专利名称：用于在熔炉中定位器件的转动－平移驱动机构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于使杆、电极、气炬或其他器件定位实现其三维运动的装置。特别，本发明涉及的结构不只具有固有的主轴运动，即，这种结构可使被驱动器件的端部重新定位到与正常平移位置成直角的位置。
传统上已有许多方式使用平移器件，包括控制元件的运动。要求这些器件安装在一种刚性支承上，以抗驱动机构和控制元件的轴向载荷。应用实例包括制造用的装料，核反应堆控制杆，以及电弧炉石墨电极的定位。
已经通过把器件安装到万向接头获得了平移器件的转动运动，这可使这个器件定位到许多位置，要确定其精确位置和控制其运动都很复杂。已使用万向接头加平移装置改变等离子气炬熔炉中水冷等离子电弧枪的位置。用于等离子电弧炉的石墨电极的相对高的温度和大的直径很显然妨碍了这类使用。此外，石墨电极电弧炉通常用于金属熔化或冶炼，这样能很好地把热传导到熔体边缘，不要求电极端部的横向运动。在危险的和放射性废料热处理中处理更多的非金属材料时，因为熔渣或玻璃在相同温度下的热导性和流动性更低，操纵石墨电极的必要性更为重要。横向移动电极的能力在这种情况更加需要。对于用等离子体电弧炉处理废料的应用，熔炉尺小紧凑，较大的进料口和排气口限制了用于电极或电弧枪冷却及三维驱动机构的可用空间。因此，需要一种使电极或电弧枪尖端横向和纵向移动的简单而紧凑的机构。
定位一个控制元件最常用的方法，即要求定位到主平移轴以外的轴上，已借助于万向接头实现。在一个熔炉中，这要求对元件进行机加工，以便在安装中与承窝匹配。
核反应堆使用向反应堆容器和核心倾斜的一种穿入把控制杆定位在一个与容器轴线不平行的位置。这种应用对于不同径向位置是不可调的。
电弧炉通常使用垂直安装在炉盖上的轴向平移电极。(这种应用对于不同径向位置也是不可调的)这些炉子使用一种基于滑轮和缆索或液压动力为基础的电极定位装置，把夹持装置垂直地装到一个支架上。电极固定到连接在支架的一个夹具中，供电设施的电线管路连接在这个支架上。
本发明提供了一种用于定位器件的驱动机构，具有柱形室的炉盖组件保持卡盘组件在炉盖组件的柱形室内转动，柱形室有一中心线。卡盘组件用于保持一个装置以与炉盖组件柱形室中心成一角度而定位。一个平移驱动装置连接到卡盘组件以纵向驱动这个器件定位。本发明另一实施例采用一个或多个炉盖组件及相应卡盘组件定位多个器件。所定位的器件包括电极和电弧枪，但不限于此。
在本发明一个实施例中，定位的器件保持与炉盖中心线3.5°的角度。
在本发明另一个实施例中，卡盘组件包括可靠连接在耐火圆筒上的一个转盘，这个耐火圆筒用于保持其定位器件与该耐火筒中心线成一个角度。
在本发明另一个实施例中，用于至少把一个元件三维定位在熔炉中的驱动组件有一个可转动地安装在熔炉的转动控制器，它基本上只在一个单一平面中转动，并有一个开口用于使这个元件穿过。一个平移控制器安装在上述转动控制器上，连接在上述平移控制器的一个安装架用于把元件相对于上述平移控制器进行固定，因此，这个元件穿过上述开口。
在本发明另一个实施例中，转动控制器包括一个第一转动控制器，上述平移控制器包括一个第一平移控制器，上述安装架包括一个第一安装架。驱动组件还包括一个转动地安装在熔炉上的一个第二转动控制器，它基本上只在一个单一平面中转动，上述第二转动控制器邻接上述第一转动控制器安装，并具有一个开口用于使第二元件通过。
在本发明另一个实施例中，一个炉盖组件可转动地安装在上述转动控制器上，其中，上述转动控制器可通过上述炉盖组件安装到熔炉上，因此，上述炉盖组件被固定到熔炉上，上述转动控制器可相对于上述炉盖和熔炉转动。
在本发明另一个实施例中，卡盘组件在上述炉盖组件内，并可相对于它转动，上述卡盘组件有一个与上述转动控制器的上述开口对齐的卡盘孔，使这个元件通过上述开口和上述卡盘孔两者。
在本发明的另一个实施例中，卡盘组件紧固在上述转动控制器上。
在本发明的另一个实施例中，上述卡盘组件包括一个陶瓷元件。
