CN110722282B - 一种用于复杂环境的管道自动焊接装置及方法 - Google Patents

一种用于复杂环境的管道自动焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种用于复杂环境的管道自动焊接装置及方法，包括法兰定位机构、焊炬旋转机构、焊炬进给机构与线缆收放机构；法兰定位机构主要包括法兰压板、压板导轨、伺服推杆电机；焊炬旋转机构主要包括齿轮组、旋转环、伺服电机；焊炬进给机构主要包括焊炬固定座与直线步进电机；本发明结构简单、紧凑，可安装于机械人手臂上或由机械手夹持操作，在人员无法到达的位置完成管道的焊接。

Description

一种用于复杂环境的管道自动焊接装置及方法
技术领域
本发明属于管道焊接领域，具体为一种用于复杂环境的管道自动焊接装置。
背景技术
在涉核装置中，一些零部件需要定期拆除、维护，这些零部件往往连接有各种管道，在维护时需要对这些管道进行焊接，维护完成后需对管道重新焊接，而其所处环境为高温、辐射的恶劣环境，且空间狭小，人员基本无法靠近。
目前已有的商用管道焊接设备，无法同时满足小尺寸、全自动、准确定位的要求。因此设计了一种管道自动焊接装置，可安装于机械臂上或由机械手夹持操作，实现在复杂、恶劣环境下的管道焊接。
发明内容
本发明目的是为了弥补已有技术中的缺陷，提供一种紧凑的用于复杂环境的管道自动焊接装置及方法，可实现恶劣环境、狭小空间下管道的自动焊接。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，包括有线缆收放机构、盒式的基座，基座顶部盖装有盖板，盖板和基座内部一端的相对面上分别设有相互对应的环形轨道，环形轨道之间环向滑行导向配合有旋转环；
所述旋转环通过旋转机构控制转动，旋转机构包括安装在基座外侧的伺服电机，伺服电机的输出轴外传动连接有输入轴，输入轴插入基座内且输入轴的插入端固定套装有锥齿轮一，所述基座中部转动安装有纵向轴，纵向轴上固定套装有与锥齿轮一啮合传动的锥齿轮二，纵向轴上还固定套装有齿轮三，所述齿轮三和旋转环之间转动安装有齿轮四和齿轮五，所述旋转环上部设有一圈轮齿，所述齿轮四和齿轮五均夹持在旋转环的轮齿和齿轮三之间并均与旋转环的轮齿和齿轮三啮合传动，旋转环底部固定有线缆缠绕环；
所述旋转环上设有带滑道的凹槽，与凹槽滑动配合安装有焊炬基座，焊炬基座的前端固定有焊炬，焊炬基座后端与直线步进电机输出轴相连，所述直线步进电机固定于旋转环；
所述线缆收放机构包括与焊炬基座连接的线缆，线缆依次穿过移动滑轮一、固定滑轮、移动滑轮二，线缆最后与固定于基座的线缆固定座相连，所述移动滑轮一与移动滑轮二固定于滑轮连接件，滑轮连接件一侧固定于滑块，滑块与固定于基座的滑动导轨滑动配合，所述滑轮连接件的顶部与安装于基座的恒力弹簧固定；
所述盖板和基座底面上对应旋转环的中心孔部位均设有管件贯穿口，所述盖板和基座的管件贯穿口外侧以及旋转环的端部外侧均设有相互对应的可以供待焊管穿入的管件插入缺口；所述齿轮四与旋转环啮合点到齿轮五与旋转环啮合点之间的间距大于管件插入缺口的宽度；
所述盖板顶面位于管件贯穿口的外围设有与待焊管上固定法兰形状配合的定位凹槽，盖板顶面位于定位凹槽的两侧分别设有压板导轨，压板导轨之间滑动导向配合有可压制在所述固定法兰上方的法兰压板；所述盖板上固定安装有伺服推杆电机，伺服推杆电机的推杆外端固定在法兰压板上并能推动法兰压板在压板轨道上来回滑动。
所述旋转环的顶面和底面上分别设有环形导槽，所述盖板和基座上的环形轨道分别插入到旋转环上对应的环形导槽内，旋转环可沿环形轨道环向转动。
所述线缆缠绕环截面为与线缆尺寸相对应的凹槽形，线缆缠绕环设有供待焊管穿过的缺口；
所述盖板上固定有电机固定板，所述伺服推杆电机安装在电机固定板上。
所述伺服电机的输出轴通过联轴器与输入轴固定连接。
所述旋转环的缺口宽度小于其内环的直径。
固定有两移动滑轮的滑轮连接件可沿所述滑动导轨滑动。
本发明的工作原理为：
一种利用上述焊接装置进行焊接的方法，包括：
所述待焊接管上固定有固定法兰，需要焊接时，将待焊接管与对接管对接，待焊接管通过管件插入缺口套入旋转环中，并将固定法兰卡装在定位凹槽内。启动伺服推杆电机通过其上的推杆推动盖板压制在固定法兰上方，实现对待焊接管的定位目的。
