CN109332948B - 一种截齿的自动定位工作装置及其全自动定位焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种截齿的自动定位工作装置及其全自动定位焊接方法，装置包括底座、竖直导杆座、竖直导杆、活动块、水平导杆、电动马达Ⅰ、齿轮Ⅰ、电动马达Ⅱ、齿轮Ⅱ、电动马达Ⅲ、截齿架、电动马达Ⅳ、定位截齿、齿座、截割头体、截割头体固定台、齿轮轴、齿轮Ⅲ、电动马达Ⅴ、马达安装架和齿轮轴支撑座；方法是计算机根据实现设定好的位置的数据分别控制五个电动马达输出轴的转角，确定定位截齿在空间的姿态，进而通过定位截齿将齿座焊接固定在截割头体上，每完成一个截齿定位自动进行下一个定位。本发明能够避免截齿在定位焊接的过程中存在定位不准确问题，实现焊接定位自动化，在很大程度上提高的截割头的加工效率，降低加工成本。

Description

一种截齿的自动定位工作装置及其全自动定位焊接方法
技术领域
本发明涉及一种截齿的自动定位工作装置及其全自动定位焊接方法，最适用于制造破岩所用的截割头时候的自动快速定位焊接。
背景技术
现如今，掘进机在矿山开采以及铁路公路的隧道挖掘中得到了广泛的应用，因此作为掘进机的主要执行部件——截割头的制造也就显得尤为重要。在掘进机进行破岩的工作过程中，由于是使用截割头进行切割岩石，所以掘进机的截割头很大程度上决定了破碎岩石的效率。现在掘进机上的截割头通常其截齿是直接焊接在圆锥台形的截割头体上，截割头体上的截齿一般是按两条或者三条螺旋线进行排布，导料板截齿座的排布方向进行布置。因此在制作截割头的时候需要对截割头上的每一个截齿进行定位，如果截齿在截割头上的定位不准确，会使掘进机的破岩效率大大降低。
截齿在焊接的过程中除了需要对截齿在截割头体的位置进行定位，还需要确定每一个截齿的截割角和倾斜角，截割角对截齿截割煤岩能力有重要的影响。当截齿的截割角很小或几乎为0°时，截齿易楔入煤岩体，煤岩在此种状态下的破坏主要是由于截齿挤压劈拉煤岩导致其受到的拉应力超过抗拉强度。由于锋利的截齿齿尖对煤岩的压应力很小，截齿截割煤岩过程中几乎不形成密实核，截割力、截割比能耗以及粉尘量均较小，截齿截割煤岩效果较好。同样，倾斜角对于破岩性能也有着重要的影响，并且倾斜角还决定了截齿是否会均匀磨损，截割角和倾斜角主要由工艺切角和工艺仰角决定。
已有的技术很难使截齿在截割头体上的定位准确，并且焊接出来的截割角和倾斜角会产生较大的误差，从而影响截割头的破岩性能和破岩效率。并且截割头作为掘进机上的主要受力部件很容易发生磨损，因此截割头上截齿需要经常进行更换，现有的技术很难在更换的过程中对新的截齿进行准确的定位焊接。
例如，已知的一种截齿定位工装，包括转盘、支撑架、水平定位机构、竖直定位机构和水平转动机构；水平定位机构包括安装在支撑架上的水平滑轨和套装在水平滑轨上的滑台，滑台和水平滑轨之间设有用于驱动所述滑台在水平滑轨上滑动的驱动机构Ⅰ；竖直定位机构包括竖直导轨，竖直导轨与滑台之间设有驱动机构Ⅱ；水平转动机构包括转动座和与转动座转动配合的水平转动杆，水平转动杆远离转动座的端部设有铰接截齿工件的安装部；转盘包括底座和托盘，底座上设有手轮。适用于掘进机截割头、采煤机滚筒或螺旋钻采煤机钻头的工作机构在截齿焊接时的截齿定位工装。