CN109822197A - 一种全自动燃料棒装焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动燃料棒装焊装置及方法，全自动燃料棒装焊装置，包括机架，机架上设置有芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台、氩弧焊自动焊接装置、物料治具、控制器；芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台、氩弧焊自动焊接装置、物料治具均与控制器相连接，控制器设置于机架下端的机箱中；全自动燃料棒装焊装置的使用方法通过多个步骤完成燃料棒的全自动装配及焊接任务。本发明用于燃料棒的生产制造过程，能够完成燃料棒的全自动装配及焊接任务，解决人工操作效率低、废品率高、操作困难、劳动强度大、人身健康受到威胁等问题，具有装焊效率高、精度高、智能化程度高、焊接质量好等优点。

Description

一种全自动燃料棒装焊装置及方法

技术领域

本发明涉及一种装焊装置及方法，尤其涉及一种全自动燃料棒装焊装置及方法。

背景技术

目前绿色发展已经成为我国社会发展的主题，现代社会对绿色环保提出了越来越高的要求。核电作为低碳能源，是清洁能源的重要组成部分，已经成为我国现在使用能源的重要组成部分。而随着核电站的发展，燃料棒作为核电机组堆芯的重要部件，其需求日益增多。

然而因为燃料棒产品在生产制造过程中具有严重的辐射危险性，为保护操作人员的健康，这类产品通常在屏蔽空间中进行生产。由于我国核电工艺技术比较落后，自动化程度低，目前核燃料棒的装焊流程为：操作人员在屏蔽空间外部操作位于屏蔽空间内部的机械手，依次实现芯块、端塞与包壳的装配，然后对端塞与包壳之间进行密封焊接。由于芯块与包壳之间装配精度要求高，人工装焊的方法由操作人员在屏蔽空间外部依靠目视进行装配及远程装焊，存在操作难度大、操作效率低、劳动强度高、装焊质量差、合格率低等缺点，同时操作人员人身健康受到威胁，这些缺点严重制约着燃料棒的生产进程，无法适应当前核电蓬勃发展的需要。因此，迫切需要一种效率更高、更加安全可靠、更加智能化的核燃料棒装焊装置及方法。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种全自动燃料棒装焊装置及方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种全自动燃料棒装焊装置，包括机架，机架上设置有芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台、氩弧焊自动焊接装置、物料治具、控制器；芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台、氩弧焊自动焊接装置、物料治具均与控制器相连接，控制器设置于机架下端的机箱中；

芯块定位系统设置于机架的左部前侧，芯块定位系统包括视觉传感器、图像处理模块，视觉传感器与图像处理模块相连接，用来实现燃料芯块的精确定位；

智能装配装置设置于芯块定位系统的后方，智能装配装置包括水平关节机器人、装配夹具，装配夹具设置于水平关节机器人的下端；装配夹具包括真空吸盘、三爪气动手指、气动摆台；真空吸盘、三爪气动手指均通过气动摆台与水平关节机器人相连接，气动摆台用于进行真空吸盘与三爪气动手指的切换；

物料治具设置于芯块定位系统与智能装配装置之间，物料治具包括芯块治具、元件治具，元件治具设置于芯块治具的后方，芯块治具用于放置燃料芯块，元件治具用于放置燃料棒的包壳、端塞、垫片；

氩弧焊自动焊接装置设置于芯块定位系统的右方，氩弧焊自动焊接装置包括氩弧焊枪、气缸、压头、焊枪运动机构、压头运动机构；压头设置于氩弧焊枪的后方，压头的上端连接有气缸，压头在气缸压力的作用下实现端塞与包壳的压紧固定，氩弧焊枪用于实现端塞与包壳的焊接；压头与压头运动机构相连接，氩弧焊枪与焊枪运动机构相连接，焊枪运动机构、压头运动机构分别对氩弧焊枪、压头的位置进行调整以适应不同规格燃料棒的焊接；

