专利名称：钉头管自动成套埋弧焊接设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PLC技术和伺服控制技术的埋弧焊的加工设备， 尤其涉及一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，属于焊接自动化技术领域。
背景技术：
钉头管是石化机械中广泛应用的换热器中的主要元件，它由钢管与密布表面的 钉头组成。目前钉头管采用的焊接方法主要有电阻焊、电弧螺柱焊和埋弧焊。如专利 94228692. 8、99253080. 6都采用电阻焊方法；如有文献报道，钉头管自动焊接机床采用短 周期电弧螺柱焊，钉头管全自动电容储能高效节能焊机采用电弧螺柱焊。钉头管埋弧焊是 一种使钉头和光管之间产生的电弧在埋弧焊剂层下燃烧的焊接方法，有文献介绍了一种全 自动钉头管自动埋弧焊设备，该设备具有钉头管体自动上料及对中，钉头自动送进，焊剂自 动送给，焊接小车径向自动进给，钉头管轴向自动进给，钉头管变形自动校正，钉头管焊接 过程自动控制以及故障诊断及报警功能。但针对钉头管埋弧焊而言，生产上多采用手工操 作，工人劳动强度大、工况恶劣，焊接质量不稳定，尤其是在自动送钉、焊剂定量送给方面自 动化程度较低。因此，如何实现钉头管焊接过程自动化，提高生产效率、改善劳动条件已成 为钉头管制造中的关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，采用卡盘式旋转光管移 动机头结构，气压驱动自动上钉，液压驱动对中技术，焊剂自动定量送给，控制上采用PLC 为主要控制装置，并配有全数字交流伺服驱动器，使该钉头管焊接设备能够在焊接过程中 达到精确有效的全自动控制。该发明的目的是解决以往的焊接技术所存在的自动化程度 低、生产效率低、焊接质量不稳定、劳动强度大和劳动条件恶劣的问题。技术方案本发明是通过以下技术方案实现的一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述设备包括钉头自动装卸系 统、焊接系统、自动送钉及对中机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸系统、焊接系 统和自动送钉及对中机构连接；所述焊接系统和钉头自动装卸系统设置在自动送钉及对中 机构的同一侧并在使用时可以沿钉头管轴向移动。所述焊接系统和钉头自动装卸系统通过可移动的焊接机头设置在自动送钉及对 中机构的同一侧，焊接机头连接机头传动系统，机头传动系统连接至第一伺服电机，第一伺 服电机通过第一伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第一伺服电机的输出端与第一伺服驱 动器之间连接有光电编码器；所述焊接机头的移动方向的两侧设置有左右限位开关，左右 限位开关连接至PLC控制器。所述钉头自动装卸系统为送钉托盘机构，该机构主要包括辅助托盘和连接辅助托 盘的第一气缸；在所述辅助托盘上设置有送钉电动机和传送链，传送链通过传动齿轮围绕 在辅助托盘的四周，所述传送链连接至电动机上的驱动齿轮；在所述辅助托盘的底部、传送 链的传送路径对应的位置上设置有出钉孔，所述送钉电动机连接至PLC控制器；所述焊接系统包括焊剂箱、送料电机、焊枪和出焊剂口，所述焊剂箱通过焊剂管道连接至出焊剂口， 在出焊剂口的下方设置有第四气缸，所述送料电机设置在焊剂管道与焊剂箱之间；所述焊 枪连接第五气缸，在所述焊枪与第五气缸之间设置有联动杆，联动杆连接至第三气缸；所述 焊枪设置在出焊剂口的旁边；所述送料电机连接至PLC控制器。所述第一气缸、第三气缸、第四气缸和第五气缸均各自连接一组无杆侧单向节流 阀和有杆侧单向节流阀，无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀并联后共同连接至电磁 阀，电磁阀与气泵连接；所述电磁阀连接至PLC控制器。所述第一气缸、第三气缸和第四气缸上均设置有气缸磁感应形成开关，气缸磁感 应形成开关连接至PLC控制器。