JPH0220678A - レーザビーム・アラインメント方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本願は１９８７年９月１５日付にａｓｎｅｒ他の米国特
許第４，６９４，１３６号及びＨａｌｆｋｉｎｓ他の米
国特許第４．８９４，１３７号の関連出願である。

本発明はレーザ溶接装置、特に原子炉用蒸気発生器の細
管内にスリーブを溶接する溶接装置に使用するレーザビ
ームアラインメント方法及び装置に係わる。

管形熱交換器や原子炉用蒸気発生器の細管の欠陥部分を
修理するため管内にスリーブを溶接する種々のレーザ溶
接方法が上記関連特許に記載されている。しかし、原子
炉用蒸気発生器のチャンネルまたはへラダー内にこのよ
うな溶接装置を物理的に取り付けることには困難が伴な
う。高出力レーザをターゲットまたは溶接部位とアライ
ンメントさせることにも困難が伴なう。

第１図は上記関連特許のそれぞれに開示されている公知
レーザビーム・アラインメント装置を示す。ここではＨ
ａｗｋｉｎｓ他の特許第４，６９４．１３７号に基づい
て公知システムを考察するが、にａｓｎｅｒ他の特許も
同様のシステムを開示している。

第１図に示すビーム搬送システム１０はレーザビーム・
トランスミッタ、例えば、ビーム・トランスミッタ１４
の高出力レーザ１２から物理的には接続していない遠隔
のレーザビーム・レシーバ、例えば、ビーム・レシーバ
１６へビームを送るビーム搬送システム１０と連携する
装置を利用してシステム構成成分をアラインメントさせ
ることによりビームを最適光路に沿って進行させる。

レーザを正しくアラインメントさせれば、高出力ビーム
がビーム搬送システム１０または蒸気発生器１８の構成
成分に衝突することがなく、このような衝突に起因する
損傷を防止することができる。ビーム搬送システムの初
期アラインメントには低出力ビーム検出器２２及びいく
つかのビデオカメラ２４またはその他の視覚的モニター
装置と共に可視光線源として低出力ＨｅＮｅレーザ２０
を利用する。

トランスミッタ１４とレシーバ１６をアラインメントさ
せたら、例えばＨａｗｋｉｎｓ他の特許に開示されてい
るように、適当な検出器を利用して高出力レーザ１２を
搬送システムとアラインメントさせ、次いで高出力レー
ザ１２を作動させ、レーザビーム・トランスミッタ１４
に向け、該トランスミッタから遠隔のレーザビーム・レ
シーバ１６へビームを送る。高出力ビームの直径をレン
ズ系２６によって縮小し、再びコリメートして溶接ヘッ
ド２８に当てる。ビームは蒸気発生器１８の細管３２内
のスリーブ３０に当てられる。溶接作業中、溶接ヘッド
２８を回転させることによりスリーブ３０と細管３２の
間に澗れ防止シールを形成する。

Ｈａｗｋｉｎｓ他の特許に開示された構成では、システ
ムを正しく作用させる前に高出力レーザ１２、レーザ・
トランスミッタ１４及びレーザ・レシーバ１６をそれぞ
れ位置に据え付け、かつアラインメントさせねばならな
い。据え付けとアラインメントは原子炉用蒸気発生器１
８の周辺装置が接近を妨げるためしばしば困難を伴なう
。また、場所によって蒸気発生器が一様でないことが多
く、蒸気発生器のタイプに応じて据え付は及びアライン
メントの手順を変えねばならないことが多い。

個々の蒸気発生器に伴なう問題点のほかに、高出力レー
ザ１２をスリーブ３０の溶接部位とアラインメントさせ
ることも容易ではない。高出力レーザ１２は修理すべき
細管３２から約１０フイートあるいはそれ以上のところ
にある。

Ｈａｗｋｉｎｓ他の特許及びその他の関連出願から明ら
かなように、トランスミッタ１４及びレシーバ１６はビ
ーム偏向ミラー３６が装着されている可動リスト４２を
有する。リスト４２はＨａｗｋｉｎｓ他の特許に詳しく
記載されているようにモータ及び歯車機構４６．４８に
よって任意の位置へ駆動される。リストの正確な方向制
御及び位置ぎめは歯車に固有の低精度によって妨げられ
る。歯車４８に関連するバックラッシュを数学的に計算
し、経験に照らしてこれを補正することによりリスト４
２を比較的正確に方向制御することができる。モータ４
６としては例えば１セコンドの回転に多数のステップを
要するステップモータを使用することができる。しかし
、レーザのアラインメントは正確でなければならないか
ら、歯車の潤滑も考慮しなければならない。例えば、１
つまたは２つ以上の、モータが反転すると、各歯車４８
の潤滑油が歯車の歯が接触する前に接触し、従って、リ
ストは歯車４８の反転に正確にかつ即座に応答しない、
歯車４８が互いにしっかりと接触するように潤滑油が充
分に排除されれば、リスト４２の動作をモータ４６の動
作によって比較的正確に制御できる。以下の説明中にお
いて“ソフト・バックラッシュ”という場合、歯車の応
答を予測できるように２つの歯車の間の潤滑油を排除す
るのに必要な歯車８動範囲を意味する。また、“ハード
・コ。

ンタクト”という語は歯車の歯が互いにしフかつと接触
した状態を意味する。ソフト・バックラッシュから“ハ
ード・コンタクト”状態へ移動するのに必要な移動量を
計算し記録して実際のアラインメントプロセスに際して
この値を利用する。ただし、ソフト・バックラッシュは
モータによって起動される動作のタイプに応じて異なる
。もし特定のモータ／歯車セツト４６．４８を頻繁に、
または特定のタイム・インターバルで比較的長期間作動
させると、ソフト・バックラッシュは同じモータ／歯車
４６．４８を短いタイム・インターバルで一度作動させ
る場合とは異なる。モータ／歯車セット４６．４８が近
い過去に使用されたかどうか、即ち、数分前に使用され
たかどうかによフても異なる。従って、ソフト・バック
ラッシュはばらつきを生じ易く、レーザビームの正確な
アラインメントを極めて困難にする。

経験に照らして、モータ４６及び歯車４８の動作に伴な
い、このモータ及び歯車と連携するりスト４２に曲げモ
ーメントまたはたわみが発生するりスト４２のたわみは
高出力レーザ１２のアラインメントをより複雑に、かつ
より困難にする。

広義において、本発明は高出力レーザが溶接部位に供給
すべきレーザビームを発するレーザビーム・アラインメ
ント装置に係わる。トランスミッタが光学的にレーザと
作動的に結合し、空間的に離れたレシーバにむかってレ
ーザビームを送る。

トランスミッタと光学的に結合されたレシーバはレーザ
ビームを受ける入力及び溶接部位にレーザビームを供給
する機構を有する。方向制御可能な、直交平面で作用す
る１対のビーム偏向手段を利用することにより、トラン
スミッタ出力とレシーバ入力をアラインメントさせる。

トランスミッタ入力に設けた１対の方向制御用デフレク
タによりトランスミッタの方向制御自在なビーム偏向手
段にむかってレーザビームを送る。レーザは溶接部位に
対して種々の向きで選択的に取り付けられるトランスミ
ッタの向きはレーザの向きに対応する向きに選択的に調
整される。

本発明はレーザ・トランスミッタをレーザ・レシーバと
アラインメントさせる方法にも係わる。

トランスミッタ及びレシーバはいずれもアラインメント
を指示する点でアラインメントレーザビームを受ける検
出器を有する。トランスミッタ及びレシーバは共に対応
の偏向手段を位置ぎめするためのステップ駆動手段をも
含み、この駆動手段は逆方向の回転である固有のバック
ラッシュを有する。アラインメントレーザはレシーバ及
びトランスミッタのそれぞれ対応の検出器におけるスタ
ート・ブロックでアラインメントされる。トランスミッ
タ駆動装置及びレシーバ駆動装置はそれぞれ一方向のバ
ックラッシュをゼロにするのに充分な量だけスタート・
ブロック及びアラインメント位置から駆動される０次い
で各駆動装置を反転させ、単一方向に向けることによっ
てアラインメントレーザビームを再びスタート・ブロッ
クとアラインメントさせてから、駆動装置を一方向にだ
け回転させながら逐次ステップを重ねてアラインメント
位置に戻す。

