CN109354394A - 一种石英安瓿瓶熔封装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种石英安瓿瓶熔封装置及方法，属于硫系玻璃生产技术领域。它主要是解决人工熔封存在封接质量不稳定、劳动强度大和效率不高的问题。包括机身、燃烧单元、夹持单元、真空单元和控制单元；燃烧单元主要包括平移机构及烧枪；夹持单元包括托盘、转轴、弧形夹板、夹板径向调整机构和旋转及升降机构，托盘夹持石英安瓿瓶可以作旋转和升降运动；真空单元主要包括真空分子泵、真空计和真空旋转接头。在安瓿瓶熔封过程中，控制单元根据输入的瓶塞尺寸数据，进行烧枪平移和托盘升降的插补控制，实现焰芯相对于瓶颈以螺纹上升的方式进行熔封。熔封结束后对瓶颈进行收口处理，去掉多余部分，减小对后续熔制设备的空间占用。

Description

一种石英安瓿瓶熔封装置及方法

技术领域

本发明属于硫系玻璃生产技术领域，具体涉及一种石英安瓿瓶熔封装置及方法，用于对装有硫系玻璃混合料的石英安瓿瓶在熔制工序前的封接处理。

背景技术

硫系玻璃是具有红外透过性能的特种光学材料，由于具备良好的红外光学性能和易加工等特点，在夜视及安防领域获得了日益广泛的应用。硫系玻璃通常采用石英安瓿瓶法进行制备，即将纯化处理后的混合料放置在石英安瓿瓶中，将安瓿瓶抽真空并熔封后放置在摇摆炉内，按照特殊工艺进行高温熔制，再经淬火、退火处理，最终制成特定组分和规格的硫系玻璃。安瓿瓶的熔封是硫系玻璃制备过程中的重要环节，直接影响到产品质量。

安瓿瓶的熔封通常先将瓶体抽真空至所要求的真空度，再由人工手持氢氧焰烧枪对瓶颈和瓶塞接合面进行高温熔焊来完成。人工熔封的优点是成本低，简单易行，对不同形状规格的安瓿瓶适应性强，缺点是封接质量不稳定，劳动强度大，效率不高。

公开号为CN103332854B的中国专利，公开了一种氢氧炬封机，提出了一种实现石英玻璃管（类似于本发明所述的石英安瓿瓶）自动封接的装置和方法，但由于使用了三支沿圆周方向转动的烧枪，结构上较为复杂，同时封接时焰芯的位置相对固定，不能像人工方式那样从下至上螺旋形上升，导致在封接尤其是尺寸较大的安瓿瓶时，需人工频繁地调整烧枪的高度，而且在完成封接后也不能像人工操作那样沿封接位置上方进行收口，以便在装入摇摆炉进行熔制前，去掉瓶颈收口以上的多余部分，降低对摇摆炉炉膛的空间需求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种结构简单，适应性和功能性更强的石英安瓿瓶熔封装置，以及利用该装置进行熔封的方法。

本发明熔封装置的技术解决方案是：一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：包括机身、燃烧单元、夹持单元、真空单元和控制单元；所述燃烧单元由汇流块、橡胶软管、烧枪、烧咀、支架和平移机构，橡胶软管的两端分别与汇流块和烧枪连接，烧枪通过可以上下调节的固定套安装在支架上，支架下端连接在固定于机身上的平移机构上；所述夹持单元包括圆柱形托盘、转轴、弧形夹板、夹板径向调整机构和旋转及升降机构，托盘固定在转轴上端，转轴下端连接在固定于机身上的旋转及升降机构上，弧形夹板嵌装在可沿托盘上表面径向移动的移动槽内；所述真空单元包括真空分子泵、金属波纹管、真空计和具有旋转和固定端的真空旋转接头，金属波纹管一端与旋转真空接头的固定端连接，另一端通过三通连接件与真空分子泵和真空计连接。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的机身为表面衬有不锈钢板的长方体空腔结构；所述平移机构和旋转及升降机构装于机身的空腔内；所述支架穿过机身上表面的一腰形开孔与平移机构连接；所述转轴穿过机身上表面的一圆形开孔与旋转及升降机构连接；所述汇流块装于机身的一个表面上，汇流块下端分别装有氢气针型阀和氧气针型阀，上端装有氢氧阻火器，氢氧阻火器与橡胶软管连接。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的夹板径向调整机构包括双向丝杆、螺母、旋紧件和设置于托盘柱面方向用于调节弧形夹板开合的手柄插孔；双向丝杆通过螺母与对称的一对弧形夹板连接，旋紧件分别与双向丝杆的端部两连，旋紧件外端位于手柄插孔内。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的控制单元包括烧枪支架水平移动伺服控制装置、托盘升降伺服控制装置、托盘旋转控制装置、真空度控制装置和人机界面。其中，支架水平移动伺服控制和托盘升降伺服控制之间具备线性插补功能。

