(57)【要約】【課題】複雑な３次元形状の施工部位に対して、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工する。【解決手段】溶接ヘッド部６は、溶接装置本体４０に旋回および昇降可能に取り付けられ、対象物の施工点１１に対して溶接を行う。フィラー供給部１０は、溶接装置本体４０に旋回および昇降可能に取り付けられ、施工点１１にフィラーワイヤ１２を供給する。制御エリア４２では、溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成し、フィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成し、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データに基づいて溶接装置本体４０を制御する。【選択図】図４
2013244498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉内に配設された筒状の対象物に設置される溶接装置本体と、
前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、
前記溶接装置本体に少なくとも前記溶接ヘッド部と別途に旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、
を具備することを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記溶接ヘッド部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成し、前記フィラー供給部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成し、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記溶接装置本体を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記溶接装置本体は、
先端部に前記溶接ヘッド部が取り付けられた溶接ヘッド部側駆動部と、
先端部に前記フィラー供給部が取り付けられたフィラー供給部側駆動部と、
前記溶接ヘッド部側駆動部と前記フィラー供給部側駆動部とに対して共通の旋回軸となる旋回部と、
を具備することを特徴とする請求項２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記旋回部の位置および姿勢を含めて前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出し、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部と、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成するフィラー供給部側姿勢角度データ生成部と、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記溶接ヘッド部側駆動部を制御し、前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記フィラー供給部側駆動部を制御する溶接装置本体制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記旋回部の位置および姿勢を含めて前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成するフィラー供給部側姿勢角度データ生成部と、
前記フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部と、
前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記フィラー供給部側駆動部を制御し、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記溶接ヘッド部側駆動部を制御する溶接装置本体制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記フィラー供給部側姿勢角度データ生成部は、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出できない場合、前記旋回部の位置および姿勢を含めて前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成し、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部は、前記フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成し、
