JP2005066639A - スチールセグメントの溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スチールセグメントの幅や曲率半径にバラツキがあったり、溶接時の熱応力によりセグメントが変形するようなことがあっても、セグメントのエッジに沿う溶接が溶接機を最適な姿勢に保って行うことができる溶接装置を提供する。
【解決手段】減速機付きサーボモータによって回動するシャフトにアームを固定し、アーム端に固定される取付部材の円弧状の取付面にセグメント３０を取り外し可能に主着する。シャフトを曲率中心として旋回するセグメントの両サイドのエッジが描く円弧軌跡の頂部に溶接トーチ２６を配置し、エッジに沿い移動する倣いローラ２４を一体に設ける。溶接時には、倣いローラ２４を先導として倣いローラ２４のエッジに沿う動きに追従して溶接トーチ２６をエッジに沿わせる。
【選択図】図５

Description

本発明は、地下に埋設される上下水道管、通信ケーブルや電力ケーブルが通される地下埋設管或いは共同溝等に用いるシールド工事用のスケールセグメント（以下、ワークＷということがある）の溶接装置、とくにスチールセグメントを構成する主桁とスキンプレートをエッジに沿って溶接するのに用いる溶接装置に関する。

図１は、スチールセグメントの一例を示すもので、アーチ状をなして両端が継手板１により連結され、継手板１と共に枠を構成する一対の主桁２と、主桁２を適当な間隔を置いて連結する縦リブ３と、枠の外周面を覆う断面アーチ状のスキンプレート４よりなり、各部材の連結はそれぞれ溶接にて行われ、このうち、主桁２とスキンプレート４の溶接は、二台の溶接機を図２に示すスキンプレート４の両側に配置し、各溶接機６をワークＷのエッジに沿い、図の矢印で例示される方向に移動させて主桁上端面とスキンプレート側端面を円弧状に隅肉溶接することにより行われていたが、
（１）ワークＷには幅（溶接機６間の間隔方向）や曲率半径に若干のバラツキがあるため、また溶接時の熱応力によりワークＷが撓んで変形するために製品の品質が不安定となりがちであったこと、
（２）ワークＷの幅や曲率半径のバラツキに対しては、ワークＷの幅や曲率半径を計測して、その計測値により溶接ロボットの制御データを変えることにより対応できるとしても、ワークＷの幅や曲率半径を計測するのは面倒であり、ワークＷが変わる都度、こうした計測を行い、かつ制御データを変えるのは面倒で手間がかかり、また上述する溶接時の熱応力にも対応することができないこと、
（３）円弧に沿う溶接を円弧の一端から他端に向かって連続して行う場合、円弧の一半においては登り溶接、他半においては下り溶接となり、登り溶接が避けられない。下り溶接だけで溶接しようとすれば、円弧の頂部から溶接を開始して下り溶接を行い、円弧端に達すると、溶接トーチを円弧の頂部に戻し、そこから再度溶接を逆方向に向け開始して、他方の円弧端まで溶接を行う必要があり、工程が二工程にわたって作業能率が低下すること、
などの問題があった。

本発明の第１の目的は、溶接機を固定し、ワークＷを曲率中心の回りに旋回させて、常に最適な姿勢でスキンプレートのエッジに沿う溶接を行うことができる溶接装置を提供しようとするものであり、第２の目的は、ワークＷの幅や曲率半径に多少のバラツキがあっても、また溶接時の熱応力により、ワークＷが変形するようなことがあっても、ワークＷのエッジに沿う溶接が確実に行われ、製品の品質を損なうことがないようにした溶接装置を提供しようとするものである。

請求項１に係る発明は、第１の目的を達成する溶接装置に関するもので、アーチ状をなして両端が継手板により連結され、継手板と共に枠を構成する一対の主桁と、枠の外周面を覆うスキンプレートよりなり、断面アーチをなして円周の一部を構成するスチールセグメントを円周の曲率中心の回りに旋回させる旋回装置と、該旋回装置によって旋回されるスチールセグメントのエッジが描く円弧軌跡の頂点に配置される溶接トーチを備えた溶接機とからなることを特徴とする。