启动伺服电机，伺服电机的输出轴带动输入轴转动，输入轴上的锥齿轮一带动锥齿轮二转动，进而带动纵向轴转动，进而带动齿轮三转动，进而通过齿轮四、齿轮五和旋转环底部的一圈轮齿的啮合作用带动了旋转环转动。由于述齿轮四与旋转环啮合点到齿轮五与旋转环啮合点之间的间距大于管件插入缺口的宽度，所以当旋转环顺时针转动，当旋转环上的缺口部位先旋转到齿轮四时，齿轮四先脱离旋转环底部的齿轮处于脱离状态，齿轮五单独与旋转环底部的轮齿啮合传动，旋转环依然保持转动。当缺口快旋转到齿轮五时，此时的齿轮四已与缺口另一端的轮齿啮合传动，当缺口到达齿轮五部位，齿轮四单独与旋转环底部的轮齿啮合传动，依然保持旋转环处于旋转状态。可见，通过伺服电机和多个齿轮副的啮合传动，可以实现旋转环的连续转动。
步进直线电机可调节焊炬与管道的间距至合适尺寸，旋转环转动带动固定于旋转环上的步进直线电机和与步进直线电机相连的焊炬基座随之转动，焊炬基座的旋转将拖拽与之相连的线缆，固定两移动滑轮的滑轮连接件受线缆拉力将大于恒力弹簧的拉力，驱使滑动连接件沿着滑动导轨向前移动。在旋转环转动过程中被拖拽出的线缆大部份将缠绕于线缆缠绕环上，同时焊炬进行焊接作业，完成管道环向焊接。
焊接完成后伺服电机反转，驱动旋转环反转，缠绕于线缆缠绕环上的线缆将被放松，滑轮连接件受线缆拉力将小于恒力弹簧的拉力，驱使滑动连接件沿滑动导向滑轨向后移动，使被放松的线缆被拉紧。
本发明有益效果：
本发明可在人员无法接近的狭小、恶劣环境下完成管道的自动焊接。相比需人员现场操作的管道焊接工具，可减轻复杂环境下作业的难度，减少准备与现场恢复的时间。
附图说明
图1是本发明的整体结构一；
图2是本发明的整体结构二
图3是本发明的整体结构三
图4是本发明的爆炸视图一；
图5是本发明的爆炸视图二；
图6是本发明的爆炸视图三；
图7是本发明的爆炸视图四；
图8是本发明的线缆缠绕环；
附图标记说明：
线缆收放机构1，线缆1-1，移动滑轮一1-2，固定滑轮1-3，移动滑轮二1-4，线缆固定座1-5，滑轮连接件1-6，滑动导轨1-7，恒力弹簧1-8，基座2，盖板3，定位凹槽3-1，压板导轨3-2，固定板3-3，环形轨道4，旋转机构5，旋转环5-1，伺服电机5-2，输入轴5-3，锥齿轮一5-4，锥齿轮二5-5，齿轮三5-6，齿轮四5-7，齿轮五5-8，线缆缠绕环5-9，联轴器5-10，焊炬基座6，焊炬6-1，直线步进电机6-2，待焊管7，固定法兰7-1，对接管7-2，法兰压板8，伺服推杆电机9。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述说明，但并不作对本发明的限定。
参见图1、图2、图3、图4、图5，一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：包括有线缆收放机构1、盒式的基座2，基座2顶部盖装有盖板3，盖板3和基座2内部一端的相对面上分别设有相互对应的环形轨道4，环形轨道之间环向滑行导向配合有旋转环5-1；
参见图5、图6、图8，所述旋转环5-1通过旋转机构5控制转动，旋转机构5包括安装在基座外侧的伺服电机5-2，伺服电机的输出轴外传动连接有输入轴5-3，输入轴5-3插入基座2内且输入轴5-3的插入端固定套装有锥齿轮一5-4，所述基座2中部转动安装有纵向轴(纵向为相对于基座2底部平面的垂直方向)，纵向轴上固定套装有与锥齿轮一5-4啮合传动的锥齿轮二5-5，纵向轴上还固定套装有齿轮三5-6，所述齿轮三5-6和旋转环5-1之间转动安装有齿轮四5-7和齿轮五5-8，所述旋转环5-1上部设有轮齿，所述齿轮四5-7和齿轮五5-8均夹持在旋转环5-1的轮齿和齿轮三5-6之间并均与旋转环5-1的轮齿和齿轮三5-6啮合传动，旋转环5-1底部固定有半弧形线缆缠绕环5-9；
参见图5、图7，所述旋转环5-1上设有带滑道的凹槽，与凹槽滑动配合有焊炬基座6，焊炬基座6的前端固定有焊炬6-1，焊炬基座6后端与直线步进电机6-2输出轴相连，所述直线步进电机6-2固定于旋转环5-1；
