JP7330843B2 - 表面処理装置及び表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面処理装置の技術に係り、特に、平板上に突出したボルト接合部等の凹凸部における塗膜や付着物の除去を行う場合に好適な表面処理装置、及び表面処理方法に関する。

例えば火力発電所のボイラ建屋等の大型構造物は、一般的に鉄骨構造とされるものが多く、このような構造物の建設工事では、現場で鉄骨同士をボルト接合することで構築されていく。構造を成す鉄骨の端部には、予めボルトを通すための穴が設けられており、鉄骨の端部同士を突き合わせた後、十分な長さと厚みを持ち、かつ同じようにボルト通し穴が設けられた「目板」と呼ばれる鋼板を鉄骨の裏表に渡し、この目板で鉄骨を挟み込むようにしてボルト止めすることで接合が成される。この時、接合の強度を得るために、目板及び目板と接触する鉄骨端部は、ある程度錆させておくことが一般的である。このため、接合後には、接合強度に寄与しない錆や、鉄骨の塗装部と非塗装部（錆させた部分）の境界にある浮いた塗膜は除去し、ボルトナットを含め接合部に腐食止めの塗装を施す作業が行われる。従来、こうした錆や旧塗膜の除去（ケレン）は、ワイヤブラシ等を用いて行われると共に、新たな塗装は刷毛塗りなどで行われ、いずれも手作業の場合が多かった。

特に、目板の表面に凹凸を成すボルト突出部分のケレン作業は、自動化が難しいとされてきた。これに対し、特許文献１－３には、平板から突出したボルト頭の塗膜や付着物を自動で除去するための技術が開示されている。具体的には、ボルト頭の突出部を中心とした外周部を覆うキャップと、このキャップの中に配置されたレーザ発振器とを備えた表面処理装置である。キャップの内側面には反射ミラーが備えられ、キャップの上部側から照射されるレーザ光を反射ミラーに反射させることで、ボルト頭の側面にレーザ光を照射し、ボルト頭側面の塗膜等を除去するという技術である。

特開２０１６－２２１５６１号公報 特開２０１７－１２４４３０号公報 特開２０１７－１２４４１８号公報

特許文献１－３に開示されている表面処理装置によれば、ケレン作業の対象となる凸部（ボルト頭）の周囲をキャップで覆うため、レーザ光の反射による周囲への影響を少なくすることができる。また、キャップの内側面に備えた反射ミラーを介して凸部の側面にレーザ光を当てて塗膜の剥離等が成されるため、凸部であっても自動でケレン作業を行うことが可能となる。

しかし、特許文献１－３に開示されている表面処理装置はいずれも、鋼板等の磁性体で構成されている板（例えば従来技術の項で述べた目板）に対してキャップを固定した上で作業が成される。ここで、鋼板に対するキャップの固定は、いずれの発明においても磁石で成されている。このため、鋼板にキャップを着脱する際には必ず衝撃が発生する。こうした着脱に伴う衝撃は、作業のたび、すなわちボルトの数だけ繰り返されるため、光学系であるレーザ発振器等に過酷な環境となり、場合によっては焦点距離のズレなどを生じさせる虞もある。

また、特許文献１－３に開示されている表面処理装置では、突出部（ボルト、ナット等）及び当該突出部同士の間の距離に応じた寸法のキャップ、すなわち複数種類のキャップを準備する必要がある。このため、対応可能なキャップが無い場合には、ケレン作業を実施することができなくなってしまう虞がある。

そこで本発明では、突出部を有する部位のケレン作業であっても自動化を図る事ができ、かつ、簡易な構成とし様々な大きさ（直径）の突出部（ボルト、ナット等）に対応することのできる表面処理装置、及び表面処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る表面処理装置は、先端部を被処理面に対向させた際、前記被処理面に下ろされる垂線を回転中心とする回転軸により回転するヘッドプレートを有するアーム型ロボットと、前記回転軸を基点として半径方向に離間した状態で前記ヘッドプレートに配置され、前記被処理面に対して前記回転軸と平行な方向にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、前記ヘッドプレートに対して前記レーザ照射装置よりも半径方向外側に配置された反射鏡と、を備え、前記反射鏡は、使用状態と格納状態との切換えを可能とする反射面を有し、前記使用状態では、前記反射面が前記レーザ光の照射経路と交差する位置に配置されることを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する表面処理装置において前記先端部には、前記被処理面との距離を計測する測距センサを備えるようにすると良い。このような構成とすることによれば、ヘッドやレーザ照射装置と被処理面との距離を把握することができる。よって、ヘッドやレーザ照射装置が被処理面や周辺構造物に接触することを防止することができる。