本発明によると、主桁上端面とスキンプレート側端面のエッジに沿う隅肉溶接が常に円弧軌跡の頂点で行えるようになる。

本発明において用いる旋回装置としては、例えばモータ等を駆動源として回転駆動されるシャフトと、該シャフトに固着されて径方向に突出し、シャフトと共に旋回するアームと、アーム端に固着され、シャフトを曲率中心とする円弧状の取付面を有して該取付面にスチールセグメントが着脱可能に取着される取付部材とよりなるもの、ローラを円周上に定間隔で配置して、そのうちの一つを駆動ローラとし、該駆動ローラによりローラ上のスチールセグメントを円周上で移動させるようにしたものなどを例示することができる。

請求項２に係る発明は、前者の旋回装置に関するもので、請求項１に係る溶接装置において、旋回装置がモータ等を駆動源として回転駆動されるシャフトと、該シャフトに固着されて径方向に突出し、シャフトと共に旋回するアームと、アーム端に固着され、シャフトを曲率中心とする円弧状の取付面を有して該取付面にスチールセグメントが着脱可能に取着される取付部材よりなることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、後者の旋回装置に関するもので、請求項１に係る溶接装置において、旋回装置が、円周上に適当間隔で配置されるローラよりなり、該ローラは、そのうちの少なくとも一つが駆動ローラであることを特徴とする。
本発明によると、スチールセグメントはローラを転動して移動する。

請求項４に係る発明は、第４の目的を達成する溶接装置に関するもので、両端が継手板により連結され、継手板と共に枠を構成する一対の主桁と、枠の外周面を覆うスキンプレートよりなり、断面アーム状をなして円周の一部を構成するスチールセグメントの円弧状をなすエッジに対応した間隔で溶接トーチを配置した一対の溶接機よりなり、スチールセグメントと溶接機のうち、いずれか一方又は双方を円周上で互いに逆向きに移動させてエッジの主桁上端面とスキンプレート側端面のエッジを隅肉溶接する溶接装置において、上記各溶接機はそれぞれエッジと直交する方向に昇降かつ横方向に移動可能であり、スキンプレート側端面に沿い、主桁上端面を転動する倣いローラと、該倣いローラをスキンプレート側端面に押付ける第１のバネ手段と、倣いローラを主桁上端面に押付ける第２のバネ手段を有することを特徴とする。

本発明によると、倣いローラがエッジに沿って転動すると、それと一体となって溶接機も昇降したり、横移動し、溶接トーチを常にエッジに沿わせて相対移動させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１〜３に係る発明において、溶接機が一対、溶接トーチ間の間隔がスチームセグメントの円弧状をなすエッジに対応した間隔で配置され、しかも各溶接機は、それぞれエッジと直交する方向に昇降かつ横方向に移動可能であり、スキンプレート側端面に沿い、主桁上端面を転動する倣いローラと、該倣いローラをスキンプレート側端面に押付ける第１のバネ手段と、倣いローラを主桁上端面に押付ける第２のバネ手段を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明によると、スキンプレートのエッジに沿う隅肉溶接が常に円弧軌跡の頂点において、溶接トーチを最適な姿勢に固定した状態でエッジの端から端まで連続して行うことができる。

請求項２に係る発明においては、アームを旋回させることにより、スチールセグメントを円弧軌跡を描いて旋回させることができ、請求項３に係る発明においては、曲率半径の長い大径のスチールセグメントであっても、確実に旋回運動させることができ、装置全体をコンパクトにすることができる。

請求項４に係る発明においては、スキンプレート幅にバラツキがあったり、主桁の曲率半径にバラツキがあっても、また、溶接時の熱応力により、主桁やスキンプレートが撓んで変形するようなことがあっても、倣いローラがスキンプレート側端面と主桁上端面に押付けられた状態で転動し、エッジに沿って移動することにより、溶接トーチが常にエッジに沿って隅肉溶接を行うことができ、製品の品質が安定する。

