JPH06238448A - トーチ旋回型自動溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ます目構造物を溶接残しなしに溶接する。円
滑に動作し、かつスパッタ付着の問題もない実用的な装
置を提供する。 【構成】 溶接トーチの旋回運動をカム機構（２１，２
２，２３）により直線運動に変換し、同時に歯車ラック
機構（２４，２５，２６，２７）により直線運動の方向
と大きさを変更して力を伝達することにより、溶接トー
チの旋回中心を移動させて、トーチ先端の軌跡を溶接線
に一致させる。旋回駆動系中に異形歯車対を介在させる
ことにより、溶接速度を一定に保つ。これにより円滑、
確実かつスパッタ付着の問題なく、溶接残しのない溶接
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接トーチを旋回させ
ながら溶接を行なう自動溶接装置の構造に関する。

【０００２】

【従来技術】例えば、鋼船の船底に用いられる構造物を
組立てる場合には、水平な鋼板の上に垂直に立てた鋼板
をます目状に配置し、水平板と各縦板とを突当てた隅部
分に溶接トーチを倣わせ、水平面内で溶接トーチを移動
しながら溶接する。この場合溶接トーチを縦板に平行に
移動させると、始端及び終端において、溶接トーチ又は
溶接機の側面が、溶接中の縦板と直交して配置された別
の縦板に接触する。したがって、始端及び終端におい
て、溶接機の幅の１／２の範囲だけは溶接が出来ない。
始端及び終端の溶接残しをなくするためには、縦板から
離れた溶接機上の軸を中心として溶接トーチを旋回させ
ればよいが、旋回と同時にトーチ先端を溶接線上に近づ
け、かつ溶接線上の溶接トーチ先端の移動速度、即ち溶
接速度を一定に保つ必要がある。この対策として、溶接
トーチをガイドカム溝によって支え、旋回と同時に前進
させる方法が、実開昭４９−１２００００号公報に提案
されている。

【０００３】図６は実開昭４９−１２００００号公報の
考案の装置平面図、図７は同側面断面図である。図６、
図７において、１は升目構造物で、底板２とこれに直角
に起立された壁板３，４，５とよりなり、前記底板２と
壁板３，４，５とは隅角線６，７，８で相互に接してい
る。また１０は、前記升目構造物１の底板２上を駆動輪
１１によりＸ方向に走行しうる走行台車である。

【０００４】前記走行台車１０の上部にはガイド１２が
一体に設けられ、該ガイド１２の両先端にならいローラ
１３が枢着されており、前記走行台車１０が進行方向ｘ
へ走行する時に、該走行台車１０が前記一方の壁板３に
接近するように、前記走行台車１０に対して前記ガイド
１２が傾けられた状態で取付けられている。

【０００５】また前記走行台車１０の頂部に旋回装置１
４が設けられ、該旋回装置１４にトーチサポート１５で
その旋回半径に沿って摺動自在に嵌装され、トーチ１６
の鉛直投影線が前記トーチサポート１５の摺動方向に一
致するように該トーチサポート１５にトーチ１６が取付
けられている。

【０００６】しかして、前記ガイド１２の下面にガイド
１７が設けられ、前記トーチサポート１５より上方へ突
設されたガイドピン１８が前記ガイド溝１７に摺動自在
に嵌合されており、前記旋回装置１４の旋回中心から前
記ガイドピン１８を介して前記壁板３に結んだ線分にお
ける該ガイドピン１８から壁板３に達する線分の長さが
常に一定となるように、前記ガイド溝１７は形成されて
いる。