本発明の装置は下端にマンウェイ５２を有し、管板５４
及びこれに形成された孔に挿通された細管５６をも含む
ヘラグーの断片的な部分として第２図に略伝した原子炉
用蒸気発生器５０の修理を目的とする。図面には細管５
６を１木だけ示しである。蒸気発生器細管の修理に際し
ては、細管５６にスリーブ５８を挿入する。本発明では
、溶接部位６０において円形または円周方向の溶接部を
形成することにより、スリーブ５８を細管５６に溶接す
る。

本発明のレーザ溶接装置７０は高出力レーザ７２、レー
ザビーム・トランスミツタフ４、レーザビーφ・レシー
バ７６及び溶接ヘッド７８を含む、本発明では、レーザ
７２は出力約１０００ワツトのＣＯ２レーザである。作
動すると、高出力レーザ７２は高出力ビーム８０を発し
、これがトランスミツタフ４を介してレシーバ７６に送
られ、さらに溶接ヘッド７８によって溶接部位６０に向
けられる。

トランスミッタは１対の方向制御可能なミラー８２．８
４を含む。ミラー８２．８４を動かすことによってビー
ム８０の位置または方向を調節できる。トランスミツタ
フ４はまたレーザビーム８０の光路中に第１偏向ミラー
８６をも含む。図示のようにレーザビームの光路中には
第２　（ｊｉ向ミラー８８、第３偏向ミラー９０及び第
４偏向ミラー９２も配置されている。第３偏向ミラー９
０は（図示しない）マウント上で方向制御または調整自
在である。第３偏向ミラー９０はまた第２図に垂直軸と
して示した軸９４を中心に回転自在である。第４偏向ミ
ラー９２は第３（Ｊｉ向主ミラー９０共に軸９４を中心
に回転自在であり、第２図に水平に示した軸９６を中心
に回転することもできる。

レーザビーム８０は図示のようにトランスミツタフ４の
出力９８を出る。ビーム８０は出力９８ｈ）ら上向きに
レシーバ７６にむかって進む。

トランスミツタフ４及びレシーバ７６が正しくアライン
メントした状態で、レーザビーム８０は第５、第６及び
第７（ｇ４向ミラー１００．１０２．１０４にむかって
進み、これらによってイ鳥肉させられる。（鳥肉ミラー
１０４はビーム８０を偏向させて縮小レンズ１０６及び
凹レンズ１０８を含むレンズ系を通過させ、２つの下方
偏向ミラー１１０．１１１集束レンズ１１４及び１つの
上方偏向ミラー１１２を含む溶接ヘッド７８にむかって
進行させる。上方偏向ミラー１１２はビーム８０を溶接
部位６０に向ける。第５（鳥肉ミラー１００は第２図に
水平線で示した軸１１６を中心に回転自在である。第６
　＜ＦＡ向ミラー１０２は（第５偏向ミラー１００と共
に）垂直軸１１８を中心に回転自在である。従って、ミ
ラー９０．９２．１００．１０２をそれぞれの回転軸９
４．９６．１１６．１１８を中心に操作することによっ
てトランスミツタフ４をレシーバ７６とアラインメント
させることができる。　　トランスミツタフ４とレシー
バ７６のアラインメントを容易にするため、低出力可視
ＨｅＮｅレーザ１２０を利用する。ＨｅＮｅレーザ１２
０は（図示しない）トランスミッタ筐体に取り付けられ
ている。ＨｅＮｅレーザ１２０は可視アラインメントビ
ーム１２２を発する。ＨｅＮｅレーザ１２０はトランス
ミツタフ４の出力９８においてアラインメントビーム１
２２が高出力ビーム８０と一線になるように構成されて
いる。ＨｅＮｅレーザは下記のようにして高出力ビーム
８０とアラインメントさせる。図示のように第２偏向ミ
ラー８８の近傍に比較的小さい方向制御ミラー１２４．
１２６を設け、ＨｅＮｅレーザ１２０を第１の方向制御
ミラー１２４に当てることによってビーム１２２を第２
の方向制御ミラー１２６に向け、さらに特殊反射面１２
８に当てると、該反射面１２８がＨｅＮｅレーザ１２２
を高出力ビーム８０と結合する。特殊反射面１２８は図
示のように高出力ビーム８０の光路中に直接配置され、
高出力ビームに対して約９９％透明なセレン化亜鉛ビー
ム結合器１１７の透明窓である。結合器１２７の特殊反
射面１２８はＨｅＮｅレーザ１２２を約５０％反射する
。従って、ＨｅＮｅレーザ１２２は結合器１２７の下流
側１２９から高出カビーム８０と同じ方向に向けられ、
その結果２つのビームが結合され、出力９８へのトラン
スミツタフ４の残り部分を通して同一線となる。結合器
１２７は第２Ａ図に示すように楔形を呈する。上流側１
３１及び下流側１２９は平行ではないから、結合器１２
７の第２面１３１または下流側からのＨｅＮｅレーザ反
射分は主要レーザビーム光路８０−１２２からそれる。

アラインメントビーム１２２を利用することにより、レ
シーバ７６の位置を定め、上述のように溶接を行なうた
めに高出力ビーム８０がこのレシーバに当たるようにす
る。上述のようなＨｅＮｅレーザ１２０の構成は極めて
好都合である。なぜなら、レーザ１２０を取り付けてあ
らかじめトランスミツタフ４の光学系とアラインメント
させであるから、ＨｅＮｅレーザ１２０と高出力レーザ
７２のアラインメントは簡単であり、有効に達成させる
からである本発明では、高出力レーザビーム８０及び低
出力レーザビーム１２２を検出する手段を設ける。トラ
ンスミツタフ４にはトランスミツタフ４の出力９８にお
いて高出力ビーム８ｏの一部を高出力検出器１３０に向
けることにより、高出力ビーム８゜がトランスミッタの
出力９８に正しくアラインメントしているかどうかを判
定する。高出力ビーム８０の正しいアラインメントを確
実に行なうためレシーバ７６にも高出力検出器１３２を
設ける。

トランスミツタフ４の出力９８に近い低出力ビーム１２
２の光路に後退後退自在に低出力検出器またはレシーバ
検出器１３４を設ける。レシーバ検出器１３４の目的は
後述する。レシーバ７６の入力１３８に近い低出力ビー
ム１２２の光路に低出力またはトランスミッタ検出器１
３６を後退自在に設ける。

トランスミツタフ４におけるレシーバ検出器１３４はト
ランスミツタフ４に対するレシーバ７６の位置を検出す
る。レシーバ７６におけるトランスミッタ検出器１３６
はレシーバ７６に対するトランスミツタフ４の位置を検
出する。

第３図はトランスミッタ検出器１３６及びレシーバ検出
器１３４の動作原理を略伝する。レシーバ検出器１３４
はトランスミツタフ４の出力９８の近くに取り付けられ
、トランスミッタ検出器１３Ｂはレシーバ７６の入力１
３Ｂの近くに取り付ける。低出力ビーム１２２は第３図
に示すようにレシーバ７６にむかって送られる。低出力
ビーム１２２は半透明ミラー１４０を含むレシーバ検出
器１３４を通過するミラー１４０は低出力ビーム１２２
の一部がトランスミツタフ４とレシーバ７６の間のギャ
ップを通過するのを可能にする。トランスミッタ検出器
１３６は反射ビーム１４４　として入射する低出力ビー
ム１２２の一部を反射させる半透明または部分反射窓１
４２を有する。反射ビーム１４４は半透明窓またはミラ
ー１４０に衝突し、低出力ビーム１４６　としてレシー
バ光検知器１４８にむかって偏向させられる。

レシーバ光検知器１４８はトランスミツタフ４とレシー
バ７６のアラインメントを特徴づける出力信号を発する
。部分反射窓１４２が入射低出力ビーム１２２に対して
直交位置にあり、トランスミツタフ４とレシーバ７６が
アラインメント関係にあることを示唆すると、レシーバ
光検知器１４８が該当の信号を発する。

部分反射窓１４２は低出力ビーム１２２の一部を通過さ
せ、トランスミッタ光検出器１５０に入射させ、該検出
器１５０はレシーバ７６に対するトランスミツタフ４の
位置を表わす低出力ビームに応答応答して信号を出力す
る。トランスミツタフ４がレシーバ７６と正しくアライ
ンメントすると、トランスミッタ光検出器１５０が該当
の信号を出力するレシーバ光検出器１４８の前面１４９
を図示のように傾斜させることにより、さもなければ第
３図に示すシステムの光路へ反射するおそれのある光１
５１を散乱させる。同様に、トランスミッタ光検出器１
５０の前面１５３も傾斜させて光１５５を散乱させる。