請求項５に係る発明においては、請求項１〜３に係る発明と、請求項４に係る発明の効果を併せて奏することができる。

図３は、本発明に係る溶接装置の正面を示すものであり、図４は側面を示すもので、ベース１１上に立設されるフレーム１２には、下部にシャフト１３が水平に横架されて回動可能に軸支され、その一端に連結されるモータ等の駆動源である減速機付きサーボモータ１４により回動されるようになっている。

シャフト１３には、一定の間隔を存して中空ロッド１５により連結される一対のアーム１６が固着され、各アーム１６はそれぞれ下端にバランスウェイト１７を有すると共に、上端に取付部材１８を固着し、取付部材１８の上面はシャフト１３を曲率中心とする円弧状の取付面となっている。取付部材１８にはまた、取付板１９が突設され、該取付板１９を通して取付部材１８上に置かれたスチールセグメントの主桁２に形成されたボルト孔５にピン２１を通すことによりスチールセグメントを着脱可能に取着できるようになっている。フレーム１２にはまた、上部に一定の間隔を存して溶接機２３が取付けられている。

各溶接機２３は、図５に示すように、倣いローラ２４と、該倣いローラ２４を下方及び図５の左方向に付勢するように支持する支持装置２５と、溶接トーチ２６を有しており、以下、これらについて順に説明する。

倣いローラ２４は、スキンプレート４上を転動し、一端にスキンプレート側端面に接して主桁２上端面を転動可能な径大部２４ａを有している。そしてスライドプレート２７より下向きに突出する一対のブラケット２８間にピン２９にて回転自在に軸支されている。

支持装置２５は、フレーム１２に取着されるエアシリンダー３１と、該エアシリンダー３１のピストンロッド３２に連結され、一対のガイドロッド４９によって昇降がガイドされる上プレート３３と、上プレート３３を昇降可能に貫通し、上端にヘッド３４ａ（このヘッド３４ａはピストンロッド３２を上昇させたとき、上プレート３３がヘッド３４ａに当たってガイドロッド３４を介し、下プレート３５をスライドプレート２７や倣いローラ２４と共に引上げるためのものである）を備えたガイドロッド３４を一対、上向きに突設した横長の下プレート３５と、ガイドロッド３４が嵌挿され、上プレート３３に固着される軸受部３０と、下プレート３５との間のガイドロッド３４に巻装され、下プレート３５を押下げる作用を行う第２のバネ手段としてのコイルバネ３６と、下プレート３５にスライド可能に支持され、スライドする方向が倣いローラ２４の軸方向であるスライドプレート２７と、下プレート３５に取付板４０を介して取着されるエアシリンダー３７とよりなり、倣いローラ２４を軸支し、ブラケット２８より突出するピン２９は、エアシリンダー３７のピストンロッド３８端にスライドかつ回動可能に嵌挿され、ピストンロッド３８に固着される鍔３９とブラケット２８との間のピン２９及びピストンロッド３８には、第１のバネ手段としてのコイルバネ４１が巻装され、その周りはブラケット２８に固着される筒体４２で被覆され、筒体４２の開口端にはピストンロッド３８の後退時に鍔３９と係合するストッパー４３が取付けられている。

なおスライドプレート２７は、スチールセグメントの端部を検出するセンサを有し、該センサがスチールセグメント端を検出すると、検出信号が図示しないコントローラに送られ、コントローラはこれにより、サーボモータ１４の駆動を一旦停止すると共に、エアシリンダー３１の切換弁に出力し、エアシリンダー３１のピストンロッド３２をストローク限まで突出させる。上述のエアシリンダー３１及び３７はいずれもポジショナー付きのエアシリンダーで、エアシリンダー３１のピストンロッド３２がストローク限まで達すると、コントローラがエアシリンダー３７の切換弁を切換えてピストンロッド３８をストローク限まで突出させ、ピストンロッド３８がストローク限まで達すると、コントローラがサーボモータ１４を起動してアーム１６の旋回を再開させると共に、溶接トーチ２６の電源に出力して溶接を開始し、アーム１６の旋回は、隅肉溶接に適した速度で行われるようにサーボモータ１４を制御するようになっている。