在本发明的另一个实施例中，卡盘组件还包括一个环绕上述卡盘孔的密封座，上述密封座用于防止气体和液体在上述密封座和安装在上述卡盘中的陶瓷元件之间流通。
在本发明的另一个实施例中，在上述卡盘组件和上述炉盖之间至少提供一个轴承，上述卡盘组件至少在上述一个轴承上相对于炉盖组件转动。
在本发明另一个实施例中，炉盖组件包括一个室和一个环绕这个室的冷却水套。
在本发明另一个实施例中，其开口以与上述单一平面成一预定角度形成，用于使这个元件以上述预定角度对上述单面取向。
在本发明另一个实施例中，这个预定角是一个相对于上述单面的垂直方向的一个小锐角。
在本发明另一个实施例中，炉盖组件以一个预定的炉盖组件角安装在熔炉上。
在本发明另一个实施例中，预定的炉盖角是一个小锐角。
有几个可以方便编程的位置给定值或参考位置，可以视为能用简单指令使装置运动的位置，即点火位置、浇铸位置和紧急断流位置。这些位置可用惯用的步进电动机或步进电动机控制器实现，以在平移和转动方向进行运动。对这个控制器的指令来源于主计算机，由操作者手工输入。
下文将参考附图，在所有的附图中，用相同的标号表示相同的元件。
图1示意地表明一个等离子体电弧炉系统，这是本发明的一个最佳应用，具有石墨电极或等离子体电弧枪。
图2为在具有双石墨电极驱动机构的等离子体电弧炉中以元件结构表示系统中的装置，所示的板(和安装)结构可视为转盘和炉盖，保持元件结构可视为卡盘组件。
图3是示于图2的并拆卸了卡盘组件和电极的双驱动机构的横截面侧视图，示出了安装在熔炉口上的炉盖组件。
图4示出这种双驱动机构的电极端部的可能位置。所示结构示出有一个2°的炉盖角和一个3.5°的卡盘角。
图5是在一个等离子体电弧炉中以单石墨电极驱动机构的元件结构表示这种装置。
图6是示出了电极和转盘的双驱动机构的上透视图。
图7是具有以一个2.5°角安装的转盘的双驱动机构的侧视图。
图8是这种双驱动机构的闭合侧视图。
下面将更详细地说明本发明及其各实施例。
本发明提供了一种用于在等离子体电弧炉中定位电极的驱动机构。在下面的说明中提出许多细节以便完整理解本发明。然而，本专业普通技术人员知道实现本发明并不一定需要这些专门的细节。不详细说明已熟知的元件、装置、工艺步骤等项目，以避免误解本发明。
本发明可以是96.12.12申请的US08/764525所述的和要求96.3.7申请的美国临时专利申请号60/021146的保护的等离子体电弧炉系统的一个元件。这两份文件结合作为本发明的参考。在这类系统中，石墨电极或等离子电弧枪用于向熔化材料供应能量。等离子电弧炉熔化的材料输送到坩埚4中。由图1可见，电极1通过驱动机构2安装在通风壁3上。这就使电极可在坩埚4的熔化区运动，必要时，可应用于排放口5附近。
图2示出本发明的一个可能的应用。图2是双驱动机构配置的一个横截面侧视图，示出熔化炉、电极、驱动机构、转盘、炉盖组件和卡盘组件的相互关系。图3示出没有卡盘组件或电极时的炉盖组件10。如图1～3所示，炉盖组件10在熔化室壁23的开口21处可靠地连接在熔化室22的壁外部。炉盖组件可以任何固定方式连接，如螺栓连接或焊接。炉盖组件10形成两个柱形室24。炉盖组件10的柱形室24的中心轴30与熔炉开口21轴线32有一个约2°的夹角。每个炉盖组件的柱形室这样配置，使它们两者的中心线都与熔炉开口21轴线成一个约2°的夹角，而两者的中心线本身相互成一个约4°的夹角。炉盖组件角决定于熔炉和电极两者的尺寸，以及熔炉开口相对于坩埚熔化区的定位，这在使用不同尺寸构件和用于加工不同材料的其他实施例中将会有所变化。在邻近熔炉开口21的柱形室24的端部形成一个凸缘33，以保持卡盘组件在柱形室24中。环绕这个炉盖组件柱形室24有一条冷却水套25。水或其他冷却剂流过这个冷却水套25，用以冷却炉盖组件10。由于本发明这个实施例是双驱动机构配置，第二个炉盖组件位于这个第一炉盖组件附近。
虽然图2和图3示出由具有两个柱形室的单一炉盖组件形成的双驱动机构，本发明其他实施例可使用仅有一个柱形室的邻接的炉盖组件。
