JP2001179448A

JP2001179448A - 自動上向溶接装置

Info

Publication number: JP2001179448A
Application number: JP36507699A
Authority: JP
Inventors: Eiji Matsuda; 英治松田; Hiroshi Murayama; 宏村山; Takanobu Sano; 孝信佐野; Yuji Sugitani; 祐司杉谷
Original assignee: Ship and Ocean Foundation; NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp; Ship and Ocean Foundation
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接装置の走行用レールを用いないで路面を
自由に走行することができ、かつ路面の凹凸等の障害物
に影響されることなく被溶接部材の上向溶接を可能とす
る。【解決手段】路面１００を車輪の自動操舵方式により
走行する無軌道式の走行装置１と、被溶接部材２００の
表面を移動して上向溶接を行う無軌道式の溶接機２と、
走行装置上に設置され、溶接機２を先端部に軸支するブ
ーム装置３と、溶接機２の前方にあって、溶接進行方向
の前後に配設され、開先２１０を横断する方向に揺動可
能な２つの開先倣いセンサ４１、４２を有する開先検出
装置４と、ブーム装置３を上下移動させるエアシリンダ
５１、旋回させる旋回装置６および開先幅方向に移動さ
せる横移動装置７とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、船殻ブロックなど
の大型部材の上向溶接を自動的に行う自動上向溶接装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大型の構造物を扱う建造ドック内
での溶接作業はほとんどが熟練溶接士によって行われて
おり、特に船底外板部の突合せ溶接は船体の内側から手
溶接で実施されていたため、その自動化が要請されてい
た。しかし、船体内側からの溶接施工では、内部に多数
の骨材が存在しており、狭隘な空間で実施する必要があ
るため、船体内に溶接装置を設置し稼働させることは非
常に困難となる。そこで、船体の外側（下側）から溶接
する方が都合がよいが、この場合、溶接が上向溶接とな
る。

【０００３】上向溶接の場合、溶接トーチ、開先倣いセ
ンサ、裏当材等の装置を下側から支える溶接機を溶接線
に沿って走行させる必要があり、このような従来例とし
て、例えば、溶接対象物に磁石による吸着力を利用して
レールを溶接線と平行に取り付け、そのレール上を溶接
ヘッド部が走行するようにしたり、あるいは、特開平１
０−２３０３５９号公報や特開平１０−２３０３６０号
公報に示すように、磁石による吸着式の走行クローラを
用いて船底外板部に吸着しつつ走行させながら上向溶接
を行うものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、船体の外側か
ら上向溶接を行う場合においては、特に渠底や船底外板
部の表面の凹凸が問題となる。建造ドック内の路面には
凹凸があり、また縦、横方向の勾配や段差等があり、さ
らには溶接や切断等に用いられるケーブルやホース等が
多数散在している。そのため、溶接機の走行用レールを
渠底面に着脱可能に敷設するとしても、これら凹凸部や
ホース類の障害物を排除もしくは回避する必要があり、
その作業が非常に煩雑で、実施面で難点が多い。また、
磁石等を用いて直接溶接対象物にレールを取り付ける場
合でも、船底外板部の表面は必ずしも平坦ではなく、傾
斜や曲がりの他、溶接ビードなどの突起物があり、さら
には船体外板部の形態の多様性から、同様にレールの取
付作業が容易ではない。したがって、レールを用いる方
法は船底外板部の上向突合せ溶接には不適である。

【０００５】また、上記公報に示すような吸着式走行ク
ローラを用いるものでは、磁石の磁力が弱い場合、溶接
機の重量が制限されたり、脱離した場合の安全装置など
を設置する必要があり、逆に磁力が強い場合は、脱離を
行う作業が難しく非効率的になるという問題がある。し
たがって、吸着走行式の溶接装置も実用上難点が多いも
のである。

【０００６】また、船底外板部の自動上向溶接を実現す
るためには、建造ドック内では、ドックという特性上、
溶接継手を移動させることは不可能であり、溶接装置を
常設できない。よって、移動式であることが当然の前提
条件となる。

【０００７】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、溶接装置の走行用レールを
用いないで路面を自由に走行することができ、かつ路面
の凹凸等の障害物に影響されることなく被溶接部材の上
向溶接を可能とする自動上向溶接装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る自動上向溶
接装置は、路面を車輪の自動操舵方式により走行する無
軌道式の走行手段と、被溶接部材の表面を移動して上向
溶接を行う無軌道式の溶接機と、前記走行手段上に設置
され、前記溶接機を軸支するブーム手段と、前記溶接機
の前方にあって、溶接進行方向の前後に配設され、開先
を横断する方向に揺動可能な２つのセンサを有する開先
検出手段と、前記ブーム手段を上下移動させる駆動シリ
ンダ手段、旋回させる旋回手段および開先幅方向に移動
させる横移動手段と、を備えたことを特徴とするもので
ある。