前記溶接装置本体制御部は、前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記フィラー供給部側駆動部を制御し、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記溶接ヘッド部側駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部は、前記フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出できない場合、前記旋回部の位置および姿勢を含めて前記溶接ヘッド部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成し、
前記フィラー供給部側姿勢角度データ生成部は、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる前記旋回部の位置および姿勢を固定したときの前記フィラー供給部の施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を前記フィラー供給部側姿勢角度データとして生成し、
前記溶接装置本体制御部は、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて前記旋回部および前記溶接ヘッド部側駆動部を制御し、前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記フィラー供給部側駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項５に記載の溶接装置。
【請求項８】
前記溶接ヘッド部はレーザを照射する装置であり、
前記制御部は、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データが生成されたときに、前記対象物の表面形状とレーザ入射角度とに基づいて反射光の光路を算出し、前記溶接ヘッド部および前記フィラー供給部へ反射光が当たることを防ぐように前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を補正する反射光回避データ生成部、
をさらに備えたことを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか一項に記載の溶接装置。
【請求項９】
前記溶接装置本体は、前記対象物の周辺に設置される支持部または前記対象物に嵌合される据付部に固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の溶接装置。
【請求項１０】
原子炉内に配設された筒状の対象物に設置される溶接装置本体と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、を具備する溶接装置において、
前記溶接ヘッド部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する工程と、
前記フィラー供給部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する工程と、
前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記溶接装置本体を制御する工程と、
を具備することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、複雑かつ狭隘な場所での溶接を確実かつ効率的に行なうための溶接装置および溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子炉内構造物の溶接部の点検・検査・溶接を行うために、放射線や水中などの環境条件の制約から遠隔操作が求められている。このような遠隔操作が可能な溶接装置には一定速度での走査や高精度な位置決めが行なえる機能が必要である。さらに、原子炉底部にある加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉内計装筒（ＢＭＩ）や沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の制御棒駆動機構（ＣＲＤ）スタブチューブやインコアモニタ（ＩＣＭ）ハウジングなどの管台における溶接部の溶接を行うためには、施工対象部位が３次元的に変化する形状であることや、原子炉容器や原子炉圧力容器の下鏡部と管台との間の間隔が狭隘であることから、特殊な装置が必要である。
【０００３】
このような溶接装置として、管台の周囲を旋回する軸、上下に移動する軸、管の半径方向に伸縮する軸、ＴＩＧ溶接等の溶接トーチやレーザ溶接の溶接ヘッド部の姿勢を変えるための回転軸などを有する装置がある（例えば特許文献１）。この溶接装置の管台の周囲を旋回する軸、上下に移動する軸、管の半径方向に伸縮する軸等は、主に施工部位に対する位置決めのための軸である。また、回転軸は、溶接ヘッドの施工部位に対する角度を調整するための軸として用いられることが一般的である。
【０００４】
しかし、上記溶接装置を用いて３次元的に変化する形状を溶接するには絶えず溶接ヘッド部の姿勢を変える必要があり、さらにフィラーワイヤの位置や挿入方向をも制御して、適切な位置を維持する必要があった。
【０００５】
