JP5327709B2 - 大型枠組構造物の溶接ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、大型船舶、ＬＮＧ洋上設備、橋梁、水門などの大型枠組構造物の溶接ロボット装置に関する。

大型船舶、ＬＮＧ洋上設備、橋梁、水門などでは、大型の枠組構造物が製造工程の途中（例えば、造船における組立工程）において、多数製造される。

図１は、特許文献１に開示された枠組構造物の模式図である。枠組構造物Ｂは、平板状のパネル１の表面に複数列のロンジ２を配置する一方、これらロンジ２と直交する方向にトランス３を一定間隔で配置し、パネル１とロンジ２とトランス３とで形成される三方または四方が囲まれた各枠組みされた部分４の交差部５をそれぞれ溶接して構成される。

このような枠組構造物Ｂ（例えば、船殻平板ブロック）は、まず、パネル１、ロンジ２、トランス３等の構成材を配材して仮溶接を行って組立た後、これを定盤上に搬送して上記各枠組みされた部分４の交差部５を本溶接することが行われる。

上述した枠組構造物Ｂの交差部５を本溶接する手段として、従来から、（１）小型溶接ロボットをワーク上に設置しての溶接（例えば、特許文献１）、や（２）大型ガントリ構造によるマルチロボット溶接装置を用いた溶接（例えば、特許文献２）が提案され、実施されている。

図２は、特許文献１に開示された小型溶接ロボットの斜視図である。
この図において、枠組構造物への位置決め装置５０は、枠組構造物の各枠組みされた部分に溶接ロボットＲを位置決めするのに使用される。これにより、枠組構造物への位置決め台の搬送から最終位置決めまでを簡単かつ高精度に行なうことができ、大型の船殻平板ブロック等の枠組構造物の溶接ロボットによる自動溶接を簡単にできるようになっている。

図３は、特許文献２に開示されたマルチロボット溶接装置の斜視図である。
この図において、マルチロボット溶接装置５２は、各６軸の多関節型の溶接ロボット５３がそれぞれ３軸のスライド機構５４、５５、５６に天吊り姿勢で配置され、合計９軸の移動機構により、上下（Ｚ軸方向）、前後（Ｙ軸方向）、左右（Ｘ軸方向）にそれぞれ移動可能なようにしている。更に、各多関節型の溶接ロボット５３は、その先端に、溶接トーチをそれぞれ備えており、ワークを溶接するようになっている。

特許第３０６５１６６号公報、「枠組構造物への位置決め装置」 特開２００２−１１６８１７号公報、「タスク割付方法およびこれを適用した制御装置」

上述した特許文献１のように小型溶接ロボットをワーク（枠組構造物）の升目内に配置する場合、溶接時のロボットアームとワークとの干渉が生じやすく、本溶接が可能な溶接部位が制約され、人手に頼る手溶接部分が多くなる問題点がある。

また、特許文献１のようマルチロボット溶接装置は、装置全体が大型であり、また複数のロボットを効率良く稼動させるために複雑な制御システムが必要となり、高コストなシステムとなる。また、構造上の問題から複数のロボットを自由な位置に配置することが困難である。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、パネル上にロンジとトランスが交差している大型の枠組構造物の交差部を本溶接することができ、本溶接が可能な溶接部位の制約が少なく、人手に頼る手溶接がほとんど不要であり、大型ガントリ構造による従来のマルチロボット溶接装置と比較して装置全体を小型化でき、複雑な制御システムが不要である大型枠組構造物の溶接ロボット装置を提供することにある。

