(57)【要約】  ワークピース（１８）を操作するための自動化システム（１０）は、機械加工装置（１００）と、ワークピース（１８）の位置を決定するように構成された位置決め装置（１２）と、機械加工装置（１００）に動作可能に接続され、ワークピース（１８）の決定された位置に基づいて、機械加工装置（１００）の位置を調整して、機械加工装置（１００）の中心線（３２）をワークピース（１８）の長手方向軸（３４）に位置合わせするように構成される位置決めシステム（２６）と、を含む。機械加工装置（１００）は、ワークピース（１８）を係合してワークピース（１８）を決定された位置に維持するための安定化機構（１１４）と、ワークピース（１８）に機械加工動作を実行するための切削要素（１１６）と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（１８）を操作するための自動化システム（１０）であって、
機械加工装置（１００）と、
ワークピース（１８）の位置を決定するように構成された位置決め装置（１２）と、
前記機械加工装置（１００）に動作可能に接続され、前記ワークピース（１８）の前記決定された位置に基づいて、前記機械加工装置（１００）の位置を調整して、前記機械加工装置（１００）の中心線（３２）を前記ワークピース（１８）の長手方向軸（３４）に位置合わせするように構成される位置決めシステム（２６）と、
を備え、
前記機械加工装置（１００）は、ワークピース（１８）を係合してワークピース（１８）を前記決定された位置に維持するための安定化機構（１１４）と、前記ワークピース（１８）に機械加工動作を実行するための切削要素（１１６）と、を含む、自動化システム（１０）。
【請求項２】
前記位置決め装置（１２）は、物理的プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定の少なくとも１つを利用して、前記ワークピース（１８）の前記位置を自動的に決定するように構成される、
請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記ワークピース（１８）は、内側管壁および外側管壁を有する管状ワークピース（１８）であり、
前記機械加工動作は、前記管状ワークピース（１８）の端部に溶接準備（３０）を機械加工することである、
請求項１または２に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記切削要素（１１６）は、複数の交換可能な切削インサート（１２０）を含む、
請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記安定化機構（１１４）は、前記管状ワークピース（１８）の前記内側管壁に接触して前記管状ワークピース（１８）を前記決定された位置に保持するための、少なくとも１つの把持アーム（１３８）を含む、
請求項３または４に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記安定化機構（１１４）は、前記管状ワークピース（１８）の外壁に接触して、前記管状ワークピース（１８）を前記決定された位置に保持するように構成される、
請求項３から５のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記切削要素（１１６）は、前記管状ワークピース（１８）を所定の長さに切断し、単一ステップで前記管状ワークピース（１８）の前記端部に前記溶接準備（３０）を機械加工するように構成される、
請求項３から６のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記位置決め装置（１２）は、前記管状ワークピース（１８）の中心を決定するように構成される、
請求項３から７のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記位置決め装置（１２）、前記機械加工装置（１００）および前記位置決めシステム（２６）に通信可能に結合された制御ユニット（２２）をさらに備え、前記制御ユニット（２２）は、前記管状ワークピース（１８）の前記位置を自動的に決定し、前記機械加工装置（１００）を前記管状ワークピース（１８）に位置合わせし、前記管状ワークピース（１８）を所定の長さに切断し、手動介入なしで前記管状ワークピース（１８）に前記溶接準備（３０）を機械加工するように構成される、
請求項３から８のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記切削要素（１１６）は、前記切削要素（１１６）の中心線（３２）から半径方向にオフセットされた少なくとも１つの切削インサート（１２０）を含み、前記切削要素（１１６）は、前記中心線（３２）の周りを回転するように構成される、