このような問題に対して、フィラーワイヤノズルを溶接トーチの軸周りに回転させることができるような機構を設けることにより、フィラーワイヤの挿入角度を溶接姿勢に応じて変更できるようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような従来の溶接装置ではフィラーワイヤを供給するフィラー供給部の位置および姿勢を変更するための機構部が溶接ヘッド部に取り付けられているため、溶接ヘッド部が大きく成らざるを得ず、狭隘な施工部に対して干渉することなく施工を行なうことが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８５５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、複雑かつ狭隘な３次元形状の施工部位に対して、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工することができる炉内構造物の溶接装置および溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、実施形態の溶接装置は、原子炉内に配設された筒状の対象物に設置される溶接装置本体と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、前記溶接装置本体に少なくとも前記溶接ヘッド部と別途に旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
実施形態の溶接方法は、原子炉内に配設された筒状の対象物に設置される溶接装置本体と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記対象物の施工点に対して溶接を行う溶接ヘッド部と、前記溶接装置本体に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、前記施工点にフィラーワイヤを供給するフィラー供給部と、を具備する溶接装置において、前記溶接ヘッド部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する工程と、前記フィラー供給部の前記施工点に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する工程と、前記溶接ヘッド部側姿勢角度データおよび前記フィラー供給部側姿勢角度データに基づいて前記溶接装置本体を制御する工程と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、複雑かつ狭隘な３次元形状の施工部位に対して、溶接ヘッド部の位置および姿勢とフィラー供給部について、施工に適する位置および姿勢となるよう制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る溶接装置の構成を示し、ＢＭＩ管台の原子炉容器の下鏡とＢＭＩ管台との突合せ部の開先部に対してレーザ溶接を行なう際の概念図である。
【図２】図１の溶接装置の据付方法を示す図である。
【図３】図１の溶接装置の別の据付方法を示す図である。
【図４】本実施形態に係る溶接装置の構成として溶接装置本体に接続された制御系統、および、溶接装置本体の各駆動軸を示す図である。
【図５】本実施形態に係る溶接装置の動作（溶接方法）を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態に係る溶接装置の各駆動軸に作用させるトルクの算出方法を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態に係る溶接装置の反射光の回避に関して、レーザ光の反射を示す図である。
【図８】本実施形態に係る溶接装置における反射光の回避方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る溶接装置の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、以下の実施形態では、炉内構造物の複雑形状および過酷環境での溶接の施工として、ＰＷＲ型原子炉の炉底部（水深約３０ｍ）に設置されたＢＭＩ管台またはＢＷＲ型原子炉の炉底部に設置されたＣＲＤスタブの溶接の施工を対象としたレーザ溶接装置を例として説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る溶接装置の構成を示し、ＢＭＩ管台１の原子炉容器の下鏡とＢＭＩ管台１との突合せ部の開先部に対してレーザ溶接を行なう際の概念図である。
【００１５】
本実施形態に係る溶接装置は、溶接装置本体４０と、溶接ヘッド部６と、フィラー供給部１０とを具備している。
【００１６】
溶接装置本体４０は、原子炉内に立設された筒状の対象物に設置される。溶接ヘッド部６は、溶接装置本体４０に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、対象物の施工点１１に対して溶接を行う。フィラー供給部１０は、溶接装置本体４０に少なくとも旋回および昇降可能に取り付けられ、施工点１１にフィラーワイヤ１２を供給する。
【００１７】
溶接装置本体４０は、溶接ヘッド部側駆動部８１と、フィラー供給部側駆動部８２と、旋回部２とを具備している。
【００１８】
溶接ヘッド部側駆動部８１の先端部には溶接ヘッド部６が取り付けられ、フィラー供給部側駆動部８２の先端部にはフィラー供給部１０が取り付けられている。旋回部２は、溶接ヘッド部側駆動部８１とフィラー供給部側駆動部８２とに対して共通の旋回軸となっており、ＢＭＩ管台１の中心軸である共通旋回軸４６（図４参照）を中心に旋回しながら施工を実施するための機構である。
