管件端部法兰自动焊接装置的制作方法

[0001]
本发明涉及焊接自动化技术领域，特别是一种用于焊接管件端与法兰的环形焊缝的自动化焊接设备。


背景技术：

[0002]
管件端部采用法兰连接具有拆卸方便的特点，适合于多次拆卸连接的连接，在制造厂内，管件与法兰多采用焊接方式，由于缺少专用的焊接机械，一般采用把管件放在地面上或支撑台上，通过手动夹具将管件与法兰对准压紧，在管件与法兰静止状态下，焊接工人手持自动焊枪对管件和法兰进行点焊固定，然后进行夹具的装拆，手持自动焊枪完成环形焊缝的焊接，此外焊接过程中还需要人工进行管件法兰的滚动，耗费人力，不仅降低了焊接效率而且降低了焊接质量。


技术实现要素：

[0003]
针对管件端部法兰焊接的上述技术问题，本发明提供了一种用于焊接管件端的法兰的自动化焊接设备，以提高焊接效率和焊接质量，降低焊接过程中的劳动强度。
[0004]
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种管件端部法兰自动焊接装置，包括底座、管件旋转单元、法兰支撑单元和焊枪操作单元。
[0005]
所述管件旋转单元设置在底座中间，用于管件的夹紧和旋转驱动，包括机架、下辊组和上辊组，下辊组和上辊组分别设置有辊子支架和沿着水平方向间隔布置的辊子，所述下辊组的辊子通过第一马达部件驱动转动，所述机架设置有竖向导轨，所述下辊组和上辊组的辊子支架分别滑设在机架的竖向导轨内并上下相对布置，所述机架设置有用于驱动下辊组和上辊组同步、反向移动的对中夹紧驱动机构，所述对中夹紧驱动机构为丝杠驱动机构，包括两端对称的设置有左旋螺纹和右旋螺纹的双螺旋丝杠、与下辊组的辊子支架固定连接的下螺母、与上辊组的辊子支架固定连接的上螺母，下螺母与左旋螺纹啮合，上螺母与右旋螺纹啮合，所述双螺旋丝杠沿着竖向布置在机架的外侧并通过第二马达部件驱动。
[0006]
所述法兰支撑单元设置在底座的外端，用于法兰的夹紧并顶紧到管件的端部，以使得法兰与管件同轴布置并随管件同步转动，包括活动座和卡盘，卡盘设置在活动座上并且中心转轴沿着纵向布置，所述底座设置有沿着长度方向布置的纵向导轨，所述活动座滑设在纵向导轨上，底座设置有用于驱动活动座纵向移动的线性动力部件。
[0007]
所述焊枪操作单元设置在底座上，用于自动焊枪的移动操作，包括移动台、机械臂、自动焊枪和焊机，所述移动台能够纵向移动的设置底座上，所述机械臂安装在移动台上，所述自动焊枪安装在机械臂的活动端。
[0008]
可选地，所述底座的两端均设置有法兰支撑单元和焊接操作单元，以能够同时完成管件两端与法兰连接处的环形焊缝焊接。
[0009]
可选地，所述底座设置有贯通整个底座长度方向的纵向导轨，移动台滑设在纵向
导轨上，以能够带动机械臂和自动焊枪由管件的一端移动至另一端，先后完成管件两端与法兰的环形焊缝焊接。
[0010]
可选地，所述移动台的底部设置有通过第三马达部件驱动的行进轮，所述底座设置有纵向导轨，行进轮滚动安装在纵向导轨上。
[0011]
可选地，所述焊枪操作单元的移动台安装在法兰支撑单元的活动座上，机械臂安装在移动台上，自动焊枪安装在机械臂的活动端，通过活动座带动机械臂、自动焊枪移动。
[0012]
可选地，所述管件旋转单元还设置有用于检测管件外表面线速度的线速度检测部件，所述驱动下辊组的辊子转动的第一马达部件为速度可调的变速马达，所述变速马达通过控制器控制转速，线速度检测部件与控制器线连接。
[0013]
可选地，所述线速度检测部件包括编码器，所述上辊组的辊子与编码器传动连接，控制器与编码器线连接。
[0014]
可选地，所述线速度检测部件包括测速辊和编码器，测速辊通过弹簧支架设置在上辊组的机架上，以使得测速辊弹性压紧在管件表面，编码器与测速辊传动连接，控制器与编码器线连接。
[0015]
同时，本发明提供了上述管件端部法兰自动焊接机械装置的焊接方法：将管件沿纵向放置在下辊组和上辊组之间，对中夹紧驱动机构驱动下辊组和上辊组向内移动对管件夹紧。
[0016]
将法兰通过卡盘夹紧并与管件同轴布置，然后通过线性动力部件驱动活动座推动法兰向内移动而压紧到管件端部。
