(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主桁板と継手板からなる枠体に円弧状のスキンプレートを仮付けした鋼製セグメントの中間製品に於けるスキンプレートの周囲を溶接する際に用いる鋼製セグメント溶接用位置決め治具であって、所定位置に配置されスキンプレートの内周側の面と接触して中間製品を水平方向に支持する複数の支持部材と、主桁板に沿って配置され前記支持部材によって支持されたスキンプレートの主桁板側の端面と当接して該端面の位置を設定する主桁板側位置設定部材と、継手板と対向して配置され前記支持部材によって支持されたスキンプレートの継手板側の端面と当接して該端面の位置を設定する継手板側位置設定部材と、前記支持部材によって支持され且つ前記主桁板側位置設定部材及び継手板側位置設定部材とによって所定位置に設定されたスキンプレートを固定する固定部材とを有することを特徴とする鋼製セグメント溶接用位置決め治具。
【請求項２】
走行可能な溶接用ロボットを配置すると共に該溶接用ロボットの走行範囲であって溶接可能領域に請求項１に記載した鋼製セグメント溶接用位置決め治具を複数配置したことを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルの支持壁を構成するセグメント、特に、トンネルの軸方向に隣接する他のセグメントと接続される鋼製の主桁板と周方向に隣接する他のセグメントと接続される鋼製の継手板からなる枠体に円弧状に成形された鋼製のスキンプレートを溶接して構成される鋼製セグメント製造する際に用いる溶接用位置決め治具と、この位置決め治具を用いた溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼製セグメントは円周方向及び軸方向に連結されてトンネルの支持壁を構成するものであり、土圧に対抗し得る強度と地下水の漏洩を防止し得る水密性を有することが必須である。
【０００３】
鋼製セグメントは、目的のトンネルの内径に対応する半径と、トンネルの内径を予め設定された数で分割した角度に対応する角度を持った円弧状で且つ予め設定された軸方向の長さを有しており、図６，７に示すように、軸方向に隣接する他の鋼製セグメントと接続される主桁板１ａと周方向に隣接する他の鋼製セグメントと接続される継手板１ｂからなる枠体１に円弧状に成形されたスキンプレート２を載置すると共に、該スキンプレート２の全周を枠体１に溶接して構成されている。
【０００４】
鋼製セグメントは、主桁板１ａ，継手板１ｂ，縦リブ，グラウトパイプ，吊り金具及びスキンプレート２を型枠状の治具に取り付けて夫々溶接することで、枠体１及び枠体１にスキンプレート２が仮付けされた中間製品を形成し、その後、該中間製品を治具から取り出してスキンプレート２と枠体１との全接続部位をすみ肉溶接することで製造されるのが一般である。
【０００５】
上記溶接作業は手溶接によって行われていたが、溶接技能者の減少化，高齢化等により人員の確保が困難となり、溶接ロボットを採用して自動化をはかることが研究されている。溶接ロボットを用いて上記中間製品に於ける枠体１とスキンプレート２を溶接する場合、一般に枠体１を構成する主桁板１ａの側面或いは主桁板１ａに形成されたボルト穴３を基準として位置決めすることが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
溶接ロボットを用いて溶接する場合、被溶接物の位置決め精度が製品精度に大きな影響を与えることが知られている。上記の如く、主桁板１ａの側面或いは主桁板１ａに形成されたボルト穴３を基準として中間製品の位置決めを行った場合、枠体１の位置は正確に設定されるものの、該枠体１に仮付けされたスキンプレート２の位置が正確であるか否かの保証はない。即ち、図８に示すように、枠体１に仮付けされたスキンプレート２の周辺が正確に主桁板１ａの側面と平行である保証はない。このため、溶接ロボット主桁板１ａを基準とした軌跡を描くこととなり、スキンプレート２と枠体１を一様なビードを形成して溶接することが出来ず、手直し作業が必要になるという問題がある。
【０００７】
上記問題を解決するためには、枠体１に対してスキンプレート２を仮付けする際の位置精度を向上させることが必要であるが、仮付け治具の改良が必須となりコストが上昇するという問題を派生する。
