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「3次元曲がり部大組立自動化システムの研究」の報告書

 事業名 3次元曲がり部大組立自動化システムの研究
 団体名 シップ・アンド・オーシャン財団  


■事業の内容

新造船の受注から引渡しに至る全ての工程をコンピュータネットワークで統合する造船業CIMの構築を進めるにあたり、CIM情報を製造とオンライン化する工場内自動化(Factory Automation :FA) は不可欠である。現在、船体の平行部ブロックの溶接部が単純構造であるため、溶接の自動化が進んでいるのに対し、組立部材が曲面へ傾斜配置されている3次元曲がり部ブロックでは溶接部が複雑構造のため自動化が難しく、溶接士の「経験と勘」に頼っているのが現状である。これまで「経験と勘」によって判断していた溶接状態をロボット自身で判断し、溶接の基本条件をコントロールする「溶接の知能制御」や複雑構造ブロックの「溶接部分への自動アクセス」が可能な3次元曲がり部ブロック自動溶接ロボットの研究を行い、造船CIMの促進に必要なFAの難所を攻略することにより造船技術、造船関連技術の向上及び我が国造船業の発展に資することを目的に以下の内容を実施した。
 [1] 3次元曲がり部ブロック傾斜シーム片面溶接ロボットの運転実験
   平成8年度に開発した「傾斜シーム片面溶接ロボットプロトタイプ機」を現場に設置し、実船曲がり部ブロックのシーム溶接に適用し、品質、能率、能力についてデータ収集、装置の性能評価を行った。
  [1] プロトタイプ機を曲がり外板溶接現場へ移設し、実船ブロックで性能確認実験を行った。
  [2] 現状溶接法(半自動)と当該ロボット溶接法の性能比較を行った。
  [3] 現場運転実験データより「傾斜シーム片面溶接ロボット」の適用範囲、処理能力、能率等の性能評価のまとめを行った。
 [2]3次元曲がり部ブロック傾斜隅肉溶接ロボットの開発
   平成8年度行った傾斜隅肉溶接の実態調査結果より作成した装置の基本仕様を基に、プロトタイプ機製作に関する機器選定、設計、製作を行った。
  [1] 傾斜隅肉溶接方式の選定と設計
   a.溶接方法の選択
     CO2溶接、CO2高速回転アーク溶接の2者について溶接品質、能率を調査し、溶接法の決定を行った。
   b.溶接トーチの選択
     決定した溶接法に使用する溶接トーチの小型化、耐久性、狭隘部での干渉回避の検討を行った。
   c.選定溶接方式の溶接線傾斜角度に対する実用溶接条件設定
     試験片にて溶接姿勢別、脚長別、傾斜角度別、部材傾斜別、ギャップ別に溶接実験を行い、実用基本溶接条件の設計を行った。(約234条件)
  [2] 傾斜隅肉溶接倣い方法の選定と設計
    溶接中、溶接線のずれに対する追従制御を行うためのアークセンサ、制御方法の選択を行った。
    また、溶接線上にある仮付溶接ビードに対して、溶接品質に影響のない溶接条件に変更させるための検出方法を実験により選択し、制御の設計を行った。
  [3] 溶接部ギャップ変化対応方法の選択と設計
    溶接中、溶接部に発生したギャップに対して溶接品質に影響のない溶接条件に変更させるための検出方法を選択し、実験により実用条件を設計した。
  [4] 溶接制御方式の選定と設定
    傾斜隅肉溶接方法、溶接線倣い方法、溶接部ギャップ変化対応方法の各実用条件設定を基に装置化を行うため、溶接ロボット、溶接ロボット移動装置、溶接適用制御部の選定と設計を行った。
   a.狭隘部における溶接ロボットの形状設定
   b.ベース機となる市販溶接ロボットの選択
   c.溶接ロボット移動装置の選択
   d.溶接条件自動設定・追従制御方式の選択
   e.溶接適応制御部(知能)の設計
   f.溶接装置全体制御部の設計
  [5] 溶接装置の形式、アクセスの最適方法の選定と設計
    溶接ロボットの吊り下げ移動カントリーの全体形状とガントリーから担当溶接エリアへロボットをアクセスさせる機構等について、溶接ロボットの形状設定と併せて選定・設計した。
  [6] 3次元曲がり部ブロック傾斜隅肉溶接ロボットの設計製作
    これまでに選択・設計した装置や制御機器を搭載した溶接ロボットを実用機に近い形で設計、製作した。
  [7] 溶接装置の実用性評価実験
    製作した溶接装置の各機能について性能確認、制御パラメータ、適正溶接条件の設定を行い、各姿勢別条件付き試験材により性能評価を行った。
 [3] 自動溶接全体制御システムの開発
   上位3次元設計情報より溶接線情報を出力し、溶接条件付加エリア設定、干渉回避、溶接順序設定、言語変換等を自動的にコンピュータで行い、各ロボットに転送するシステムの設計、製作を行った。
  [1] 上位設計工作システムとの情報連結システムの設計
    システムの構成仕様に基づき、設計データベースより部材配置、形状、溶接線、脚長等の設計情報取込み処理を行うプログラムの設計を行った。
  [2] ロボット運転プログラム自動生成システム(CAM)の設計
    上位3次元情報より溶接線条件を設定し、それに対する部材と溶接トーチの干渉回避を含んだ溶接ロボットのトーチ姿勢と溶接順序を決定し、設計上の溶接線に最適条件を付加してロボットデータを発生させるシステムの設計を行った。
   a.ロボット動作パターン設定登録、編集機能の設計
   b.ロボット溶接適用箇所自動設定機能の設計
   c.ロボット動作順序設定機能の設計
   d.基本溶接条件設定機能の設計
   e.運転プログラムのシミュレーション機能の設計
  [3] 自動溶接全体制御システムの製作
    上位設計工作システムとの情報連結システム、ロボット運転プログラム自動生成システム(CAM)プログラムの製作を行った。
 [4] 溶接装置の実用性評価実験
   完成したプロトタイプ機に対して実船ブロックの一部をモックアップ材として使用し、一連のシステムの動作確認を行うとともに溶接品質、能率、能力について調査し、実用性の評価を行った。
   a.小型試験片による動作確認実験
   b.大型試験片による溶接動作確認実験
   c.実験結果より実用性の評価、問題点の抽出
■事業の成果

