JPH065021Y2

JPH065021Y2 - 円筒密閉容器の自動溶接装置

Info

Publication number: JPH065021Y2
Application number: JP9098488U
Authority: JP
Inventors: 祐司杉谷; 泰彦西; 豊幸佐藤
Original assignee: 日本鋼管株式会社; 日本酸素株式会社
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1994-02-09
Anticipated expiration: 2003-07-11
Also published as: JPH0216267U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、円筒容器の胴部の円周方向および長手方向に
沿う継手部を内面または外面からアーク溶接する円筒密
閉容器用溶接装置の改良に関するものであり、特に溶接
開始から終了までのプロセスをマイクロコンピュータに
よって完全自動で行わせるのに適した自動溶接装置に関
するものである。

［従来の技術］従来、ステンレス密閉容器などの円筒容器の溶接は、仮
り付け溶接された容器の胴部の円周方向（バット）およ
び長手方向（シーム）に沿う継手部を内面または外面か
ら手溶接或いは台車式などの自走溶接機によって行って
おり、特に内面の溶接に際しては作業員が容器内に入っ
て手溶接したり、或いは容器内で自走溶接機を組み立て
て溶接していた。

［考案が解決しようとする課題］円筒容器胴部の曲面上での手溶接は能率の点で望ましく
なく、また容器曲面上を自走する台車式自動溶接期は走
行が不安定であって高速溶接に適しておらず、さらに容
器内面における溶接は作業員が容器内に入らないと溶接
できないという不都合が避けられない。

従って本考案の目的は、溶接の開始から終了までのプロ
セスをマイクロコンピュータによって完全自動で制御し
て円筒容器の胴部の円周方向および長手方向に沿う継手
部を内面または外面から高速でアーク溶接することので
きる自動溶接装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本考案に係る円筒密閉容器の自動溶接装置では、円筒容
器の胴部の円周方向および長手方向に沿う継手部を内面
または外面からアーク溶接する溶接装置において、円筒容器を横倒支持してその軸心回りに回動させる支持
手段と、；該支持手段に支持された円筒容器の一端面側
にて前記軸心方向に沿って進退可能な水平コラムを高さ
位置調節可能に装備し、且つ前記コラムの先端において
該コラムの長さ方向と直交する水平軸回りに回動可能で
しかも該水平軸と直交する方向に伸縮可能なアームを備
えたマニピュレータと、；前記アームの先端に取付けら
れアーム長さ方向にほぼ沿ったｙ軸倣い及びそれと直交
する方向にｘ軸倣い機構を介して溶接トーチを保持する
溶接ヘッドと、；前記ｘ軸倣い機構の倣い方向が前記軸
心と平行な向きとなる位置と直角な向きとなる位置との
二位置間にて前記溶接ヘッドを前記アームの軸心回りに
旋回させる旋回機構と、；前記円筒容器の胴部の円周方
向の内面及び外面溶接時に、前記溶接ヘッドを溶接進行
方向前方及び後方に移動保持させるオフセット調節手段
と、；前記溶接ヘッドに取付けられてトーチの溶接進行
方向前方位置を撮影して画像データを出力する撮影画像
処理手段と、；溶接中のアークの電気的特性に関連した
測定量からトーチと前記継手部の溶接開先との相対位置
関係を検出するアークセンサ手段と、；前記画像データ
に基いて前記マニピュレータと前記支持手段を制御する
ことにより溶接始終端位置の制御と溶接開先に対するト
ーチの粗倣いを制御する制御手段と、；前記アークセン
サ手段の検出データに基いて前記ｘ軸およびｙ軸倣い機
構を制御することにより前記トーチを溶接開先に対して
精密倣いさせる精密倣い制御手段とを備えたものであ
る。

［作用］前述の構成を有するこの考案の円筒容器用溶接装置にお
いて、前記支持手段は、溶接対象の円筒容器を横倒しに
した状態で支持してその軸心回りに回動させる例えばタ
ーニングローラであり、この容器の回動によって該容器
の胴部の円周方向に溶接トーチが相対移動される。