【０００８】
本発明の目的は、溶接精度を向上させるためにスキンプレートの２辺の端面を基準として位置決めするようにした鋼製セグメント溶接用位置決め治具を提供すると共に、複数の前記位置決め治具と走行可能な溶接ロボットを組み合わせることで溶接ロボットの稼働率を向上させることが出来る溶接装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る鋼製セグメント溶接用位置決めロボットは、主桁板と継手板からなる枠体に円弧状のスキンプレートを仮付けした鋼製セグメントの中間製品に於けるスキンプレートの周囲を溶接する際に用いる鋼製セグメント溶接用位置決め治具であって、所定位置に配置されスキンプレートの内周側の面と接触して中間製品を水平方向に支持する複数の支持部材と、主桁板に沿って配置され前記支持部材によって支持されたスキンプレートの主桁板側の端面と当接して該端面の位置を設定する主桁板側位置設定部材と、継手板と対向して配置され前記支持部材によって支持されたスキンプレートの継手板側の端面と当接して該端面の位置を設定する継手板側位置設定部材と、前記支持部材によって支持され且つ前記主桁板側位置設定部材及び継手板側位置設定部材とによって所定位置に設定されたスキンプレートを固定する固定部材とを有して構成されるものである。
【００１０】
上記鋼製セグメント溶接用位置決め治具（以下「位置決め治具」という）では、枠体にスキンプレートを仮付けした鋼製セグメントの中間製品（以下単に「中間製品」という）の位置決めを行うに際し、スキンプレートを支持すると共に主桁板側位置設定部材及び継手板側位置設定部材によってスキンプレートの主桁板側の端面と継手板側の端面を位置決めすることが出来る。このため、枠体に対しスキンプレートが正確に位置決めされているか否かに関わらず、スキンプレートの端面を基準として溶接を実施することが出来、精度の高い溶接を行うことが出来る。
【００１１】
また本発明に係る溶接装置は、走行可能な溶接用ロボットを配置すると共に該溶接用ロボットの走行範囲であって溶接可能領域に上記鋼製セグメント溶接用位置決め治具を複数配置したものである。
【００１２】
上記溶接装置では、位置決め治具に対する段取り作業を実施している間に他の位置決め治具に取り付けられた中間製品の溶接を実施することが出来る。このため、１台の溶接ロボットを用いた場合であっても、該ロボットの稼働率を向上させることが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、上記位置決め治具及び溶接装置の好ましい実施形態について図を用いて説明する。図１は位置決め治具の斜視図、図２は中間製品を位置決めする際の各位置設定部材とスキンプレートとの関係を説明する斜視図、図３は形状の異なる鋼製セグメントの中間製品に対する位置決めを実施する場合の説明図、図４は溶接ロボットとの位置関係を説明する図、図５は溶接装置を説明するブロック図である。
【００１４】
本発明に係る位置決め治具Ａは、主桁板１ａと継手板１ｂからなる枠体１に円弧状に成形されたスキンプレート２を仮付けした鋼製セグメントの中間製品（図６参照）を本溶接する際に用いるものであり、スキンプレート２の２辺（図４の２ａ，２ｄ）を基準として位置決めすることで、該プレート２の枠体１に対する位置決め精度の如何に関わらず、溶接ロボットを利用した溶接の自動化を実現したものである。
【００１５】
特に、溶接ビードの品位を安定させる場合、下向き溶接を実施することが好ましい。このため、位置決め治具Ａは上記中間製品に於ける溶接部位となる主桁板１ａ，継手板１ｂの端面とスキンプレート２の端面２ａ〜２ｄとの接合部位が上方に配置されるように、中間製品を水平にした状態で位置決めし得るように構成されている。
【００１６】
また枠体１に仮付けされたスキンプレート２の位置精度（枠体１とスキンプレート２の平行度）に関わらず安定した状態でスキンプレート２の全周をすみ肉溶接し得るように、スキンプレート２を直接支持すると共に該プレート２の端面２ａ，２ｄと接触して中間製品の位置決めを行うように構成されている。
【００１７】