また、上記のような特徴を有する表面処理装置において前記先端部には、撮像手段を備えるようにすると良い。このような特徴を有することによれば、撮像手段によって得られた映像に基づいて表面処理装置を操作することが可能となる。よって、表面処理装置の遠隔操作が可能となる。

また、上記のような特徴を有する表面処理装置では、前記ヘッドプレートの回転軸と前記レーザ照射装置との離間距離を変化させるアクチュエータを有することが望ましい。このような特徴を有することにより、回転軸の半径方向におけるレーザ光の焦点位置（焦点距離）を変化させることができる。よって、直径の異なるボルトやナットであっても容易に対応することが可能となる。

また、上記のような特徴を有する表面処理装置では、前記レーザ照射装置を前記ヘッドプレートの回転軸の軸線方向に沿って移動させるアクチュエータを有することが望ましい。このような特徴を有することにより、レーザ光の焦点位置（焦点距離）を変化させることができる。よって、ボルトやナットの側面（高さ）方向に沿ってのケレン作業が行いやすくなる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る表面処理方法は、被処理面から突出したボルトまたはナットの中心に下ろされる垂線を回転軸として定め、前記回転軸から半径方向に離間した位置から前記被処理面に向けてレーザ光を照射すると共に、前記レーザ光を反射鏡により屈折させて前記ボルトまたは前記ナットの側面に集光させ、前記回転軸周りに前記レーザ光の光源と、前記反射鏡を回転させることを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する表面処理方法において前記被処理面の平坦部を処理する場合には、前記回転軸周りの前記光源と前記反射鏡の回転を停止させ、前記レーザ光の照射経路から前記反射鏡を退避させることが望ましい。このような特徴を有することによれば、平坦部の処理作業においてはレーザ光を屈折させることなく作業を行うことができる。この場合、反射によるエネルギー（熱量）の分散を抑えることができるため、ケレン作業の作業性（例えば走査速度等）を向上させることができる。

さらに、上記のような特徴を有する表面処理方法では、前記回転軸と前記レーザ光の照射位置との離間距離を変化させることにより、前記レーザ光の焦点位置を変化させるようにしても良い。このような特徴を有することにより、回転軸の半径方向におけるレーザ光の焦点位置（焦点距離）を変化させることができる。よって、直径の異なるボルトやナットであっても容易に対応することが可能となる。

さらにまた、上記のような特徴を有する表面処理方法では、前記回転軸の軸線方向に沿って前記レーザ光の照射位置を移動させ、前記焦点の位置を変化させるようにしても良い。このような特徴を有することにより、回転軸の半径方向におけるレーザ光の焦点位置（焦点距離）を変化させることができる。よって、ボルトやナットの側面（高さ）方向に沿ってのケレン作業が行いやすくなる。

上記のような特徴を有する表面処理装置、及び表面処理方法によれば、突出部を有する部位のケレン作業であっても自動化を図る事ができる。また、簡易な構成とし様々な大きさの凸部に対応することが可能となり、汎用性を高めることができる。

実施形態に係る表面処理装置と、被処理面を有する構造物の関係を示す図である。 突出部の側面のケレン作業を行う場合の形態を示す図である。 回転軸Ｌ４周りにヘッドプレートを回転させた状態を示す図である。 レーザ光の照射経路と反射面に対する反射位置との違いによる焦点位置の変化を説明するための図である。 反射鏡（ヘッド）を回転軸Ｌ４の軸線方向に移動させた場合における焦点位置の変化を示す図である。

