JP5171330B2 - ロボット旋回型全姿勢溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、動かないワークに対して全姿勢溶接ができる溶接装置に関し、特にパイプを突合せ溶接で接続延伸するために利用することができる全姿勢溶接装置に関する。

従来の自動溶接装置は、普通、溶接機とポジショナーで構成され、ポジショナーにワークを取り付けて、固設された溶接機の作業しやすい位置および姿勢に調整して溶接を行う。
たとえば、特許文献1には、溶接などに利用できるワークポジショナーが開示されている。開示装置は、中央部に開口を設けたワーク搭載台を昇降および旋回可能なアームに取り付けたもので、ワーク搭載台がターンテーブルになっていて、これにセットしたワークの裏側にも工具がアクセスできるようになっている。開示装置を溶接ロボットに組み合わせて、ワークを最も溶接しやすい位置に位置決めして溶接をすることができる。

しかし、このような自動溶接装置では、ワークが自由な位置姿勢を選択できることが前提になっていることから、溶接トーチのアクセスには制約が存在している。したがって、大きな装置の一部である場合などワークが固定されて自由に動かせない場合、溶接する全ての部分に対して適切な溶接姿勢を選択して完全な溶接を行うことは困難であった。

特許文献２には、ボイラパネルのチューブを突き合わせ溶接するときなどパイプを１周する溶接部の自動溶接を行う全姿勢溶接ヘッドが開示されている。
全姿勢自動溶接ヘッドには、アーク長調整と多層溶接に対応するため、トーチ上下機構が必要となる。

開示された溶接ヘッドは、ボディ、トーチ、クランプ機構、トーチ回転用リング、トーチ上下用リング、ワイヤ送給機構、などから構成され、クランプ機構でチューブに固定して、トーチ回転用リングとトーチ上下用リングがチューブに跨りチューブの中心軸の回りを回転して、チューブの溶接部を溶接する。トーチ上下駆動機構はシャフトと溝で構成され、トーチ回転用リングとトーチ上下用リングの回転数差に基づいてトーチを上下方向に駆動するので、リングの厚さは薄くすることができる。また、回転用モータ、上下用モータ、回転位置検出用エンコーダなどはチューブに固定されるボディの方に収納して、チューブの外周を回転するリングの厚みが大きくならないようにしてある。

開示の溶接ヘッドは、１７ｍｍというボイラパネルチューブ同士の狭隘な間隙にリング部を挿入して回転させることにより溶接部１周の溶接ができるようにコンパクトに構成されている。
しかし、開示された溶接ヘッドは、ボイラパネルチューブの突合せ溶接に特化された溶接装置になっていて、他の溶接対象に適用することはできない。
なお、開示された溶接ヘッドは、開先の組立、施工中の溶接条件や溶接位置の変更、トーチの電極交換などを作業者が行うので、無監視で溶接加工をすることはできない。
特開２００３−１１７６９２号公報 特開２００１−２２５１６５号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、静止したワークに対してワークを巡って設定された溶接部の全体を溶接する全姿勢溶接装置を提供することである。特に、パイプを突き合わせた形に組み立てて自動で溶接することに便利に利用できる全姿勢溶接装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の全姿勢溶接装置は、ベースに搭載され回転軸の回りを旋回する旋回ポジショナーに溶接ロボットを固定し、巻き取りドラムを旋回ポジショナーに固設し旋回ポジショナーの回転にしたがって溶接トーチにユーティリティを供給する配線配管を巻き込んだり巻き戻したりして、配線配管に生じる弛みはケーブルバッファーで吸収することを特徴とする。

本発明の全姿勢溶接装置は、溶接ロボットが旋回ポジショナーに設けられ一緒に回転すると共に、旋回ポジショナーに巻き付けられた配線配管の末端から溶接ロボットの溶接トーチにユーティリティーを供給する。
溶接ロボットに把持させた溶接トーチは、ロボットアームの動きにより自由な溶接姿勢を取ることができる。また、溶接トーチは回転する旋回ポジショナーに対して相対的な位置関係が殆ど変化しないので、旋回ポジショナーから溶接トーチまで繋がる配線配管は一旦配設した後は溶接中に変更する必要はなくまた互いに絡み合う危険もない。さらに外部のユーティリティ供給源から繋がる配線配管に生じる弛みはケーブルバッファーが吸収するため、旋回ポジショナーは同一方向に連続して複数回回転することができる。

