CN110814598B - 一种用于复杂环境的爬管焊接装置及方法 - Google Patents

一种用于复杂环境的爬管焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种用于复杂环境的爬管焊接装置及方法，主要包括定位夹持机构、爬行机构、旋转进给机构；定位机构主要包括转环、压杆、步进电机、驱动齿轮；爬行机构包括主动轮机构与从动齿轮机构，从动齿轮机构主要包括蜗杆、涡轮、丝杆架、滚轮、步进电机，主动轮机构主要包括锥齿轮、滚轮与伺服电机；旋转进给机构主要包括齿轮盘、直线步进电机、步进电机、传动齿轮。通过主动轮机构驱动装置本体沿管道爬行，到达指定位置后，由定位夹持机构对管道进行夹持定位以进行焊接。本发明结构简单、体积小，可实现沿管道爬行，并进行自动焊接，适用于人员无法靠近的复杂环境。

Description

一种用于复杂环境的爬管焊接装置及方法
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爬管焊接装置及方法。
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，在维护完成后时需要对这些管道进行重新焊接，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。目前一种方式是采用机器人或机械手臂模拟人的操作，另一种可行的方案是采用爬管装置沿管道爬行到焊接现场进行焊接。采用机械人模拟人手的焊接方式较适合集中焊接，在管道大范围分散的环境下，机械手需多次移动固定，基本不可能实现。目前的爬管装置多是从管内爬入，用于大尺寸管道自动焊接，不适用于小管径。
发明内容
本发明目的是提供一种紧凑的用于复杂环境的爬管焊接装置及方法，可代替采用机器人或机械手臂的方案，减少复杂环境下焊接的困难程度与成本。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于复杂环境的爬管焊接装置，包括有由固定杆串联固定在一起的支撑框架，支撑框架上固定有爬行机构、定位夹持机构与旋转进给机构；
所述爬行机构包括主动机构与从动机构，主动机构包括有固定于支撑框架的固定板一，固定板一安装有可滚动的两主滚轮，所述主滚轮中心轴的一端固定有锥齿轮，两主滚轮上的锥齿轮分别与固定于同一主转动轴的上两锥齿轮二啮合，主转动轴一端通过联轴器一与固定于支撑框架上的步进电机一输出轴相连；所述从动机构包括固定于支撑框架的固定板二，固定板二上滑动配合有两个可沿其垂直方向滑动的滚轮架，每一滚轮架上均安装有一从滚轮，所述滚轮架尾部有螺纹杆，与两滚轮架螺纹杆分别螺纹旋合有一个安装于固定板二的涡轮，所述两涡轮与同一蜗杆啮合，蜗杆尾部固定有从动齿轮，与从动齿轮啮合有主动齿轮，所述主动齿轮与固定于支撑框架的步进电机二输出轴相连；
所述定位夹持机构包括可绕支撑框架轴线旋转的两个中空齿轮盘，每个齿轮盘周向均匀布置三处滑动槽，滑动槽滑动配合有三个压杆，压杆中部与支撑框架旋转配合；所述两齿轮盘与固定于同一定位旋转轴上的两个相同规格的齿轮分别啮合，所述定位旋转轴一端通过联轴器二与固定于支撑框架的步进电机三的输出轴相连；夹持机构的主要作用是利用压杆夹持住管道，将整个装置固定在管道上，一方面用于装置沿管道轴线方向的定位，另一方面用于径向方向的定位，使装置的轴线与管道的轴线重合。
所述旋转进给机构包括可绕支撑框架轴线旋转的转动盘，转动盘一侧固定有齿圈，与该齿圈啮合有驱动齿轮，所述驱动齿轮通过旋转轴、联轴器三与固定与支撑框架的步进电机四输出轴相连，；所述转动盘另一侧固定有滑动导轨，滑动导轨滑动配合有焊炬基座，焊炬基座上固定有焊炬，所述焊炬基座与固定于转动盘上直线步进电机的输出轴相连；步进电机四动作将驱动转动盘及其上固定的各部件共同绕支撑框架轴线旋转，实现焊枪沿管道环向运动；直线步进电机动作将调整焊炬与管道之间的间距以适应不同外径的管道。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，其特征在于：所述涡轮依靠滚动轴承实现在固定板二上转动。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述齿轮盘与固定框架间采用滚动轴承连接，实现绕固定框架轴线的转动。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述齿轮盘仅在与定位旋转轴上齿轮可实现啮合的部分有齿。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述压杆与齿轮盘滑动槽配合端固定有滚动轴承，滚动轴承在滑动槽内滚动可实现压杆相对滑动槽的滑动。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述齿轮盘、旋转盘与支撑框架轴线同心。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，在装置两端分别布置一组齿轮盘及在齿盘上滑动的压杆。
