軸合わせ機構及び自動管端溶接装置
【課題】 管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる軸合わせ機構を提供する。
【解決手段】 軸合わせ機構１４は、複数の管２と管板１とを管端溶接する溶接装置に用いられる。また、軸合わせ機構１４は、溶接対象の管２の内部に挿入されかつ先端部の径が変化自在な軸合わせ用芯金治具７０と、軸合わせ用芯金治具７０を、溶接対象の管２の軸方向に移動させる第１駆動系（３１、３７、７１）と、第１駆動系とは別に設けられ、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させる第２駆動系（７５、７７）とを備える。
【解決手段】 軸合わせ機構１４は、複数の管２と管板１とを管端溶接する溶接装置に用いられる。また、軸合わせ機構１４は、溶接対象の管２の内部に挿入されかつ先端部の径が変化自在な軸合わせ用芯金治具７０と、軸合わせ用芯金治具７０を、溶接対象の管２の軸方向に移動させる第１駆動系（３１、３７、７１）と、第１駆動系とは別に設けられ、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させる第２駆動系（７５、７７）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電所や火力発電所等において使用される熱交換器や圧力容器等の製造に用いられる管端溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所や火力発電所あるいは石油・天然ガス精製設備等において使用される熱交換器や圧力容器の製造過程では、流体流通用の多数の管と、管支持用の板（以後、管板と称する）とを接合するための溶接作業が行われる。この溶接作業は、各管の端部外周囲と、管が挿通された管板の各孔の周縁とを周溶接（シール溶接）するものであり、管端溶接と呼ばれている。なお、石油・天然ガス精製設備で使用される圧力容器は非常に大型であり、１基当たり数万本の管の溶接が必要である。
【０００３】
管端溶接では、溶接トーチの周方向の移動が自動化された装置を用いるのが一般的である（特許文献１、２参照）。この溶接装置は、モータ駆動される回転部材に溶接トーチが取り付けられた自動溶接部を備え、この自動溶接部が把持しやすい形態となっている。また、自動溶接部における溶接トーチの前方には、シャフト状の治具が突出して配設されており、この治具を溶接対象の管の内部に挿入することで、管の軸と溶接トーチの移動中心軸（回転軸）とが位置決め（軸合わせ、芯出し）されるようになっている。こうした溶接装置は、自動溶接部が約１０ｋｇと重く、自動溶接部を吊り下げ保持するために、ガイドレール機構、スプリングバランサーなどの付帯設備を併用している場合が多い。
【０００４】
上記溶接装置の使用に際して、複数の管間における自動溶接部の移動、並びに各管に対する自動溶接部の位置決めは、従来、作業者の手持ち作業によって行われている。すなわち、１つの管に対する溶接が終了すると、作業者が自動溶接部を手で持ってそれを次の管まで移動させている。さらに、作業者が自動溶接部を手で持ち、軸合わせ用芯金治具を管内に挿入している。
【０００５】
なお、上記軸合わせ用芯金治具は、径方向の大きさが変化する構造からなり、作業者は、レバー等を介して軸合わせ用芯金治具の大きさを適宜変化させる。具体的には、作業者は、上記軸合わせ用芯金治具を管内に挿入するときはその径を小さくし、管内に挿入した後にその径を大きくする。軸合わせ用芯金治具の径が管内で拡大することにより、イ）管が拡管され溶接部の管穴内壁と管の外面が密着される、ロ）溶接対象の管に対して自動溶接部が固定される、ハ）管の軸と溶接トーチの移動中心軸とが位置決め（軸合わせ、芯出し）される。
【特許文献１】特開２００１−１５０１３２号公報
【特許文献２】特開２００３−８８９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動溶接部の移動や位置決めを作業者の手持ちによって行う方法は、溶接対象の管の数が非常に多いことなどから、作業者の肉体的負担が大きい。特に、軸合わせ用芯金治具の挿入の際に際しては、その治具の挿入作業に加えて、その治具の径を変化させる作業が必要であり、労力を要する。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる軸合わせ機構を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、管端溶接作業の自動化を図ることが可能な自動管端溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の軸合わせ機構は、複数の管と管板とを管端溶接する溶接装置に用いられる軸合わせ機構であって、溶接対象の管の内部に挿入されかつ先端部の径が変化自在な軸合わせ用芯金治具と、前記軸合わせ用芯金治具を、溶接対象の管の軸方向に移動させる第１駆動系と、前記第１駆動系とは別に設けられ、前記軸合わせ用芯金治具の先端部の径を変化させる第２駆動系と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この軸合わせ機構では、第１駆動系により軸合わせ用芯金治具が溶接対象の管の内部に挿入され、第２駆動系により軸合わせ用芯金治具の先端部の径が拡大され、これにより、軸合わせ用芯金治具と管の中心軸とが位置決め（軸合わせ、芯出し）される。その後、第２駆動系により先端部の径が縮小され、第１駆動系により軸合わせ用芯金治具が軸方向に移動されることにより、軸合わせ用芯金治具が溶接対象の管から取り出される。この軸合わせ機構では、第１駆動系とは別に、第２駆動系が設けられていることから、軸合わせ用芯金治具の軸方向の位置を位置決めした状態のまま、軸合わせ用芯金治具の先端部の拡大や縮小を行うことができ、管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる。
【００１０】
上記の軸合わせ機構において、前記軸合わせ用芯金治具は、筒状部材と、該筒状部材の内部でその軸方向に移動可能に支持される移動シャフトと、前記軸方向への前記移動シャフトの移動に応じて径方向に移動するスリーブとを含み、前記第２駆動系は、前記筒状部材に対して前記移動シャフトを軸方向に相対移動させるシリンダを含むとよい。
この場合、シリンダにより筒状部材に対して移動シャフトが軸方向に相対移動し、この移動に応じてスリーブが径方向に移動し、これにより、軸合わせ用芯金治具の先端部の径が拡大または縮小する。
【００１１】
また、上記の軸合わせ機構において、前記溶接装置は、前記軸合わせ用芯金治具の軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部を含み、前記第１駆動系は、前記軸合わせ用芯金治具とともに前記自動溶接部を、溶接対象の管の軸方向に移動させるとよい。
この場合、前記第１駆動系は、前記管板と前記自動溶接部との距離を定めるために、前記管板に当接される位置決め部を含むとよい。
位置決め部によって管板と自動溶接部との距離が管端と管板との距離によらず定まることにより、自動溶接部による溶接が良好に行われ、溶接品質の向上が図られる。
【００１２】
また、前記第２駆動系は、前記シリンダの作動部材が当接され、かつ該作動部材の動きを前記移動シャフトに伝達する伝達部材を含み、前記伝達部材は、円環状に形成されているとよい。
これにより、自動溶接部の周方向の位置が変化した場合にも、作動部材の動きが確実に伝達部材を介して移動シャフトに伝達される。
【００１３】