旋转焊台设置于压头的下方，旋转焊台用于夹紧包壳并带动包壳旋转。

水平关节机器人的升降轴的下端设置有摆台固定块，气动摆台与摆台固定块相连接；气动摆台连接有可旋转的夹具固定块，真空吸盘、三爪气动手指分别固定在夹具固定块相邻的两个侧面上，真空吸盘用于夹取燃料芯块、端塞及垫片，三爪气动手指用于夹取包壳。

焊枪运动机构包括线性模组X1、线性模组Y、线性模组Z；线性模组X1横向设置于机架的右部前侧，线性模组X1的上端设置有L型的焊枪固定立板；焊枪固定立板的水平板固定于线性模组X1的滑动块X1上，焊枪固定立板的竖直板的左侧固定设置有竖向的线性模组Z；线性模组Z的滑动块Z上固定设置有线性模组Y，线性模组Y所在的直线与线性模组X1和线性模组Z所构成的平面垂直；氩弧焊枪固定设置于线性模组Y的滑动块Y上；线性模组X1、线性模组Y、线性模组Z分别与伺服电机X1、伺服电机Y、伺服电机Z相连接；

压头运动机构包括线性模组X2、伺服电机X2，线性模组X2设置于线性模组X1的后方；伺服电机X2与线性模组X2相连接，线性模组X2的滑动块X2上固定设置有气缸固定立柱，气缸通过气缸固定法兰安装在气缸固定立柱上；压头固定在气缸活塞杆的输出端上。

旋转焊台设置于线性模组X1和线性模组X2之间；旋转焊台的下端连接有驱动电机，驱动电机用于带动旋转焊台旋转；旋转焊台的上端设置有三爪气动卡盘，三爪气动卡盘用于卡紧包壳，同时保证包壳旋转过程的同心度。

机架的左部前侧、左部后侧分别设置有视觉传感器固定支架、固定座，视觉传感器、水平关节机器人分别固定于视觉传感器固定支架、固定座上。

全自动燃料棒装焊装置的使用方法包括以下步骤：

a、物料准备：首先根据装配对象燃料棒对控制器进行设置，将包壳、端塞、垫片放置于元件治具内，将燃料芯块放置于芯块治具内；

b、包壳放置：水平关节机器人在控制器的控制下采用三爪气动手指抓取包壳，并将包壳竖直地放置于旋转焊台上端的三爪气动卡盘上，三爪气动卡盘卡紧包壳完成包壳的放置；

c、燃料芯块定位及装填路径规划：视觉传感器对芯块治具进行图像采集，通过图像处理模块对芯块治具内燃料芯块的图像信息进行处理，并将燃料芯块的坐标数据发送给控制器，由控制器规划元件的抓取顺序及路径；

d、燃料芯块装填：水平关节机器人按照控制器规划的抓取顺序及路径首先采用真空吸盘夹取燃料芯块，然后将燃料芯块放置于包壳中，真空吸盘一次夹取一块燃料芯块；水平关节机器人将所有的燃料芯块依次放置于包壳中，完成燃料芯块的装填；

e、垫片及端塞的装配：水平关节机器人然后采用真空吸盘依次夹取垫片、端塞，并将垫片、端塞依次放置于包壳中，完成垫片及端塞的装配；

f、压头压紧端塞：垫片与端塞装配完成后，压头在控制器的控制下运动到端塞的上方；压头在气缸压力的作用下压紧端塞，实现端塞与包壳的精密装配，燃料棒的全自动装配任务完成；

g、包壳与端塞的焊接：燃料棒的全自动装配任务完成后，控制器发出指令控制氩弧焊枪运动至预设的端塞焊缝位置，起弧焊接，同时旋转焊台带动包壳旋转，完成包壳与端塞的焊接，燃料棒的焊接任务完成；

h、燃料棒的焊接任务完成后，水平关节机器人将焊接好的燃料棒放置于控制器设定的指定位置，在元件治具、芯块治具内分别装入新的元件，进行下一件燃料棒的全自动装配及焊接任务。

