JP4378593B2 - ３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法に係り、特に、３次元計測を行うと共に、計算機シミュレーション技術を用いて、発電所等建設における既設配管と、直管の合せ配管の現場合わせ作業を行う３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電所等の建設では、建築物内の左右あるいは上下別々の方向から接続されてきた配管同士をある箇所で連結する作業が多数存在する。この配管の連結は、ほとんどが３次元の位置合わせが行われている。以下では、左右・上下の方向から接続されてきた配管を既設配管と呼び、連結のための直管または曲げ管などを合せ配管と呼ぶ。現状ではＣＡＤ等を用いた施工計画により、これらの配管は適切な形状・寸法に加工されて現場に持ち込まれて配管の敷設が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チェーンブロック等を用いての人手による配管の位置決め・接続作業には精度的限界があり、向かい合った既設配管間に図面通りの合わせた配管が収まることは殆どない。このため、現場で合わせるためには端面加工が必ず必要になり、チェーンブロックにより合わせ作業が必要となっている。この合わせ作業は、従来の目算による補正量の見積もりでは所望の精度を一回で得ることは難しく、後述する一連の作業を繰返し行わなければならない。よって現場で適宜グラインダによる端面の修正加工を行っているため、不要な工数が発生しているとともに、配管の過加工による失敗は、工期の遅れをもたらすために絶対に避けなければならない。特に、原子力発電所建設現場では、直径３００ｍｍ以上・長さ数ｍにも及ぶ鋼管を±０．５ｍｍという非常に高い精度で位置決めしなければならない。
【０００４】
従来この配管作業は、
（１）合せ配管のチェーンブロックによる吊り上げ、合せ作業
（２）巻尺等を用いた補正量見積もり
（３）グラインダによる補正加工
の３つの工程を接続が要求精度内に収まるまで繰返して行い、その後に溶接が施されている。配管合せ作業は複数のチェーンブロックによる協調作業のため、労力・時間・技能が要求され、また補正量の見積もりにも経験に基づく熟練技能が必要とされる。このため、原子力発電所建設現場等では、大径の配管を容易に、精度良く、配管合せができる方法が求められている。このとき、出来る限り配管加工量が少ないことが望ましい。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたもので、既設配管に合せ配管を接続する時に端面加工量を、計測技術と計算機の演算により求め、それにしたがって加工して現場にて容易に、精度良く位置合わせする３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、特に本発明は、大径の配管を現場合わせする時に、計測によって得た各端面の３次元空間のおける既設配管と、位置合せする合せ配管との相対的位置関係から最適な加工量を演算によって求め、それにしたがって加工して容易に精度良く位置合わせができる３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法は、一対の離間した既設配管の円の管端を３次元計測器で計測して、その中心位置、中心軸ベクトル、および距離を算出するとともに、一対の既設配管とその間に挿入される合せ配管の各中心軸ベクトルの軸交差角をパラメータとして仮想合わせし、一対の既設配管と合せ配管との端面形状が一致する軸交差角と合せ配管の長さを求め、その軸交差角に応じて既設配管と合せ配管の端面、および、合せ配管の長さを加工して、既設配管と合せ配管とを接合することを特徴とする。
【０００８】
この場合において、軸交差角は、一方を１８０度の初期値とするとともに、１８０度から一定角度の範囲でシミュレーションし、他方を幾何学的に求めるようにしている。
また、軸交差角は、既設配管の加工量が最小となるように最大に選定するようにすると良い。
【０００９】
上記構成によれば、３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法は、建築物内の左右あるいは上下別々の方向から接続されてきた一対の離間した既設配管と合せ配管の円形形状の端面を３次元測定器により計測点で３点以上測定する。この測定された配管の端面は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を有する基準座標系に対して、円の中心位置、中心軸ベクトル、および距離が算出される。この既設配管の間には、各配管の中心軸ベクトルが交差するように合せ配管が仮想的に挿入される。このとき、既設配管と合せ配管とは、軸交差角がシミュレーションにより角度が設定されたとき、配管の上下で重なり合うように、軸交点座標が端点よりも内側に移動している。