【０００９】このように構成することにより、走行手段
はレールを用いることなく車輪の自動操舵方式により路
面を走行し、また、走行手段上に搭載されたブーム手段
を介してその先端部に取り付けられた溶接機もレールを
用いることなく被溶接部材面を移動する。したがって、
レールおよびその取付・取外し作業が完全に不要とな
る。また、溶接中、溶接機は駆動シリンダ手段によって
被溶接部材に押し付けられており、溶接トーチと被溶接
部材面の上下方向の相対的な位置ずれは生じない。開先
幅方向に対しては、溶接機の前方において、溶接進行方
向の前後に配設された２つのセンサ手段が開先を横断す
る方向に揺動することによって、開先中心と揺動中心と
の変位を検出することができる。この前後２つの検出さ
れた変位量から溶接線方向に対する溶接機進行方向の角
度変位がわかるので、旋回手段および横移動手段によっ
てブーム手段を旋回、横移動させることにより変位量お
よび角度変位を修正することができ、これによって開先
中心倣いつまり自動溶接線追従を行わせることができ
る。

【００１０】また、本発明の自動上向溶接装置におい
て、前記走行手段の車輪は、４輪のうち少なくとも２輪
が対角線上に配設された、操舵機能を有する駆動車輪
で、かつ、片側の前後２輪が車体にクレードル式に軸支
された車台に取り付けてなることを特徴とする。

【００１１】渠底面のような凹凸や勾配、段差等がある
路面を走行させる場合、走行手段がこれらの障害物をス
ムーズに乗り越えるようにする必要がある。操舵機能を
有する駆動車輪の一つはクレードル式車台の、例えば前
位置に取り付けられ、もう一つの駆動車輪はクレードル
式車台を軸支する車体の後ろ位置に配設されているの
で、上記障害物があっても、クレードル式車台が上下方
向に揺動するため、常に全輪が接地した状態で上記障害
物をスムーズに乗り越えることができる。また、駆動車
輪は操舵機能を有するので、溶接機の溶接トーチが常に
溶接線上を移動するように走行手段を走行させることが
できる。

【００１２】また、本発明の自動上向溶接装置におい
て、前記走行手段に、溶接電源、溶接トーチ、センシン
グ機器、制御装置、シールドガス供給装置、ワイヤ送給
装置、冷却水供給装置等の溶接機材一式を搭載してなる
ことを特徴とする。

【００１３】このように構成することにより、自動上向
溶接装置がコンパクトになり、ケーブル・ホース類を引
き回すことがないため、狭い渠底での走行もスムーズに
行うことができる。

【００１４】また、本発明の自動上向溶接装置におい
て、前記溶接機は、移動速度を検出するセンサ手段を有
することを特徴とする。

【００１５】このセンサ手段により、被溶接部材面を移
動する溶接機の実際の移動速度を検出し、走行手段の走
行速度を補正することで、所定の溶接速度を保持するこ
とができる。

【００１６】また、本発明の自動上向溶接装置におい
て、前記溶接機は、溶接線の傾斜角度を検出するセンサ
手段を有することを特徴とする。

【００１７】被溶接部材が曲面や傾斜面等を有する場
合、このセンサ手段によって溶接線の傾斜角度を検出
し、その傾斜角度に応じて走行手段の走行速度を補正す
ることで、所定の溶接速度で曲面や傾斜面等を溶接する
ことができる。

【００１８】また、本発明の自動上向溶接装置におい
て、前記ブーム手段は、前記駆動シリンダ手段により軸
支し、該ブームの基端部を前記横移動手段上に移動可能
に設けられた前記旋回手段の旋回軸により軸支してなる
ことを特徴とする。

【００１９】このように構成することにより、ブームの
先端部に取り付けられた溶接機を旋回手段の旋回軸を横
移動させることで旋回させることができ、また旋回手段
を取り付けた横移動手段の横移動軸を横移動させること
で、溶接機全体を開先幅方向に横移動させることができ
る。したがって、旋回手段の旋回軸および横移動手段の
横移動軸の移動量を、前記２つのセンサ手段により検出
された変位量および変位角を基に、制御することによっ
て、前述した溶接トーチの自動溶接線追従を行うことが
できる。また、旋回手段の旋回軸の横移動量から旋回角
すなわち操舵角を検出できるので、これに基づいて走行
手段の自動操舵走行が可能となる。