図１〜図４に於いて、位置決め治具Ａは剛性を持ったフレーム１１を有し、該フレーム１１の上面１１ａにスキンプレート２の内周面２ｅと接触して該プレート２を支持する複数の支持部材１２が配置されている。前記支持部材１２によって支持される中間製品は常に同一の姿勢でセットされる。即ち、中間製品はフレーム１１に対し常に円弧方向が図１に示す矢印ａ，ｂ方向に配置され、軸方向が矢印ｃ，ｄ方向に配置される。
【００１８】
支持部材１２は、曲率の異なる多品種の鋼製セグメントの中間製品を支持し得るように円弧方向（矢印ａ，ｂ方向）に２か所及び軸方向（矢印ｃ，ｄ方向）に２か所の合計４か所に配置されている。また中間製品に於ける軸方向の寸法（幅寸法）の変化に対応し得るように、矢印ｃ，ｄ方向に配置された支持部材１２は、フレーム１１の上面１１ａに前記方向に沿って形成された複数の取付穴１１ｂに選択的に取り付けられて配置位置を調整し得るように構成されている。
【００１９】
支持部材１２は、予め設定された高さを有する支柱１２ａの先端に全方向に回転可能なボール１２ｂを取り付けて構成されており、支柱１２ａの下端側をフレーム１１の上面１１ａに形成された取付穴１１ｂに挿通すると共に図示しないボルト等の固定具によって固定されている。
【００２０】
フレーム１１の一方側の側面（矢印ｄ方向の側面）にはアーム１１ｃが設けられ、該アーム１１ｃに主桁板側位置設定部材となる２つの軸方向ストッパー１３が配置されている。この軸方向ストッパー１３は、スキンプレート２の軸方向の端面２ｄと接触する接触子１３ａとハンドル１３ｂを有しており、接触子１３ａを固定する機構としてトグル機構を用いている。
【００２１】
上記ハンドル１３ｂを操作することで、接触子１３ａを位置決め位置に設定して固定し、或いは退避位置に設定することが可能である。そして接触子１３ａが位置決め位置に固定されたとき、２つの接触子１３ａの先端面を結ぶ線が矢印ｄ方向の基準位置となる。
【００２２】
上記２つの軸方向ストッパー１３は、夫々矢印ｃ，ｄ方向に配置された２つの支持部材１２を結ぶ線の延長上に配置されており、且つ接触子１３ａの高さが支持部材１２のボール１２ｂの天端レベルと略等しいか或いは僅かに高いレベルを有するように設定されている。
【００２３】
従って、図３（ｂ）に示すように、スキンプレート２の内周面２ｅのレベルが支持部材１２のボール１２ｂによって設定されることから、枠体１を構成する主桁板１ａの板厚や高さ寸法の如何に関わらず、スキンプレート２の端面２ｄと接触して位置決めすることが可能である。
【００２４】
フレーム１１の上面であって矢印ａ，ｂ方向に配置された支持部材１２の間にスキンプレート２を固定する固定部材１４が設けられている。この固定部材１４はスキンプレート２の内周面２ｅと接触して固定するものであり、選択的に固定及び固定解除し得る磁石或いは真空ポンプと接続された吸着カップ等を用いることが可能である。
【００２５】
本例では、固定部材１４を、スキンプレート２を磁気により吸着して固定する磁石１４ａと、この磁石１４ａを上下方向に移動させると共に所望の位置に設定し得るジャッキ１４ｂと、磁石１４ａの移動方向を案内する枠状のガイド１４ｃとによって構成している。
【００２６】
固定部材１４は固定部材取付板１５に取り付けられており、この取付板１５はフレーム１１の上面に矢印ａ，ｂ方向に形成された長穴１１ｄに対しボルト１５ａによって固着されている。従って、固定部材１４を矢印ａ，ｂ方向に配置された支持部材１２の間で中間製品の寸法や形状に応じた所望の位置に配置することが可能であり、且つジャッキ１４ｂを操作することによって磁石１４ａを所望の高さに設定することが可能である。
【００２７】
フレーム１１のアーム１１ｃを設けた側面と直行する方向の側面（矢印ａ方向の側面）に継手板側位置設定部材となる周方向ストッパー１６が配置されている。この周方向ストッパー１６は、軸方向ストッパー１３と同様にスキンプレート２の軸方向の端面２ａと接触して位置決めする接触子１６ａと、接触子１６ａを操作するハンドル１６ｂとを有するトグル機構によって構成され、ハンドル１６ｂの操作によって接触子１６ａを位置決め位置に設定して固定すると共に退避位置に退避させることが可能である。
【００２８】
上記周方向ストッパー１６はブラケット１７を介してフレーム１１に取り付けられており、三次元的に姿勢を調整することが可能なように構成されている。ブラケット１７は、水平プレート１７ａと、垂直プレート１７ｂと、傾斜プレート１７ｃの３つの部材によって構成されており、夫々のプレート１７ａ〜１７ｃには長穴１７ｄ〜１７ｆが形成されている。