【００１９】
溶接ヘッド部側駆動部８１は、前後左右駆動部３と、昇降駆動部４と、回転駆動部５ａ〜５ｃとを備えている。
【００２０】
前後左右駆動部３および昇降駆動部４の直動３軸は、レーザ照射点が施工点１１となるように溶接ヘッド部６の位置決め制御を行うための機構である。前後左右駆動部３は、旋回部２と昇降駆動部４との間に接続され、前後左右駆動軸４７（図４参照）に沿って前後左右に移動可能に設けられている。昇降駆動部４は、前後左右駆動部３と回転駆動部５ａとの間に接続され、上述の共通旋回軸４６に平行な昇降駆動軸４８（図４参照）に沿って昇降可能に設けられている。
【００２１】
回転駆動部５ａ〜５ｃの回転軸３軸は、溶接ヘッド部６から照射されるレーザの照射角度を制御するための機構である。回転駆動部５ａは、昇降駆動部４と回転駆動部５ｂとの間に接続され、上述の昇降駆動軸４８に平行な回転駆動軸４９ａ（図４参照）を中心に旋回可能に設けられている。回転駆動部５ｂは、回転駆動部５ａと回転駆動部５ｃとの間に接続され、回転駆動軸４９ａに直交する回転駆動軸４９ｂ（図４参照）を中心に旋回可能に設けられている。回転駆動部５ｃは、回転駆動部５ｂと溶接ヘッド部６との間に接続され、回転駆動軸４９ａおよび４９ｂに直交する回転駆動軸４９ｃ（図４参照）を中心に旋回可能に設けられている。
【００２２】
フィラー供給部側駆動部８２は、前後左右駆動部７と、昇降駆動部８と、回転駆動部９とを備えている。
【００２３】
前後左右駆動部７および昇降駆動部８の直動３軸は、フィラー供給部１０からのフィラーワイヤ１２の挿入位置が施工点１１になるように位置決め制御を行うための機構である。前後左右駆動部７は、旋回部２と昇降駆動部８との間に接続され、前後左右駆動軸５０（図４参照）に沿って前後左右に移動可能に設けられている。昇降駆動部８は、前後左右駆動部７と回転駆動部９との間に接続され、上述の共通旋回軸４６に平行な昇降駆動軸５１（図４参照）に沿って昇降可能に設けられている。
【００２４】
回転駆動部９は、フィラーワイヤ１２の挿入角度を制御する機構である。回転駆動部９は、昇降駆動部８とフィラー供給部１０との間に接続され、上述の昇降駆動軸５１に平行な回転駆動軸５２ａ（図４参照）を中心に旋回可能に設けられている。フィラー供給部１０は、回転駆動部９に接続され、回転駆動軸５２ａに直交する回転駆動軸５２ｂ（図４参照）を中心に旋回可能に設けられている。
【００２５】
一般的に、溶接ヘッド部から照射されるレーザを施工点１１に対して高精度に位置決めするためには３自由度が必要であり、レーザ照射角度を自由に決めるためには３自由度が必要である。ただし自由度を多く持たせれば持たせるほど溶接装置の駆動軸の数が増えて機構構成が複雑になるため、一般的には施工に必要な自由度で構成される。例えば図１ではフィラー供給部１０の施工点１１に対するフィラー挿入角度を決めるために姿勢を変化させることが可能な軸は旋回部２および回転駆動部９の２自由度であり、フィラーワイヤ１２の軸方向に関して回転させる軸は必要がないために省略されている。
【００２６】
また、旋回部２は溶接ヘッド部６およびフィラー供給部１０の両方において、１自由度を与える溶接装置本体４０に設けられた共通の可動部となっているが、溶接装置の駆動軸の構成によっては旋回軸のほかに直交３軸の直動軸を持たせても良い。
【００２７】
以上で示した装置構成により、溶接ヘッド部６の位置および姿勢とフィラー供給部１０の位置および姿勢とをそれぞれ独立に制御することが可能であるために、複雑３次元形状の施工部位に対して対応することが可能となる。また、同一筐体に溶接ヘッド部６とフィラー供給部１０とが存在しないために、管台と原子炉容器の下鏡部との間の狭隘な施工箇所などに対しても装置が干渉することなく溶接を行なうことができる。
【００２８】
図２は、図１の溶接装置の据付方法の一例を示す図である。
【００２９】
図２に示されるように、本実施形態に係る溶接装置は支持部２０に固定され、支持部２０は原子炉容器２１に対してＢＭＩ管台２２（図１のＢＭＩ管台１と同様）を覆うように設置される。支持部２０は場合によっては内部をＡｒガスなどの不活性ガスを用いて気中環境とするチャンバーとして用いることができ、水中に部分気中環境を形成して施工を行うことができる。
【００３０】
図３は、図１の溶接装置の別の据付方法を示す図である。
【００３１】
図３に示されるように溶接装置は据付部３０に固定されており、据付部３０はＣＲＤスタブチューブ３１上のＣＲＤハウジング３２に嵌め合わされることによって原子炉圧力容器３３に対して位置を決めることができる。
【００３２】
図４は、本実施形態に係る溶接装置の構成として溶接装置本体４０に接続された制御系統、および、溶接装置本体の各駆動軸を示す図である。
【００３３】
制御エリア４２は原子炉建屋内上部にあるオペレーションフロアに設けられる。制御エリア４２には、制御部である駆動機構制御装置４３と、駆動コントローラ４４と、状態表示コントローラ４５とが設けられている。
【００３４】