請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの切削インサート（１２０）の半径方向位置は、前記機械加工装置（１００）の前記中心線に対して調整可能である、
請求項１０に記載のシステム（１０）。
【請求項１２】
前記安定化機構（１１４）は、前記切削要素（１１６）を越えて延在し、前記管状ワークピース（１８）の前記内側管壁に係合するように構成される、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
【請求項１３】
ワークピース（１８）を操作するための方法であって、
ヘッダニップルの位置を決定するステップであって、前記ヘッダニップルの中心を決定するステップを含む、ステップと、
前記ワークピース（１８）の前記決定された位置に応じて、機械加工装置（１００）を前記ワークピース（１８）に位置合わせするステップと、
前記ヘッダニップルの内壁に係合させて、前記ヘッダニップルを前記決定された位置に維持するように、前記機械加工装置（１００）を展開するステップと、
前記機械加工装置（１００）により前記ヘッダニップルの端部に溶接準備（３０）を機械加工するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
前記ヘッダニップルを所定の長さに機械加工するステップ
をさらに含み、
前記ヘッダニップルを前記所定の長さに機械加工するステップ、および前記溶接準備（３０）を機械加工するステップは、単一のステップで実行される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワークピース（１８）の前記位置を決定する前記ステップは、機械式プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定のうちの１つを使用して実行される、
請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的にはボイラ構成要素の製造に関し、より具体的には、ボイラのヘッダニップルの端部などの管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工するためのシステム、方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業施設やシステムで使用される蒸気ヘッダは、通常、ボイラ、タービン、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、およびプロセス機器を接続する長い配管から構成される。例えば、蒸気発生プラントでは、ヘッダ（コレクタとも呼ばれる）は、エコノマイザ、過熱器、再熱要素、または水壁パネルなどの蒸気発生器の様々な回路のチューブの配列から水または蒸気を収集するために使用される重要な圧力部品である。このようなヘッダは、通常、ニップルと呼ばれる多数の短い管が溶接された長さのパイプから作られ、例えば、炉壁回路への現場での接続を可能にする形状に曲げられている。
【０００３】
既存のヘッダ製造技術は、通常、必要なヘッダの長さを達成するために端部から端部まで溶接されたパイプの長さから始まる。次に、ニップルが取り付けられるヘッダに一連の穴を開け、ニップルを取り付けて、手動で定位置に溶接する。ニップルがヘッダに溶接されると、各ニップルの端部が溶接準備で機械加工され、要素アセンブリまたは水壁パネルの他のチューブ端部と接合される現場で使用される。
【０００４】
現在、溶接準備は、手動のハンドスカーフィングツールまたはラジアルドリルマシンを使用して、各ニップルの端部で機械加工されている。このプロセスは通常、２つの別々のステップで実行され、最初に帯鋸を使用してニップルを適切な長さに手動で切断し、次にポータブルの手動操作可能なスカーフィング装置を使用して溶接準備を手動で形成する。典型的なヘッダには数百のニップルが含まれる可能性があるため、この手動ヘッダの製造プロセスは非常に労働集約的で、時間とコストがかかる可能性がある。さらに、ヘッダニップルがほとんど隙間なく隣接してしっかりと配置されているアセンブリでは、ニップルの端部に溶接準備を機械加工する前に、鋸を適切に配置してチューブを適切な長さに切断することさえ難しい場合がある。しかし、これまでは、各ニップルの中心と遠位端部の位置を特定することが困難であるため、自動化された溶接準備は可能ではなく、溶接収縮（ニップルをヘッダに取り付ける前のステップ中に発生する）およびニップルの曲がりの不正確さにより、互いに正確に位置合わせされないことがよくある。したがって、手作業による製造プロセスが必要性から普及している。
【０００５】
上記に鑑みて、したがって、ヘッダのニップルの端部に溶接準備を機械加工するための自動化されたシステムおよび方法が必要である。