由一个陶瓷元件12形成的卡盘组件保持电极6与柱形陶瓷件12的中心轴线成一个3.5°的角。和炉盖组件角一样，卡盘组件角取决于熔炉和电极的尺寸，熔炉开口相对于坩埚熔化区的定位，以及所熔炼的材料。每个卡盘组件11由螺栓或其他手段紧固在转盘9上，因此，具有密封座13的陶瓷件12随双驱动机构绕电极中心线转动。螺栓26穿过陶瓷件12上的孔拧入到板27上。具有转动驱动装置的转盘与熔炉开口21轴线成一个约2°的角。卡盘组件在柱形室24的衬套28上转动，也成约2°角位于柱形室24和炉盖组件10之间。衬套28由标准的衬套材料制造，如黄铜或等同物。电极6由卡盘8上的夹具平行地连接到平移驱动装置7上。平移驱动装置和电极由转盘9带动绕与炉盖组件10约成2°角的一根轴线转动。
每一个卡盘组件11都由螺栓、螺柱或其他相应夹持机构组装起来，以把这个组件夹持到转盘上。一个保持板20把卡盘组件11保持在炉盖组件10上。在这个最佳实施例中，卡盘陶瓷件12上的孔用于使电极以约3.5度的一个角通过。这个孔是一个埋头孔，用作密封座13，使这个机构与熔炉密封，但可使电极平移。每个电极都密封并保持在卡盘组件中，卡盘组件保持熔炉的气体产物并允许由驱动装置使电极平移，同时保持陶瓷件使电极与炉盖组件的零件绝缘。这种密封座可以是适应于高温应用的任何类型密封座，如氧化铝或氧化镁密封圈。卡盘密封座按这种方式密封熔炉，并使电极与熔炉绝缘。
一个转动驱动装置连接到转盘上，使卡盘组件11在炉盖组件内转动。步进电动机用于转动驱动装置和平移驱动装置，可使电极精确移动并转换角度。另一方面，其他类型电动机可与位置传感器联合使用，以便把有关电极的转动和纵向位置的反馈信息提供到控制电极位置用的计算机上。
本发明相对于现有平移驱动机构的某些优点示于图4。现有平移驱动机构只能使电极垂直向上和向下。图4说明炉盖角(例如约2°)和卡盘角(例如约3.5°)的角度可能位置。电极端的位置由转盘/卡盘组件内的卡盘角初始位置确定，在工作时由转盘的转动确定。前者在装配时确定，后者，即工作时，由驱动电动机带动的驱动装置和转盘的转动确定。因此，本发明可使电极定位在坩埚熔化区22的不同位置。此外，每个电极的偏心转动可以通过把电弧枪转到一起或转动分开而控制电弧枪的相对位置。
由图4所示实施例可见，本发明可应用于单、双或多个驱动机构，以适应使用任何数量的电极或其他器件的应用。
虽然上述实施例使用了一种电极，但本发明其他实施例可以用等离子电弧枪、氧气喷枪或任何诊断型探头代替电极。在本发明另一个替换实施例中，可卸下陶瓷件以便使用水冷枪。
虽然上述实施例在卡盘组件中使用一种陶瓷元件，但其他实施例可使用其他耐火、介电或金属元件。
虽然上文说明了一种单点穿入的双驱动机构，这种装置适用于安装成单点穿入的一种单驱动机构，下文将进行讨论。
图5示出安装在通风壁单开口上的本发明的应用。这是一种第二组件可用于通风壁上的分开开口上的应用。这种配置使用与双驱动机构相同的元件，但这种机构可转过更大弧度而不受相邻机构约束，因此还可以给予附加的位置。单炉盖10被简化，与相应卡盘只有单一炉盖角。
图6,7,8示出安装在等离子电弧炉中的双驱动机构其他视图。图7是具有以2.5°角安装的转动驱动盘的卡盘侧视图。
本发明可以使一个控制元件，如电极，在垂直于一个简单转动装置转动主轴的许多位置定位，以满足点火、浇铸和正常操作对广范围定位的要求。此外，本发明紧凑设计可以使多个驱动机构定位在熔炉的开口处，而不干扰进料口和废气排气口。冷却水套提供的冷却和这种机构对熔化区的密封，都允许在电极的高温和有相对较大的直径情况下，都可保证电极端的三维运动。
从以上说明可见，通过炉盖角或/和卡盘角的配置和选择，本发明提供了一种可实现其广范围的可能位置的设计。由于可以在不离开下面权利要求书的精神和范围情况下对这种装置进行各种改变，上述说明和图示的所有内容都应看作是说明性的，而不是作为对本发明的限制。
权利要求
