(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも直交して接続する２片を有する形鋼の前記各片を切断する形鋼切断装置であって、前記片の垂直方向に対して４５度傾斜して配置された旋回軸と、前記旋回軸を旋回させる旋回手段と、前記旋回軸の一方の端部に取り付けられ該旋回軸に対して１３５度傾斜したアームと、前記アームに前記旋回軸に対し４５度傾斜して取り付けられ前記旋回軸が所定の旋回位置にあるとき一方の片に対し垂直に配置され且つ旋回軸を前記旋回位置から１８０度旋回させたとき他方の片に対し垂直に配置される切断トーチと、前記切断トーチを形鋼を構成する片に沿って移動させる移動手段とを有することを特徴とした形鋼切断装置。
【請求項２】
前記旋回手段が、旋回軸を旋回させる旋回モーターと、形鋼を切断する際の切断面の傾斜角度に応じて前記旋回モーターの回転を制御する旋回制御部とによって構成したものであることを特徴とした請求項１記載の形鋼切断装置。
【請求項３】
前記移動手段が、切断トーチを形鋼の長手方向に移動させる走行部と、略水平に配置された一方の片を横断する方向に移動させる横行部と、略垂直方向に配置された他方の片を横断する方向に移動させる昇降部と、前記走行部，横行部及び昇降部の駆動を制御する移動制御部とによって構成したものであることを特徴とした請求項１又は２記載の形鋼切断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、少なくとも直交して接続する２片を有する形鋼を切断する切断装置に関し、特に装置コストを低減させた形鋼切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造用の形鋼として、山形鋼，溝形鋼，角パイプ，Ｉ形鋼，Ｈ形鋼等多種類の形鋼が提供されている。これ等の形鋼の中で山形鋼，溝形鋼，角パイプは直交して接続する少なくとも２片を有して構成されている。またこれ等の形鋼を切断するための装置としては、小型のポータブル式切断機から大型の数値制御式切断機に至るまで目的に応じた種々のものが提供されている。
【０００３】
一方、造船工作に於いては、船殻外板の補強材として多量の等辺山形鋼や不等辺山形鋼が使用される。これ等の形鋼では、船殻外板に対する適用箇所に応じてフランジ及びウエブが垂直切断及び開先切断を含む複雑な形状に切断されることが多い。
【０００４】
上記形鋼を切断する切断装置として、垂直切断用の切断トーチと開先切断用の切断トーチからなる複数の切断トーチを有する２組のトーチブロックを設け、一方のトーチブロックをフランジ切断専用に配置すると共に、他方のトーチブロックをウエブ切断専用に配置し、フランジ及びウエブを垂直切断及び開先切断する場合には、これ等のトーチブロックを同時に作動させて切断するように構成したものや、垂直切断，開先切断に関わらず、フランジとウエブを１組のトーチブロックで連続的に切断するように構成したものがある。
【０００５】
上記トーチブロックには垂直切断トーチを中心として１本乃至２本の開先切断トーチが設けられており、開先切断トーチ毎に該トーチの傾斜角を制御する角度設定モーターが設けられている。またトーチブロックは、開先切断を実施する際に切断の進行方向に対応して旋回し得るように構成されている。従って、開先切断を実施するための装置にあっては、最低でも２軸の制御軸を有している。
【０００６】
１組のトーチブロックによってフランジとウエブを連続して切断するように構成した装置では、フランジとウエブの厚さが異なるような場合や開先角度が異なるような場合、フランジとウエブとの交差部位に於ける切断トーチの軌跡が複雑となり、切断トーチの傾斜角度を変化させつつ該トーチを旋回させ、同時にウエブ或いはフランジからの切断トーチの高さを変化させるように制御することが必要となる。このため、ティーチングプレイバック方式の多関節ロボットや７軸駆動同時４軸制御の数値制御切断装置を採用するのが一般である。
【０００７】
