专利名称：用于遥控焊接的管道全位置焊接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种管道全位置焊接装置，具体涉及一种用于机器人遥控焊接 的管道全位置焊接装置。
技术背景核电作为一种高效、清洁的能源形式已经成为未来能源发展的重要方向， 核电站的相关维修工作也将进入高峰期。焊接是维修工作中必不可少的手段， 但是在这种人无法进入的极限环境中，传统的焊接方式无法应用，因此发展了 遥控焊接。遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中根据从现场发来的各种传 感信息对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接操 作。小口径管道是核环境中应用的主要设备，对于常规环境下的固定管道自动 焊接的设备，已经有所发展，但它们都存在一些不足，不能应用于极限环境的 遥控焊接。现有技术中提供了以下几种焊接装置 一、小口径管道焊接的基本原理如专利US4372474所述，在管道焊接过程中，管子处于固定的位置，利用 旋转装置带动焊枪运动完成焊接操作。其中夹紧装置把焊接机头主体固定在管 子上，保证了焊接的稳定性，电机驱动旋转装置完成马蹄形机构的运动，焊枪 固定在旋转机构的圆盘上，沿管道完成周向焊接。这种焊接机头现阶段已经成 功应用于管道焊接工作，.在石油、天然气、锅炉、食品等管道的安装及维修中 已经大量应用。但是常规管道焊接机头的手动安装和拆卸、手动夹紧、手动调 节、重量超出机器人手臂的极限能力等问题，目前发展的机器人还不能解决， 因此开发应用于遥控焊接的管道焊接机头是一种完成遥控焊接任务的有效途 径。二、专利EP0256525-Al给出了一种等离子管道焊接工具，焊枪固定在焊 接机头上，控制器存储了最优化的焊接参数，电源为焊接机头提供了焊接电流 和焊接速度信号，同时控制器也提供了对等离子气体的控制。但是，这种类型 的小口径管道焊接工具，都没有预留与机器人的接口，并且需要人工完成装配 工作，无法用于遥控焊接。三、专利SU1412917-A给出一种小口径管道焊接的 自动夹紧装置，需要手动引导夹紧装置到达待焊管子接头部位，V形槽装置具有自动锁死的功能，利用弹簧和杠杆原理达到了省力的目的。但是，这种杠杆 式自动夹紧装置，牺牲了空间，不满足遥控焊接结构紧凑的要求，对于有空间 限制的遥控焊接任务也是无法应用的。根据遥控焊接任务的要求，应用于遥控焊接的管道焊接机头应该具备结构 紧凑、重量轻、全自动化装卸、自动跟踪焊缝、自动调节焊枪、与机器人接口 的快速安装等特点。同时，自动装卸过程中，由于管道是固定不动的，要求机 器人末端的管道焊接机头具备一定的柔性，适应刚性的碰撞等问题。然而，现 有的焊接装置存在应用于极限环境下的遥控焊接时，不适合用机器人手臂进行全自动化装卸、自动跟踪焊缝、自动调节焊枪的问题；而且还存在结构不紧凑、 重量大的问题。 发明内容本发明为了解决现有的焊接装置存在应用于极限环境下固定管道的遥控 焊接时，不适合用机器人手臂进行全自动化装卸、自动跟踪焊缝、自动调节焊 枪的问题；而且还存在结构不紧凑、重量大的问题，进而提供了一种用于遥控 焊接的管道全位置焊接装置。本发明解决技术问题所采用的技术方案是一种用于遥控焊接的管道全位 置焊接装置，它包括焊枪14、焊枪调节机构15，它还包括旋转载体ll、自动 夹紧机构12、固定板13，所述旋转载体ll由电机9、齿轮总成IO、齿圈6、 支撑轴7、主板8组成，所述固定板13和主板8水平设置，所述自动夹紧机 构12固定装在主板8的外侧面上，焊枪14与焊枪调节机构15固接，焊枪调 节机构15固定安装在固定板13的外侧面上，固定板13安装在齿圈6上；所 述支撑轴7固定安装在主板8上的通孔8-2内，所述齿圈6安装在支撑轴7 上的台肩7-3上，所述支撑轴7上开有轴向通孔7-2，支撑轴7的下端侧壁设 有支撑轴偏心开口7-1，所述主板8的下端设有主板偏心开口 8-1，所述齿圈 6的上端设有齿圈偏心开口 6-l，所述支撑轴偏心开口 7-1、主板偏心开口 8-1、 齿圈偏心开口 6-1的位置相一致且三者均与轴向通孔7-2相通，所述齿轮总成 10安装在主板8的内侧面的上端上，所述齿轮总成10上的齿轮至少有一个与 齿圈6相啮合，电机9固定在主板8的外侧面的上端上，电机9的输出轴与齿 轮总成10转动连接，固定板13的下端设有开口 13-1。