マニピュレータは、前記支持手段に支持された円筒容器
の一端面側に配置され、その水平コラムは高さ位置を調
節されたうえで前記容器の軸心方向に沿って軸方向移動
され、これによりコラム先端が容器胴部の外面上または
容器端面の口から容器内部の胴部内面上に位置される。
このコラムの水平移動によって該容器の胴部の長さ方向
に溶接トーチが相対移動される。

水平コラムの先端において、該コラムの長さ方向と直交
する水平軸回りに回動可能でしかも該水平軸と直交する
方向に伸縮可能なアームは、例えば前述水平移動によっ
てコラム先端が容器端面の狭い口から容器内に侵入する
際にはコラム軸心方向に揃えられ、口から容器内に入っ
た後に前記水平軸回りに回動されてコラムとほぼ直角を
なすように向きを変えられる。このアームの先端の溶接
ヘッドは、ほぼアーム長さ方向に沿ったｙ軸倣い機構及
びそれと直交する方向のｘ軸倣い機構を介して溶接トー
チを保持しており、旋回機構によって前記ｘ軸倣い機構
の倣い方向が前記軸心と平行な向きとなる位置と直角な
向きとなる位置との二位置間にて前記アームの軸心回り
に旋回させられ、これによって溶接進行方向の選択、す
なわち容器胴部の円周方向（バット）か長さ方向（シー
ム）かが選ばれる。

オフセット調節手段は、バット溶接時に容器円周の傾斜
によって重力の作用で溶融池形状が変化を来すため、所
定の溶融池形状を得るためにアーク発生点を或る寸法だ
け溶接方向の先方又は後方へ移動させるために用いる。
移動量の大きさは実験で求めておいて、溶接開始に先だ
ってＯＳ（オフセット）軸ブロックを動作させることで
セットする。

前記撮影画像処理手段は、溶接ヘッドに取付けられた撮
影素子、例えばテレビジョンカメラを含み、トーチの溶
接進行方向前方の容器面位置を撮影して画像データを出
力する。一方、溶接中のアークの電気的特性に関連した
測定量からトーチと前記継手部の溶接開先との相対位置
関係がアークセンサ手段で検出される。

制御手段は、前記画像データに基づいて前記マニピュレ
ータと前記支持手段を制御することにより溶接始終端位
置の制御と溶接開先に対するトーチの粗倣いを制御し、
その他に溶接部画像データからビード溶け落ち防止のた
めの溶接条件を制御したり、開先形状変化や仮り付け部
の検出を画像データから行ってそれに応じた溶接条件制
御を行ったりしてもよい。

精密倣い制御手段は、前記アークセンサ手段の検出デー
タに基づいて前記ｘ軸およびｙ軸倣い機構を制御するこ
とにより前記トーチを溶接開先に対して精密倣いさせ
る。

この考案の自動溶接装置は特に高速溶接に適しており、
このため好ましくは溶接トーチとして、例えば特開昭６
１−２４９６６７号公報などに開示されたような回転軸
から偏心した位置でアークを発生する回転アークトーチ
を用いる。

［実施例］第１図に本考案の実施例に係る円筒容器用溶接装置の全
体構成を示す。この装置は大きくわけて円筒容器８を横
倒し状態に支持してその軸心回りに回動させるターニン
グローラ５と、台車９上に装備された自動溶接ロボット
１０とから構成されている。容器８は一端面側に口８１
を有し、この口のある端面側に前記溶接ロボット１０が
対置されている。

溶接ロボット１０は、溶接制御装置２と、溶接電源装置
３と、マニピュレータ４とを備えている。マニピュレー
タ４はポスト４１に昇降位置調節可能に支持されたガイ
ドブロック４２を有し、このブロック４２には駆動装置
（図示せず）によって水平移動可能に水平コラム４３が
案内支持されている。水平コラム４３は、この場合、容
器８の軸心と同心、またはコラム先端が回動する容器８
の口８１の縁と機械的に干渉しない範囲内で平行に配置
されている。尚、８ａ，８ｂは直径の異なる容器の仮想
線であり、このような容器の直径の変化による口の高さ
位置の変更に対しては、水平コラム４３の高さ位置を変
えればよく、或いはまたターニングローラ５の高さ位置
を変えてもよい。