この軸交差角は、初期値が１８０度に仮定されて計算され、所定の条件を満足しない場合には、設定された一定角度までの範囲でシミュレーションが行われる。このシミュレーションによって得られた軸交差角を基にして加工量が設定されるとともに、既設配管および合せ配管の各端面の加工が行われる。この当接する既設配管および合せ配管は同一断面形状になっており、また、従来の接合加工に比べて合せ面の隙間が一定になり、溶接加工が精度良くできる。また、軸交差角は、シミュレーションによって得られた軸交差角の最大値が選定されており、既設配管の加工量が最小となり、加工量が少なくなるともに、溶接長さも少なくなっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法の具体的実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、３次元計測器１００による配管端面の計測の模式図を示す。３次元計測器１００は、３次元計測器１００からの測定値を取入れるとともに、それを画面に表示し後述する軸交差角αを求めるパソコン等の計算機１０１が接続されている。
【００１１】
図１において、３次元計測器１００は、光学的方法による３次元計測器１００を用いた例を示しているが、これは端面上の所望の位置を計測でき、配管合わせ精度よりも上位の精度を持つものであればこれに限らない。図１において、ほぼ平行に対面した左側既設配管１と右側既設配管２との二つの配管１、２の間に、直管である合せ配管３を挿入して接続する作業を示す。この直管は曲げ管でもよい。
【００１２】
次に、３次元計測器１００を用いて、二つの既設配管１、２と合せ配管３の加工角度、および、合せ配管３の長さを求める例について説明する。先ず、既設配管１、２、および合せ配管３の各端面の１ａ、２ａ、３ａ（配管３の左側端面）、３ｂ（右側端面）につき、一端面に３点の計測を行い、配管の端面の数式モデル化を行う。図２に示すように、各端面の１ａ、２ａ、３ａ、３ｂの外周上で、かつ、３次元上の任意位置に設定した３点の、５（ａ点）、６（ｂ点）、および７（ｃ点）を計測し、その全点を通る円８と、その中心９（Ｏａ）を通り面に垂直な中心軸ベクトル１０（軸ベクトルＶ）を求める。前記任意の３点を通る円８の中心座標、及び、直径は幾何学的計算から容易に求まる。また、３点を用いたベクトル外積１１（＝ａｂ×ａｃ）を求めることにより、中心軸ベクトル１０と基準座標系１２のなす方向余弦を求めることで、数式１に示す円８の方程式を得る。
【数式１】
上記手法は、４つの端面１ａ、２ａ、３ａ、３ｂに実施し、各配管を円としその軸ベクトルＶとして数式化する。
【００１３】
次に、配管接続のための端面加工量を求める方法について述べる。図３（ａ）には、直径Ｄの二つの配管１４（例えば、既設配管１と合せ配管３）を軸交差角αで仮想合わせして接続した状態を示す。両端面１ａ、３ａは、既設配管１と合せ配管３の上点Ｐｕと下点Ｐｄで重なり合うように、図３に示すごとく、それぞれ中心軸１６に対して９０°−α／２の傾いた面となるように加工しなければならない。図中斜線で示した部分１８が各端面１ａ、３ａの加工量である。このとき、中心軸の交点１９は端面中心Ｏａの端点１ｄ、３ｄよりも数式２に示す軸交点移動量ｄだけ、内側に移動することが幾何学的関係から容易にわかる。
【数式２】
但し、Ｄ：配管の直径
α：軸交差角
ｄ：軸交点移動量
【００１４】
以下、図４に示すように、軸ベクトルＶ１は、左側既設配管１の端面１ａで、端面中心Ｏａの端点１ｄを支点とし、左側既設配管１の中心軸１ｃ沿った方向をいい、また、軸ベクトルＶ２は、左側既設配管２の端面２ａで、端面中心Ｏａの端点２ｄを支点とし、左側既設配管２の中心軸２ｃ沿った方向をいう。合せ配管３については、左側端面３ａ側の軸ベクトルを左側軸ベクトルＶｍ３、および、右側端面３ｂ側の軸ベクトルを右側軸ベクトルＶｒ３と呼ぶが、ここでは、左側軸ベクトルＶｍ３と右側軸ベクトルＶｒ３とは、平行でその向きが逆であるため、以下では右側軸ベクトルＶあるいは左側軸ベクトル−Ｖとして表す。
【００１５】
以下に上記手法を用いた加工量計算方法を示す。先ず、右側既設配管２と合せ配管３の交差角αの仮定を行う。図５に示すように、右側既設配管２の中心軸２ｃと、合せ配管３の中心軸３ｃとが軸交点座標ＣＰ１で角度αで交差するものと仮定する。このとき、配管同士が適切な接続をなすために、右側既設配管２の中心軸２ｃと、合せ配管３の中心軸３ｃとの交点は、前記の数式２に示すように、それぞれの端点２ｄ、３ｄよりも軸交点移動量ｄだけ内側になる。右側既設配管２の中心軸２ｃの軸交点座標ＣＰ１は、軸交点移動量ｄを用いて数式３のように表せる。
【数式３】
【００１６】
