一种管道用的柔性焊接设备及其焊接方法与流程

本发明属于焊接的技术领域，特别是涉及一种管道用的柔性焊接设备及其焊接方法。

背景技术：

随着工业企业生产节奏的加快，对输送管道提出了新的要求，管道的口径越来越大，输送介质的压力也越来越高，因此对管道焊接质量及技术提出了更高的要求。然而，目前大部分工业企业仍然使用手工焊接技术。手工焊接的效率低已经满足不了现有工业发展的需求，也有通过将管道固定在焊接架上，然后配置可以移动的工业机器人用于夹持焊接器，对管道的外侧进行焊接。但是考虑到管道的厚度问题，部分管道的焊接不仅仅是对外侧焊接即可，对于较厚的管道或者需要对其内部进行焊接处理的管道而言，内部焊接很难实现。

技术实现要素：

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供一种适合内、外同时焊接的一种管道用的柔性焊接设备及其焊接方法。

本发明采用以下技术方案：一种管道用的柔性焊接设备，包括：

托架，放置在地面上；所述托架用于承载其他的零部件，并将待焊接的管道托起，同时实现待焊接管道的沿其轴向发生自转，配合焊接；

外焊接机构，设置在所述托架的一侧；所述外焊接机构沿待焊接管道的轴向反向移动，用于对待焊接管道的外侧壁进行焊接处理；

内焊接机构，用于放置在所述待焊接管道的内部；所述内焊接机构的外径为可调节，以适用于不同内径的待焊接管道，且所述内焊接机构在待焊接管道内爬行；所述内焊接机构用于对待焊接管道的外侧壁进行焊接处理；

当需要焊接管道的外侧壁时，通过调节托架上的零部件将待焊接管道需要焊接的位置翻转到与外焊接机构同侧，调节外焊接机构能够与需要焊接的位置；当需要焊接管道的内侧壁时，首先设置内焊接机构的外径与待焊接管道的内径相一致，将内焊接机构放置到待焊接的管道内并爬行到需要焊接的位置，开始焊接。

在进一步的实施例中，所述内焊接机构包括：爬行座，安装在所述爬行座上的传动轴，传动连接于所述传动轴的活动端处且穿过所述爬行座的螺纹杆，通过内外螺纹传动连接于所述螺纹杆上的螺纹套，传动连接于所述螺纹套的外表面的若干个伸缩组件，传动连接与所述伸缩组件的爬行组件，套圈在所述爬行座上的环形驱动组件传动连接于所述环形驱动组件的伸缩臂，以及固定在所述伸缩臂末端处的焊枪和360°旋转的摄像头；

当待焊接管道的内径较小时，所述伸缩组件处于压缩状态，此时所述环形驱动组件及焊枪的整体外径小于等于此时爬行组件所在的外径，便于整个机构能够进入到焊接管道内部；当待焊接管道的内径较大时，所述伸缩组件处于展开状态，便于爬行组件与待焊接管道的内壁相接触，此时焊枪通过伸缩臂展开向焊接管道的内壁靠近。

在进一步的实施例中，所述托架上设置有双向组件，以及对称设置在所述双向组件上的两组托辊；所述双向组件用于实现两组托辊组件的相向和背向运动，调节两组托辊组件之间的间距，适用于夹持不同内径的待焊接管道。

在进一步的实施例中，所述伸缩组件包括：首端并列铰接在所述螺纹套上的第一连杆和第二连杆，首端铰接在所述爬行座靠近螺纹套一侧面处的第三连杆，以及同时铰接于所述第一连杆的末端和第二连杆的末端出的弧形推板；所述第三连杆的末端于所述第二连杆相互铰接；

当螺纹套在内外螺纹的传动下向所述爬行座靠近时，所述弧形推板向外移动，外径变大；相反的，当螺纹套在内外螺纹的传动下向所述爬行座远离时，所述弧形推板向内移动，外径变小。