[0017]
第一马达部件驱动下辊组转动，带动管件转动，由于法兰与管件端部压紧，法兰与管件同步转动。
[0018]
移动台带动机械臂纵向移动至管件端部附近，机械臂驱动自动焊枪指向管件与法兰的环形焊缝，自动焊枪在管件与法兰同步转动的状态下完成环形焊缝焊接。
[0019]
相对于现有技术，本发明的技术优势主要体现在：1.管件旋转单元用于水平状态的管件夹紧与周向转动驱动，法兰支撑单元用于将法兰支撑顶紧到管件端部，两者配合工作，实现法兰与管件的稳定结合和同步转动，通过焊枪操作单元调整自动焊枪位置，自动完成管件与法兰的焊接。
[0020]
2.管件旋转单元设置下辊组和上辊组，法兰支撑单元推动法兰向内移动与管件压紧，不需要人工调节。并且，管件旋转单元设置有对中夹紧驱动机构，能够快速夹紧不同外径的管件，方便于管件的夹紧操作，并且，不论管件直径大小，管件的轴线高度保持不变，方便于高度固定的法兰配合。
[0021]
3.焊枪操作单元的机械臂设置在能够沿管件轴向移动的移动台上，方便于自动焊枪沿管件轴向位置调整，以适合于不同长度、装夹位置的管件端部法兰的焊接。
[0022]
4.设置了有用于检测管件外表面线速度的线速度检测部件，能够准确的检测管件的线速度，为第二马达部件的控制器提供准确的线速度信息，以驱动管件以工艺要求的线速度转动，配合自动焊枪完成高质量的环形焊缝焊接。
附图说明
[0023]
图1，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第一种实施方式的结构示意图。
[0024]
图2，管件旋转单元的第一种实施例的结构示意图。
[0025]
图3，大直径管件被夹紧后的状态示意图。
[0026]
图4，小直径管件被夹紧后的状态示意图。
[0027]
图5，管件与法兰焊接前的状态示意图。
[0028]
图6，管件后端与法兰焊接的状态示意图。
[0029]
图7，管件与法兰连接的结构示意图。
[0030]
图8，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第二种实施方式的结构示意图。
[0031]
图9，管件的前端、后端同时进行法兰焊接的状态示意图。
[0032]
图10，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第三种实施方式的结构示意图。
[0033]
图11，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第四种实施方式的结构示意图。
[0034]
图12，管件外表面线速度检测与调节的原理框图。
[0035]
图中，1—底座， 2—机架，21—下辊组，22—上辊组，23—双螺旋丝杠， 24—第一马达部件，25—第二马达部件，26—编码器，31—活动座，32—卡盘，33—液压缸，41—移动台，42—机械臂，43—自动焊枪，44—行进轮，51—管件，52—法兰。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
[0038]
图1，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第一种实施方式的结构示意图。
[0039]
如图1所示，本发明提供的管件端部法兰自动焊接装置，包括管件旋转单元、法兰支撑单元和焊枪操作单元。
[0040]
管件旋转单元用于需要焊接的管件51的夹紧和旋转驱动；法兰支撑单元用于需要焊接的法兰52的夹紧，并将法兰52顶紧到管件51的端部，以使得法兰52与管件51同轴布置并随管件51同步转动；焊枪操作单元，用于驱动自动焊枪43向管端移动并指向管件51与法兰52连接处的环形焊缝。
[0041]
