全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，包括左右对称设置的两套定位夹紧机构，在两套定位夹紧机构上横跨有与其沿周向滑动连接的移动支撑架，在两套定位夹紧机构之间设有与移动支撑架连接的一套周向移动机构，在移动支撑架上设有与其沿X轴向滑动连接的悬臂梁，在悬臂梁的悬臂端下方固接有辅助支撑架，辅助支撑架空套在被施焊的管状物上，悬臂梁由X轴向移动机构驱动，X轴向移动机构安装在移动支撑架，在悬臂梁的悬臂端外侧安装有与X轴垂直的B轴摆动油缸，B轴摆动油缸驱动与其垂直设置的Z向主轴头摆动。本发明的突出特点是修复范围大，主轴工作稳定，驱动精确可靠，定位夹紧机构适应性好。
【专利说明】全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及数控摩擦叠焊机，特别是一种全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备。
【背景技术】
[0002]当今世界各国高度重视海底资源，海底资源的开采利用愈演愈烈，从而迫切需要安全、可靠、经济的水下连接修复技术和装备。水下机械连接操作复杂，湿法焊接质量较差，干法焊接成本较高，而摩擦叠焊技术具有对水深不敏感，焊接变形小，高效率、低能耗等优点，因此近些年得到广泛应用。
[0003]中国专利文献CN103071914A在2013年5月I日公开了一种水下摩擦叠焊设备。该设备主要包括链式夹紧机构、锁紧机构、横向移动机构、环向(A向)移动机构和机架几个部分。可实现主轴头的横向移动，环向移动，锁紧等动作。该设备采用闭式结构，操作空间较小，且只能修复管状物直管中间部位，管状物节点部位无法修复。该设备只配置有一个主轴头用于完成修复过程中的钻孔、塞焊、切割、打磨工作，由于钻孔、打磨需要的转速为400r/min左右，塞焊、切割需要的转速为8000r/min左右，且修复对象多为DH36等难加工材料，焊接后还会造成加工硬化，同一主轴头完成转速差较大的多种工作，容易造成工作不稳定。该设备驱动均由马达加减速器驱动齿条实现，存在传动侧隙，传动精度不高，对修复质量产生不利影响。
[0004]综上述，上述结构的局限性在于:操作空间小，修复范围较小，单主轴完成多种工作，易造成工作不稳定；马达加减速器驱动齿条的驱动形式存在传动侧隙，对修复质量产生不利影响。
【发明内容】
[0005]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，该设备的修复范围大。
[0006]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，包括左右对称设置的两套定位夹紧机构，在两套所述定位夹紧机构上横跨有与其沿周向滑动连接的移动支撑架，在两套所述定位夹紧机构之间设有与所述移动支撑架连接的一套周向移动机构，在所述移动支撑架上设有与其沿X轴向滑动连接的悬臂梁，在所述悬臂梁的悬臂端下方固接有辅助支撑架，所述辅助支撑架空套在被施焊的管状物上，所述悬臂梁由X轴向移动机构驱动，所述X轴向移动机构安装在所述移动支撑架上，在所述悬臂梁的悬臂端外侧安装有B轴摆动油缸，所述B轴摆动油缸驱动Z向主轴头摆动，在所述B轴摆动油缸的中心孔内安装有阶梯轴，所述Z向主轴头与所述B轴摆动油缸通过所述阶梯轴铰接。
[0007]所述Z向主轴头包括高速主轴头和低速主轴头，所述B轴摆动油缸有两个，所述高速主轴头和所述低速主轴头各由一个所述B轴摆动油缸驱动。
[0008]所述高速主轴头包括与对应所述B轴摆动油缸连接的缸筒，在所述缸筒内安装有活塞，所述活塞设有中空结构，在所述活塞的中空结构内安装有主轴，所述主轴由液压马达驱动旋转，所述液压马达固定在所述活塞的上端；所述低速主轴头的结构与所述高速主轴头的结构相同。