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、ワークピースを操作するための自動化システムが提供される。システムは、機械加工装置と、ワークピースの位置を決定するように構成された位置決め装置と、機械加工装置に動作可能に接続され、ワークピースの決定された位置に基づいて、機械加工装置の位置を調整して、機械加工装置の中心線をワークピースの長手方向軸に位置合わせするように構成される位置決めシステムと、を含む。機械加工装置は、ワークピースを係合してワークピースを決定された位置に維持するための安定化機構と、ワークピースに機械加工動作を実行するための切削要素と、を含む。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、ワークピースを操作するための方法が提供される。本方法は、ヘッダニップルの位置を決定するステップであって、ヘッダニップルの中心を決定するステップを含む、ステップと、ワークピースの決定された位置に応じて、機械加工装置をワークピースに位置合わせするステップと、ヘッダニップルの内壁に係合させて、ヘッダニップルを決定された位置に維持するように、機械加工装置を展開するステップと、機械加工装置によりヘッダニップルの端部に溶接準備を機械加工するステップと、を含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、ワークピースを操作するための装置が提供される。装置は、管状ワークピースの側壁と、切削要素の中心線から半径方向にオフセットされた少なくとも１つの切削インサートを有する切削要素と、を物理的に係合するように構成された安定化装置を含み、切削要素は、中心線の周りで回転するように構成される。切削要素は、管状ワークピースを所定の長さに切断し、単一ステップで管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工するように構成される。
【０００９】
本発明は、非限定的な実施形態の以下の説明を、添付の図面を参照して読むことにより、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による、ワークピースを操作するための自動化システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、管の端部に溶接準備を機械加工するための、図１のシステムの機械加工装置の斜視図である。
【図３】図２の機械加工装置の分解斜視図である。
【図４】図２の機械加工装置の縦断面図である。
【図５】図２の機械加工装置の本体部分の斜視図である。
【図６】図２の機械加工装置のスプラインシャフトまたはマンドレルの斜視図である。
【図７】図２の機械加工装置のドローロッドの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下で、本発明の例示的な実施形態について詳細に言及することとし、これらの実施形態の例を添付の図面に示している。図面全体を通して同一の部分または類似の部分を指すために、可能な限り同一の符号を使用している。本発明の実施形態は、ボイラで使用するためにヘッダニップルの端部で溶接準備を機械加工するのに適しているが、本発明の実施形態はまた、例えば、大きなパイプ、ヘッダ、ボイラ水壁管などのボイラ内のほとんどすべての管またはパイプの端部で溶接準備を機械加工するために適用可能であり得る。さらに、本発明の実施形態は、管およびパイプの端部の溶接準備を機械加工するために使用されるが、本発明を同様に利用して、例えば、自動化された方法で管状および他の構成要素に機械加工、研磨、研削、切断などの他の様々な機械的操作を実行できることも企図される。
【００１２】
本明細書で使用する場合、「動作可能に結合された」は、直接的または間接的であってもよい連結を指す。この連結は必ずしも機械的連結である必要はない。本明細書で使用する場合、「流体結合された」または「流体連通」とは、２つ以上の特徴部の間に流体が流れるようにし、かつ流体を搬送できるようにする態様でこれらの特徴部が連結されるように、これらの特徴部を配置することを指す。本明細書で使用するとき、「溶接準備」は、溶接継手（例えば、突合せ、コーナー、エッジ、ラップ、またはＴ継手）を構成する１つまたは複数の縁部の特定の幾何学的形状を指し、例えば、溶接材料を収容するためのベベル、溝または他の構造を含んでもよい。
【００１３】
