CN101850467B - 一种回转体相贯线切割焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转体相贯线切割焊接装置，涉及回转体切割焊接设备制造领域，包括上下定位系统、轴向移动系统、切割系统、控制系统；上下定位系统包括步进电机B(8)、丝杠A(9)、螺母A(7)、移动副A(4)和齿轮架(3)；切割系统包括步进电机A(6)、小齿轮(5)、大齿圈(2)、切割执行头夹具(11)、等离子切割机喷嘴(1)、滚子(10)；轴向移动系统包括步进电机C(15)、丝杠B(14)、螺母B(13)、回转体定位平台(12)、移动副B(16)。本发明操作简便、加工精度高、制作成本低。

Description

一种回转体相贯线切割焊接装置

技术领域

本发明专利涉及回转体切割焊接设备制造领域，特别是回转体相贯线切割焊接装置领域。 

背景技术

回转体相贯的形式在很多领域被广泛应用，特别是电厂、石油化工、造船、压力容器等行业，更是达到了批量化，因此提高加工效率和质量在这些行业中被放在了很重要的位置。 

一些高校及科研单位已经开始对这一课题进行研究，有的甚至已经设计出了模型或者实体机床。目前管道相贯线机器人的运动分配方式有两种。第一种是管道静止，割炬同时完成绕管道表面转动和沿回转体轴向移动。如北京航空航天大学设计的骑座相贯线焊接机器人。在工作过程中相贯的筒体保持静止，而机器人通过四爪卡盘固定在相贯筒体上。由于既要控制焊枪姿态又要控制运动轨迹，因此需要5个自由度，通过这5个自由度的配合来运动出相贯线的空间轨迹。骑座相贯线焊接机器人虚拟仿真的效果不错，但其不仅控制很复杂，造价也相当的昂贵(《北京航空航天大学学报》2008年第8期第964-968页《骑座相贯线焊接机器人运动学分析及仿真》)。第二种是管道转动，割炬沿管道轴向运动。如武汉领航数控科技有限公司设计的数控相贯线切割机，由卡盘夹住钢管旋转，在钢管的长度方向上配有几个可移动的托架，托住旋转的钢管，带有割炬的移动小车沿钢管长度方向平行运动，控制器控制割炬运动，切割相贯线。但是管子稍有弯曲，就要调整托架的位置，才能切割，切割时要随时注意托架位置的调整，以保持管子的水平，若位置调整不好，会产生较大的切割误差。此外，靠近卡盘区总会有一段盲区不能切割，对管子的成材率又较大影响。而且卡盘的夹紧力较大会使管道变形。因此其加工精度和自动化程度受管道变形的影响较大，成材率低，加工过程中还会使管道变形。以上这两种形式只能对圆柱类的回转体进行切割，而对圆锥面及抛物线回转面等复杂回转面无法进行作业。 

发明内容

本发明解决的问题是提供一种自动化的回转体相贯线切割焊接装置，其工作方式简单可靠，在保证自动化加工的同时降低控制系统难度，成本低廉。可满足不同类型回转体相贯线切割焊接的需求。 

本发明的技术方案是： 

回转体相贯线切割焊接装置包括上下定位系统、轴向移动系统、切割系统、控制系统。 

上下定位系统包括步进电机B、丝杠A、螺母A、移动副A和齿轮架。齿轮架为五边形框 架；用于回转体定位；螺母A与齿轮架固定连接；齿轮架两侧与移动副A相连，齿轮架可通过移动副A在竖直方向移动；步进电机B通过丝杠A和螺母A驱动齿轮架竖直方向移动。 

切割系统包括步进电机A、小齿轮、大齿圈、切割执行头夹具、等离子切割机喷嘴、滚子。大齿圈为圆环形，大齿圈外缘的中部设有轮齿，大齿圈外缘的轮齿两侧设有光滑台阶；大齿圈通过圆周上120°均布的六个滚子固定在齿轮架上，滚子紧贴在大齿圈外侧的台阶上；小齿轮为普通标准齿轮，其模数与大齿圈相等；小齿轮固定在齿轮架上，小齿轮和大齿圈啮合；切割执行头夹具一端通过螺栓联接在大齿圈内侧；切割执行头夹具夹持着等离子切割机喷嘴；步进电机A与小齿轮联接，步进电机A驱动小齿轮使大齿圈作定轴转动，即等离子切割机喷嘴可沿着大齿圈的轴心作周向转动；切割执行头夹具固定等离子切割机喷嘴的一端沿径向开有长槽，等离子切割机喷嘴可沿径向调节以适应不同回转直径的回转体。 