本発明の自動管端溶接装置は、複数の管と管板とを管端溶接するための装置であって、所定の回転軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部と、前記複数の管の配列方向に沿って前記自動溶接部を移動させる溶接部移動機構と、前記溶接部移動機構を前記管板に取り付けるためのベースプレートと、溶接対象の管と前記自動溶接部の回転軸とを軸合わせするために、上記の軸合わせ機構と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この自動管端溶接装置では、溶接部移動機構により、自動溶接部の移動が自動化され、軸合わせ機構により、軸合わせの自動化が図られる。また、溶接部移動機構がベースプレートを介して溶接対象本体である管板上に取り付けられることから、多関節ロボットや門型の架構を併設する技術に比べて、設備が縮小される。すなわち、この自動管端溶接装置では、コストの増大を抑制しつつ、装置の管板に対する位置決め精度の確保を容易にし、管端溶接作業の自動化を図ることができる。また、軸合わせにより、自動溶接部による溶接品質の向上が図られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の軸合わせ機構は、管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる。
本発明の自動管端溶接装置によれば、（１）軸合わせ用芯金治具の挿入・退避動作、（２）拡管動作、を自動化することにより、管端溶接作業の自動化を容易に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態例に係る自動管端溶接装置の要部正面図、図２は、自動管端溶接装置の要部側面図である。
なお、以下の説明においては、図１に示したＸＹＺ直交座標系を設定している。本例では、ＸＹ平面が鉛直方向に平行な面にされている。また、符号１は管板、符号２は管板に挿通された流体流通用の管２（円管）、符号１０は本例に係る自動管端溶接装置を示している。本例では、管板１の壁面は、鉛直方向に略平行であり、管板１の壁面の広い領域にわたって多数の管２が所定の配列ピッチで配設されている。
【００１７】
管板１には、図２に示すように、複数の管穴１ａ（貫通孔）が形成されており、各管穴１ａに管２が挿通されている。自動管端溶接装置１０は、管２の端部外周に沿って溶接トーチを周方向に移動させることで、各管２の端部外周囲と、管板１の各管穴１ａの周縁とを周溶接（シール溶接）するものである。
【００１８】
本例の自動管端溶接装置１０は、自動溶接部１１、溶接部移動機構１２、ベースプレート１３、軸合わせ機構１４（芯金前後駆動機構、拡管機構）、フローティング機構１５、及び不図示の全体制御装置（制御盤）等を含んで要部が構成されている。なお、自動溶接部１１には、不図示の溶接制御装置（溶接機）が接続されている。また、全体制御装置には、操作盤が接続されており、この操作盤を介して条件や動作パラメータ等の各種情報の入力が行われる。
【００１９】
自動溶接部１１は、図２に示すように、溶接トーチ３０（溶接ヘッド）と、溶接トーチ３０が取り付けられるブラケット３１と、回転軸３２を中心にブラケット３１を回転させるモータ３３とを含んで構成されている。モータ３３が駆動され、ブラケット３１が回転すると、回転軸３２を中心として溶接トーチ３０が周方向に移動する。溶接時においては、溶接トーチ３０の先端（溶接トーチ先端）が管２の端部外周に沿って周方向に移動することにより、管２の端部外周囲と管板１の管穴１ａの周縁とが連続溶接（シール溶接）される。
【００２０】
溶接部移動機構１２は、図１に示すように、溶接対象である複数の管２のそれぞれに対して、自動溶接部１１を位置決めするものであり、Ｘ軸ガイド部４０と、Ｘ軸モータ４１と、Ｙ軸ガイド部４２と、Ｙ軸モータ４３とを含んで構成されている。Ｘ軸モータ４１及びＹ軸モータ４３はともにＡＣサーボモータである。本例において、溶接部移動機構１２は、自動溶接部１１を移動させる範囲（稼動範囲、ストローク）が、複数の管２が配列された全体領域のうちの一部の領域（図２に示す領域３）に対応している。なお、図１では、主に領域３の内側にのみ複数の管２を描いているが、実際には、図１に示す領域３の外側の領域にも多数の管２が配置されている。
【００２１】
ベースプレート１３は、溶接部移動機構１２を管板１に取り付けるためのものである。本例では、図１に示すように、管板１上にベースプレート１３が固定され、ベースプレート１３上に溶接部移動機構１２におけるＸ軸ガイド部４０が固定され、Ｘ軸ガイド部４０のスライド部分にＹ軸ガイド部４２が固定されている。また、本例では、ベースプレート１３は、３つの固定治具５０、５１、５２を介して管板１に固定されている。
【００２２】
図３は、軸合わせ機構１４を説明するための図である。
軸合わせ機構１４は、溶接対象の管２の中心軸２ａと自動溶接部１１の回転軸３２とを軸合わせするためのものであり、自動溶接部１１における溶接トーチ３０の前方に突出して配設される軸合わせ用芯金治具７０（芯金）と、溶接対象の管２に対して軸合わせ用芯金治具７０を挿脱移動させる駆動部としてのシリンダ７１と、軸合わせに伴う自動溶接部１１の移動を案内するスライドガイド部７２と、軸合わせ用芯金治具７０の挿脱状態を確認するための検知部７３とを含んで構成されている。なお、シリンダ７１は、軸合わせ用芯金治具７０とともに自動溶接部１１を軸方向に移動させる。また、本例では、検知部７３は、シリンダ７１のピストン位置を検知する近接スイッチである。
【００２３】
図４は、軸合わせ用芯金治具７０の構造を示す断面図である。
軸合わせ用芯金治具７０は、先端部の径方向の大きさが変化する構造からなる。すなわち、軸合わせ用芯金治具７０は、筒状部材８０と、筒状部材８０の内部でその軸方向に移動可能に支持される移動シャフトとしての引込み軸８１と、筒状部材８０に対して引込み軸８１を尾端方向（引込み方向、図４に示す矢視ａ方向）に付勢するコイルばね８２と、引込み軸８１の先端外周で軸方向に互いに離間して配されるコーン８５、８６と、コーン８５と８６との間に配設される分割スリーブ８７とを含んで構成されている。
【００２４】
上記構成の軸合わせ用芯金治具７０において、引込み軸８１に対して外力を与えない状態では、引込み軸８１がコイルばね８２の付勢力によって筒状部材８０に対して尾端方向（ａ方向）に移動する。そして、コーン８５と８６との距離が狭まり、コーン８５、８６の斜面に押されて分割スリーブ８７が径方向外側に突出する。その結果、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に拡大する。一方、コイルばね８２に抗して、引込み軸８１に対して外力を与え、引込み軸８１を筒状部材８０に対してｂ方向に移動させると、コイル８５と８６との距離が広がって分割スリーブ８７が重力またはスプリング８８の力によって径方向内側へ移動する。その結果、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に縮小する。
【００２５】
図５は、軸合わせ機構１４における、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させる構成を説明するための模式図である。