以下、本発明の表面処理装置、及び表面処理方法に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明を実施する上での好適な形態の一部であり、その効果を奏することのできる範囲において、構成の一部を変更したとしても、本発明の一部とみなすことができる。

［構成］
まず、図１、図２を参照して、本実施形態に係る表面処理装置１０の構成と、処理対象となる構造物の一部について説明する。本実施形態に係る表面処理装置１０は、アーム型ロボット１２と、レーザ照射装置３０、及び反射鏡３２を基本として構成されている。

［アーム型ロボット］
アーム型ロボット１２は、詳細を後述するレーザ照射装置３０を備えるためのヘッド２６と、このヘッド２６に設けられたヘッドプレート２８を回転可能な構成であれば、具体的な構成を限定するものではない。本実施形態では、一般的な６軸制御が可能なアーム型ロボット１２を採用している。

具体的には、ベース１４と、複数のジョイント（第１ジョイント１６から第３ジョイント２０）、複数のアーム（第１アーム２２と第２アーム２４）、及びヘッド２６を有する。ベース１４は、アーム型ロボット１２の基台となる部位であり、磁力やボルト固定などにより、アーム型ロボットを他の部材等に固定するための要素である。図１に示す例では、被処理面４０を構成する目板４４により接合される鉄骨４２に固定されている。

第１ジョイント１６は、ベース１４の近傍に設けられ、第１アーム２２の基端側端部が接続されている。第１ジョイント１６は、第１アーム２２を揺動させる動作と、ベース１４を基点とした垂線に沿った回転軸Ｌ１周りの回転動作を担う要素である。また、第２ジョイント１８は、第１アーム２２の先端側端部が接続されると共に、第２アーム２４の基端側端部を接続している。第２ジョイント１８は、第２ジョイント１８を基点として第２アーム２４を揺動させる動作と、第１アーム２２の延設方向に沿った回転軸Ｌ２周りの回転動作を担う要素である。さらに、第３ジョイント２０は、第２アーム２４の先端側端部が接続されると共に、ヘッド２６が設けられている。第３ジョイント２０は、第３ジョイント２０を基点としてヘッド２６を揺動させる動作と、第２アーム２４の延設方向に沿った回転軸Ｌ３周りの回転動作を担う要素である。

ヘッド２６は、各種作業を担うためのアタッチメントを取り付けるための要素であり、本実施形態では、詳細を後述するレーザ照射装置３０や、反射鏡３２、および測距センサ３６等が備えられる。ヘッド２６には少なくとも、図示しないモータと、このモータによって回転可能に備えられたヘッドプレート２８が設けられている。このような構成のアーム型ロボット１２によれば、ヘッド２６には、６軸の動きを与えることができると共に、ヘッドプレート２８には、モータの回転軸Ｌ４（図２参照）周りの回転動作を与えることができる。よって、ヘッド２６に設けられたモータの回転軸Ｌ４の延長線が、被処理面４０を構成する目板４４に対して垂直に交わることとなるように、ヘッドプレート２８を被処理面４０を構成する目板４４に対向（正対）させる動作と、ヘッドプレート２８を正対させた状態で、モータの回転軸Ｌ４周りにヘッドプレート２８を回転させる動作を実現することができる。

［レーザ照射装置］
レーザ照射装置３０は、レーザ光を照射すると共に、所定の距離に焦点を合わせて集光させることにより、被処理面４０の表面に付着している塗装等を剥離するケレン作業を行うための要素である。

レーザ照射装置３０は、ヘッドプレート２８に備えられている。また、ヘッドプレート２８上の配置位置は、回転軸Ｌ４から半径方向に離間した位置とされている。回転軸からの離間距離は、定位置としても良いが、図示しないアクチュエータ（第１アクチュエータ）などにより、任意の位置に制御することができるようにしても良い。

