(57)【要約】【課題】表面の凹凸が激しく、切断厚さの変化するメンブレン構造物をアブレーシブタイプのウォータジェット切断機により実用領域の切断速度で切断するための方法と装置を提供すること。【解決手段】三次元の各軸方向の移動距離を制御できる移動装置にアブレーシブタイプのウォータジェット切断機を搭載し、下記の機構（１）又は機構（１）と（２）を組み合わせた機構を追加して行う。（１）ウォータジェット切断を行う以前にレーザ、超音波等の距離センサを先行させ、メンブレン構造物の凹凸を制御装置に認知させると同時に事前に入力された素材寸法とで、同構造物の実切断厚さを把握し、切断方向の速度を制御する機構。（２）切断位置から一定距離離れた位置に音圧センサを設定し、音圧レベルが一定値以上になった場合、切断速度を一定量低減し、音圧レベルが一定値以下になると切断速度を一定量増加する機構。【選択図】　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元上のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸の移動距離の制御が可能な移動装置に搭載したアブレーシブタイプのウォータジェット切断機を使用し、ウォータジェット切断機で平鋼、鋼管及び平鋼と鋼管間の継ぎ手部を有するメンブレン構造物の切断を行うメンブレン構造物の自動切断方法において、
切断前に距離センサを先行させ、メンブレン構造物の凹凸面を移動装置に認知させると同時に事前に入力された素材寸法とで、メンブレン構造物の実切断厚さを把握し、該実切断厚さに応じて切断方向の速度を制御することを特徴とするメンブレン構造物の自動切断方法。
【請求項２】
平鋼と鋼管は比較的高速の切断速度とし、平鋼と鋼管との継手部は比較的低速の切断速度で切断することを特徴とする請求項１記載のメンブレン構造物の自動切断方法。
【請求項３】
距離センサで予め認知させたメンブレン構造物の凹凸面に従って、ウォータジェット切断機とメンブレン構造物の距離を常に所定の範囲内とすることを特徴とする請求項１記載のメンブレン構造物の自動切断方法。
【請求項４】
メンブレン構造物の切断位置から所定距離離れた位置に音圧センサを設置し、音圧レベルがある所定値以上になった場合、切断速度を一定量低減し、音圧レベルがある所定値以下になると切断速度を一定量増加することを特徴とする請求項１記載のメンブレン構造物の切断方法。
【請求項５】
三次元上のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸の移動距離の制御が可能な移動装置と、該移動装置上に搭載したアブレーシブタイプのウォータジェット切断機と、メンブレン構造物の凹凸面と前記切断機との距離を測定する距離センサと、該距離センサの測定値と事前に入力されたメンブレン構造物の素材寸法とによりメンブレン構造物の実切断厚さを把握して切断方向の速度を決める制御装置とを備えたことを特徴とするメンブレン構造物の自動切断装置。
【請求項６】
メンブレン構造物の切断位置から所定距離離れた位置に設置された音圧センサと、該音圧センサの音圧レベルに応じて前記切断機の切断速度を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項５記載のメンブレン構造物の自動切断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メンブレン構造物等の金属材料で二重壁を有するワークの切断に関し、特に、研磨剤を添加したウォータジェット噴流を利用して数値制御等を用いて自動で切断する方法及び装置に関するもので、ワークの片側に切断トーチを設けるだけで二重壁構造でも容易に切断できる自動切断方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラの水壁等は通常、複数の平鋼と鋼管を順番に長手隅肉溶接を行うことにより一体化したメンブレンと呼ばれるパネル状の構造物で形成されている。このメンブレン構造の水壁にはバーナ、スートブロア、マンホール等の各種機器が取り付けられるため、鋼管の一部を曲げて炉外から炉内への開口部を形成する。この開口部の製作は一般にメンブレンパネルを製作した後、開口部を設ける部分を切断し、切断部に開口部を形成する曲げ管を個々に溶接するか又は開口部パネルとして一体化したものを溶接する方法を採用する。
【０００３】
前記メンブレン構造物の切断方法としては砥石や刃物を利用した機械的な切断、ガス等の熱源と高圧の水流とを利用した切断方法等が普及している。
【０００４】