本发明熔封装置的技术解决方案中还包括石英安瓿瓶和石英瓶塞；石英安瓿瓶的瓶身为圆柱形，底部直径为50-250mm，高150-300mm，瓶颈为锥形，瓶口为尺寸范围为KF10-KF40的KF法兰形；石英瓶塞与石英安瓿瓶的瓶颈锥度相吻合，高度在40-80mm之间。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的平移机构包括伺服电机、滚珠丝杠和丝杠螺母；伺服电机输出轴与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠通过丝杠螺母与支架相连。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的旋转及升降机构包括旋转电机和伺服升降平台。旋转电机沿垂直方向安装在伺服升降平台上，输出轴与托盘转轴相连。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的旋转真空接头、金属波纹管、三通连接件、真空分子泵和真空计的接口均为KF法兰结构，采用KF卡箍可方便地进行连接和拆除。

本发明熔封装置的技术解决方案中所述的支架水平移动伺服控制和托盘升降伺服控制之间具备线性插补功能；所述真空计具有数显及通讯功能，与所述控制单元通过数据线相连，可以进行真空度数据传输。

本发明熔封方法的技术解决方案是：一种石英安瓿瓶熔封方法，其特征在于包括以下步骤：

在石英安瓿瓶中装入经纯化处理的硫系玻璃混合料，瓶颈处装上锥形瓶塞，瓶口经由旋转真空接头、金属波纹管接入真空分子泵；

将石英安瓿瓶放置在托盘中央，调整夹板径向调整机构使弧形夹板合拢后夹紧瓶身，然后启动真空分子泵并持续抽真空；

通过控制单元输入锥形瓶塞的上下底直径、柱面锥度、瓶塞高度、瓶内预定真空度、托盘旋转及升降速度和支架平移速度；

启动支架平移伺服控制装置及托盘升降伺服控制装置的原点回归指令，支架左移至机械原点，托盘上升至机械原点，调整支架上固定套的垂直位置，使烧咀的高度与瓶塞下表面持平；

当石英安瓿瓶内的真空度达到预定值时，控制单元发出提示信号，由人工点燃烧枪并调节氢氧焰达到充分燃烧状态，然后启动支架平移伺服控制装置的快进指令，支架带动烧枪快速右移，至氢氧焰芯接触瓶体表面时停止，该位置为烧枪平移和托盘升降进行插补运行控制的起始点；

启动控制单元中的熔封指令，托盘夹持石英安瓿瓶一边旋转一边下降，与此同时，支架以相应的速度向左移动，控制单元根据输入的瓶塞的上下底直径、柱面锥度、瓶塞高度数据进行计算，进行烧枪平移和托盘升降的插补控制，使焰芯始终作用在瓶颈需熔封的目标部位，从而实现焰芯相对于瓶颈以螺纹上升的方式进行熔封；

当托盘下降距离等于瓶塞高度数值时，烧咀高度与瓶塞上表面持平时，此时已完成瓶颈与瓶塞结合面的熔封，此时支架停止平移，托盘在保持旋转运动的同时停止下降运行，在高温软化及真空作用下，瓶颈沿与瓶塞上表面的交接位置开始向内收缩，维持一段时间完成收口后，瓶颈上出现一环状凹陷，支架快速向左平移至原点，托盘停止旋转并快速上升至原点，单个熔封流程结束。

相比现有同类装置，本发明具有以下特点：1、烧枪相对于安瓿瓶瓶颈与瓶塞的结合面同时作旋转、升降和平移运动，可完全模仿人工进行熔封和收口；2结构简单，操作方便，适应于不同尺寸规格的石英安瓿瓶的批量封接或单一封接。

