CN100586668C - 高炉炉顶维修机器人运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高炉炉顶维修机器人运动机构。它包括一个与高炉炉顶人孔固定连接而处于高炉炉顶内腔的支撑架，支撑架上安装一个转台，转台的转动中心处于高炉炉顶的中心处；转台上安装一个升降台，升降台上安装一个伸缩臂。本机构很好的实现了机构的三自由度运动。本机构具有结构简单，刚度好，运动位置能够自动精确控制，满足工业机器人的作业要求。

Description

高炉炉顶维修机器人运动机构

技术领域

本发明涉及一种高炉炉顶维修用工业机器人的运动机构，属于特种大型工业机器人技术领域。

背景技术

在企业特大型设备维修过程中，往往会遇到一些困难，或者危险，例如对体积为2500立方米高约40米的高炉炉顶(如图1)的维修，对高炉锥形顶部内部的焊接预埋钢脚和喷耐火材料就是一项难度很大的工作。现在这项工作都是由人工来完成，不但效率低，质量差，工人也有掉落下来的危险，对生命造成威胁。于是考虑使用大型工业机器人来代替工人进行作业。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种高炉炉顶维修运动机构，使得作业工具焊枪和喷头等能够首先伸到高炉炉膛内壁，然后沿内壁进行圆周旋转作业，在完成一圈之后，伸缩臂根据工况进行伸缩，之后作业工具能够升降到另一个需要作业的位置，从而可使作业工具沿着炉膛的壁面进行作业，提高工作效率，节约了人力成本和降低了危险系数。其结构简单，刚度好，运动位置能够由计算机实现自动精确控制。

为达到本发明的目的，本发明的构思是：

根据高炉自身的圆柱状的特点，发明了圆柱坐标式机械结构。此机构能够很好地完成高炉的圆锥形顶部内壁表面上的作业。该圆柱坐标式机械结构为空间运动机构，有三个自由度，主要有四个部分组成，包括支撑架、转台(如图2)、升降台(升降架如图1)、伸缩臂(如图5)等，转台、升降台和伸缩臂各实现一个自由度的运动。支撑架是一个大型的整体式壳体造型，上面带有吊环，用于吊车的吊送，顶部有法兰，可以依托法兰将机器人固定于高炉壁溜槽布料机的安装人孔上，端部开有线孔，便于电缆、耐火材料输送管和焊丝等在壳体内部通过，通至机器人作业工具处。

转台由底箱和台面组成，底箱固定在支撑架上，台面和底箱通过滚子式旋转支撑装置连接，滚子式旋转支撑装置能够有效降低摩擦与磨损，承载能力大，能承受较大的倾覆力矩，结构紧凑；在底箱内壁上安装有齿轮箱，它的输出轴穿出底箱并与台面固定连接，电机驱动齿轮箱的输入轴，从而实现转台的转动。底箱中可以装配电器设备和工作设备等，其电缆、耐火材料输送管和焊丝等可以通过转台空心轴的空腔与上方的作业工具连接。

升降台包含一个升降架，升降架有上下两个滑轨，升降架的下滑轨固定在转台的台面上，下滑轨既能作为升降架的支座，又可安装滚珠丝杠驱动机构，滑块螺母可在其上滑动；升降架采用叉式机构，四根连杆由连接轴连接，其上部和下部通过滑块与滑轨连接，下部滑块由滚珠丝杠驱动。

伸缩臂是一个两级伸缩壳体结构，伸缩臂第一节固定在升降台的顶板上；伸缩臂第二节上装有齿轮，与第一节上安装的齿条啮合传动，在电机的驱动下，第二节可以沿第一节内壁做伸缩运动；伸缩臂第三节用滚珠丝杠驱动，滚珠丝杠和装在伸缩臂第二节上的螺母导块配合运动，从而使第三节运动，伸缩臂第三节顶端可以安装喷头，焊枪等作业工具。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种高炉炉顶维修机器人机构，包括一个与高炉炉顶人孔固定连接而处于高炉炉顶内腔的支撑架，其特征在于所述的支撑架上安装一个转台，转台的转动中心处于高炉炉顶的中心处；所述的转台上安装一个升降台；所述的升降台上安装一个伸缩臂。

上述的支撑架是一个呈“L”形的整体式壳体，由头部、“L”形壳体和端部焊接构成，其头部的进口成斜面与高炉炉顶的人孔匹配固定连接；端部与所述的转台固定连接，头部和端部与“L”形壳体连接界面处均有线孔，连接处有筋板，头部上有吊环。

上述的转台是：一个底箱与所述的支撑架的端部固定连接，底箱顶部内壁安装一个齿轮箱，齿轮箱下面安装一个电机，电机经齿轮箱传动转台的砖轴，该转轴为为空心转轴，伸出底箱顶端，转轴的顶端通过一个顶盖固定连接一个台面，台面下方有一个固定的底盘，台面下面固定连接一个支撑体，支撑体上装有圆锥滚子支撑圈与底盘的凹槽形成滚动支撑。

