特開 2024-54600 開先センシング装置及び溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024054600

(43)【公開日】2024-04-17

(54)【発明の名称】開先センシング装置及び溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/095 20060101AFI20240410BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20240410BHJP

   B23K 9/127 20060101ALI20240410BHJP

   B23K 9/028 20060101ALN20240410BHJP

【ＦＩ】

B23K9/095 510E

B23K9/12 331K

B23K9/127 508E

B23K9/028 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022160922

(22)【出願日】2022-10-05

(71)【出願人】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520291168

【氏名又は名称】新東スマートエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100122781

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 寛

(72)【発明者】

【氏名】水谷 亮

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 明裕

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 隼也

(72)【発明者】

【氏名】鍋田 武志

(72)【発明者】

【氏名】田中 将太

(72)【発明者】

【氏名】高倉 直哉

【テーマコード（参考）】

4E081

【Ｆターム（参考）】

4E081BA02

4E081BA27

4E081BB01

4E081EA17

4E081EA54

4E081FA14

(57)【要約】

【課題】溶接ロボットの重量負担を抑えながら開先センサの冷却を行なうことができる開先センシング装置及び溶接装置を提供する。
【解決手段】開先センシング装置２５は、開先Ｗを溶接する溶接ツール２１と一緒に溶接ロボット１３のアーム１３ａの先端に設けられた開先センサ２３と、開先センサ２３を冷却する冷却部３０と、を備え、冷却部３０は、開先センサ２３の筐体３１に接続された送気管２７と、送気管２７を通じて筐体３１の内部空間３３に空気を送り込んで内部空間３３から空気を大気中に漏出させる送気ポンプ２９と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接対象物の開先をセンシングする開先センシング装置であって、
前記開先を溶接するエンドエフェクタと一緒に溶接ロボットのアームの先端に設けられた開先センサと、
前記開先センサを冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部は、
前記開先センサの筐体に接続された送気管と、
前記送気管を通じて前記筐体の内部空間に空気を送り込んで前記内部空間から空気を大気中に漏出させる送気装置と、を有する、開先センシング装置。

【請求項2】

請求項１に記載の開先センシング装置と、
前記溶接ロボットと、
前記エンドエフェクタと、
前記溶接対象物の前記開先に沿って設けられたレールと、
前記溶接ロボットを搭載して前記レール上を走行可能なキャリッジと、を備え、
前記送気装置は前記キャリッジに搭載されている、溶接装置。

【請求項3】

前記溶接ロボットのアームで前記エンドエフェクタを移動させながら前記開先の溶接を行なうときに、前記エンドエフェクタの進行方向の直前の開先の状態を前記開先センサで取得し、当該開先センサで取得された情報に基づき前記エンドエフェクタの位置を制御する制御部を更に備える、請求項２に記載の溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、開先センシング装置及び溶接装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の溶接装置が知られている。この溶接装置は、溶接ロボットと、溶接ロボットのアームの先端に設けられた溶接ツール及び開先センサとを備えている。この溶接装置では、溶接ロボットのアームで溶接ツールを移動させながら開先の溶接を行なうときに、溶接ツールの直前の開先の状態を開先センサで取得し、取得された情報に基づいて溶接ツールの位置が制御される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2022-28522号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような開先センサとしては、例えばレーザセンサが用いられ比較的発熱が大きい電子部品が使用されている場合が多いので、使用中には冷却することが好ましい。しかしながら、安易に開先センサの冷却手段を設けると、冷却手段の重量増加により溶接ロボットの重量負担が増加してしまう。そこで、本発明は、溶接ロボットの重量負担を抑えながら開先センサの冷却を行なうことができる開先センシング装置及び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】

【0005】

本発明は次の通りである。

【0006】

〔１〕溶接対象物の開先をセンシングする開先センシング装置であって、前記開先を溶接するエンドエフェクタと一緒に溶接ロボットのアームの先端に設けられた開先センサと、前記開先センサを冷却する冷却部と、を備え、前記冷却部は、前記開先センサの筐体に接続された送気管と、前記送気管を通じて前記筐体の内部空間に空気を送り込んで前記内部空間から空気を大気中に漏出させる送気装置と、を有する、開先センシング装置。

【0007】

〔２〕〔１〕に記載の開先センシング装置と、前記溶接ロボットと、前記エンドエフェクタと、前記溶接対象物の前記開先に沿って設けられたレールと、前記溶接ロボットを搭載して前記レール上を走行可能なキャリッジと、を備え、前記送気装置は前記キャリッジに搭載されている、溶接装置。