本発明によれば、水平に位置するパネルと、該パネルの上面に所定の第１間隔を隔てて配置された複数列のロンジと、該ロンジと直交しかつ前記パネルの上面に所定の第２間隔を隔てて配置された複数列のトランスとからなる大型枠組構造物の溶接ロボット装置であって、
１対のロンジと１又は１対のトランスで囲まれた升目形状の枠内を溶接対象領域とし、
該溶接対象領域を跨いで大型枠組構造物に固定され、前記溶接対象領域の上部に位置する水平支持架台を有するロボット架台と、
該水平支持架台の下面に取付けられ、前記升目形状枠内の全域にわたり溶接ヘッドを３次元的に数値制御して溶接可能な溶接ロボットと、を備え、
前記ロボット架台は、前記溶接対象領域を跨いでこれに隣接する１対の枠組内に脚部が位置固定可能な構造を有する門型フレームを有し、
前記水平支持架台は、門型フレームに固定され、前記溶接対象領域の上部に前記升目形状枠の長辺方向に沿って水平に延び、
前記溶接ロボットは、水平支持架台の下面に前記長辺方向に沿って水平移動可能に取付けられた水平移動台を有し、該水平移動台を数値制御可能に駆動する１軸スライダ装置と、
該水平移動台に逆さに取付けられ、前記升目形状枠の短辺方向全域にわたり溶接ヘッドを３次元的に数値制御して溶接可能な逆吊多関節溶接ロボットとからなる、ことを特徴とする大型枠組構造物の溶接ロボット装置が提供される。

前記門型フレームは、前記溶接対象領域のトランスの長さ方向に隣接する１対の枠組内に、ロンジの長さ方向に間隔を隔てて位置し、それぞれ大型枠組構造物に着脱可能に固定された４つの柱支持装置と、
該４つの柱支持装置に下端が着脱可能に固定支持され、上方に鉛直に延びる４本の柱と、
該４本の柱に４隅が固定され、前記水平支持架台を下面に支持する天井フレームとからなる。

また、前記１軸スライダ装置は、前記水平移動台の下面を水平に維持したまま前記長辺方向に沿って案内する直動ガイドと、
前記水平移動台を前記長辺方向に沿って駆動するボールねじと、
該ボールねじを数値制御可能に回転駆動するサーボモータとからなる。

上記本発明の構成によれば、ロボット架台が溶接対象領域を跨いで大型枠組構造物に固定され、ロボット架台の水平支持架台の下面に溶接ロボットが取付けられているので、溶接対象領域内に溶接ロボットの溶接ヘッドと干渉する部材は存在しない。
従って、この溶接ロボットにより大型の枠組構造物の交差部（溶接対象領域）を本溶接することができ、かつ本溶接が可能な溶接部位の制約が少なく、人手に頼る手溶接をほとんど不要にできる。

また、本発明の実施形態によれば、前記溶接ロボットは、１軸スライダ装置と逆吊多関節溶接ロボットからなるので、逆吊多関節溶接ロボットが水平移動台に逆さに取付けられる構成により、逆吊多関節溶接ロボットのワーキングエリアを有効に活用でき、溶接ヘッドを前記升目形状枠内（溶接対象領域）の短辺方向全域にわたるように設定しても、逆吊多関節溶接ロボットを小型軽量化できる。
さらに、１軸スライダ装置により水平移動台を升目形状枠内（溶接対象領域）の長辺方向に沿って水平移動可能であるので、小型軽量の逆吊多関節溶接ロボットで、前記升目形状枠内（溶接対象領域）の長辺方向全域を溶接することができる。

また、逆吊多関節溶接ロボットを小型軽量化でき、かつ門型フレームの脚部が溶接対象領域を跨いでこれに隣接する１対の枠組内に着脱可能に固定されるので、大型ガントリ構造による従来のマルチロボット溶接装置と比較して装置全体を小型化できる。
さらに、１対のロンジと１又は１対のトランスで囲まれた升目形状枠内を溶接対象領域とする場合、１台の逆吊多関節溶接ロボットと１台の１軸スライダ装置で単一の溶接対象領域の溶接箇所（交差部）の全体を本溶接できるので、大型ガントリ構造による従来のマルチロボット溶接装置と比較して制御が容易であり、複雑な制御システムを不要にできる。