従来より熱源を利用した金属材料の自動切断方法としては液化ガスと酸素の混合炎を周囲流とし、中心に切断酸素噴流を設けた、いわゆるガス切断法、プラズマ熱源を利用し、被切断物を溶解させてプラズマの周囲に形成された噴流で溶解金属を除去しながら切断するプラズマ切断法及びプラズマの代わりにエネルギー密度の高いレーザを利用したレーザ切断法等が普及している。
【０００５】
特に管体の切断装置としては種々のものが提供され、かつ、実用化されている（特開昭６１−２３５７１号公報、特開昭６０−２１６９７６号公報）が、この種の切断方法はいずれも噴流を利用するという特徴があり、二重壁（鋼管の炉内側、炉外側で２つの壁があることになる。）を構成するメンブレン構造物等の切断に噴流を利用した場合、最初の壁を切断した後、噴流のポテンシャルエネルギーは急速に減少し、通常２つ目の壁を切断するには至らない。
【０００６】
唯一、特開昭５４−５４３８４号公報、特公平３−１４５９９号公報、特公平３−１４６００号公報等に示されているアブレーシブタイプのウォータジェットで切断速度を過小にした場合のみを対象とするメンブレン構造物の切断は可能であるが、切断速度が小さすぎるために、切断距離の長い場合には時間が掛かり過ぎて実用的でない。
【０００７】
以上のような理由で通常メンブレン構造物の切断は砥石（グラインディング砥石）または刃物（丸ノコ等）で行われるのが常である。しかし、自動切断を考えた場合、機械的な切断機を使用すると機械の重量が大きくなるため、特に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を有する移動装置に搭載する場合に設備が大がかりとなり、費用が膨大な額となる。また、砥石切断では、砥石の摩滅が予測し難いこと、刃物切断では、切断能力が低減する時期を予測しがたいことでメンブレン構造物の自動切断機にはあまり利用されていない。
【０００８】
更に、メンブレン構造物は通常、溶接構造となるため、メンブレンパネル内の一部に開口部を設ける場合等において、メンブレンを窓抜き構造にする場合には機械的な切断では溶接による圧縮応力が発生しているため、切断砥石または刃物がワークに食い込む可能性がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６１−２３５７１号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開昭６０−２１６９７６号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開昭５４−５４３８４号公報
【００１２】
【特許文献４】
特公平３−１４５９９号公報
【００１３】
【特許文献５】
特公平３−１４６００号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の中で、ガス及びプラズマ熱源を利用する切断方法においては、二重壁構造物を切断する場合に最初の壁を切断後、切断に寄与した噴流のポテンシャルエネルギーが急速に減衰するため、二番目の壁に到達した時点では、既に切断が事実上不可能となる。切断用噴流のポテンシャルコアの径を大きくすることは、この手法の解決策として容易に考えられるが、ワーク（メンブレン構造物）の壁厚に対して過大な噴流径を選択することは、ワーク切断後の再接合やドロスの異常付着、熱影響の過大化等多くの問題が発生し、メンブレン構造物の切断には適さない。また、レーザ切断の場合も切断時のレーザ焦点を最初の壁に合わせて設定せざるを得ないことから、２番目の壁を切断することはやはり事実上不可能である。更に、機械的な切断では自動機に搭載する場合、構造が大掛かりになること、窓抜き切断が困難なこと、刃物や砥石の摩耗状態が把握できない等の問題がある。
【００１５】
唯一切断が可能なアブレーシブタイプのウォータジェットでも切断速度が必要以上に小さいことやワークの凹凸及び切断厚さの変化に追従できないという問題がある。
【００１６】
本発明の課題は、表面の凹凸が激しく、切断厚さの変化するメンブレン構造物をアブレーシブタイプのウォータジェット切断機により実用領域の切断速度で切断するための方法と装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記メンブレン構造物等の二重壁を有するワークを自動切断する目的は、三次元上のＸ、Ｙ、Ｚ軸の各軸方向の移動距離を制御できる移動装置にアブレーシブタイプのウォータジェット切断機を搭載し、下記の機構（１）又は機構（１）と（２）を組み合わせた機構で達成できる。
【００１８】
（１）ウォータジェット切断を行う以前にレーザ、超音波等の距離センサを先行させ、メンブレン構造物の凹凸を制御装置に認知させると同時に事前に入力された素材寸法とで、同構造物の実切断厚さを把握し、切断方向の速度を制御する機構。
【００１９】