本发明用于燃料棒的生产制造过程，能够完成燃料棒的全自动装配及焊接任务，实现燃料芯块、包壳、端塞等元件的智能装配以及包壳与端塞之间的自动化焊接，解决人工操作效率低、废品率高、操作困难、劳动强度大、人身健康受到威胁等问题，具有装焊效率高、精度高、智能化程度高、焊接质量好等优点，同时装置整体结构紧凑，易于搬运及更换零部件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的使用状态示意图。

图3为本发明的俯视结构示意图。

图中：1、水平关节机器人；2、气动摆台；3、真空吸盘；4、三爪气动手指；5、包壳；6、端塞；7、元件治具；8、燃料芯块；9、芯块治具；10、旋转焊台；11、视觉传感器；12、压头；13、伺服电机Z；14、伺服电机X2；15、线性模组Z；16、线性模组Y；17、伺服电机X1；18、气缸；19、线性模组X2；20、氩弧焊枪；21、线性模组X1；22、视觉传感器固定支架；23、焊枪固定立板；24、摆台固定块；25、夹具固定块；26、气缸固定法兰；27、气缸固定立柱；28、固定座；29、机架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、3所示，一种全自动燃料棒装焊装置，包括机架29，机架29上设置有芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台10、氩弧焊自动焊接装置、物料治具、控制器；芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台10、氩弧焊自动焊接装置、物料治具均与控制器相连接，控制器设置于机架29下端的机箱中；

芯块定位系统设置于机架29的左部前侧，芯块定位系统包括视觉传感器11、图像处理模块，视觉传感器11与图像处理模块相连接，用来实现燃料芯块8的精确定位；机架29的左部前侧设置有视觉传感器固定支架22，视觉传感器11固定于视觉传感器固定支架22上；

智能装配装置设置于芯块定位系统的后方，智能装配装置包括水平关节机器人1、装配夹具，装配夹具设置于水平关节机器人1的下端；机架29的左部后侧设置有固定座28，水平关节机器人1固定于固定座28上；

装配夹具包括真空吸盘3、三爪气动手指4、气动摆台2；真空吸盘3、三爪气动手指4均通过气动摆台2与水平关节机器人1相连接，水平关节机器人1的升降轴的下端设置有摆台固定块24，气动摆台2与摆台固定块24相连接；气动摆台2连接有可旋转的夹具固定块25，真空吸盘3、三爪气动手指4分别固定在夹具固定块25相邻的两个侧面上，真空吸盘3用于夹取燃料芯块8、端塞6及垫片，三爪气动手指4用于夹取包壳5，当需要夹取燃料棒的不同组成元件时，气动摆台2带动夹具固定块25旋转进行真空吸盘3与三爪气动手指4的切换。

物料治具设置于芯块定位系统与智能装配装置之间，物料治具包括芯块治具9、元件治具7，元件治具7设置于芯块治具9的后方，芯块治具9用于放置燃料芯块8，同时指示视觉传感器11可以拍到的范围；元件治具7用于放置燃料棒的包壳5、端塞6、垫片等元件，并采用绝对坐标的方式确定相应元件的空间位置。

氩弧焊自动焊接装置设置于芯块定位系统的右方，氩弧焊自动焊接装置包括氩弧焊枪20、气缸18、压头12、焊枪运动机构、压头运动机构；压头12设置于氩弧焊枪20的后方，压头12的上端连接有气缸18，压头12在气缸18压力的作用下实现端塞6与包壳5的压紧固定，氩弧焊枪20用于实现端塞6与包壳5的焊接；压头12与压头运动机构相连接，氩弧焊枪20与焊枪运动机构相连接，焊枪运动机构、压头运动机构分别对氩弧焊枪20、压头12的位置进行调整以适应不同规格燃料棒的焊接；