该截齿定位工装的实现主要还是通过手轮，即使进一步的参数获取过程中，还是采用的刻度尺、指针盘、刻度盘等结构，并且采取的人工读数，精准度差，累计误差大，无法保证截齿焊接定位的准确度，还效率低。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种截齿的自动定位工作装置及其全自动定位焊接方法，能够避免截齿在定位焊接的过程中存在定位不准确问题，实现焊接定位自动化，在很大程度上提高的截割头的加工效率，降低加工成本。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种截齿的自动定位工作装置，包括底座、竖直导杆座、竖直导杆、活动块、水平导杆、电动马达Ⅰ、齿轮Ⅰ、电动马达Ⅱ、齿轮Ⅱ、电动马达Ⅲ、截齿架、电动马达Ⅳ、定位截齿、齿座、截割头体、截割头体固定台、齿轮轴、齿轮Ⅲ、电动马达Ⅴ、马达安装架和齿轮轴支撑座；所述的竖直导杆座、齿轮轴支撑座和马达安装架均固定在底座上，竖直导杆固定在竖直导杆座上，活动块上相互垂直开设的竖直导向孔、水平导向孔分别与竖直导杆、水平导杆滑动相连；电动马达Ⅰ和电动马达Ⅱ固定在活动块上，固定在电动马达Ⅰ输出轴上的齿轮Ⅰ与竖直导杆上的齿条Ⅰ啮合；固定在电动马达Ⅱ输出轴上的齿轮Ⅱ与水平导杆上的齿条Ⅱ相啮合；电动马达Ⅲ固定在水平导杆前端，截齿架固定在电动马达Ⅲ输出轴上；截齿架上端面固定一电动马达Ⅳ，定位截齿通过键连接在电动马达Ⅳ输出轴，齿座与定位截齿配合相连；齿轮轴安装在齿轮轴支撑座上，电动马达Ⅴ固定在马达安装架上，固定在电动马达Ⅴ输出轴上的齿轮Ⅲ与齿轮轴上的齿轮Ⅳ啮合，截割头体通过螺栓固定在截割头体固定台上，截割头体固定台通过键连接在齿轮轴上端。
一种基于截齿的自动定位工作装置进行的截齿全自动定位焊接方法，是先把设计好的参数数据输入计算机，然后计算机根据数据通过控制器分别控制五个电动马达输出轴的转角，确定定位截齿在空间的姿态，自动执行到位，进而根据定位截齿将齿座焊接固定在截割头体上，一个焊接完成后，定位截齿按照相反的过程回到初始位置，并且准备进行下一个齿座的焊接。
相比现有技术，本发明的一种截齿的自动定位工作装置及其全自动定位焊接方法，通过控制五个电动马达输出轴的转角来确定定位截齿在空间的姿态，进而根据定位截齿将齿座焊接固定在截割头体上。本发明工作时还根据计算机设定好的数据进行全自动定位，定位准确度高，效率高，节省劳动力。在大批量生产截割头时，采用此种定位焊接可以很大程度上提高焊接的效率与精度，对于我国矿山的发展有十分重要的社会意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的主视图。
图2-4是本发明实施例中活动块的三视图，其中，图2为主视图，图3为俯视图，图4为左视图。
图5-7是本发明实施例中截齿架的三视图，其中，图5为主视图，图6为俯视图，图7为左视图。
图8是本发明实施例中定位截齿的俯视图。
图9是本发明实施例中截割头体固定台的主视图。
图10是图9的仰视图。
图11是计算机控制执行马达运动流程图