以上に略説したトランスミツタフ４をレシーバ７６とア
ラインメントさせるプロセスは反復的であり、−度では
達成されない。ただし、このプロセスにより高い精度が
得られる。アラインメントプロセスの精度及び速度を高
めるため、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１５８を設ける
。ＣＰＵは検出器１４１３．１５Ｑのそれぞれから出力
を受信し、以下に述べるように情報を処理する。ＣＰＵ
の出力はトランスミツタフ４の出力９８をレシーバ７６
の入力１３８とアラインメントさせるためビーム偏向ミ
ラー９０．９２．１００．１０２の位置を制御する（第
２図）。

第４Ａ図に示すように、ボルト・サークル１６２（図面
ではボルト孔を１個だけ示す）を有する蒸気発生器５０
のマンウェイ・フランジ１６０に高出力レーザ７２を取
り付ける。（図面には１本だけ示す）３本のボルト１６
６を介してブラケット１６４がマンウェイ・フランジ１
６０にレーザ７２を固定する。ブラケット１６４及びボ
ルト１６６の位置を変えるだけでマンウェイ５２の中心
線１８８を中心にレーザ７２を任意の向きに位置ぎめす
ることかできる。即ち、レーザは邪魔にならない好都合
な場所に配置できる。図示のように、レーザ支持ブラケ
ット１６４にミラー・ボックス支持ブラケット１７０を
取り付ける。ミラー・ボックス１７２は後退自在の係合
カプラー１７４によって支持されるブラケット１７０に
結合される。ブラケット１７０、ミラー・ボックス人口
１７３及び後退自在のカプラー１７４は高出力レーザビ
ーム８０がミラー・ボックス１７２に入射するのを可能
にするアラインメント孔１７６を有する。ミラー・ボッ
クス１７２の出口１８０は適当な孔１８２及びボルト・
サークル１８５を有するミラー・チェンバー１８４はミ
ラー・ボックス１７２の出口１８０と整列する内側チェ
ンバー１８６を有する。ミラー・チェンバー１８４もミ
ラー・ボックスのボルト孔１８５と一致するボルト・サ
ークル１８７を有し、このボルト・サークルの目的につ
いては後述する。図示しないが、ミラー・チェンバー１
８４に形成した孔が低出力レーザビーム１２２の入口と
して作用する。ミラー・チェンバー１８４は第１及び第
２ミラー８６．８８及び小さい方向制御用ミラー１２４
．１２Ｂを取り付けるマウントを具備する。特殊レフレ
クタ−または結合器１２７を図示のようにミラー筺体１
８４の光路８０中に配置して特殊レフレクタ−１２８の
下流面１２９において低出力ビーム１２２を高出力ビー
ム８０とアラインメントさせる（詳細は第２Ａ図）。

図示のように、ミラー・チェンバー１１１４の出口１８
７に第１リスト装置１８８を配置する。この第１リスト
装置１８８は軸９４を中心に回転自在である。初期アラ
インメントのため、第１リスト１８８に調節自在に第３
ミラー９０を取り付ける。第１リスト装置１８８の出口
１８９には第２リスト装置１９０が結合され、軸９６を
中心に回転自在である。検出器筐体１９２は高出力検出
器１３０及びレシーバ検出器１３４を支持する。高出力
ビーム８０の光路中に高出力検出器を後退自在に位置さ
せるため、この高出力検出器にアクチュエーター１９４
を結合する。また、低出力ビームｉ２２の光路中にレシ
ーバ検出器１３４を後退自在に位置させるため、このレ
シーバ検出器１３４にアクチュエーター１９８を結合す
る。ミラー・チェンバー１８４には第１リスト駆動手段
１９８を取り付けてあり、その出力歯車２００が第１リ
スト装置１８８の輪歯車２０１と係合する。

駆動手段１９８は軸９４を中心に３６０°の角度に亘っ
て第１リスト装置１８８を可逆駆動する。第１リスト１
８８には駆動手段２０４が取り付けられ、これも軸９６
を中心に３５０°の角度に亘って第２リスト１９０を可
逆駆動する。

レシーバ検出器１３４は比較的小さい孔２０８を有する
支持部材２０６に装着されたレシーバ・ミラー１４Ｇを
含む、前記小さい孔２０８はビーム結合器１７７におけ
る多重反射によってシステム中に現われる外来光を偏向
させる。

レシーバ７６（第４Ｂ図）は多くの点でトランスミツタ
フ４と似ている。レシーバ７６の人口１３８に設けた第
３リスト装置２２０は軸１１６を中心に回転自在である
。第３リスト２２０の出口２２３に結合された第４リス
ト２２２は図示のように軸１１８を中心に回転自在であ
る。詳しくは′ｓ２図に示したビーム縮小レンズ１０Ｂ
及びコリメーター・レンズ１０８を含むビーム縮小装置
２２４に前記第４リスト２２２が結合されている。第３
及び第４リスト２２０．２２２は可逆駆動手段によって
適当に駆動される。

第４Ｂ図から明らかなように、第３駆動手段２２１ｉが
軸１１６を中心に第３リスト２２０を駆動する。第４リ
スト２２２を駆動する第４駆動手段２４７は第４リスト
２２２の陰にかくれて見えない。第３及び第４リストを
駆動するために適当な歯車機構を設けるが、この機構は
トランスミッタ部分に関して述べた歯車機構と同様であ
り、繰返し説明することは不要であろう。

溶接ヘッド装置２２８をビーム縮小装置２２４の出口２
３０の付近に後退自在に設ける。溶接ヘッドは第６図に
示す下方後退位置と、上方伸張位置との間を往復移動し
て高出力ビーム８０を上述のように（第２図）溶接部位
に向けることを可能にする、レシーバ７６及び溶接ヘッ
ド装置２２８は空気圧作動カムロック２３４を含むカム
プレート２３２に取り付けられる。カムロック２３４は
公知の態様で管板（第２図）の空いている細管の孔と係
合する。

溶接プロセスのモニター手段としてのマイクロホン４５
０をカムプレート２３２に固定する。

４Ｘ′）の駆動装置１９８．２０４．２２６．２４７は
全く同じであり、第５図に示すように、駆動モータ２３
６、出力歯車２３８、中間歯車２４０、すべりクラッチ
２４１及び遊星歯車２４２を含み、歯車２４２の出力が
出力歯車２００に結合される。歯車２００は上記それぞ
れのリスト（１８８，１９０，２２０，２２２）におい
て輪歯車２０２と結合される。すべりクラッチ２４１を
設けることにより、もしリスト１８８．１９０．２２０
または２２２が障害物と衝突しても損傷しないようにす
る。

本発明装置の安定性を維持するためには、位置ぎめされ
たらりスト１８８．１９０．２２０．２２２がその位置
から動かないことが必要である。本発明では、適当なキ
ャブアチュアド軸受２２４及びピン止めベルビル座金２
４６によって各リスト１８８．１９０．２２０．２２２
の可動部分を隣接の装置に固定する（例えば第４Ｂ図に
おけるリスト２２０〜２２２）。キャブアチュアド軸受
２４４は図示のように第４リスト２２２の延長部２４８
と第３リスト２２０のフランジ部分２５０の間に配置さ
れる。ピン止めベルビル・ウオッシャ−２４６はフラン
ジ２５０とこれと対応する第４リスト２２２の対向面２
５２の間に挟持される。ピン２５４はベルビル・ウオッ
シャ−２４６を第３リストと共に回転するように位置ぎ
めする。ベルビル・ウオッシャ−２４６は駆動手段２２
６が停止したらリスト２２０．２２２を静止状態に維持
するための摩擦を発生させる。なお、リストを位置ぎめ
したら、このリストの駆動手段を、輪歯車２０２に作用
する出力歯車２００の残留圧を除くのに充分なカウント
数だけ反転させ、リストがその所期位置からずれないよ
１うにする。図示のようにベルビル・ウオッシャ−２４
６をピン止めすることにより、万一座金の位置がずれた
時に座金の形状及びサイズの変化がリスト２２０．２２
２及び連携部材のアラインメント精度を狂わせないよう
にする。なお、第４リスト２２２は第１及び第２リスト
に関して述べたのと同様の構成でビーム縮小装置２２４
に結合されている。

各駆動手段１９８．２０４．２２６．２４７は連結歯車
２５１を介して出力歯車２００と作動的に結合するポテ
ンシオメータ−２５３もを含む、ポテンシオメータ−２
５３の回転位置は特定リストの概略位置を指示する、ポ
テンシオメータ−２５３の出力を利用してシステム中に
おける各リストの位置を概則する。