本发明具有以下有益效果本发明既能完成小口径管子(核环境)的自动 跟踪及自动焊接，又便于机器人的自动装夹和拆卸，实现了小口径管道焊接工 具在极限环境下的应用，达到适合于机器人遥控焊接工具的要求，使得机器人 能够完成极限环境下的遥控焊接。此外，本发明还具有结构紧凑、重量较轻的 优点。
图l是本发明整体结构立体图，图2是图1的B向视图，图3是图2左视 图，图4是本发明的旋转载体的结构图，图5是图4的A-A剖视图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1 5说明本实施方式，本实施方式的用于遥控 焊接的管道全位置焊接装置由焊枪14、焊枪调节机构15、旋转载体ll、自动 夹紧机构12、固定板13组成，所述旋转载体11由电机9、齿轮总成10、齿 圈6、支撑轴7、主板8组成，所述固定板13和主板8水平设置，所述自动夹 紧机构12固定装在主板8的外侧面上，焊枪14与焊枪调节机构15固接，焊 枪调节机构15固定安装在固定板13的外侧面上，固定板13安装在齿圈6上； 所述支撑轴7固定安装在主板8上的通孔8-2内，所述齿圈6安装在支撑轴7 上的台肩7-3上，所述支撑轴7上开有轴向通孔7-2，支撑轴7的下端侧壁设 有支撑轴偏心开口 7-1,所述主板8的下端设有主板偏心开口 8-1，所述齿圈 6的上端设有齿圈偏心开口 6-l，所述支撑轴偏心开口 7-1、主板偏心开口 8-1、 齿圈偏心开口 6-1的位置相一致且三者均与轴向通孔7-2相通，所述齿轮总成 10安装在主板8的内侧面的上端上，所述齿轮总成10上的齿轮至少有一个与 齿圈6相啮合，电机9固定在主板8的外侧面的上端上，电机9的输出轴与齿 轮总成10转动连接，固定板13的下端设有开口 13-1。
本实施方式的焊枪调节机构15为现有技术，它是一种利用十字滑块原理 以及丝杠原理把电机的旋转运动变为直线运动。垂直方向和水平方向做成对称 形式，方便更换和制作，长度方向为70mm，可调的最大尺寸为20mm。所述 焊枪14为钨极氩弧焊枪，选择的枪体长度为65mm，直径14mm，焯枪固定在调 节机构上，满足了结构紧凑的要求。采用偏心开口设计，这种结构上的不对称 在工具力学分析中是可行的，同时满足了结构最优化的要求。支撑轴7采用台阶形式，保证齿圈的固定和齿圈与各个齿轮、齿圈与固定板之间的间隙。焊枪14分别由焊枪调节机构15上的第一电机22和第二电机21控制焊枪的水平和 上下垂直方向的运动，能够实现焊缝的自动跟踪。
具体实施方式
二结合图4、图5说明本实施方式，本实施方式所述齿轮 总成10由第一齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3、第四齿轮4、第五齿轮5组 成，所述第一齿轮l、第二齿轮2、第三齿轮3、第四齿轮4、第五齿轮5均安 装在主板8内侧面的上端上，第一齿轮1与电机9的输出轴转动连接，第二齿 轮2和第三齿轮3分别与第一齿轮1相啮合，第二齿轮2与第四齿轮4相啮合， 第三齿轮3与第五齿轮5相啮合。第一齿轮r由电机9驱动，带动第二齿轮2、 第三齿轮3转动，第二齿轮2、第三齿轮3再分别带动第四齿轮4、第五齿轮 5转动，第四齿轮4、第五齿轮5至少有一个啮合在齿圈6上，这种设计保证 了传动的连续性。齿圈6靠支撑轴7的支撑平衡重力，与支撑轴7之间是摩擦 运动。多级齿轮传动的传动比为6.5。当焊接速度为3mm/s时，电机l(步进电 机)的控制脉冲为104pps，焊接速度越高，控制脉冲数越多，电机运行越平稳 可靠。这种多级齿轮传动的设计保证了结构的紧凑性和轻便性，能完成固定管 子以及狭窄空间的工具装配。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图4说明本实施方式，本实施方式所述第四齿轮4、 第五齿轮5之间的中心距离L大于或等于齿圈偏心开口 6-1的水平距离Ll。 如此设计，保证第四齿轮4、第五齿轮5中至少有一个齿轮与齿圈6相啮合。 其它组成和连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四本实施方式所述第一齿轮l、第二齿轮2、第三齿轮3、 第四齿轮4、第五齿轮5均由铝合金材料制成。如此设计，可减轻本发明的重 量。其它组成和连接关系与具体实施方式