まず、自動溶接部１１について説明する。前述したように、自動溶接部１１では、モータ３３が駆動され、ブラケット３１が回転すると、回転軸３２を中心として溶接トーチ３０が周方向に移動する。モータ３３の回転シャフト３４の同軸上かつ先端に、上記軸合わせ用芯金治具７０が配設されており、回転シャフト３４と軸合わせ用芯金治具７０とはベアリングを介して相対的に回転自在な関係にある。モータ３３の取り付けベース３５には、軸合わせ用芯金治具７０を支持するための支持アーム３６が取り付けられており、この支持アーム３６には、管板１と自動溶接部１１（溶接トーチ３０）との距離を定めるために、管板１に当接される位置決めピン３７が取り付けられている。前述したように、自動溶接部１１（溶接トーチ３０、ブラケット３１、モータ３３等）及び軸合わせ用芯金治具７０はともに、シリンダ７１によって軸方向（Ｚ方向）に移動される。なお、本発明における第１駆動系は、シリンダ７１、ブラケット３１、位置決めピン３７等を含んで構成される。
【００２６】
軸合わせ機構１４は、上記シリンダ７１とは別に、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させるための複数のシリンダ７５（本例では２つ）を有している。シリンダ７５は、モータ３３の取り付けベース３５に固定されており、流体制御により、作動部材７６（ピストンシャフト）が往復動する構成からなる。モータ３３の回転シャフト３４には、伝達リング７７（拡管リング）が配されており、シリンダ７５の作動部材７６の動きは、この伝達リング７７を介して軸合わせ用芯金治具７０の引込み軸８１に伝達されるようになっている。なお、本発明における第２駆動系は、シリンダ７５、伝達リング７７等を含んで構成される。
【００２７】
図６は、伝達リング７７を説明するための図である。
伝達リング７７は、全体が円環状に形成されるとともに、ベアリング７８等を介して回転シャフト３４に対して摺動自在に配されている。前述したシリンダ７５の作動部材７６は、伝達リング７７の円環部分に当接される。伝達リング７７が円環状に形成されていることにより、回転シャフト３４の回転に伴って伝達リング７７が回転した場合にも、作動部材７６と伝達リング７７との当接が確実になされる。
【００２８】
図５に戻り、軸合わせ機構１４では、、軸合わせ用芯金治具７０の先端部を縮小させるとき（縮小状態）、シリンダ７５の作動部材７６を突出させる。すなわち、シリンダ７５の作動部材７６が突出することにより、伝達リング７７を介して軸合わせ用芯金治具７０の引込み軸８１がｂ方向に移動する。そして、引込み軸８１のｂ方向の移動により、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に縮小する。
【００２９】
一方、軸合わせ機構１４では、軸合わせ用芯金治具７０の先端部を拡大させるとき（拡大状態）、シリンダ７５の作動部材７６を引込ませる。すなわち、シリンダ７５の作動部材７６が引込むことにより、軸合わせ用芯金治具７０の引込み軸８１に対してｂ方向の外力が加わらなくなり、コイルばね８２（図４参照）の付勢力によって引込み軸８１がａ方向に移動する。そして、引込み軸８１のａ方向の移動により、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に拡大する。
【００３０】
ここで、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させる際、シリンダ７１は、自動溶接部１１及び軸合わせ機構１４を管板１に押し付けた状態にある。すなわち、軸合わせ用芯金治具７０の軸方向（Ｙ方向）の位置を位置決めした状態のまま、シリンダ７５を介して、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の拡大や縮小が行われる。このように、本例の軸合わせ機構１４では、軸合わせ用芯金治具７０の軸方向への移動用のシリンダ７１とは別に、先端部拡大・縮小用のシリンダ７５が設けられていることにより、溶接対象の管２の中心軸２ａと自動溶接部１１の回転軸３２との軸合わせの自動化が実現されている。
【００３１】
また、自動溶接部１１による溶接を行う際にも、シリンダ７１は、自動溶接部１１及び軸合わせ機構１４を管板１に押し付けた状態にある。このとき、管板１と自動溶接部１１（溶接トーチ３０）との距離は、位置決めピン３７によって定められた一定の距離に維持される。位置決めピン３７によって管板１と自動溶接部１１（溶接トーチ３０）との距離が一定に維持されることにより、自動溶接部１１による溶接が良好に行われ、溶接品質の向上が図られる。
【００３２】
図７は、フローティング機構１５を説明するための図である。
フローティング機構１５は、自動溶接部１１の位置または姿勢のずれを吸収するものであり、Ｙ軸ガイド部４２のスライド部分に取り付けられたベース９０上で自動溶接部１１をＹ方向に移動自在に案内するＹ軸サブガイド部９１と、Ｙ軸サブガイド部９１のスライド部分に取り付けられたベース９２上で自動溶接部１１をＸ方向に移動自在に案内するＸ軸サブガイド部９３とを含んで構成されている。Ｙ軸サブガイド部９１を介した自動溶接部１１のＹ方向の基準位置がモータ９４によって規定され、Ｘ軸サブガイド部９３を介した自動溶接部１１のＸ方向の基準位置が不図示のエアシリンダによって規定されている。自動溶接部１１は、通常（無負荷状態）は、上記各基準位置にある。位置や姿勢のずれを生じさせるような無理な力が自動溶接部１１にかかると、各サブガイド部９１、９３に案内されて不図示のエアシリンダによって供給される圧力により均衡を保つため自動溶接部１１が微動あるいは姿勢（配設角度）がわずかに変化する。これにより、動作不良が抑制される。例えば、先の図３で示した管２の内部に軸合わせ用芯金治具７０を挿入する場合において、挿入当初は軸芯が一致していなくても、フローティング機構１５を介して自動溶接部１１の位置及び姿勢が調整されることで、上記挿入が滑らかに行われる。つまり、軸合わせ動作の自動化に際して、動作安定性の向上が図られる。
【００３３】
次に、上記構成の自動管端溶接装置１０を用いた管端溶接方法について説明する。
本例の自動管端溶接装置１０では、管端溶接を開始するにあたって、まず、上述した管板１に対するベースプレート１３の固定を行う。この固定作業はオペレータ（作業者）によって行われ、必要に応じて運搬装置が用いられる。なお、ベースプレート１３には、すでに溶接部移動機構１２が取り付けられているものとする。ベースプレート１３が管板１に固定されると、所定の条件設定がなされた後、全体制御装置１６の指示に基づく自動運転を開始する。
【００３４】
図８は、自動運転の手順を説明するためのフローチャートである。
全体制御装置１６は、まず、原点復帰を実行し（ステップ１００）、それが終了すると自動シーケンスを開始する（ステップ１０１）。そして、溶接部移動機構１２を介して自動溶接部１１を複数の管２の配列方向であるＸＹ方向に移動させ、溶接対象の最初の管２に対応する溶接位置（溶接開始位置）に位置決めする（ステップ１０２、１０３）。
【００３５】
続いて、全体制御装置１６は、溶接対象の管２に対して、フローティング機構１５におけるＹ方向（上下方向）の基準位置を規定する（ステップ１０４、１０５、１０６）。この位置規定は、溶接対象の管２の中心に自動溶接部１１の回転軸３２が位置するように、モータ９４により自動溶接部１１をＹ方向に微動させることにより行われる。
【００３６】
次に、全体制御装置１６は、自動溶接部１１の軸合わせを行う（ステップ１０７、１０８、１０９）。すなわち、全体制御装置１６は、自動溶接部１１（溶接トーチ３０）とともに、先端部の径を小さくした軸合わせ用芯金治具７０（図３、図４参照）を管２の内部に挿入する（ステップ１０７）。このとき、軸合わせ用芯金治具７０の挿入の完了は、検知部７３を介して確認される（ステップ１０８）。仮に、挿入完了が確認されない場合、全体制御装置１６は、軸合わせ用芯金治具７０の挿入動作をリトライしたりあるいはアラームを報知したりする。そして、挿入完了が確認されると、全体制御装置１６は、軸合わせ用芯金治具７０の先端の径を大きくする（ステップ１０９）。軸合わせ用芯金治具７０の径が管２の内部で拡大することにより、その管２に対して自動溶接部１１が位置決めされるとともに、管２が拡管され、溶接部の管穴１ａ内壁と管２の外面が密着され、管２の軸２ａと自動溶接部１１の回転軸３２（溶接トーチ３０の移動中心軸）とが軸合わせされる。