トランスミツタフ４（第４Ａ図）には、レシーバ７６の
予期される方向にほぼ向けられたトランスミッタ・ビデ
オカメラ２５２が装着されている。

同様に、レシーバ７６（第４Ｂ図）にもトランスミツタ
フ４に向けられた小さいレシーバ・ビデオカメラ２５６
が装着されている。トランスミツタフ４とレシーバ７６
を整列させる時、オペレーターは隣接構造上に低出力ビ
ーム１２２（第３図）を探すと同時にレシーバ７６を探
し、両者を一致させればよい、同様に、オペレーターは
反射ビーム１４４　（第３図）を観察することによりレ
シーバ７６の動作を制御し、これをトランスミツタフ４
の方向に移動させ、トランスミツタフ４に向ければよい
。上述した種々のモータ装置における各モータ２３６は
３６０°リスト回転につぎ７３２，０００ステツプまた
は１セコンド・アーク回転につき０．６ステツプ割り当
てられたＣ１１ｆｔｏｎ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍｏｄ
ｅｌ　１ｌ−５ＨＢＤ−４７ＡＢのような高精度ステッ
プモータである。

モータ２３６はモータ及び連携のリスト装置を極めて正
確に位置ぎめするためカウント数を追跡するコンピュー
ター（例えば、第３図のＣＰＵ１５８）によって制御さ
れる。

事情が許せば、第４Ａ図に示すように、高出力レーザ７
２をマンウェイ・フランジ１６０に直接ボルト止めして
もよい、ただし、隣接構造が邪魔になる場合には、ボル
ト・サークル１６２を利用してマンウェイ・フランジ１
６０に対して任意の好都合な位置へ回転させればよい、
ミラー・ボックス１７２及びミラー筐体１８４のボルト
・サークル１８５．１８７はマンウェイ・フランジ１６
０のボルト・サークル１６２に対して割り出される。即
ち、マンウェイ・フランジ１６０の任意のボルト孔を利
用してレーザ７２を蒸気発生器５０に固定する場合、ボ
ルト・サークル１８５．１８７によりミラー・ボックス
１７２及びミラー筐体１８４の相対位置を対応の所定関
係に調整する。このようにしてトランスミツタフ４は常
にマンウェイ孔５２に既知の向きに、即ち、ホームポジ
ションと呼ばれる向きに配置される。

システムのすべての測定値はトランスミツタフ４のホー
ム・ポジションを起点として求められる。

本発明では、マンウェイ孔に対してレーザ７２の方向制
御をやり直すことが可能であり、多くの場合必要である
。第４Ｃ図はブラケット１６４とマンウェイ・フランジ
１６０の間にテーパー・シム２７０を配置した構成を示
す。第４Ｃ図の場合、テーパー・シム２７０はレーザ７
２の方向をマンウェイ・フランジ１８０の平面に対して
３０°だけ修正する。レーザ７２をこのような向きにす
る場合には、ミラー・ボックス１７２に対するレーザ７
２の位置が第４Ａ図に示す構成における位置と正確に同
じでない限り、方向制御用ミラー８２．８４の方向と修
正または調整しなければならない。状況によってはマン
ウェイ孔５２におけるレーザ７２及びトランスミツタフ
４の位置をシフトする必要がある。このためには、第４
Ａ図に示すように単数または複数の扁平シム２７２を使
用すればよい。

出力検出器２７４（第２．４Ａ及び１３図）を後退自在
に高出力レーザの光路中に配設する。この出力検出器２
７４を利用することにより、レーザ７２の動作を徹かく
調節し、ミラー・ボックス１７２に固定された空気圧式
リンケージ２７７（第１３図）を介して枢動マウント２
７６を中心に検出器を回転させることによって前記出力
検出器２７４を後退させる。

第２及び４Ａ図に示すようにブラケット１７０にレーザ
アラインメント装置２７８を設ける。レーザアラインメ
ント装置２７８は高出力レーザ７２からレーザビームを
受光してレーザ調整情報を出力し、オペレーターはこの
情報を利用することにより高出力レーザ７２内に設けた
（図示しない）空洞ミラーを調節することができる。

レシーバ７６及び溶接ヘッド２２８を支持するカムプレ
ート２３２の詳細を第６及び７図に示した。

カムプレート２３２は円筒カプラー３００を介して（図
示しない）ロボット・アームに装着することができる。

カプラー３００はカムプレート２３２の円筒孔３０２に
配置され、軸受３０４によって円形孔内に支持される。

心立てバー３０６の一端をカプラー３００の上側にピン
連結部３０８において固定し、他端をピン連結部３１０
によってカムプレート２３２に連結する。従フて、円形
孔３０２内でのカプラー３００の回転量は著しく制限さ
れる。カプラー３００の上面３１３には対向する偏倚部
材３１２を設けてあり、該偏倚部材は心立てバー３０６
の両側と係合してこれをカプラー３００の直径方向中心
線３１６と整列させようとするばね付勢ビン３１４を含
む。このようにして心立てバー３０６に可撓性が与えら
れるからカム・ブレイード２３２装着されているカムロ
ック２３４は工業的目的に必要な可撓度と裕度をもって
管板の孔と係合することができ、しかも、カムプレート
２３２を位置ぎめするロボット・アームに対してカムプ
レート２３２を極めて正確に心立てすることができる。

これに関連して、１対のカムロック２３４を示す第７図
上部を参照されたい、同図においてカムロック２３４の
うちの下方カムロックはカムロック２３４と正確に一致
する円形孔３２０内に位置するが、第７図上方のカムロ
ック２３４はやや楕円形の、カムプレート２３２に対し
てカムロックが横移動することを可能にする孔３２２内
に取り付けられている。従って、もし管板孔がカムロッ
ク２３４の間隔と正確に一致しない場合でも、ある程度
の横方向自由度があるから、管仮に挿入する際にカムロ
ック２３４を相対的に横移動させることができる。同様
に、６立てバー３０６によってカプリング３００に可撓
性が与えられるから、管孔へのカムロック２３４の挿入
及び抜き取りが可能となり、カムプレートを管仮に対し
て正確に位置ぎめすることかできるこれにより、溶接す
べきスリーブと細管に溶接ヘッド２２８を係合させるこ
とができる（第２及び６図）。

（以　下　余　白） カムプレート２３２を管板５４と確実に係合できるよう
にするため、入れ子式フィーラ−３３０を設ける。入れ
子式フィーラ−３３０はカムプレート２３２の上面３３
２から突出するように偏倚させられている。各フィーラ
−３３０の上方尖端３３４はロボットのアームがカムプ
レート２３２、溶接ヘッド２２８及びレシーバ−７６を
種々の管位置へ操作するのに伴なって管板５４と係合す
る。カムプレート２３２が管板５４の近傍に位置ぎめさ
れ、カムロック２３４が位置ぎめされ、かつロックされ
ると、フィーラ−３３２の上方尖端３３４が管板５４と
係合し、同時にカムプレート２３２の上動に伴なってフ
ィーラー３３０が圧縮される。各フィーラ−３３０と連
携する（図示しない）ポテンシオメータ−は圧縮度、従
って、カムプレート２３２と管板５４の整列を示す出力
を提供する。３つのフィーラ−３３０のそれぞれが完全
に圧縮されると、カムプレート２３２は正しく位置ぎめ
される。システムのオペレーターがレシーバ−７６を正
しく位置ぎめするのを助ける手段として、カムプレート
２３２の下側にビデオカメラ３３８を設け、視詔口３４
０を通してカムロック２３４を視認する。

溶接ヘッド２２８を細管及びスリーブ５６．５８と正し
く整列させることができるようにするため、溶接ヘッド
２２８に第６．９及び１０図に示す特殊なマウントを設
ける。溶接ヘッド２２８は回転可能ベース３５２に取り
付けられる管状部分３５０を含み、回転ベースは（図示
しない）モータによって駆動される。溶接管３５０はベ
ース３５２のねじ付き突出部３５４に螺着される。原子
炉用蒸気発生器の細管内へのスリーブの溶接に要求され
る精度を考慮して、ベース３５２に浮動軸受を設け、管
３５０の中心軸３５１に沿って溶接管３５０をレーザビ
ーム８０と正しく整列させることができるようにする。

第１０図は第９図１０−１０線におけるベース３５２の
オフセット断面図である。ベース３５２は（図示しない
）モータによって駆動される上方駆動部材３５６、被駆
動部材３５８及び調整板３６０を含む。