管件旋转单元设置在底座中间，包括机架2、下辊组21和上辊组22，机架2的下端固定安装在底座1上，机架2的一侧设置有竖向导轨，下辊组21和上辊组22分别滑设在机架2的竖向导轨内并上下相对布置，下辊组21和上辊组22分别设置有辊子支架和沿着水平方向间隔布置的辊子，下辊组21的辊子的中心转轴与第一马达部件25的马达轴传动连接，第一马达部件24的马达轴转动驱动辊子转动。机架2设置有用于驱动下辊组21和上辊组22同步、反向移动的对中夹紧驱动机构，以使得被下辊组21和上辊组22夹紧的管件51能够居中布置。本发明提供的对中夹紧驱动机构包括丝杠驱动机构和齿轮齿条驱动机构。
[0042]
法兰支撑单元设置在底座的纵向外端，包括活动座31和卡盘32，卡盘32的转轴沿
着纵向布置并且后端通过轴承连接在活动座31上。所述底座1沿着长度方向设置有纵向导轨，所述活动座31滑设在纵向导轨上，底座1设置有用于驱动活动座31纵向移动的线性动力部件。在本实施例中，线性动力部件为液压缸33，液压缸33的缸体与底座1固定连接，活塞杆沿着纵向布置并与活动座31固定连接，通过活塞杆的伸出驱动活动座31沿着纵向导轨滑动。
[0043]
需要说明的是，下辊组21与上辊组22之间的横向中心面与卡盘32的转轴的中心轴线所在的横向面重合，下辊组21、上辊组22的两侧辊子之间的竖向中心面与卡盘32的转轴的中心轴线所在的竖向面重合，以使得被下辊组21和上辊组22夹紧的管件51的中心轴线与被卡盘32夹紧的法兰52的中心轴线重合，即几何关系上的同轴，当法兰52被推动并紧到管件51的端部时，由于法兰52与管件51之间同轴，管件51绕中心轴线转动将带动法兰52绕中心轴与管件51同步转动。
[0044]
在另一个实施例中，线性动力部件为齿轮齿条机构，在底座设置有沿着纵向布置的齿条，在活动座设置有通过第四马达部件的齿轮，齿轮与齿条啮合，通过第四马达部件驱动齿轮转动，带动活动座沿着纵向移动，相对于液压缸，能够实现更长距离的移动。
[0045]
所述焊枪操作单元设置在底座外侧，包括移动台41、机械臂42和自动焊枪43，所述移动台41能够纵向移动的设置底座1上，所述机械臂42安装在移动台41上，所述自动焊枪43安装在机械臂42的活动端。所述移动台41的底部设置有通过第三马达部件驱动的行进轮44，所述底座1设置有纵向导轨，行进轮44滚动安装在纵向导轨上。
[0046]
需要说明的是，本发明所提到的卡盘1为通用的工业产品，主要用于机床上夹紧工件。卡盘利用均布在卡盘体上的活动卡爪的径向移动，把工件夹紧和定位的机床附件。卡盘一般由卡盘体、活动卡爪和卡爪驱动机构三部分组成，从卡盘爪数上可以分为：三爪卡盘，四爪卡盘，六爪卡盘和特殊卡盘。从使用动力上可以分为：手动卡盘，气动卡盘，液压卡盘，电动卡盘和机械卡盘。卡盘体前端设置有呈圆周均布的活动卡爪，需要焊接的法兰通过活动卡爪夹紧而稳定的布置在竖向平面。本发明采用机加工常用的卡盘即可，例如，常州某机械有限公司生产的型号为jk200fq的四爪卡盘，动力类型为气动，夹紧尺寸范围为20—220mm，定心精度为0.01—0.03mm。或者，日本某公司生产的三爪卡盘nl12，夹紧尺寸为30—450mm，动力类型为液动。或者其他行业内通用的卡盘均可。
[0047]
需要说明的是，本发明所涉及的机械臂为关节式自动化机械手臂，为焊接行业通用的工业品。例如日本某公司生产的型号为m-10ia/12的焊接机械手，苏州某机电有限公司生产的型号为lthr1801六轴机械手臂等。在焊接作业中，将自动焊枪安装在机械臂的前端，通过机械臂驱动，带动自动焊枪的焊接工作端对准管件与法兰的连接处的环形焊缝。由于机械臂驱动自动焊枪对准焊缝的操作为行业内公知技术，在此，不再进行叙述。
[0048]
图2，管件旋转单元的第一种实施例的结构示意图，图3，大直径管件被夹紧后的状态示意图。图4，小直径管件被夹紧后的状态示意图。
[0049]
如图2所示，管件旋转单元包括机架、下辊组和上辊组。机架2的一侧设置有竖向导轨，下辊组21和上辊组22分别滑设在机架2的竖向导轨内并上下相对布置，下辊组21和上辊组22分别设置有辊子支架和沿着水平方向间隔布置的辊子，下辊组的辊子通过第一马达部件驱动转动。机架2设置有用于驱动下辊组21和上辊组22同步、反向移动的对中夹紧驱动机构，以使得被下辊组21和上辊22组夹紧的管件能够居中布置。
[0050]
