JPH05261656A - 曲面形状仕上方法およびその仕上装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】走行レール５が、水車ランナ１の一部であるク
ラウン３の表面に溶接部４にほぼ平行に設置される。走
行レール５に沿って移動し、溶接部４の長手方向に位置
決め可能な駆動機構２１を有する移動台車６が乗ってい
る。移動台車６上には、溶接部４を研削する研削手段で
あるグラインダ７と、グラインダ７を支持し、溶接部４
被研削面４ａに水平，垂直な平面上で位置決めする工具
移動手段である位置決め機構８と、溶接部４の形状認識
手段である形状認識センサ９と、グラインダ７の砥石摩
耗量を測定する機構が搭載される。 【効果】仕上面形状に応じた研削領域が決定され、研削
工具は決定された研削領域を研削するように制御される
ので、予め仕上面形状を所望する形状に設定すること
で、平面のみならず各種形状の研削仕上面を得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、曲面形状仕上方法に係
り、特に、水車ランナ等の大型構造物の曲面形状を有す
る溶接部を曲面上に研削するものに好適な曲面形状仕上
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複雑な３次元曲面で構成される水
車ランナ等の大型構造物の多層盛溶接部を設定された任
意に変化する曲面形状に仕上る研削作業はグラインダを
用いて手作業で行なわれており、作業の自動化は困難で
あった。

【０００３】従来の装置は、特開平1−121169 号公報に
記載のように、溶接の余盛等を研削除去するものであ
り、研削量の大小に応じて負荷電流が増減する電子グラ
インダの負荷電流が常に一定値となるように、電子グラ
インダと被研削物との間の距離を制御する昇降機構と、
電子グラインダを溶接線方向へ一定の速度で移動させる
走行機構により研削除去量を一定に保持し溶接余盛部を
平な一定面に仕上る研削装置である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、押しつ
け力の大小に応じて負荷電流が増減する電子グラインダ
の負荷電流が常に一定になるように、電子グラインダと
被研削物との距離を制御し、溶接線方向へ常に一定の速
度で移動することで一定の研削量を得ている。この場
合、過負荷研削には対処できるが、装置自体が溶接部の
仕上形状，位置を認識していないため、溶接余盛の高さ
が変化していく場合には、余盛の高さの変化なりの倣い
研削となるため所定の設定された形状を得ることはでき
ない。

【０００５】本発明の目的は、溶接部を予め定められた
仕上げ形状に研削する場合において、溶接の肉盛の高さ
が変化した場合にも、所定の仕上げ形状に研削する研削
装置および研削方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この研削装置には、溶接
部を撮像する溶接部撮像手段と、撮像により得られたデ
ータから前記溶接部の形状および位置を認識する形状認
識手段と、予め定められた仕上面形状と認識された前記
溶接部の形状及び位置とに基づき、前記仕上面の位置を
算出して、前記溶接部の研削領域を決定する研削領域決
定手段と、決定された前記研削領域に基づき、研削工具
の移動経路を算出する移動経路算出手段を備えており、
移動経路算出手段により算出された移動経路を押しつけ
力の大小に応じて負荷電流が増減する電子グラインダの
負荷電流を常時検出し、電子グラインダの負荷電流が常
に一定値以下となるように研削方向の移動速度を自動調
整する適応制御手段により研削することを特徴とする。

【０００７】さらに、研削装置には砥石の摩耗量を検出
する機構を設け、検出された前記砥石の摩耗量の変化に
対応させて、算出された前記移動経路を補正する。

【０００８】

【作用】まず、溶接部を溶接部撮像手段で撮像する。

【０００９】形状認識手段は撮像により得られたデータ
から溶接部の形状および位置を認識する。具体的には、
例えば、二つの部材が溶接により接合されている溶接構
造物の場合、撮像により得られたデータから、傾きが急
激に科わる点を溶接部の端点として抽出し二つの部材の
うち、一方の部材上の点と一方の部材側の端点とを通る
線分と、他方の部材上の点と他方の部材側の端点とを通
る線分との交点とを求め、これら端点および交点の座標
を溶接部の形状および位置に関するデータとして把握す
ることで認識できる。

【００１０】次に、研削領域決定手段により、予め定め
られた仕上面形状および位置とに基づき、仕上面の位置
を算出して、溶接部の研削領域が決定される。具体的に
は、前述した二つの部材が接合されている溶接構造物の
場合、まず、予め定められた仕上面の曲率半径を成す円
弧と、部材上の点および溶接部の端点を通る線分との接
点を求める。そして、この接点に接する円弧、および接
点と端点との間の線分を研削の境界を示す研削領域デー
タとして認識することで、研削領域が決定される。