本发明还提出了一种利用复杂环境的爬管焊接装置进行焊接的方法：
将该装置穿套在待焊接管道上，从动机构中步进电机二转动，带动主动齿轮转动，通过与主动轮啮合的从动齿轮驱动与从动齿轮固定的蜗杆转动，从而驱动两涡轮转动，转动的涡轮驱动与其螺纹配合的滚轮架沿固定板二垂直方向移动，直到从滚轮与主滚轮将待焊管压紧。之后，主动机构中步进电机一转动，带动主转动轴与固定在主转动轴上的两锥齿轮二转动，两锥齿轮二驱动与其啮合的固定于主滚轮上锥齿轮转动，从而驱动主滚轮转动。由于管道夹紧于主滚轮与从滚轮之间，主滚轮的转动将驱使装置本体沿管道向前爬行。
待装置沿管道爬行到指定位置，从动机构的步进电机二反转松开对管道的夹紧，同时定位夹持机构中步进电机三转动，驱动定位旋转轴与固定在它上面的两齿轮转动，从而驱动与两齿轮啮合的齿轮盘转动，由于齿轮盘滑动槽与压杆之间的滑动配合，将驱动压杆绕其与支撑框架间的转动副转动，直到压杆压紧管道，对管道进行夹持并定心。
管道定心后，其轴线将与转动盘轴线重合，直线步进电机动作使焊炬基座沿滑动导轨移动，从而调节固定于焊炬基座上的焊炬与管道之间的间隙。之后，步进电机四转动，驱动旋转轴与固定于旋转轴的驱动齿轮转动，通过旋转盘上齿圈与驱动齿轮的啮合，旋转盘将绕其轴心转动，同时焊炬开始作业完成管道的环向焊接。
发明有益效果：
本发明可在人员无法接近的狭小、恶劣环境下完成自动焊接，相比需人员现场焊接，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。相比利用机械手臂或机器人进行焊接，减少复杂程与成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图一；
图2是本发明的整体结构示意图二；
图3是本发明的整体结构示意图三；
图4是本发明的爆炸视图；
图5是本发明的爬行机构中的主动机构；
图6是本发明的爬行机构中的被动机构；
图7是本发明的定位夹持机构视图一；
图8是本发明的定位夹持机构视图二；
图9是本发明的旋转进给机构。
附图标记说明：支撑框架1，固定杆1-1，爬行机构2，主动机构2-1，固定板一2-1-1，主滚轮2-1-2，锥齿轮2-1-3，主转动轴2-1-4，锥齿轮二2-1-5，联轴器一2-1-6，步进电机一2-1-7，从动机构2-2，固定板二2-2-1，滚轮架2-2-2，从滚轮2-2-3，涡轮2-2-4，蜗杆2-2-5，从动齿轮2-2-6，主动齿轮2-2-7，步进电机二2-2-8，定位夹持机构3，齿轮盘3-1，压杆3-2，定位旋转轴3-3，齿轮3-4，联轴器二3-5，步进电机三3-6，滚动轴承3-7，旋转进给机构4，转动盘4-1，齿圈4-2，驱动齿轮4-3，旋转轴4-4，联轴器三4-5，步进电机四4-6，滑动导轨4-7，焊炬基座4-8，焊炬4-9，直线步进电机4-10。
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、2、3、4，一种用于复杂环境的爬管焊接装置，包括有由固定杆1-1串联固定在一起的支撑框架1，支撑框架上固定有爬行机构2、定位夹持机构3与旋转进给机构4。
参见图4、图5、图6，所述爬行机构2包括主动机构2-1与从动机构2-2，主动机构2-1包括有固定于支撑框架1的固定板一2-1-1，固定板一2-1-1安装有可滚动的两主滚轮2-1-2，所述主滚轮2-1-2中心轴的一端固定有锥齿轮2-1-3，两主滚轮2-1-2上的锥齿轮2-1-3分别与固定于同一主转动轴2-1-4的上两锥齿轮二2-1-5啮合，主转动轴2-1-4一端通过联轴器一2-1-6与固定于支撑框架1上的步进电机一2-1-7输出轴相连；所述从动机构2-2包括固定于支撑框架1的固定板二2-2-1，固定板二2-2-1上滑动配合有两个可沿法线方向滑动的滚轮架，2-2-2，固定板二2-2-1上固定有滑动衬套，滚动架上侧杆部插入滑动衬套中，实现滑动导向；每一滚轮架2-2-2上均安装有一从滚轮2-2-3，所述滚轮架2-2-2尾部有螺纹杆，与两滚轮架2-2-2螺纹杆分别螺纹旋合有一个安装于固定板二2-2-1的涡轮2-2-4，所述两涡轮2-2-4与同一蜗杆2-2-5啮合，蜗杆2-2-5尾部固定有从动齿轮2-2-6，与从动齿轮2-2-6啮合有主动齿轮2-2-7，所述主动齿轮2-2-7与固定于支撑框架2的步进电机二2-2-8输出轴相连。