上記の如き高価な切断装置を用いて形鋼を開先切断した場合、フランジとウエブの開先角度が同一であればこれ等の交差部に連続した切断面からなる開先を形成することが可能であるが、フランジとウエブの開先角度が異なる場合には連続した切断面を形成することは出来ず、切断後にサンダーによる研磨等の手直しが必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如きティーチングプレイバック方式の多関節ロボットや多軸数値制御切断装置は高価であり、装置コストに対する生産性が低いという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、少なくとも直交して接続した２片を有する形鋼を垂直切断及び開先切断することが出来、且つ装置コストを低減させた形鋼切断装置を提供せんとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高価な切断装置を用いて形鋼を開先切断した場合に切断面の手直しが避けられないという現状を踏まえた上で、予め手直し作業を実施することを前提とすることによって、制御軸数を減少させることで装置コストの低減を実現したものである。
【００１１】
従って、本発明に係る形鋼切断装置は、少なくとも直交して接続する２片を有する形鋼の前記各片を切断する形鋼切断装置であって、前記片の垂直方向に対して４５度傾斜して配置された旋回軸と、前記旋回軸を旋回させる旋回手段と、前記旋回軸の一方の端部に取り付けられ該旋回軸に対して１３５度傾斜したアームと、前記アームに前記旋回軸に対し４５度傾斜して取り付けられ前記旋回軸が所定の旋回位置にあるとき一方の片に対し垂直に配置され且つ旋回軸を前記旋回位置から１８０度旋回させたとき他方の片に対し垂直に配置される切断トーチと、前記切断トーチを形鋼を構成する片に沿って移動させる移動手段とを有して構成されるものである。
【００１２】
上記形鋼切断装置に於いて、旋回手段が、旋回軸を旋回させる旋回モーターと、形鋼を切断する際の切断面の傾斜角度に応じて前記旋回モーターの回転を制御する旋回制御部とによって構成されることが好ましい。
【００１３】
また上記各形鋼切断装置に於ける移動手段が、切断トーチを形鋼の長手方向に移動させる走行部と、略水平方向に配置された一方の片を横断する方向に移動させる横行部と、略垂直方向に配置された他方の片を横断する方向に移動させる昇降部と、前記走行部，横行部及び昇降部の駆動を制御する移動制御部とによって構成されることが好ましい。
【００１４】
【作用】
上記形鋼切断装置では、旋回軸が形鋼を構成する片の垂直方向に対して４５度傾斜してており、この旋回軸の一端部に該旋回軸に対して１３５度傾斜させてアームを取り付けると共に該アームに旋回軸に対し４５度傾斜させて切断トーチを取り付けている。そして、切断トーチは、旋回軸が所定の旋回位置にあるときに一方の片（例えばフランジ）に対し垂直に、またこの旋回位置から１８０度旋回させたとき他方の片（例えばウエブ）に対し垂直に配置される。
【００１５】
従って、旋回軸を旋回させると、切断トーチは旋回軸の軸心の延長線と切断トーチの軸心の延長線の交点を頂点とし且つ旋回軸の軸心を軸とする円錐状の軌跡を描くことになり、切断トーチの軸心上に設定した任意の点の形鋼を構成する各片に対する投影線は楕円形となる。
【００１６】
即ち、旋回軸を初期位置から  １８０度旋回させる間に切断トーチは一方の片に対する直角の姿勢から三次元的に姿勢が変化し、最終的に他方の片に対する直角の姿勢を保持することとなる。従って、旋回軸の旋回角度に応じて切断トーチの傾斜角度を設定することが出来る。このため、開先角度を設定するための制御軸が１軸となり、制御軸数を減少させて装置コストを低減することが出来る。
【００１７】
【実施例】
以下、上記形鋼切断装置の一実施例について図を用いて説明する。図１は形鋼切断装置の全体構成を説明する図、図２は旋回軸及び切断トーチを含むトーチブロックの構成を説明する模式図、図３は旋回軸を旋回させたときの切断トーチの姿勢及び軌跡を説明する図、図４は旋回軸の旋回に応じた切断トーチの傾斜姿勢を説明する図である。
【００１８】