在进一步的实施例中，所述环形驱动组件包括：固定套接在所述爬行座上的环形箍，固定在所述环形箍一侧的环形外齿轮圈，与所述环形外齿轮圈相互啮合的第一齿轮，传动连接于所述齿轮的传动电机，与所述传动电机固定连接且位于传动电机与第一齿轮之间的安装板，以及设置在所述安装板与所述环形外齿轮圈之间的卡接组件；

所述安装板用于承载所述伸缩臂。

在进一步的实施例中，所述爬行组件包括：固定在所述弧形推板外侧面的壳体，安装在所述壳体的两侧且相互对称的四个带轮，传动连接于位于壳体一侧的两个带轮的履带，以及传动连接于其中一个带轮的驱动电机；所述驱动电机安装在所述壳体的内部。

在进一步的实施例中，所述卡接组件包括：固定在所述环形外齿轮圈一侧的连接环，开始在所述连接环的外圆周面和内圆周面上的环形凹槽，以及呈上、下设置的在所述安装板上的压紧轮；位于上方的压紧轮活动放置在外圆周面处的环形凹槽内，位于下方的压紧轮活动放置在内圆周面处的环形凹槽内。

在进一步的实施例中，所述双向组件包括：固定在所述托架上的固定板，安装在所述固定板的中心位置处的正反转电机，传动连接于所述正反转电机的输出轴上的第二齿轮，沿所述固定板的长度方向设置在所述正反转电机两侧的三个导轨，通过滑块传动连接于最接近正反转电机的两个导轨上的齿条，以及通过滑块传动连接于与正反转电机距离最远的导轨上的两组移动板；

其中所述第二齿轮同时与两个齿条相互啮合，所述两组移动板分别于第二齿轮相啮合的两个齿条固定连接；且两个移动板分别位于所述正反转电机的两侧；

所述移动板用于安装托辊组件，两个移动板上的托辊组件之间呈交错安装。

在进一步的实施例中，所述托辊组件包括：安装在所述移动板上的安装柱，铰接于所述安装柱的顶端处的十字连接架，铰接于所述十字连接架的铰接板，安装在所述铰接板上的驱动电机，固定在所述铰接板上的三角架，分别安装在所述三角架的三个顶角处的旋转轮，传动连接于所述旋转轮的链条，以及与位于两侧的两个旋转轮为同轴连接的滚轮；

所述驱动电机的输出轴传动连接于位于中间的旋转轮；滚轮在十字架铰接的作用下能够实现沿待焊接管道的径向发生角度的变化。

使用如上所述的管道用的柔性焊接设备的焊接方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据待焊接管道的外径的大小，调节位于托架上的双向组件，控制托辊组件中的滚轮能够与待焊接管道的外壁相接触，位于两侧的滚轮在十字铰接架会自动跟随着待焊接管道的外表面的曲线自行调整角度，使滚轮与待焊接管道的外表面直接进行贴合；

步骤二、当需要对待焊接管道的外侧壁进行焊接时，开启驱动电机，驱动电传动旋转齿轮转动，即滚轮自转，在滚轮的作用下实现对待焊接管道的翻转，将需要焊接的位置翻转到与外焊接机构同侧，调整外焊接机构中的焊接头所在的位置进行焊接；

步骤三、当需要对待焊接管道的内壁进行焊接时，先调节伸缩组件使得爬行组件所在的外径与待焊接管道的内径相同，即保证内焊接机构恰好能够进入到待焊接管道的内部并能够使得爬行组件中的履带在内壁爬行；