[0009]所述周向移动机构包括与所述移动支撑架连接的滑块，所述滑块与连接块通过柱销铰接，所述连接块固定在周向驱动伺服油缸的缸体上，所述滑块由所述周向驱动伺服油缸驱动，所述周向驱动伺服油缸固定在所述定位夹紧机构上，在所述移动支撑架的内侧设有纵向滑轨，所述纵向滑轨上装配有所述滑块。
[0010]所述定位夹紧机构包括横截面下周边为倒V形的定位机构和夹紧机构；在所述定位机构的上面设有圆弧形导轨，在所述圆弧形导轨上装配有所述移动支撑架；所述夹紧机构包括连接在所述定位机构下方的夹具主体，所述夹具主体的内周边与所述定位机构的内周边形成封闭结构，在所述夹具主体内设有夹紧块，所述夹紧块与所述夹具主体通过沿它们径向设置的调节杆I连接，所述调节杆I与所述夹紧块固接，所述调节杆I与所述夹具主体滑动连接，所述调节杆I通过内螺纹与梯形丝杠I连接，所述梯形丝杠I与所述夹具主体周向转动轴向固定连接。
[0011]所述辅助支撑架包括相对的两个半圆结构-固定体和活动体，所述固定体和所述活动体的一端通过铰链轴连接，另一端通过螺栓连接，在所述固定体和所述活动体内设有支撑调整块，在所述支撑调整块上设有调节杆II，所述调节杆II与所述固定体或所述活动体滑动连接，所述调节杆II通过内螺纹与梯形丝杠II连接，所述梯形丝杠II与所述固定体或所述活动体周向转动轴向固定连接；所述悬臂梁固定在所述固定体上。
[0012]所述X轴向移动机构为X轴向驱动伺服油缸。
[0013]在所述移动支撑架上设有两条X向矩形导轨，在所述悬臂梁上设有与所述X向矩形导轨适配的X向滑动部件。
[0014]本发明具有的优点和积极效果是:
[0015]I)整体采用开式结构，操作空间较大，具有X/A/Z/B四个轴的移动，能够实现管状物中间部位和节点部位的修复，修复范围较大。
[0016]2)配置有辅助支撑，增加开式结构的刚度。
[0017]3)配置有低速、高速两个主轴头，低速主轴头实现钻(铣)孔、打磨的功能，高速主轴头实现塞焊、切割的功能，解决了单主轴头工作不稳定的问题。
[0018]4)所有运动均由数控系统控制伺服油缸实现实现，工作精确可靠。
[0019]5)定位夹紧机构对管状物直径具有较好的适应性。
[0020]综上所述，本发明的突出特点是修复范围大，主轴工作稳定，驱动精确可靠，定位夹紧机构适应性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的总体结构示意图之一；
[0022]图2为本发明的总体结构示意图之二；
[0023]图3为本发明高速主轴头的结构示意图；
[0024]图4为本发明周向驱动机构的原理图；
[0025]图5为本发明周向驱动机构的结构示意图；
[0026]图6为本发明定位夹紧机构的结构示意图，也是C处的剖视图；
[0027]图7为本发明辅助支撑架的结构示意图。
[0028]图中:1:定位机构，2:销轴，3:夹紧机构，4:移动支撑架，5:周向(A向)移动机构，6:悬臂梁，7:轴向(X向)移动机构，8:辅助支撑架，9:B轴摆动油缸，10:阶梯轴，11:高速主轴头，12:低速主轴头，1-1:圆弧导轨，3-1:夹具主体，3-2:梯形丝杠I，3-3:调节杆I ,3-4:夹紧块，3-5:螺钉，4-1:X向矩形导轨，5-1:周向驱动伺服油缸，5_2:连接块，5_3:滑块，8-1:固定体，8-2:铰链轴，8-3:活动体，8-4:螺栓，8_5:梯形丝杠11，8_6:调节杆II，8-7:支撑调整块，11-1:缸筒，11-2:活塞，11-3:液压马达，11-4:花键联轴器，11-5:主轴，11-6:塞棒。