先ず、図１，図２により形鋼切断装置Ａの全体構成について説明する。図に於いて、平行に敷設された一対のレール１上に移動手段の走行部を構成する走行台車２が載置されている。この走行台車２は、走行サドル２ａとレール１の敷設方向に対し直交する方向に配置されたクロスガーダー２ｂとからなる門型に構成されており、走行サドル２ａに設けた走行モーター３に駆動されてレール１上を走行する。
【００１９】
クロスガーダー２ｂに沿って横行レール２ｃが設けられており、該横行レール２ｃに移動手段の横行部を構成する横行キャリッジ４が載置されている。横行レール２ｃは後述する切断定盤１６の載置面と平行に設けられており、横行キャリッジ４が切断定盤１６に載置された形鋼１５のフランジ１５ａと平行方向に横行し得るように構成されている。また横行キャリッジ４には、該キャリッジ４を駆動する横行モーター５，トーチブロックＢを昇降させる移動手段の昇降部を構成する昇降モーター６が搭載されている。
【００２０】
クロスガーダー２ｂ上の所定位置には、予め記憶した動作プログラム及び切断すべき形状に応じて入力されたプログラムに従って、走行モーター３，横行モーター５，昇降モーター６及びトーチブロックＢを構成する旋回モーター１０の駆動制御や切断トーチ１４の動作制御を行う旋回手段の旋回制御部、及び移動手段の移動制御部を構成する数値制御（ＮＣ）装置７が搭載されている。
【００２１】
次に、トーチブロックＢの構成について説明する。昇降モーター６によって駆動される昇降軸８の先端にケーシング９が固着されている。昇降軸８は横行レール２ｃに対し直交方向に配置され、上下方向にのみ昇降し得るように構成されている。
【００２２】
上記ケーシング９の内部に旋回手段を構成する旋回モーター１０が配置されている。旋回モーター１０の軸には旋回軸１１が接続されており、また旋回軸１１の先端にアーム１２を介してトーチホルダー１３が固着されている。そしてトーチホルダー１３に切断トーチ１４が着脱可能に装着されている。
【００２３】
旋回軸１１は昇降軸８に対し４５度傾斜した状態で配置されている。また昇降軸８は形鋼１５の一方の片となるフランジ１５ａに対し垂直方向に配置されている。前記旋回軸１１と昇降軸８は、レール１の敷設方向と直交し且つ各軸８，１１の軸心を含む平面内に配置されている。
【００２４】
形鋼１５はレール１に沿って設けられた切断定盤１６上に載置され、この状態で切断される。従って、形鋼１５の姿勢は切断定盤１６の形状によって規定される。
【００２５】
平鋼を切断する場合、切断定盤の載置面は水平に構成されるのが一般であり、このような切断定盤上に形鋼を載置して切断することもある。この場合、切断の進行に伴って形鋼に歪みが発生し、製品に悪影響を及ぼすことがある。
【００２６】
また基本的な形状が略等しい形鋼を切断する場合、載置面を水平面に対し傾斜させ、該載置面にフランジを載置すると共に載置面と直交する側面にウエブを当接させることで、フランジとウエブの交差部の位置を規定し得るように構成した切断定盤がある。この切断定盤に形鋼を載置した場合、該形鋼の重量がフランジ，ウエブを載置面及び側面に押圧するように作用するため、切断の進行に伴って歪みが発生してもフランジとウエブの交差部の位置が変化することがなく有利である。
【００２７】
切断定盤の載置面が水平であり、形鋼１５のフランジ１５ａが水平面内に配置される場合、横行レール２ｃは切断定盤の載置面と平行な水平方向に設けられ、昇降軸８は鉛直方向に配置される。また切断定盤の載置面が水平面に対し所定角度傾斜しており、フランジ１５ａが水平面に対し傾斜した状態で配置される場合、横行レール２ｃは切断定盤の載置面と平行になるように水平方向に対し傾斜して設けられ、昇降軸８は横行レール２ｃの傾斜角度に応じて鉛直方向から傾斜して配置される。本実施例では、切断定盤１６は載置面を水平面内に配置して構成している。
【００２８】
アーム１２は横行レール２ｃと平行になるように旋回軸１１に対し  １３５度の角度を持って取り付けられており、トーチホルダー１３はアーム１２に９０度の角度を持って固着されている。従って、アーム１２の軸心が旋回軸１１の軸心及び昇降軸８の軸心と同一平面内にあるとき、トーチホルダー１３に装着された切断トーチ１４は形鋼１５のフランジ１５ａ又はウエブ１５ｂに対し垂直に配置される。