駆動機構制御装置４３は、コンピュータであり、コンピュータプログラムが格納された記憶装置、メインメモリ、ＣＰＵ等を備え（図示しない）、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａと、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部４３ｂと、溶接装置本体制御部４３ｃと、反射光回避データ生成部４３ｄとを備えている。
【００３５】
溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する。フィラー供給部側姿勢角度データ生成部４３ｂは、フィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する。溶接装置本体制御部４３ｃは、駆動制御信号（溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データ）に基づいて溶接装置本体４０を制御する。反射光回避データ生成部４３ｄは、溶接装置本体４０の各駆動軸の値を算出する際に、レーザの反射光の影響を受ける（詳細後述）姿勢を回避するためのデータを生成する。
【００３６】
状態表示コントローラ４５は液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの表示装置である。駆動コントローラ４４は、駆動機構制御装置４３の実行結果を状態表示コントローラ４５に表示するためのコンピュータであり、コンピュータプログラムが格納された記憶装置、メインメモリ、ＣＰＵ等（図示しない）を備えている。
【００３７】
駆動コントローラ４４は、駆動機構制御装置４３から出力される溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データにより、溶接装置とＢＭＩ管台１と原子炉容器（図２の原子炉容器２１または図３の原子炉圧力容器３３）との位置および姿勢の関係等について３次元のグラフィカルな表示を状態表示コントローラ４５に行なう。
【００３８】
制御エリア４２から溶接装置本体４０への駆動制御信号の送受信には、原子炉底部における施工の場合で３０ｍ〜５０ｍ程度の信号ケーブル４１により駆動機構制御装置４３から溶接装置本体４０へ信号が伝送される。
【００３９】
次に、図４を用いて溶接の施工手順について説明する。
【００４０】
図２、図３に示した据付方法により溶接装置を原子炉底部に据付けた後、溶接の施工前に形状計測を行い、施工対象形状の３次元形状モデルの作成を行う。駆動機構制御装置４３は、この３次元形状モデルを用いて施工対象箇所の施工データを生成する。
【００４１】
施工データとは施工点の座標点列として生成されたデータであり、一般にＣＬデータと呼ばれる。このＣＬデータは、３ＤＣＡＤやＣＡＭソフトを用いることで、自動的に作成することが可能でさらに面法線方向の情報を付与することも可能である。ＣＬデータの具体的な生成方法については後述する。
【００４２】
次に、駆動機構制御装置４３は、得られたＣＬデータに含まれる施工点１点１点に対して溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データを算出する。姿勢角度データとは各駆動軸の角度データである。図４の例では、溶接ヘッド部側姿勢角度データは、前述した共通旋回軸４６、前後左右駆動軸４７、昇降駆動軸４８、回転駆動軸４９ａ、回転駆動軸４９ｂ、回転駆動軸４９ｃを含む各駆動軸に対する角度データであり、フィラー供給部側姿勢角度データは、前述した前後左右駆動軸５０、昇降駆動軸５１、回転駆動軸５２ａ、回転駆動軸５２ｂを含む各駆動軸に対する角度データである。溶接ヘッド部側姿勢角度データまたはフィラー供給部側姿勢角度データは、前述した共通旋回軸４６に対する角度データをさらに含んでいる。
【００４３】
次に、駆動機構制御装置４３は、施工点１１に対する溶接ヘッド部６とフィラー供給部１０との位置および姿勢と、周辺構造物に干渉しない溶接装置の全体姿勢とを両立した溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データを算出する。ここではＣＬデータの座標点列ごとに対応した姿勢角度データをまとめて、ＲＬデータと呼ぶ。ＲＬデータの具体的な生成方法については後述する。
【００４４】
次に、駆動機構制御装置４３は、生成したＲＬデータを用いて３次元形状モデルを用いた施工シミュレーションを行い、ＲＬデータの検証を行う。検証結果は状態表示コントローラ４５上のディスプレイに表示され、溶接ヘッド部６から照射されるレーザの施工軌跡（位置および角度）、フィラーワイヤ１２の走査軌跡（位置および角度）、溶接ヘッド部６と施工対象物との距離、反射光と溶接装置との干渉（重畳）の有無、周囲構造物（例えばＢＭＩ管台２２や原子炉容器２１）と溶接装置との干渉の有無等がチェックされる。
【００４５】
施工シミュレーションの結果、干渉が確認された場合は、ＲＬデータを修正し再度施工シミュレーションによる確認が行なわれる。干渉が無く施工可能だと判断された場合は実際の施工が行なわれる。多層溶接の場合は１層目の溶接が終了後に、表面形状の計測を行なって３ＤＣＡＤデータが更新される。再度ＣＬデータおよびＲＬデータが生成された後、施工シミュレーションによる検証が行なわれ、問題がなければ次層の施工が開始される。ここで、表面形状の計測時に、形状計測で得られた点群データからＣＬデータを直接修正する場合は、３ＤＣＡＤデータを更新する必要はない。