【００３７】
次に、全体制御装置１６は、自動溶接部１１によって管端溶接を行う（ステップ１１０）。すなわち、全体制御装置１６は、溶接制御装置２０を制御して溶接トーチ３０を溶接可能な状態にならしめた上で、モータ３３の駆動によってブラケット３１を回転させて溶接トーチ３０を周方向に移動させる。溶接トーチ３０が管２の端部外周に沿って周方向に移動することにより、管２の端部外周囲と管板１の管穴１ａの周縁とが連続溶接（シール溶接）される。
【００３８】
１つの管２に対する管端溶接が終了すると、全体制御装置１６は、管２から軸合わせ用芯金治具７０（図３、図４参照）を離脱させる（ステップ１１１、１１２、１１３）。すなわち、全体制御装置１６は、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を小さくした後（ステップ１１１）、自動溶接部１１（溶接トーチ３０）とともに、軸合わせ用芯金治具７０を管２の内部から取り出す（ステップ１１２）。このとき、軸合わせ用芯金治具７０の離脱の完了は、検知部７３を介して確認される（ステップ１１３）。
【００３９】
続いて、全体制御装置１６は、溶接後の管２に対して、自動溶接部１１のＹ方向（上下方向）の位置調整を行う（ステップ１１４、１１５）。この位置調整は、次の溶接対象の管２までの移動に備えて基準位置を調整するものであり、モータ９４により自動溶接部１１をＹ方向に微動させた後（ステップ１１４）、フローティング機構１５におけるＹ方向及びＸ方向の位置をロックする（ステップ１１５）。
【００４０】
次に、全体制御装置１６は、次の溶接対象の管２の溶接位置に自動溶接部１１を移動させる（ステップ１１６）。そして、上記一連の動作の繰り返しにより、溶接部移動機構１２における稼動範囲内（領域３）におけるすべての管２に対して管端溶接を順次行う。
【００４１】
なお、稼動範囲内（領域３）のすべての管２に対する管端溶接が終了すると、管板１における次の領域に対して溶接部移動機構１２の取り付け位置の変更を行う。すなわち、溶接部移動機構１２が取り付けられているベースプレート１３を管板１から取り外し、次の位置に取り付ける。この段取り替え作業は、オペレータ（作業者）によって行われ、必要に応じて運搬装置が用いられる。その後、再び自動運転を開始し、次の領域の複数の管２のそれぞれに対して管端溶接を行う。
【００４２】
以上説明したように、本例の自動管端溶接装置１０を用いた管端溶接では、複数の管２間における自動溶接部１１の移動並びに各管２に対する自動溶接部１１の位置決め（軸合わせ）の自動化を実現している。特に、本例では、自動溶接部１１の稼動範囲を限定し、その限定された範囲（領域３）ごとに管端溶接の自動運転を行うことから、自動化実現のための設備の大型化が抑制される。その結果、本例の自動管端溶接装置１０では、管端溶接作業の自動化により作業労力や作業時間の低減を図りつつ、自動化に伴うコストの増大を抑制すると共に、管板１に対する自動溶接部１１の位置決め精度を確保することができる。
【００４３】
なお、上記例では、自動溶接部１１のＸＹ方向の移動をＡＣサーボモータ（Ｘ軸モータ４１、Ｙ軸モータ４３）を用いて行っているが、他のアクチュエータ、例えばシリンダにより行ってもよい。
【００４４】
また、１つの全体制御装置１６によって複数の自動溶接部１１を制御するようにしてもよい。すなわち、管板１に複数の自動溶接部１１を移動自在に取り付け、それらを１つの全体制御装置１６によって制御する。この場合、操作盤で複数の自動溶接部１１を操作するようにするとよい。これにより、構成の簡素化、作業時間の短縮化、及び作業者の省人化が図られる。
【００４５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施の形態例に係る自動管端溶接装置の要部正面図である。
【図２】自動管端溶接装置の要部側面図である。
【図３】軸合わせ機構を説明するための図である。
【図４】軸合わせ用芯金治具の構造を示す断面図である。
【図５】軸合わせ機構における、軸合わせ用芯金治具の先端部の径を変化させる構成を説明するための模式図である。
【図６】伝達リング（伝達部材）を説明するための図である。
【図７】フローティング機構を説明するための図である。
【図８】自動運転の手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１…管板、２…管、１ａ…管穴、１０…自動管端溶接装置、１１…自動溶接部、１２…溶接部移動機構、１３…ベースプレート、１４…軸合わせ機構、１５…フローティング機構、３０…溶接トーチ、３１…ブラケット（第１駆動系）、３２…回転軸、３３…モータ、３７…位置決めピン（第１駆動系）、４０…Ｘ軸ガイド部、４１…Ｘ軸モータ、４２…Ｙ軸ガイド部、４３…Ｙ軸モータ、５０、５１、５２…固定治具、７０…軸合わせ用芯金治具、７１…シリンダ（第１駆動系）、７２…スライドガイド部、７３…検知部、７５…シリンダ（第２駆動系）、７６…作動部材、７７…伝達リング（伝達部材、第２駆動系）、９１…Ｙ軸サブガイド部、９３…Ｘ軸サブガイド部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電所や火力発電所等において使用される熱交換器や圧力容器等の製造に用いられる管端溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所や火力発電所あるいは石油・天然ガス精製設備等において使用される熱交換器や圧力容器の製造過程では、流体流通用の多数の管と、管支持用の板（以後、管板と称する）とを接合するための溶接作業が行われる。この溶接作業は、各管の端部外周囲と、管が挿通された管板の各孔の周縁とを周溶接（シール溶接）するものであり、管端溶接と呼ばれている。なお、石油・天然ガス精製設備で使用される圧力容器は非常に大型であり、１基当たり数万本の管の溶接が必要である。
【０００３】
管端溶接では、溶接トーチの周方向の移動が自動化された装置を用いるのが一般的である（特許文献１、２参照）。この溶接装置は、モータ駆動される回転部材に溶接トーチが取り付けられた自動溶接部を備え、この自動溶接部が把持しやすい形態となっている。また、自動溶接部における溶接トーチの前方には、シャフト状の治具が突出して配設されており、この治具を溶接対象の管の内部に挿入することで、管の軸と溶接トーチの移動中心軸（回転軸）とが位置決め（軸合わせ、芯出し）されるようになっている。こうした溶接装置は、自動溶接部が約１０ｋｇと重く、自動溶接部を吊り下げ保持するために、ガイドレール機構、スプリングバランサーなどの付帯設備を併用している場合が多い。
【０００４】
上記溶接装置の使用に際して、複数の管間における自動溶接部の移動、並びに各管に対する自動溶接部の位置決めは、従来、作業者の手持ち作業によって行われている。すなわち、１つの管に対する溶接が終了すると、作業者が自動溶接部を手で持ってそれを次の管まで移動させている。さらに、作業者が自動溶接部を手で持ち、軸合わせ用芯金治具を管内に挿入している。
【０００５】