图中：1、底座，2、竖直导杆座，3、竖直导杆，3-1、齿条Ⅰ，4、活动块，4-1、竖直导向孔，4-2、水平矩形齿轮孔，4-3、活动块前端面，4-4、竖直矩形齿轮孔，4-5、水平导向孔，4-6、活动块左端面，5、水平导杆，5-1、齿条Ⅱ，6、电动马达Ⅰ，7、齿轮Ⅰ，8、电动马达Ⅱ，9、齿轮Ⅱ，10、电动马达Ⅲ，11、截齿架，11-1、通孔Ⅰ，11-2、上侧板，11-3、下侧板，11-4、通孔Ⅱ，11-5、中间板，12、电动马达Ⅳ，13、定位截齿，13-1、通孔Ⅲ，13-2、圆柱，14、齿座，15、截割头体，16、截割头体固定台，16-1、带键槽沉孔，16-2、上部圆盘，16-3、螺栓孔，17、齿轮轴，18、齿轮Ⅲ，19、电动马达Ⅴ，20、马达安装架，21、齿轮轴支撑座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1至图10示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的一种截齿的自动定位工作装置，包括底座1、竖直导杆座2、竖直导杆3、活动块4、水平导杆5、电动马达Ⅰ6、齿轮Ⅰ7、电动马达Ⅱ8、齿轮Ⅱ9、电动马达Ⅲ10、截齿架11、电动马达Ⅳ12、定位截齿13、齿座14、截割头体15、截割头体固定台16、齿轮轴17、齿轮Ⅲ18、电动马达Ⅴ19、马达安装架20和齿轮轴支撑座21；所述的竖直导杆座2、齿轮轴支撑座21和马达安装架20均通过螺栓固定在底座1，竖直导杆3通过螺栓固定在竖直导杆座2上，活动块4竖直和水平方向上分别加工了竖直导向孔4-1和水平导向孔4-5，其分别与竖直导杆3和水平导杆5滑动相连；电动马达Ⅰ6和电动马达Ⅱ8固定在活动块4上，固定在电动马达Ⅰ6输出轴上的齿轮Ⅰ7与竖直导杆3上的齿条Ⅰ3-1啮合；固定在电动马达Ⅱ8输出轴上的齿轮Ⅱ9与水平导杆5上的齿条Ⅱ5-1相啮合；通过电动马达Ⅰ6和电动马达Ⅱ8的旋转角度确定截齿齿尖F的坐标zp和rp。电动马达Ⅲ10固定在水平导杆5前端，截齿架11固定在电动马达Ⅲ10输出轴上；通过电动马达Ⅲ10的旋转角度确定工艺仰角Ψ。截齿架11上端面固定一电动马达Ⅳ12，定位截齿13固定在电动马达Ⅳ12输出轴，齿座14与定位截齿13配合相连；通过电动马达Ⅳ12的转角确定工艺切角γ。齿轮轴17安装在齿轮轴支撑座21上，电动马达Ⅴ19固定在马达安装架20上，固定在电动马达Ⅴ19输出轴上的齿轮Ⅲ18与齿轮轴17上的齿轮Ⅳ啮合，通过此电动马达Ⅴ19的旋转角度确定截齿齿尖F的坐标θp。截割头体15固定在截割头体固定台16上，截割头体固定台16与齿轮轴17连接。此工作装置在工作过程中首先控制电动马达Ⅰ6、电动马达Ⅱ8以及电动马达Ⅴ19的转角确定齿尖F的三个坐标zp、rp以及θp。然后再控制电动马达Ⅳ12的转角确定工艺切角γ，最后控制电动马达Ⅲ10确定工艺仰角Ψ。在完成焊接后，定位截齿13回到初始位置的过程与此相反。自动截割定位工作装置工作时可以根据计算机设定好的数据进行自动定位，定位准确度高，效率高，节省劳动力。
参见图2-图4，本实施例所述的活动块4为方体，活动块前端面4-3上加工有水平矩形齿轮孔4-2，齿轮Ⅱ9通过水平矩形齿轮孔4-2与齿条Ⅱ5-1相啮合；活动块左端面4-6上加工有竖直矩形齿轮孔4-4，齿轮Ⅰ7通过竖直矩形齿轮孔4-4与齿条Ⅰ3-1相啮合，连接可靠。
参见图5-7，实施例中所述的截齿架11整体呈U形，其侧板的自由前端为圆弧形，在截齿架11的中间板11-5上加工一通孔Ⅰ11-1，截齿架11通过此通孔Ⅰ11-1固定在电动马达Ⅲ10的输出轴上；在截齿架11的上侧板11-2加工一贯穿到下侧板11-3的带键槽通孔Ⅱ11-4，固定在上侧板11-2上的电动马达Ⅳ12输出轴穿过此带键槽通孔Ⅱ11-4与夹在两侧板之间的定位截齿13通过键连接在一起。