步骤四、开启摄像头，观察需要焊接的位置，首先通过爬行组件将环形驱动组件沿管道的轴向运动，带到焊接位置所在的径向上；

步骤五、开启环形驱动组件中的传动电机，使位于安装板上的焊枪与待焊接的位置相接近；

步骤六、操控伸缩臂，将焊枪靠近待焊接的位置，进行焊接；通过爬行组件和环形驱动组件分别实现焊枪沿管道的轴向和圆周面的移动，便于对管道内壁的各个不同的位置进行焊接。

本发明的有益效果：本发明首先设置可以调节外径的爬行组件能够顺利将焊接头放置在管道内部，并通过爬行组件和环形驱动组件实现对焊接头所在位置的调整，便于焊接头对管道内部的任何位置进行焊接，适用于不同内径的管道焊接；同时考虑到托架对不同外径的管道的夹持度，对托架上的托辊组件进行了改进：两托辊组件之间的距离为可调成的，适用于不同直径的管道夹持；考虑到滚轮与管道的夹持面积，设计了滚轮能够跟随着管道的弧度自行调整角度，实现与管道的最大面积的贴合。

附图说明

图1为本发明的一种管道用的柔性焊接设备的主视图。

图2为本发明的一种管道用的柔性焊接设备的结构示意图。

图3为本发明的内焊接机构的主视图。

图4为本发明的内焊接机构中的伸缩组件示意图一。

图5为本发明的内焊接机构中的伸缩组件示意图二。

图6为本发明的内焊接机构中的爬行组件的结构示意图。

图7为本发明的环形驱动组件的结构示意图。

图8为本发明的环形驱动组件的拆分图。

图9为本发明的双向组件的结构示意图。

图10为本发明的托辊组件的局部结构示意图。

图11为托辊组件中的拆分图。

图1至图11中的各标注为：托架1、待焊接的管道2、外焊接机构3、内焊接机构4、爬行座401、传动轴402、螺纹杆403、螺纹套404、第一连杆405、第二连杆406、第三连杆407、弧形推板408、环形箍409、环形外齿轮圈410、第一齿轮411、传动电机412、安装板413、连接环414、环形凹槽415、压紧轮416、壳体417、带轮418、履带419、固定板101、正反转电机102、导轨103、齿条104、移动板105、安装柱106、十字连接架107、铰接板108、驱动电机109、滚轮110。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明做进一步的描述。

发明人经过多次实践发现：对于较厚的管道或者需要对其内部进行焊接的管道在对其内侧壁焊接时存在一定的困难：焊接器很难进入到管道的内部并进行焊接。经过调查也发现：针对管道内壁的焊接也有通过将焊接头设置在能够做x、y、z轴向运动的横架上，然后再深入到管道内部。但是考虑到管道的长度是不定的即有长有短，该技术比较适用于较短的管道，对于较长的管道则要考虑空间上的问题了：需要很长的、甚至很高的桁架搭建才能够实现其内部的焊接。对空间的要求极高，且可操控性差。

因此，发明人研发出了一种能够直接在管道内部移动并焊接的管道用的柔性焊接设备及其焊接方法，具体包括：托架1、待焊接的管道2、外焊接机构3、内焊接机构4、爬行座401、传动轴402、螺纹杆403、螺纹套404、第一连杆405、第二连杆406、第三连杆407、弧形推板408、环形箍409、环形外齿轮圈410、第一齿轮411、传动电机412、安装板413、连接环414、环形凹槽415、压紧轮416、壳体417、带轮418、履带419、固定板101、正反转电机102、导轨103、齿条104、移动板105、安装柱106、十字连接架107、铰接板108、驱动电机109、滚轮110。

如图1所示，所述托架1放置在地面上，用于承载其他的零部件，并用于将待焊接的管道2托起，并通过托架1上的零部件实现管道的自转，配合对管道的外表面进行焊接。为了实现对管道外表面的焊接，在所述托架1一侧设置有外焊接机构3，所述外焊接机构3沿待焊接管道的轴向反向移动，用于对待焊接管道的外侧壁进行焊接处理。在本实施中，所述外焊接机构3包括：沿所述管道的长度方向设置的y轴模组，所述y轴模组上传动连接有机械臂，所述机械臂的末端设置有焊枪。所述y轴模组用于将机械臂传送到与需要焊接的位置相靠近，然后通过机械臂操控焊枪进行焊接。此处的y轴模组、机械臂和焊枪采用现有技术均能够实现，故在此不做赘述。