なお、上記軸合わせ用芯金治具は、径方向の大きさが変化する構造からなり、作業者は、レバー等を介して軸合わせ用芯金治具の大きさを適宜変化させる。具体的には、作業者は、上記軸合わせ用芯金治具を管内に挿入するときはその径を小さくし、管内に挿入した後にその径を大きくする。軸合わせ用芯金治具の径が管内で拡大することにより、イ）管が拡管され溶接部の管穴内壁と管の外面が密着される、ロ）溶接対象の管に対して自動溶接部が固定される、ハ）管の軸と溶接トーチの移動中心軸とが位置決め（軸合わせ、芯出し）される。
【特許文献１】特開２００１−１５０１３２号公報
【特許文献２】特開２００３−８８９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動溶接部の移動や位置決めを作業者の手持ちによって行う方法は、溶接対象の管の数が非常に多いことなどから、作業者の肉体的負担が大きい。特に、軸合わせ用芯金治具の挿入の際に際しては、その治具の挿入作業に加えて、その治具の径を変化させる作業が必要であり、労力を要する。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる軸合わせ機構を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、管端溶接作業の自動化を図ることが可能な自動管端溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の軸合わせ機構は、複数の管と管板とを管端溶接する溶接装置に用いられる軸合わせ機構であって、溶接対象の管の内部に挿入されかつ先端部の径が変化自在な軸合わせ用芯金治具と、前記軸合わせ用芯金治具を、溶接対象の管の軸方向に移動させる第１駆動系と、前記第１駆動系とは別に設けられ、前記軸合わせ用芯金治具の先端部の径を変化させる第２駆動系と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この軸合わせ機構では、第１駆動系により軸合わせ用芯金治具が溶接対象の管の内部に挿入され、第２駆動系により軸合わせ用芯金治具の先端部の径が拡大され、これにより、軸合わせ用芯金治具と管の中心軸とが位置決め（軸合わせ、芯出し）される。その後、第２駆動系により先端部の径が縮小され、第１駆動系により軸合わせ用芯金治具が軸方向に移動されることにより、軸合わせ用芯金治具が溶接対象の管から取り出される。この軸合わせ機構では、第１駆動系とは別に、第２駆動系が設けられていることから、軸合わせ用芯金治具の軸方向の位置を位置決めした状態のまま、軸合わせ用芯金治具の先端部の拡大や縮小を行うことができ、管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる。
【００１０】
上記の軸合わせ機構において、前記軸合わせ用芯金治具は、筒状部材と、該筒状部材の内部でその軸方向に移動可能に支持される移動シャフトと、前記軸方向への前記移動シャフトの移動に応じて径方向に移動するスリーブとを含み、前記第２駆動系は、前記筒状部材に対して前記移動シャフトを軸方向に相対移動させるシリンダを含むとよい。
この場合、シリンダにより筒状部材に対して移動シャフトが軸方向に相対移動し、この移動に応じてスリーブが径方向に移動し、これにより、軸合わせ用芯金治具の先端部の径が拡大または縮小する。
【００１１】
また、上記の軸合わせ機構において、前記溶接装置は、前記軸合わせ用芯金治具の軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部を含み、前記第１駆動系は、前記軸合わせ用芯金治具とともに前記自動溶接部を、溶接対象の管の軸方向に移動させるとよい。
この場合、前記第１駆動系は、前記管板と前記自動溶接部との距離を定めるために、前記管板に当接される位置決め部を含むとよい。
位置決め部によって管板と自動溶接部との距離が管端と管板との距離によらず定まることにより、自動溶接部による溶接が良好に行われ、溶接品質の向上が図られる。
【００１２】
また、前記第２駆動系は、前記シリンダの作動部材が当接され、かつ該作動部材の動きを前記移動シャフトに伝達する伝達部材を含み、前記伝達部材は、円環状に形成されているとよい。
これにより、自動溶接部の周方向の位置が変化した場合にも、作動部材の動きが確実に伝達部材を介して移動シャフトに伝達される。
【００１３】
本発明の自動管端溶接装置は、複数の管と管板とを管端溶接するための装置であって、所定の回転軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部と、前記複数の管の配列方向に沿って前記自動溶接部を移動させる溶接部移動機構と、前記溶接部移動機構を前記管板に取り付けるためのベースプレートと、溶接対象の管と前記自動溶接部の回転軸とを軸合わせするために、上記の軸合わせ機構と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
この自動管端溶接装置では、溶接部移動機構により、自動溶接部の移動が自動化され、軸合わせ機構により、軸合わせの自動化が図られる。また、溶接部移動機構がベースプレートを介して溶接対象本体である管板上に取り付けられることから、多関節ロボットや門型の架構を併設する技術に比べて、設備が縮小される。すなわち、この自動管端溶接装置では、コストの増大を抑制しつつ、装置の管板に対する位置決め精度の確保を容易にし、管端溶接作業の自動化を図ることができる。また、軸合わせにより、自動溶接部による溶接品質の向上が図られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の軸合わせ機構は、管端溶接作業の自動化に好ましく用いられる。
本発明の自動管端溶接装置によれば、（１）軸合わせ用芯金治具の挿入・退避動作、（２）拡管動作、を自動化することにより、管端溶接作業の自動化を容易に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態例に係る自動管端溶接装置の要部正面図、図２は、自動管端溶接装置の要部側面図である。
なお、以下の説明においては、図１に示したＸＹＺ直交座標系を設定している。本例では、ＸＹ平面が鉛直方向に平行な面にされている。また、符号１は管板、符号２は管板に挿通された流体流通用の管２（円管）、符号１０は本例に係る自動管端溶接装置を示している。本例では、管板１の壁面は、鉛直方向に略平行であり、管板１の壁面の広い領域にわたって多数の管２が所定の配列ピッチで配設されている。
【００１７】
管板１には、図２に示すように、複数の管穴１ａ（貫通孔）が形成されており、各管穴１ａに管２が挿通されている。自動管端溶接装置１０は、管２の端部外周に沿って溶接トーチを周方向に移動させることで、各管２の端部外周囲と、管板１の各管穴１ａの周縁とを周溶接（シール溶接）するものである。
【００１８】
本例の自動管端溶接装置１０は、自動溶接部１１、溶接部移動機構１２、ベースプレート１３、軸合わせ機構１４（芯金前後駆動機構、拡管機構）、フローティング機構１５、及び不図示の全体制御装置（制御盤）等を含んで要部が構成されている。なお、自動溶接部１１には、不図示の溶接制御装置（溶接機）が接続されている。また、全体制御装置には、操作盤が接続されており、この操作盤を介して条件や動作パラメータ等の各種情報の入力が行われる。
【００１９】
自動溶接部１１は、図２に示すように、溶接トーチ３０（溶接ヘッド）と、溶接トーチ３０が取り付けられるブラケット３１と、回転軸３２を中心にブラケット３１を回転させるモータ３３とを含んで構成されている。モータ３３が駆動され、ブラケット３１が回転すると、回転軸３２を中心として溶接トーチ３０が周方向に移動する。溶接時においては、溶接トーチ３０の先端（溶接トーチ先端）が管２の端部外周に沿って周方向に移動することにより、管２の端部外周囲と管板１の管穴１ａの周縁とが連続溶接（シール溶接）される。