【００１１】なお、予め定めておく仕上面形状を溶接線
に沿って変えることで、仕上面形状を変化させることが
できる。

【００１２】次に、移動経路算出手段により決定された
研削領域に基づき、電子グラインダの移動経路が算出さ
れる。

【００１３】電子グラインダは、工具移動手段により、
算出された移動経路に従って、予め定められた仕上面形
状を得ることができる。

【００１４】電子グラインダの負荷電流制御回路より負
荷電流を検出し、この検出された値が予め定められた値
を超えないように位置決め機構の送り速度、すなわち、
研削速度を調整することで過負荷による研削工具の破損
等を防ぐことができる。具体的には、負荷電流が増加し
た場合にはＮＣ制御装置の送り速度オーバライドを下
げ、負荷電流が減少した場合には速度オーバライドを上
げるような制御とすることで安定した研削を行うことが
できる。

【００１５】また、砥石の摩耗量検出手段により砥石の
外形寸法が変わった場合、これに対応させて電子グライ
ンダの移動経路を補正することができるので、例えば、
摩耗により砥石の外形寸法が変わっても、予め定めた仕
上面を常に得ることができる。

【００１６】

【実施例】図１に、複雑な曲面を有する大型構造物であ
る水車ランナ１、および本発明に係る研削装置の全体斜
視図を示し、図２に装置研削部の側面図を示す。

【００１７】図１および図２に示すように、走行レール
５が、水車ランナ１の一部を構成するクラウン３の表面
に溶接部４にほぼ平行に沿って設置される。走行レール
５上には、レール５に沿って移動し溶接部４の長手方向
に位置決め可能な駆動機構２１を有する移動台車６が乗
せられている。移動台車６上には、溶接部４を研削する
研削手段であるグラインダ７と、グラインダ７を支持す
るとともに、溶接部４被研削面４ａに水平（Ｘ軸方
向），垂直（Ｙ軸方向）な平面上で位置決めする工具移
動手段である位置決め機構８と、溶接部４の断面形状を
認識するための形状認識手段である形状認識センサ９
と、グラインダ７の砥石摩耗量を測定する機構が搭載さ
れている。

【００１８】位置決め機構８は、電子グラインダ７を、
被研削面４ａに垂直な平面上で走行レール５が設置され
ているクラウン３の表面に対して水平方向へ動かすＹ軸
８ｂと、被研削面４ａに垂直な平面上でベーン２方向へ
動かすＸ軸８ａにより構成されている。

【００１９】形状認識センサ９は、被研削面４ａを撮像
するＴＶカメラ９ａと、被研削面４ａに対して溶接部４
の長手方向の幅が極めて小さい幅で光を照射するスリッ
ト光源９ｂとからなる。

【００２０】被研削物である水車ランナ１の外側には、
制御盤１５が設置されている。制御盤１５は、図５に示
すように、ＴＶカメラ９ａで撮像した画像を処理し溶接
部４の断面形状を検出する画像処理装置と、検出された
断面形状とあらかじめ設定された任意に変化する仕上形
状データから溶接部の研削領域を決定するデータ処理装
置１２、研削領域と検出された砥石摩耗量寸法とからグ
ラインダ７を移動させるＮＣプログラムを作成するＮＣ
プログラム作成装置１３と、このＮＣプログラムに基づ
き、装置を制御し研削を行なうＮＣ制御装値１４と、各
種データ等を記憶しておく記憶装置と、図示されていな
い入力装置とを有して構成されている。図３に本装置に
より研削を行なう溶接部４の断面を示す。図３（ａ）
は、図１におけるＡ−Ａ線断面図を、図３（ｂ）は同じ
く図１におけるＢ−Ｂ断面図を示す。多層盛溶接は、ベ
ーン２とクラウン３の接合箇所に形成された開先部１８
に対して行われたものであり、溶接線に沿ってベーン２
とクラウン３の角度が変化するため、その断面形状も、
図３（ａ），（ｂ）に示すように、溶接線に沿って変化
する。本装置は、このように断面形状が変化する溶接部
４を、あらかじめ設定された仕上げ形状に基づき仕上げ
面１７まで研削を行うものである。