参见图8，所述的定位截齿13由同中心线连接的方形块和圆柱13-2组成，在左端的方形块上开有一竖直带键槽通孔Ⅲ13-1，定位截齿13与穿过此竖直带键槽通孔Ⅲ13-1的电动马达Ⅳ12的输出轴通过键连接在一起，右端的圆柱13-2与截割头体15配合相连。
参见图9和图10，所述截割头体固定台16包括相连接的上部圆盘16-2和位于下端的带键槽沉孔16-1，齿轮轴17插入带键槽沉孔16-1并通过键与截割头体固定台16连接在一起，在截割头体固定台16的上部圆盘16-2上有四个螺栓孔16-3，截割头体15通过四根螺栓固定在此截割头体固定台16上。
参见图11，截齿具体位置的参数表由计算机读取，并通过计算机转换输送给PLC控制器，进而由PLC控制器控制5个电动马达运动，待电动马达执行焊接过后，由传感器判定是否已经准确焊接完成，若没有焊接完成，PLC控制器会继续控制相应的电动马达运动，直至焊接完成，当一个截齿焊接完成过后，电动马达会自动复位，计算机接着读取下一组参数，重新执行上述操作。
工作原理：
根据截齿在空间的几何位置关系，假设截齿齿尖坐标F(rp，θp，zp)，在截割头制造的过程中，根据截齿齿间、截齿末端中心坐标等参数进行截割头制造存在一定的困难。假设截齿初始位置的中心线平行于oy轴，F点为截齿齿尖位置，K点为截齿中心线上点，即KF平行于oy轴。由于理想情况下截割头破岩由齿尖完成，因此截割头截齿定位安装时一般以截齿齿尖为参考点。此时截齿由初始位置调整至工作位置包括两个步骤：(a)KF以截齿齿尖运动轨迹相切直线为中心轴旋转至K′F，∠KFK′定义为工艺切角γ；(b)K′F以截齿初始位置中心线为轴旋转至截齿工作位置，其旋转的角度为工艺仰角Ψ。因此在截齿定位中，只需要确定截齿齿尖位置F、工艺切角γ以及工艺仰角Ψ即可。
方法过程：在利用截齿自动定位工作装置实现自动定位的时候，计算机会根据实现设定好的位置的数据分别控制五个电动马达Ⅰ6、电动马达Ⅱ8、电动马达Ⅲ10、电动马达Ⅳ12和电动马达Ⅴ19输出轴的转角。首先电动马达Ⅴ19转动而使固定在其输出轴上的齿轮Ⅲ18发生旋转，从而驱动齿轮轴17转动，随着齿轮轴17的转动，通过键连接在齿轮轴17上的截割头体固定台16和固定在截割头体固定台16上的截割头体15也随之发生转动，由此可以确定截齿齿尖坐标θp。第二步是固定在活动块左端面4-6的电动马达Ⅰ6转动，并通过齿轮Ⅰ7，齿条Ⅰ3-1而使活动块4在竖直导杆3上滑动，由此可以确定截齿齿尖坐标zp。第三步是固定在活动块前端面4-3上电动马达Ⅱ8转动，并通过齿轮Ⅱ9和齿条Ⅱ5-1使水平导杆5在活动块4的水平导向孔4-5中滑动，从而确定截齿齿尖坐标rp。第四步是固定在截齿架11上端面11-2的电动马达Ⅳ12转动，从而可以使定位截齿13和齿座14转动，由此可以确定工艺切角γ。最后由固定在水平导杆5前端的电动马达Ⅲ10转动，使截齿架11随之发生旋转，从而可以确定工艺仰角Ψ。根据这五个坐标即可确定定位截齿13在空间的姿态，进而通过定位截齿13将齿座14焊接固定在截割头体15上。一个焊接完成后，定位截齿13按照相反的过程回到初始位置，并且准备进行下一个齿座14的焊接。