したがって、溶接ロボットはワークの周囲を複数回同じ方向に続けて回転して多層溶接を行うことも可能である。このように多層溶接を連続的に施工すると、高い溶接品質を得ることができる。
なお、巻き取りドラムは巻き付け部分が仕切りにより分離され、配線配管の種類毎に別々に巻き取ることにより、相互間の絡みや不規則な巻き込みを防止するようになっている。
このように、本発明の溶接装置は、溶接ロボットがワークの周囲を旋回しながらワークの溶接部を全姿勢溶接するロボット旋回型全姿勢溶接装置になっている。

ワークは、突き合わせ溶接されるパイプであってもよい。
この場合は、ワークに対して相対的に固定されるベースは、旋回ポジショナーの回転軸に沿って平行にパイプの通る孔が設けられて、孔を貫通したパイプがクランプ機構によりベースに対して固定させることができるようにすることが好ましい。
また、さらに自動開先合わせ機構を備えることが好ましい。
自動開先合わせ機構は、台座に対して水平２軸方向に位置決め可能な基盤に垂直方向に位置決め可能なチャック機構を組み込んだ構成を有する。

突き合わせるもう一方のパイプは、自動開先合わせ機構にセットされて、全姿勢溶接装置の施工範囲内に開先を構成する２つのパイプ端面を停止させ、クランプ機構により固定する。その後に溶接ロボットに通常装備されているセンシング機能を用いて端面同士の位置関係を把握して、自動開先合わせ機構で位置修正することにより自動的に開先を組み立てることができる。

自動開先合わせ機構を備えた溶接ロボット旋回型全姿勢溶接装置では、パイプ突き合わせ部分に形成される開先が自動的に組み立てられるので、熟練作業者による開先合わせが不要となる。

さらに、トーチ部品の自動交換機能を備えてもいい。自動交換装置は、電極や電極チップの消耗状態が検出されるとロボット制御により溶接トーチを廃棄ボックスの上に持ってきて、消耗電極等を外して廃棄ボックスに落した後に、電極供給盤の決められた電極等を溶接トーチに装着して、溶接トーチを元の作業位置に戻す。

ティグ溶接における消耗電極やミグ溶接やマグ溶接における消耗電極チップは、自動交換機能を用いて交換すれば、作業者による交換作業が不要となり、高度な自動化が可能となる。
これらの溶接姿勢の自由な選択、開先のセンシング、溶接条件の変更、トーチ部品の自動交換機能は、溶接ロボットを利用することにより、簡単に実現するとができる。

旋回ポジショナーを多数回回転させるためには、巻き取りドラムの回転に対する配管配線ケーブルの繰り出し不足や弛みをケーブルバッファーで吸収して互いに絡んだりしないようにする必要がある。
ケーブルバッファーは、たとえば、装置の一部にタワー部を設けて配管配線ケーブルを引っ掛けたダンサーローラがタワー部内を上下してケーブルの弛みを吸収する機構であってもよい。もちろん、ケーブルベア（登録商標）を使用することもできる。

本発明の全姿勢溶接装置によれば、静止したワークに対して、溶接トーチの方を移動して全周について適正な溶接を行うことができる。さらに、パイプの突き合わせ開先に対しても、連続して同方向に多数回回転しながら良質な多層溶接を行うことができる。
また、構造物の一部分など静止するワークに対しても任意の溶接姿勢で周回して溶接することができる。

以下、実施例に基づき、図面を用いて、本発明のロボット旋回型全姿勢溶接装置について詳細に説明する。
図１は本実施例の構成を説明する一部切り欠き正面図、図２は本実施例におけるワイヤ供給方法を示す側面図、図３は本実施例に使用するケーブルバッファー例を説明する構成図、図４は図３のケーブルバッファーに使用するダンサーローラの断面図である。

本実施例のロボット旋回型全姿勢溶接装置は、パイプ同士を突合せ溶接することによりパイプを接続延伸することができる。たとえば長尺なパイプを従来の自動溶接機で製作しようとしても、全長が長くなるとワークを回転させることが困難になるため、利用できなかった。しかし、本実施例の装置では、ワークを静止したまま、溶接トーチの方をワークを１周する溶接部に沿って移動しながら溶接するので、自動溶接が可能になる。