参见图7，所述线缆收放机构1包括与焊炬基座连接的线缆1-1，线缆依次穿过移动滑轮一1-2、固定滑轮1-3、移动滑轮二1-4，线缆最后与固定于基座2的线缆固定座1-5相连，所述移动滑轮一1-2与移动滑轮二1-4固定于滑轮连接件1-6，滑轮连接件1-6一侧固定于滑块，滑块与固定于基座2的滑动导轨1-7滑动配合，所述滑轮连接件1-6的顶部与安装于基座2的恒力弹簧1-8固定；
所述盖板3和基座2底面上对应旋转环5-1的中心孔部位均设有管件贯穿口，所述盖板3和基座2的管件贯穿口外侧以及旋转环的端部外侧均设有相互对应的可以供待焊管7穿入的管件插入缺口；所述齿轮四5-7与旋转环5-1啮合点到齿轮五5-8与旋转环5-1啮合点之间的间距大于管件插入缺口的宽度；
所述盖板3顶面位于管件贯穿口的外围设有与待焊管7上固定法兰7-1形状配合的定位凹槽3-1，盖板3顶面位于定位凹槽的两侧分别设有压板导轨3-2，压板导轨3-2之间滑动导向配合有可压制在所述固定法兰7-1上方的法兰压板8；所述盖板3上固定安装有伺服推杆电机9，伺服推杆电机9的推杆外端固定在法兰压板8上并能推动法兰压板8在压板轨道3-2上来回滑动。
所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，所述旋转环5-1的顶面和底面上分别设有环形导槽，所述盖板3和基座2上的环形轨道4分别插入到旋转环5-1上对应的环形导槽内，旋转环5-1可沿环形轨道4环向转动。
所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，所述线缆缠绕环5-9截面为与线缆尺寸相对应的凹槽形，线缆缠绕环5-9设有供待焊管7穿过的缺口，参见图7；
所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，所述盖板3上固定有电机固定板3-3，所述伺服推杆电机9安装在电机固定板3-3上。
所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，所述伺服电机5-2的输出轴通过联轴器5-10与输入轴5-3固定连接。
所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，所述旋转环5-1的缺口宽度小于其内环的直径。
所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，固定有两移动滑轮的滑轮连接件1-6可沿所述滑动导轨1-7滑动。
下面阐述本发明的工作流程：
(1)本发明初始状态为：伺服推杆电机9处于收缩状态，旋转环5-1的缺口位置与基座2的缺口保持对齐。
(2)将对接管7-2与待焊管7对接，移动装置本体使待焊管7的固定法兰7-1嵌入盖板3的对应凹槽中。
(3)伺服推杆电机9动作，法兰压板8沿压板导轨3-2滑动到达预定位置，法兰压板将法兰完全压紧，装置本体精确定位于固定法兰7-1。
(4)步进直线电机6-2动作调节焊炬6-1与待焊管7的间距，伺服电机5-2通过齿轮组驱动旋转环5-1转动，焊炬的焊接采用氩弧焊方式。
(5)旋转环5-1旋转时，焊炬6-1开始焊接作业，焊炬6-1转动将拖拽线缆1-1缠绕于线缆缠绕环5-9，同时固定有两移动滑轮的滑轮连接件1-6沿滑动导轨1-7向靠近管的方向滑动，此过程持续至管道焊接完成。
(6)焊接完成后各电机按上述逆序依次反向转动，恢复至初始状态，滑轮连接件1-6在恒力弹簧1-8的拉力下滑动回原位置。
该说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
包括有线缆收放机构、盒式的基座，基座顶部盖装有盖板，盖板和基座内部一端的相对面上分别设有相互对应的环形轨道，环形轨道之间环向滑行导向配合有旋转环；
所述旋转环通过旋转机构控制转动，旋转机构包括安装在基座外侧的伺服电机，伺服电机的输出轴外传动连接有输入轴，输入轴插入基座内且输入轴的插入端固定套装有锥齿轮一，所述基座中部转动安装有纵向轴，纵向轴上固定套装有与锥齿轮一啮合传动的锥齿轮二，纵向轴上还固定套装有齿轮三，所述齿轮三和旋转环之间转动安装有齿轮四和齿轮五，所述旋转环上部设有一圈轮齿，所述齿轮四和齿轮五均夹持在旋转环的轮齿和齿轮三之间并均与旋转环的轮齿和齿轮三啮合传动，旋转环底部固定有线缆缠绕环；