【００２０】また、本発明の自動上向溶接装置におい
て、前記ブーム手段は、伸縮可能なブームを有すること
を特徴とする。

【００２１】特に水平な船底外板部から曲がり部を有す
るビルジ外板部までを溶接するような場合、渠底から溶
接部の高さが大きく変動するので、ブーム手段を伸縮可
能に構成することが好ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態を示す
自動上向溶接装置の概略側面図で、図２は上面図、図３
は正面図（但し、溶接機前部の開先検出装置は省略）で
ある。この自動上向溶接装置は、大別して、渠底面１０
０上を車輪の自動操舵方式により走行（走行方向は矢印
ａで示す。）する無軌道式の走行装置１と、同じく無軌
道式の溶接機２を先端部にて支持するブーム装置３と、
溶接機２の前方にあって、溶接進行方向（矢印ｂ方向）
の前後２つのセンサ４１、４２により開先位置を検出す
る開先検出装置４と、ブーム装置３の上下移動、旋回お
よび開先幅方向への左右移動をそれぞれ行う駆動シリン
ダ装置５、旋回装置６および横移動装置７とから構成さ
れている。また、上記２つのセンサ４１、４２を持つ開
先検出装置４と、ブーム装置３の旋回装置６および横移
動装置７は溶接機２の自動溶接線追従機構となってい
る。図中、２００は被溶接部材の船底外板部、２０１は
骨材、２１０は開先である。

【００２３】走行装置１は、さらに図４、図５に示すよ
うに、４つの車輪を備え、そのうちの少なくとも２輪は
操舵機能を持つ駆動車輪１１とし、その他の２輪は自在
車輪１２としている。そしてさらに、駆動車輪１１およ
び自在車輪１２をそれぞれ対角線上に配置するととも
に、片側の前後２輪の駆動車輪１１と自在車輪１２をピ
ン１３により車体１０にクレードル式に上下揺動自在に
支持された車台１４に取り付け、４つの車輪の全てが、
渠底面１００の路面状態（凹凸や勾配、段差、その他ホ
ース類等の障害物の存在）にかかわらず、常に接地して
これら障害物をスムーズに乗り越えるようにしている
（図６参照）。図中、１５は駆動車輪１１の駆動用モー
タ、１６は駆動車輪１１の操舵用モータで、平歯車１７
を介して車輪１１を平面上で回動させて操舵する。操舵
用モータ１６には駆動車輪１１の操舵角を設定するため
のエンコーダ（図示せず）が取り付けられている。

【００２４】また、上記車体１０上には、ブーム装置３
の支持台１８のほかに、溶接に必要な付属設備８である
ところの、溶接電源８１、制御装置８２、溶接ワイヤ送
給装置８３、シールドガス供給装置８４、水冷装置８
５、その他ケーブル・ホース類や操作盤（図示せず）な
どの溶接機材一式を搭載している。

【００２５】溶接機２は、同じくレールを用いない無軌
道式の自由走行体からなり、複数の溶接トーチ２１、２
２を備え、直交する２つのピン３１、３２によって車体
２０をブーム３０の先端部に軸支し、無駆動の車輪２３
によって船底外板部２００の外面（下面）を移動するよ
うになっている。図中、２４は溶接機２の移動速度（溶
接速度）を検出するためのエンコーダである。なお、溶
接機２の車輪２３には商品名「オムニホイル」と呼ばれ
るような進行方向とそれに直角の横方向の双方向回転移
動ができる形式の車輪を用いている。

【００２６】溶接方法は、特に限定するものではない
が、例えば、本出願人の特許出願（特願平１１−１３８
４０５号）に係る多電極の上向溶接方法が適当である。
この方法は、図７に示すように、細径の溶接トーチ２
１、２２の湾曲した先端部を開先ギャップ内にほぼ水平
に挿入し、低位の先行電極と高位の後行電極により１ラ
ン（一度の走行）で溶接するものである。図中、２４は
各電極の溶接ワイヤ、２５はシールドガスノズル、２６
は車体２０に取り付けられた裏当材で、例えば水冷銅板
からなり、溶接機２の移動と共に開先２１０の下面を摺
動していく。２７は先行ビード、２８は後行ビードであ
る。