附图说明

图1为本发明石英安瓿瓶熔封装置的结构示意图。

图2为熔封前石英安瓿瓶的外形图。

图3为熔封及收口处理后石英安瓿瓶的外形图。

附图标记：1. 机身；2. 支架；3. 托盘；4. 烧枪；5. 固定套；6. 烧咀；7. 金属波纹管；8. 旋转真空接头；9. 石英安瓿瓶；901. 硫系混合料；902. 石英玻璃瓶塞；903. 熔封后的收口；904. 安瓿瓶法兰瓶口；10. 弧形夹板；11. 夹板调节手柄插孔；12. 真空计；13. 三通连接件；14.真空分子泵；15. 氢气针型阀；16. 氧气针型阀； 17. 汇流块；18. 氢氧阻火器；19. 橡胶软管。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种石英安瓿瓶熔封装置，包括机身、燃烧单元、夹持单元、真空单元和控制单元。

机身1为表面衬有不锈钢板的长方体空腔结构。

燃烧单元包括氢气针型阀15、氧气针型阀16、汇流块17、橡胶软管19、烧枪4、烧咀6、支架2、固定套5和平移机构，汇流块17安装在机身1一侧的表面上，汇流块17下端分别与氢气针型阀15和氧气针型阀16连接，汇流块17上端装有氢氧阻火器18，支架2安装在机身1上表面，并穿过一腰形开孔与安装于机身内的平移机构相连，烧枪4通过可以上下调节的固定套5安装在支架2上，烧枪4出口端装有烧咀6，烧枪4入口端通过橡胶软管19与安装在汇流块17上的氢氧阻火器18相连。平移机构装于机身1内，包括伺服电机、滚珠丝杠和丝杠螺母，伺服电机输出轴与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠通过丝杠螺母与支架相连。

夹持单元包括托盘3、转轴、弧形夹板10、夹板径向调整机构、旋转及升降机构和石英安瓿瓶9，托盘3固定在转轴上端，转轴下端穿过机身1上表面的一圆形开孔与旋转及升降机构连接，且位于烧枪支架2的右侧，托盘3为圆柱状，上部中心放置石英安瓿瓶9，下部中心通过转轴与安装在机身内部的旋转及升降机构相连，弧形夹板10嵌装在可沿托盘3上表面径向移动的移动槽内，沿石英安瓿瓶9外圆方向上。夹板径向调整机构包括双向丝杆、螺母、旋紧件和设置于托盘3柱面方向用于调节弧形夹板开合的手柄插孔11，双向丝杆通过螺母与对称的一对弧形夹板连接，旋紧件分别与双向丝杆的端部两连，旋紧件外端位于手柄插孔内。旋转及升降机构装于机身1内，包括旋转电机和伺服升降平台。旋转电机沿垂直方向安装在伺服升降平台上，输出轴与托盘转轴相连。

真空单元包括真空分子泵14、三通连接件13、金属波纹管7、真空计12和具有旋转和固定端的真空旋转接头8，其中，真空旋转接头8活动端与石英安瓿瓶9出口相连，固定端通过金属波纹管7与三通连接件13的一个出口相连，三通连接件13的另两个出口分别与真空计12和真空分子泵14相连。

控制单元包括烧枪支架水平移动伺服控制装置、托盘升降伺服控制装置、托盘旋转控制装置、真空度控制装置和人机界面；支架水平移动伺服和托盘升降伺服具备线性插补功能。

如图2所示，石英安瓿瓶9的瓶身为特定尺寸的圆柱形，底部直径为50-250mm，高150-300mm，瓶颈为锥形，用于装填硫系玻璃混合料901，瓶口904为KF法兰形，尺寸范围为KF10-KF40，同时附带有与瓶颈锥度相吻合的石英瓶塞902，根据安瓿瓶规格的不同，瓶塞高度在40-80mm之间。