【００２９】
上記状態に於いて、旋回軸１１の軸心の延長線と切断トーチ１４の軸心の延長線は交点ｐで交わり、旋回軸１１が旋回して切断トーチ１４の姿勢が変化しても、交点ｐの位置が変化することはない。以後、切断トーチ１４がフランジ１５ａに対し垂直に保持される位置を初期位置といい、ウエブ１５ｂに対し垂直に保持される位置を終位置という。
【００３０】
切断トーチ１４は形鋼１５を切断する機能を有するものであり、ガス切断トーチ或いはプラズマ切断トーチ，レーザー切断トーチ等の公知の切断トーチを選択的に用いることが可能である。前記各切断トーチはエネルギー源が全く異なるため、選択された切断トーチに応じて制御すべき対象（例えば、ガス切断トーチではガスバルブ，自動点火装置、プラズマ切断トーチではガスバルブ，プラズマ電源、レーザー切断トーチではガスバルブ，レーザー発振器等）が異なる。このため、周辺機器やＮＣ装置７に於ける制御プログラムが変化することとなる。尚、本実施例では切断トーチ１４としてプラズマ切断トーチを用いている。
【００３１】
次に、上記の如く構成した形鋼切断装置Ａによって形鋼１５のフランジ１５ａ及びウエブ１５ｂを垂直切断する場合について説明する。先ず、ＮＣ装置７に形鋼１５の形状情報，切断速度情報及び切断すべき形状（切断トーチ１４が描くべき軌跡）情報等を入力する。
【００３２】
形鋼１５の切断に必要な全ての情報を入力した後、形鋼切断装置Ａの作動を開始させると、旋回軸１１が初期位置にあるか否かを検出し、初期位置にない場合には旋回モーター１０を駆動して旋回軸１１を初期位置に戻して停止させる。これにより、切断トーチ１４はフランジ１５ａに対し垂直に配置される。
【００３３】
次いで、走行台車２が走行して切断トーチ１４を形鋼１５に対する切断位置に移動させる。この位置で切断トーチ１４の作動が開始し、パイロットアークが形成されメインアークに移行してフランジ１５ａに対する切断が実施される。このとき、切断すべき形状に応じて横行キャリッジ４及び走行台車２が横行，走行し、切断トーチ１４は横行キャリッジ４，走行台車２の移動に伴って移動してフランジ１５ａを切断する。
【００３４】
切断トーチ１４がフランジ１５ａとウエブ１５ｂの交差部１５ｃに到達すると、該トーチ１４の作動が停止し、旋回モーター１０が回転して旋回軸１１を  １８０度旋回させる。この旋回により切断トーチ１４はウエブ１５ｂに対し垂直に配置され、引続き切断トーチ１４の作動が開始してウエブ１５ｂを切断する。このとき、ウエブ１５ｂに対する切断形状に応じて昇降軸８及び走行台車２が昇降，走行し、切断トーチ１４は昇降軸８，走行台車２の移動に伴って移動してウエブ１５ｂを切断する。
【００３５】
上記の如くして切断トーチ１４によって形鋼１５のフランジ１５ａ，ウエブ１５ｂを垂直切断することが可能である。
【００３６】
次に、形鋼１５のフランジ１５ａ，ウエブ１５ｂを開先切断する際の手順について図３，図４により説明する。尚、図４に於いて（ａ）は昇降軸８の軸心及び旋回軸１１の軸心を含む平面に対する投影図であり、（ｂ）は旋回軸１１の軸心に直交し且つ中心点ｏを通る平面に対する投影図であり、（ｃ）は（ａ）の側面図（形鋼１５のウエブ１５ｂ側から見た側面図）である。また図４の（ｂ）と（ｃ）は実質的に同一の内容を表示するものであり、図４（ｂ）を軸Ｘを軸として４５度傾けたものが図４（ｃ）である。
【００３７】
旋回軸１１は形鋼１５のフランジ１５ａ，ウエブ１５ｂに対し４５度の角度を持って配置され、切断トーチ１４は初期位置にあるときフランジ１５ａに対し垂直に配置され、終位置にあるときウエブ１５ｂに対し垂直に配置される。即ち、旋回軸１１を旋回させると、切断トーチ１４は交点ｐを頂点とし旋回軸１１の軸心を軸とする円錐上を移動することとなる。
【００３８】
切断トーチ１４の軸心上の任意の点ｑの軌跡は、点ｑを通り旋回軸１１の軸心に直交する平面上では円となり、旋回軸１１の軸心と昇降軸８の軸心を通る平面上では初期位置に於ける点ｑｓと終位置に於ける点ｑｅを結ぶ直線となり、フランジ１５ａを投影面とした場合及びウエブ１５ｂを投影面とした場合には夫々楕円となる。