【０００７】したがって、ガイドピン１７をガイド溝１
８の左端に位置させておいて、旋回装置１４を時計方向
に旋回すると、トーチ１６は旋回し、同時にガイドピン
１７はガイド溝１８に沿って摺動し、トーチサポート１
５は壁板３から一定距離を保ちつつ後退する。したがつ
て、トーチ１６から送出された溶接ワイヤ１９の先端は
隅角線３から一定距離Ｌを保ちつつＸ方向へ移動する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６及び図７に示した
従来の装置のように、ガイド溝で接触ピンに直線運動を
与えようとする場合は、ガイド溝と接触ピンの接点にお
ける共通法線と接触ピンの運動方向とのなす角度（図６
におけるψ、以下圧力角と称する）が３０度以下でない
と接触子は円滑に運動しがたい。しかもガイド溝は、壁
板３の位置に設ければ直線となるが、これより離れれば
弧状となり、その曲率は旋回装置１４の中心０に近ずく
ほど大きくなる。ガイド溝１８を壁板３の直上に設ける
ことはできないので、ψは旋回装置１４の旋回角度より
大きくなって、実際上トーチサポート１５が円滑に前後
進できるのは、ガイド溝１７の中央近くに限定される。
よって旋回装置１４、したがってトーチ１６の円滑な旋
回も中央付近に限られ、走行台車１０の幅を小さくしな
いかぎり、隅部の溶接はできない。走行台車１０の幅を
小さくできたとしても、ガイド溝１７は壁板３になるべ
く近く設置する必要があるが、この部分は溶接スパッタ
の飛散の多い場所であるから、念入りな防塵対策が必要
になる。したがってこの考案の装置は、作用の円滑性と
耐久性の観点から実用化は困難である。

【０００９】従って本発明は、トーチの旋回運動を円滑
に直線運動に変換し、上記の不都合を解決して実用可能
なトーチ旋回型溶接装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、溶接トーチを旋回させながら、直線上
の溶接を行なう自動溶接装置において：溶接トーチ（１
６）の旋回運動に伴なって、溶接線に直交する軸方向の
溶接トーチ移動量（ｙ）に比例する量（ｙ’）だけ直線
移動する、直線移動部材（２３）を含むカム機構（２
１，２２，２３）；前記直線移動部材（２３）と、溶接
トーチを支持する部材（２０）との間に介在され、歯車
及びラックを含み、直線移動部材の運動を、移動の方向
及び移動量を変換して溶接トーチを支持する部材（２
０）に伝達する、歯車ラック機構（２４，２５，２６，
２７）；及び溶接トーチとそれを旋回駆動する駆動手段
（２８）との間に介在された異形歯車対（３１，３
２）；を備え、旋回に伴なって溶接トーチの旋回中心を
移動させ、溶接トーチ先端の軌跡を溶接線に一致させる
とともに、前記異形歯車対により、溶接速度を一定に保
つことを特徴とする。

【００１１】なお上記括弧内に示した記号は、後述する
実施例中の対応する要素の符号を参考までに示したもの
であるが、本発明の各構成要素は実施例中の具体的な要
素のみに限定されるものではない。

【００１２】

【作用】即ち本発明は、溶接スパッタの付着のおそれが
ない場所に設置した揺動節カム機構と、歯車ラツク機構
を組合せることにより、上記課題を解決するものであ
る。 本発明を図を参照して詳細に説明する。図１にお
いてｘ−ｘ’なる直線に沿って右向きにト−チ先端を移
動しながら溶接する場合を想定する。ｏ点を旋回中心と
し、先端がｃ点でｘ−ｘ’に接する長さ（旋回半径）Ｌ
の溶接トーチ１６を左右方向に旋回させると、先端の軌
跡はｂ−ｃ−ｄを通る円弧を描くので、旋回にともなっ
て溶接トーチ１６の先端がｘ−ｘ’から離れる。

【００１３】ト−チ先端と溶接線ｘ−ｘ’との距離ｙ
は、ｂ−ｃ−ｄ上の任意の点ａにおいて、ｙ＝Ｌ（１−
ｃｏｓθ）である。そこで、旋回に伴なって例えばｏ点
を、ｂ−ｃ間ではＬ（１−ｃｏｓθ）だけ前進させ、ｃ
−ｄ間では後退させれば、ト−チ先端の移動軌跡がｘ−
ｘ’と一致する。つまり、ト−チ先端が溶接線に沿って
直線的に移動する。実際には、溶接ト−チ１６を、ｏ−
ｃ軸上で摺動できるように支持しておき、溶接線ｘ−
ｘ’と円弧ｂ−ｃ−ｄとの距離ｙを各々の時点で検出
し、検出したｙに応じて、溶接ト−チ１６をｏ−ｃ軸上
で移動するのが好ましい。