【００２０】
溶接部移動機構１２は、図１に示すように、溶接対象である複数の管２のそれぞれに対して、自動溶接部１１を位置決めするものであり、Ｘ軸ガイド部４０と、Ｘ軸モータ４１と、Ｙ軸ガイド部４２と、Ｙ軸モータ４３とを含んで構成されている。Ｘ軸モータ４１及びＹ軸モータ４３はともにＡＣサーボモータである。本例において、溶接部移動機構１２は、自動溶接部１１を移動させる範囲（稼動範囲、ストローク）が、複数の管２が配列された全体領域のうちの一部の領域（図２に示す領域３）に対応している。なお、図１では、主に領域３の内側にのみ複数の管２を描いているが、実際には、図１に示す領域３の外側の領域にも多数の管２が配置されている。
【００２１】
ベースプレート１３は、溶接部移動機構１２を管板１に取り付けるためのものである。本例では、図１に示すように、管板１上にベースプレート１３が固定され、ベースプレート１３上に溶接部移動機構１２におけるＸ軸ガイド部４０が固定され、Ｘ軸ガイド部４０のスライド部分にＹ軸ガイド部４２が固定されている。また、本例では、ベースプレート１３は、３つの固定治具５０、５１、５２を介して管板１に固定されている。
【００２２】
図３は、軸合わせ機構１４を説明するための図である。
軸合わせ機構１４は、溶接対象の管２の中心軸２ａと自動溶接部１１の回転軸３２とを軸合わせするためのものであり、自動溶接部１１における溶接トーチ３０の前方に突出して配設される軸合わせ用芯金治具７０（芯金）と、溶接対象の管２に対して軸合わせ用芯金治具７０を挿脱移動させる駆動部としてのシリンダ７１と、軸合わせに伴う自動溶接部１１の移動を案内するスライドガイド部７２と、軸合わせ用芯金治具７０の挿脱状態を確認するための検知部７３とを含んで構成されている。なお、シリンダ７１は、軸合わせ用芯金治具７０とともに自動溶接部１１を軸方向に移動させる。また、本例では、検知部７３は、シリンダ７１のピストン位置を検知する近接スイッチである。
【００２３】
図４は、軸合わせ用芯金治具７０の構造を示す断面図である。
軸合わせ用芯金治具７０は、先端部の径方向の大きさが変化する構造からなる。すなわち、軸合わせ用芯金治具７０は、筒状部材８０と、筒状部材８０の内部でその軸方向に移動可能に支持される移動シャフトとしての引込み軸８１と、筒状部材８０に対して引込み軸８１を尾端方向（引込み方向、図４に示す矢視ａ方向）に付勢するコイルばね８２と、引込み軸８１の先端外周で軸方向に互いに離間して配されるコーン８５、８６と、コーン８５と８６との間に配設される分割スリーブ８７とを含んで構成されている。
【００２４】
上記構成の軸合わせ用芯金治具７０において、引込み軸８１に対して外力を与えない状態では、引込み軸８１がコイルばね８２の付勢力によって筒状部材８０に対して尾端方向（ａ方向）に移動する。そして、コーン８５と８６との距離が狭まり、コーン８５、８６の斜面に押されて分割スリーブ８７が径方向外側に突出する。その結果、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に拡大する。一方、コイルばね８２に抗して、引込み軸８１に対して外力を与え、引込み軸８１を筒状部材８０に対してｂ方向に移動させると、コイル８５と８６との距離が広がって分割スリーブ８７が重力またはスプリング８８の力によって径方向内側へ移動する。その結果、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に縮小する。
【００２５】
図５は、軸合わせ機構１４における、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させる構成を説明するための模式図である。
まず、自動溶接部１１について説明する。前述したように、自動溶接部１１では、モータ３３が駆動され、ブラケット３１が回転すると、回転軸３２を中心として溶接トーチ３０が周方向に移動する。モータ３３の回転シャフト３４の同軸上かつ先端に、上記軸合わせ用芯金治具７０が配設されており、回転シャフト３４と軸合わせ用芯金治具７０とはベアリングを介して相対的に回転自在な関係にある。モータ３３の取り付けベース３５には、軸合わせ用芯金治具７０を支持するための支持アーム３６が取り付けられており、この支持アーム３６には、管板１と自動溶接部１１（溶接トーチ３０）との距離を定めるために、管板１に当接される位置決めピン３７が取り付けられている。前述したように、自動溶接部１１（溶接トーチ３０、ブラケット３１、モータ３３等）及び軸合わせ用芯金治具７０はともに、シリンダ７１によって軸方向（Ｚ方向）に移動される。なお、本発明における第１駆動系は、シリンダ７１、ブラケット３１、位置決めピン３７等を含んで構成される。
【００２６】
軸合わせ機構１４は、上記シリンダ７１とは別に、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させるための複数のシリンダ７５（本例では２つ）を有している。シリンダ７５は、モータ３３の取り付けベース３５に固定されており、流体制御により、作動部材７６（ピストンシャフト）が往復動する構成からなる。モータ３３の回転シャフト３４には、伝達リング７７（拡管リング）が配されており、シリンダ７５の作動部材７６の動きは、この伝達リング７７を介して軸合わせ用芯金治具７０の引込み軸８１に伝達されるようになっている。なお、本発明における第２駆動系は、シリンダ７５、伝達リング７７等を含んで構成される。
【００２７】
図６は、伝達リング７７を説明するための図である。
伝達リング７７は、全体が円環状に形成されるとともに、ベアリング７８等を介して回転シャフト３４に対して摺動自在に配されている。前述したシリンダ７５の作動部材７６は、伝達リング７７の円環部分に当接される。伝達リング７７が円環状に形成されていることにより、回転シャフト３４の回転に伴って伝達リング７７が回転した場合にも、作動部材７６と伝達リング７７との当接が確実になされる。
【００２８】
図５に戻り、軸合わせ機構１４では、、軸合わせ用芯金治具７０の先端部を縮小させるとき（縮小状態）、シリンダ７５の作動部材７６を突出させる。すなわち、シリンダ７５の作動部材７６が突出することにより、伝達リング７７を介して軸合わせ用芯金治具７０の引込み軸８１がｂ方向に移動する。そして、引込み軸８１のｂ方向の移動により、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に縮小する。
【００２９】
一方、軸合わせ機構１４では、軸合わせ用芯金治具７０の先端部を拡大させるとき（拡大状態）、シリンダ７５の作動部材７６を引込ませる。すなわち、シリンダ７５の作動部材７６が引込むことにより、軸合わせ用芯金治具７０の引込み軸８１に対してｂ方向の外力が加わらなくなり、コイルばね８２（図４参照）の付勢力によって引込み軸８１がａ方向に移動する。そして、引込み軸８１のａ方向の移動により、軸合わせ用芯金治具７０の先端部が径方向に拡大する。
【００３０】
ここで、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を変化させる際、シリンダ７１は、自動溶接部１１及び軸合わせ機構１４を管板１に押し付けた状態にある。すなわち、軸合わせ用芯金治具７０の軸方向（Ｙ方向）の位置を位置決めした状態のまま、シリンダ７５を介して、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の拡大や縮小が行われる。このように、本例の軸合わせ機構１４では、軸合わせ用芯金治具７０の軸方向への移動用のシリンダ７１とは別に、先端部拡大・縮小用のシリンダ７５が設けられていることにより、溶接対象の管２の中心軸２ａと自動溶接部１１の回転軸３２との軸合わせの自動化が実現されている。