【００４６】
次に、本実施形態に係る溶接装置の動作について図１および図４〜図６を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る溶接装置の動作（溶接方法）を示すフローチャートである。図６は、本実施形態に係る溶接装置の各駆動軸に作用させるトルクの算出方法を示すフローチャートである。
【００４７】
まず、駆動機構制御装置４３の溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、旋回部２の位置および姿勢を含めて、溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出し、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する（ステップＳ１）。
【００４８】
ステップＳ１において、溶接ヘッド部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を満たすように旋回部２および溶接ヘッド部側駆動部８１の各駆動軸（図４では共通旋回軸４６、前後左右駆動軸４７、昇降駆動軸４８、回転駆動軸４９ａ、４９ｂ、４９ｃ）に作用するトルクを算出する。具体的な算出方法としては、溶接ヘッド部６の位置および姿勢から解析的な手法としての逆運動学による演算を行い各駆動軸の値を算出する方法、数値計算による手法としてのヤコビ行列の転置行列を用いて各駆動軸に作用するトルクを算出する方法などが考えられる。以降、ヤコビ行列の転置行列を用いて各駆動軸に作用するトルクを算出する方法を例にして説明する。ここで、トルクをτ、ヤコビ行列をＪ、そのヤコビ行列Ｊの転置行列をＪＴ、溶接ヘッド部６に作用する力およびモーメントの行列をＦとした場合、トルクτはτ＝ＪＴＦにより表される。
【００４９】
まず、駆動機構制御装置４３の溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、ヤコビ行列Ｊを溶接装置本体４０の現在の各駆動軸の位置および姿勢から算出する（ステップＳ１０）。次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、溶接ヘッド部６の目標の位置および姿勢に向けた力およびモーメントＦを算出する（ステップＳ１１）。このとき、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、τ＝ＪＴＦにより溶接装置本体４０の各駆動軸に作用させるトルクτを算出する（ステップＳ１２）。次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、トルクτに比例した各駆動軸の角度を更新し（ステップＳ１３）、溶接ヘッド部６の位置および姿勢が目標に収束したかの判定を行い（ステップＳ１４）、収束するまで逐次計算的に計算を行なう。
【００５０】
次に、駆動機構制御装置４３のフィラー供給部側姿勢角度データ生成部４３ｂは、ステップＳ１により生成された溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる旋回部２の位置および姿勢を固定したときのフィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出可能である場合、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する（ステップＳ２）。
【００５１】
ステップＳ２において、フィラー供給部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を満たすようにフィラー供給部側駆動部８２の各駆動軸（図４では前後左右駆動軸５０、昇降駆動軸５１、回転駆動軸５２ａ、５２ｂ）に作用するトルクを算出する。この場合、溶接ヘッド部６をフィラー供給部１０に置き換えてトルクを算出する（ステップＳ１０〜Ｓ１４）。
【００５２】
ここで、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データが生成された場合、１点のＣＬデータに対応したＲＬデータが生成されることになる。この場合、駆動機構制御装置４３の溶接装置本体制御部４３ｃは、駆動機構制御装置４３内に１点のＲＬデータを格納する（ステップＳ３−ＹＥＳ）。
【００５３】
一方、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部４３ｂは、ステップＳ１により生成された溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる旋回部２の位置および姿勢を固定したときのフィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出できない場合（ステップＳ３−ＮＯ）、旋回部２の位置および姿勢を含めてフィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する（ステップＳ４）。
【００５４】