【００１４】例えば図２に示す溶接装置においては、旋
回中心ｏからト−チ先端までの長さがＬである溶接トー
チ１６を旋回させる旋回装置１４が、摺動する移動台２
０上にある。溶接トーチと同一の旋回軸に取付けられて
いるアーム２１は、Ｌ’の長さを有し、ア−ム２１の先
端にはカムフォロア２２が取付けられている。カムフォ
ロア２２は、摺動する溝カム２２に嵌合しており、溝カ
ム２３にはラック２４が取付けられて歯車２５とかみあ
っている。歯車２５の中心軸上に歯車２６が取付けら
れ、歯車２６は走行台車１０上に設けられたラック２７
とかみあっている。歯車２５と２６の歯数比はＬ’：Ｌ
としてある。

【００１５】図２の装置において、例えばトーチ先端を
ｃ点におき、トーチ１６を反時計方向に旋回すると、ア
ーム２１も反時計方向に旋回し、その先端のカムフォロ
ア２２と係合している溝カム２３が左側に移動する。溝
カム２３の移動量をｙ’とすれば、ｙ’は前記ｙと比例
し、ｙ'＝ｙ×Ｌ'／Ｌである。即ち、旋回に伴なうト−
チ先端と溶接線ｘ−ｘ’との距離の変位ｙが、溝カム２
３の移動量をｙ’として検出される。

【００１６】溝カム２３が左へ動くと、歯車２５及び２
６は反時計方向に回転する。また、歯車２６は、固定さ
れたラック２７ともかみ合っているので、歯車２６が反
時計方向に回転すると、歯車２６を塔載した移動台２０
が溶接線ｘ−ｘ’に近づく方向に移動する。歯車２５と
２６の歯数比はＬ’：Ｌになっているので、溝カム２３
がｙ’移動する時には、移動台２０の移動量は、ｙ'×
Ｌ／Ｌ'＝ｙになる。つまり、旋回に伴なうト−チ先端
と溶接線ｘ−ｘ’との距離の変位ｙと同じだけ、逆方向
に移動台２０が移動するので、トーチ先端はの移動軌跡
は、溶接線ｘ−ｘ’上を移動する。図２において、アー
ム２１の旋回角度は溶接トーチ１６の旋回角度θと同じ
であり、アーム２１と溝カム２３とは揺動節の関係にあ
るのでトーチ旋回角度４５度までは円滑な運動の伝達が
可能である。

【００１７】ところで、溶接トーチ先端がｘ−ｘ’上を
移動する速度は溶接速度であり、一定でなければならな
い。図１において、溶接トーチの旋回角速度をωとする
と、ａ点における溶接トーチ先端の接線方向速度はωＬ
であり、これをｘ−ｘ’上に投影した速度υはυ＝ωＬ
ｃｏｓθになる。したがって旋回角速度をωが一定であ
ると、旋回角度θに応じて、溶接速度が変化する。しか
し、ｄ−ｃ間では旋回角速度を１／ｃｏｓθだけ減速
し、ｃ−ｄ間では増速すれば、ｘ−ｘ’上の溶接速度υ
は一定になる（υ＝ωＬｃｏｓθ×１／ｃｏｓθ＝ω
Ｌ）。

【００１８】この種の角速度変化は、一定の駆動速度
を、１／ｃｏｓθを速度比とする異形歯車対を介して伝
達することによって得られる。またこの例では、溶接ト
ーチの旋回角度が４５度以下であるので、専用の歯車を
用いることなく、市販の異形歯車の回転角の一部をあて
ることができる。