本発明の実施形態は、ボイラのヘッダのニップルなどのワークピースを操作するためのシステム、方法、および装置に関する。システムは、空間内のワークピースの位置を決定するように構成された位置決め装置と、機械加工装置と、機械加工装置に動作可能に接続され、ワークピースの決定された位置に応じて、機械加工装置の位置を調整して機械加工装置をワークピースと位置合わせするように構成された位置決めシステムと、を含む。機械加工装置は、ワークピースを係合してワークピースを実質的に静止位置に維持するように構成された安定化機構と、ワークピースに機械加工動作を実行するための切削要素と、を含む。位置決め装置は、物理的プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定の少なくとも１つを使用して、空間内のワークピースの位置を自動的に決定するように構成されている。機械加工装置は、オペレータが手動で介入することなく、ヘッダニップルを所定の長さに切断し、ニップルの端部に溶接準備を１つのステップで機械加工するように構成されている。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態によるワークピースを操作するためのシステム１０が示されている。システム１０は、例えばヘッダ２０の管状ニップル１４、１６、１８などの、操作されるワークピースの中心を自動的に検出するか、あるいは位置決めするように構成された中心位置決め装置１２を含む。中心位置決め装置１２は、空間内の構成要素（すなわち、管状または円筒状構成要素）の位置または中心を位置決めするための、当技術分野で知られている任意のタイプの装置であってもよい。例えば、一実施形態では、中心位置決め装置１２は、機械的プローブを利用して、ニップル１８に接触することにより、空間内のニップル（例えば、ニップル１８）の物理的位置を測定／検出することができる（本明細書では「機械的検出」と呼ぶ）。一実施形態では、中心位置決め装置１２は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／２８６，９１０号によって教示されるように、１つまたは複数の画像キャプチャ装置およびセンサを使用してニップル１８の中央の位置を光学的に決定することができる（本明細書では「光学的検出」と呼ぶ）。システム１０は、例えば、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定を使用するものなど、他の位置検出技術を利用してもよいことがさらに考えられる。
【００１５】
図１にさらに示すように、中心位置決め装置１２は、中心検出プロセス中に中心位置決め装置１２の位置を制御するために、ＣＮＣまたは他の自動制御および位置決めシステム２６と統合することができる。以下で詳細に説明するように、ＣＮＣインターフェースは、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決め、中心合わせ、およびツール配備に使用される。中心位置決め装置１２の特定の構成に関係なく、空間におけるニップル１８の位置に関して中心位置決め装置１２によって取得されたデータは、ニップル１８の中心の予想される位置（メモリに格納されている技術的な図面から決定されたものなど）からのオフセットとして制御ユニット２２に自動的に入力することができるので、これにより、以下で詳細に説明するように、機械加工装置の位置をニップル１８と位置合わせすることができる。
【００１６】
図１をさらに参照すると、システムは、制御および位置決めシステム２６に動作可能に接続された工作機械２４をさらに含んでもよいが、特定の実施形態では、工作機械２４の制御および位置決めシステムは、中心位置決め装置１２に使用される制御および位置決めシステムの別個の位置決めシステムであってもよい。工作機械２４は、機械加工装置１００を取り外し可能に受け入れるように構成されている。一実施形態では、機械加工装置１００は、ニップル１４、１６、１８の遠位端部に溶接準備３０を機械加工するように構成された装置であってもよい。
【００１７】
ここで図１〜図４を参照すると、本発明の一実施形態による機械加工装置１００が示されている。上記で言及したように、機械加工装置１００は、ニップルの遠位端部に溶接準備を機械加工するように構成された装置である。一実施形態では、機械加工装置１００は、解放可能な方法で（工作機械２４上の対応するテーパを通じて）工作機械２４とインターフェースするように構成されたコレット、テーパ１１２または他の取り付け手段を有するツール本体１１０を含む。ツール本体１１０の詳細図が図５に示されている。一実施形態では、ツール本体１１０は、自動ツール交換が可能な標準ＣＮＣツールホルダ（例えば、ＣＡＴ５０、ＮＢまたは他のツールホルダ）に適合するように構成されている。以下で詳細に説明するように、機械加工装置１００は、切断作業中にニップルを把持および／または安定化するための把持または安定化機構１１４と、ニップルを適切な長さに切断し、ニップルの遠位端部で溶接準備を機械加工するための切削要素１１６と、を含む。
【００１８】