参见图7、图8，所述定位夹持机构3包括可绕支撑框架1轴线旋转的两个中空齿轮盘3-1，每个齿轮盘3-1上有三处滑动槽，滑动槽滑动配合有三个压杆3-2，同时，压杆3-2一侧有插入支撑框架1的轴，压杆3-2可绕轴部旋转，所述两齿轮盘3-1与固定于同一定位旋转轴3-3上的两齿轮3-4分别啮合，所述定位旋转轴3-3一端通过联轴器二3-5与固定于支撑框架1的步进电机三3-6的输出轴相连。
参见图9，所述旋转进给机构4包括可绕支撑框架1轴线旋转的转动盘4-1，转动盘4-1一侧固定有齿圈4-2，与该齿圈4-2啮合有驱动齿轮4-3，所述驱动齿轮4-3通过旋转轴4-4、联轴器三4-5与固定于支撑框架1的步进电机四4-6输出轴相连；所述转动盘4另一侧固定有滑动导轨4-7，滑动导轨4-7滑动配合有焊炬基座4-8，焊炬基座4-8上固定有焊炬4-9，所述焊炬基座4-8与固定于转动盘4-1上直线步进电机4-10的输出轴相连。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述涡轮2-2-3依靠滚动轴承实现在固定板二2-2-1上转动。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述齿轮盘3-1与固定框架1间采用滚动轴承连接，实现绕固定框架1轴线的转动。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述齿轮盘3-1仅在与定位旋转轴3-3上齿轮3-4可实现啮合的部分有齿，齿轮盘的旋转只是为了实现压杆对管道的压紧与松放，只要旋转一定的角度即可，不需要完整的周向转动。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述压杆3-2与齿轮盘3-1滑动槽配合端固定有滚动轴承3-7，滚动轴承在滑动槽内滚动可实现压杆3-2相对滑动槽的滑动夹紧管道，实现装置相对管道固定与同轴。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，所述齿轮盘3-1、旋转盘4-1与支撑框架1轴线同心。
所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，在装置两端分别布置一组齿轮盘3-1及在齿盘上滑动的压杆3-2。
本发明的工作原理为：将本装置穿套在待焊接管道上，从动机构2-2中步进电机二2-2-8转动，带动主动齿轮2-2-7转动，通过与主动轮2-2-7啮合的从动齿轮2-2-6驱动与从动齿轮2-2-6固定的蜗杆2-2-5转动，从而驱动两涡轮2-2-4转动，转动的涡轮2-2-4驱动与其螺纹配合的滚轮架2-2-2沿固定板二2-2-1垂直方向移动，直到从滚轮2-2-3与主滚轮2-1-2将待焊管压紧。之后，主动机构2-1中步进电机一2-1-7转动，带动主转动轴2-1-4与固定在主转动轴2-1-4上的两锥齿轮二2-1-5转动，两锥齿轮二2-1-5驱动与其啮合的固定于主滚轮2-1-2上锥齿轮2-1-3转动，从而驱动主滚轮2-1-2转动。由于管道夹紧于主滚轮2-1-2与从滚轮2-2-3之间，主滚轮2-1-2的转动将驱使装置本体沿管道向前爬行。
待装置沿管道爬行到指定位置，从动机构2-2的步进电机二2-2-8反转松开对管道的夹紧，同时定位夹持机构3中步进电机三3-6转动，驱动定位旋转轴3-3与固定在它上面的两齿轮3-4转动，从而驱动与两齿轮3-4啮合的齿轮盘3-1转动，由于齿轮盘3-1滑动槽与压杆3-2之间的滑动配合，将驱动压杆3-2绕其与支撑框架1间的转动副转动，直到压杆3-2压紧管道，对管道进行夹持并定心。