轴向移动系统包括步进电机C、丝杠B、螺母B、回转体定位平台、移动副B。回转体定位平台为矩形平台；回转体定位平台两侧与移动副B相连，回转体定位平台可通过移动副B沿轴向移动；螺母B与回转体定位平台固定联接；步进电机C可通过丝杠B和螺母B驱动回转体定位平台轴向移动，即让安放在回转体定位平台上的被切割回转体沿轴向移动。 

轴向移动系统中丝杠B的轴线与切割系统中大齿圈的轴心线平行且在同一竖直面上。 

控制系统包括单片机控制卡、三个步进电机驱动器、电源，所述单片机控制卡连接三个所述步进电机驱动器，三个所述步进电机驱动器分别连接步进电机A、步进电机B和步进电机C。电源为单片机控制卡、步进电机驱动器和步进电机提供所需的电压；单片机控制步进电机驱动器，按照程序设定使得驱动器发出一定的脉冲来驱动步进电机。 

本发明的有益效果是： 

1、该回转体相贯线切割焊接装置采用了独特的驱动分配原理，使得所设计的装置控制系统简单，加工精度高，制作成本大大降低。 

2、该回转体相贯线切割焊接装置不仅可以对圆柱面-圆柱面的相贯线进行切割焊接，而且还可以对圆锥面-圆柱面、抛物线回转面-圆柱面等复杂回转面与圆柱面的相贯线进行切割焊接。 

3、该回转体相贯线切割焊接装置的设计为相贯线等复杂空间曲线的数学建模提供了一种简捷的方法。 

附图说明

图1为上下定位系统和切割系统结构示意图。 

图2为轴向移动系统结构示意图。 

图3为本发明整体布局图。 

图4为大齿圈的结构示意图。 

图5为被切割或焊接圆锥面与圆柱面正交相贯线工件示意图。 

图中，1、等离子切割机喷嘴；2、大齿圈；3、齿轮架；4、移动副A；5、小齿轮；6、步进电机A；7、螺母A；8、步进电机B；9、丝杠A；10、滚子；12、回转体定位平台；13、螺母B；14、丝杠B；15、步进电机C；16、移动副B；17、轮齿；18、台阶。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行比较详细的描述： 

回转体相贯线切割焊接装置主要由上下定位系统、轴向移动系统、切割系统、控制系统四部分组成。 

上下定位系统包括步进电机B8、丝杠A9、螺母A7、移动副A4和齿轮架3。齿轮架3为五边形框架；用于回转体定位；螺母A7与齿轮架3固定连接；齿轮架3两侧与移动副A4相连，齿轮架3可通过移动副A4在竖直方向移动；步进电机B8通过丝杠A9和螺母A7驱动齿轮架3竖直方向移动。定位时，回转体轴心线与大齿圈2轴心线垂直，同时也与回转体定位平台12垂直。将已知形状的回转体安放在回转体定位平台12上后，在人机界面上输入被切割回转体的基本参数，这时通过控制系统计算出与回转体相贯圆柱体轴心线的高度与大齿圈轴心高度的差值，从而得出步进电机B8所需要的脉冲数和转向，步进电机得到指令后就可以通过丝杠A9和螺母A7来驱动齿轮架升降，使得大齿圈的轴心与和回转体相贯圆柱体轴心线的高度同轴，这样就可以完成切割前的定位作业。 

切割系统包括步进电机A6、小齿轮5、大齿圈2、切割执行头夹具11、等离子切割机喷嘴1、滚子10。大齿圈2为圆环形，大齿圈2外缘的中部设有轮齿17，大齿圈2外缘的轮齿两侧设有光滑台阶18；大齿圈2通过圆周上120°均布的六个滚子固定在齿轮架3上，滚子紧贴在大齿圈2外侧的台阶上；小齿轮5为普通标准齿轮，其模数与大齿圈2相等；小齿轮5固定在齿轮架3上，小齿轮5和大齿圈2啮合；切割执行头夹具11一端通过螺栓联接在大齿圈2内侧；切割执行头夹具11夹持着等离子切割机喷嘴1；步进电机A6与小齿轮5联接，步进电机A6驱动小齿轮5使大齿圈2作定轴转动，即等离子切割机喷嘴1可沿着大齿圈2的轴心作周向转动；切割执行头夹具11固定等离子切割机喷嘴1的一端沿径向开有长槽，等离子切割机喷嘴1可沿径向调节以适应不同回转直径的回转体。 

轴向移动系统包括步进电机C15、丝杠B14、螺母B13、回转体定位平台12、移动副B16。回转体定位平台12为矩形平台；回转体定位平台12两侧与移动副B16相连，回转体定位平 台12可通过移动副B16沿轴向移动；螺母B13与回转体定位平台12固定联接；步进电机C15可通过丝杠B14和螺母B13驱动回转体定位平台12轴向移动，即让安放在回转体定位平台12上的被切割或焊接回转体沿轴向移动。轴向移动系统中丝杠B14的轴线与切割系统中大齿圈2的轴心线平行且在同一竖直面上。 