上述的升降台是：由一块顶板和两个折叠式升降架构成；两个折叠式升降架平行排列，下端的两根下滑轨与台面固定连接，两套叉形铰链连杆的下端两侧与两个螺母滑块铰连，螺母滑块与下滑轨滑配，一根由电机驱动的螺杆与下滑轨平行安装，螺杆与两个螺母滑块旋配，两个螺母滑块的螺纹旋转方向相反，连杆通过销钉相互铰连，连杆上端与上滑块铰连，上滑块与上滑轨滑配，上滑轨与顶板固定连接。

上述的伸缩臂为两级伸缩机构：第一节固定管固定安装在所述的顶板上；第二节滑动管滑动套装在第一节固定管内，第一节固定管内沿长度方向固定一条齿条，第二节滑动管内安装一个电机，其输出轴上安装一个齿轮与所述的齿条啮合；第三节滑动架与第二节滑动管滑配，第三节滑动架与第二节滑动管内滑动的垫板固定连接，第三节滑动架的两个端板之间安装一个由电机驱动的滚珠丝杆，滚珠丝杆与固定在第二节滑动管内的一个螺母块旋配。

本发明的特点是结构简单，控制方便，由于采用圆柱坐标式三自由度运动机构，转动、升降和移动三自由度各自独立驱动，在升降台升高数米，伸缩臂数米等恶劣工况下，机构因挠度引起的偏差可经计算机软件补偿，便于满足工程精度要求。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是高炉与维修机器人的整体安装结构示意图。

图3是高炉的结构示意图。

图4是支撑架的结构说明图。

图5是转台的结构示意图。

图6是转台的齿轮箱示意图。

图7是升降架结构主视图。

图8是升降架结构右视图。

图9是伸缩臂结构主视图。

图10是伸缩臂结构右视图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：参见图1、图2、图3和图4，本高炉炉顶维修机器人运动机构采用圆柱坐标式的机械运动机构，它含有三个自由度，该结构将各自实现一个自由度运动的三个分机构组装在一起，并固定在支撑架4上，形成了一个整体结构。其具体实施方式是通过三个分机构协同作业共同完成的，在柱坐标空间内或转动或移动，最终使末端的作业工具到达预期的高炉炉顶内壁表面。

参见图4和图5，支撑架4是一个呈大“L”形的整体式壳体11造型，头部7粗端部9细，头部7和高炉6壁上的人孔5相接触，其利用自身的法兰将机器人整体固定在高炉溜槽布料机的安装固定在人孔5上。端部9在满足强度和刚度的要求上尽量减小尺寸，与转台3的底箱20固定连接后可以使底箱20的转动中心与高炉6的中心轴重合，得到精确的定位。支撑架4上有吊环8可以用吊车之类的起重装备吊起，工作时移入高炉，完成后移出高炉，实现工业机器人与工作环境之间的动作。在头部7与端部9的连接处有筋板12来增加支撑架4的强度，在端部9与底箱20连接处开有线孔10，能够使电缆、耐火材料输送管和焊丝等在支撑架壳体内部通过，通至机器人作业工具处。

参见图5和图6，转台3包括底箱20、圆柱形滚子支撑体18、台面19、齿轮箱15，圆锥形滚子支撑体17，底盘16和顶盖14。底箱20是一个正方形壳体，根据需要除了作为其他分机构的底座之外，还和台面19通过滚子式旋转支撑装置连接，并且在形体中安装有焊接设备，喷涂设备和电气设备等，最大限度的利用了空间，使结构更加紧凑。滚子式旋转支撑装置采用圆锥形滚子支撑体17承受垂直力，圆锥形滚子支撑体17是由圆锥形滚子装在拉杆构成的保持架上构成的，倾覆力由圆柱形滚子支撑体18承受，水平力由齿轮箱15的转轴21作为中心轴承受。底盘16起到支撑圆锥形滚子和支撑圆柱形滚子的作用，台面19和转轴21通过顶盖14固定连接。在底箱20内壁上安装有齿轮箱15，其转轴21是一个空心轴，其空腔可以使电缆、耐火材料输送管和焊丝等通过，可以防止在转动时不必要的缠绕。电机22驱动齿轮箱15的输入轴，从而实现转台的转动，然后带动台面19上的其他两个分机构转动，实现绕Z轴的在X-Y平面内旋转运动，旋转角度范围为0-360度，Z轴与高炉的中心线重合。

参见图7和图8，升降台2和伸缩臂1都可以实现机器人的空间移动。升降台2是用两个升降架和一块顶板23组成的，两个升降架对称安装在台面19的中心孔的两侧，升降架有上下两个滑轨25、28，采用叉式机构，升降架的下滑轨28作为底部与台面19连接固定，下滑轨28上安装了滚珠丝杠29，下滑轨28与连杆30通过下螺母滑块26连接，下螺母滑块26有两个功能，一个是滑块可以在下滑轨28的滑道中作直线移动，另一个是和滚珠丝杠29连接，受其驱动。各根连杆30通过连接轴43、31、32连接，最后与上滑轨25构成一个整体。电机27驱动滚珠丝杠29旋转，带动下螺母滑块26沿着滑道直线运动，再带动各根连杆30连动，之后带动上滑块24沿上滑轨25的轨道滑动，从而使上滑轨25做直线升降运动，顶板23将两个上滑轨固定在同一平面上，也即顶板23做直线升降运动，并且顶板23上在中部位置开有两个圆孔，可以使电缆、耐火材料输送管和焊丝等通过。升降架的两个支架结构相反，即下螺母滑块26相向运动，与相同的运动方向相比能够提升机构的稳定程度，获得更好的支撑，此机构将旋转运动转化为垂直移动，实现了升降台在Z轴方向上的直线移动。