図２〜図４を具体的に参照すると、本発明の実施形態による安定化機構１１４および切削要素１１６の特定の構成が示されている。そこに示されているように、切削要素１１６は一般に、切削要素１１６が中心回転軸３２を中心に機械加工装置１００と共に回転するように、複数の止めねじ１１８を介してツール本体１１０の遠位端部に堅固に取り付けられた円盤状の本体を含む。複数の切削インサートまたは切削歯１２０が本体の底面に取り付けられ、そこから下方に垂下している。切削歯１２０は、機械加工されるニップルの半径にほぼ等しい距離だけ機械加工装置１００の回転軸３２から離間され、ニップルの遠位端部に面取りされた溶接準備を生成するように角度が付けられ、または面取りされる。一実施形態では、切削歯１２０は、２つ以上の角度を有する溶接準備を形成するように構成されてもよい。そこに示すように、切削要素１１６の本体はまた、安定化機構１１４を収容するための中央開口部または貫通ボア１２２を含む。
【００１９】
図２〜図４をさらに参照すると、ツール本体１１０は、安定化機構１１４をスライド可能に受容するように構成された中空の通路またはボア１２４を含む。一実施形態では、安定化機構１１４は、切削要素１１６の貫通ボア１２２を通ってツール本体のボア１２４内に延在するスプラインシャフト１２６を含む。スプラインシャフト１１６の詳細図が図６に示されている。スプラインシャフト１１６は概ね中空であり、同様にボア１２４内に延在し、ボア１２４内にスライド可能に受容されるピストン１３０に動作可能に接続されるドローロッド１２８を受け入れる。ドローロッド１２８の詳細図を図７に示す。ドローロッド１２８の遠位端部は、それに結合されたアクチュエータ１３４を含んでもよい。シール１３２は、ピストン１３０とボア１２４の内壁との間に配置される。ピストン１３０の前方にはコイルばね１３６が配置されている。一実施形態では、ドローロッド１２８は、コイルばね１３６の付勢に抗してスプラインシャフト１２６から延伸可能であり、翼または把持部材１３８をスプラインシャフト１２６のスロット１４０から選択的に延伸させる。把持部材は、以下に説明するように、ニップルの内壁に係合して、切断プロセス中の横方向の動きに対してニップルを保持および安定化するように構成されている。
【００２０】
動作中、ニップルがヘッダ（多くの場合、数百のニップルになる可能性がある）に溶接されると、制御ユニット２２は、上述したように、中心位置決め装置１２を使用して、ニップルの１つ、例えばニップル１８の中心を決定するように構成される。ニップル１８の中心が決定されると、位置決めシステム２６は、制御ユニット２２の制御下で、機械加工装置１００の中心線３２がニップル１８の中心線（例えば、中心線３４）と位置合わせするように、工作機械２４および機械加工装置１００を位置決めして、ニップル１８に機械加工を実行することができる。特に、ニップル１８の真の中心が決定または計算されると（いくつかの実施形態では、予想位置からの計算されたオフセットであってもよい）、制御ユニット２２は、位置決めシステム２６を使用して、早送りで機械加工装置１００をニップル１８の中心に対応する座標位置に移動させる。次に、工作機械２４および機械加工装置１００を所定の回転速度まで作動させ、切削要素１１６への冷却剤の流れを開始することができる。
【００２１】
次に、制御ユニット２２は、機械加工装置１００を、Ｚ軸に沿ってニップル１８内に下降運動で移動させる。特に、機械加工装置１００は、ニップル１８の開放端部に向かって下げられ、その結果、スプラインシャフト１２６およびドローロッド１２８がニップル１８に入る。次に、ばね力、空気圧アクチュエータ、または液圧アクチュエータを使用して、把持部材１３８をニップル１８の内壁に係合してそれを所定の位置に保持し、チャタリングを最小限にするまで把持部材１３８を延伸することができる。一実施形態では、把持部材１３８は、機械加工ツールが回転し始めると、把持位置まで自動的に延伸することができる。他の実施形態では、機械加工装置１００は、ニップル１８を受容し、ニップルの外周面と係合してそれを切断作業中に安定して保持するように構成される外部スリーブまたはカラーを含むことが企図される。ニップルを安定して保持することに加えて、安定化機構１１４は、ニップルが依然としてわずかにずれている可能性がある範囲まで、機械加工装置１００の回転軸を用いてニップル１８を中心に置くように機能することもできる。一実施形態では、内部または外部のガイド／安定化機構のいずれかが、切削要素がニップルに対して回転するときの摩擦を最小限にするために、ローラまたはベアリングを含んでもよい。これらのローラまたはベアリングは、それぞれニップルの内側または外側に対して転がることができ、または安定化機構１１４が最小の摩擦で切削面に対して回転することを可能にすることができる。
【００２２】
安定化機構１１４が管を所定の位置に保持すると、切削要素１１６が回転して、面取りされた切削歯／インサート１２０を有するニップル１８の面から材料を除去する。工作機械２４および取り付けられた機械加工装置１００が下方に移動すると、切削要素は、ニップルから材料を除去し続け、ニップル１８を適切な長さに効果的に切断し、ニップルの端部に面取りされた溶接準備３０を機械加工する。この点で、単一の操作で単一のツールを使用してニップルを所定の長さに「切断」し、ニップルの端部で溶接準備を機械加工する。これは、最初にニップルを所定の長さに切断し、次にニップルの遠位端部に溶接準備を形成するために個別のステップと複数の装置を使用する必要がある既存の手動プロセスとは対照的である。