（２）切断位置から一定距離離れた位置に音圧センサを設定し、音圧レベルが一定値以上になった場合、切断速度を一定量低減し、音圧レベルが一定値以下になると切断速度を一定量増加する機構。
【００２０】
すなわち、本発明は、三次元上のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸の移動距離の制御が可能な移動装置に搭載したアブレーシブタイプのウォータジェット切断機を使用し、ウォータジェット切断機で平鋼、鋼管及び平鋼と鋼管間の継ぎ手部を有するメンブレン構造物の切断を行うメンブレン構造物の自動切断方法において、切断前に距離センサを先行させ、メンブレン構造物の凹凸面を移動装置に認知させると同時に事前に入力された素材寸法とで、メンブレン構造物の実切断厚さを把握し、該実切断厚さに応じて切断方向の速度を制御するメンブレン構造物の自動切断方法、及び三次元上のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸の移動距離の制御が可能な移動装置と、該移動装置上に搭載したアブレーシブタイプのウォータジェット切断機と、メンブレン構造物の凹凸面と前記切断機との距離を測定する距離センサと、該距離センサの測定値と事前に入力されたメンブレン構造物の素材寸法とによりメンブレン構造物の実切断厚さを把握して切断方向の速度を決める制御装置とを備えたンブレン構造物の自動切断装置である。
【００２１】
【作用】
上記の本発明によれば、（１）の機構を有する場合、制御装置にメンブレン構造物の切断位置毎の切断厚さが予めメモリーされているため、切断厚さが大きいところは低速で、また、切断厚さが小さいところは高速で切断ができ、アブレーシブタイプのウォータジェット切断機の唯一の欠点である最低速側に速度を設定しなければならない制約を解消でき、実用レベルの切断速度が得られる。
【００２２】
また、（１）の機構に（２）の機構を組み合わせた場合、ウォータジェットの噴流が接触する空気との衝突や被切断物との衝突で８５〜１１０ｄＢの騒音が発生する。この騒音はウォータジェットの噴流がキャッチャーに直接到達する場合は８５〜９０ｄＢ、鋼材を適切な速度で切断している場合は９０〜１００ｄＢ、切断速度が過大な場合はメンブレン構造物の上面又は二重壁下部の上面でウォータジェットが反射し、前記二つのケースと比べて１００ｄＢ以上の騒音が発生する。従って、適正な切断速度に対応する音圧レベルが既知であるため、音圧を測定していれば常に、適正な速度を得られ、（１）の機構のみから成る場合と同様実用レベルの切断速度が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５により説明する。
本実施の形態は図１に示すような平鋼１と鋼管２とが溶接されたメンブレン構造物の切断に寄与するものである。ウォータジェット切断機は３０００〜４０００ｋｇ／ｃｍ２程度の高圧水４にガーネット等の研磨材３を添加し、両者の混合物ジェット１１により矢印８の方向（切断方向８）にメンブレン構造物を切断する方法である。
【００２４】
通常、切断は高圧水４を利用するために危険であること及び切断に切断機または被切断物の精密な移動速度が必要なことから、図３に示すようなＸ−Ｙ軸またはＸ−Ｙ−Ｚ軸に移動するヘッド４１に切断機のノズル部分を搭載し、コンピュータ制御によって切断品質が管理される。
【００２５】
図３に示すように、Ｘ軸３５方向に伸びた平行な一対のレール３７と該レール３７を支持する架台３８と両レール３７の間を跨ぎ、かつ両レール３７上を摺動するブリッジ４０にＹ軸３４方向に移動可能なヘッド４１が搭載され、該ヘッド４１の先端部の被切断対象物（メンブレン構造物）１０に対向する位置に設けられたウォータジェットノズル９及び該ノズル９に高圧水４を供給する高圧水ケーブル３２を天井レール４３を介して接続する。制御ケーブル３１を介して移動装置（ブリッジ４０とヘッド４１）を制御する制御装置２１とウォータジェット制御装置２２が連繋しており、高圧水ケーブル３２からの高圧水４の噴出量などはウォータジェット制御装置２２により制御される。また操作盤３３がブリッジ４０の一方の端部に設けられている。
【００２６】