【００３９】
即ち、切断トーチ１４は旋回軸１１の旋回に伴って初期位置から終位置に移動する間に三次元的に姿勢が変化することとなる。従って、目的の開先角度に応じた切断トーチ１４の傾斜角度をθとした場合、このθを満足させる旋回軸１１の旋回角度αが存在することとなる。
【００４０】
ここで、旋回軸１１を角度α旋回させたときの切断トーチ１４の傾斜角度θについて説明する。図４（ａ）に示すように、切断トーチ１４を初期位置に設定すると共に該トーチ１４の軸心の延長線と旋回軸１１の軸心の延長線の交点ｐを形鋼１５のフランジ１５ａ上に設定し、切断トーチ１４の軸心上に設定された点ｑ（ｑｓ）から旋回軸１１の延長線に垂線を下ろして両者の交点をｏとすると、点ｏは旋回軸１１を旋回させたときの旋回中心となり、且つ線分ｏｑｓは点ｑの旋回半径（ｒ）となる。また中心点ｏからフランジ１５ａまでの距離は、ｒ／２１／２  となる。
【００４１】
同図（ｂ）に示すように、中心点ｏを通りフランジ１５ａに平行な軸をＸ軸とし、且つ中心点ｏを通り切断トーチ１４が初期位置にある方向に対する軸をＹａ軸として設定すると、旋回軸１１を角度α旋回させることによって、切断トーチ１４に設定された点ｑが半径ｒによって規定される円周上を座標（ｘ，ｙａ）の位置に移動したとき、これ等の座標値ｘ，ｙａは、
ｘ＝ｒ・ｓｉｎ  α
ｙａ＝ｒ・ｃｏｓ  α
として求めることが可能である。
【００４２】
旋回軸１１を角度α旋回させることによって点ｑは、同図（ｃ）に示すように、長軸が２・ｒ，短軸がｒ・２１／２  によって規定される楕円の周上に座標値（ｘ，ｙｂ）として投影される。従って、切断トーチ１４の傾斜角度θは、交点ｐと点ｑとを結ぶ線の角度と等しくなり、次の式によって求めることが可能である。
【００４３】
θ＝  ｔａｎ−１〔ｘ／  （ｒ／２１／２  ＋ｙｂ）〕
【００４４】
上式に於いて、ｙｂ＝ｙａ／２１／２  、且つｙａ＝ｒ・ｃｏｓ  αであることから、
ｙｂ＝ｒ・ｃｏｓ  α／２１／２  となる。従って、
0003550175.tif 000002
【００４５】
上記の如くして旋回軸１１の旋回角度αに応じて切断トーチ１４の傾斜角度θを設定することが可能である。然し、切断トーチ１４の傾斜角度θは形鋼１５に形成すべき開先角度と必ずしも一致するものではない。
【００４６】
即ち、形鋼１５を長手方向に直交する方向に直線的に切断して開先を形成する場合には切断トーチ１４の傾斜角度θが開先角度となる。然し、フランジ１５ａ或いはウエブ１５ｂを斜行切断して開先を形成する場合には、形成すべき開先角度と斜行角度を合成して切断トーチ１４の傾斜角度θを算出し、算出された傾斜角度θに応じて旋回軸１１を旋回させることが必要である。
【００４７】
上記の如くしてフランジ１５ａに形成すべき開先角度に応じて切断トーチ１４の傾斜角度θを設定した後、切断トーチ１４を形鋼１５の切断すべき位置に設定して該トーチ１４を作動させ、切断線の形状に応じて走行台車２を走行させると共に横行キャリッジ４を横行させてフランジ１５ａに対する切断を実施することが可能である。
【００４８】
旋回軸１１を角度α旋回させたとき、図４（ａ）に示すように、切断トーチ１４の点ｑが直線ｑｓ，ｑｅ上を移動し、該トーチ１４はウエブ１５ｂと平行な面に対し
0003550175.tif 000003
で演算される角度β傾斜することとなり、形鋼１５のフランジ１５ａに対する切断を終了したとき、ウエブ１５ｂとの交差部１５ｃの下側に角度βに応じた切り残し部分が生じる。
【００４９】
上記の如くしてフランジ１５ａの切断を終了した後、一度切断を停止させ、上記手順と同様にして旋回軸１１を旋回させて切断トーチ１４をウエブ１５ｂに切断すべき開先角度に設定し、切断トーチ１４を作動させて走行台車２を走行させると共に昇降軸８を駆動することでウエブ１５ｂに対する切断を実施することが可能である。
【００５０】