【００２１】図４は、溶接部４の断面形状を検出するた
めの形状認識センサ９および位置決め機構８の位置関係
を示し、図４（ａ）は、平面図を、図４（ｂ）は、側面
図を示す。なお、同図中で、Ｚ軸は、走行レール５上の
移動台車６の移動方向を示し、Ｘ軸及びＹ軸は前述した
方向と同じ方向を示している。

【００２２】スリット光源９ｂは、そのスリット光がＸ
Ｙ平面と平行になるようにＸ軸上に設置されている。ま
た、ＴＶカメラ９ａは、撮像範囲２０の中央にスリット
光により被研削面４ａ上に形成される輝線が位置して、
光軸がＺ軸に対して角θを成すように配置されている。
これにより、電子グラインダ７の砥石７ａが研削する位
置での溶接部４の断面形状を検出することができ、検出
位置と研削位置のオフセットによる研削仕上げ形状のず
れを防ぐことができる。また、ＴＶカメラ９ａの撮像画
面で得られる撮像範囲２０内の２次元位置は、ＴＶカメ
ラ９ａの位置が角度θで与えられているため、ＸＹ平面
上での３次元位置へ容易に変換することができる。

【００２３】図５から図９を用いて、ＴＶカメラ９ａか
ら得られた画像からＮＣプログラムを作成するまでのデ
ータ処理について説明する。

【００２４】ＴＶカメラ９ａによる画像から画像処理装
置１１により、輝線部分の像を抽出する。そして、図６
に示すように、抽出した像から傾きが急激に変化する点
を溶接ビードの端点ａ，ｂとして検出し、さらに、ベー
ン２の表面上の線分ａ′ａとクラウン３の表面上の線分
ｂ′ｂの延長戦上の交点ｃを検出し、これらの点ａ，
ｂ，ｃの位置を溶接部４の断面形状の特徴点データとし
て、研削形状データベースに登録する。次に、登録され
た断面形状データａ，ｂ，ｃと溶接部４に対しあらかじ
め設定された任意に変化する仕上げ形状であるＲ（曲率
半径）データからデータ処理装置に１２より、線分ａｃ
および線分ｂｃと半径Ｒの円の接点ｄ，ｆおよび円弧上
の点ｅを算出し、仕上げ面の位置を決定して、線分ａ
ｄ，円弧ｄｅｆ，線分ｆｂを結ぶ曲線を研削領域の境界
を示すデータとする。これらの点ａ，ｄ，ｅ，ｆ，ｂの
座標は、研削領域データとして研削形状データベースに
登録される。

【００２５】以上の処理を溶接線に沿って一定間隔ごと
に行うことで、図７に示すような、最終的な研削領域デ
ータを得ることができる。なお、図７で、位置Ｐｉは溶
接部４の断面形状を検出したＺ軸方向の位置を示し、研
削領域データａｉ，ｂｉ，ｄｉ，ｅｉ，ｆｉはそれぞれ
ＸＹ平面上での位置を示すものである。また、設定Ｒデ
ータを変更することで、仕上げ形状が変化するものに対
する仕上げ面形状データを作成することができる。図８
は、得られた仕上げ面形状データにより、研削領域の境
界面となる仕上げ面１７を点列の集まりとして示したも
のである。

【００２６】次に、図９に示すように、登録された研削
領域データと、検出された砥石７ａの形状データｒｃと
から、砥石７ａの中心位置Ｑ、および位置決め機構８の
各軸のＸ，Ｙ、を求め、グラインダ７の移動を制御する
ＮＣプログラムを、プログラム作成装置１３により作成
する。

【００２７】ＮＣ制御装置１４は、このように作成され
たＮＣプログラムに基づき、各軸を制御しながら研削を
行う。なお、本装置では、設定Ｒデータの位置を無限大
に設定することで仕上げ面を平面に形成することもでき
る。

【００２８】図１０は砥石摩耗および研削過負荷にたい
して補正制御を行なう、装置の機能ブロック図を示す。

【００２９】グラインダ７の研削時の負荷の大きさとグ
ラインダ７の負荷電流の間には、図１１（ａ）に示すよ
うな関係があり、研削負荷が大きくなり過ぎるとグライ
ンダ７を破損する恐れがある。このため、研削負荷を一
定値以下に押さえる必要がある。

【００３０】図１１（ｂ）において仕上げ面１７のよう
な仕上げ形状を得るためには、仕上げ面に垂直な方向に
移動する位置決め機構８ａ（ｘ）および仕上げ面に水平
な方向移動する位置決め機構８ｂ（Ｙ）をＮＣ制御装置
１４により図のような移動経路として駆動することによ
り研削を行う。