【００２９】
ブラケット１７を構成する水平プレート１７ａは矢印ａ，ｂ方向に移動して所望の位置でボルト１８ａによってフレーム１１に固定され、また垂直プレート１７ｂは垂直方向に移動し且つボルト１８ｂを中心に所望の角度に傾斜して水平プレート１７ａに固定され、更に、傾斜プレート１７ｃは矢印ａ，ｂ方向に移動し且つボルト１８ｃを中心に傾斜して垂直プレート１７ｂの固定される。
【００３０】
従って、前記各プレート１７ａ〜１７ｃの移動位置及び傾斜角度を調整することで、周方向ストッパー１７を中間製品の円弧角度や周長に対応させて所望の姿勢に調整することが可能である。そして前記の如くして調整されたブラケット１７に取り付けた周方向ストッパー１６の接触子１６ａが位置決め位置に固定されたとき、該接触子１６ａの先端面が矢印ａ方向の基準となる。
【００３１】
次に、上記位置決め治具Ａによって鋼製セグメントの中間製品を位置決めして溶接の段取りを行う作業手順について図２〜図４により説明する。鋼製セグメントは目的のトンネルの径に対応した曲率を有し、且つ前記トンネルの周を予め設定された数で分割した弧長と予め設定された軸方向の長さを有している。このため、図３（ａ）に示すように、異なるトンネルに適用される鋼製セグメントは夫々異なる形状を有するが、同一のトンネルに適用される鋼製セグメントは同一の形状と寸法を持って構成されている。
【００３２】
以下、同図に示す中間製品Ｂを位置決めする場合について説明する。
【００３３】
先ず、位置決めすべき中間製品Ｂの幅寸法に応じて矢印ｃ，ｄ方向に配置された支持部材１２の間隔を設定し、フレーム１１の形成された取付穴１１ｂに固定する。また中間製品Ｂの曲率と矢印ａ，ｂ方向に於ける支持部材１２の間隔寸法とによって固定部材１４を構成する磁石１４ａの高さｈを計算し、該計算結果に応じてジャッキ１４ｂを操作して磁石１４ａを所定の高さに位置させる。
【００３４】
次いで、ブラケット１７を調整し、周方向ストッパー１６の接触子１６ａが支持部材１２によって支持された中間製品Ｂのスキンプレート２の軸方向の端面と接触し得るように設定して固定する。
【００３５】
上記の如く支持部材１２，固定部材１４及びブラケット１７を調整した後、各ストッパー１３，１６の接触子１３ａ，１６ａを位置決め位置に固定する。次に、中間製品Ｂの枠体１を下側にスキンプレート２を上側に配置し、スキンプレート２の内周側の面をボール１２ｂと接触させて支持部材１２に載置する。このとき、中間製品Ｂは単に支持部材１２によって支持されるのみである。
【００３６】
次いで、中間製品Ｂを矢印ｄ方向に付勢し、図３（ｂ）に示すように、スキンプレート２の端面２ｄを２つの軸方向ストッパー１３の接触子１３ａに当接させる。同時に中間製品Ｂを矢印ａ方向に付勢してスキンプレート２の端面２ａを周方向ストッパー１６の接触子１６ａに当接させる。これにより中間製品Ｂはスキンプレート２の端面２ｄを基準として軸方向の位置決めがなされ、且つ端面２ａを基準として周方向の位置決めがなされる。
【００３７】
尚、中間製品Ｂを矢印ｄ，ａ方向に付勢して位置決めを行うに際し、該製品Ｂが全方向に自由に回転し得るボール１２ｂと接触しているため、小さい力で所望の方向に移動させることが可能である。このため、位置決め時の付勢は作業員によって行うことが可能である。
【００３８】
上記の如くして中間製品Ｂを矢印ｄ，ａ方向に位置決めしたとき、図４に示すように、スキンプレート２の４辺２ａ〜２ｄが溶接ロボットＣに於ける平面上の直交２軸（矢印ａ，ｂ方向の軸及び矢印ｃ，ｄ方向の軸）と平行となる。従って、中間製品Ｂはスキンプレート２の枠体１に対する位置決め精度の良否に関わらず、該プレート２を基準として位置決めされる。
【００３９】
中間製品Ｂの位置決めが終了した後、固定部材１４の磁石１４ａを作動させてスキンプレート２を吸着固定し、各ストッパー１３，１６のハンドル１３ｂ，１６ｂを操作して接触子１３ａ，１６ａを退避させる。これにより、中間製品Ｂの溶接作業に対する段取りが終了する。
【００４０】