【００２７】開先検出装置４は、溶接機２の前方にあっ
て、溶接進行方向の前後に配設した２つの開先倣いセン
サ（例えばレーザセンサ）４１、４２を開先２１０を横
断する方向に揺動させる構成となっている。開先倣いセ
ンサ４１、４２は連結板４３により揺動軸４０に取り付
けられている。揺動軸４０はサーボモータ４４により駆
動され、揺動位置座標をサーボモータ４４に取り付けら
れたエンコーダ４５により検出するようにしている。開
先倣いセンサ４１、４２の揺動機構は公知のボールネジ
機構からなり、一定の振幅で開先倣いセンサ４１、４２
を往復移動させる。そしてその揺動中心の延長線上に上
記溶接トーチ２１、２２の中心が位置するように配設さ
れている。なお、溶接トーチ２１、２２は位置調整機構
（図示せず）として開先幅方向のＸ軸移動機構、トーチ
高さ方向のＹ軸移動機構および溶接線方向のＺ軸移動機
構に取り付けられており、これらの移動機構もボールネ
ジ機構で構成されている。さらに、ウィービング溶接の
ためにトーチ先端を揺動させるよう揺動機構（図示せ
ず）が設けられている。

【００２８】図８は開先倣いセンサのレーザセンサによ
る開先幅検出方法を示す図である。この図は、レーザセ
ンサの揺動によって得られるレーザセンサの測長距離と
揺動軸座標位置との関係をあらわしている。開先２１０
が開口しているため、開先部ではレーザセンサの測長距
離が船底外板部２００よりも長くなるので、測長距離が
急変する（閾値を超えたときの）開先左端２１１の座標
位置（−ｘ）と開先右端２１２の座標位置（＋ｘ）を検
出し、この座標差を求めることによって開先（開口）幅
Ｇを検出することができる。

【００２９】したがってまた、図９に示すように、開先
の中心座標位置と揺動軸の揺動中心座標位置の差を求め
ることによって、溶接線（開先中心線）２２０との変位
量Ｗを求めることができる。そしてさらに、前後２つの
レーザセンサ４１、４２のそれぞれについて溶接線との
変位量が求まるので、溶接線２２０と溶接機進行方向と
の変位角を求めることができ、これら変位量と変位角を
ブーム３０の旋回装置６および横移動装置７により修正
することによって、溶接トーチ２１、２２の自動開先倣
いを行わせることができる。

【００３０】ブーム装置３は、ブーム３０の上下（俯
仰）、旋回、および開先幅方向への左右移動の各動作が
可能になっている。ブーム３０の上下移動は駆動シリン
ダ装置、例えばエアシリンダ５１によって行っている。
このエアシリンダ５１はまた、ブーム先端部の溶接機２
を船体外板部２００に押し付けるための押し付け手段と
なっている。そのため、ブーム３０の中間部を旋回中心
３３としてＴ型の自在軸３３、３４によりシリンダロッ
ド５２に連結し、ブーム基端部を同じくＴ型の自在軸３
５、３６により旋回装置６の旋回軸６０に連結してい
る。また、エアシリンダ５１はピン３７で旋回装置６の
外枠に連結している。

【００３１】旋回装置６およびその下に設置される横移
動装置７はいずれも公知のボールネジ機構で構成されて
おり、それぞれ開先幅方向に直線移動するスライドブロ
ックからなる旋回軸６０、横移動軸７０を備えている。
したがって、旋回軸６０を矢印ｃまたはｄ方向に横移動
させることによって、ブーム３０および溶接機２を上記
自在軸３３、３４の垂直軸３３を中心に旋回させること
ができ、また横移動軸７０を矢印ｅまたはｆ方向に横移
動させることによって、ブーム３０および溶接機２全体
を開先幅方向に横移動させることができる。これらブー
ム３０の旋回軸６０および横移動軸７０はそれぞれサー
ボモータによって駆動され、各々の移動量は各サーボモ
ータに取り付けられたエンコーダによって検出される。

【００３２】次に、この自動上向溶接装置の動作につい
て説明する。この自動上向溶接装置を渠底面１００上に
設置し、ブーム３０をエアシリンダ５１によって持ち上
げ、ブーム先端部に取り付けられている溶接機２を船底
外板部２００に下側から押し付ける。次に、トーチの位
置調整機構により溶接トーチ２１、２２の先端部を、溶
接ワイヤ２４の先端部を目標位置（ここでは開先中心位
置）に位置決めし、溶接を開始する。

【００３３】船底外板部２００の突合せ溶接は溶接トー
チ２１、２２の２電極により１ランで仕上げる上向溶接
としている。シールドガスは各電極に付属したノズル
（図示せず）と裏当材２６に取り付けた上向きのノズル
２５から吹き付けている。また、裏当材２６である水冷
銅板により溶融池を保持しつつ、水冷銅板２６を溶接機
２と共に移動させて溶接を行う（図７参照）。