次に、左側既設配管１の中心軸１ｃと、合せ配管３の中心軸３ｃとの交点（軸交点座標ＣＰ２）の計算を行う。右側既設配管２の中心軸２ｃと合せ配管３の中心軸３ｃとの交差角度αを保ちながら左側既設配管１の中心軸１ｃと合せ配管３の中心軸３ｃとが交差する点（軸交点座標ＣＰ２）は、図５より明らかなように一意により定まる。このときの軸１ｃと３ｃとのなす角βを以下の手順で求める。左側既設配管１の中心軸１ｃ上の軸交点座標ＣＰ２は未知数の第１軸交点移動量ｄｘを用いて数式４に表わされる。
【数式４】
この時、ＣＰ２からＣＰ１に向けた単位ベクトルＶは数式５のように表せる。
【数式５】
また、Ｖ２とＶとの関係は内積を用いて数式６のように表せる。
【数式６】
数式５を数式６に代入することで未知数の第１軸交点移動量ｄｘを得て、交点座標ＣＰ２を求めることができる。
【００１７】
以上から軸交差角βの計算を行う。左側既設配管１の中心軸１ｃと、合せ配管３の中心軸３ｃとの交差角βを左側既設配管１の軸ベクトルＶ１と、合せ配管３の左側軸ベクトル−Ｖを用いて数式７で計算する。
【数式７】
【００１８】
次に、左側既設配管１および右側既設配管２と、合せ配管３との接続が適切か否かの検討について記述する。右側既設配管２の中心軸２ｃと、合せ配管３の中心軸３ｃの交差角αを保った場合の中心軸１ｃと中心軸３ｃとの交点は、左側既設配管１の端点１ｄより第１軸交点移動量ｄｘだけ内側にあることが数式４〜数式６により得られる。一方、直径Ｄの配管同士が軸交差角βで接続するには、軸交点はそれぞれ端点より少なくとも第２軸交点移動量ｄｎだけ内側になければならない。この第２軸交点移動量ｄｎは数式８により求められる。
【数式８】
但し、β：軸交差角
第１軸交点移動量ｄｘが次の数式９の条件を満たす場合には、左側既設配管１および右側既設配管２は、合せ配管３と軸交差角α、βによる接続が可能である。
【数式９】
更に、左側既設配管１および右側既設配管２の加工量を最小とするためには数式１０にすることが望ましい。
【数式１０】
【００１９】
一方、図６に示すように、合せ配管３は、角度９０°−α／２、９０°−β／２の端面加工の外に、長さの調節のために端面に対し平行な加工を行なう必要がある。その平行加工量Ｌｍは、軸交点間距離をＬｓ、合せ配管３の長さをＬｐとすると、
【数式１１】
である。
【００２０】
数式１０を満たす場合、軸交差角α、βでの左側既設配管１および右側既設配管２の加工量を最小とする接続が可能である。上記条件を満たさない場合には、軸交差角αの値を一定の割合で変化させて再度計算を試みる。
【００２１】
次に、上記の計算について、図６のフローチャートにしたがって説明する。
先ず、３次元計測器１００を用いて、左側既設配管１、右側既設配管２、および、合せ配管３の円形形状である各端面１ａ、２ａ、３ａ、３ｂの計測を行う（ステップ１）。次に、計測した左側既設配管１、右側既設配管２、および、合せ配管３を基にして、その左側既設配管１、右側既設配管２および合せ配管３の各端面１ａ、２ａ、３ａ、３ｂの中心位置、中心軸ベクトル、およびその間の距離を３次元の基準座標系により数式化する（ステップ２）。このとき、３次元計測器１００からのパソコン等の計算機１０１に測定値が読込むとともに、そのデータを画面に表示する。右側既設配管２と合せ配管３との軸交差角αを初期値１８０度に設定する（ステップ３）。右側既設配管２と合せ配管３とを接続したときの軸交点移動量ｄを数式２より計算する（ステップ４）。左側既設配管１と合せ配管３とを接続したときの第１軸交点移動量ｄｘおよび軸交差角βを数式７より計算機１０１により計算する（ステップ５）。左側既設配管１と合せ配管３とを接続したときの第２軸交点移動量ｄｎを数式８より計算する（ステップ６）。ステップ７では、数式９により、第１軸交点移動量ｄｘが第２軸交点移動量ｄｎよりも大きいか、あるいは、等しいか、否かを判定している。満足していない（ＮＯ）ときには、ステップ８に行く。ステップ８では、軸交差角αが設定範囲内か、否かを判定している。ステップ８で軸交差角αが設定範囲内に入っているときには、ｊ＝ｊ＋１を行い、ステップ９に行く。ステップ９では、軸交差角αを一定の割合で変化させ、軸交差角α＝１８０−ｊを行っている。ステップ９で軸交差角αを一定の割合で変化させた軸交差角αを用いて、再度軸交差角βを数式７より計算する。ステップ８で軸交差角αが設定範囲内に入っていないときには、ステップ１０に行き、最適解探索失敗とする。ステップ７で、両者が満足している（ＹＥＳ）ときには、ステップ１１に行く。ステップ１１では、各端面１ａ、２ａ、３ａ、３ｂの加工量の計算を行う。端面２ａと３ａの加工量の計算は、軸交差角αより求める。また、端面１ａと３ａの加工量の計算は、軸交差角βと平行加工量Ｌｍより求める。この求めた結果により、ステップ１２で計算は終了する。この計算結果に基づいて、現場で左側既設配管１、右側既設配管２、および、合せ配管３の加工を行なう（ステップ１３）。この合せ配管３は、左側既設配管１および右側既設配管２に合された後に溶接が行われ（ステップ１４）、配管組立作業が完了する。