本发明采用全自动定位焊接，齿座14在截割头体15上的定位完全依靠由计算机预先设定的数据控制五个电动马达实现，操作简单方便，安全可靠，制造与维修方便。计算机根据预先计算出的数据自动定位，定位准确，效率高，易于实现智能制造，自动化生产。定位截齿13和齿座14采用配合连接，因此可以定位不同型号的齿座14，适用性广泛。在截齿磨损需要更换时候，保存的数据可以重新准确定位新齿座14的位置。并且按照流程图(图11)可以自动判定一个焊接过程的完成状况。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种截齿的自动定位工作装置的全自动定位焊接方法，其特征是：所述截齿的自动定位工作装置包括底座（1）、竖直导杆座（2）、竖直导杆（3）、活动块（4）、水平导杆（5）、电动马达Ⅰ（6）、齿轮Ⅰ（7）、电动马达Ⅱ（8）、齿轮Ⅱ（9）、电动马达Ⅲ（10）、截齿架（11）、电动马达Ⅳ（12）、定位截齿（13）、齿座（14）、截割头体（15）、截割头体固定台（16）、齿轮轴（17）、齿轮Ⅲ（18）、电动马达Ⅴ（19）、马达安装架（20）和齿轮轴支撑座（21）；
所述的竖直导杆座（2）、齿轮轴支撑座（21）和马达安装架（20）均固定在底座（1）上，竖直导杆（3）固定在竖直导杆座（2）上，活动块（4）上相互垂直开设的竖直导向孔（4-1）、水平导向孔（4-5）分别与竖直导杆（3）、水平导杆（5）滑动相连；电动马达Ⅰ（6）和电动马达Ⅱ（8）固定在活动块（4）上，固定在电动马达Ⅰ（6）输出轴上的齿轮Ⅰ（7）与竖直导杆（3）上的齿条Ⅰ（3-1）啮合；固定在电动马达Ⅱ（8）输出轴上的齿轮Ⅱ（9）与水平导杆（5）上的齿条Ⅱ（5-1）相啮合；电动马达Ⅲ（10）固定在水平导杆（5）前端，截齿架（11）固定在电动马达Ⅲ（10）输出轴上；截齿架（11）上端面固定一电动马达Ⅳ（12），定位截齿（13）固定在电动马达Ⅳ（12）输出轴，齿座（14）与定位截齿（13）配合相连；齿轮轴（17）安装在齿轮轴支撑座（21）上，电动马达Ⅴ（19）固定在马达安装架（20）上，固定在电动马达Ⅴ（19）输出轴上的齿轮Ⅲ（18）与齿轮轴（17）上的齿轮Ⅳ啮合，截割头体（15）固定在截割头体固定台（16）上，截割头体固定台（16）与齿轮轴（17）连接；
所述的竖直导杆座（2）通过螺栓固定在底座（1）上，竖直导杆（3）通过螺栓固定在竖直导杆座（2）上，定位截齿（13）通过键连接在电动马达Ⅳ（12）输出轴上，截割头体固定台（16）通过键连接在齿轮轴（17）上端，截割头体（15）通过螺栓固定在截割头体固定台（16）上；
所述的活动块（4）为方体，活动块前端面（4-3）上加工有水平矩形齿轮孔（4-2），齿轮Ⅱ（9）通过水平矩形齿轮孔（4-2）与齿条Ⅱ（5-1）相啮合；活动块左端面（4-6）上加工有竖直矩形齿轮孔（4-4），齿轮Ⅰ（7）通过竖直矩形齿轮孔（4-4）与齿条Ⅰ（3-1）相啮合；
所述全自动定位焊接方法如下：
先把设计好的参数数据输入计算机，然后计算机根据数据通过控制器分别控制五个电动马达输出轴的转角，确定定位截齿（13）在空间的姿态，自动执行到位，进而根据定位截齿（13）将齿座（14）焊接固定在截割头体（15）上，一个焊接完成后，定位截齿（13） 按照相反的过程回到初始位置，并且准备进行下一个齿座（14）的焊接；