【００３１】この時、まず研削工具である電子グライン
ダ７の負荷電流制御回路よりグラインダの負荷電流を検
出しＮＣ制御装置１４へ入力する。

【００３２】位置決め機構８は、研削領域データとグラ
インダの砥石７の形状に基づきＮＣプログラム作成装置
により作成されたＮＣプログラムに従って駆動する。こ
の位置決め機構８の駆動速度である研削方向の送り速度
のオーバライドを、検出した負荷電流の大小に対応させ
て研削を行う。その結果、負荷電流が増加した場合には
送り速度オーバライドを下げグラインダが過負荷になり
破損することなく、研削負荷に対処できるように制御
し、設定された仕上面形状１７を得ることができる。

【００３３】図１２（ａ）に示すように、研削中に摩耗
し外形がｄからｄ′に変化した砥石７ａ′では、仕上げ
面１７を得ることができなくなる。このため移動台車６
に搭載された砥石７の摩耗量を検出する機構１０によ
り、砥石７の摩耗量（ｄ／２−ｄ′／２）に対応する
（Ｌ′−Ｌ）を検出し、その値をデータ処理装置に入力
しＮＣプログラムに登録された工具移動手段である位置
決め機構８の移動経路を砥石７の摩耗量（ｄ／２−ｄ′
／２）に対応した（Ｌ′−Ｌ）分だけ、砥石７が研削仕
上げ面１７に近づく方向へ移動するよう補正し、その補
正した移動経路のデータをＮＣ装置１４に入力し工具移
動手段である位置決め機構８の移動経路を仕上げ面１７
へ近づく方向へ補正することが可能となる。

【００３４】図１２（ｂ）に示すように、砥石７の摩耗
量（Ｌ′−Ｌ）を検出する機構１０は、摩耗量（Ｌ′−
Ｌ）を検出する変位センサ１０ａと、ばね機構および砥
石が接触し、変位センサ１０ａより発光するレーザを反
射する板１０ｂより構成される。砥石の表面は凹凸があ
り、レーザ式変位センサで直接測定する場合には、検出
値が一定しないと言う問題があり、間に板１０ａを設け
ることで安定した砥石摩耗量の検出が可能となる。ま
た、レーザ式変位センサは振動の影響を受けるため、研
削時はグラインダの回転を停止するものとする。

【００３５】図１３に本装置による研削手順を示す。

【００３６】まず、クラウン３上に走行レール５を設置
し、移動台車６の段取りを行なう（ステップ１０１）。
次に形状認識センサ９と画像処理装置１１により、溶接
部４の断面形状データを検出し（ステップ１０２）、溶
接線全体について検出が終了したら（ステップ１０
３）、あらかじめ設定した仕上形状に基づき、データ処
理装置１２により研削領域データを算出する（ステップ
１０４）。そして、算出された研削領域データとグライ
ンダの砥石７ａの形状に基づき、プログラム作成装置１
３によりグラインダの移動を制御するＮＣプログラムを
作成し（ステップ１０５）、作成されたＮＣプログラム
をＮＣ制御装置１４に転送する。ＮＣプログラムがＮＣ
制御装置１４に転送されると、位置決め機構８グライン
ダ７が駆動して研削が開始される（ステップ１０６）。

【００３７】研削中は、砥石摩耗に対する位置決め機構
８の補正動作（ステップ１０７）、及び研削負荷を一定
値以下になるように位置決め機構８の速度を調整する
（ステップ１０８）、そして以上の溶接線全体について
行ない（ステップ１０９）、溶接部４に対する研削を終
了する。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、仕上面形状を予め登録
しておくことにより、この仕上面形状に応じた研削領域
が決定され、研削工具は決定された研削領域を研削する
ように制御されるので、予め仕上面形状を所望する形状
に設定することで、平面のみならず各種形状の研削仕上
面を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】研削装置の全体斜視図。