本实施例中，对中夹紧驱动机构为丝杠驱动机构，包括两端对称的设置有左旋螺纹和右旋螺纹的双螺旋丝杠23、与下辊组21的辊子支架固定连接的下螺母、与上辊组22的辊子支架固定连接的上螺母，机架2设置有竖向滑槽，下辊组21的辊子支架与上辊组21的辊子支架别滑设在机架2的竖向滑槽内，所述双螺旋丝杠23沿着竖向布置在机架2的外侧并通过第二马达部件25驱动，所述底座1外侧设置有竖向导轨，下螺母与左旋螺纹啮合，上螺母与右旋螺纹啮合。
[0051]
在管件的夹紧过程中，将管件放置在下辊组21和上辊组22之间的间隙内，第二马达部件25驱动双螺旋丝杠23正向转动，左旋螺纹带动下螺母、下辊组21沿着竖向上移，右旋螺纹带动上螺母、上辊组22沿着竖向下移，并且下辊组21和上辊组22的移动方向相反，移动距离相同，在并紧时，管件51与卡盘32的转轴同轴布置，法兰52被卡盘32夹紧并与卡盘32的转轴同轴布置，从而，管件51与法兰52同轴、对中。
[0052]
如图3和图4所示，大直径管件511、小直径管件512分别被夹紧的状态示意图。上述对中夹紧驱动机构能够适应不同外径的管件夹紧、居中，使得各种大直径管件511、大直径管件512均能被上下、前后、居中的夹紧在机架2上，以与被法兰支撑单元的卡盘32夹紧的法兰52同轴，方便于不同的管径的管件和法兰的对正、焊接。
[0053]
图5，管件与法兰焊接前的状态示意图；图6，管件后端与法兰焊接的状态示意图。
[0054]
结合图5、图6说明管件与法兰焊接工作原理：准备管件51时，先进行管件51矫直，并进行管件端部平齐、倒角等准备工作。
[0055]
将管件51沿纵向放置在下辊组21和上辊组22之间，对中夹紧驱动机构驱动下辊组21和上辊组22向内移动对管件51夹紧。
[0056]
将法兰52通过卡盘32夹紧并与管件51同轴布置，然后通过线性动力部件驱动活动座31推动法兰52向内移动而压紧到管件51端部，此时，管件51与法兰52同轴布置。
[0057]
第一马达部件驱动下辊组21转动，带动管件51转动，由于法兰52与管件51端部压紧，法兰52与管件51同步转动。
[0058]
移动台41带动机械臂42纵向移动至管件51端部附近，机械臂42驱动自动焊枪43指向管件51与法兰52的环形焊缝，自动焊枪在管件与法兰同步转动的状态下完成环形焊缝焊接。
[0059]
在焊接过程中，将需要焊接的法兰52通过卡盘32的活动卡爪夹紧而稳定在竖向平面内，然后，通过液压缸33的活塞杆的伸出驱动活动座31沿着纵向导轨滑动，直到法兰52顶紧到被夹紧的管件51端部并且与管件51的轴心同轴对接并压紧在一起。
[0060]
由于底座1设置有贯通整个底座的纵向导轨，移动台41滑设在纵向导轨上，管件51前端焊接完成后，移动台41带动机械臂42及自动焊枪43由管件51的前端移动至后端，完成管件51后端与法兰52的环形焊缝焊接。
[0061]
图7，管件与法兰连接的结构示意图。
[0062]
如图所示，焊接前，先进行管件51矫直，并进行管件端部平齐、倒角等准备工作，法兰52可以在于管件51焊接前进行螺栓孔安装孔加工，也可以不提前加工螺栓安装孔，等焊接完成后进行螺栓孔的加工。本实施例中，采用了焊接前在法兰52上加工螺栓孔的方式。焊接后，法兰52与管件51同轴布置，成为一体式结构件。
[0063]
图8，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第二种实施方式的结构示意图；图9，管
件的前端、后端同时进行法兰焊接的状态示意图。
[0064]
与第一个实施例不同，所述底座1的纵向两端分别设置法兰支撑单元和焊接操作单元，以同时完成管件51两端与法兰52连接处的环形焊缝焊接。相对于第一种实施方式，第二种实施方式的两个法兰支撑单元的卡盘32分别将法兰52夹紧并顶紧到管件51的两端，管件旋转单元驱动管件51转动，通过摩擦力带动两端的法兰52同步转动，两个焊接操作单元的机械臂42分别驱动自动焊枪43对准管件51两端的环形焊缝，同时进行管件51两端与法兰52的环形焊缝的焊接。这种两端同时焊接的方式，缩短了焊接时间，提高了焊接效率。
[0065]