従って、ロボット架台を小型の門型構造とすることで機械構造を小型化すると共に、ロボット制御もシンプルなものとなり、圧倒的なコストダウンが図れる。また、溶接ロボットとロボット架台が１対１であるため、生産量に応じてワークの任意の位置で溶接施工ができる。逆吊多関節溶接ロボットを天吊り（逆吊り）とし、１軸スライダ装置を装備することで溶接時のロボットアームとワークとの干渉を回避すると共に、溶接可能範囲を広げ、ロンジとトランスからなる升目形状の枠内を段取替え無しで溶接施工可能となる。

特許文献１に開示された枠組構造物の模式図である。 特許文献１に開示された小型溶接ロボットの斜視図である。 特許文献２に開示されたマルチロボット溶接装置の斜視図である。 本発明が溶接対象とする大型枠組構造物の説明図である。 本発明による溶接ロボット装置の全体側面図である。 図５のＡ−Ａ矢視図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図４は、本発明が溶接対象とする大型枠組構造物の説明図である。
この図において、（Ａ）はロンジの長さ方向から見た側面図、（Ｂ）はそのＢ-Ｂ矢視図である。
この図に示すように、本発明が溶接対象とする大型枠組構造物は、水平に位置するパネル１と、パネル１の上面に所定の第１間隔Ｌ１を隔てて配置された複数列のロンジ２と、ロンジ２と直交しかつパネル１の上面に所定の第２間隔Ｌ２を隔てて配置された複数列のトランス３とからなる。
パネル１の大きさは、例えば１０ｍ×１０ｍ、２０ｍ×２０ｍ程度である。また、ロンジ２は、例えば高さ６００〜８００ｍｍ、第１間隔Ｌ１は、８００〜１０００ｍｍである。さらにトランス３は、例えば高さ１８００〜２０００ｍｍ、第２間隔Ｌ２は、２０００〜３０００ｍｍである。
なお、本発明において、大型枠組構造物は、この構成に限定されず、その他の構造であってもよい。

図４において、本発明が対象とする溶接領域（溶接対象領域４）は、１対のロンジ２と１又は１対のトランス３で囲まれた升目形状の枠内である。
また、溶接対象領域４の具体的な溶接箇所は、図中に５で示す交差部である。なお、本発明の溶接箇所は、この例に限定されず、溶接対象領域４の内側であればよい。

図５は本発明による溶接ロボット装置の全体側面図、図６は図５のＡ−Ａ矢視図である。なお、図５は、対象とする大型枠組構造物のロンジの長さ方向から見た側面図である。

図５及び図６において、本発明による大型枠組構造物の溶接ロボット装置（以下、単に「溶接装置」という）は、ロボット架台１０と溶接ロボット２０とを備える。

ロボット架台１０は、溶接対象領域４を跨いで大型枠組構造物に固定され、溶接対象領域４の上部に位置する水平支持架台１２を有する。

この例において、ロボット架台１０は、溶接対象領域４を跨いでこれに隣接する１対の枠組内に脚部が着脱可能に固定された門型フレーム１４を有する。

門型フレーム１４は、４つの柱支持装置１５と４本の柱１６と天井フレーム１７とからなる。

４つの柱支持装置１５は、溶接対象領域４のトランス３の長さ方向に隣接する１対の枠組内に、ロンジ２の長さ方向に間隔を隔てて位置し、それぞれ大型枠組構造物に着脱可能に固定されている。柱支持装置１５の固定手段は、例えばマグネット、吸盤吸着或いは別途専用の固定治具によるのがよい。

４本の柱１６は、本例では４つの柱支持装置１５に下端が着脱可能に固定支持され、上方に鉛直に延びる。この柱１６と柱支持装置１５は、一体構造としても構わない。
天井フレーム１７は、４本の柱１６に４隅が固定され、水平支持架台１２を下面に支持する。

水平支持架台１２は、門型フレーム１４の下面に固定され、溶接対象領域４の上部に升目形状枠の長辺方向に沿って水平に延びる。

溶接ロボット２０は、水平支持架台１２の下面に取付けられ、升目形状枠内（溶接対象領域４）の全域にわたり溶接ヘッド２１を３次元的に数値制御して溶接できるようになっている。