【００３１】
また、自動溶接部１１による溶接を行う際にも、シリンダ７１は、自動溶接部１１及び軸合わせ機構１４を管板１に押し付けた状態にある。このとき、管板１と自動溶接部１１（溶接トーチ３０）との距離は、位置決めピン３７によって定められた一定の距離に維持される。位置決めピン３７によって管板１と自動溶接部１１（溶接トーチ３０）との距離が一定に維持されることにより、自動溶接部１１による溶接が良好に行われ、溶接品質の向上が図られる。
【００３２】
図７は、フローティング機構１５を説明するための図である。
フローティング機構１５は、自動溶接部１１の位置または姿勢のずれを吸収するものであり、Ｙ軸ガイド部４２のスライド部分に取り付けられたベース９０上で自動溶接部１１をＹ方向に移動自在に案内するＹ軸サブガイド部９１と、Ｙ軸サブガイド部９１のスライド部分に取り付けられたベース９２上で自動溶接部１１をＸ方向に移動自在に案内するＸ軸サブガイド部９３とを含んで構成されている。Ｙ軸サブガイド部９１を介した自動溶接部１１のＹ方向の基準位置がモータ９４によって規定され、Ｘ軸サブガイド部９３を介した自動溶接部１１のＸ方向の基準位置が不図示のエアシリンダによって規定されている。自動溶接部１１は、通常（無負荷状態）は、上記各基準位置にある。位置や姿勢のずれを生じさせるような無理な力が自動溶接部１１にかかると、各サブガイド部９１、９３に案内されて不図示のエアシリンダによって供給される圧力により均衡を保つため自動溶接部１１が微動あるいは姿勢（配設角度）がわずかに変化する。これにより、動作不良が抑制される。例えば、先の図３で示した管２の内部に軸合わせ用芯金治具７０を挿入する場合において、挿入当初は軸芯が一致していなくても、フローティング機構１５を介して自動溶接部１１の位置及び姿勢が調整されることで、上記挿入が滑らかに行われる。つまり、軸合わせ動作の自動化に際して、動作安定性の向上が図られる。
【００３３】
次に、上記構成の自動管端溶接装置１０を用いた管端溶接方法について説明する。
本例の自動管端溶接装置１０では、管端溶接を開始するにあたって、まず、上述した管板１に対するベースプレート１３の固定を行う。この固定作業はオペレータ（作業者）によって行われ、必要に応じて運搬装置が用いられる。なお、ベースプレート１３には、すでに溶接部移動機構１２が取り付けられているものとする。ベースプレート１３が管板１に固定されると、所定の条件設定がなされた後、全体制御装置１６の指示に基づく自動運転を開始する。
【００３４】
図８は、自動運転の手順を説明するためのフローチャートである。
全体制御装置１６は、まず、原点復帰を実行し（ステップ１００）、それが終了すると自動シーケンスを開始する（ステップ１０１）。そして、溶接部移動機構１２を介して自動溶接部１１を複数の管２の配列方向であるＸＹ方向に移動させ、溶接対象の最初の管２に対応する溶接位置（溶接開始位置）に位置決めする（ステップ１０２、１０３）。
【００３５】
続いて、全体制御装置１６は、溶接対象の管２に対して、フローティング機構１５におけるＹ方向（上下方向）の基準位置を規定する（ステップ１０４、１０５、１０６）。この位置規定は、溶接対象の管２の中心に自動溶接部１１の回転軸３２が位置するように、モータ９４により自動溶接部１１をＹ方向に微動させることにより行われる。
【００３６】
次に、全体制御装置１６は、自動溶接部１１の軸合わせを行う（ステップ１０７、１０８、１０９）。すなわち、全体制御装置１６は、自動溶接部１１（溶接トーチ３０）とともに、先端部の径を小さくした軸合わせ用芯金治具７０（図３、図４参照）を管２の内部に挿入する（ステップ１０７）。このとき、軸合わせ用芯金治具７０の挿入の完了は、検知部７３を介して確認される（ステップ１０８）。仮に、挿入完了が確認されない場合、全体制御装置１６は、軸合わせ用芯金治具７０の挿入動作をリトライしたりあるいはアラームを報知したりする。そして、挿入完了が確認されると、全体制御装置１６は、軸合わせ用芯金治具７０の先端の径を大きくする（ステップ１０９）。軸合わせ用芯金治具７０の径が管２の内部で拡大することにより、その管２に対して自動溶接部１１が位置決めされるとともに、管２が拡管され、溶接部の管穴１ａ内壁と管２の外面が密着され、管２の軸２ａと自動溶接部１１の回転軸３２（溶接トーチ３０の移動中心軸）とが軸合わせされる。
【００３７】
次に、全体制御装置１６は、自動溶接部１１によって管端溶接を行う（ステップ１１０）。すなわち、全体制御装置１６は、溶接制御装置２０を制御して溶接トーチ３０を溶接可能な状態にならしめた上で、モータ３３の駆動によってブラケット３１を回転させて溶接トーチ３０を周方向に移動させる。溶接トーチ３０が管２の端部外周に沿って周方向に移動することにより、管２の端部外周囲と管板１の管穴１ａの周縁とが連続溶接（シール溶接）される。
【００３８】
１つの管２に対する管端溶接が終了すると、全体制御装置１６は、管２から軸合わせ用芯金治具７０（図３、図４参照）を離脱させる（ステップ１１１、１１２、１１３）。すなわち、全体制御装置１６は、軸合わせ用芯金治具７０の先端部の径を小さくした後（ステップ１１１）、自動溶接部１１（溶接トーチ３０）とともに、軸合わせ用芯金治具７０を管２の内部から取り出す（ステップ１１２）。このとき、軸合わせ用芯金治具７０の離脱の完了は、検知部７３を介して確認される（ステップ１１３）。
【００３９】
続いて、全体制御装置１６は、溶接後の管２に対して、自動溶接部１１のＹ方向（上下方向）の位置調整を行う（ステップ１１４、１１５）。この位置調整は、次の溶接対象の管２までの移動に備えて基準位置を調整するものであり、モータ９４により自動溶接部１１をＹ方向に微動させた後（ステップ１１４）、フローティング機構１５におけるＹ方向及びＸ方向の位置をロックする（ステップ１１５）。
【００４０】
次に、全体制御装置１６は、次の溶接対象の管２の溶接位置に自動溶接部１１を移動させる（ステップ１１６）。そして、上記一連の動作の繰り返しにより、溶接部移動機構１２における稼動範囲内（領域３）におけるすべての管２に対して管端溶接を順次行う。
【００４１】
なお、稼動範囲内（領域３）のすべての管２に対する管端溶接が終了すると、管板１における次の領域に対して溶接部移動機構１２の取り付け位置の変更を行う。すなわち、溶接部移動機構１２が取り付けられているベースプレート１３を管板１から取り外し、次の位置に取り付ける。この段取り替え作業は、オペレータ（作業者）によって行われ、必要に応じて運搬装置が用いられる。その後、再び自動運転を開始し、次の領域の複数の管２のそれぞれに対して管端溶接を行う。
【００４２】
以上説明したように、本例の自動管端溶接装置１０を用いた管端溶接では、複数の管２間における自動溶接部１１の移動並びに各管２に対する自動溶接部１１の位置決め（軸合わせ）の自動化を実現している。特に、本例では、自動溶接部１１の稼動範囲を限定し、その限定された範囲（領域３）ごとに管端溶接の自動運転を行うことから、自動化実現のための設備の大型化が抑制される。その結果、本例の自動管端溶接装置１０では、管端溶接作業の自動化により作業労力や作業時間の低減を図りつつ、自動化に伴うコストの増大を抑制すると共に、管板１に対する自動溶接部１１の位置決め精度を確保することができる。
【００４３】
なお、上記例では、自動溶接部１１のＸＹ方向の移動をＡＣサーボモータ（Ｘ軸モータ４１、Ｙ軸モータ４３）を用いて行っているが、他のアクチュエータ、例えばシリンダにより行ってもよい。