【００３４】溶接の制御は、溶接機２の前方に設けた開
先倣いセンサ４１、４２から得られる開先情報と溶接条
件データベースから抽出する最適溶接条件による適応制
御としている。実験によれば、板厚１６ｍｍの鋼板を表
１に示す溶接条件で実施したところ、良好な溶接結果を
示した。

【００３５】

【表１】

【００３６】船底外板部２００の上向突合せ溶接は、走
行装置１により、ブーム３０の先端部に取り付けられた
溶接機２を船底外板部２００の溶接線に沿って移動させ
ることにより実施される。ここで、走行装置１はレール
を用いない無軌道式のものであり、駆動車輪１１の自動
操舵方式により渠底面１００上を走行するものである。
また、溶接機２も無軌道式のもので、かつ、ブーム３０
の先端部にピン３１、３２により上下・左右揺動自在に
取り付けられているので、エアシリンダ５１によりブー
ム３０を持ち上げることにより、溶接機２の全ての車輪
２３が船底外板部２００に接触し、一定の圧力で押し付
けられた状態で移動する。このため、溶接トーチ２１、
２２と被溶接部材の上下方向の相対的な位置ずれは生じ
ない。

【００３７】渠底面１００には前述したように凹凸や勾
配、段差、ケーブル・ホース類などが存在している。し
かし、この走行装置１の車輪は４輪でそのうち少なくと
も２輪は操舵機能を有する駆動車輪１１であり、駆動車
輪１１と自在車輪１２は対角線上に配設され、しかも片
側の前後２輪の駆動車輪１と自在車輪１２がピン１３に
より軸支されたクレードル式の車台１４に取り付けられ
ているので、走行装置１は、図６に示すように、４輪と
も渠底面１００に接地した状態でこれら凹凸などの障害
物１１０をスムーズに乗り越えることができる。また、
駆動車輪１１または自在車輪１２が障害物１１０を乗り
越えるときの車体１０に作用する持ち上げ力や沈下力、
あるいは多少の衝撃力などは上記エアシリンダ５１が吸
収するため、溶接機２の押し付け状態、言い換えれば、
溶接トーチ２１、２２による溶接状態に何ら影響を及ぼ
すものではない。なお、走行路上を横切るケーブル・ホ
ース類に対しては台形状の踏み板を被せておけばよい。

【００３８】また、走行装置１の車体１０上には、溶接
電源８１、制御装置８２、溶接ワイヤ送給装置８３、シ
ールドガス供給装置８４、水冷装置８５、その他ケーブ
ル・ホース類や操作盤（図示せず）などの溶接機材一式
が搭載されているので、ケーブル・ホース類を短くする
ことができ、引き回したりすることがないため、狭い渠
底内での走行を円滑に行うことができる。

【００３９】次に、溶接中における自動開先倣い方法に
ついて説明する。溶接進行方向の前後２つの開先倣いセ
ンサ４１、４２が、溶接機２の前方において、開先２１
０を横断する方向に一定の振幅で揺動しているので、開
先倣いセンサ４１、４２の測長距離の変化から、開先左
端座標位置と開先右端座標位置を揺動軸４０の揺動座標
との関係で検出することができる（図８、図９参照）。
この検出された開先２１０の左端位置と右端位置の座標
差から開先２１０の開口幅Ｇを求め、さらに開先中心２
２０を求めることによって、それぞれ開先倣いセンサ４
１、４２の揺動中心からの変位量Ｗｆ、Ｗｒが求まる。

【００４０】この２つの変位量から、溶接機２の進行方
向の角度が溶接線（開先中心線）に対し、どの程度ずれ
ているかがわかる。図１０は溶接機２の進行方向に対し
開先線方向が左にずれている場合の溶接線と開先倣いセ
ンサ（レーザセンサ）４１、４２の配置を渠底から見た
概略図である。また、図１１はこのときの２台の開先倣
いセンサ４１、４２で検出される揺動軸座標位置と測長
距離との関係を示したものである。２つの開先倣いセン
サ４１、４２によって検出された、それぞれの揺動中心
から開先中心までの変位量Ｗｆ、Ｗｒから、溶接機進行
方向の溶接線に対する変位角θは、式（１）より求める
ことができる。