焊枪运动机构包括线性模组X121、线性模组Y16、线性模组Z15，使得焊枪运动机构具有X、Y、Z三个自由度；线性模组X121横向设置于机架29的右部前侧，线性模组X121的上端设置有L型的焊枪固定立板23；焊枪固定立板23的水平板固定于线性模组X121的滑动块X1上，焊枪固定立板23的竖直板的左侧固定设置有竖向的线性模组Z15；线性模组Z15的滑动块Z上固定设置有线性模组Y16，线性模组Y16所在的直线与线性模组X121和线性模组Z15所构成的平面垂直；氩弧焊枪20固定设置于线性模组Y16的滑动块Y上；线性模组X121、线性模组Y16、线性模组Z15分别与伺服电机X117、伺服电机Y、伺服电机Z13相连接；

压头运动机构包括线性模组X219、伺服电机X214，线性模组X219设置于线性模组X121的后方，压头运动机构具有X一个自由度；伺服电机X214与线性模组X219相连接，线性模组X219的滑动块X2上固定设置有气缸固定立柱27，气缸18通过气缸固定法兰26安装在气缸固定立柱27上；压头12固定在气缸18活塞杆的输出端上。

旋转焊台10设置于压头12的下方，位于线性模组X121和线性模组X219之间，旋转焊台10用于夹紧包壳5并带动包壳5旋转。旋转焊台10的下端连接有驱动电机，驱动电机用于带动旋转焊台10旋转；旋转焊台10的上端设置有三爪气动卡盘，三爪气动卡盘用于卡紧包壳5，同时保证包壳5旋转过程的同心度。

水平关节机器人1通过视觉传感器11确定燃料芯块8的位置，同时根据不同的夹取元件切换相应的夹具，并将元件放置于指定位置；旋转焊台10可对包壳5实现定心、夹紧、旋转，同时通过压头12保证端塞6和包壳5的装配精度；氩弧焊枪20在焊枪运动机构的带动下运动至焊缝位置后，产生电弧，同时旋转焊台10在驱动电机的带动下带动包壳5旋转，实现端塞6与包壳5环焊缝的密封焊接。

全自动燃料棒装焊装置的使用方法包括以下步骤：

a、物料准备：首先根据装配对象燃料棒对控制器进行设置，将包壳5、端塞6、垫片放置于元件治具7内，将燃料芯块8放置于芯块治具9内；

b、包壳放置：水平关节机器人1在控制器的控制下采用三爪气动手指4抓取包壳5，并将包壳5竖直地放置于旋转焊台10上端的三爪气动卡盘上，三爪气动卡盘卡紧包壳5完成包壳的放置，如图2所示，

c、燃料芯块定位及装填路径规划：视觉传感器11对芯块治具9进行图像采集，通过图像处理模块对芯块治具9内燃料芯块8的图像信息进行处理，并将燃料芯块8的坐标数据发送给控制器，由控制器规划元件的抓取顺序及路径；

d、燃料芯块装填：水平关节机器人1按照控制器规划的抓取顺序及路径首先采用真空吸盘3夹取燃料芯块8，然后将燃料芯块8放置于包壳5中，真空吸盘3一次夹取一块燃料芯块8；水平关节机器人1将所有的燃料芯块8依次放置于包壳5中，完成燃料芯块8的装填；

e、垫片及端塞的装配：水平关节机器人1然后采用真空吸盘3依次夹取垫片、端塞6，并将垫片、端塞6依次放置于包壳5中，完成垫片及端塞6的装配；

f、压头压紧端塞：垫片与端塞6装配完成后，压头12在控制器的控制下运动到端塞6的上方；压头12在气缸18压力的作用下压紧端塞6，实现端塞6与包壳5的精密装配，燃料棒的全自动装配任务完成；

g、包壳与端塞的焊接：燃料棒的全自动装配任务完成后，控制器发出指令控制氩弧焊枪20运动至预设的端塞焊缝位置，起弧焊接，同时旋转焊台10带动包壳5旋转，完成包壳5与端塞6的焊接，燃料棒的焊接任务完成；

h、燃料棒的焊接任务完成后，水平关节机器人1将焊接好的燃料棒放置于控制器设定的指定位置，在元件治具7、芯块治具9内分别装入新的元件，进行下一件燃料棒的全自动装配及焊接任务。