【００２３】
ニップル１８上に溶接準備が形成されると、機械加工装置１００はニップル１８から後退し、上記のプロセスが隣接するニップル上で自動的に繰り返される。したがって、本発明は、人間のオペレータによる手動の介入を必要とせずに、連続的なプロセスでヘッダニップルの遠位端部に溶接準備の自動機械加工を可能にする。手動スカーフィングマシンの使用と比較して、本発明のシステムは、各ニップルを機械加工しながら切削要素１１６が必要な高さまたは深さに下降するときにニップルの高ささえも迅速に作製することを可能にし、ニップルを設計長に切断することを可能にする。これにより、余分な材料をすばやく機械加工することにより、各ヘッダニップルを手作業でおおよその長さに切断する必要がなくなる。一実施形態では、位置決めシステム２６を使用して、機械加工の前に各ニップルの高さを測定／検出することができるので、切削要素１１６をニップル端部のすぐ上の位置に迅速に移動し、次に材料除去のための適切な速度でニップルに移動することができる。生産速度の大幅な向上と必要な手作業の削減により、全体として製造コストが低減される。
【００２４】
一実施形態では、切削歯またはインサート１２０は、容易な交換を提供するために、切削要素１１６から取り外し可能であってもよい。例えば、異なる形状（例えば、異なるベベル）を有する切削歯を取り付けて、任意の所望の形状（例えば、「Ｖ」または「Ｊ」の準備形状）を有する溶接準備の機械加工を可能にするように、切削歯を切削要素から取り外し可能にすることができる。一実施形態では、切削歯／インサート１２０は、任意のニップル径に対応するように、切削要素１１６上の様々な半径方向位置に選択的に配置可能であってもよい。上記で言及したように、機械加工装置１００は、金属または切削ツールの過熱を防止し、金属チップを機械加工領域から取り除くのを助けるために、機械加工されるニップルの端部に冷却材を導くように構成される冷却材通路を含んでもよい。これにより、ヘッダ全体の加工と製造の速度が向上する。
【００２５】
一実施形態では、ワークピースを操作するための自動化システムが提供される。システムは、機械加工装置と、ワークピースの位置を決定するように構成された位置決め装置と、機械加工装置に動作可能に接続され、ワークピースの決定された位置に基づいて、機械加工装置の位置を調整して、機械加工装置の中心線をワークピースの長手方向軸に位置合わせするように構成される位置決めシステムと、を含む。機械加工装置は、ワークピースを係合してワークピースを決定された位置に維持するための安定化機構と、ワークピースに機械加工動作を実行するための切削要素と、を含む。一実施形態では、位置決め装置は、物理的プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定の少なくとも１つを使用して、ワークピースの位置を自動的に決定するように構成されている。一実施形態では、ワークピースは、内側管壁および外側管壁を有する管状ワークピースであり、機械加工動作は、管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工することである。一実施形態では、切削要素は、複数の交換可能な切削インサートを含む。一実施形態では、安定化機構は、管状ワークピースの内側管壁に接触して管状ワークピースを決定された位置に保持する少なくとも１つの把持アームを含む。一実施形態では、安定化機構は、管状ワークピースの外壁に接触して、管状ワークピースを決定された位置に保持するように構成される。一実施形態では、切削要素は、管状ワークピースを所定の長さに切断し、単一ステップで管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工するように構成される。一実施形態では、位置決め装置は、管状ワークピースの中心を決定するように構成される。一実施形態では、システムは、位置決め装置、機械加工装置および位置決めシステムに通信可能に結合された制御ユニットをさらに含み、制御ユニットは、管状ワークピースの位置を自動的に決定し、機械加工装置を管状ワークピースに位置合わせし、管状ワークピースを所定の長さに切断し、手動介入なしで管状ワークピースに溶接準備を機械加工するように構成される。一実施形態では、切削要素は、切削要素の中心線から半径方向にオフセットされた少なくとも１つの切削インサートを含み、切削要素は中心線の周りを回転するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの切削インサートの半径方向位置は、機械加工装置の中心線に対して調整可能である。一実施形態では、安定化機構は、切削要素を越えて延在し、管状ワークピースの内側管壁に係合するように構成される。