ステップＳ４において、フィラー供給部側姿勢角度データが表す位置および姿勢を満たすようにフィラー供給部側駆動部８２の各駆動軸（図４では共通旋回軸４６、前後左右駆動軸５０、昇降駆動軸５１、回転駆動軸５２ａ、５２ｂ）に作用するトルクを算出する（ステップＳ１０〜Ｓ１４）。
【００５５】
次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、ステップＳ３により生成されたフィラー供給部側姿勢角度データに含まれる旋回部２の位置および姿勢を固定したときの溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する（ステップＳ５）。
【００５６】
ここで、１点のＲＬデータ（溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データ）が生成されることになる。この場合、溶接装置本体制御部４３ｃは、駆動機構制御装置４３内に１点のＲＬデータを格納する。施工手順に従った全てのＲＬデータが駆動機構制御装置４３内に格納されていない場合（ステップＳ６−ＮＯ）、ステップＳ１が実行される。
【００５７】
一方、ＲＬデータが駆動機構制御装置４３内に格納された場合（ステップＳ６−ＹＥＳ）、溶接装置本体制御部４３ｃは、そのＲＬデータを駆動制御信号として溶接装置本体４０に出力する。すなわち、溶接装置本体制御部４３ｃは、駆動制御信号に基づいて溶接装置本体４０を制御する（ステップＳ７）。
【００５８】
ステップＳ７において、駆動制御信号の各ＲＬデータの溶接ヘッド部側姿勢角度データに対して旋回部２の位置および姿勢を表す角度データが含まれている場合、溶接装置本体制御部４３ｃは、溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて旋回部２および溶接ヘッド部側駆動部８１を制御し、駆動制御信号の各ＲＬデータのフィラー供給部側姿勢角度データに基づいてフィラー供給部側駆動部８２を制御する。
【００５９】
また、ステップＳ７において、駆動制御信号の各ＲＬデータのフィラー供給部側姿勢角度データに対して旋回部２の位置および姿勢を表す角度データが含まれている場合、溶接装置本体制御部４３ｃは、溶接ヘッド部側姿勢角度データに基づいて溶接ヘッド部側駆動部８１を制御し、駆動制御信号の各ＲＬデータのフィラー供給部側姿勢角度データに基づいて旋回部２およびフィラー供給部側駆動部８２を制御する。
【００６０】
このように、本実施形態の溶接装置によれば、複雑かつ狭隘な３次元形状の施工部位に対して、溶接ヘッド部６の位置および姿勢とフィラー供給部１０の位置および姿勢とをそれぞれ独立に制御することにより、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工することができる。
【００６１】
なお、本実施形態に係る溶接装置の動作として、ステップＳ１およびＳ２とステップＳ４およびＳ５とを入れ替えてもよい。
【００６２】
すなわち、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部４３ｂは、旋回部２の位置および姿勢を含めてフィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する（ステップＳ４）。次に、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる旋回部２の位置および姿勢を固定したときの溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出可能である場合、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データとして生成する（ステップＳ５）。
【００６３】
一方、溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部４３ａは、フィラー供給部側姿勢角度データに含まれる旋回部２の位置および姿勢を固定したときの溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出できない場合（ステップＳ３−ＮＯ）、旋回部２の位置および姿勢を含めて溶接ヘッド部６の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表す溶接ヘッド部側姿勢角度データを生成する（ステップＳ１）。次に、フィラー供給部側姿勢角度データ生成部４３ｂは、溶接ヘッド部側姿勢角度データに含まれる旋回部２の位置および姿勢を固定したときのフィラー供給部１０の施工点１１に対する所望の位置および姿勢を算出して、その位置および姿勢を表すフィラー供給部側姿勢角度データを生成する（ステップＳ２）。
【００６４】
一方、施工手順に従った全てのＲＬデータが駆動機構制御装置４３内に格納された場合（ステップＳ６−ＹＥＳ）、溶接装置本体制御部４３ｃは、駆動制御信号（ＲＬデータ）に基づいて溶接装置本体４０を制御する（ステップＳ７）。
【００６５】
図７は本実施形態に係る溶接装置の反射光の回避に関して、レーザ光の反射を示す図である。
【００６６】