【００４１】

【数１】

【００４２】溶接トーチ２１、２２は、溶接機２の前部
に取り付けられた開先倣いセンサ４１、４２の揺動中心
の延長線上にあり、また、溶接機２はブーム３０の先端
部に取り付けられ、ブーム３０の基端部は自在軸３５、
３６を介して旋回装置６の旋回軸６０に軸支され、ブー
ム３０の中間部は自在軸３３、３４を介してエアシリン
ダ５１に軸支されているので、旋回軸６０を横移動させ
ることによって、エアシリンダ上部の軸３３を中心に溶
接機２を旋回させることができる。また、旋回装置６を
取り付けている横移動装置７の横移動軸７０を左右方向
に横移動させることによって、溶接機２全体をブーム３
０ごと左右に横移動させることができる。

【００４３】したがって、開先倣いセンサ４１、４２に
よって検出された溶接線２２０との変位量および変位角
の情報を基に、溶接機２を旋回または横移動させて、開
先倣いセンサ４１、４２の揺動中心、言い換えれば、溶
接トーチ２１、２２が常に開先中心線（溶接線）上に位
置するよう補正を行うことができる。

【００４４】この補正方法を図１２、図１３により説明
する。図１２は自動溶接線倣い機構図で、図１３はその
制御方法の概念図である。変位角の補正はブーム３０を
旋回させることによって行う。このときの旋回軸６０の
補正移動量（Ｄ１）は、２つの開先倣いセンサ４１、４
２の変位量差（Ｗｒ−Ｗｆ）と、センサ間長さ（Ｌ）と
ブーム旋回中心３３からブーム旋回移動点３６までの長
さ（Ｌ２）のレバー比で式（２）より求めることができ
る。

【００４５】

【数２】

【００４６】変位量の補正はブーム３０を横移動するこ
とによって行う。このときの横移動軸７０の補正移動量
（Ｄ２）は、式（３）により、後部開先倣いセンサ４２
の変位量（Ｗｒ）とブーム３０の変位角の補正によって
新たに生じる変位量（ｄ）を合算して求める。Ｄ２＝Ｗｒ＋ｄ・・・（３）

【００４７】変位角補正によって生じる変位量（ｄ）
は、式（４）に示すように、２つの開先倣いセンサ４
１、４２の変位量差（Ｗｒ−Ｗｆ）と、センサ間長さ
（Ｌ）とブーム旋回中心３３から後部開先倣いセンサ４
２までの長さ（Ｌ１）のレバー比から求めることができ
る。

【００４８】

【数３】

【００４９】このようにして求められた旋回軸６０およ
び横移動軸７０の補正移動量（Ｄ１、Ｄ２）はそれぞれ
の駆動用サーボモータ６１、７１に指令し、両方の軸を
同時に動作させることにより倣い制御を行う。

【００５０】次に、溶接線自動追従方法について説明す
る。本発明の走行装置１は、従来の溶接装置とは異な
り、レールを用いない走行方式を採用しているため、溶
接線に沿って自動操舵走行をしていく必要がある。自動
操舵走行をするためには、まず溶接線方向と走行装置１
の走行方向との変位角を検出することが必須条件であ
る。ここでは、溶接機２を取り付けたブーム３０の旋回
角から、溶接線方向と走行装置１の走行方向との変位角
を検出する。

【００５１】図１４に溶接線方向と走行装置１の走行方
向との変位角の検出方法を示す。ブーム３０の先端部に
取り付けられた溶接機２の前部には溶接線上の前後に２
つの開先倣いセンサ４１、４２が取り付けられており、
常に２つの開先倣いセン差４１、４２の揺動中心位置が
溶接線２２０上に来るようにブーム３０を旋回または横
移動させて開先倣いを行う開先倣い制御機構が働いてい
る。つまり、ブーム３０は開先倣い制御機構によって常
に溶接線２２０と同方向を向いており、このことはブー
ム３０の旋回角を検出すれば、溶接線方向と走行装置１
の走行方向との変位角を検出することになることを意味
している。

【００５２】ブーム３０の旋回角αは、図１４に示すよ
うに、ブーム旋回中心３３（エアシリンダ５１との連結
ピン）と旋回力点３６（ブーム旋回軸６０との連結ピ
ン）間の長さ（Ｌ２）と、ブーム旋回軸６０の旋回中心
線（走行装置１の走行方向）２２１からの距離（ブーム
旋回軸６０の横移動位置）から、式（５）により求める
ことができる。

【００５３】

【数４】

【００５４】図１５に走行装置１の操舵方法を示す。操
舵兼駆動車輪１１は車体１０の前左輪と後右輪に２つあ
る。駆動モータ１５は車輪１１に直結され、操舵モータ
１６により平歯車１７を介して車輪１１を平面上に回転
させて操舵する。この前後の２つの車輪１１を操舵する
ことにより、前輪操舵走行はもちろんのこと、横行走
行、旋回も可能となり、狭い渠底での移動をスムーズに
行える。