なお、上記実施例では、直管について説明したが、曲げ管でも計算した後に加工することができる。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態に係る３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法は、一対の離間した既設配管の円の管端を３次元計測器で計測して、その中心位置、中心軸ベクトル、および距離を算出するとともに、一対の既設配管とその間に挿入される合せ配管の各中心軸ベクトルの軸交差角をパラメータとして仮想合わせし、一対の既設配管と合せ配管との端面形状が一致する軸交差角と合せ配管の長さを求め、その軸交差角に応じて既設配管と合せ配管の端面、および、合せ配管の長さを加工して、既設配管と合せ配管とを接合するため、既設配管に合せ配管を接続する時に端面加工量を、計測技術と計算機の演算により求め、それにしたがって加工して現場にて容易に、精度良く位置合わせすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法は、左右あるいは上下別々の方向から接続されてきた一対の離間した既設配管の円形形状の端面が３次元測定器によりされ、基準座標系に対して、円の中心位置、中心軸ベクトル、および距離が算出される。この既設配管の間には、各配管の中心軸ベクトルが交差するように合せ配管が仮想的に挿入される。このとき、画面に表示されるようにしているため、作業員が画面を見ながら判断でき、容易で、確実に作業ができる。これにより、本発明では、
（１）３次元計測器による端面計測
（２）計測値を用いた配管接続のシミュレーション及び加工データ
（３）加工データを用いたケガキ、グラインダによる加工
これらの手順を１度実施すれば、各配管端面は適切な形状に加工できる。３次元計測を行うことで、労力・時間・技能を要するチェーンブロックによる吊り上げ、合せ作業が不要になり、作業時間を短縮できる。また、従来熟練者の経験に頼っていた加工量計算が、一度の計測・計算で正確に、また特殊技能なしに行うことが可能となり、スキルフリー化につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３次元計測器による配管端面の計測を示す模試図である。
【図２】３次元空間上にある配管の円形形状の端面を測定し、数式モデル化するための説明図である。
【図３】交差角αで接合する配管の接合と加工を説明する図である。
【図４】数式化された既設配管と合せ配管を示す図である。
【図５】最適解の探索方法を説明する図である。
【図６】既設配管の間に仮想合わせする合せ配管を説明する図である。
【図７】３次元の配管を接合する計算のフローチャート図である。
【符号の説明】
１………左側既設配管、１ａ………左側既設配管の端面、
１ｃ………左側既設配管の中心軸、１ｄ………左側既設配管の端点、
２………右側既設配管、２ａ………右側既設配管の端面、
３………合せ配管、３ａ………合せ配管の左側端面、
３ｂ………合せ配管の右側端面、８………円、９………中心、
１０………中心軸ベクトル１０（軸ベクトルＶ）、１２………基準座標系、
１００………３次元計測器、１０１………計算機、α、β………軸交差角

Claims (3)

1. 一対の離間した既設配管の円の管端を３次元計測器で計測して、その中心位置、中心軸ベクトル、および距離を算出するとともに、一対の既設配管とその間に挿入される合せ配管の各中心軸ベクトルの軸交差角をパラメータとして仮想合わせし、一方の既設配管と合せ配管の軸交差角、各軸の交差座標、配管端面の斜め切り量を求め、合せ配管の長さが計算で求めた軸交点間距離及び斜め切りの端面加工に必要な切断余長を合せた値以上に長いかを判定し、合せ配管の長さがその条件を満足しない場合には、最初に仮定した軸交差角を変えて再度同じ計算を行うアルゴリズムにより、一対の既設配管と合せ配管との端面形状が一致する軸交差角と合せ配管の長さを求め、その軸交差角に応じて既設配管と合せ配管の端面、および、合せ配管の長さを加工して、既設配管と合せ配管とを接合することを特徴とする３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法。
2. 軸交差角は、一方を１８０度の初期値とするとともに、１８０度から一定角度の範囲でシミュレーションし、他方を幾何学的に求めることを特徴とする請求項１記載の３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法。
3. 軸交差角は、既設配管の加工量が最小となるように最大に選定することを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の３次元計測による既設配管と合せ配管との接合方法。