为了能过实现对管道内壁的焊接，设置了内焊接机构4，所述内焊接机构4内设置了爬行组件、环形驱动组件和设置在所述环形驱动组件上的焊枪和360°旋转的摄像头，所述爬行组件用于控制焊枪和360°旋转的摄像头沿管道的轴向运动，所述环形驱动组件则是用于控制焊枪和360°旋转的摄像头沿管道臂的圆周运动，爬行组件和环形驱动组件的结合使焊枪和360°旋转的摄像头能够达到管道内的任何地方。在本实施例中，所述焊枪和360°旋转的摄像头采用现有技术即可，故此处不做赘述。其中，360°旋转的摄像头用于采集管道内部的信息，便于发现需要焊接的位置所在。

当需要焊接管道的外侧壁时，通过调节托架1上的零部件将待焊接管道需要焊接的位置翻转到与外焊接机构3同侧，调节外焊接机构3能够与需要焊接的位置；当需要焊接管道的内侧壁时，将内焊接机构4放置到待焊接的管道2内并爬行到需要焊接的位置，开始焊接。

在进一步的实施例中，考虑大管道的内径是有大有小的，故不同尺寸的管道则需要不同大小的内焊接机构4，为了能够适用于不同内径的管道内焊接，所述内焊接机构4做了以下调整，具体为：所述内焊接机构4包括：爬行座401，所述爬行座401用于安装其他的零部件。沿所述爬行座401的长度反向安装有传动轴402，所述传动轴402的一端传动连接于电机，所述电机固定在所述爬行座401上，所述电机用于驱动所述传动轴402的转动。所述传动轴402的另一端固定连接有螺纹杆403，所述螺纹杆403穿过所述爬行座401。位于所述爬行座401外的螺纹杆403上通过内外螺纹传动连接有螺纹套404，所述螺纹套404的外表面等间距的设置有若干个伸缩组件，在本实施例中，取伸缩组件的个数为三个。所述伸缩组件传动连接于所述爬行组件，同时在所述爬行座401上固定套接有环形驱动组件，所述环形驱动组件上传动连接有伸缩臂，所述伸缩臂的末端设置有焊枪和360°旋转的摄像头，所述焊枪和360°旋转的摄像头采用现有技术即可，故此处不做赘述。其中，360°旋转的摄像头用于采集管道内部的信息，便于发现需要焊接的位置所在。

在上述结构中，通过调节伸缩组件的伸展情况，以控制爬行组件的外周边所在圆形的直径大小，使之与待焊接的管道2的内径相同。并且，为了使焊枪和摄像机能够进入到管道的内部，需要满足以下条件：当待焊接管道的内径较小时，所述伸缩组件处于压缩状态，此时所述环形驱动组件、摄像机及焊枪的整体外径小于等于此时爬行组件所在的外径，便于整个机构能够进入到焊接管道内部；当待焊接管道的内径较大时，所述伸缩组件处于展开状态，便于爬行组件与待焊接管道的内壁相接触，此时焊枪通过伸缩臂展开向焊接管道的内壁靠近，并焊接。

在进一步的实施例中，如图4所示，所述伸缩组件包括：第一连杆405、第二连杆406、第三连杆407和弧形推板408。其中，所述第一连杆405和第二连杆406的首端并列的铰接在所述螺纹套404上，所述第三连杆407的首端铰接在爬行座401靠近螺纹套404的一侧面上，且所述第一连杆405、第二连杆406和第三连杆407的首端构成一条直线，且该直线与所述螺纹座的横截面相互垂直。所述第一连杆405的末端和第二连杆406的末端出同时铰接于所述弧形推板408，所述第三连杆407的末端于所述第二连杆406相互铰接。

所述伸缩组件的工作原理如下：当螺纹套404在内外螺纹的传动下向所述爬行座401靠近时，所述弧形推板408向外移动，外径变大，适用于内径较大的待焊接管道，如图4所示；相反的，当螺纹套404在内外螺纹的传动下向所述爬行座401远离时，所述弧形推板408向内移动，外径变小，适用于内径较小的待焊接管道，如图5所示。