ねじ付き突出部３５４を有する被駆動部材３５８はねじ
３６２によフて駆動部材３５６に固定される。被駆動部
材３５８の垂下縁３６４は第１０図に示すようにこれと
対応する駆動部材３５６の上面３６６と当接する。調整
板３６０は被駆動部材３５６の上に設けられ、インボー
ド・ボルト３６８によって該部材３５６に固定する。調
整板３６０は駆動板３５６のねじ孔３７２にボルト３７
０を螺入することによって駆動部材３５６にも固定する
。被駆動部材３５８の孔３７４はオーバーサイズであり
、ボルト３７０を摺動自在に押通させることができる。

また、ボルト３７０の位置において被駆動部材３５８の
垂下縁３６４は矢印３７７で示すように駆動部材から間
隔を保っている。オペレーターはボルト３７０の締め具
合を調節して被駆動部材３５８を駆動部材３５６に圧接
させればよい。

これにより、ビーム８０に対する溶接管３５０の整列を
調節することができる。従って、各ボルト３７０の締め
具合を調節することによフて溶接管３５０とビーム軸線
との整合を図示のように最終調整できる。溶接作業中、
溶接管３５０の内部チェンバー３７８にはパージまたは
シールド・ガスが供給される。パージ・ガスが供給され
るチェンバーを０すング３７６がシールする。

駆動部材３５６の下端はねじ付き部分３８０及び“Ｖ″
字形軸受３８４として取り付けられた上下軸受部材を有
する（第６及び８図）、駆動部材３５６の軸受面３８２
は”■”字形軸受３８４の上下対向面３８５と係合する
。対向面３８５は円形軸受の扁平セグメントの形態を取
る。“Ｖ”字形軸受面３８４と対向するねじ付きバー３
８６ばばね偏倚させられて駆動部材３５６の下端のねじ
付き部分３８０と当接する、ねじ付きバー３８６は被駆
動部材のねじ付き部分３８０と螺合するねじ付き部分３
８８を有する。ねじ付きバー３８６をばね偏倚などによ
って分割軸受面３８５の方向に適当に固定することによ
り、駆動部材３５６を回転自在に、ただし密着状態に軸
受３８４内に固定する。軸受３８４は上下軸受３８２を
収容する円筒形の凹部３９０を有する。この凹部３９０
は細長く、上下軸受３８２の軸方向移動を可能にする。

溶接作業中、溶接ヘッド２２８が回転すると、駆動部材
３５６がねじ付きバー３８６の螺条に沿って回転し、溶
接ヘッド２２８が上昇または下降する。即ち、上下軸受
３８２は分割軸受３８４に係合して回転するだけでなく
、第６図に示゛すように自由に上下動する。溶接作業中
、溶接管３５０が（図示しない）モータによって回転駆
動され、細管及びスリーブ５６．５８内にらせん形溶接
部を形成する。溶接作業が終るごとに、溶接管の方向が
反転し、軸受３８２が下方のホーム・ポジションに移動
する。

第１１及び１２図は第２．４Ａ及び１３図に示す方向制
御用ミラー８２．８４の駆動機構４００をそれぞれ平面
図及び断面図で示す。方向制御用ミラー駆動機構４００
は歯車４０６及びこれと連結している親ねじ４０８を駆
動する駆動モータ４０２を含み、親ねじ４０８はねじ付
は孔４１０に取り付けられている。モータ４０２が時針
または反時針方向に回転すると、歯車４０４が歯車４０
６及び親ねじ４０８を上下いずれかの方向へ駆動する。

親ねじ４０８の上端には玉軸受４１２を設けである。ミ
ラー・プレート４１４はピボット４１６を中心に親ねじ
４０８によって旋回駆動される。ミラー・プレート４１
４はばね付勢ビン４２０によりフレームまたはモータ・
ベース４１８に固定される。第１１図は２組のモータ４
０２、親ねじ４０８及びばね付勢ビン４２０が図示のよ
うにピボットビン位置４１Ｂにおいて交差する直交軸４
２２．４２４を中心にミラー・プレート４１４を駆動す
る場合を示す。方向制御用ミラー８２．８４は方向制御
自在に取り付けられ、所期のビーム位置８０に対応する
中心！、ｌＩ４２８の交差点にレーザ・エネルギーを向
け、６立てすることができる。

本発明では、トランスミツタフ４とレシーバ７６のアラ
インメントが一連の手動ステップ及び後述する一連のコ
ンピューター制御自動ステップによって達成される。視
認によるトランスミツタフ４とレシーバ７６のアライン
メントはビデオカメラ２５２．２５６（第４Ａ−４Ｂ図
及び第５図）で可視レーザビーム１２２及び反射レーザ
ビームエ４４（第３図）を観察することによって達成さ
れる。視認によるアラインメント達成後、低出力レーザ
ビーム１２２がほぼトランスミッタ検出器１５０上に、
反射ビーム１４４がほぼレシーバ検出器１４Ｂ上に来れ
ば手動による粗アラインメントが得られたことになる。

オペレーターは駆動機構１９８．２０４．２４２．２４
７の各モータ２３６（第２．４Ａ、４Ｂ図）を、トラン
スミツターフ４とレシーバ７６を粗アラインメントさせ
るように視覚によって得た各モータの位置から数えた任
意のカウントにセットすればよい。トランスミツタフ４
とレシーバ７６をこうして粗アラインメントさせたら、
Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｐ、Ｐａｕｌ　（マサチューセッツ工
科大学、１９８１年）著″Ｒｏｂｏｔ　Ｍａｎｉｐｕｌ
ａｔｆｏｎｓ：Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ、Ｐｒｏｇｒａ
ｍｍｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃａｎｔｒｏｔ”に記載されてい
る幾何学的及び運動学的関係から得られる記憶されてい
る数式を利用して、ＣＰ　Ｕ　１５８が裕度が比較的大
きい特定の“スタート・ブロック”において各ビーム１
２２．１４４をアラインメントさせる０次いでモータ２
３６を作動させて駆動機構１９１１．２０４．２２６．
２４７をスタート・ブロックから離脱させると共にアラ
インメント状態の所期最終位置から離脱させることによ
ってシステムに全バックラッシュを作用させる８次いで
モータ２３６を反転させて駆動機構１９８．２０４．２
４２．２４７を方向反転させることによりシステムから
アラインメント方向へのすべてのバックラッシュをでき
るだけ小さくする。即ち、ビーム１２２．１４４は先ず
スタート・ブロックに戻され、次いで正確なコンピュー
ター制御により、プログラムされているシーケンスに従
って正確な所期アラインメント位置へ移動させられる。

コンピューター・プログラムが最終アラインメントプロ
セスを制御する。コンピューター・プログラムはアライ
ンメント手順に際して下記のようないくつかの重要な要
因を考慮する。

４つのリストｔａａ、１９０．２２０．２２２はそれぞ
れ対応の駆動機構１９８．２０４．２４２．２４７によ
り、また正確に制御できるステップ・モータ２３６によ
ってアラインメントさせられる。ミラー筐体及びモータ
は上述したように潤滑された歯車を使用する。レーザの
アラインメントは正確でなければならないから、歯車の
潤滑も考慮しなければならない、モータ２３６す方向を
反転させると、歯車（・例えば第４Ｂ図の歯車２３８．
２４０．２４２．２００）も方向を変える。歯車の接触
には面接触間のある程度の裕度、即ち、バックラッシュ
が伴なう。従って、回転方向が反転した後、特定の被駆
動歯車が駆動歯車に対して即座に、または正確に応答し
ない０本発明では、精度条件がきびしいから、歯車の歯
の間の潤滑油の効果もバックラッシュの計算及び処理に
際して考慮される。例えば、反転後、歯車の歯が実際に
接触する前に、作業条件に応じて潤滑油が排除されねば
ならない、歯車の歯に存在する残留膜の量は歯車ごとに
異なる可能性があるから、バックラッシュを常に必要な
精度で予測できるとは限らない。本発明によるプログラ
ム制御では、歯車の反転後、薄い潤滑油層だけを残して
歯車が互いにしっかりと係合する。次いでモータ動作に
よってリストの動作が正確に制御される。