管道定心后，其轴线将与转动盘4-1轴线重合，直线步进电机4-10动作使焊炬基座4-8沿滑动导轨4-7移动，从而调节固定于焊炬基座4-8上的焊炬4-9与管道之间的间隙。之后，步进电机四4-6转动，驱动旋转轴4-4与固定于旋转轴4-4的驱动齿轮4-3转动，通过转动盘4-1上齿圈与驱动齿轮4-4的啮合，转动盘4-1将绕其轴心转动，同时焊炬4-9开始作业完成管道的环向焊接。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种用于复杂环境的爬管焊接装置，其特征在于：
包括有由固定杆串联固定在一起的支撑框架，支撑框架上固定有爬行机构、定位夹持机构与旋转进给机构；
所述爬行机构包括主动机构与从动机构，主动机构包括有固定于支撑框架的固定板一，固定板一安装有可滚动的两主滚轮，所述主滚轮中心轴的一端固定有锥齿轮，两主滚轮上的锥齿轮分别与固定于同一主转动轴的上两锥齿轮二啮合，主转动轴一端通过联轴器一与固定于支撑框架上的步进电机一输出轴相连；
所述从动机构包括固定于支撑框架的固定板二，固定板二上滑动配合有两个可沿固定板二法线方向垂直滑动的滚轮架，固定板二上固定有滑动衬套，滚轮架上侧杆部插入滑动衬套中，实现滑动导向；每一滚轮架上均安装有一从滚轮，所述滚轮架尾部有螺纹杆，与两滚轮架螺纹杆分别螺纹旋合有一个安装于固定板二的涡轮，所述两涡轮与同一蜗杆啮合，蜗杆尾部固定有从动齿轮，与从动齿轮啮合有主动齿轮，所述主动齿轮与固定于支撑框架的步进电机二输出轴相连；所述涡轮依靠滚动轴承实现在固定板二上转动；所述定位夹持机构包括可绕支撑框架轴线旋转的两个中空齿轮盘，每个齿轮盘周向均匀布置三处滑动槽，滑动槽滑动配合有三个压杆，压杆中部与支撑框架旋转配合；所述两齿轮盘与固定于同一定位旋转轴上的两个相同规格的齿轮分别啮合，所述定位旋转轴一端通过联轴器二与固定于支撑框架的步进电机三的输出轴相连；所述齿轮盘仅在外圈的其中一段有齿；
所述旋转进给机构包括能绕支撑框架轴线旋转的转动盘，转动盘一侧固定有齿圈，与该齿圈啮合有驱动齿轮，所述驱动齿轮通过旋转轴、联轴器三与固定于支撑框架的步进电机四输出轴相连；所述转动盘另一侧固定有滑动导轨，滑动导轨滑动配合有焊炬基座，焊炬基座上固定有焊炬，所述焊炬基座与固定于转动盘上直线步进电机的输出轴相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，其特征在于：所述齿轮盘与固定框架间采用滚动轴承连接，实现绕固定框架轴线的转动。
3.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，其特征在于：所述压杆与齿轮盘滑动槽配合端固定有滚动轴承，滚动轴承在滑动槽内滚动可实现压杆相对滑动槽的滑动。
4.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，其特征在于：所述齿轮盘、旋转盘与支撑框架轴线同心。
5.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的爬管焊接装置，其特征在于：在装置两端分别布置一组齿轮盘及在齿盘上滑动的压杆。
6.一种利用权利要求1所述的爬管焊接装置进行爬管焊接的方法，其特征在于：
将该装置穿套在待焊接管道上，从动机构中步进电机二转动，带动主动齿轮转动，通过与主动轮啮合的从动齿轮驱动与从动齿轮固定的蜗杆转动，从而驱动两涡轮转动，转动的涡轮驱动与其螺纹配合的滚轮架沿固定板二垂直方向移动，直到从滚轮与主滚轮将待焊管压紧；之后，主动机构中步进电机一转动，带动主转动轴与固定在主转动轴上的两锥齿轮二转动，两锥齿轮二驱动与其啮合的固定于主滚轮上锥齿轮转动，从而驱动主滚轮转动；由于管道夹紧于主滚轮与从滚轮之间，主滚轮的转动将驱使装置本体沿管道向前爬行。
7.根据权利要求6所述的爬管焊接的方法，其特征在于：
待装置沿管道爬行到指定位置，从动机构的步进电机二反转松开对管道的夹紧，同时定位夹持机构中步进电机三转动，驱动定位旋转轴与固定在它上面的两齿轮转动，从而驱动与两齿轮啮合的齿轮盘转动，由于齿轮盘滑动槽与压杆之间的滑动配合，将驱动压杆绕其与支撑框架间的转动副转动，直到压杆压紧管道，对管道进行夹持并定心。
8.根据权利要求7所述的爬管焊接的方法，其特征在于：
管道定心后，其轴线将与转动盘轴线重合，直线步进电机动作使焊炬基座沿滑动导轨移动，从而调节固定于焊炬基座上的焊炬与管道之间的间隙；之后，步进电机四转动，驱动旋转轴与固定于旋转轴的驱动齿轮转动，通过转动盘上齿圈与驱动齿轮的啮合，转动盘将绕其轴心转动，同时焊炬开始作业完成管道的环向焊接。
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