参见图9和图10，伸缩臂1是一个两级伸缩机构，是根据高炉顶部是锥形体而设计的，随着锥形体上下半径的变化而伸缩；伸缩臂1第一节固定管33固定在顶板23上，并在内部装有齿条39，伸缩臂1第二节滑动管34一端装有齿轮41，在电机42的驱动下，通过齿轮齿条传动，能够使第二节滑动管34相对第一节固定管33内做直线移动。伸缩臂1第三节滑动架37由垫板44固定连接，滑动架37的两端装有端板38，滚珠丝杠18安装在端板38上，并和固定在伸缩臂1第二节滑动管34上的螺母导块35连接，在电机40的驱动下，滚珠丝杠36旋转运动，通过螺母导块35转变为伸缩臂1第三节滑动架37的直线移动，至此可以实现X-Y平面内的移动过程。伸缩臂1第三节滑动架37尾部顶端可以安装喷涂设备和焊接设备等作业工具，以满足工业机器人的需要。

Claims (3)

1.一种高炉炉顶维修机器人运动机构，包括一个与高炉炉顶(6)人孔(5)固定连接而处于高炉炉顶(6)内腔的支撑架(4)，其特征在于所述的支撑架(4)上安装一个转台(3)，转台的转动中心处于高炉炉顶的中心处；所述的转台(3)上安装一个升降台(2)；所述的升降台(2)上安装一个伸缩臂(1)；

所述的支撑架(4)是一个呈“L”形的整体式壳体，由头部(7)、“L”形壳体(11)和端部(9)焊接构成：其中，头部(7)的进口成斜面与高炉炉顶(6)的人孔(5)匹配固定连接；端部(9)与所述的转台(3)固定连接，头部(7)和端部(9)与“L”形壳体(11)连接界面处均有线孔(10)；头部(7)与“L”形壳体(11)连接处有筋板(12)，头部(7)上有吊环(8)；

所述的转台(3)是：一个底箱(20)与所述的支撑架(4)的端部(9)固定连接，底箱(20)顶部内壁安装一个齿轮箱(15)，齿轮箱(15)下面安装一个第一电机(22)，第一电机(22)经齿轮箱(15)传动转台(3)的转轴(21)，该转轴(21)为空心转轴，且伸出底箱(20)顶端，转轴(21)的顶端通过一个顶盖(14)固定连接一个台面(19)，台面(19)下方有一个固定的底盘(16)，底盘(16)位于底箱(20)和台面(19)之间，台面(19)下面固定连接一个圆柱形滚子支撑体(18)，圆柱形滚子支撑体(18)上装有圆锥滚子支撑圈(17)与底盘(16)的凹槽形成滚动支撑。

2.根据权利要求1所述的高炉炉顶维修机器人运动机构，其特征在于所述的升降台(2)是：由一块顶板(23)和两个折叠式升降架构成；两个折叠式升降架平行排列，下端的两根下滑轨(28)与台面(19)固定连接，其中，两套叉形铰链连杆(30)的下端两侧与两个螺母滑块(26)铰连，螺母滑块(26)与下滑轨(28)滑配，一根由第二电机(27)驱动的螺杆(29)与下滑轨(28)平行安装，螺杆(29)与两个螺母滑块(26)旋配，两个螺母滑块(26)的螺纹旋转方向相反；每套叉形铰链连杆(30)通过各自销钉(31、32)铰连，且每套叉形铰链连杆(30)上端与上滑块(24)铰连，上滑块(24)与上滑轨(25)滑配，上滑轨(25)与顶板(23)固定连接。

3.根据权利要求2所述的高炉炉顶维修机器人的运动机构，其特征在于所述的伸缩臂(1)为两级伸缩机构：第一节固定管(33)固定安装在所述的顶板(23)上；第二节滑动管(34)滑动套装在第一节固定管(33)内，第一节固定管(33)内沿长度方向固定一条齿条(39)，第二节滑动管(34)内安装一个第三电机(42)，第三电机(42)输出轴上安装一个齿轮(41)与所述的齿条(39)啮合；第三节滑动架(37)与第二节滑动管滑配，第三节滑动架(37)与第二节滑动管(34)内滑动的垫板(44)固定连接，第三节滑动架的两个端板(38)之间安装一个由第四电机(40)驱动的滚珠丝杆(36)，滚珠丝杆(36)与固定在第二节滑动管(34)内的一个螺母块(35)旋配。

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