溶接ロボット２０は、１軸スライダ装置３０と逆吊多関節溶接ロボット２２とからなる。
逆吊多関節溶接ロボット２２は、ロボットアーム２３の先端に溶接ヘッド２１を有する多関節ロボットであり、後述する水平移動台３１に逆さに取付けられ、升目形状枠（溶接対象領域４）の短辺方向全域にわたり溶接ヘッド２１を３次元的に数値制御して溶接する。
この場合、逆吊多関節溶接ロボット２２のワーキングエリアは、図５の円弧Ａ，Ｂと円弧Ｃで囲まれる領域であり、升目形状枠（溶接対象領域４）の短辺方向全域を完全にカバーしている。

なお、逆吊多関節溶接ロボット２２は、この例に限定されず、升目形状枠（溶接対象領域４）の短辺方向全域にわたり溶接ヘッド２１を３次元的に数値制御して溶接できる限りで、その他の溶接ロボットであってもよい。

１軸スライダ装置３０は、水平支持架台１２の下面に長辺方向に沿って水平移動可能に取付けられた水平移動台３１を有し、水平移動台３１を数値制御可能に駆動する。
この例において、１軸スライダ装置３０は、直動ガイド３２、ボールねじ３４及びサーボモータ３６からなる。
直動ガイド３２は、例えばリニアガイドであり、水平移動台３１の下面を水平に維持したまま升目形状枠（溶接対象領域４）の長辺方向に沿って水平移動台３１を案内する。
ボールねじ３４は、例えば転造ボールネジであり、水平移動台３１を升目形状枠（溶接対象領域４）の長辺方向に沿って駆動する。
サーボモータ３６は、好ましくは減速器を介してボールねじ３４を数値制御可能に回転駆動する。
この構成により、水平移動台３１を升目形状枠（溶接対象領域４）の長辺方向に沿って数値制御して移動させることができる。

上述した本発明の構成によれば、ロボット架台１０が溶接対象領域４を跨いで大型枠組構造物に固定され、ロボット架台の水平支持架台１２の下面に溶接ロボット２０が取付けられているので、溶接対象領域４内に溶接ロボットの溶接ヘッド２１と干渉する部材は存在しない。
従って、この溶接ロボット２０により大型の枠組構造物の交差部（溶接対象領域４）を本溶接することができ、かつ本溶接が可能な溶接部位の制約が少なく、人手に頼る手溶接をほとんど不要にできる。

また、上述した実施形態によれば、溶接ロボット２０は、１軸スライダ装置３０と逆吊多関節溶接ロボット２２からなるので、逆吊多関節溶接ロボット２２が水平移動台３１に逆さに取付けられる構成により、逆吊多関節溶接ロボット２２のワーキングエリア（図５の円弧Ａ，Ｂと円弧Ｃで囲まれる領域）を有効に活用でき、溶接ヘッド２１を升目形状枠内（溶接対象領域４）の短辺方向全域にわたるように設定しても、逆吊多関節溶接ロボット２２を小型軽量化できる。
さらに、１軸スライダ装置３０により水平移動台３１を升目形状枠内（溶接対象領域４）の長辺方向に沿って水平移動可能であるので、小型軽量の逆吊多関節溶接ロボット２２で、升目形状枠内（溶接対象領域４）の長辺方向全域を溶接することができる。

また、逆吊多関節溶接ロボット２２を小型軽量化でき、かつ門型フレーム１４の脚部（柱支持装置１５）が溶接対象領域４を跨いでこれに隣接する１対の枠組内に着脱可能に固定されるので、大型ガントリ構造による従来のマルチロボット溶接装置と比較して装置全体を小型化できる。
さらに、１対のロンジ２と１又は１対のトランス３で囲まれた升目形状枠内を溶接対象領域４とする場合、１台の逆吊多関節溶接ロボット２２と１台の１軸スライダ装置３０で単一の溶接対象領域４の溶接箇所（交差部）の全体を本溶接できるので、大型ガントリ構造による従来のマルチロボット溶接装置と比較して制御が容易であり、複雑な制御システムを不要にできる。