【具体实施方式】
[0029]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0030]请参阅图1?图7，一种全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，包括左右对称设置的两套定位夹紧机构，在两套所述定位夹紧机构上横跨有与其沿周向滑动连接的移动支撑架4，在两套所述定位夹紧机构之间设有与所述移动支撑架4连接的一套周向移动机构5，在所述移动支撑架4上设有与其沿X轴向滑动连接的悬臂梁6，在所述悬臂梁6的悬臂端下方固接有辅助支撑架8，所述辅助支撑架空套在被施焊的管状物上，所述悬臂梁6由X轴向移动机构7驱动，所述X轴向移动机构7安装在所述移动支撑架4上，在所述悬臂梁6的悬臂端外侧安装有B轴摆动油缸9，所述B轴摆动油缸9驱动Z向主轴头摆动，在所述B轴摆动油缸9的中心孔内安装有阶梯轴10，所述Z向主轴头与所述B轴摆动油缸9通过所述阶梯轴10铰接，所述阶梯轴10对所述Z向主轴头起到支撑的作用。
[0031]在本实施例中，所述轴向移动机构7为轴向驱动伺服油缸。所述Z向主轴头包括高速主轴头11和低速主轴头12，所述B轴摆动油缸9有两个，所述高速主轴头11和所述低速主轴头12各由一个所述B轴摆动油缸9驱动。所述高速主轴头11包括与对应所述B轴摆动油缸9连接的缸筒11-1，在所述缸筒11-1内安装有活塞11-2，所述活塞11-2设有中空结构，在所述活塞11-2的中空结构内安装有主轴11-5，所述主轴11-5由液压马达11-3驱动旋转，所述液压马达11-3固定在所述活塞11-2的上端，所述液压马达11-3与主轴11-5通过花键联轴器11-4连接。所述低速主轴头12的结构与所述高速主轴头11的结构相同。使用时，在低速主轴头12的主轴下端连接钻头或铣刀，在高速主轴头9的主轴下端连接塞棒9-7或切片。所述周向移动机构5包括与所述移动支撑架4连接的滑块5-3，所述滑块
5-3与连接块5-2通过柱销铰接，所述连接块5-2固定在周向驱动伺服油缸5-1的缸体上，所述滑块5-3由所述周向驱动伺服油缸5-1驱动，所述周向驱动伺服油缸5-1固定在所述定位夹紧机构上；在所述移动支撑架4的内侧设有纵向滑轨，所述纵向滑轨上装配有所述滑块3。所述滑块5-3通过纵向滑轨带动所述移动支撑架4沿圆弧导轨1-1转动，所述周向移动驱动机构5的原理图如图5所示。
[0032]所述周向驱动伺服油缸5-1移动X距离时，所述移动支撑架4转过的角度α为:
[0033]a = arctan (X/L1)(I)
[0034]式中:L1为周向驱动伺服油缸轴线到圆弧导轨轴线的距离。
[0035]所述移动支撑架4转过角度α时，所述滑块5-3移动的距离L2为:
[0036]L2 = Ll/cos a -LI(2)
[0037]在本实施例中，所述定位夹紧机构包括横截面下周边为倒V形的定位机构I和夹紧机构3 ;在所述定位机构I的上面设有圆弧形导轨1-1，在所述圆弧形导轨1-1上装配有所述移动支撑架4 ;所述夹紧机构3包括连接在所述定位机构I下方的夹具主体3-1，所述夹具主体3-1的内周边与所述定位机构I的内周边形成封闭结构，所述夹具主体3-1与所述定位机构I通过销轴2和螺钉3-5连接在一起；在所述夹具主体3-1内设有夹紧块3-4，所述夹紧块3-4与所述夹具主体3-1通过沿它们径向设置的调节杆I 3-3连接，所述调节杆I 3-3与所述夹紧块3-4固接，所述调节杆I 3-3与所述夹具主体3-1滑动连接，所述调节杆I 3-3通过内螺纹与梯形丝杠I 3-2连接，所述梯形丝杠I 3-2与所述夹具主体3-1周向转动轴向固定连接。