本发明能够完成燃料棒的全自动装配及焊接任务，装配精度高，焊接质量优良；操作人员只需将燃料芯块、端塞、垫片、包壳放入指定的物料治具中，就能够实现燃料棒自动化的装配及焊接，提高了燃料棒的生产效率及合格率，降低了劳动强度；同时，操作人员可以通过视觉传感器进行远程监控，降低了燃料棒生产过程中辐射对操作人员的伤害。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种全自动燃料棒装焊装置，包括机架(29)，其特征在于：所述机架(29)上设置有芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台(10)、氩弧焊自动焊接装置、物料治具、控制器；所述芯块定位系统、智能装配装置、旋转焊台(10)、氩弧焊自动焊接装置、物料治具均与控制器相连接，控制器设置于机架(29)下端的机箱中；

所述芯块定位系统设置于机架(29)的左部前侧，芯块定位系统包括视觉传感器(11)、图像处理模块，视觉传感器(11)与图像处理模块相连接，用来实现燃料芯块(8)的精确定位；

所述智能装配装置设置于芯块定位系统的后方，智能装配装置包括水平关节机器人(1)、装配夹具，装配夹具设置于水平关节机器人(1)的下端；所述装配夹具包括真空吸盘(3)、三爪气动手指(4)、气动摆台(2)；所述真空吸盘(3)、三爪气动手指(4)均通过气动摆台(2)与水平关节机器人(1)相连接，气动摆台(2)用于进行真空吸盘(3)与三爪气动手指(4)的切换；

所述物料治具设置于芯块定位系统与智能装配装置之间，物料治具包括芯块治具(9)、元件治具(7)，元件治具(7)设置于芯块治具(9)的后方，芯块治具(9)用于放置燃料芯块(8)，元件治具(7)用于放置燃料棒的包壳(5)、端塞(6)、垫片；

所述氩弧焊自动焊接装置设置于芯块定位系统的右方，氩弧焊自动焊接装置包括氩弧焊枪(20)、气缸(18)、压头(12)、焊枪运动机构、压头运动机构；所述压头(12)设置于氩弧焊枪(20)的后方，压头(12)的上端连接有气缸(18)，压头(12)在气缸(18)压力的作用下实现端塞(6)与包壳(5)的压紧固定，氩弧焊枪(20)用于实现端塞(6)与包壳(5)的焊接；所述压头(12)与压头运动机构相连接，氩弧焊枪(20)与焊枪运动机构相连接，焊枪运动机构、压头运动机构分别对氩弧焊枪(20)、压头(12)的位置进行调整以适应不同规格燃料棒的焊接；

所述旋转焊台(10)设置于压头(12)的下方，旋转焊台(10)用于夹紧包壳(5)并带动包壳(5)旋转。

2.根据权利要求1所述的全自动燃料棒装焊装置，其特征在于：所述水平关节机器人(1)的升降轴的下端设置有摆台固定块(24)，气动摆台(2)与摆台固定块(24)相连接；所述气动摆台(2)连接有可旋转的夹具固定块(25)，真空吸盘(3)、三爪气动手指(4)分别固定在夹具固定块(25)相邻的两个侧面上，真空吸盘(3)用于夹取燃料芯块(8)、端塞(6)及垫片，三爪气动手指(4)用于夹取包壳(5)。

3.根据权利要求2所述的全自动燃料棒装焊装置，其特征在于：所述焊枪运动机构包括线性模组X1(21)、线性模组Y(16)、线性模组Z(15)；所述线性模组X1(21)横向设置于机架(29)的右部前侧，线性模组X1(21)的上端设置有L型的焊枪固定立板(23)；所述焊枪固定立板(23)的水平板固定于线性模组X1(21)的滑动块X1上，焊枪固定立板(23)的竖直板的左侧固定设置有竖向的线性模组Z(15)；所述线性模组Z(15)的滑动块Z上固定设置有线性模组Y(16)，线性模组Y(16)所在的直线与线性模组X1(21)和线性模组Z(15)所构成的平面垂直；所述氩弧焊枪(20)固定设置于线性模组Y(16)的滑动块Y上；所述线性模组X1(21)、线性模组Y(16)、线性模组Z(15)分别与伺服电机X1(17)、伺服电机Y、伺服电机Z(13)相连接；