【００５５】図１６に操舵制御方法の概念図を示す。ブ
ーム旋回軸６０のサーボモータに取り付けられているエ
ンコーダから検出したブーム３０の横移動位置情報と、
ブーム旋回軸６０の旋回中心３３と作用点３６間の長さ
（既定値）から、ブーム３０の旋回角度を検出する。こ
のブーム旋回角度は、溶接線方向と走行装置１の走行方
向との変位角でもあり、また、走行装置１の操舵角度で
もある。したがって、検出したブーム旋回角度をそのま
まの値を操舵指令角として走行装置１の前輪の駆動車輪
１１に指令し操舵する。これによって、無軌道式の走行
装置１を常に溶接線上を自動追従走行させることができ
る。

【００５６】次に、図１７〜図１９により走行装置の走
行速度制御方法について説明する。図１７は凹凸路面で
の走行装置の走行方向と溶接方向の関係を示す概略側面
図、図１８は走行装置の操舵走行を行った場合の走行装
置の走行方向と溶接方向の関係を示す概略上面図、図１
９は走行装置の走行速度制御方法の概念図である。

【００５７】走行装置１は凹凸等の障害物１１０のある
渠底面１００を走行するので、走行装置１の走行方向と
溶接方向は同方向ではなく、角度差を生じ、走行装置１
に溶接速度を指令するだけでは目的の溶接速度は得られ
ない。この対策として、溶接機２の車輪２３にエンコー
ダ２４を取り付け、エンコーダ２４により溶接機２の実
際の移動速度（溶接速度）を検出し、目的の溶接速度
（溶接条件データベースからの指令速度）と実際の溶接
速度（エンコーダ２４の検出速度）との差を求め、その
差に基づいて走行装置１の走行速度を補正することとし
ている。

【００５８】すなわち、図１９に示すように、この走行
速度制御方法は、溶接条件データベースからの指令溶接
速度と実際の溶接速度（エンコーダ２４の検出速度）の
差と、この差を溶接条件データベースからの指令溶接速
度に加算した値を走行装置１の駆動車輪１１に指令して
走行装置１の走行速度を制御する方法である。したがっ
て、走行装置１の走行速度指令値＝溶接速度指令値＋
（溶接速度指令値−溶接機２の移動速度）となる。

【００５９】また、この自動上向溶接装置は、船底外板
部２００だけでなく、ビルジ外板部２０２まで連続した
溶接を可能にしている。図２０はビルジ外板部溶接時に
おける走行装置の走行速度と溶接速度との関係を示す概
略側面図、図２１は走行装置の走行速度制御方法の概念
図である。

【００６０】水平な船底外板部２００の溶接では溶接線
が渠底面１００と平行であるため、走行装置１の走行速
度がそのまま溶接速度となる。しかし、曲がりを有する
ビルジ外板部２０２では走行装置１の走行方向と溶接線
方向に角度が生じ、溶接が進むにつれその角度は大きく
なり、走行速度と溶接速度は大きく異なったものとな
る。そこで、ビルジ外板部２０２においても目標溶接速
度が得られるように走行装置１の走行速度を制御する。

【００６１】そのためには、溶接機２に溶接線の傾斜角
を検出する傾斜角センサ２５を取り付け、ブーム３０を
伸縮可能に構成する。ここでは、伸縮ブーム３０ａが支
持ブーム３０ｂ内を伸縮するようにしている。

【００６２】走行速度制御方法は、図２１に示すよう
に、溶接条件データベースからの溶接速度指令値を溶接
機２に取り付けられた傾斜角センサ２５の検出角度に基
づいて式（６）のようにベクトル変換して走行装置１の
走行速度を計算し、その結果を走行装置１の駆動車輪１
１に指令することにより溶接速度を制御する。Ｖｃ＝cosθ・Ｖｗ・・・（６）但し、Ｖｃ：走行装置の走行速度（ｃｍ／min） θ：溶接機の傾斜角度（゜）Ｖｗ：溶接条件データベースからの溶接速度指令値（ｃ
ｍ／min）

【００６３】このように走行装置１の走行速度を制御す
ることにより、船底外板部２００からビルジ外板部２０
２まで目標溶接速度で連続した溶接が可能となる。伸縮
ブーム３０ａはエアシリンダ５１により９０度まで直立
させることができ、また伸縮ブーム３０ａを伸ばすこと
により、渠底面１００から約４ｍ位の高さまで溶接が可
能となっている。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レールを用いることなく船底外板部の如き大型の被溶接
部材を外部から自動上向溶接をすることができるので、
溶接作業能率が向上する。また、渠底のような凹凸や勾
配等のある路面でも走行手段の走行が可能であり、溶接
機を上下、旋回および横移動が可能なブーム手段を介し
て被溶接材の表面に沿って移動させることができ、さら
に溶接機の前部に開先を横断する方向に揺動可能に設け
た前後２つのセンサによって、溶接線を自動追従させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動上向溶接装置の概略側面図であ
る。