上記の如くして位置決め治具Ａに中間製品Ｂを位置決めした後、溶接ロボットＣを作動させて該ロボットＣに搭載した溶接トーチを予め記憶させた経路に従って移動させることで、スキンプレート２の４辺２ａ〜２ｄの全周をすみ肉溶接することが可能である。そしてスキンプレート２の全周に対する溶接が終了した後、固定部材１４の磁石１４ａの作動を停止することで、鋼製セグメントを位置決め治具Ａから取り外すことが可能である。
【００４１】
次に、溶接装置の構成について図５により説明する。溶接ロボットＣはティーチングプレイバック方式の６軸制御ロボットが用いられており、該ロボットＣは矢印ａ，ｂ方向に沿って敷設されたレール２１上を走行し得るように構成されている。またレール２１に沿って両側に複数の位置決め治具Ａが夫々設置されている。
【００４２】
上記の如く構成された溶接装置では一方の位置決め治具Ａに中間製品Ｂを載置して段取り作業を行っている間、並行して他の位置決め治具Ａにセットされた中間製品Ｂに対する溶接を行うことが可能であり、溶接ロボットＣの稼働率を向上させると共に見掛け上の作業時間を短縮してコストを削減することが可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明に係る位置決め治具では、主桁板と継手板からなる枠体に仮付けされたスキンプレートの端面を基準として位置決めを行うことが出来る。このため、枠体とスキンプレートとの仮付け位置の精度の如何に関わらず、位置決めされた溶接線は一義的に設定され、安定した溶接を実施することが出来、溶接ロボットを採用して自動化をはかることが出来る。
【００４４】
また本発明に係る溶接装置では、複数の位置決め治具に対し並行して位置決め作業と溶接作業を実施することが出来る。このため、溶接ロボットの待ち時間をなくして稼働率を向上させると共に見掛け上の作業時間を短縮してコストを低減させることが出来る等の特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置決め治具の斜視図である。
【図２】中間製品を位置決めする際の各位置設定部材とスキンプレートとの関係を説明する斜視図である。
【図３】形状の異なる鋼製セグメントの中間製品に対する位置決めを実施する場合の説明図である。
【図４】溶接ロボットとの位置関係を説明する図である。
【図５】溶接装置を説明するブロック図である。
【図６】鋼製セグメントをスキンプレート側から見た斜視図である。
【図７】鋼製セグメントを枠体側からみた斜視図である。
【図８】課題を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ                位置決め治具
Ｂ                中間製品
Ｃ                溶接ロボット
１                枠体
１ａ              主桁板
１ｂ              継手板
２                スキンプレート
２ａ〜２ｄ        端面
２ｅ              内周面
１１                フレーム
１１ａ              上面
１１ｂ              取付穴
１１ｃ              アーム
１２                支持部材
１２ａ              支柱
１２ｂ              ボール
１３                軸方向ストッパー
１３ａ，１６ａ        接触子
１３ｂ，１６ｂ        ハンドル
１４                固定部材
１４ａ              磁石
１４ｂ              ジャッキ
１４ｃ              ガイド
１５                取付板
１６                周方向ストッパー
１７                ブラケット
１７ａ              水平プレート
１７ｂ              垂直プレート
１７ｃ              傾斜プレート
２１                レール
【図１】
0003586021.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003586021.tif 000008
【図８】
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