本実施例のロボット旋回型全姿勢溶接装置１は、図１の一部切り欠き図に示すように、地面に固定されたベース１０と、ベース１０に対してベアリング１１を介して回転モータ１４により正逆回転可能に設置された旋回ポジショナー１２で形成される。ベース１０と旋回ポジショナー１２にはワークであるパイプ５１が貫通するように貫通孔が設けられている。ベース１０にはチャック機構１３が設けられ、パイプ５１を把持して旋回ポジショナー１２の回転軸位置に固定できるようになっている。

旋回ポジショナー１２には、ロボット１５が搭載され、ロボット１５のアームにはティグ溶接用の溶接トーチ１６が把持されている。また、溶接トーチ１６の先端に、常時、溶接ワイヤの先端を供するようにワイヤ把持具１７が配設されている。
旋回ポジショナー１２には、さらに、巻き取りドラム１８が設けられている。溶接トーチ１６に溶接電源、シールドガス、冷却水、エアー、センシングデバイス用電源や電気信号など必要なユーティリティを供給する配線配管ケーブル１９が溶接トーチ１６と巻き取りドラム１８の間に接続されている。

溶接トーチ１６と巻き取りドラム１８の間に渡された配線配管ケーブル１９は、旋回ポジショナー１２に対して一端が固定され他端がロボット１５のアーム先端にある溶接トーチ１６に接続されているだけなので、ロボットアーム先端の動く範囲に対応する柔軟性を備えれば足りる。なお、溶接トーチ１６と巻き取りドラム１８の中間位置にガイド２０を設けてケーブル軌道を固定させている。
溶接トーチ１６に繋がる配線配管ケーブル１９と外部供給源から繋がった配線配管ケーブル２１とは、巻き取りドラム１８の部分で接続される。

巻き取りドラム１８は配管や配線の種類毎に仕切りによって巻き取り位置が区別されている。
巻き取りドラム１８は旋回ポジショナー１２の回転に従って回転して外部から接続された配線配管ケーブル２１を巻き取ったり巻き戻したりすることにより、外部の静止位置から回転体に接続された配線配管ケーブル２１が絡まないようにすることができる。

また、ワイヤ２２は、図２に示すように、旋回ポジショナー１２に固定されたホールダーに挿入されたワイヤリール２３からワイヤ送給装置２４により溶接条件に従って適切な送給量に調整され、ワイヤ把持具１７によって溶接トーチ１６で発生されるプラズマアーク部に供給される。ワイヤ送給装置２４は旋回ポジショナー１２に固定された支持具２６に固定されている。
ワイヤ２２も旋回ポジショナー１２と一緒に回転するので、溶接中に絡んだり曲り癖がつく危険はない。

なお、ワイヤ送給装置２４とワイヤ把持具１７の中間位置にガイド２５を設けて、溶接中にワイヤの軌道がずれないようにしている。
ワイヤ用のガイド２５と配線配管ケーブル１９のためのガイド２０は旋回ポジショナー１２に固定されたポール２７上の適宜の位置に固定されている。
本実施例のロボット旋回型全姿勢溶接装置１は、機側にタワー型の構造物からなるケーブルバッファー２を設けて、溶接施工するロボットの旋回時にケーブル類を巻き取りドラム１８に巻き付けたり巻き戻したりして生ずるケーブル類の弛みや不足分を円滑に補償するようにした。

図３は、ケーブルバッファー２について、主な構成とケーブル類の軌道を示すことにより作用を明らかにする概念図である。
たとえば、タワーを３ｍ程度の高さにして、頂部に自由回転するガイドローラ３１を設け、塔中に垂直にガイドレール４２を設けてダンサーローラ３２が上下方向に自由に運動できるようにする。さらにダンサーローラ３２にはその重量を適当に相殺するバランスウェート３４を金属線３５で繋いで吊してある。金属線３５は、ガイドローラ３６，３７により、ダンサーローラ３２とバランスウェート３４の荷重を振り分けている。

図４は、ダンサーローラ３２の構造を説明する一部断面図である。
ダンサーローラ３２は、配線配管の種類毎に独立したリール３９をそれぞれベアリング４０を介して軸棒３８にセットして、軸棒３８の回りをリール毎に独立に回転するようにしたものである。リール３９の径は、それぞれ巻き付ける配線や配管の許容曲率より小さくならないように選択される。
軸棒３８の端部に設けられた軸端チップ４１には、ガイドレール４２に接触して回転しダンサーローラ３２を正確かつ円滑に昇降させるガイドローラ４３が設けられている。
軸端チップ４１にはバランスウェート３４と締結される金属線３５が結びつけられている。
なお、ガイドローラ３１も、軸棒がタワー上端に固定される他は、図４に示した構造と同じものである。