【図２】研削装置の側面図。

【図３】図１におけるＡ−Ａ断面図（ａ）、同じくＢ−
Ｂ断面図（ｂ）。

【図４】ＴＶカメラとスリット光源との位置関係を示す
説明図。

【図５】データの流れを示す説明図。

【図６】断面形状データ及び研削領域データ等が示す点
の位置関係を示す説明図。

【図７】データ構成を示す説明図。

【図８】研削領域データが示す点列で仕上面形状を示し
た説明図。

【図９】グラインダと仕上面との位置関係を示す説明
図。

【図１０】砥石摩耗及び研削過負荷に対して補正制御を
行なう装置の機能ブロック図。

【図１１】研削過負荷に対する装置の動作の説明図。

【図１２】砥石摩耗に対する装置の動作の説明図。

【図１３】装置の動作順序を示すフローチャート。

【符号の説明】

１…水車ランナ、２…ベーン、３…クラウン、４…溶接
部、４ａ…被研削面、５…走行レール、６…移動台車、
７…グラインダ、８…位置決め機構、９…形状認識セン
サ、１０…距離センサ、１１…画像処理装置、１２…デ
ータ処理装置、１３…ＮＣプログラム作成装置、１４…
ＮＣ制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 隆 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大型溶接構造物の曲面形状を有する多層盛
   溶接部を撮像する溶接部撮像手段と、撮像した画像によ
   り得られたデータから前記溶接部の形状および位置を認
   識する形状認識手段と、予め定められた仕上面形状と認
   識された前記溶接部の形状および位置とに基づき、前記
   仕上面の位置を算出して、前記溶接部の研削領域を決定
   する研削領域決定手段により決定された研削領域に基づ
   き前記溶接部を所定の手段で研削する方法において、前
   記研削手段として負荷電流制御回路を有する電子グライ
   ンダを用い、前記電子グラインダの押しつけ力の大小に
   応じて増減する負荷電流を常時検出し、前記負荷電流が
   常に一定値以下となるように電子グラインダの研削方向
   の移動速度を自動調整しながら電子グラインダで溶接部
   の研削を行なうことを特徴とする曲面形状仕上方法。
2. 【請求項２】大型構造物の曲面形状を有する多層盛溶接
   部を撮像する溶接部撮像手段と、撮像した画像により得
   られたデータから前記溶接部の形状および位置を認識す
   る形状認識手段と予め定められた仕上げ面形状と認識さ
   れた前記溶接部の形状および位置とに基づき、前記仕上
   げ面の位置を算出して、前記溶接部の研削領域を決定す
   る研削領域決定手段により決定された研削領域に基づき
   前記溶接部を所定の手段で研削する方法において、研削
   によりグラインダの砥石が摩耗した場合に、電子グライ
   ンダの砥石の摩耗量を検出する手段により検出された砥
   石の摩耗量と前記研削領域とに基づいて、電子グライン
   ダの移動経路を補正して予め定められた前記仕上面形状
   に研削を行うことを特徴とする曲面形状仕上方法。
3. 【請求項３】大型溶接構造物の曲面形状を有する多層盛
   溶接部を撮像する溶接部撮像手段と、撮像した画像によ
   り得られたデータから前記溶接部の形状および位置を認
   識する形状認識手段と予め定められた仕上面形状と、認
   識された前記溶接部の形状および位置とに基づき、前記
   仕上面の位置を算出して、前記溶接部の研削領域を決定
   する研削領域決定手段を備え、大型構造物の曲面形状を
   有する多層盛溶接部を所定の仕上げ形状に仕上げる装置
   において、電子グラインダより検出した負荷電流を受け
   て負荷電流が常に一定値以下となるように研削方向の送
   り速度を制御する演算制御装置と、前記演算制御装置よ
   りフィードバックされた送り速度により前記電子グライ
   ンダを移動させる工具移動手段を備えることを特徴とす
   る曲面形状仕上装置。
4. 【請求項４】大型溶接構造物の曲面形状を有する多層盛
   溶接部を撮像する溶接部撮像手段と、撮像した画像によ
   り得られたデータから前記溶接部の形状および位置を認
   識する形状認識手段と予め定められた仕上面形状と、認
   識された前記溶接部の形状および位置とに基づき、前記
   仕上面の位置を算出して、前記溶接部の研削領域を決定
   する研削領域決定手段を備え、大型構造物の曲面形状を
   有する多層盛溶接部を所定の仕上げ形状に仕上げる装置
   において、研削により電子グラインダの砥石が摩耗した
   場合に、電子グラインダの砥石の摩耗量を検出する手段
   により検出された摩耗量と前記研削領域とに基づいて、
   電子グラインダの移動経路を補正するための砥石摩耗量
   検出機構および移動経路の補正を行う演算制御装置およ
   び演算制御装置により補正された移動経路に基づき電子
   グラインダを移動させる工具移動手段を備えることを特
   徴とする曲面形状仕上装置。