水平コラム４３の先端にはコラム長さ方向と直交する水
平軸回りに駆動装置（図示せず）によって旋回可能なア
ーム４４が取付けられており、アーム先端には溶接ヘッ
ド１が旋回機構４５によってアーム軸回りに少なくとも
９０°の角度範囲で旋回され得るように装備されてい
る。尚、水平コラム４３の先端近傍には溶接ワイヤ送給
装置６が取付けられ、また、台車９上にはシールドガス
供給用のボンベ７が搭載されている。

前記アーム４４は、第２図及び第３図に示されているよ
うに入れ子式の伸縮シリンダ装置からなり、その基部が
水平コラム４３の二又先端に枢支され、第２図に破線で
示すようにコラム４３と軸を揃えて真直に水平姿勢をと
ると、台車９の移動でヘッド１を容器８の口８１を通し
て出し入れでき、容器内などの溶接部位の上でコラム４
３と直角に回動させて第２図に実線のように垂直姿勢を
とると、その伸縮長さの調節でヘッドを溶接部に近付け
たり離したりできる。

溶接ヘッド１は、第４図に示すように、アーム４４の先
端に旋回機構４５を介してアームと直交して固定された
溶接開先幅方向に向いたＸ軸１１Ｘに案内支持されたＸ
軸スライドブロック１１と、アーム軸およびＸ軸と直交
する軸心回りに回動角度を調節可能に前記Ｘ軸スライド
ブロック１１に取付けられたトーチ狙い角度設定ブロッ
ク１７と、このブロック１７に固定されたＹ軸１２Ｙに
支持案内されたＹ軸スライドブロック１２と、前記Ｘ軸
およびＹ軸と直交する方向（溶接方向）に向いたＯＳ軸
１５0Sに支持案内されたＯＳ軸スライドブロック１５
と、前記Ｙ軸１２Ｙと平行な向きにＹ軸スライドブロッ
ク１２に取付けられた回転アークトーチ１３と、トーチ
前方を照明するためにブロック１２に取付けられた照明
用ライト（図示せず）と、ライトの照らす部分をＣＣＤ
撮影素子で撮影するＣＤＤカメラ１４と、トーチ前方に
て溶接中に発生するヒュームを除去するエアーノズル１
６とを備えている。

ここで前記Ｙ軸１２ＹはＸ軸１１Ｘに対してほぼ直角で
あって厳密にはトーチ角度設定ブロック１７による傾斜
角度だけ直角からずれることになるがこれは実際上は差
支えない。

溶接ヘッド１のトーチ１３へは第１図に示したワイヤ送
給装置６から溶接ワイヤが供給され、このワイヤには溶
接電源装置３から溶接電流が供給される。またボンベ７
からはトーチ１３へシールドガスが供給され、さらに台
車上の図示しないエアー源からノズル１６に加圧エアー
が供給されるようになっている。

溶接ヘッド１の各軸ブロック１１、１２、１５、１７の
変位やアーム４４の伸縮と水平・垂直姿勢変え回動、お
よびコラム４３の水平移動とブロック４２の高さ位置調
整、そしてターニングローラ５の回動などの制御は、溶
接制御装置２がカメラ１４からの画像データとトーチ１
３のアーク自体の電気的特性データとに基づいて制御す
る。すなわち第１図において、制御装置２は、画像処理
制御装置２１と、溶接パラメータ制御装置２２と、画像
処理開先倣い制御装置２３と、アークセンサ開先倣い制
御装置２４とを含んでいる。画像処理制御装置２１はカ
メラ１４からの画像データを処理して開先位置、開先形
状、仮付け部位置、溶融地形状等の情報を出力し、予め
設定・記憶された情報との比較等で溶接始終位置の検出
も行う。溶接パラメータ制御装置２２は画像処理制御装
置２１からの情報を受けて適正な溶接電流・電圧・速度
の指令信号を出力し、ビード溶け落ち防止のための溶接
条件制御や開先形状変化に対応した溶着量一定制御を含
む実質的な溶接条件の制御を行う。また画像処理開先倣
い制御装置２３は画像処理制御装置２１からの情報を受
けてトーチ１３が開先に対して適正な位置にくるように
ターニングローラ５やマニピュレータ４の各部を制御
し、この画像処理開先倣い制御装置２３で制御された範
囲内において前記アークセンサ開先倣い制御装置２４が
トーチ１３のアーク特性測定データに基づいてＸ軸スラ
イドブロック１１及びＹ軸スライドブロック１２による
精密な開先倣いを行う。