【００２６】
本発明の別の実施形態では、ワークピースを操作するための方法が提供される。本方法は、ヘッダニップルの位置を決定するステップであって、ヘッダニップルの中心を決定するステップを含む、ステップと、ワークピースの決定された位置に応じて、機械加工装置をワークピースに位置合わせするステップと、ヘッダニップルの内壁に係合させて、ヘッダニップルを決定された位置に維持するように、機械加工装置を展開するステップと、機械加工装置によりヘッダニップルの端部に溶接準備を機械加工するステップと、を含む。一実施形態では、本方法はまた、ヘッダニップルを所定の長さに機械加工するステップを含んでもよく、ヘッダニップルを所定の長さに機械加工するステップ、および溶接準備を機械加工するステップは、単一のステップで実行される。一実施形態では、ワークピースの位置を決定するステップは、機械的プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定のうちの１つを使用して実行される。一実施形態では、機械加工装置は、ニップルの外壁に係合して、ワークピースを決定された位置に維持するように構成される。
【００２７】
さらに別の実施形態では、ワークピースを操作するための装置が提供される。装置は、管状ワークピースの側壁と、切削要素の中心線から半径方向にオフセットされた少なくとも１つの切削インサートを有する切削要素と、を物理的に係合するように構成された安定化装置を含み、切削要素は、中心線の周りで回転するように構成される。切削要素は、管状ワークピースを所定の長さに切断し、単一ステップで管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工するように構成される。一実施形態では、管状ワークピースはヘッダニップルである。一実施形態では、安定化装置は、切削要素を越えて延在し、管状ワークピースの内壁に係合するように構成される。一実施形態では、装置はまた、安定化装置および切削要素を管状ワークピースの中心と位置合わせして位置決めするように構成された制御および位置決め装置を含む。
【００２８】
本明細書で使用する場合、単数形で記載され、なおかつ単語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」の後に続いている要素またはステップは、複数の前記要素またはステップを除外しないものとして理解すべきであるが、そのような除外が明示的に述べられている場合は除く。さらにまた、本発明の「一実施形態」への言及が、記載した特徴も組み込んだ別の実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図してはいない。加えて、明示的に相反する記載がない限り、特定の特性を有する要素または複数の要素を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有しない別の当該要素を含んでいてもよい。
【００２９】
本明細書ではいくつかの実施例を用いることで、本発明のいくつかの実施形態を最良の形態を含めて開示し、また、任意の装置またはシステムの製作および使用、ならびに組み込まれた任意の方法の実行を含めて、当業者が本発明の実施形態を実施することができるようにしている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【００３０】
本発明の様々な態様および実施形態は、以下の条項によって定義される。
１．ワークピースを操作するための自動化システムであって、
機械加工装置と、
ワークピースの位置を決定するように構成された位置決め装置と、
機械加工装置に動作可能に接続され、ワークピースの決定された位置に基づいて、機械加工装置の位置を調整して、機械加工装置の中心線をワークピースの長手方向軸に位置合わせするように構成される位置決めシステムと、
を備え、
前記機械加工装置は、ワークピースを係合してワークピースを決定された位置に維持するための安定化機構と、ワークピースに機械加工動作を実行するための切削要素と、を含む、自動化システム。
２．位置決め装置は、物理的プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定の少なくとも１つを利用して、ワークピースの位置を自動的に決定するように構成される、
条項１に記載のシステム。
３．ワークピースは、内側管壁および外側管壁を有する管状ワークピースであり、
機械加工動作は、管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工することである、
条項１に記載のシステム。
４．切削要素は、複数の交換可能な切削インサートを含む、
条項１に記載のシステム。