当定位作业完成后就开始进入切割作业，切割作业时需要控制系统控制两台步进电机工作。工作执行头通过两台步进电机的驱动可同时做周向转动和轴向移动，这样就可以在回转体表面运动出相贯曲线。 

结合图5，进一步说明具体实施切割或焊接圆锥面与圆柱面正交相贯线工件，切割焊接工作前两回转体形状和所需切割焊接位置已知，K点是切割焊接喷头所在位置，θ为切割焊接头(1)转过的角度，即大齿圈(2)所转过的角度，y为轴向的进给量。现将相贯线离散化为有限个均匀的点，每一点所在位置的角度错误！未找到引用源。(i＝0，1，2，3……)，由错误！未找到引用源。即可计算出错误！未找到引用源。(i＝0，1，2，3……)的值，而(错误！未找到引用源。)就是从第i点到第i+1点大齿圈(2)所要转过的角度，(错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。)是从第i点到第i+1点回转体轴向所需的进给量。这样通过控制系统来控制电机(9)和电机(19)每步的转动量就可以精确地完成相贯线的切割焊接作业。 

控制系统采用嵌入式控制。在人机界面上输入被切回转体和对接回转体的半径，完成定位作业后，控制系统从数据库中调出对应的数据，按照程序运行分别向两台步进电机发出对应数量的脉冲，控制两台步进电机的运行状态，从而使切割头运行出相贯线的轨迹来完成切割作业。 

Claims (4)

1.一种回转体相贯线切割焊接装置，其特征在于，包括上下定位系统、轴向移动系统、切割系统、控制系统；

所述上下定位系统包括步进电机B(8)、丝杠A(9)、螺母A(7)、移动副A(4)和齿轮架(3)；所述齿轮架(3)为五边形框架；所述螺母A(7)与齿轮架(3)固定连接；所述齿轮架(3)两侧与所述移动副A(4)相连，所述齿轮架(3)通过移动副A(4)在竖直方向移动；所述步进电机B(8)通过丝杠A(9)和螺母A(7)驱动齿轮架(3)竖直方向移动；

所述切割系统包括步进电机A(6)、小齿轮(5)、大齿圈(2)、切割执行头夹具(11)、等离子切割机喷嘴(1)、滚子(10)；所述大齿圈(2)为圆环形，大齿圈(2)外缘的中部设有轮齿(17)，大齿圈(2)外缘的轮齿两侧设有光滑台阶(18)；大齿圈(2)通过六个滚子固定在齿轮架(3)上，六个所述滚子分三对在圆周上120°均匀分布，所述滚子紧贴在大齿圈(2)外侧的台阶上；小齿轮(5)为普通标准齿轮，所述小齿轮(5)的模数与大齿圈(2)的模数相等；所述小齿轮(5)固定在齿轮架(3)上，所述小齿轮(5)和大齿圈(2)啮合；所述切割执行头夹具(11)一端通过螺栓联接在大齿圈(2)内侧，切割执行头夹具(11)夹持等离子切割机喷嘴(1)；所述步进电机A(6)与小齿轮(5)联接，步进电机A(6)驱动小齿轮(5)使大齿圈(2)作定轴转动；

所述轴向移动系统包括步进电机C(15)、丝杠B(14)、螺母B(13)、回转体定位平台(12)、移动副B(16)；所述回转体定位平台(12)为矩形平台，回转体定位平台(12)两侧与移动副B(16)相连，所述回转体定位平台(12)通过移动副B(16)沿轴向移动；所述螺母B(13)与回转体定位平台(12)固定联接；所述步进电机C(15)可通过丝杠B(14)和螺母B(13)驱动回转体定位平台(12)轴向移动。

2.根据权利要求1所述的一种回转体相贯线切割焊接装置，其特征在于，所述轴向移动系统中丝杠B(14)的轴线与切割系统中大齿圈(2)的轴心线平行且在同一竖直面上。

3.根根据权利要求1或2所述的一种回转体相贯线切割焊接装置，其特征在于，所述切割执行头夹具(11)固定等离子切割机喷嘴(1)的一端沿径向开有长槽，等离子切割机喷嘴(1)可沿径向调节以适应不同回转直径的回转体。

4.根据权利要求1或2所述的一种回转体相贯线切割焊接装置，其特征在于，所述控制系统包括单片机控制卡、三个步进电机驱动器、电源，所述单片机控制卡连接三个所述步进电机驱动器，三个所述步进电机驱动器分别连接步进电机A(6)、步进电机B(8)和步进电机C(15)。 

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