この溶接装置による円筒容器の円周方向の仮付け済み継
手部に対する溶接手順を述べると、継手の開先形状は例
えばＸ開先両面突合せ溶接であり、最初に制御装置２に
容器径や作業項目および使用ワイヤなどをキーボードか
ら入力して初期設定を行う。その後台車９を移動して容
器８の口８１に水平コラム４３を対置させ、コラム４３
を容器８の軸心と平行に位置させた後、各部を原点復帰
させてコラム４３の高さ位置を容器８の口８１に合わ
せ、且つアーム４４を第２図の実線で示した姿勢にして
おく。この状態ではコラム４３の先端は口８１に真直に
向い合っている。

まず、内面溶接に際して、周継手に合った溶接ヘッド位
置にするために、旋回機構４５によってヘッド１を旋回
してそのＸ軸１１Ｘが容器８の軸方向に向くようにす
る。次いでアーム４４をコラム４３の先端で回動により
起こし、第２図に破線で示したようにアームとコラムを
真直に軸を揃えた状態とする。この状態で溶接ヘッド１
が口８１の縁からはみださないように前記原点位置が定
められている。

その後コラム４３を水平移動させて容器内部にヘッド１
及びアーム４４を挿入しアーム４４を回動して第２図に
実線で示したように垂直に立て、カメラ１４の画像デー
タに基づいて周方向継手の開先をサーチし、アーム４４
を伸ばしてトーチ高さを合わせ、ターニングローラ５を
回して容器８を回動し、トーチ１３が開先に正しく指向
するようにする。

また、オフセット量調整は、容器円周の傾斜によって重
量の作用で溶融地形状に変化を来すため、所定の溶融地
形状を得るためにアーク発生点を所定の寸法だけ溶接方
向先方又は後方へ移動させた位置とする。移動量の大き
さは、予め所定の溶接条件、容器径、溶接ワイヤ及び溶
接母材材料、開先形状等で実験を行い求めておいて、Ｏ
Ｓ軸スライドブロック１５を動作させることでセットす
る。第５図に示すように、本例では容器長手方向溶接と
ほぼ同様な溶融池形状を得るために内面溶接では、この
移動量により若干上進溶接ぎみとなり、また外面溶接で
は若干下進溶接ぎみとなる。

以上でトーチのセットが完了するので、溶接を開始す
る。アークが発生してからは容器の自転に伴うトーチの
開先倣い制御はアークセンサによる精密倣いであり、Ｘ
軸およびＹ軸スライドブロック１１、１２によるトーチ
１３の倣い動作が行われながら一周の溶接が行われる。
溶接終端を画像データから検出し、周方向溶接が一周し
たらアークを自動的に切る。その後一連のシーケンスに
よって先ずアーム４４を締めてヘッド１を引上げ、アー
ム４４を回動により起してコラム４３と軸を揃え、コラ
ム４３を逆方向の水平移動させてヘッドを容器８内から
引き出し原点復帰させて終了する。

尚、溶接トーチを回転アークトーチした場合、前記アー
クセンサによる開先倣いは、回転アークの電圧波形を検
出して回転の左右での波形が等しくなるようにＸ線倣い
を行い、溶接電流を検出して所定値を保持するようにＹ
軸倣いを行うことで精密な開先倣いが達成できる。

また容器外周の溶接については、ブロック４２によって
コラム４３の高さ位置を上へ移動させ、容器頂部にて同
様に下向き姿勢の溶接を行えばよい。

容器内面の長さ方向の継手の溶接については、ヘッド１
の向きを原点復帰状態からそのｘ軸が容器長さ方向と直
交する向きにしてから同様にヘッドを容器内に挿入して
行う。この場合、溶接の送りは水平コラム４３の水平移
動で与えられる。