所述辅助支撑架8包括相对的两个半圆结构-固定体8-1和活动体8-3，所述固定体8-1和所述活动体8-3的一端通过铰链轴8-2连接，另一端通过螺栓8_4连接，在所述固定体8-1和所述活动体8-3内设有支撑调整块8-7，在所述支撑调整块8-7上设有调节杆II 8-6，所述调节杆II 8-6与所述固定体8-1或所述活动体8-3滑动连接，所述调节杆II 8-6通过内螺纹与梯形丝杠II 8-5连接，所述梯形丝杠II 8-5与所述固定体8-1或所述活动体8-3周向转动轴向固定连接；所述悬臂梁6固定在所述固定体8-1上。在所述移动支撑架4上设有X向矩形导轨4-1，在所述悬臂梁6上形成有与X向矩形导轨4-1适配的X向滑动部件，使所述悬臂梁6与移动支撑架4形成滑动连接。
[0038]本发明的工作原理:
[0039]在发现并定位水下管状物裂纹后，通过倒V形定位机构I和夹紧机构3将设备固定在易于实施裂纹修复的位置，通过调节辅助支撑架8的丝杠螺母副使支撑调整块8-7空套在管状物表面起支撑作用。根据裂缝的具体位置由周向(Α向)移动机构5、轴向(X向)移动机构7及B轴摆动油缸9调整两主轴头11和12的姿态，低速主轴头12完成钻(铣)孔后闻速王轴头11进彳丁塞焊，塞焊完成后闻速王轴头11安装切片进彳丁切割，切IllJ完成后由低速主轴头12进行打磨，去除剩余的飞边，至此完成第一个塞焊单元的塞焊。然后根据裂纹的走向，做出适当的姿态调整，进行下一个塞焊单元的焊接，最终一系列焊接单元相互搭接形成完整的焊缝。
[0040]由于修复工作由两个主轴头完成，对重复定位要求较高，故叠焊设备所有的运动都是在数控系统的控制下完成的，以保证足够的运动精度，控制系统由多轴联动数控装置，液压伺服驱动模块，工控机，控制柜组成。
[0041]主轴头11能够实现Z向移动和高速旋转，在周向(Α向)移动机构5、轴向(X向)移动机构7及B轴摆动油缸9的配合下高速主轴头11完成焊接工作。缸筒11-1上有进出油口，在液压油的作用下活塞9-2实现Z向移动。高速旋转由液压马达9-3驱动主轴9-5实现。低速主轴头12和高速主轴头11工作原理相同。
[0042]周向(Α向)移动机构5由周向驱动伺服油缸5-1驱动滑块5-3实现，当周向驱动伺服油缸5-1做直线运动时，滑块5-3在做直线运动的同时绕所述连接块5-2上柱销转动，滑块5-3和移动支撑架4侧面的滑轨发生作用驱动所述移动支撑架4沿圆弧导轨1-1转动，从而实现两个主轴头11和12沿管状物周向的姿态调整。
[0043]定位夹紧机构由倒V形定位机构I和夹紧机构3组成，设备固定到管状物上时，首先由定位机构I定位，再用螺钉3-5将夹紧机构3和定位机构I连接到一起，旋转梯形丝杠I 3-2，使夹紧块3-4挤压管状物，最终将整个设备固定在管状物上。由于定位机构I的倒V形对管状物直径有一定的适应性，夹紧机构3的调节杆I 3-3具有一定的调节范围，故当管状物直径发生变化时只需更换相应直径的夹紧块3-4即可实现夹紧功能。辅助支撑架8的支撑调整块8-7的位置调整与上述夹紧块3-4的原理相同。
[0044]综上所述，本发明能够实现主轴头绕管状物周向(A向)的移动、沿管状物轴向(X向)的移动及绕B轴的回转，主轴头自身具备纵向(Z向)进给功能和旋转功能。设备整体采用开式结构，操作空间大，修复范围大。配置有低速、高速两个主轴头，低速主轴头实现钻孔、打磨的功能，高速主轴头实现塞焊、切割的功能，解决了单主轴头工作不稳定的问题。所有运动均由数控系统控制伺服油缸实现，工作精确可靠。定位夹紧机构对管状物直径具有较好的适应性。