図７に示されるように、溶接ヘッド部６から照射されたレーザは、施工点１１においてレーザの入射角度と施工面６０との関係から決まる反射角度にて反射する。このときの反射光６１が溶接ヘッド部６やフィラー供給部１０に当たることで装置の損傷を引き起こすことや、ＢＭＩ管台１などに当たることで入熱によるＢＭＩ管台１の傾きが生じるなどの問題がある。このため、反射光６１がＢＭＩ管台１に当たらないように入射角度条件内で溶接ヘッド部６の姿勢を制御してやることや、反射光６１が当たらないようにフィラーワイヤ１２の挿入角度が施工条件内に収まる範囲以内でフィラー供給部１０の姿勢を制御することが必要となる。
【００６７】
具体的には、駆動機構制御装置４３の反射光回避データ生成部４３ｄは、図５のステップＳ２およびステップＳ５において、特に、図６のステップＳ１１において、溶接装置本体４０の各駆動軸の値を算出する際に反射光６１の回避を考慮する。例えば数値計算による手法を用いる場合は上述した式τ＝ＪＴＦにより表されるＦの力およびモーメント成分に対して、目標の位置および姿勢に向けた力およびモーメントの項と、反射光６１を回避するための力およびモーメントの項とを足し合わせることで回避姿勢を生成することができる。
【００６８】
図８は、本実施形態に係る溶接装置における反射光の回避方法を示すフローチャートである。
【００６９】
まず、駆動機構制御装置４３の反射光回避データ生成部４３ｄは、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データが生成されたときに、溶接ヘッド部６の姿勢からレーザ照射角度ベクトルを算出し（ステップＳ２０）、レーザ照射角度ベクトルと施工点１１における表面形状データ（法線ベクトル）とに基づいて、反射光６１の光路を表す反射光ベクトルを算出し（ステップＳ２１）、その反射光ベクトルと溶接ヘッド部６、フィラー供給部１０およびＢＭＩ管台１などの反射光を回避したい箇所との交差判定を行う（ステップＳ２２）。
【００７０】
交差判定では、例えば、フィラー供給部１０の姿勢に対してある４点の座標から定義できる長方形の面を考え、その面と反射光ベクトルとを幾何学的に判定する。反射光６１が当たる場合（ステップＳ２２−ＹＥＳ）は、溶接ヘッド部６およびフィラー供給部１０へ反射光６１が当たることを防ぐように、溶接ヘッド部６の姿勢を変更してレーザ照射角度ベクトルを変更する、もしくは、フィラー供給部１０の姿勢を変更して反射光が入射しないようにする必要があり、上述した式τ＝ＪＴＦにより表されるＦの力およびモーメントの項に交差判定により得られた該当部と反射光との幾何学的な距離などに比例した値を設定する。すなわち、溶接ヘッド部側姿勢角度データおよびフィラー供給部側姿勢角度データが表す姿勢を補正する（ステップＳ２３）。
【００７１】
以上の説明により、本実施形態の溶接装置によれば、複雑かつ狭隘な３次元形状の施工部位に対して、溶接ヘッド部６の位置および姿勢とフィラー供給部１０の位置および姿勢とをそれぞれ独立に制御することにより、狭隘な箇所で干渉することなく溶接を施工することができる。
【００７２】
また、本実施形態の溶接装置によれば、反射光６１の光路を考慮して溶接ヘッド部６の姿勢とフィラー供給部１０の姿勢とをそれぞれ補正するため、溶接ヘッド部６およびフィラー供給部１０へ反射光６１が当たることを防ぐことができる。
【００７３】
本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、レーザでなくＴＩＧ等の溶接にも適用でき、また、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１  …  ＢＭＩ管台
２  …  旋回部
３  …  前後左右駆動部
４  …  昇降駆動部
５ａ、５ｂ、５ｃ  …  回転駆動部
６  …  溶接ヘッド部
７  …  前後左右駆動部
８  …  昇降駆動部
９  …  回転駆動部
１０  …  フィラー供給部
１１  …  施工点
１２  …  フィラーワイヤ
２０  …  支持部
２１  …  原子炉容器
２２  …  ＢＭＩ管台
３０  …  据付部
３１  …  ＣＲＤスタブチューブ
３２  …  ＣＲＤハウジング
３３  …  原子炉圧力容器
４０  …  溶接装置本体
４１  …  信号ケーブル
４２  …  制御エリア
４３  …  駆動機構制御装置
４３ａ  …  溶接ヘッド部側姿勢角度データ生成部
４３ｂ  …  フィラー供給部側姿勢角度データ生成部
４３ｃ  …  溶接装置本体制御部
４３ｄ  …  反射光回避データ生成部
４４  …  駆動コントローラ
４５  …  状態表示コントローラ
４６  …  共通旋回軸
４７  …  前後左右駆動軸
４８  …  昇降駆動軸
４９ａ、４９ｂ、４９ｃ  …  回転駆動軸
５０  …  前後左右駆動軸
５１  …  昇降駆動軸
５２ａ、５２ｂ  …  回転駆動軸
６０  …  施工面
６１  …  反射光
８１  …  溶接ヘッド部側駆動部
８２  …  フィラー供給部側駆動部
【図１】
2013244498.tif 000003
【図２】
2013244498.tif 000004
【図３】
2013244498.tif 000005
【図４】
2013244498.tif 000006
【図５】
2013244498.tif 000007
【図６】
2013244498.tif 000008
【図７】
2013244498.tif 000009
【図８】
2013244498.tif 000010