［考案の効果］以上に述べたように、この発明によれば、溶接の開始か
ら終了までのプロセスをマイクロコンピュータによって
完全自動で制御して円筒容器の胴部の円周方向に沿う継
手部を内面または外面から高速でアーク溶接することが
でき、容器内に作業員が入って作業する必要が全くなく
なるものであるのは勿論のこと、オフセット調整を行う
ため、円周方向に沿う溶接のビード形状が安定するもの
であり、高圧ボンベ等の高圧円筒密閉容器にも十分適用
可能な高品質な溶接ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の全体構成を示す概略の側
面図、第２図は水平コラム先端のアーム部分を示す部分
側面図、第３図は伸縮状態のアームを示す部分正面図、
第４図は溶接ヘッド部分の拡大側面図、第５図は内面溶
接、外面溶接のオフセット位置を示す説明図である。図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。図において、１は溶接ヘッド、２は溶接制御装置、３は
溶接電源装置、４はマニピュレータ、５はターニングロ
ーラ、６は溶接ワイヤ送給装置、７はボンベ、８は円筒
容器、９は台車、１０は溶接ロボット、１１はｘ軸スラ
イドロック、１２はｙ軸スライドロック、１３は溶接ト
ーチ、１４はＣＣＤカメラ、１５はＯＳ軸スライドブロ
ック、１６はヒューム除去用エアーノズル、１７はトー
チ狙い角度調整ブロック、２１は画像処理制御装置、２
２は溶接パラメータ制御装置、２３は画像処理開先倣い
制御装置、２４はアークセンサ開先倣い制御装置、４１
はポスト、４２はガイドブロック、４３は水平コラム、
４４はアーム、４５は回動機構、８１は口を示す。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】円筒容器の胴部の円周方向および長手方向
に沿う継手部を内面または外面からアーク溶接する溶接
装置において、円筒容器を横倒支持してその軸心回りに回動させる支持
手段と、；該支持手段に支持された円筒容器の一端面側
にて前記軸心方向に沿って進退可能な水平コラムを高さ
位置調節可能に装備し、且つ前記コラムの先端において
該コラムの長さ方向と直交する水平軸回りに回動可能で
しかも該水平軸と直交する方向に伸縮可能なアームを備
えたマニピュレータと、；前記アームの先端に取付けら
れアーム長さ方向にほぼ沿ったｙ軸倣い及びそれと直交
する方向にｘ軸倣い機構を介して溶接トーチを保持する
溶接ヘッドと、；前記ｘ軸倣い機構の倣い方向が前記軸
心と平行な向きとなる位置と直角な向きとなる位置との
二位置間にて前記溶接ヘッドを前記アームの軸心回りに
旋回させる旋回機構と、；前記円筒容器の胴部の円周方
向の内面及び外面溶接時に、前記溶接ヘッドを溶接進行
方向前方及び後方に移動保持させるオフセット調節手段
と、；前記溶接ヘッドに取付けられてトーチの溶接進行
方向前方位置を撮影して画像データを出力する撮影画像
処理手段と、；溶接中のアークの電気的特性に関連した
測定量からトーチと前記継手部の溶接開先との相対位置
関係を検出するアークセンサ手段と、；前記画像データ
に基いて前記マニピュレータと前記支持手段を制御する
ことにより溶接始終端位置の制御と溶接開先に対するト
ーチの粗倣いを制御する制御手段と、；前記アークセン
サ手段の検出データに基いて前記ｘ軸およびｙ軸倣い機
構を制御することにより前記トーチを溶接開先に対して
精密倣いさせる精密倣い制御手段とを備えたことを特徴
とする円筒密閉容器の自動溶接装置。
【請求項２】溶接トーチが、回転軸心から偏心した位置
でアークを発生する回転アークトーチである実用新案登
録請求の範囲第１項に記載の円筒密閉容器の自動溶接装
置。
【請求項３】溶接ヘッドが、前記アーム軸心に対するヘ
ッドの傾きを変化させるトーチ狙い角度調節機構を有す
る実用新案登録請求の範囲第１項に記載の円筒密閉容器
の自動溶接装置。
【請求項４】前記マニピュレータが台車上に搭載されて
いる実用新案登録請求の範囲第１項に記載の円筒密閉容
器の自動溶接装置。