【0008】

〔３〕前記溶接ロボットのアームで前記エンドエフェクタを移動させながら前記開先の溶接を行なうときに、前記エンドエフェクタの進行方向の直前の開先の状態を前記開先センサで取得し、当該開先センサで取得された情報に基づき前記エンドエフェクタの位置を制御する制御部を更に備える、〔２〕に記載の溶接装置。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、溶接ロボットの重量負担を抑えながら開先センサの冷却を行なうことができる開先センシング装置及び溶接装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る溶接装置が柱部品に設置された状態を示す斜視図である。

【図2】溶接ロボットの側面図である。

【図3】実施形態に係る開先センシング装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら本発明の開先センシング装置及び溶接装置の実施形態について説明する。以下の説明においては、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

【0012】

図１に示される溶接装置１は、建物の施工現場において、柱部品３同士の多層盛溶接を行うための現場溶接装置である。柱部品３は例えば角形の鋼管であり、複数の柱部品３が鉛直方向に重ねられ互いに溶接されることで角形の鋼管柱が構築される。溶接される柱部品３，３同士は、互いの材軸を一致させ、柱部品３，３の水平な端部同士が全周に亘って近接し対向するように配置される。この端部同士が対向する箇所に開先Ｗが形成され、開先Ｗは、柱部品３の全周に亘って水平面内に延在している。

【0013】

開先Ｗの近傍において、柱部品３，３の４つの外壁面の各中央部には、それぞれエレクションピース４が予め溶接されている。上の柱部品３に設けられたエレクションピース４と、下の柱部品３に設けられたエレクションピース４とが鉛直方向に並び、開先Ｗを跨いで延びる建方治具５によって互いに接続されている。このようなエレクションピース４，４及び建方治具５を含む仮接続部７により、溶接前の柱部品３，３同士が仮接続されている。

【0014】

溶接装置１は、レール１１と、レール１１上を移動可能な溶接ロボット１３と、溶接ロボット１３を制御する制御部１５と、を備えている。

【0015】

レール１１は、柱部品３，３の材軸を中心とする円環状をなし、柱部品３，３の全周を囲むように設置される。レール１１は、所定の固定具１１ａを介して下側の柱部品３に支持され開先Ｗよりもやや低い位置に配置される。レール１１にはキャリッジ１７がスライド可能に取り付けられており、キャリッジ１７は溶接ロボット１３を搭載するとともにレール１１上を走行する。

【0016】

図２は溶接ロボット１３の側面図である。溶接ロボット１３は６軸垂直多関節ロボットであり、溶接ロボット１３のアーム１３ａは、キャリッジ１７の取付座面１７ａに固定されるベースＬ０（架台）と、ベースＬ０に対して第１軸線Ｊ１周りに旋回可能な第１リンクＬ１と、第１リンクＬ１に対して第２軸線Ｊ２周りに回転可能な第２リンクＬ２と、第２リンクＬ２に対して第３軸線Ｊ３周りに回転可能な第３リンクＬ３と、第３リンクＬ３に対して第４軸線Ｊ４周りに回転可能な第４リンクＬ４と、第４リンクＬ４に対して第５軸線Ｊ５周りに回転可能な第５リンクＬ５と、第５リンクＬ５に対して第６軸線Ｊ６周りに回転可能な最先端リンクＬ６と、を備えている。なお、上記の軸線Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６は図２の紙面に平行な軸線であり、軸線Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５は図２の紙面に直交する軸線である。溶接ロボット１３は、各リンクＬ１～Ｌ６をそれぞれ回転させるモータ等の駆動源（図示せず）を備えており、当該駆動源は制御部１５の制御信号に従って動作する。

【0017】

なお、キャリッジ１７の取付座面１７ａは鉛直面に対して傾斜しており、キャリッジ１７の移動方向に対して平行である。この取付座面１７ａに取付けられた溶接ロボット１３の第１軸線Ｊ１（旋回軸）は、取付座面１７ａに直交し、鉛直方向及び水平面の両方に対して傾斜している。すなわち第１軸線Ｊ１は鉛直軸でもなく水平軸でもない。この構成によれば、アーム１３ａの先端のエンドエフェクタを開先Ｗに沿って水平移動するときに、エンドエフェクタの移動範囲を、溶接ロボット１３の可動域の中で好適な可動範囲に合せることが容易になる。すなわち、例えば溶接ロボット１３がアーム１３ａの可動限界の付近で動作するといった状態を回避し易くなる。

【0018】

溶接ロボット１３のアーム１３ａの先端（最先端リンクＬ６）には、溶接用エンドエフェクタとしての溶接ツール２１が搭載されている。溶接ツール２１としては、例えば、アーク溶接用の溶接トーチ、又はレーザ溶接用のレーザヘッド等が採用され得るが、本実施形態の溶接ツール２１はアーク溶接用の溶接トーチであるものとする。更に溶接ロボット１３のアーム１３ａの先端には、開先Ｗの情報を取得するための開先センサ２３が搭載されている。開先センサ２３は、例えば、開先Ｗの断面をセンシングするレーザセンサである。開先センサ２３は、溶接ツール２１の側方に張出すように、所定の取付治具を介して溶接ツール２１に固定されている。