本発明では平鋼（メンブレンバー）１と鋼管２からなるメンブレンパネル１０の切断を実施する前に図１に示すように切断トーチ９（ウォータジェットノズル９）からワーク（メンブレンパネル１０）までの距離をレーザまたは超音波６を利用した距離センサ５で測定し、図３に示すＸ軸３５、Ｙ軸３４及びＺ軸３６への移動距離を制御する制御装置２１に切断トーチ９からメンブレンパネル１０までの距離（例えば１０ｍｍ）が図２に示す距離センサ変換器２３を介して電気信号としてインプットされる。また制御装置２１には予め、図４（ａ）に示すメンブレンパネル１０の平鋼１の板厚ｔ、鋼管２の直径Ｄ、鋼管２の厚さＴもインプットされており、制御装置２１内で距離センサ５と併せてメンブレンパネル１０の切断厚さ（図４（ｂ））及び切断速度（図４（ｃ））が演算される。ウォータジェット切断機は指定の切断速度に従ってメンブレンパネル１０上を移動し、これを切断する。この際、図４（ｃ）に示すように従来技術（一点鎖線）と比較して本実施例（実線）ではメンブレンパネル１０の切断速度は飛躍的に上昇し、実用可能となる。なお、管内径部では２重壁構造となるため、切断速度を平鋼１と鋼管２の中間の切断速度で切断する。
【００２７】
本発明で平鋼１と鋼管２の継ぎ手部とは図４（ａ）の平鋼１に接続される鋼管２の内部の空間部を除く管壁面部をいい、切断厚さと切断速度が大きく変化している領域を指すものとする。
【００２８】
距離センサ５で測定した情報で切断トーチ９からメンブレンパネル１０までの距離を常に一定にするようＺ軸３６にフィードバックすることで、更に二重壁でないメンブレンバー（平鋼）１部分の切断速度を一層向上でき、８０ｍｍ／ｍｉｎの速度が得られる。
【００２９】
また、図５で示すように切断を行っていない場合には騒音レベルは低い状態にあるが、切断を行うと、約９０ｄＢ程度に上昇する。そしてその騒音レベルは切断速度により変化する。切断速度を上昇させ、例えば５０ｍｍ／ｍｉｎの速度でメンブレンパネル１０の切断をすると、メンブレンパネル１０は鋼管２の部分の切断が不可能となり、ウォータジェット１１は消音効果のある図１に示すキャッチャー１２に到達せず、メンブレンパネル１０に跳ね返され、騒音レベルが大幅に上昇する。
【００３０】
そこで、図１、図２に示す集音マイク７で切断部での切断時に発生する騒音（例えば１１０ｄＢ）を測定し、音圧変換器２４で電気信号として制御装置２１に一定時間毎の最大値、平均値等の代表値をインプットしておく。音圧レベルに一定の相関関係を持たせた信号をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を制御する制御装置２１にインプットし、これを利用して切断速度を調整する方法を用いることもできる。なお図２にはＸ軸モータ２５、Ｙ軸モータ２６、Ｚ軸モータ２７を制御装置２１で駆動制御させることも示している。
【００３１】
この方法では切断速度が小さく、速度過小の場合には、切断速度を大きくするように制御し、また、切断速度が大きければ、切断不可能となり騒音が大きくなり、自動的に速度が低下されることができ、常に最適の切断速度が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、メンブレン構造物のように、表面の凹凸が激しく、切断厚さの変化するワークのアブレーシブタイプのウォータジェット切断を行う場合に、切断厚さに応じた切断速度が得られ、メンブレン構造物の切断の実用領域まで切断速度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のアブレーシブタイプのウォータジェット切断機の要部略図である。
【図２】図１のウォータジェット切断機の制御機構の模式図である。
【図３】図１のウォータジェット切断機のノズルを搭載する、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸方向への移動装置。
【図４】本発明の実施の形態のメンブレンパネルを切断する場合の実切断厚さと切断速度との関係図である。
【図５】本発明の実施の形態のウォータジェット切断機でメンブレンパネルを切断した場合の各速度毎の位置と騒音レベルとの関係の模式図を示す。
【符号の説明】
１　平鋼　　　　　　　　　　　　２　鋼管
３　研磨材　　　　　　　　　　　４　高圧水
５　距離センサ　　　　　　　　　６　レーザ、超音波
７　集音マイク　　　　　　　　　８　切断方向
９　ウォータジェットノズル（トーチ）
１０　メンブレンパネル　　　　　１１　ウォータジェット
１２　キャッチャー　　　　　　　２１　移動装置の制御装置
２２　ウォータジェット制御装置
２３　距離センサ変換器　　　　　２４　音圧変換器
２５　Ｘ軸モータ　　　　　　　　２６　Ｙ軸モータ
２７　Ｚ軸モータ　　　　　　　　３１　制御ケーブル
３２　高圧水ケーブル　　　　　　３３　操作盤
３４　Ｙ軸移動方向　　　　　　　３５　Ｘ軸移動方向
３６　Ｚ軸移動方向　　　　　　　３７　レール
３８　架台　　　　　　　　　　　４０　ブリッジ
４１　ヘッド　　　　　　　　　　４３　天井レール
【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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