真空旋转接头8、金属波纹管7、三通连接件13、真空分子泵14、真空计12等的接口均设计为KF法兰结构，采用KF卡箍可方便地进行连接和拆除。

真空计12具有数显及通讯功能，绝对压力测量范围为0-0.1MPa，与控制单元通过数据线相连，采用MODBUS RTU通讯协议，实时将真空度数据传输到控制单元。

采用上述装置，进行石英安瓿瓶熔封的方法包括以下步骤：

在石英安瓿瓶9中装入经纯化处理的硫系玻璃混合料901，瓶颈处装上锥形瓶塞902，瓶口经由真空旋转接头8、金属波纹管7接入真空分子泵14；

将石英安瓿瓶9放置在托盘3中央，用专用手柄调整托盘柱面上的夹板调节插孔11内的旋紧件，使弧形夹板10合拢后夹紧瓶身，然后启动真空分子泵14并持续抽真空；

通过控制单元的人机界面输入锥形瓶塞的上下底直径、柱面锥度、瓶塞高度、瓶内预定真空度等数值、托盘旋转及升降速度、支架平移速度等；

启动支架平移及托盘升降伺服控制装置的原点回归功能，支架2左移至机械原点，托盘3上升至机械原点，调整支架上固定套5的垂直位置，使烧咀6的高度与瓶塞902下表面持平；

当石英安瓿瓶9内的真空度达到预定值（一般控制在绝对压力 5×10^-4MPa以下）时，控制单元发出提示信号，由人工调节氢气针型阀15和氧气针型阀16的开度并点燃烧枪4，使烧咀6处产生的氢氧焰达到充分燃烧状态，启动支架平移伺服控制装置的快进功能，支架2带动烧枪4快速右移，至氢氧焰芯接触瓶体表面时停止，该位置为烧枪平移和托盘升降进行插补运行控制的起始点；

启动控制单元中的熔封程序，托盘3夹持石英安瓿瓶9一边旋转一边下降，与此同时，支架2以相应的速度向左移动，控制单元根据输入的瓶塞902的上下底直径、柱面锥度、瓶塞高度等数据进行计算，进行烧枪平移和托盘升降的插补控制。在熔封过程中，随着托盘3的缓慢下降，瓶颈和瓶塞结合处对应于烧咀6高度位置的横截面圆周尺寸缓慢变大，而烧枪4也同步地缓慢外移，使焰芯始终作用在瓶颈需熔封的目标部位，从而实现焰芯相对于瓶颈以螺纹上升的方式进行熔封；

当托盘3下降距离等于瓶塞902高度数值时，烧咀高度位置与瓶塞上表面持平，此时已完成瓶颈与瓶塞结合面的熔封，此时支架2停止平移，托盘3在保持旋转运动的同时停止下降运行，在高温软化及真空作用下，瓶颈沿与瓶塞上表面的交接位置开始向内收缩，维持一段时间后，瓶颈上出现如图2中形如903的环状凹陷，至此收口过程完成，支架快速向左平移至原点，托盘停止旋转并快速上升至原点，单个熔封流程结束。

如图3所示，在将石英安瓿瓶装入摇摆炉进行熔制前，沿收口903敲掉以上的瓶颈部分，以减小对炉体的空间占用。

Claims (10)

1.一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：包括机身（1）、燃烧单元、夹持单元、真空单元和控制单元；所述燃烧单元包括汇流块（17）、橡胶软管（19）、烧枪（4）、烧咀（6）、支架（2）和平移机构，橡胶软管（19）的两端分别与汇流块（17）和烧枪（4）连接，烧枪（4）通过可以上下调节的固定套（5）安装在支架（2）上，支架（2）下端连接在固定于机身（1）上的平移机构上；所述夹持单元包括圆柱形托盘（3）、转轴、弧形夹板（10）、夹板径向调整机构和旋转及升降机构，托盘（3）固定在转轴上端，转轴下端连接在固定于机身（1）上的旋转及升降机构上，弧形夹板（10）嵌装在可沿托盘（3）上表面径向移动的移动槽内；所述真空单元包括真空分子泵（14）、金属波纹管（7）、真空计（12）和具有旋转和固定端的旋转真空接头（8），金属波纹管（7）一端与旋转真空接头（8）的固定端连接，另一端通过三通连接件（13）与真空分子泵（14）和真空计（12）连接。

2.如权利要求1所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述机身（1）为表面衬有不锈钢板的长方体空腔结构；所述平移机构和旋转及升降机构装于机身（1）的空腔内；所述支架（2）穿过机身（1）上表面的一腰形开孔与平移机构连接；所述转轴穿过机身（1）上表面的一圆形开孔与旋转及升降机构连接；所述汇流块（17）装于机身（1）的一个表面上，汇流块（17）下端分别装有氢气针型阀（15）和氧气针型阀（16），上端装有氢氧阻火器（18），氢氧阻火器（18）与橡胶软管（19）连接有。