【0019】

制御部１５は、レール１１上における溶接ロボット１３の移動（キャリッジ１７の走行）、溶接ロボット１３のアーム１３ａの駆動、溶接ツール２１の溶接動作、開先センサ２３のセンシング動作等を統合的に制御するコンピュータシステムである。制御部１５が各リンクＬ１～Ｌ６の回転を制御することにより、溶接ツール２１及び開先センサ２３の位置及び姿勢が制御される。

【0020】

溶接装置１で実行される柱部品３，３の溶接処理は次のとおりである。まず、キャリッジ１７がレール１１上を移動し所定の位置に配置される。キャリッジ１７がレール１１上で固定された状態において、制御部１５の制御下で溶接ロボット１３のアーム１３ａが駆動され溶接ツール２１が移動される。制御部１５は、溶接ツール２１の先端を開先Ｗ内で当該開先Ｗの延在方向に水平に移動させながら、溶接ツール２１先端の移動軌跡上に溶接ビードを形成していく。上記のような溶接ツール２１先端の移動軌跡は、事前に計測された開先Ｗの形状に基づいて予め設定されている。この開先Ｗの事前の計測は、溶接ロボット１３及び開先センサ２３を利用して実行されてもよい。

【0021】

また、上記の溶接中において、開先センサ２３は、溶接ツール２１の進行方向の直前の開先Ｗの形状をセンシングし、センシング情報を制御部１５に送出する。制御部１５は、前述のように開先Ｗの延在方向に溶接ツール２１を移動させながら、上記センシング情報に基づき、溶接直前の開先Ｗの断面形状に応じて、溶接ツール２１の先端の位置（狙い位置）を開先Ｗの断面内で微調整する。このような制御部１５による制御により開先Ｗ内の適切な位置に溶接ビードが形成される。上記のような溶接ツール２１の移動が複数回繰り返されて開先Ｗ内が複数の溶接ビードで充填されることにより開先Ｗの溶接が完成する。

【0022】

図２及び図３に示されるように、溶接装置１が備える開先センシング装置２５は、前述の開先センサ２３と、開先センサ２３を冷却するための冷却部３０と、を備えるものである。

【0023】

開先センサ２３は、例えば、開先Ｗ側に向けて当該開先Ｗを上下に横切るようにレーザ光を走査するラインレーザであるレーザ光走査部４１と、上記レーザ光の反射光を撮像するカメラである反射光撮像部４３と、を備えるものであり、この反射光の画像に基づいて開先Ｗの断面形状を示す情報が前述のセンシング情報として取得される。このタイプの開先センサ２３は、レーザ光走査部４１のレーザダイオードの発熱により高温になり得るので、熱による開先センサ２３の不具合を防止すべく開先センサ２３を冷却することが必要である。特に、溶接中の溶接ツール２１の直前の開先Ｗの形状をセンシングするためには、溶接のアーク光の存在下でも反射光撮像部４３が反射光を十分に撮像可能である必要がある。このため、十分に明るいレーザ光をレーザ光走査部４１から発する必要があり、レーザダイオードの出力を大きくせざるを得ない。その結果、レーザダイオードの発熱は大きくなるので、開先センサ２３の冷却の必要性は高い。なお、熱による開先センサ２３の不具合としては、例えば、熱によってレーザ光走査部４１の出力が低下することで、反射光の反射光撮像部４３による視認性が低下し、開先Ｗの形状が取得困難になること、などがあり得る。

【0024】

開先センサ２３は例えば金属製の略直方体形状の筐体３１を備えている。筐体３１の内部空間３３には、センシングを行なうための電子部品が収納されている。この電子部品には、前述のレーザ光走査部４１及び反射光撮像部４３や、これらを駆動するための電子回路が形成された回路基板等が含まれる。

【0025】

冷却部３０は、開先センサ２３の筐体３１の側面に接続された送気管２７を備えている。また、送気管２７の接続部分から遠い側の筐体３１の端面には、内部空間３３を外気に連通させる通気孔３５が複数形成されている。更に冷却部３０は、送気管２７を通じて筐体３１の内部空間３３に空気を送り込む送気ポンプ２９（送気装置）を備えている。送気ポンプ２９は、キャリッジ１７の取付座面１７ａ上に設置されており、溶接ロボット１３と一緒にレール１１上を移動する。上記のように開先センサ２３と送気ポンプ２９とを繋ぐ送気管２７は、溶接ロボット１３のアーム１３ａの動作の障害にならないように、可撓性を有しアーム１３ａの動きに応じて自由に変形可能である。