外部のユーティリティ供給装置に接続する配線配管ケーブル２１は、ケーブルバッファー２の上端近くに設けられたチャック機構３３で固定されたうえ、ダンサーローラ３２の下からローラを持ち上げる方向に通され、さらにガイドローラ３１の上を通って、巻き取りドラム１８に巻き込まれている。

したがって、巻き取りドラム１８が旋回ポジショナー１２と一緒に、たとえば図中時計方向に回転すると、配線配管ケーブル２１は巻き取りドラム１８からケーブルバッファー２の方に繰り出されるので、ダンサーローラ３２が降下して配線配管ケーブル２１の緩みを吸収する。一方、巻き取りドラム１８が反時計方向に回転すると、配線配管ケーブル２１が巻き取りドラム１８に巻き付いて引っ張られるので、ダンサーローラ３２が上昇して不足分を供給する。
バランスウェート３４は、ダンサーローラ３２を懸回して吊り上げるケーブル類に余分な負荷を掛けないようにする作用を有する。

ダンサーローラ３２の昇降により配線配管ケーブル２１の過不足分を補償できる長さ分だけ、巻き取りドラム１８の回転が可能になる。たとえば、３ｍのタワーでは直径８０ｃｍの巻き取りドラムを正逆回転方向にそれぞれほぼ１回転させることができる。1方向に回転させる場合には、ほぼ2回転させることが可能である。

巻き取りドラム１８の回転範囲をさらに拡大したければ、タワーの高さを増加すればよい。また、巻き取りドラム１８の径を小さくしたり、例えばタンデム化などによりダンサーローラの数を増やして配線配管ケーブルの軌道に往復部分を追加したりすれば、巻き取りドラム１８の連続回転数を増加することも可能である。
巻き取りドラム１８の可能な連続回転数が大きければ、パイプ突き合わせ部の多層溶接を一挙に続けて施工することにより高品質の溶接を行うことができる。
なお、ケーブルバッファー２としてケーブルベア（登録商標）を利用することもできる。

さらに、図1に示すように、本実施例のロボット旋回型全姿勢溶接装置１は、自動開先合わせ装置３と自動電極交換装置４を附属している。
自動開先合わせ装置３は、地面に固定された台座６０に対して水平２軸方向に位置決め可能な基盤６１に垂直方向に位置決め可能なチャック機構６２を組み込んだ構成を有する。

ロボット旋回型全姿勢溶接装置１の溶接可能領域内に、全姿勢溶接装置１の回転軸に沿って貫通した第１のパイプ５１と自動開先合わせ装置３を貫通した第２のパイプ５２の開先を構成する端面が突き合わされるようにして止め、全姿勢溶接装置１のチャック機構１３で第１のパイプ５１を固定し、自動開先合わせ装置２のチャック機構６２で第２のパイプ５２を固定する。その後、ロボットのセンシング機能を使って両パイプ５１，５２の端面同士の位置関係を把握し、自動開先合わせ装置３の３次元位置決め機能を使って第２のパイプ５２の先端位置を調整して、開先５３を組み立てる。
自動開先合わせ装置３を使用することにより、作業者に熟練を要求する開先合わせが不要となる。

自動電極交換装置４は、ロボットアームの届く位置に台を置き、台上の定位置に電極供給盤６３と廃棄ボックス６４を配置しておき、自動溶接装置で電極の消耗状態を検出すると、ロボット制御により溶接トーチ１６を廃棄ボックス６４の上に持ってきて、消耗した電極を分離して廃棄ボックス６４に落とし、電極供給盤６３のプログラムで決められた新しい電極を溶接トーチ１６に装着して、溶接トーチ１６を元の作業位置に戻す装置である。
自動電極交換装置４を用いることにより、作業者による電極交換作業が不要となる。

なお、本実施例のロボット旋回型全姿勢溶接装置１は、ロボットを用いて溶接トーチの位置姿勢の制御を行うため、ロボットが備える高度な機能を利用することができる。たとえば、上記自動電極交換装置４を構成して自動的に消耗電極類を交換したりするばかりでなく、センシング機能を利用して開先状態を計測したり、自由な溶接姿勢を取らせたり、溶接条件を変更したりすることが簡単に実行できる。