実施形態に係る表面処理装置１０では、図２に示すように、レーザ照射装置３０から照射されたレーザ光を反射鏡３２の反射面３２ｂにより屈折させてケレン作業を行うことがある。この際、図４に示すように、照射するレーザ光を幅Ｗ１のレーザ光（以下、ラインレーザと称す）とした場合、屈折と投光面の角度（目板４４を基点とした角度）によって照射幅が変化する。この時、図４に示すように投光面の角度が垂直な場合、投光されるラインレーザの焦点位置は、Ｐ１からＰ２までの範囲（幅Ｗ２の範囲）となり、Ｐ１以外の焦点距離は、ナット４８の内側に位置することとなる。ケレン作業は、エネルギーが集中する焦点位置のみで行うことができるため図４に示す例では、ナット４８の外側面に位置する焦点Ｐ１のみでケレン作業を行うこととなる。このように焦点位置（焦点距離）に幅を持たせるようにラインレーザを使用した場合、レーザ光の照射範囲の中で焦点距離が一致する箇所を見つけやすく、突出部の側面（高さ）方向での位置決めや、直径が異なる場合など、その焦点位置に応じた箇所でのケレン作業を行い易くなる。

［反射鏡］
反射鏡３２は、上述したように、レーザ光の照射経路の反射面３２ｂを交差させることで、レーザ光を屈折させる役割を担う要素である。反射鏡３２の構成としては、ミラーベース３２ａと、反射面３２ｂとを有し、反射面３２ｂは、ミラーベース３２ａに対して傾倒自在とされている。また、反射面３２ｂは、図示しないアクチュエータ（第２アクチュエータ）などにより、傾倒角度を制御することを可能としている。

なお、反射鏡３２は、回転軸Ｌ４を基点として、レーザ照射装置３０よりも半径方向外側に配置されている。レーザ照射装置３０から照射されるレーザ光を、回転軸Ｌ４側に反射させるためである。

図１に示すように、被処理面４０における平坦部（目板４４表面）のケレン作業をする際には、レーザ光を屈折させる必要は無く、この場合には、反射面３２ｂをレーザ光の照射経路から退避させることが望ましい。なお、レーザ光を屈折させる角度（入射角θと反射角θ）の制御によっても、レーザ光の焦点を調節することができる。

また、反射鏡３２には、エアノズル３４などの塵埃除去手段を備えるようにしても良い。ケレン作業によって生じた塵埃が反射面３２ｂに付着した場合、レーザ光の反射を妨げたり、拡散させたりすることで、ケレン作業の進行を妨げることがある。こうした場合、反射面３２ｂの拭き取り作業等を行うことにより、反射面３２ｂに付着した塵埃を除去することが必要になるが、エアノズル３４からエアを噴出させて塵埃を除去することができれば、拭き取り作業を行う必要がなくなるといったメリットがある。

［測距センサ］
測距センサ３６は、ヘッド２６（レーザ照射装置３０）と被処理面４０との距離を計測するための要素である。被処理面４０とレーザ照射装置３０との距離を調整して焦点距離に合わせることで、被処理面４０のケレン作業が可能となるからである。

測距センサ３６は、レーザ距離計などであれば良く、本実施形態では、撮像手段（図示せず）を付帯する構成としている。撮像手段により得られた映像に基づいて得られる平面座標と、レーザ距離計などにより得られる距離情報を合わせれば、被処理面４０とアーム型ロボット１２の三次元的な位置関係を把握することができ、これによりロボットを任意の位置姿勢に位置決めすることが可能となる。また、被処理面４０や周辺構造物に接触することを防ぐことができる。

［処理対象となる構造物］
なお、上記のような構成の表面処理装置１０によるケレン作業の対象となる被処理面４０は、例えば、構造物の一部を構成する鉄骨４２の端部同士を突き合せた部位を挟持する目板４４と、この目板４４の表面に位置する突出部である。ここで、突出部は、目板４４と、鉄骨４２の端部に設けられた貫通孔に挿通されたボルト４６と、このボルト４６を固定して、目板４４による挟持状態を安定させ、鉄骨４２の接合を成すナット４８と、によって構成されている。