【0026】

開先Ｗの溶接中においては、送気ポンプ２９が駆動され送気管２７を通じて筐体３１の内部空間３３に所定の圧力をもって空気が送り込まれる。送り込まれた空気は、内部空間３３内で筐体３１と電子部品（レーザ光走査部４１、反射光撮像部４３、及び回路基板等）との隙間や電子部品同士の隙間に導入され、更に送気ポンプ２９の圧力により通気孔３５を通じて大気中に漏出する。このようにして筐体３１の内部空間３３が換気されることで、レーザ光走査部４１等で発生する熱が空気とともに内部空間３３から大気中に排出され、開先センサ２３が冷却される。なお、通気孔３５が存在することは必須ではなく、内部空間３３の空気は、例えば筐体３１を構成するパネルの隙間等を通じて大気中に漏出してもよい。

【0027】

このような冷却部３０を備える開先センシング装置２５及び溶接装置１による作用効果について説明する。開先センサ２３の内部空間３３を換気する他の手段としては、例えば、筐体３１に換気ファンを直接取付けることも考えられる。しかしながら、開先センサ２３は溶接中において溶接ツール２１の近傍で動作するものであるので、換気ファンが溶接ヒューム等を吸引してしまう虞がある。これに対し、溶接装置１の冷却部３０は、送気ポンプ２９の圧力によって内部空間３３から空気を大気中に漏出させるものであるので、溶接ヒューム等が内部空間３３に侵入する可能性は低い。また、送気ポンプ２９は、キャリッジ１７に取付けられ溶接中の溶接ツール２１からはある程度離れているので、送気ポンプ２９が溶接ヒューム等を吸い込む可能性も低い。

【0028】

また、仮に開先センサ２３の筐体３１に換気ファンを取付けるとすれば、換気ファンの重量増加分により溶接ロボット１３の重量負担が増加することになる。これに対し、溶接装置１によれば、送気ポンプ２９はキャリッジ１７に取付けられ溶接ロボット１３のアーム１３ａは送気ポンプ２９の重量を負担しないので、溶接ロボット１３の重量負担を抑えることができる。溶接ロボット１３が負担する重量が軽減されることで、溶接ロボット１３の動作の精度を向上することができ、開先スキャニング精度や溶接精度が向上する。

【0029】

また、開先センサ２３の内部空間３３を換気する他の手段としては、例えば、筐体３１に放熱板を取付けることも考えられる。しかしながら、上記の換気ファンと同様に放熱板の重量増加分により溶接ロボット１３の重量負担が増加することになる。また、熱源であるレーザ光走査部４１に放熱板を直接取付けない限り十分な冷却効果が得られない可能性もある。これに対し、溶接装置１によれば、溶接ロボット１３の重量負担が抑えられるとともに、十分な冷却効果を得やすい。

【0030】

また、開先センサ２３の内部空間３３を換気する他の手段としては、循環式ポンプから送気管を通じて筐体３１の内部空間３３に冷媒を送り込むとともに、排気管を通じて内部空間３３の冷媒を循環式ポンプに戻す、といったように冷媒を循環させる手法も考えられる。しかしながら、このような循環式ポンプは、機構が複雑化し大型化する傾向がある。これに対し、冷却部３０は、空気を冷媒とするので筐体３１の内部空間３３から冷媒を漏出させても問題は少なく、循環させる必要性がない。また、送気ポンプ２９は内部空間３３に空気を送り込む動作のみを行なう比較的シンプルなものであるので、比較的小型のもので済み、キャリッジ１７に搭載した場合にもキャリッジ１７の負担は小さい。

【0031】

仮に、送気ポンプ２９がキャリッジ１７に搭載されず例えば建物の床上に設置されるとすれば、溶接ロボット１３がキャリッジ１７により柱部品３，３の周囲を移動する際に、送気管２７を柱部品３，３周りで取り回す必要がある。これに対し、溶接装置１では、前述の通り送気ポンプ２９は比較的小型のもので済むので、キャリッジ１７に搭載することができる。そして、送気ポンプ２９をキャリッジ１７に搭載することで、上記のような送気管２７の取り回しの負担も軽減される。

【0032】

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。各実施形態等の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

【符号の説明】

【0033】

１…溶接装置、３…柱部品（溶接対象物）、１１…レール、１３…溶接ロボット、１３ａ…アーム、１５…制御部、１７…キャリッジ、２１…溶接ツール（エンドエフェクタ）、２３…開先センサ、２５…開先センシング装置、２７…送気管、２９…送気ポンプ（送気装置）、３０…冷却部、３３…内部空間、４１…レーザ光走査部（電子部品）、４３…反射光撮像部（電子部品）、Ｗ…開先。

【図1】

【図2】

【図3】