图10，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第三种实施方式的结构示意图。
[0066]
不同于具体实施方式的第一种实施方式和第二种实施方式，第三种实施方式将移动台41、机械臂42和自动焊枪43安装在法兰支撑单元的活动座31上，焊枪操作单元的移动台41安装在法兰支撑单元的活动座31上，机械臂42安装在移动台41上，自动焊枪43安装在机械臂42的活动端，通过活动座31带动机械臂42、自动焊枪43沿着底座1的纵向移动位置，这种实施方式，省去了在移动台41底部设置行进轮44的结构，简化了装置结构；并且，在焊接前将法兰52移动到卡盘32的活动卡爪侧、进行法兰52的夹装过程中，机械臂42能够带动自动焊枪43离开卡盘32，为法兰52的夹装提供空间，在焊接过程中，机械臂42操作自动焊枪43移动至管件51与法兰52的环形焊缝处，进行焊缝的焊接。
[0067]
图11，提供的管件端部法兰自动焊接装置的第四种实施方式的结构示意图。图12，管件外表面线速度检测与调节的原理框图。
[0068]
下辊组21的辊子转动，通过辊子与管件51之间的摩擦力带动管件转动，当管件51重力较大时，管件51会相对于下辊组21的辊子产生滑动，使得管件51的线速度小于辊子的速度，造成仅通过检测下辊组21的辊子的线速度的方式无法得到管件51的准确转速，针对这一问题，本发明提出了第四种具体实施方式所述解决方案。
[0069]
如图12所示，在本实施例中，所述管件旋转单元设置有用于检测管件51外表面线速度的线速度检测部件，所述驱动下辊组21辊子的第一马达部件24为速度可调的变速马达，所述变速马达通过控制器控制转速，线速度检测部件与控制器线连接。所述线速度检测部件包括编码器26，所述上辊组21的辊子与编码器26传动连接，控制器与编码器26线连接。在本实施例中，变速马达为步进电机，步进电机通过步进电机控制器控制，电机轴能够准确调节旋转速度，从而进行下辊组21的辊子转速的调节，进行管件51的转速转速调节，以使得管件51的表面线速度保持在工艺所要求的范围内，保证焊缝焊接过程的连续、质量，其工作原理：在本实施例中，上辊组21的辊子压紧到管件51表面，编码器26与上辊组22的辊子传动连接，当管件51转动时，管件51通过摩擦力带动上辊组22的辊子同步转动，上辊组22的辊子与编码器26线连接，编码器26检测到上辊组22的辊子角速度，由于上辊组22的辊子外径为定值，能够推算出上辊组22的辊子的线速度，上辊组22的辊子压紧在管件表面，而上辊组22辊子线速度与管件51线速度一致，从而得到管件51的线速度。
[0070]
具体实施过程中，例如，在直缝焊接中，自动焊枪的直线移动速度为5—8厘米/分钟较为合理，在圆弧焊缝中，应保持管件旋转的线速度为5—8厘米/分钟，以保证焊接的质量。在步进电机控制器内设定合理的角速度范围，并且，根据计算，设定的角速度对应的线速度保持在5—8厘米/分钟，编码器26将上辊组21的辊子角速度信号传递到步进电机控制器内，当编码器26测到的速度低于设定范围，步进电机控制器向步进电机发出增速指令，调
高下辊组21的辊子角速度，驱动管件51转速提高，上辊组22的辊子受到管件51的驱动转速升高，直到编码器26测到速度提高到设定范围。相反的，当编码器26测到的速度高于设定范围，步进电机控制器向步进电机发出增速指令，调高下辊组21的辊子角速度，驱动管件转速提高，上辊组22的辊子受到管件51的驱动转速升高，直到实测角速度提高到设定范围。
[0071]
在另一个实施例中，替代将编码器与上辊组的辊子传动连接的方式，在管件旋转单元的机架上设置单独的测速辊，测速辊通过测速辊架支撑而压紧到管件表面，编码器与测速辊传动连接，其工作原理：当管件转动时，管件通过摩擦力带动测速辊同步转动，测速辊与编码器线连接，编码器检测到测速辊的角速度，由于测速辊外径为定值，能够推算出测速辊的线速度，而测速辊线速度与管件线速度一致，从而得到管件的线速度。
[0072]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。