在进一步的实施例中，如图6所示，所述爬行组件包括：固定在所述弧形推板408外侧面的壳体417，安装在所述壳体417的两侧且相互对称的四个带轮418，传动连接于位于壳体417一侧的两个带轮418的履带419，以及传动连接于其中一个带轮418的驱动电机109；所述驱动电机109安装在所述壳体417的内部。即所述驱动电机109的工作带动与之传动连接的带轮418转动，带轮418与所述履带419相互传动，能够在管道的内部实现爬行，此处采用履带419不仅仅是为了增加爬行时候的摩擦力，同时还是为了增加与管道的接触面积，降低对管道的压力，对管道的内部挤压降到最低，最大可能的减少对管道内部的损害。

在上述描述中，主要是介绍了如何能够实现焊枪及摄像头在管道内部沿其轴向运行，即通过爬行组件实现。但是在实际使用中，需要焊接的位置往往是不确定的甚至是遍布在各个地方，因此如果仅依靠轴向运动，和较短的伸缩臂实现对不同的角落焊接的是不实际的，因此申请人对环形驱动组件做了以下具体的要求：

如图7所示，所述环形驱动组件包括：固定套接在所述爬行座401上的环形箍409，固定在所述环形箍409一侧的环形外齿轮圈410，与所述环形外齿轮圈410相互啮合的第一齿轮411，传动连接于所述齿轮的传动电机412，与所述传动电机412固定连接且位于传动电机412与第一齿轮411之间的安装板413，所述安装板413用于安装伸缩臂和摄像头。即通过传动电机412的传动带动第一齿轮411围绕环形外齿轮圈410做圆周运动，实现缩臂和摄像头能够在管道的某一个截面上做圆周运动。为了便于伸缩臂控制焊枪工作，故所述伸缩臂和所述摄像头安装在所述安装板413的外边缘处，即位于环形外齿轮圈410与管道内壁之间。

为了能够避免安装板413在围绕环形外齿轮圈410做圆周运动的时候不会出现脱轨的现象，故在所述安装板413与所述环形外齿轮圈410之间的卡接组件。如图8所示，所述固定在所述环形外齿轮圈410一侧的连接环414，开始在所述连接环414的外圆周面和内圆周面上的环形凹槽415，以及呈上、下设置的在所述安装板413上的压紧轮416；位于上方的压紧轮416活动放置在外圆周面处的环形凹槽415内，位于下方的压紧轮416活动放置在内圆周面处的环形凹槽415内。

在进一步的实施例中，如果上、下设置的压紧轮416为至少两组，那么对压紧轮416的位置关系设定需要满足以下要求：位于下面的压紧轮416和位于上面的压紧轮416分别构成的弧线所述园与环形外齿轮圈410为同心圆。保证了安装板413在第一齿轮411的驱动下围绕环形外齿轮圈410做圆周运动时不会发生脱离的现象。

如上所述所做出的调整是为了使用在不同管径的管道内部焊接，不同管径的管道的外径自然也是不同的，因此将尺寸或型号不同的管道放置在托架1上夹持时，如果采用现有的技术将会出现夹持不到位，以下举例说明。

现有的夹持是通过在托架1的两端对称设置有三角架，该三角架的三个顶角处设置有三个带轮418，位于两个的带轮418设置有与之为同轴连接的滚轮110，位于中间的带轮418与电机传动连接，三个带轮418通过传动带传动连接。在使用时，将待焊接的管道2放置在两个三角架之间，使管道的外壁与滚轮110相接触，需要转动时开启电机即可。但是由于三脚架之间的举例是固定的，当管道的外径非常小时，极有可能出现管道无法被夹持的现象，或者当管道的外径非常大时，会出现管道与滚轮110之间仅为短短的面接触，无法保证管道的稳定性，增加焊接的难度。