1．一种用于定位器件的驱动机构，包括一个具有柱形室的炉盖组件，柱形室有一中心线；一个适于在炉盖组件柱形室内转动的卡盘组件，卡盘组件用于保持与炉盖组件柱形室中心轴线成一角度定位的器件；一个用于使卡盘组件在炉盖组件柱形室内转动的转动驱动装置；和一个连接在卡盘组件上的用于驱动定位装置平移的平移驱动装置。
2．按照权利要求1所述的驱动机构，其特征在于，这个器件以与炉盖组件中心轴线成3.5的一个角度定位保持。
3．按照权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，卡盘组件由可靠连接在耐火圆筒的转盘组成，这个耐火圆筒用于保持这个器件以与耐火圆筒中心轴线成一角度定位。
4．一种用于至少把一个元件三维定位在熔炉中的驱动组件，包括一个可转动地安装在熔炉上基本上只在一个单一平面中转动的转动控制器，转动控制器上有一开口用于使元件穿过；一个安装在上述转动控制器上的平移控制器；和一个连接在上述平移控制器、把元件相对于平移控制器固定，因而使元件穿过上述开口的安装架。
5．按照权利要求4所述的驱动组件，其特征在于，上述转动控制器包括一个第一转动控制器，上述平移控制器包括一个第一平移控制器，上述安装架包括一个第一安装架，上述驱动组件还包括一个可转动地安装在熔炉上基本上只在一个单一平面中转动的第二转动控制器，上述第二转动控制器邻接上述第一转动控制器安装，并具有一个开口用于使第二元件穿过；一个安装在上述第二转动控制器上的第二平移控制器；一个连接在上述第二平移控制器上，使第二元件相对于上述第二平移控制器固定，因而使这个第二元件穿过上述第二转动控制器的上述开口的第二安装架。
6．按照权利要求4所述的驱动组件，其特征在于还包括一个转动地安装在上述转动控制器上的炉盖组件，其中，上述转动控制器可通过上述炉盖组件安装在熔炉上，因此，上述炉盖组件固定到熔炉上，上述转动控制器可相对于上述炉盖组件和熔炉转动。
7．按照权利要求6所述的驱动组件，还包括一个处于上述炉盖组件内并可相对于其转动的卡盘组件，上述卡盘组件有一个可与上述转动控制器开口对齐的卡盘孔，因而可使这个元件穿透上述开口和上述卡盘孔。
8．按照权利要求7所述的驱动组件，其特征在于，上述卡盘组件紧固在上述转动控制器上。
9．按照权利要求7所述的驱动组件，其特征在于，上述卡盘组件至少有一部分包括陶瓷件。
10．按照权利要求7所述的驱动组件，其特征在于，上述卡盘组件还包括环绕上述卡盘孔的密封座，上述密封座防止气体和液体从上述密封件和上述卡盘组件所安装之件之间通过。
11．按照权利要求7所述的驱动组件，其特征在于还包括在上述卡盘组件和上述炉盖组件之间至少有一个轴承，其中，上述卡盘组件至少绕上述一个轴承相对于上述炉盖组件转动。
12．按照权利要求6所述的驱动组件，其特征在于，上述炉盖组件包括一个室和环绕上述室的冷却水套。
13．按照权利要求4所述的驱动组件，其特征在于，上述开口相对于上述单一平面按预定角度构成，用于使这个元件相对于单面按预定角度取向。
14．按照权利要求13所述的驱动组件，其特征在于，相对于上述单一平面的垂直线，上述预定角度是小的锐角。
15．按照权利要求6所述的驱动组件，其特征在于，上述炉盖组件按预定炉盖角安装在熔炉上。
16．按照权利要求15所述的驱动组件，其特征在于，上述预定炉盖角是小的锐角。
全文摘要
一种新颖可为通常只能沿轴线平移的平移元件端部提供三维定位的装置。由圆柱形陶瓷孔形成的一个卡盘组件保持平移元件与圆柱形陶瓷孔中心线成一个角度。这种卡盘组件在炉盖组件的柱形室内转动。炉盖组件安装在定位平移元件的柱形室开口上,因而使平移元件伸入室内。炉盖组件柱形室中心线与圆柱形室开口中心线成一夹角。一个转动驱动装置使卡盘组件在炉盖组件内转动。一个平移驱动装置纵向驱动卡盘组件内的平移元件。
文档编号H05B7/101GK1233385SQ97198788
公开日1999年10月27日 申请日期1997年8月29日 优先权日1996年8月30日
发明者艾德里安·A·希尔, 托马斯·L·埃迪 申请人:梅尔特兰公司