【００４４】
また、１つの全体制御装置１６によって複数の自動溶接部１１を制御するようにしてもよい。すなわち、管板１に複数の自動溶接部１１を移動自在に取り付け、それらを１つの全体制御装置１６によって制御する。この場合、操作盤で複数の自動溶接部１１を操作するようにするとよい。これにより、構成の簡素化、作業時間の短縮化、及び作業者の省人化が図られる。
【００４５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施の形態例に係る自動管端溶接装置の要部正面図である。
【図２】自動管端溶接装置の要部側面図である。
【図３】軸合わせ機構を説明するための図である。
【図４】軸合わせ用芯金治具の構造を示す断面図である。
【図５】軸合わせ機構における、軸合わせ用芯金治具の先端部の径を変化させる構成を説明するための模式図である。
【図６】伝達リング（伝達部材）を説明するための図である。
【図７】フローティング機構を説明するための図である。
【図８】自動運転の手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１…管板、２…管、１ａ…管穴、１０…自動管端溶接装置、１１…自動溶接部、１２…溶接部移動機構、１３…ベースプレート、１４…軸合わせ機構、１５…フローティング機構、３０…溶接トーチ、３１…ブラケット（第１駆動系）、３２…回転軸、３３…モータ、３７…位置決めピン（第１駆動系）、４０…Ｘ軸ガイド部、４１…Ｘ軸モータ、４２…Ｙ軸ガイド部、４３…Ｙ軸モータ、５０、５１、５２…固定治具、７０…軸合わせ用芯金治具、７１…シリンダ（第１駆動系）、７２…スライドガイド部、７３…検知部、７５…シリンダ（第２駆動系）、７６…作動部材、７７…伝達リング（伝達部材、第２駆動系）、９１…Ｙ軸サブガイド部、９３…Ｘ軸サブガイド部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の管と管板とを管端溶接する溶接装置に用いられる軸合わせ機構であって、
溶接対象の管の内部に挿入されかつ先端部の径が変化自在な軸合わせ用芯金治具と、
前記軸合わせ用芯金治具を、溶接対象の管の軸方向に移動させる第１駆動系と、
前記第１駆動系とは別に設けられ、前記軸合わせ用芯金治具の先端部の径を変化させる第２駆動系と、を備えることを特徴とする軸合わせ機構。
【請求項２】
前記軸合わせ用芯金治具は、筒状部材と、該筒状部材の内部でその軸方向に移動可能に支持される移動シャフトと、前記軸方向への前記移動シャフトの移動に応じて径方向に移動するスリーブとを含み、
前記第２駆動系は、前記筒状部材に対して前記移動シャフトを軸方向に相対移動させるシリンダを含むことを特徴とする請求項１に記載の軸合わせ機構。
【請求項３】
前記溶接装置は、前記軸合わせ用芯金治具の軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部を含み、
前記第１駆動系は、前記軸合わせ用芯金治具とともに前記自動溶接部を、溶接対象の管の軸方向に移動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸合わせ機構。
【請求項４】
前記第１駆動系は、前記管板と前記自動溶接部との距離を定めるために、前記管板に当接される位置決め部を含むことを特徴とする請求項３に記載の軸合わせ機構。
【請求項５】
前記第２駆動系は、前記シリンダの作動部材が当接されかつ該作動部材の動きを前記移動シャフトに伝達する伝達部材を含み、
前記伝達部材は、円環状に形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の軸合わせ機構。
【請求項６】
複数の管と管板とを管端溶接するための装置であって、
所定の回転軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部と、
前記複数の管の配列方向に沿って前記自動溶接部を移動させる溶接部移動機構と、
前記溶接部移動機構を前記管板に取り付けるためのベースプレートと、
溶接対象の管と前記自動溶接部の回転軸とを軸合わせするために、請求項１から請求項５のいずれかに記載の軸合わせ機構と、を備えることを特徴とする自動管端溶接装置。
【請求項１】
複数の管と管板とを管端溶接する溶接装置に用いられる軸合わせ機構であって、
溶接対象の管の内部に挿入されかつ先端部の径が変化自在な軸合わせ用芯金治具と、
前記軸合わせ用芯金治具を、溶接対象の管の軸方向に移動させる第１駆動系と、
前記第１駆動系とは別に設けられ、前記軸合わせ用芯金治具の先端部の径を変化させる第２駆動系と、を備えることを特徴とする軸合わせ機構。
【請求項２】
前記軸合わせ用芯金治具は、筒状部材と、該筒状部材の内部でその軸方向に移動可能に支持される移動シャフトと、前記軸方向への前記移動シャフトの移動に応じて径方向に移動するスリーブとを含み、
前記第２駆動系は、前記筒状部材に対して前記移動シャフトを軸方向に相対移動させるシリンダを含むことを特徴とする請求項１に記載の軸合わせ機構。
【請求項３】
前記溶接装置は、前記軸合わせ用芯金治具の軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部を含み、
前記第１駆動系は、前記軸合わせ用芯金治具とともに前記自動溶接部を、溶接対象の管の軸方向に移動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸合わせ機構。
【請求項４】
前記第１駆動系は、前記管板と前記自動溶接部との距離を定めるために、前記管板に当接される位置決め部を含むことを特徴とする請求項３に記載の軸合わせ機構。
【請求項５】
前記第２駆動系は、前記シリンダの作動部材が当接されかつ該作動部材の動きを前記移動シャフトに伝達する伝達部材を含み、
前記伝達部材は、円環状に形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の軸合わせ機構。
【請求項６】
複数の管と管板とを管端溶接するための装置であって、
所定の回転軸を中心に周方向に溶接トーチが移動する自動溶接部と、
前記複数の管の配列方向に沿って前記自動溶接部を移動させる溶接部移動機構と、
前記溶接部移動機構を前記管板に取り付けるためのベースプレートと、
溶接対象の管と前記自動溶接部の回転軸とを軸合わせするために、請求項１から請求項５のいずれかに記載の軸合わせ機構と、を備えることを特徴とする自動管端溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−７５８７０（Ｐ２００６−７５８７０Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６２９８５（Ｐ２００４−２６２９８５）
【出願日】平成１６年９月９日（２００４．９．９）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【出願人】（５９１１４６６９７）愛知産業株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月９日（２００４．９．９）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【出願人】（５９１１４６６９７）愛知産業株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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