［作用］
上記のような構成の表面処理装置では、被処理面４０のケレン作業を次のようにして行うことができる。まず、平面部（目板４４の表面）におけるケレン作業について説明する。平面部のケレン作業は、図１に示すように、被処理面４０にヘッドプレート２８を正対させ、レーザ照射装置３０からレーザ光を照射して行う。レーザ光を照射させた状態で、被処理面４０を走査するようにヘッド２６を移動させることで、平面部のケレン作業が完了する。

次に、被処理面４０の突出部であるボルト４６部分とナット４８部分のケレン作業を行う場合について説明する。ボルト４６部分とナット４８部分のケレン作業は、側面に付着している塗装等の剥離を行う作業である。この場合、ヘッドプレート２８の回転中心（中心軸Ｌ４）の延長線上に、ボルト４６とナット４８における軸中心を合わせる。

次に、反射鏡３２の反射面３２ｂをレーザ光の照射経路に交差させるように、所定角度θにセットする。反射面３２ｂをセットした後、入射角θと反射角θの関係から、レーザ光の到達位置と焦点位置を求め、ヘッド２６と被処理面４０との距離や、回転軸Ｌ４とレーザ照射装置３０との離間距離を求め、適正となる位置に調整する。この状態でレーザ照射装置３０からレーザ光を照射することで、レーザ光は反射鏡３２の反射面３２ｂに反射し、ボルト４６あるいは、ナット４８の側面に照射され、側面部分のケレン作業が可能となる。

ボルト４６部分とナット４８部分の側面にレーザ光が照射されている状態で、ヘッドプレート２８を回転軸Ｌ４周りに回転させる制御を行う。これによりレーザ照射装置３０は、ボルト４６とナット４８の外周側に円を描くように移動することとなる。移動時における各位置においてレーザ光は、反射面３２ｂによりボルト４６とナット４８の側面へ照射されることとなる。このため、ボルト４６とナット４８の外周に沿ってレーザ光が照射され、ケレン作業が成されることとなる。

ボルト４６とナット４８の側面部分におけるケレン作業は、上記のようにしてレーザ照射装置３０を円周に沿って移動させる動作と、ヘッド２６（ヘッド２６に付帯されているレーザ照射装置３０と反射鏡３２を含む）を回転軸Ｌ４の軸線方向に移動させることで、図４、図５に示すように、レーザ光の照射範囲をボルト４６やナット４８の突出方向に移動させる動作といった２つの動作の組み合わせにより行うことができる。

なお、平面部のケレン作業についても、反射鏡３２の反射面３２ｂを介して屈折させたレーザ光で行うことはできるが、反射によるエネルギーの減衰や、照射範囲（幅Ｗ１）の変化を考慮した場合には、直接レーザ光を照射した場合の方がエネルギー効率が高い。

［効果］
上記のような構成の表面処理装置１０によれば、被処理面４０に突出部を有する場合のケレン作業であっても自動化を図る事が可能となる。また、キャップなどにより突出部を覆う構成ではなく、比較的簡易な構成であるため、様々な大きさ（直径）の突出部（ボルト４６、ナット４８等）に対応することが可能となる。

また、ヘッドプレート２８を回転軸Ｌ４周りに回転させるだけで突出部外周のケレン作業を完了させることができる。よって、レーザ光が突出部の側面に照射されるように、ヘッド２６を複雑に移動制御させる必要がない。また、レーザ光としてラインレーザを採用し、突出部の外周に対して焦点位置が異なる位置（ラインレーザの幅に合わせて焦点距離に奥行を持たせること）となるようにすることで、レーザ光の照射範囲の中で焦点距離が一致する箇所を見つけやすく、突出部の側面（高さ）方向での位置決めや、直径が異なる場合など、その焦点位置に応じた箇所でのケレン作業を行い易くなる。

［応用形態］
上記実施形態では、測距センサ３６について、撮像手段により得られる映像（画像）により平面座標を取得すると共に、レーザ距離計によって距離情報を取得する旨記載した。しかしながら、撮像手段により得られる映像から必ずしも平面座標を取得する必要は無く、映像そのものと、距離情報とに基づいて、ヘッド２６の位置をアバウトに行い、ケレン作業を行うようにしても良い。