【００１９】たとえば図３において、Ｅ，Ｅ’を一対の
楕円歯車のピッチ円である楕円とし、Ｐ，Ｐ’を各楕円
の焦点とし、Ｅ，Ｅ’は各々Ｐ，Ｐ’を中心に回転する
ものとする。そして焦点Ｐから歯車のピッチ円までの最
大距離をＡ、最小距離をＢとすると、（Ａ−Ｂ）／（Ａ
＋Ｂ）の値（以下離心率と称する）が０．３となるＥ，
Ｅ’を選び、Ｅを一定角速度で図示の位置より時計方向
に回転させると、Ｅ’は次第にＥより大きい角速度で回
転する。Ｅを反時計方向に回転しても同様である。図示
のＥの位置を０度とすると、Ｅが０〜±５５度まで回転
する間のＥ’の角速度比の変化は０〜±４０度の間の１
／ｃｏｓθの変化と近似的に一致する。したがって、離
心率０．３の楕円歯車対を等速度で駆動し、従動側に適
当な減速比の歯車対を介すれば、溶接トーチの旋回角速
度比の変化割合を近似的に１／ｃｏｓθにすることがで
きる。

【００２０】

【実施例】一実施例の自動溶接装置の主要部の構造を上
方から見た状態を図４に、側面から見た状態を図５にそ
れぞれ示す。図４及び図５において、３，４，５はます
目構造の壁板（縦板），２は同じく座板，６，７，８は
壁板と底板が接してなす隅角線（壁板と座板とを突き当
てた隅部に沿う線）である。２８は一定の角速度ωで回
転する旋回用の電気モータ、２９は中間軸、３０は旋回
軸である。

【００２１】旋回用モータ２８の出力軸には楕円歯車３
１、中間軸２９には楕円歯車３２と平歯車３３、旋回軸
３０には平歯車３４，アーム２１及びトーチホルダー３
５がそれぞれ取付けられている。アーム２１の先端に取
付けられたカムフォロア２２は、溝カム２３に嵌合して
いる。溝カム２３は、摺動装置３６により摺動可能に支
えられており、アーム２１の旋回に伴なって矢印ＡＲ１
方向（左右）に摺動する。軸３７には平歯車２５及び２
６が取付けられており、平歯車２５は溝カム２３の一部
に取付けられたラック２４と噛み合っており、平歯車２
６は走行台車１０上に取付けられたラック２７と噛み合
っている。

【００２２】トーチホルダー３５には溶接トーチ１６が
取付けられている。中間軸２９，旋回軸３０及び軸３７
は、それぞれベアリング３８を介して移動台２０に取付
けられている。移動台２０は、摺動装置３９を介して走
行台車１０上に取付けられている。走行台車１０には、
ならいローラ１３が、壁面に向かって水平に延びるなら
いアーム４０を介して設置されている。走行台車１０を
支持する４つの走行車輪４１は、斜行する（進行方向に
対して斜めの方向に向かう）ように取付けられており、
図示しない走行用モータで駆動される。走行台車１０の
先端には、終端検出装置４２が設置されている。なお溶
接トーチ１６の旋回角度θは±３４度に定めてある。

【００２３】この自動溶接機により、ます目構造物の隅
角線６を溶接する場合、まず、溶接トーチ１６の先端が
隅角線６と一致するように（図４のように）作業者が自
動溶接機の走行台車１０を位置決めする。次に、トーチ
ホルダー３５を反時計方向にθ度回転させ、溶接トーチ
１６の先端を隅角線６と７の交点に位置決めする。ここ
で溶接動作を開始すると、電気モ−タ２８の駆動力によ
って、溶接トーチ１６が時計方向に旋回し、この旋回に
伴なって、アーム２１，カムフォロア２２，溝カム２３
及びラック２４の作用により、平歯車２５及び２６は時
計方向に回転し、移動台２０は壁板３に対して後退す
る。