本年度は、平成8年度に製作した曲がりブロック部の曲面傾斜外板を溶接する3次元曲がり部ブロック傾斜シーム片面溶接ロボットのプロトタイプ機について、当該機を組立現場に移設し、実船の曲がりブロックの溶接作業に適用した結果、溶接に伴う段取りの時間を含めた一連の作業で現状の4倍の効率を得ることができた。
 また、「3次元曲がりブロック傾斜隅肉溶接ロボット」「自動溶接全体制御システム」の製作については、狭隘部、変化する溶接部ギャップ、姿勢(傾斜)に対する最適溶接方法、溶接線・溶接条件追従方法、溶接トーチのアプローチ方法、ロボット吊り下げ装置、ロボット運転プログラム生成等について、方法の選択・実験・設計を経て、現場での即戦力として適用可能なまでの装置を開発できた。中でも溶接線、溶接条件追従方法については、高速回転アークセンサを用いた高精度の溶接状況の検出により当該システムの中枢部である溶接条件適応制御に効果を発揮した。また、実験結果より立向き溶接についてはギャップ・溶接線の「ズレ」に対する溶接条件適用制御の必要がなく、汎用アークセンサで十分対応できることが判明するとともに、溶接部の傾斜については「自動溶接全体制御システム」のCAMシステムでロボット運転プログラムとして生成し、溶接線の左右の「ズレ」を溶接時にアークセンサで追従、左右の傾斜と部材の傾斜は部材取付け角の1/2に溶接トーチがあるようプログラムすることで、傾斜角度±20度(立向き30度)、ギャップ4mmにおいても良好な溶接結果が得られた。今回製作した装置及びシステムは現状の当該作業を大幅に効率化するものであるが、部分的には更なる効率化の可能性や現場への適応性向上の可能性も秘めていることから、今後の課題を以下に記述する。

 (3次元曲がりブロック傾斜シーム片面溶接ロボット)
  ・制御装置〜本体に至る小型・軽量化、低コスト化
  ・平行部ブロック〜搭載工程に至る板継ぎ溶接への適用拡大
 (3次元曲がりブロック傾斜隅肉溶接ロボット)
  ・溶接ロボットの7軸関節化
  ・アーム長の延長
  ・ロボットの360度旋回の実現
  ・ロボット協調軸のスイングアーム方式の実現
  ・溶接装置全体制御のマルチ制御化
  ・CAD/CAMシステムのより複雑形状に対する効率的なデータ生成





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集計期間:成果物公開〜現在
更新日: 2020年4月4日

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