输入轴上的锥齿轮一带动锥齿轮二转动，进而带动纵向轴转动，进而带动齿轮三转动，进而通过齿轮四、齿轮五和旋转环底部的一圈轮齿的啮合作用带动了旋转环转动；由于述齿轮四与旋转环啮合点到齿轮五与旋转环啮合点之间的间距大于管件插入缺口的宽度，所以当旋转环顺时针转动，当旋转环上的缺口部位先旋转到齿轮四时，齿轮四先脱离旋转环底部的齿轮处于脱离状态，齿轮五单独与旋转环底部的轮齿啮合传动，旋转环依然保持转动；当缺口快旋转到齿轮五时，此时的齿轮四已与缺口另一端的轮齿啮合传动，当缺口到达齿轮五部位，齿轮四单独与旋转环底部的轮齿啮合传动，依然保持旋转环处于旋转状态；可见，通过伺服电机和多个齿轮副的啮合传动，可以实现旋转环的连续转动；
所述旋转环上设有带滑道的凹槽，与凹槽滑动配合有焊炬基座，焊炬基座的前端固定有焊炬，焊炬基座后端与直线步进电机输出轴相连，所述直线步进电机固定于旋转环；
所述线缆收放机构包括与焊炬基座连接的线缆，线缆依次穿过移动滑轮一、固定滑轮、移动滑轮二，线缆最后与固定于基座的线缆固定座相连，所述移动滑轮一与移动滑轮二固定于滑轮连接件，滑轮连接件一侧固定于滑块，滑块与固定于基座的滑动导轨滑动配合，所述滑轮连接件的顶部与安装于基座的恒力弹簧固定；
所述盖板和基座底面上对应旋转环的中心孔部位均设有管件贯穿口，所述盖板和基座的管件贯穿口外侧以及旋转环的端部外侧均设有相互对应的供待焊管穿入的管件插入缺口；所述齿轮四与旋转环啮合点到齿轮五与旋转环啮合点之间的间距大于管件插入缺口的宽度；
所述盖板顶面位于管件贯穿口的外围设有与待焊管上固定法兰形状配合的定位凹槽，盖板顶面位于定位凹槽的两侧分别设有压板导轨，压板导轨之间滑动导向配合有能压制在所述固定法兰上方的法兰压板；
所述盖板上固定安装有伺服推杆电机，伺服推杆电机的推杆外端固定在法兰压板上并能推动法兰压板在压板轨道上来回滑动。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
所述旋转环的顶面和底面上分别设有环形导槽，所述盖板和基座上的环形轨道分别插入到旋转环上对应的环形导槽内，旋转环能够沿环形轨道环向转动。
3.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
所述线缆缠绕环截面为与线缆尺寸相对应的凹槽形，线缆缠绕环设有供待焊管穿过的缺口。
4.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
所述盖板上固定有电机固定板，所述伺服推杆电机安装在电机固定板上。
5.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
所述伺服电机的输出轴通过联轴器与输入轴固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
所述旋转环的缺口宽度小于内环的直径。
7.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的管道自动焊接装置，其特征在于：
固定有两移动滑轮的滑轮连接件可沿所述滑动导轨滑动。
8.一种利用权利要求1所述的管道自动焊接装置进行自动焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)伺服推杆电机处于收缩状态，旋转环的缺口位置与基座的缺口保持对齐；
(2)将对接管与待焊管对接，移动装置本体使待焊管的固定法兰嵌入盖板的对应凹槽中；
(3)伺服推杆电机动作，法兰压板沿压板导轨滑动到达预定位置，法兰压板将法兰完全压紧，装置本体精确定位于固定法兰；
(4)步进直线电机动作调节焊炬与待焊管的间距，伺服电机通过齿轮组驱动旋转环转动；
(5)旋转环旋转时，焊炬开始焊接作业，焊炬转动将拖拽线缆缠绕于线缆缠绕环，同时固定有两移动滑轮的滑轮连接件沿滑动导轨向靠近管的方向滑动，此过程持续至管道焊接完成；
(6)焊接完成后各电机按上述逆序依次反向转动，恢复至初始状态，滑轮连接件在恒力弹簧的拉力下滑动回原位置。
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