对此，发明人做出了以下改进：如图9所示，在所述托架1上设置有双向组件，所述双向组件上对称设置有两组托辊组件。所述双向组件用于实现两组托辊组件的相向和背向运动，调节两组托辊组件之间的间距，适用于夹持不同内径的待焊接管道。

在进一步的实施例中，所述双向组件包括：固定在所述托架1上的固定板101，安装在所述固定板101的中心位置处的正反转电机102，传动连接于所述正反转电机102的输出轴上的第二齿轮，沿所述固定板101的长度方向设置在所述正反转电机102两侧的三个导轨103，通过滑块传动连接于最接近正反转电机102的两个导轨103上的齿条104，以及通过滑块传动连接于与正反转电机102距离最远的导轨103上的两组移动板105；其中所述第二齿轮同时与两个齿条104相互啮合，所述两组移动板105分别于第二齿轮相啮合的两个齿条104固定连接；且两个移动板105分别位于所述正反转电机102的两侧；通过正反转电机102实现两个移动板105的相向和背向运动。所述移动板105用于安装托辊组件。

为了能够增加对管道的夹持稳定性，保证焊接的顺利进行，所述两个移动板105上的托辊组件之间呈交错安装，交错安装的托辊组件能够起到分段式对管道进行有效的稳定夹持，如图10所示。

当两个托辊组件之间的距离发生变化后，如果滚轮110的角度始终如一，则滚轮110与管道的接触面也会因为管道的外径大小发生改变，不能保证滚轮110与任何管道之间的最大面积的接触。

在进一步的实施例中，所述托辊组件包括：安装在所述移动板105上的安装柱106，铰接于所述安装柱106的顶端处的十字连接架107，铰接于所述十字连接架107的铰接板108，安装在所述铰接板108上的驱动电机109，固定在所述铰接板108上的三角架，分别安装在所述三角架的三个顶角处的旋转轮，传动连接于所述旋转轮的链条，以及与位于两侧的两个旋转轮为同轴连接的滚轮110；所述驱动电机109的输出轴传动连接于位于中间的旋转轮；滚轮110在十字架铰接的作用下能够实现沿待焊接管道的径向发生角度的变化。

当托辊组件相互之间的距离发生改变时，三角架所在的角度会自动跟随着管道外侧壁的弧面发生改变，并且不需要施加任何的外力，直接通过管道与双向组件之间的配合给与三角架上的滚轮110所需方向的调整，便可实现三脚架的角度变换。在任何变动下都能够保证位于两侧的滚轮110与待焊接的管道2之间最大面积的接触。

一项所述的管道用的柔性焊接设备的焊接方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据待焊接管道的外径的大小，调节位于托架上的双向组件上移动板的相向或者背向运动，控制托辊组件中的滚轮能够与待焊接管道的外壁相接触，位于两侧的滚轮在十字铰接架会自动跟随着待焊接管道的外表面的曲线自行调整角度，使滚轮与待焊接管道的外表面实现最大面积的进行贴合；

步骤二、当需要对待焊接管道的外侧壁进行焊接时，开启驱动电机，驱动电传动旋转齿轮转动，即滚轮自转，在滚轮的作用下实现对待焊接管道的翻转，将需要焊接的位置翻转到与外焊接机构同侧，调整外焊接机构中的焊接头所在的位置进行焊接；

步骤三、当需要对待焊接管道的内壁进行焊接时，先调节伸缩组件使得爬行组件所在的外径与待焊接管道的内径相同，即保证内焊接机构恰好能够进入到待焊接管道的内部并能够使得爬行组件中的履带在内壁爬行；

步骤四、开启摄像头，观察需要焊接的位置，首先通过爬行组件将环形驱动组件沿管道的轴向运动，带到焊接位置所在的径向上；

步骤五、开启环形驱动组件中的传动电机，使位于安装板上的焊枪与待焊接的位置相接近；

步骤六、操控伸缩臂，将焊枪靠近待焊接的位置，进行焊接；通过爬行组件和环形驱动组件分别实现焊枪沿管道的轴向和圆周面的移动，便于对管道内壁的各个不同的位置进行焊接。