3.如权利要求1或2所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述夹板径向调整机构包括双向丝杆、螺母、旋紧件和设置于托盘（3）柱面方向用于调节弧形夹板（10）开合的手柄插孔（11）；双向丝杆通过螺母与对称的一对弧形夹板（10）连接，旋紧件分别与双向丝杆的端部两连，旋紧件外端位于手柄插孔（11）内。

4.如权利要求1或2所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述的控制单元包括烧枪支架水平移动伺服控制装置、托盘升降伺服控制装置、托盘旋转控制装置、真空度控制装置和人机界面；其中，支架水平移动伺服控制和托盘升降伺服控制之间具备线性插补功能。

5.如权利要求1或2所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：还包括石英安瓿瓶（9）和石英瓶塞；石英安瓿瓶（9）的瓶身为圆柱形，底部直径为50-250mm，高150-300mm，瓶颈为锥形，瓶口为尺寸范围为KF10-KF40的KF法兰形；石英瓶塞与石英安瓿瓶（9）的瓶颈锥度相吻合，高度在40-80mm之间。

6.如权利要求1或2所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述的平移机构包括伺服电机、滚珠丝杠和丝杠螺母；伺服电机输出轴与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠通过丝杠螺母与支架相连。

7.如权利要求1或2所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述的旋转及升降机构包括旋转电机和伺服升降平台；旋转电机沿垂直方向安装在伺服升降平台上，输出轴与托盘转轴相连。

8.如权利要求4所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述的支架水平移动伺服控制和托盘升降伺服控制之间具备线性插补功能；所述真空计（12）具有数显及通讯功能，与所述控制单元通过数据线相连。

9.如权利要求1或2所述的一种石英安瓿瓶熔封装置，其特征在于：所述的旋转真空接头（8）、金属波纹管（7）、三通连接件（13）、真空分子泵（14）和真空计（12）的接口均为KF法兰结构。

10.一种采用权利要求1或2所述石英安瓿瓶熔封装置的熔封方法，其特征在于包括以下步骤：

在石英安瓿瓶（9）中装入经纯化处理的硫系玻璃混合料（901），瓶颈处装上锥形瓶塞（902），瓶口经由旋转真空接头（8）、金属波纹管（7）接入真空分子泵（14）；

将石英安瓿瓶（9）放置在托盘（3）中央，调整夹板径向调整机构使弧形夹板（10）合拢后夹紧瓶身，然后启动真空分子泵（14）并持续抽真空；

通过控制单元输入锥形瓶塞的上下底直径、柱面锥度、瓶塞高度、瓶内预定真空度、托盘旋转及升降速度和支架平移速度；

启动支架水平移动伺服控制装置及托盘升降伺服控制装置的原点回归指令，支架（2）左移至机械原点，托盘（3）上升至机械原点，调整支架上固定套（5）的垂直位置，使烧咀（6）的高度与瓶塞（902）下表面持平；

当石英安瓿瓶（9）内的真空度达到预定值时，控制单元发出提示信号，由人工点燃并调节氢氧焰达到充分燃烧状态，然后启动支架平移伺服控制装置的快进指令，支架（2）带动烧枪（4）快速右移，至氢氧焰芯接触瓶体表面时停止，该位置为烧枪平移和托盘升降进行插补运行控制的起始点；

启动控制单元中的熔封指令，托盘（3）夹持石英安瓿瓶（9）一边旋转一边下降，与此同时，支架（2）以相应的速度向左移动，控制单元根据输入的瓶塞（902）的上下底直径、柱面锥度、瓶塞高度数据进行计算，进行烧枪平移和托盘升降的插补控制，使焰芯始终作用在瓶颈需熔封的目标部位，从而实现焰芯相对于瓶颈以螺纹上升的方式进行熔封；

当托盘（3）下降距离等于瓶塞（902）高度数值时，烧咀（6）高度位置与瓶塞（902）上表面持平，此时已完成瓶颈与瓶塞结合面的熔封，此时支架（2）停止平移，托盘（3）在保持旋转运动的同时停止下降运行，在高温软化及真空作用下，瓶颈沿与瓶塞上表面的交接位置开始向内收缩，维持一段时间后，瓶颈上出现一环状凹陷，至此收口过程完成，支架（2）快速向左平移至原点，托盘（3）停止旋转并快速上升至原点，单个熔封流程结束。