二或三相同。
具体实施方式
五本实施方式所述齿圈6由黄铜材料制成。如此设计，可 增强齿圈的耐磨强度。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图l、图3说明本实施方式，本实施方式所述自动 夹紧机构12由第一连接件25、第二连接件26、汽缸24组成，所述第一连接 件25和第二连接件26分别固定安装在主板8上，所述汽缸24安装在第一连 接件25上，所述汽缸24上的活塞杆24-1穿过第一连接件25上的孔25-1，所述第二连接件26与活塞杆24-1相邻的端面上开有V字形槽26-1。第二连 接件26与主板8之间用电木作绝缘处理，保证焊接时的起弧和焊接。自动夹 紧机构采用汽缸24完成管子的定位和匹配。其它组成和连接关系与具体实施 方式一相同。
具体实施方式
七结合图l、图2说明本实施方式，本实施方式还包括机 器人预留接口 23，所述机器人预留接口 23固定安装在自动夹紧机构12上。 机器人预留接口 23应设计在本发明的重心线上，根据重心计算，所以机器人 预留接口 23固定安装在自动夹紧机构12上。机器人预留接口 13能够保证本 发明与机器人的快速更换、提供电气通路和工作的平稳性。机器人上的力觉传 感装置通过机器人预留接口 13，为本发明提供力觉信号，实现了对工具装配 的精确控制。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八结合图l、图2说明本实施方式，本实施方式还包括激 光传感器20，所述激光传感器20固定在焊枪14上。用来引导焊枪完成焊缝 的跟踪。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。工作原理在核环境中进行遥控操作时，机器人要首先完成本发明(小孔径管道焊接 工具)安装和调整，使机器人与本发明的机器人预留接口 13固接，机器人带 动本发明通过第二连接件26上的V型槽26-1完成与管道29的精确位置匹配， 并气动装备启动，驱动活塞杆按着设定的速度夹紧管道29，若发生异常，机 器人上的力觉传感可以根据情况进行柔性调节，驱动焊枪调节机构15上的第 一电机22、第二电机21这两个微调电机来寻找焊接起始点，并进行焊枪高度 和左右位置的调整。焊枪14与焊缝对中后，驱动电机l启动旋转运动，电机 1通过齿轮总成10将动力传递给齿圈6，齿圈6带动固定板13旋转，固定板 13再带动焊枪14做圆周运动，从而实现全位置焊接(参见图1 5)。
权利要求
1、一种用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，它包括焊枪(14)、焊枪调节机构(15)，其特征在于它还包括旋转载体(11)、自动夹紧机构(12)、固定板(13)，所述旋转载体(11)由电机(9)、齿轮总成(10)、齿圈(6)、支撑轴(7)、主板(8)组成，所述固定板(13)和主板(8)水平设置，所述自动夹紧机构(12)固定装在主板(8)的外侧面上，焊枪(14)与焊枪调节机构(15)固接，焊枪调节机构(15)固定安装在固定板(13)的外侧面上，固定板(13)安装在齿圈(6)上；所述支撑轴(7)固定安装在主板(8)上的通孔(8-2)内，所述齿圈(6)安装在支撑轴(7)上的台肩(7-3)上，所述支撑轴(7)上开有轴向通孔(7-2)，支撑轴(7)的下端侧壁设有支撑轴偏心开口(7-1)，所述主板(8)的下端设有主板偏心开口(8-1)，所述齿圈(6)的上端设有齿圈偏心开口(6-1)，所述支撑轴偏心开口(7-1)、主板偏心开口(8-1)、齿圈偏心开口(6-1)的位置相一致且三者均与轴向通孔(7-2)相通，所述齿轮总成(10)安装在主板(8)的内侧面的上端上，所述齿轮总成(10)上的齿轮至少有一个与齿圈(6)相啮合，电机(9)固定在主板(8)的外侧面的上端上，电机(9)的输出轴与齿轮总成(10)转动连接，固定板(13)的下端设有开口(13-1)。