“ソフト・バックラッシュ”という表現は駆動歯車に対
する被駆動歯車の応答を予想できるように２つの歯車の
間の潤滑油を排除するのに必要な歯車の移動範囲を意味
する。また、“ハード・コンタクト”という表現は歯車
間のしっかりした接触状態を意味する。“ソフト・バッ
クラッシュ”から“ハード・コンタクト”状態への移行
に必要な移動量はシステム運動に先立りて計算され、実
際のアラインメントプロセス中に考慮される０例えば、
潤滑の状態によっては、また、歯車の歯の摩耗程度によ
っては、リスト回転方向が反転すると、被駆動歯車がい
くつかのモータ・ステップに亘って作動に応答する。た
だし、リストの実測移動量とモータ動作との間に線形関
係は成立しないこのような非線形関係がソフト・バック
ラッシュである。次いで、モータ・ステップとリスト回
転との間に線形関係が成立すると、ハード・コンタクト
状態が得られる。また、第１４図に示すように、線形関
係も非線形関係も共に変動する可能性がある。しかし、
コンピューター・プログラムはアラインメント手順にお
いてソフト・バックラッシュからハード・コンタクト状
態への移行に所与のモータ・ステップ数を割り当てる。

プログラムは視割り当て値を正確に予測し、正確なアラ
インメントが達成される。もしこれらの要因を考慮しな
ければ、オーバーシュート及びターゲット不アラインメ
ントが起こる。バックラッシュは自動的に測定され、Ｃ
ＰＵによって記憶される。位置フィードバック用検出器
を利用してＣＰＵがモータ方向を反転させ、検出面を移
動させるためのモータ・ステップ量を測定する。第１５
図はこのような測定を示すグラフである。

本発明では、ビームをスタート・ブロック５００に位置
させ、アラインメント位置５０２まで一連のステップを
経て移動させる。即ち、ビームは先ずスタート・ブロッ
ク５００の位置５０４に置かれる。

、次いで、アラインメント位置５０２の方向とは反対の
方向にモータを予定のモータ・ステップ数だけ回転させ
ることにより歯車をハード・コンタクト状態に係合させ
、ビームを位置５０６へ移動させる。次に、歯車を再び
ハード・コンタクト状態に戻すのに必要なモータ・ステ
ップ数だけモータを反転させてリストを回転させ、レー
ザビームをほぼスタート・ブロック５０Ｇの、例えば、
位置５０８に８Ｊさせる。これは、続く最終アラインメ
ント手順の間歯車をハード・コンタクト状態に維持する
ためである。システムが位置５０８で示される状態とな
れば、被駆動歯車はすべて対応の駆動歯車に完全応答す
る。

ソフト及びハード・コンタクト状態のほかにも歯車機構
に伴なう問題がある。歯車駆動されるシステムにはねじ
れ及び伝達トルクが付きものであるから、歯車列にある
程度の量のワインドアップまたは応力が発生する。この
ワインドアップまたは応力はいつでも解放される可能性
があり、リストが設定位置から回転またはドリフトする
おそれがある０本発明のレーザアラインメントシステム
のような敏感かつ精密なシステムのアラインメントに際
しては、ドリフトはレーザビームの不アラインメントを
招き、高価の装置を損傷させることがある。従って、最
終アラインメントの前に、モータ２３６を数ステップだ
け反転させることにより歯車から応力を除く。歯車の最
後の動作から位置を読＼み取るまでには、すべての動作
を完全に停止させるため１０ｍ５ｅｃの遅延が存在する
。

トランスミツタフ４とレシーバ７６はトランスミツタフ
４からレシーバ７６を見て下記の４通りの位置関係のい
ずれかに配置することができる。

１）トランスミツタフ４が中央より左、レシーバ７６も
中央より左、 ２）トタンスミツタ−７４が中央より左、レシーバ７６
が中央より右、 ３）トランスミツタフ４が中央より右、レシーバ７６が
中央より左、 ４）トランスミツタフ４が中央より右、レシーバ７６も
中央より右。

以上４通りの幾何的配置を選択することにより、任意の
位置でレーザビームを送受し、あるいは蒸気発生器内の
障害物を避けてレーザビームを当てるシステムの能力に
すぐれた融通性が与えられる。コンピューター操作中、
モータ２３６が各リストを所期の方向に回転させるよう
にするためには、トランスミツタフ４及びレシーバ７６
の所期配置が既知でなければならない。

第４Ａ−４Ｂ図に示す各リスト１８８．１９０．２２０
．２２２の軸受２４４はリスト輪歯車２０２と同一平面
には位置せず、従って、駆動歯車２００が回転すると、
リスト軸はビーム８０に対して輪歯車２０２の回転方向
とは反対の方向に偏向する駆動歯車２００の回転方向が
反転すれば上記偏向も逆になる。低出力アラインメント
レーザビーム１２２及び高出力レーザビーム８０はリス
ト１８８．１９０に入射する前に同一光路中に固定され
るから、トランスミツタフ４における上記偏向の補正は
不要である。ただし、この偏向はレシーバ７６における
ビーム８０のアラインメントに特殊な影響を持つ。レシ
ーバにおいては、アラインメントプロセス中、リストの
回転を一方向に固定することによって偏向の補正が行な
われる。換言すれば、スタート・ブロック５００の位置
５０８からアラインメント位置５０２までの最終アプロ
ーチの間、レシーバ・モータ２３６を同じ方向に回転さ
せる。

スタート・ブロック５００（第１５図）は検出器５１Ｇ
（例えば、第３図におけるトランスミッタ検出器１５（
＋またはレシーバ検出器１４８）における指定域である
。スタート・ブロック５００は各検出器５１０の中心５
１４からやや離れた点５１２に配置され、検出器５１０
の中心５１４に対して４５°の線５１６に沿って位置す
る。各リスト１９８．２００．２２０．２２２を回転さ
せることにより、検出器５１０の中心５１４またはその
近傍の狭いアラインメント域５０２内に位置ぎめするこ
とができる。第１５図ではスタート・ブロック５００の
位置をリスト回転軸との関係を示している。スタート・
ブロック５００の位置は検出器５１０の中心５１４に対
してコンピューター１５８（第３図）が設定する。コン
ピューター１５８はトランスミツタフ４及びレシーバ７
６の初期相対位置と、モータ２３６の回転方向に関する
制約を考慮する（第４Ｂ及び５図）、各検出器５１０の
中心５１４は溶接中の最適レーザ光路と一致する。

コンピューター１５８はカウントの形でモータ２３６に
指令を与えることにより、一連のステップでリストを回
転させ、レーザビーム１２２．１４４を検出器５０６の
中心５０４付近でアラインメントさせる。

例えば、位置５０８から位置５１Ｂへの移動はすべての
モータ２３６を同時回転させることによりて達成される
。第１５図では移動量をＸ軸及びＹ軸にそれぞれ平行な
直交ベクトル５２０−Ｘ及び５２０−Ｙで表わした。結
果としての移動量５２０−Ｒはすべてのリストの運動の
ベクトル和である。もし特定リストの回転量が予想量よ
りも大きいか、または小さければ、ビーム位置５１８は
理想の線または光路５１６からずれることになる。５１
８から５２２への次の移動量を計算することによってオ
ーバーシュート（またはアンダーシュート）を補償する
。最後に、位置５２２から位置５２４におけるアライン
メント域５０２へのアラインメントはコンピューター計
算によって達成される。もしビーム１２２がアラインメ
ント域５０２をオーバーシュートしてモータ反転が必要
なら、スタート・ブロック５００にレーザを再位置ぎめ
し、アラインメントプロセスを繰り返す。単一ステップ
ではなく、一連の小ステップを利用してアラインメント
域５０２をオーバーシュートするおそれを軽減する。ス
テップごとにリスト・モータを反転させて歯車から応力
を除くことにより、位置検出器信号が処理される前にド
リフトが起こる可能性を排除する。

コンピューター・プログラムのフローチャートを第１６
Ａ−１６Ｃ図に示した。手動及び視認による粗アライン
メントに続いて以下に述べるようにコンピューター制御
が行なわれる。第１６Ａ図に示すプログラムのループＩ
は５ＴＡＲＴブロツク６３０から始まる。ブロック６３
２においてコンピューターがスタート・ブロックを決定
する。この決定はレシーバ−・リストの回転方向と、レ
シーバ及びマンウェイ孔に対するトランスミッタの初期
幾何的方向に基づいて行なわれる。ブロック６３４にお
いて検出器信号を処理することによりスタート位置及び
アラインメント位置を求める。この信号を既に得られた
スタート・ブロック位置と比較しもしレーザビームがブ
ロック６３６において求められたスタート・ブロックに
位置しなければ、ブロック６３８において計算すること
によってビームを前記スタート・ブロックへ移動させる
。ブロック６３８において、すべてのモータの動作も同
時に行なわれる。ブロック６４２においてレーザビーム
応答時間に問題があると判明したら、ＣＰＵはブロック
６４６において各モータのソフト・バックラッシュ状態
を判定し直し、ブロック６３４における再処理のためブ
ロック６４８の点Ａに戻る。もしレーザビーム応答が妥
当なら（ブロック６４２　）　、ブロック６４４におい
てモーターを反転させて歯車から応力を除き、ドリフト
を回避する。コンピューターはブロック６３４に戻る。