このようにして切断された形鋼１５のフランジ１５ａとウエブ１５ｂの交差部１５ｃは、フランジ１５ａ，ウエブ１５ｂに対する切断面が連続した面として形成されることがなく凹凸を有する不連続面となる。従って、切断された形鋼１５を他の部材と接続する際には切断面を研削して手直しすることが必要となる。然し、多関節ロボットや多軸制御の数値制御切断装置を採用しても手直しが全く不要な訳ではないため、特別な困難さを与えるものではない。
【００５１】
前述の実施例では、旋回軸１１を旋回させる旋回手段として旋回モーター１０を設けると共に該旋回モーター１０の回転をＮＣ装置７によって制御し得るように構成したが、本発明はこの構成に限定するものではなく、旋回軸１１を手動操作によって旋回させるように構成しても良い。
【００５２】
即ち、ケーシング９に軸受を取り付けて旋回軸１１を回転可能に支持し、該旋回軸１１の端部に角度表示盤を取り付けて現在の旋回角度を表示し得るように構成すると共に所定位置にギヤを固着し、更に、旋回軸１１に固着したギヤと噛合するピニオンを設けて該ピニオンをオペレーターによって操作し得るように構成することで、予め目的の開先角度に対応した切断トーチ１４の傾斜角度θを算出すると共に該傾斜角度θを得る旋回軸１１の旋回角度αを算出しておき、この旋回角度αに基づいてピニオンを回転させるように構成しても良い。
【００５３】
また前述の実施例では、切断トーチ１４を移動させる移動手段として門型の走行台車２，横行キャリッジ４，昇降軸８を設けると共に、これ等の駆動をＮＣ装置によって制御し得るように構成したが、本発明はこの構成に限定するものではなく、移動手段として切断トーチを昇降させる機能を有するポータブル式切断機を用いても良い。このようなポータブル式切断機としては、ミニマンテスＩＩ型（小池酸素工業株式会社製）がある。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明に係る形鋼切断装置では、旋回軸の旋回を制御することによって形鋼に対する切断トーチの角度を設定することが出来る。このため、制御軸数を１軸とすることが可能となり、装置コストを低減させることが出来るという特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】形鋼切断装置の全体構成を説明する図である。
【図２】旋回軸及び切断トーチを含むトーチブロックの構成を説明する模式図である。
【図３】旋回軸を旋回させたときの切断トーチの姿勢及び軌跡を説明する図である。
【図４】旋回軸の旋回に応じた切断トーチの傾斜姿勢を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ          形鋼切断装置              Ｂ          トーチブロック
１          レール                    ２          走行台車
２ａ        走行サドル                ２ｂ        クロスガーダー
２ｃ        横行レール                ３          走行モーター
４          横行キャリッジ            ５          横行モーター
６          昇降モーター              ７          ＮＣ装置
８          昇降軸                    ９          ケーシング
１０          旋回モーター              １１          旋回軸
１２          アーム                    １３          トーチホルダー
１４          切断トーチ                １５          形鋼
１５ａ        フランジ                  １５ｂ        ウエブ
１５ｃ        交差部                    １６          切断定盤
【図１】
0003550175.tif 000004
【図２】
0003550175.tif 000005
【図３】
0003550175.tif 000006
【図４】
0003550175.tif 000007