【図２】同装置の概略上面図である。

【図３】同装置の概略正面図である。

【図４】走行装置の概略上面図である。

【図５】走行装置の概略側面断面図である。

【図６】凹凸路面における走行装置の動作説明図であ
る。

【図７】溶接方法を示す説明図である。

【図８】レーザセンサによる開先幅検出方法を示す説明
図である。

【図９】レーザセンサの揺動中心と開先中心との変位量
の測定方法を示す説明図である。

【図１０】溶接機進行方向に対し溶接線が左側にずれて
いる場合において、開先検出装置を渠底から見た図であ
る。

【図１１】溶接機進行方向に対し溶接線が左側にずれて
いる場合において、前部レーザセンサと後部レーザセン
サの変位量を示す説明図である。

【図１２】自動溶接線倣い機構を示す説明図である。

【図１３】自動溶接線倣い制御方法を示す概念図であ
る。

【図１４】溶接線方向と走行装置の走行方向との変位角
の検出方法を示す説明図である。

【図１５】走行装置の操舵方法を示す説明図である。

【図１６】走行装置の操舵制御方法を示す概念図であ
る。

【図１７】凹凸路面での走行装置の走行方向と溶接方向
の関係を示す概略側面図である。

【図１８】走行装置の操舵走行を行った場合の走行装置
の走行方向と溶接方向の関係を示す概略上面図である。

【図１９】走行装置の走行速度制御方法を示す概念図で
ある。

【図２０】ビルジ外板部溶接時における走行装置の走行
速度と溶接速度との関係を示す概略側面図である。

【図２１】走行装置の走行速度制御方法を示す概念図で
ある。

【符号の説明】

１走行装置２溶接機３ブーム装置４開先検出装置５流体圧シリンダ装置６旋回装置７横移動装置８付属装置１０車体１１駆動車輪１２自在車輪１４車台２１、２２溶接トーチ２３車輪２４エンコーダ３０ブーム３０ａ伸縮ブーム３０ｂ支持ブーム４０揺動軸４１、４２開先倣いセンサ５１エアシリンダ６０旋回軸７０横移動軸１００渠底面２００船底外板部２１０開先

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村山宏東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者佐野孝信東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者杉谷祐司東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】路面を車輪の自動操舵方式により走行す
る無軌道式の走行手段と、被溶接部材の表面を移動して溶接を行う無軌道式の溶接
機と、前記走行手段上に設置され、前記溶接機を軸支するブー
ム手段と、前記溶接機の前方にあって、溶接進行方向の前後に配設
され、開先を横断する方向に揺動可能な２つのセンサを
有する開先検出手段と、前記ブーム手段を上下移動させる駆動シリンダ手段、旋
回させる旋回手段および開先幅方向に移動させる横移動
手段と、を備えたことを特徴とする自動上向溶接装置。
【請求項２】前記走行手段の車輪は、４輪のうち少な
くとも２輪が対角線上に配設された、操舵機能を有する
駆動車輪で、かつ、片側の前後２輪が車体にクレードル
式に軸支された車台に取り付けてなることを特徴とする
請求項１記載の自動上向溶接装置。
【請求項３】前記走行手段に、溶接電源、溶接トー
チ、センシング機器、制御装置、シールドガス供給装
置、ワイヤ送給装置、冷却水供給装置等の溶接機材一式
を搭載してなることを特徴とする請求項１記載の自動上
向溶接装置。
【請求項４】前記溶接機は、移動速度を検出するセン
サ手段を有することを特徴とする請求項１記載の自動上
向溶接装置。
【請求項５】前記溶接機は、溶接線の傾斜角度を検出
するセンサ手段を有することを特徴とする請求項１また
は請求項４記載の自動上向溶接装置。
【請求項６】前記ブーム手段は、前記駆動シリンダ手
段により軸支し、該ブームの基端部を前記横移動手段上
に移動可能に設けられた前記旋回手段の旋回軸により軸
支してなることを特徴とする請求項１記載の自動上向溶
接装置。
【請求項７】前記ブーム手段は、伸縮可能なブームを
有することを特徴とする請求項１または請求項６記載の
自動上向溶接装置。