センサがスチールセグメントの端部を再度検出すると、コントローラは、エアシリンダー３１及び３７の切換弁に出力してピストンロッド３２及び３８を後退させ、倣いローラ２４を上昇させると共に、側方に後退させる。そして一定時間経過後、溶接トーチ２６の電源をＯＦＦにする。

溶接トーチ２６は、側方に突出するピン４５を有し、該ピン４５がスライドプレート２７より上向きに突設される支柱４６に上下方向に取付位置が調整可能に取付けられるクランプ４７により把持され、ピン４５を支点として回動することにより溶接トーチ２６の向きが調整できるようにしてある。

本装置は以上のように構成され、スチールセグメントのアーチ状をなすエッジの溶接時には、図３の実線で示す位置にある取付部材１８の取付面にスチールセグメントを置き、取付板１９からピン２１を主桁２のボルト孔５に通すことによってスチールセグメントを取付部材１８に連結し、固定する。

次にサーボモータ１４の駆動を一旦停止する。これと共にエアシリンダー３１の切換弁が切り換わり、ピストンロッド３２が突出する。ピストンロッド３２が限度まで突出する途上で倣いローラ２４はスチールセグメントのスキンプレート上に達するが、なおもピストンロッド３２が降下すると、上プレート３３がコイルバネ３６を圧縮しながら停止状態にある下プレート３５に接近する。ピストンロッド３２が下限まで降下したのちは、倣いローラ２４はスキンプレート４をコイルバネ３６の作用により押付け、以後のスキンプレート４のレベルの変化はコイルバネ３６の伸縮により吸収される。すなわちスキンプレート４のレベルに応じてガイドロッド３４が上プレート３３をスライドしつつ昇降する。

ピストンロッド３２が下限に達すると、コントローラはエアシリンダー３７の切換弁を切換え、これによりピストンロッド３８が突出してスキンプレート上の倣いローラ２４を図５の左方に移動させる。そして倣いローラ２４の大径部２４ａがスキンプレート側端面に当たり、なおもピストンロッド３８が突出すると、ピストンロッド３８の鍔３９がコイルバネ４１を圧縮する。ピストンロッド３８が左限に達したのちは、倣いローラ２４の大径部２４ａがスキンブレード側端面をコイルバネ４１の作用により押付け、以後のスキンプレート４の幅の変化は、コイルバネ４１の伸縮により吸収される。以上のようにして倣いローラ２４がスチールセグメントのエッジに位置決めされ、この位置決めがスチールセグメントの左右のエッジで行われる。

ピストンロッド３８が左限に達したとき、コントローラはサーボモータ１４の起動を再開すると共に、溶接トーチ２６の電源をＯＮにする。これによりアーム１６は隅肉溶接を行うのに最適な速度で旋回を開始し、溶接トーチによる溶接がエッジに沿って開始される。以後、スチールセグメントのエッジへの隅肉溶接がエッジに沿って行われ、溶接時は、倣いローラ２４がスチールセグメントのエッジを転動しながら先導し、エッジの横及び上下方向の変位に応じて変位すると、倣いローラ２４と一体をなす溶接トーチ２６も同様、横及び上下方向に変位し、これによりエッジに沿った隅肉溶接が行われる。

溶接がスチールセグメントのエッジの終端近くまで行われ、センサがスチールセグメントの端部を検出すると、コントローラはエアシリンダー３１及び３７の切換弁に出力してピストンロッド３２及び３８を後退させ、倣いローラ２４を上昇させると共に、側方に後退させる。そして一定時間経過後、溶接トーチの電源をＯＦＦにする。電源がＯＦＦにされるまでの間、倣いローラ２４による先導がない状態でスチールセグメント端までの残りのエッジに対する隅肉溶接が続けられる。