また、上記実施形態では、レーザ照射装置３０から照射されるレーザ光について、幅Ｗ１のラインレーザとした場合について説明している。しかしながら、レーザ照射装置３０から照射されるレーザは、いわゆるスポット型のレーザ光（スポットレーザと称す）としても良い。照射されるレーザ光をスポットレーザとした場合には、ヘッドプレート２８における回転軸Ｌ４とレーザ照射装置３０との離間距離を変化させることで、ラインレーザと同等な照射範囲をカバーすることが可能となる。なお、レーザ照射装置３０を固定とした場合でも、回転軸Ｌ４と反射鏡３２との離間距離を調整する構成とすることで、同様な効果を得ることができる。また、当然に、レーザ照射装置３０と反射鏡３２の双方を動かす構成としても良い。

上記実施形態では表面処理装置１０について、ヘッド２６にレーザ照射装置３０や反射鏡３２、測距センサ３６等を配置することで、ケレン作業を行うものとしている。しかしながら、アーム型ロボット１２のヘッド２６部分は、アタッチメント型として、他の機能を有する要素と切替可能としても良い。例えば、図示しないスプレーノズル等を備えた塗装手段を装着し、ケレン作業終了後に塗装を実行するようにしても良い。

１０………表面処理装置、１２………アーム型ロボット、１４………ベース、１６………第１ジョイント、１８………第２ジョイント、２０………第３ジョイント、２２………第１アーム、２４………第２アーム、２６………ヘッド、２８………ヘッドプレート、３０………レーザ照射装置、３２………反射鏡、３２ａ………ミラーベース、３２ｂ………反射面、３４………エアノズル、３６………測距センサ、４０………被処理面、４２………鉄骨、４４………目板、４６………ボルト、４８………ナット。

Claims (9)

1. 先端部を被処理面に対向させた際、前記被処理面に下ろされる垂線を回転中心とする回転軸により回転するヘッドプレートを有するアーム型ロボットと、
   前記回転軸を基点として半径方向に離間した状態で前記ヘッドプレートに配置され、前記被処理面に対して前記回転軸と平行な方向にレーザ光を照射するレーザ照射装置と、
   前記ヘッドプレートに対して前記レーザ照射装置よりも半径方向外側に配置された反射鏡と、を備え、
   前記反射鏡は、使用状態と格納状態との切換えを可能とする反射面を有し、前記使用状態では、前記反射面が前記レーザ光の照射経路と交差する位置に配置されることを特徴とする表面処理装置。
2. 前記先端部には、前記被処理面との距離を計測する測距センサが備えられていることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
3. 前記先端部には、撮像手段が備えられていることを特徴とする請求項２に記載の表面処理装置。
4. 前記ヘッドプレートの回転軸と前記レーザ照射装置との離間距離を変化させるアクチュエータを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面処理装置。
5. 前記レーザ照射装置を前記ヘッドプレートの回転軸の軸線方向に沿って移動させるアクチュエータを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面処理装置。
6. 被処理面から突出したボルトまたはナットの中心に下ろされる垂線を回転軸として定め、
   前記回転軸から半径方向に離間した位置から前記被処理面に向けてレーザ光を照射すると共に、前記レーザ光を反射鏡により屈折させて前記ボルトまたは前記ナットの側面に集光させ、
   前記回転軸周りに前記レーザ光の光源と、前記反射鏡を回転させることを特徴とする表面処理方法。
7. 前記被処理面の平坦部を処理する場合には、前記回転軸周りの前記レーザ光の光源と前記反射鏡の回転を停止させ、
   前記レーザ光の照射経路から前記反射鏡を退避させることを特徴とする請求項６に記載の表面処理方法。
8. 前記回転軸と前記レーザ光の照射位置との離間距離を変化させることにより、前記レーザ光の焦点位置を変化させることを特徴とする請求項６に記載の表面処理方法。
9. 前記回転軸の軸線方向に沿って前記レーザ光の照射位置を移動させ、前記レーザー光の焦点位置を変化させることを特徴とする請求項６に記載の表面処理方法。

Images