もしレーザビームがブロック６３６で得られたスタート
・ブロックに位置するなら、コンピューターは６４０に
おいてループＩを出て第１６Ｂ図に示すプログラムのル
ープＩＩに進む。

第１６Ｂ図に示すプログラムのループＩＩはブロック６
５０で始まり、すべてのリストをビームアラインメント
に必要な方向とは反対の方向に回転する。次いでブロッ
ク６５２において回転方向を反転させることにより、リ
ストを再びスタート・ブロック位置へ戻す。このプロセ
スを行なうことにより歯車がハード・コンタクト状態と
なるようにする。次いでブロック６５４において位置検
出器信号を処理し、これを利用してレーザビームが各検
出器の中心にアラインメントしているかどうかを判定す
る。この動作におけるモータのステップ数は一定ではな
い。ブロック６５６においてレーザがオーバーシュート
していることが判明すれば、コンピューターは一時的に
ループＩＩを離れ、ブロック６５８においてループＩＩ
Ｉを開始する。ブロック６５６においてレーザビームの
アラインメントが確認されれば、制御はブロック６６０
においてオペレーターに戻される。

第１６Ｃ図に示すループＩＩＩは６６４で始まり、レー
ザビーム位置が検出器中心と比較される。レーザビーム
が検出器中心を越えた点（ミラー筐体の回転方向の反転
を必要とする点）に向けられているなら、コンピュータ
ーはブロック６６６を介してループＩの点Ａに戻る。レ
ーザビームがスタート・ブロックと各検出器の中心との
間に位置するなら、ブロック６６６において移動量を計
算してレーザビームを少しずつ中心に近づける。この移
動のためにいずれかのモータの方向を反転させる必要が
あるかどうかについてブロック６６８で判定される。こ
のような反転を必要とする移動は無視され、ブロック６
７０において新しい行き先が計算される。もし反転の必
要がなければ、プログラムはブロック６７２に移行し、
すべての軸が同時に移動させられる。次いでブロック６
７４においてモータを反転させて歯車から応力を除くこ
とによってドリフトを回避する０次いでコンピューター
はブロック［ｉ６２を介してループＩＩの点Ｂに戻る。

本発明では上述した構成により、約３０４８ｍｍに亘り
て約０．０５０８０１以内の精度でレーザビームをアラ
インメントさせる方法が実施可能になる。この精度は歯
車駆動装置を利用し、手動による予備アラインメント手
順及びコンピューター制御精密アラインメント手順によ
って達成される。

以上に特定実施例との関連で本発明を説明したが、ほか
にも種々の実施態様が可能である０頭書した翳許請求の
範囲は本発明の原理に基づく変更、発明の利用または通
用にも及び、開示内容と−致しなくても当業者には自明
と考えられる実施態様をも包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は関連のＨａｗｋｉｎｓ他の特許第４，６９４，
１３７号に開示されたレーザ溶接装置の構成図である。 第２図は煩雑化を避けるため筐体、駆動機構、軸受など
を省略して示す本発明のレーザ溶接装置の簡略図である
。 第２Ａ図は第２図に示したビーム結合器の詳細図である
。 第３図は本発明のレーザ溶接装置用のアラインメント装
置及び制御システムを略伝するブロックダイヤグラムで
ある。 第４Ａ及び４Ｂ図は両図で本発明のレーザ溶接装置を示
す断面図である。 第４Ｃ図は高出力レーザ取り付は態様の変更例を示す部
分図である。 第５図はレーザ検出器及びリスト機構用モータ駆動機構
の詳細を示す、第４Ａ及び４Ｂ図のレーザ溶接装置の部
分図である。 第６図は原子炉用蒸気発生器などにおいて本発明の溶接
装置の各部分を支持するキャリアまたはカムプレートの
断面図である。 第７図は第６図に示した支持手段の頂面図である。 第８図は第６図８−８線における軸受断面図である。 第９図は回転軸に対する溶接ヘッド位置を調整するアラ
インメント機構の頂面図である。 第１０図は第９図に示した調整機構の断面図である。 第１１図は第４Ａ図に示した方向制御ミラー機構の頂面
図である。 第１２図は第１１図１２−１２線における断面図である
。 第１３図は第４Ａ図に示した方向制御ミラー及び可動パ
ワー・メーターの側面図である。 第１４図はハード・コンタクト及びソフト・バックラッ
シュ状態を示すグラフである。 第１５図はスタート・ブロックからアラインメント位置
に至るアラインメントビームの典型的な移動パターンを
示すグラフである。 第１６Ａ−１６Ｃ図は本発明のレーザビームアラインメ
ントシステムのトランスミッタ及びレシーバをアライン
メントさせるプロセスのフローチャートである。 ０・・・・蒸気発生器 ６・・・・細管 ８・・・・スリーブ ０・・・・溶接部位 ０・・・・レーザ溶接装置 ２・・・・高出力レーザ ４・・・・レーザトランスミッタ ロ・・・・レーザーレシーバ ０・・・・レーザビーム 出願人：　　ウエスチングへウス・エレクトリック・コ
ーポレーション化　理　人：加　藤　紘　一部（ほか１
名）ＦＩＧ、８ ＬＯＯＰＩ−５ＴＡＲＴＩＮＧ日し０ＣＫＦＩＧ。 ６Ａ Ｌ○ＯＰニーＭＰＲＯＡα ＬＯＯＰ　ＩＩ　−ＣＥＮＴＥＲＩＮＧＦＩＧ。 ６Ｂ ＦＩＧ、１６Ｃ

