、サポート台車１０を使用して溶接台車装置４を船体外板４１の底面に反転姿勢で乗り移らせ、セッティングして開始操作をするだけで、溶接台車装置４が前部、後部のセンサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号に基づいて溶接線ＡＢに沿って溶接速度に合わせて自動走行させ、トーチシフト装置１８およびトーチ昇降装置１９により溶接トーチ３の位置を制御して上向き溶接を自動的に行うことができる。したがって、労働者を３Ｋ労働から解放することができ、また船体外板４１ごとのプログラムも不要で、また多種類の船体外板４１に適用することができる。
【００２５】
また、図１１に示すように、上記トーチ支持装置１１に代えて、溶接台車装置４に多関節アーム５１を有する溶接ロボット５２を配置することもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上に述べたごとく、請求項１記載の発明によれば、走行クローラにより走行体を被溶接材に吸着させつつ走行させるので、大きさの異なる長大な部材の上向き溶接を自動化することができ、作業員を３Ｋ作業から解放できる。またその走行制御を走行体の前部と後部に設けたセンサにより溶接線を検出し、これに基づいて左右の走行クローラの走行速度を制御することで、走行体を溶接線に沿わせて走行させることができる。またコントローラによる簡単な制御で溶接トーチを溶接線上方に沿って移動させ正確に溶接することができる。
【００２７】
また請求項２記載の発明によれば、走行クローラの走行速度を溶接トーチの溶接速度と同一であることを基準として、この基準速度に対して左右の走行クローラを同量ずつ増減させることで、走行体の走行速度を変えることなく方向制御することができ、走行体を溶接速度に合わせつつ容易に自動溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るクローラ走行式自動溶接装置の実施の形態を示す全体構成図である。
【図２】同溶接台車装置の平面図である。
【図３】同溶接台車装置の側面図である。
【図４】同溶接台車装置の正面図である。
【図５】同溶接台車装置のトーチ支持装置を示す側面図である。
【図６】同溶接台車装置のトーチ支持装置を示す平面図である。
【図７】同溶接台車装置とサポート台車の使用状態を示す側面図である。
【図８】同クローラ走行式自動溶接装置の走行制御を示す説明図である。
【図９】同クローラ走行式自動溶接装置の走行制御装置を示す構成図である。
【図１０】同クローラ走行式自動溶接装置の走行制御を示す流れ図である。
【図１１】クローラ走行式自動溶接装置の他の実施の形態を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 走行体
２Ａ，２Ｂ 走行クローラ
３ 溶接トーチ
４ 溶接台車装置
５ メインコントローラ
６ 外部制御部
７ 電源装置
８ 溶接ワイヤ
９ ワイヤ給送装置
１０ サポート台車
１１ トーチ支持装置
１８ トーチシフト装置
１９ トーチ昇降装置
２１Ａ 前部センサ
２１Ｂ 後部センサ
４１ 船体外板（被溶接材）

Claims (2)

1. 走行体の両側にそれぞれ被溶接材に吸着可能で、かつ走行速度を制御可能な走行クローラを具備し、前記走行クローラにより被溶接物に反転姿勢で吸着しつつ走行して被溶接物の溶接線に対して上向き溶接可能なクローラ走行式自動溶接装置であって、
   走行体の中間部で前記左右の走行クローラ間に溶接用空間を形成し、
   前記溶接用空間に、溶接トーチを左右方向にシフト自在に保持するトーチ支持装置を設け、
   走行体の前部に溶接線を検出する前部センサと、走行体の後部に溶接線を検出する後部センサとを配置し、
   前記前部センサと後部センサとの検出信号に基づいて、走行体の進行方向に沿う走行体中心線に対する溶接線の傾斜角と、溶接トーチの前記走行体中心線からのシフト量を演算し、溶接トーチのシフト位置を制御するとともに、前記傾斜角とシフト量がそれぞれ０になるように、左右の走行クローラの走行速度を制御するコントローラを設けた
   ことを特徴とするクローラ走行式自動溶接装置。
2. 前記コントローラは、まず左右の走行クローラを同一の基準速度で駆動して走行体の移動速度を溶接トーチの溶接速度と一致させ、
   左右の走行クローラを前記基準速度から等速度分相対して加算および減算し走行体の方向制御を行うように構成した
   ことを特徴とする請求項１記載のクローラ走行式自動溶接装置。

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