従って、ロボット架台１０を小型の門型構造とすることで機械構造を小型化すると共に、ロボット制御もシンプルなものとなり、圧倒的なコストダウンが図れる。また、溶接ロボット２０とロボット架台１０が１対１であるため、生産量に応じてワークの任意の位置で溶接施工ができる。
さらに、逆吊多関節溶接ロボット２２を天吊り（逆吊り）とし、１軸スライダ装置３０を装備することで溶接時のロボットアーム２３とワークとの干渉を回避すると共に、溶接可能範囲を広げ、ロンジ２とトランス３からなる升目形状の枠内を段取替え無しで溶接施工可能となる。

従って、上述した溶接ロボット装置を用い、ワーク（大型枠組構造物）上の溶接施工箇所上にクレーン等を用いてロボット架台１０を設置して固定し、ロンジ２とトランス３からなる升目とパネル１の間（すなわち溶接対象領域４）のすみ肉溶接を段取替え無しで溶接することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ パネル、２ ロンジ、３ トランス、
４ 溶接対象領域、５ 交差部（溶接箇所）、
１０ ロボット架台、１２ 水平支持架台、
１４ 門型フレーム、１５ 柱支持装置、
１６ 柱、１７ 天井フレーム、
２０ 溶接ロボット、２１ 溶接ヘッド、
２２ 逆吊多関節溶接ロボット、２３ ロボットアーム、
３０ １軸スライダ装置、３１ 水平移動台、
３２ 直動ガイド、３４ ボールねじ、３６ サーボモータ

Claims (3)

1. 水平に位置するパネルと、該パネルの上面に所定の第１間隔を隔てて配置された複数列のロンジと、該ロンジと直交しかつ前記パネルの上面に所定の第２間隔を隔てて配置された複数列のトランスとからなる大型枠組構造物の溶接ロボット装置であって、
   １対のロンジと１又は１対のトランスで囲まれた升目形状の枠内を溶接対象領域とし、
   該溶接対象領域を跨いで大型枠組構造物に固定され、前記溶接対象領域の上部に位置する水平支持架台を有するロボット架台と、
   該水平支持架台の下面に取付けられ、前記升目形状枠内の全域にわたり溶接ヘッドを３次元的に数値制御して溶接可能な溶接ロボットと、を備え、
   前記ロボット架台は、前記溶接対象領域を跨いでこれに隣接する１対の枠組内に脚部が位置固定可能な構造を有する門型フレームを有し、
   前記水平支持架台は、門型フレームに固定され、前記溶接対象領域の上部に前記升目形状枠の長辺方向に沿って水平に延び、
   前記溶接ロボットは、水平支持架台の下面に前記長辺方向に沿って水平移動可能に取付けられた水平移動台を有し、該水平移動台を数値制御可能に駆動する１軸スライダ装置と、
   該水平移動台に逆さに取付けられ、前記升目形状枠の短辺方向全域にわたり溶接ヘッドを３次元的に数値制御して溶接可能な逆吊多関節溶接ロボットとからなる、ことを特徴とする大型枠組構造物の溶接ロボット装置。
2. 前記門型フレームは、前記溶接対象領域のトランスの長さ方向に隣接する１対の枠組内に、ロンジの長さ方向に間隔を隔てて位置し、それぞれ大型枠組構造物に着脱可能に固定された４つの柱支持装置と、
   該４つの柱支持装置に下端が着脱可能に固定支持され、上方に鉛直に延びる４本の柱と、
   該４本の柱に４隅が固定され、前記水平支持架台を下面に支持する天井フレームとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の大型枠組構造物の溶接ロボット装置。
3. 前記１軸スライダ装置は、前記水平移動台の下面を水平に維持したまま前記長辺方向に沿って案内する直動ガイドと、
   前記水平移動台を前記長辺方向に沿って駆動するボールねじと、
   該ボールねじを数値制御可能に回転駆動するサーボモータとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の大型枠組構造物の溶接ロボット装置。
   

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