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. （１）高出力レーザからのレーザビームを溶接部位に供
   給するためのレーザビーム・アラインメント装置であっ
   て、 レーザと光学的に結合し、レーザビームを受ける入力及
   び空間的に離れた位置を占めるレシーバにむかってレー
   ザビームを送出する出力を有するトランスミッタ、及び
   トランスミッタと光学的に結合し、送出されたレーザビ
   ームを受ける入力及び溶接部位にレーザビームを供給す
   る供給機構を有する前記レシーバと； トランスミッタ及びレシーバにそれぞれ１対ずつ設け、
   各対を直交平面内で作用させることによりトランスミッ
   タの出力とレシーバの入力をアラインメントさせる少な
   くとも２対の方向制御可能なビームデフレクタと； トランスミッタの方向制御可能なビームデフレクタにむ
   かってレーザビームを当てるためトランスミッタの入力
   に設けた１対の方向制御用デフレクタと； 溶接部位に対して任意の向きにレーザを取り付けるため
   の支持手段と； トランスミッタの向きをレーザの向きに対応する向きに
   随意調整するためトランスミッタに設けた調節機構と を特徴とするレーザビーム・アラインメント装置。
2. （２）トランスミッタ及びレシーバのビームデフレクタ
   のそれぞれに、レシーバの入力をトランスミッタの出力
   とアラインメントさせるため前記ビームデフレクタを駆
   動するための駆動装置をも含むことを特徴とする請求項
   第（１）項に記載のレーザビーム・アラインメント装置
   。
3. （３）各駆動装置が１回転につき約４００ステップのス
   テップモータを含むことを特徴とする請求項第（２）項
   に記載のレーザビーム・アラインメント装置。
4. （４）駆動装置はステップモータと歯車列とを有するこ
   とを特徴とする請求項第（２）項に記載のレーザビーム
   ・アラインメント装置。
5. （５）前記トランスミッタ及び前記レシーバのデフレク
   タの駆動装置と作動的に結合し、比較的低裕度の所定の
   初期位置から所定の高裕度アラインメント位置に来るよ
   うトランスミッタ及びレシーバのアラインメントを制御
   し、初期位置からアラインメント位置へ一方向に各駆動
   装置を作動させる出力を供給するコントローラーをも含
   むことを特徴とする請求項第（２）項に記載のレーザビ
   ーム・アラインメント装置。
6. （６）コントローラがプログラム制御コンピュータを含
   むことを特徴とする請求項第（５）項に記載のレーザビ
   ーム・アラインメント装置。
7. （７）デフレクタのそれぞれが１対の相互連結したリス
   ト部材及びこれに取り付けたリフレクタを含むことを特
   徴とする請求項第（１）項に記載のレーザビーム・アラ
   インメント装置。
8. （８）溶接部位に対して調整自在にレシーバを支持する
   調整自在な支持手段を含むことを特徴とする請求項第（
   １）項に記載のレーザビーム・アラインメント装置。
9. （９）レシーバを調整自在に支持する前記調整自在な支
   持手段が孔を有する支持板、前記孔に挿着されたカラー
   及び支持板をカラーの直径方向に遠隔の部分と連結する
   ばね偏倚バーから成るねじりカプラーと、バーの両側に
   配置され、常態においてカラーを、バーとカラーの直径
   が一線上に来る位置へ偏倚する弾装ピンを含むことを特
   徴とする請求項第（８）項に記載のレーザビーム・アラ
   インメント装置。
10. （１０）溶接部位が蒸気発生器管板における細管及びス
    リーブであり、支持板が支持板に互いに間隔を置いて形
    成した孔に配置されて細管と係合する１対のカムロック
    を含み、１つのカムロックを他のカムロック及び可調支
    持手段に対して側方へ撓ませることができるように前記
    孔の１つを他よりも大きく形成したことを特徴とする請
    求項第（８）項に記載のレーザビーム・アラインメント
    装置。
11. （１１）トランスミッタに設けられて低出力可視ビーム
    を発する低出力アラインメントレーザ、及び高出力レー
    ザビームを透過させ、低出力ビームを反射する窓を有し
    て高出力レーザビームと低出力可視ビームを結合する結
    合手段をも含み、前記窓を高出力ビームの光軸を直接通
    過する高出力ビームの光路中に直接設け、高出力ビーム
    の中心軸に対応する点において高出力ビームが窓を通過
    した側から、高出力ビームと低出力ビームが同軸関係に
    結合されるような角度で低出力ビームを窓に入射させる
    ことを特徴とする請求項第（１）項に記載のレーザビー
    ム・アラインメント装置。
12. （１２）窓が低出力ビームと高出力ビームを結合する第
    １面及び主光軸から外れた派生的なレーザエネルギーを
    反射する、前記第１面と非平行な第２面と、トランスミ
    ッタの出力付近に設けられて偏向された派生的レーザエ
    ネルギーがレシーバに達するのを制限する制限手段を有
    することを特徴とする請求項第（１１）項に記載のレー
    ザビーム・アラインメント装置。
13. （１３）トランスミッタ及びレシーバがそれぞれ高出力
    ビーム検出器及び低出力ビーム検出器を含み、それぞれ
    の検出器が結合ビームの光路中に摺動自在に配置される
    ことを特徴とする請求項第（１１）項に記載のレーザビ
    ーム・アラインメント装置。
14. （１４）トランスミッタ及びレシーバのそれぞれがトラ
    ンスミッタ及びレシーバを手動で粗アラインメントさせ
    ることができるように他方の低出力検出器を観察するた
    めトランスミッタ及びレシーバに設けたビデオカメラを
    含むことを特徴とする請求項第（１３）項に記載のレー
    ザビーム・アラインメント装置。
15. （１５）レーザビームを受けてこれを溶接部位に向ける
    ための溶接ヘッドをも含み、前記溶接ヘッドがその中心
    軸を中心にらせん状にレーザビームを溶接部位に向け、
    前記溶接ヘッドが溶接ヘッドを光軸とアラインメントさ
    せるための可調マウントを含むことを特徴とする請求項
    第（１）項に記載のレーザビーム・アラインメント装置
    。
16. （１６）可調マウントが溶接ヘッドを支持する回転ベー
    スと、半径方向の所定位置及び該位置から間隔を保つ半
    径方向中間位置において回転ベースと当接しかつこれに
    固定された溶接ヘッド支持部材と、ベースと支持部材の
    間隔を調整することにより溶接ヘッドを中心軸とアライ
    ンメントさせるため支持部材を介して中間位置において
    ベースに調整自在に固定される調整板を含むことを特徴
    とする請求項第（１５）項に記載のレーザビーム・アラ
    インメント装置。
17. （１７）溶接部位が蒸気発生器内にあり、レーザが蒸気
    発生器の開口マンウェイに配置され、レーザを任意の向
    きに取り付けるための支持手段がビームの軸に沿ってマ
    ンウェイ内にトランスミッタ及びレーザを固定するため
    のブラケットであることを特徴とする請求項第（１）項
    に記載のレーザビーム・アラインメント装置。
18. （１８）支持ブラケットをマンウェイの任意の孔に配置
    できることを特徴とする請求項第（１７）項に記載のレ
    ーザビーム・アラインメント装置。
19. （１９）レーザを支持するのに利用される任意のマンウ
    ェイ孔と対応する向きにトランスミッタのデフレクタを
    支持する支持手段を含み、マンウェイに対してトランス
    ミッタを調整する調整装置をも含むことを特徴とする請
    求項第（１８）項に記載のレーザビーム・アラインメン
    ト装置。
20. （２０）支持手段がレーザをトランスミッタに対して角
    度を形成するように支持する楔を含むことを特徴とする
    請求項第（１７）項に記載のレーザビーム・アラインメ
    ント装置。
21. （２１）トランスミッタから低出力レーザエネルギーを
    受けてトランスミッタの位置を表わす出力を発するレシ
    ーバのためのトランスミッタ検出器と、レシーバから低
    出力レーザエネルギーを受けてレシーバの位置を表わす
    出力を発するトランスミッタのためのレシーバ検出器を
    も含むことを特徴とする請求項第（２０）項に記載のレ
    ーザビーム・アラインメント装置。
22. （２２）検出器をレシーバ及びトランスミッタの中心軸
    に対して傾斜させて配置することにより低出力レーザを
    偏向させることを特徴とする請求項第（２１）項に記載
    のレーザビーム・アラインメント装置。
23. （２３）溶接作業を可聴表示するため溶接部位の近傍に
    配置したマイクロホンをも含むことを特徴とする請求項
    第（１）項に記載のレーザビーム・アラインメント装置
    。
24. （２４）レーザ・トランスミッタ及びレーザレシーバの
    それぞれが前記トランスミッタとレシーバのアラインメ
    ントを示す点においてアラインメントレーザビームを受
    けるように適当に配置された検出器を有し、トランスミ
    ッタ及びレシーバのそれぞれがトランスミッタ及びレシ
    ーバをそれぞれ位置ぎめするステップ駆動装置を含み、
    前記駆動装置が固有のバックラッシュを有し、このバツ
    ツクラッシュが駆動装置の反転となって現われるレーザ
    ・トランスミッタをレーザ・レシーバとアラインメント
    させる方法であって、 スタート・ブロックにおいてレシーバ及びトランスミッ
    タの検出器に対してレーザをアラインメントし； 駆動装置を一方向にバックラッシュさせるに充分な量だ
    けアラインメント位置から駆動し；駆動装置を単一方向
    に作動させることによって駆動装置を駆動させたのち、
    前記同じ方向に駆動装置を逐次繰返し作動させて初期位
    置からアラインメント位置へ駆動する段階から成ること
    を特徴とするレーザ・トランスミッタをレーザ・レシー
    バとアラインメントさせる方法。
25. （２５）もしアラインメントレーザがアラインメント位
    置に達するために駆動装置の反転を必要とするに充分な
    量だけアラインメント位置を通り過ぎると駆動装置をア
    ラインメント位置から再び初期位置へ反転させる段階を
    も含むことを特徴とする請求項第（２４）項に記載の方
    法。
26. （２６）各逐次ステップにおいて駆動装置が調整される
    ごとにアラインメントレーザビームの位置を計算する段
    階をも含むことを特徴とする請求項第（２４）項に記載
    の方法。
27. （２７）前記計算中に瞬間的に駆動装置を解放すること
    によってアラインメントシステム中の応力を解放する段
    階をも含むことを特徴とする請求項第（２６）項に記載
    の方法。
28. （２８）ソフト・バックラッシュ状態を克服するのに必
    要なステップ数を計算し、あらかじめ予期されたソフト
    ・バックラッシュ状態がハード・コンタクト動作を生じ
    ない場合、ハード・ギヤ・コンタクトを確認する段階を
    も含むことを特徴とする請求項第（２４）項に記載の方
    法。
29. （２９）音声によって溶接作業をモニターする段階をも
    含むことを特徴とする請求項第（２４）項に記載の方法
    。