５．安定化機構は、管状ワークピースの内側管壁に接触して管状ワークピースを決定された位置に保持する少なくとも１つの把持アームを含む、
条項３に記載のシステム。
６．安定化機構は、管状ワークピースの外壁に接触して、管状ワークピースを決定された位置に保持するように構成される、
条項３に記載のシステム。
７．切削要素は、管状ワークピースを所定の長さに切断し、単一ステップで管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工するように構成される、
条項３に記載のシステム。
８．位置決め装置は、管状ワークピースの中心を決定するように構成される、
条項３に記載のシステム。
９．位置決め装置、機械加工装置および位置決めシステムに通信可能に結合された制御ユニットをさらに備え、制御ユニットは、管状ワークピースの位置を自動的に決定し、機械加工装置を管状ワークピースに位置合わせし、管状ワークピースを所定の長さに切断し、手動介入なしで管状ワークピースに溶接準備を機械加工するように構成される、
条項３に記載のシステム。
１０．切削要素は、切削要素の中心線から半径方向にオフセットされた少なくとも１つの切削インサートを含み、切削要素は中心線の周りを回転するように構成される、
条項１に記載のシステム。
１１．少なくとも１つの切削インサートの半径方向位置は、機械加工装置の中心線に対して調整可能である、
条項１０に記載のシステム。
１２．安定化機構は、切削要素を越えて延在し、管状ワークピースの内側管壁に係合するように構成される、
条項１に記載のシステム。
１３．ワークピースを操作するための方法であって、
ヘッダニップルの位置を決定するステップであって、ヘッダニップルの中心を決定するステップを含む、ステップと、
ワークピースの決定された位置に応じて、機械加工装置をワークピースに位置合わせするステップと、
ヘッダニップルの内壁に係合させて、ヘッダニップルを決定された位置に維持するように、機械加工装置を展開するステップと、
機械加工装置によりヘッダニップルの端部に溶接準備を機械加工するステップと、
を含む方法。
１４．ヘッダニップルを所定の長さに機械加工するステップ
をさらに含み、
ヘッダニップルを所定の長さに機械加工するステップ、および溶接準備を機械加工するステップは、単一のステップで実行される、条項１３に記載の方法。
１５．ワークピースの位置を決定するステップは、機械的プローブ、光学画像キャプチャ、ホール効果センサ、ソナー、またはレーザ位置測定のうちの１つを使用して実行される、
条項１３に記載の方法。
１６．機械加工装置は、ニップルの外壁に係合して、ワークピースを決定された位置に維持するように構成される、
条項１３に記載の方法。
１７．ワークピースを操作するための装置であって、
管状ワークピースの側壁に物理的に係合するように構成された安定化装置と、
切削要素の中心線から半径方向にオフセットされた少なくとも１つの切削インサートを有する切削要素であって、中心線の周りを回転するように構成された切削要素と、
を備え、
切削要素は、管状ワークピースを所定の長さに切断し、単一ステップで管状ワークピースの端部に溶接準備を機械加工するように構成される、装置。
１８．管状ワークピースは、水壁のヘッダニップルまたは管の１つである、
条項１７に記載の装置。
１９．安定化装置は、切削要素を越えて延在し、管状ワークピースの内壁に係合するように構成される、
条項１７に記載の装置。
２０．安定化装置および切削要素を管状ワークピースの中心と位置合わせして位置決めするように構成された制御および位置決め装置
をさらに備える、条項１７に記載の装置。
【符号の説明】
【００３１】
１０  システム
１２  中心位置決め装置
１４  管状ニップル
１６  管状ニップル
１８  管状ニップル
２０  ヘッダ
２２  制御ユニット
２４  工作機械
２６  位置決めシステム
３０  溶接準備
３２  中心回転軸、中心線
３４  中心線
１００  機械加工装置
１１０  ツール本体
１１２  テーパ
１１４  安定化機構
１１６  切削要素、スプラインシャフト
１１８  止めねじ
１２０  切削歯、インサート
１２２  貫通ボア
１２４  ボア
１２６  スプラインシャフト
１２８  ドローロッド
１３０  ピストン
１３２  シール
１３４  アクチュエータ
１３６  コイルばね
１３８  把持部材
１４０  スロット
【図１】
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【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】
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【国際調査報告】
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