2、 根据权利要求1所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其特征 在于所述齿轮总成(10)由第一齿轮(1)、第二齿轮(2)、第三齿轮(3)、第 四齿轮(4)、第五齿轮(5)组成，所述第一齿轮(1)、第二齿轮(2)、第三 齿轮(3)、第四齿轮(4)、第五齿轮(5).均安装在主板(8)内侧面的上端上， 第一齿轮(1)与电机(9)的输出轴转动连接，第二齿轮(2)和第三齿轮(3) 分别与第一齿轮(1)相啮合，第二齿轮(2)与第四齿轮(4)相啮合，第三 齿轮(3)与第五齿轮(5)相啮合。
3、 根据权利要求2.所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其特征 在于所述第四齿轮(4)、第五齿轮(5)之间的中心距离L大于或等于齿圈偏 心开口 (6-1)的水平距离L1。
4、 根据权利要求2或3所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其 特征在于所述第一齿轮(1)、第二齿轮(2)、第三齿轮(3)、第四齿轮(4)、第五齿轮(5)均由铝合金材料制成。
5、 根据权利要求1所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其特征 在于所述齿圈6由黄铜材料制成。
6、 根据权利要求1所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其特征 在于所述自动夹紧机构(120由第一连接件(25)、第二连接件(26)、汽缸(24) 组成，所述第一连接件(25)和第二连接件(26)分别固定安装在主板(8) 上，所述汽缸(24)安装在第一连接件(25)上，所述汽缸(24)上的活塞杆(24-1)穿过第一连接件(25)上的孔(25-1)，所述第二连接件(26)与活 塞杆(24-1)相邻的端面上开有V字形槽(26-1)。
7、 根据权利要求1所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其特征 在于它还包括机器人预留接口 (23)，所述机器人预留接口 (23)固定安装在 自动夹紧机构(12)上。
8、 根据权利要求1所述的用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，其特征 在于它还包括激光传感器(20),所述激光传感器(20)固定在焊枪(14)上。
全文摘要
用于遥控焊接的管道全位置焊接装置，它涉及一种管道全位置焊接装置。本发明解决了现有的焊接装置存在应用于极限环境下固定管道的遥控焊接时，不适合用机器人手臂进行全自动化装卸、自动跟踪焊缝、自动调节焊枪的问题。所述支撑轴(7)固定安装在主板(8)上的通孔(8-2)内，所述支撑轴偏心开口(7-1)、主板偏心开口(8-1)、齿圈偏心开口(6-1)的位置相一致且三者均与轴向通孔(7-2)相通，所述齿轮总成(10)安装在主板(8)的内侧面的上端上，所述齿轮总成(10)上的齿轮至少有一个与齿圈(6)相啮合，电机(9)固定在主板(8)的外侧面的上端上，电机(9)的输出轴与齿轮总成(10)转动连接。本发明实现了小口径管道焊接工具在极限环境下的应用。
文档编号B23K37/00GK101224529SQ20081006396
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者张永和, 李海超, 娜 董, 高洪明 申请人:哈尔滨工业大学