计算机控制五个电动马达输出轴的转角并确定定位截齿（13）在空间的姿态的过程如下：
第一步，计算机控制电动马达Ⅴ（19）转动而使固定在其输出轴上的齿轮Ⅲ（18）发生旋转，从而驱动齿轮轴（17）转动，随着齿轮轴（17）的转动，通过键连接在齿轮轴（17）上的截割头体固定台（16）和固定在截割头体固定台（16）上的截割头体（15）也随之发生转动，由此确定截齿齿尖坐标θ P ；
第二步，计算机控制固定在活动块左端面（4-6）的电动马达Ⅰ（6）转动，并通过齿轮Ⅰ（7）和齿条Ⅰ（3-1）而使活动块（4）在竖直导杆（3）上滑动，由此确定截齿齿尖坐标z p ；
第三步，计算机控制固定在活动块前端面（4-3）上电动马达Ⅱ（8）转动，并通过齿轮Ⅱ（9）、齿条Ⅱ（5-1）使水平导杆（5）在活动块（4）的水平导向孔（4-5）中滑动，从而确定截齿齿尖坐标r p ；
第四步，计算机控制固定在截齿架（11）上端面的电动马达Ⅳ（12）转动，从而使定位截齿（13）和齿座（14）转动，由此确定工艺切角γ；
最后一步，计算机控制固定在水平导杆（5）前端的电动马达Ⅲ（10） 转动，使截齿架（11）随之发生旋转，从而确定工艺仰角Ψ；
根据以上步骤获得的五个参数即确定定位截齿（13）在空间的姿态。
2.根据权利要求1所述的截齿的自动定位工作装置的全自动定位焊接方法，其特征是：所述的截齿架（11）整体呈U形，其侧板的自由前端为圆弧形，在截齿架（11）的中间板（11-5）上加工一通孔Ⅰ（11-1），截齿架（11）通过此通孔Ⅰ（11-1）固定在电动马达Ⅲ（10）的输出轴上；在截齿架（11）的上侧板（11-2）加工一贯穿到下侧板（11-3）的带键槽通孔Ⅱ（11-4），固定在上侧板（11-2）上的电动马达Ⅳ（12）输出轴穿过此带键槽通孔Ⅱ（11-4）与夹在两侧板之间的定位截齿（13）通过键连接在一起。
3.根据权利要求1所述的截齿的自动定位工作装置的全自动定位焊接方法，其特征是：所述的定位截齿（13）由同中心线连接的方形块和圆柱（13-2）组成，在左端的方形块上开有一竖直带键槽通孔Ⅲ（13-1），定位截齿（13）与穿过此竖直带键槽通孔Ⅲ（13-1）的电动马达Ⅳ（12）的输出轴通过键连接在一起，右端的圆柱（13-2）与截割头体（15）配合相连。
4.根据权利要求1所述的截齿的自动定位工作装置的全自动定位焊接方法，其特征是：所述截割头体固定台（16）包括相连接的上部圆盘（16-2）和位于下端的带键槽沉孔（16-1），齿轮轴（17）插入带键槽沉孔（16-1）并通过键与截割头体固定台（16）连接在一起，在截割头体固定台（16）的上部圆盘（16-2）上有四个螺栓孔（16-3），截割头体（15）通过四根螺栓固定在此截割头体固定台（16）上。
5.根据权利要求1 所述的截齿的自动定位工作装置的全自动定位焊接方法，其特征是，计算机控制五个电动马达的过程如下：计算机读取截齿具体位置的参数表，并通过计算机转换输送给PLC 控制器，进而由PLC 控制器控制5个电动马达运动，待电动马达执行焊接过后，由传感器判定是否已经准确焊接完成，若没有焊接完成，PLC控制器会继续控制相应的电动马达运动，直至焊接完成，当一个截齿焊接完成过后，电动马达会自动复位，计算机接着读取下一组参数，重新执行上述操作。
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