上記実施形態では、倣いローラ２４が溶接トーチ２６の前方に配置されて、溶接を先導するようになっているが、溶接トーチの後方に配置して溶接の後から付いていくようにしてもよい。

スチールセグメントの裏側の斜視図。 スチールセグメントの表側の斜視図。 本発明に係る溶接装置の正面図。 同側面図。 溶接機の側面図。

符号の説明

１・・継手板
２・・主桁
３・・縦リブ
４・・スキンプレート
５・・ボルト孔
１２・・フレーム
１３・・シャフト
１４・・減速機付きサーボモータ
１６・・アーム
１７・・バランスウェイト
１８・・取付部材
１９・・取付板
２１、２９、４５・・ピン
２３・・溶接機
２４・・倣いローラ
２５・・支持装置
２６・・溶接トーチ
２７・・スライドプレート
３０・・スチールセグメント
３１、３７・・エアシリンダー
３２、３８・・ピストンロッド
３３・・上プレート
３４、４９・・ガイドロッド
３５・・下プレート
３６、４１・・コイルバネ
３９・・鍔
４２・・筒体
４３・・ストッパー
４６・・支柱
４７・・クランプ

Claims (5)

1. アーチ状をなして両端が継手板により連結され、継手板と共に枠を構成する一対の主桁と、枠の外周面を覆うスキンプレートよりなり、断面アーチをなして円周の一部を構成するスチールセグメントを円周の曲率中心の回りに旋回させる旋回装置と、該旋回装置によって旋回されるスチールセグメントのエッジが描く円弧軌跡の頂点に配置される溶接トーチを備えた溶接機とからなることを特徴とするスチールセグメントの溶接装置。
2. 上記旋回装置がモータ等を駆動源として回転駆動されるシャフトと、該シャフトに固着されて径方向に突出し、シャフトと共に旋回するアームと、アーム端に固着され、シャフトを曲率中心とする円弧状の取付面を有して該取付面にスチールセグメントが着脱可能に取着される取付部材よりなることを特徴とする請求項１記載のスチールセグメントの溶接装置。
3. 上記旋回装置が円周上に適当間隔で配置されるローラよりなり、該ローラは、そのうちの少なくとも一つが駆動ローラであることを特徴とする請求項１記載のスチールセグメントの溶接装置。
4. 両端が継手板により連結され、継手板と共に枠を構成する一対の主桁と、枠の外周面を覆うスキンプレートよりなり、断面アーム状をなして円周の一部を構成するスチールセグメントの円弧状をなすエッジに対応した間隔で溶接トーチを配置した一対の溶接機よりなり、スチールセグメントと溶接機のうち、いずれか一方又は双方を円周上で互いに逆向きに移動させてエッジの主桁上端面とスキンプレート側端面のエッジを隅肉溶接する溶接装置において、上記各溶接機はそれぞれエッジと直交する方向に昇降かつ横方向に移動可能であり、スキンプレート側端面に沿い、主桁上端面を転動する倣いローラと、該倣いローラをスキンプレート側端面に押付ける第１のバネ手段と、倣いローラを主桁上端面に押付ける第２のバネ手段を有することを特徴とするスチールセグメントの溶接装置。
5. 上記溶接機が一対、溶接トーチ間の間隔がスチームセグメントの円弧状をなすエッジに対応した間隔で配置され、しかも各溶接機は、それぞれエッジと直交する方向に昇降かつ横方向に移動可能であり、スキンプレート側端面に沿い、主桁上端面を転動する倣いローラと、該倣いローラをスキンプレート側端面に押付ける第１のバネ手段と、倣いローラを主桁上端面に押付ける第２のバネ手段を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの請求項に記載のスチールセグメントの溶接装置。

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