なお、上記説明において、ティグ溶接を前提としたが、ミグ溶接やマグ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接、ロウ付けなどその他の接合法に対しても本発明が適用できることはいうまでもない。また、上記説明では突合せ溶接を前提とする場合について記載したが、部分溶け込み溶接、隅肉溶接に対しても適用できる。さらに、上記説明では、パイプの周囲の全姿勢溶接の事例を記述したが、溶接姿勢は全姿勢の他に、下向き、立向き、横向き、上向き、さらにこれらの組合せの場合も対応することができ、任意に連続変化する溶接線などに対しても適用できることはいうまでもない。

また、パイプをワークとしているが、他の任意の形状を有するものを対象として溶接することができる。たとえば、構築物の側面に配置された物体について溶接する必要がある場合にも、対象物の前に本実施例の全姿勢溶接装置を配置して、ロボットに溶接要領を教示することにより、旋回ポジショナーが回転してロボットアーム先端に把持させた溶接トーチが溶接部を巡って全姿勢溶接を行うことができる。なお、このような場合には、自動開先合わせ装置は不要であることはいうまでもない。

以上実施例に基づいて詳しく説明した通り、本発明のロボット旋回型全姿勢溶接装置では、固定パイプなど姿勢を変えることができないワークの溶接において、全姿勢で溶接を行うことができる。
また、先の自動開先合わせ装置や自動電極交換装置を併用することにより、溶接施工を高度に自動化して省人化し、溶接コストの低減を実現することができる。

本発明の１実施例におけるロボット旋回型全姿勢溶接装置の構成を説明する一部切り欠き正面図である。 本実施例におけるワイヤ供給方法を示す側面図である。 本実施例に使用するケーブルバッファー例を説明する構成図である。 本実施例におけるケーブルバッファーに使用するダンサーローラの断面図である。

符号の説明

１ ロボット旋回型全姿勢溶接装置
２ ケーブルバッファー
３ 自動開先合わせ装置
４ 自動電極交換装置
１０ ベース
１１ ベアリング
１２ 旋回ポジショナー
１３ チャック機構
１４ 回転モータ
１５ ロボット
１６ 溶接トーチ
１７ ワイヤ把持具
１８ 巻き取りドラム
１９ 配線配管ケーブル
２０ ガイド
２１ 配線配管ケーブル
２２ ワイヤ
２３ ワイヤリール
２４ ワイヤ送給装置
２５ ガイド
２６ 支持具
２７ ポール
３１ ガイドローラ
３２ ダンサーローラ
３４ バランスウェート
３５ 金属線
３６，３７ ガイドローラ
３８ 軸棒
３９ リール
４０ ベアリング
４１ 軸端チップ
４２ ガイドレール
４３ ガイドローラ
５１ パイプ
５２ パイプ
５３ 開先
６０ 台座
６１ 基盤
６２ チャック機構
６３ 電極供給盤
６４ 廃棄ボックス

Claims (5)

1. ワークに対して相対的に固定されるベースと、該ベースに搭載され回転軸の回りを旋回する旋回ポジショナーと、該旋回ポジショナーに固設されアームに溶接トーチを把持した溶接ロボットと、配線配管と、前記旋回ポジショナーに固設され該溶接トーチにユーティリティを供給する該配線配管を該旋回ポジショナーの回転にしたがって巻き込んだり巻き戻したりする巻き取りドラムと、前記配線配管に生じる弛みを吸収するケーブルバッファーを備えた全姿勢溶接装置。
2. 前記ワークは、突き合わせ溶接されるパイプであって、該ワークに対して相対的に固定される前記ベースは、前記旋回ポジショナーの回転軸に沿って平行にパイプの通る孔が設けられて、該孔を貫通したパイプはクランプ機構によりベースに対して固定させることができることを特徴とする請求項１記載の全姿勢溶接装置。
3. 前記全姿勢溶接装置はさらに自動開先合わせ機構を備えて、前記孔を貫通したパイプに対してパイプ端末同士を突き合わせて開先を形成するもう一方のパイプをセットすると、該全姿勢溶接装置の施工範囲内に該開先を組み立てることができることを特徴とする請求項２記載の全姿勢溶接装置。
4. 前記全姿勢溶接装置はさらにトーチ部品の自動交換機能を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の全姿勢溶接装置。
5. 前記ケーブルバッファーは、当該装置の一部に鉛直方向に高いタワー部を設けて該タワー部内を上下するダンサーローラに配管配線ケーブルを引っ掛けて該ダンサーローラの高さによって該配管配線ケーブルの余剰分を吸収する構成であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の全姿勢溶接装置。

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