[0045]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，包括左右对称设置的两套定位夹紧机构，在两套所述定位夹紧机构上横跨有与其沿周向滑动连接的移动支撑架，在两套所述定位夹紧机构之间设有与所述移动支撑架连接的一套周向移动机构，在所述移动支撑架上设有与其沿X轴向滑动连接的悬臂梁，在所述悬臂梁的悬臂端下方固接有辅助支撑架，所述辅助支撑架空套在被施焊的管状物上，所述悬臂梁由X轴向移动机构驱动，所述X轴向移动机构安装在所述移动支撑架上，在所述悬臂梁的悬臂端外侧安装有B轴摆动油缸，所述B轴摆动油缸驱动Z向主轴头摆动。
2.根据权利要求1所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，所述Z向主轴头包括高速主轴头和低速主轴头，所述B轴摆动油缸有两个，所述高速主轴头和所述低速主轴头各由一个所述B轴摆动油缸驱动。
3.根据权利要求2所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，所述高速主轴头包括与对应所述B轴摆动油缸连接的缸筒，在所述缸筒内安装有活塞，所述活塞设有中空结构，在所述活塞的中空结构内安装有主轴，所述主轴由液压马达驱动旋转，所述液压马达固定在所述活塞的上端；所述低速主轴头的结构与所述高速主轴头的结构相同。
4.根据权利要求1所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，所述周向移动机构包括与所述移动支撑架连接的滑块，所述滑块与连接块通过柱销铰接，所述连接块固定在周向驱动伺服油缸的缸体上，所述滑块由所述周向驱动伺服油缸驱动，所述周向驱动伺服油缸固定在所述定位夹紧机构上，在所述移动支撑架的内侧设有纵向滑轨，所述纵向滑轨上装配有所述滑块。
5.根据权利要求1所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，所述定位夹紧机构包括横截面下周边为倒V形的定位机构和夹紧机构；在所述定位机构的上面设有圆弧形导轨，在所述圆弧形导轨上装配有所述移动支撑架；所述夹紧机构包括连接在所述定位机构下方的夹具主体，所述夹具主体的内周边与所述定位机构的内周边形成封闭结构，在所述夹具主体内设有夹紧块，所述夹紧块与所述夹具主体通过沿它们径向设置的调节杆I连接，所述调节杆I与所述夹紧块固接，所述调节杆I与所述夹具主体滑动连接，所述调节杆I通过内螺纹与梯形丝杠I连接，所述梯形丝杠I与所述夹具主体周向转动轴向固定连接。
6.根据权利要求1所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，所述辅助支撑架包括相对的两个半圆结构-固定体和活动体，所述固定体和所述活动体的一端通过铰链轴连接，另一端通过螺栓连接，在所述固定体和所述活动体内设有支撑调整块，在所述支撑调整块上设有调节杆II，所述调节杆II与所述固定体或所述活动体滑动连接，所述调节杆II通过内螺纹与梯形丝杠II连接，所述梯形丝杠II与所述固定体或所述活动体周向转动轴向固定连接；所述悬臂梁固定在所述固定体上。
7.根据权利要求1所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，所述X轴向移动机构为X轴向驱动伺服油缸。
8.根据权利要求1所述的全液压驱动开式双主轴数控水下摩擦接焊设备，其特征在于，在所述移动支撑架上设有两条X向矩形导轨，在所述悬臂梁上设有与所述X向矩形导轨适配的X向滑动部件。
【文档编号】B23K20/12GK104353931SQ201410487808
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】陈永亮, 刘谱, 刘玉坤, 刘德帅 申请人:天津大学