【００２４】平歯車２６と２５の歯数比は溶接トーチ１
６の長さＬとアーム２１の長さＬ’との比率に比例させ
てある。このため、溶接トーチ１６の先端が旋回して
も、溶接トーチ１６の先端と隅角線６との距離は変化せ
ず、溶接トーチ１６の先端は、隅角線６に沿って移動す
る。また、旋回モータ２８の角速度ωは一定であるが、
その駆動力は、楕円歯車対３１，３２を介して１／ｃｏ
ｓθ倍されて旋回軸３０に伝達されるので、溶接トーチ
１６先端の移動速度、すなわち溶接速度は一定になる。

【００２５】溶接トーチ１６が中央に達したところで
（図４の状態）、自動的に旋回が中止され、走行台車１
０が走行を開始する。走行台車はならいローラ１３と斜
行する走行車輪４１の作用で、壁板３の面に沿って平行
に移動する。終端検出装置４２が壁５を検出すると、自
動的に走行台車１０が走行を停止する。それと同時に、
溶接トーチ１６の時計方向の旋回が再開されるので、溶
接トーチ１６の先端は、一定の溶接速度で継続的に移動
し、溶接が継続される。溶接トーチ１６がθ度旋回する
と、即ち溶接トーチ１６の先端が、目標溶接終了位置で
ある隅角線６と隅角線８との交点に達すると、自動的に
溶接トーチ１６の旋回が停止し、溶接も終了する。

【００２６】実験によれば、上記の溶接動作を実施した
時の溶接トーチ１６の先端の軌跡は、歯車のバックラッ
シュおよび溝カムのすき間により±０．５ｍｍの誤差を
生じ、溶接速度が±０．４％程度変化したが、実用上、
溶接線上を一定の溶接速度で溶接残しなく、溶接できる
と認められた。

【００２７】

【効果】以上説明したように、本発明によれば旋回する
アーム２１と溝カム２３が揺動節の関係にあるため、旋
回運動から直線運動への変換は円滑でかつ確実である。
また、アーム２１の長さは短かくすることができる。か
つ台２０に対する設置角度も、図３及び図４では長手方
向と平行に示されているが、軸３７を中心に回転すれば
いずれの方向にも設置可能である。したがって台２０上
に容易に収納することができ、これをカバーで覆えば、
スパッターや塵埃による耐久性の問題もなくなる。楕円
歯車対などの異形歯車対による角速度変換機構を用いる
ので、旋回モータ２８は等速制御でよく制御装置の構造
は簡単になる。したがって、動作が円滑確実で、耐久性
良好で、制御装置の簡略な自動溶接機が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 トーチ先端の軌跡と溶接線を示す平面図であ
る。

【図２】 本発明の装置の構成の一例を示す平面図であ
る。

【図３】 実施例で用いた楕円歯車対の回転と離心率を
示す平面図である。

【図４】 実施例の自動溶接装置の平面図である。

【図５】 実施例の自動溶接装置の側面図である。

【図６】 従来の装置の平面図である。

【図７】 従来の装置の側面図である。

【符号の説明】

６：溶接線 １０：走行台車 １３：ならいローラ １６：溶接トーチ ２０：移動台 ２１：アーム ２２：カムフオロワ ２３：溝 ２４，２７：ラック ２５，２６，３３，３
４：平歯車 ２８：旋回モータ ３０：旋回軸 ３１，３２：楕円歯車

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接トーチを旋回させながら、直線上の
   溶接を行なう自動溶接装置において：溶接トーチの旋回
   運動に伴なって、溶接線に直交する軸方向の溶接トーチ
   移動量に比例する量だけ直線移動する、直線移動部材を
   含むカム機構；前記直線移動部材と、溶接トーチを支持
   する部材との間に介在され、歯車及びラックを含み、直
   線移動部材の運動を、移動の方向及び移動量を変換して
   溶接トーチを支持する部材に伝達する、歯車ラック機
   構；及び溶接トーチとそれを旋回駆動する駆動手段との
   間に介在された異形歯車対；を備え、旋回に伴なって溶
   接トーチの旋回中心を移動させ、溶接トーチ先端の軌跡
   を溶接線に一致させるとともに、前記異形歯車対によ
   り、溶接速度を一定に保つことを特徴とする自動溶接装
   置。