所述压头运动机构包括线性模组X2(19)、伺服电机X2(14)，线性模组X2(19)设置于线性模组X1(21)的后方；所述伺服电机X2(14)与线性模组X2(19)相连接，线性模组X2(19)的滑动块X2上固定设置有气缸固定立柱(27)，气缸(18)通过气缸固定法兰(26)安装在气缸固定立柱(27)上；所述压头(12)固定在气缸(18)活塞杆的输出端上。

4.根据权利要求3所述的全自动燃料棒装焊装置，其特征在于：所述旋转焊台(10)设置于线性模组X1(21)和线性模组X2(19)之间；所述旋转焊台(10)的下端连接有驱动电机，驱动电机用于带动旋转焊台(10)旋转；所述旋转焊台(10)的上端设置有三爪气动卡盘，三爪气动卡盘用于卡紧包壳(5)，同时保证包壳(5)旋转过程的同心度。

5.根据权利要求4所述的全自动燃料棒装焊装置，其特征在于：所述机架(29)的左部前侧、左部后侧分别设置有视觉传感器固定支架(22)、固定座(28)，视觉传感器(11)、水平关节机器人(1)分别固定于视觉传感器固定支架(22)、固定座(28)上。

6.一种如权利要求5所述的全自动燃料棒装焊装置的使用方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

a、物料准备：首先根据装配对象燃料棒对控制器进行设置，将包壳(5)、端塞(6)、垫片放置于元件治具(7)内，将燃料芯块(8)放置于芯块治具(9)内；

b、包壳放置：水平关节机器人(1)在控制器的控制下采用三爪气动手指(4)抓取包壳(5)，并将包壳(5)竖直地放置于旋转焊台(10)上端的三爪气动卡盘上，三爪气动卡盘卡紧包壳(5)完成包壳的放置；

c、燃料芯块定位及装填路径规划：视觉传感器(11)对芯块治具(9)进行图像采集，通过图像处理模块对芯块治具(9)内燃料芯块(8)的图像信息进行处理，并将燃料芯块(8)的坐标数据发送给控制器，由控制器规划元件的抓取顺序及路径；

d、燃料芯块装填：水平关节机器人(1)按照控制器规划的抓取顺序及路径首先采用真空吸盘(3)夹取燃料芯块(8)，然后将燃料芯块(8)放置于包壳(5)中，真空吸盘(3)一次夹取一块燃料芯块(8)；水平关节机器人(1)将所有的燃料芯块(8)依次放置于包壳(5)中，完成燃料芯块(8)的装填；

e、垫片及端塞的装配：水平关节机器人(1)然后采用真空吸盘(3)依次夹取垫片、端塞(6)，并将垫片、端塞(6)依次放置于包壳(5)中，完成垫片及端塞(6)的装配；

f、压头压紧端塞：垫片与端塞(6)装配完成后，压头(12)在控制器的控制下运动到端塞(6)的上方；压头(12)在气缸(18)压力的作用下压紧端塞(6)，实现端塞(6)与包壳(5)的精密装配，燃料棒的全自动装配任务完成；

g、包壳与端塞的焊接：燃料棒的全自动装配任务完成后，控制器发出指令控制氩弧焊枪(20)运动至预设的端塞焊缝位置，起弧焊接，同时旋转焊台(10)带动包壳(5)旋转，完成包壳(5)与端塞(6)的焊接，燃料棒的焊接任务完成；

h、燃料棒的焊接任务完成后，水平关节机器人(1)将焊接好的燃料棒放置于控制器设定的指定位置，在元件治具(7)、芯块治具(9)内分别装入新的元件，进行下一件燃料棒的全自动装配及焊接任务。