所述钉头管自动送钉及对中机构主要包括两个可以相互靠拢的夹紧卡盘、油缸、 三相异步电动机、齿轮泵和带传动轮；所述油缸固定在支架上并连接至齿轮泵，齿轮泵与三 相异步电动机及油箱连接，油缸的伸缩端通过可以在支架上移动的滚轮式的顶进机构连接 至一个卡盘，另一个卡盘通过支撑块连接至带传动轮，支撑块固定在支架上；所述带传动轮 连接至第二伺服电机，第二伺服电机通过第二伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第二伺 服电机的输出端与第二伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述三相异步电动机连接至 PLC控制器。所述的PLC控制器连接有操作面板。优点效果本发明提供一种钉头管自动成套埋弧螺柱焊接设备，该设备采用卡盘 式旋转光管移动机头结构，具有气压自动上钉，液压对中，焊剂自动定量送给等功能，该方 法适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的焊接。同时采用PLC为主要控制 装置，并配有全数字交流伺服驱动器，使该钉头管焊接设备能够在焊接过程中达到精确有 效的全自动控制。本发明装置的机械部分的设计中采用的伺服电机精确控制机头和基管，同时配 有编码器的半闭环反馈；进钉机构采用链式叶片半自动输送钉结构，同时设计了自动定量 焊剂送给系统；自动焊接机头采用双气缸联动结构；针对本设备中的气动执行元件的不同 工作条件和形式设计了气动回路，并根据所驱动负载和所需要的运动速度确定气动回路各 个元件的参数规格。设计了基于PLC的电气控制的系统，包括硬件部分和软件部分的设计， 采用PLC与全数字交流伺服驱动器及光电编码器组成一个高精度的角度与位移的双重位 置控制系统。该装置能够精确的控制焊接时间，确保引弧在0. 7s、保压在0. 3s、送焊剂在0. 5s 下完成，在保证焊接参数稳定的前提下，焊接速度达到20-22个/分钟，并克服了夹渣、焊 瘤、气孔等焊接缺陷的发生。改发明适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管 的焊接。本发明的具体优点1设计的机械结构采用气压驱动上钉，液压驱动对中技术，有 别于以往采用普通数控机床设计的思想，结构新颖。2实现了焊剂自动定量送给。3该方法 适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的焊接。
图1为本发明的总体结构图2为本发明的钉头管自动送钉及对中机构的结构图；图3为本发明的钉头自动装卸系统的结构图；图4为本发明的焊接系统中连接焊枪的双气缸联动结构示意图；图5为本发明的焊接系统中连接出焊剂口的焊剂自动定量送给系统的结构示意 图；图6为本发明的执行元件的气动回路图；图7为本发明的整体结构的控制流程框图；图8为本发明的PLC控制器的外围接线图；图9为本发明的操作面板设计图；图10为本发明的系统主电路图；图11为本发明的采用伺服系统的结构组成说明图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明在图1-11中，1辅助托盘，2传送链，3送钉电动机，4传动齿轮，5出钉孔，6焊剂箱， 7送剂电机，8焊枪，9出焊剂口，10焊剂管道，11第四气缸，12第五气缸，13第三气缸，15油 缸，16顶进机构，17夹紧卡盘，18支撑块，19带传动轮，油箱20，21支架，22第二伺服电机， 23第二伺服驱动器，24第一伺服电机，25焊接机头，26机头传动系统。27第一气缸，29钉 头管。如图1所示，本发明提供一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，所述设备包括钉头 自动装卸系统、焊接系统、钉头管自动送钉及对中机构、焊剂自动定量送给机构和PLC控制 器；所述PLC控制器与自动装卸系统、焊接系统和钉头管自动送钉及对中机构连接；所述焊 接系统和钉头自动装卸系统设置在钉头管自动送钉及对中机构的同一侧并在使用的时候 可以沿钉头管轴向移动。所述焊接系统和钉头自动装卸系统通过可移动的焊接机头25设置在自动送钉及 对中机构的同一侧，如图11所示，焊接机头25连接至机头传动系统26，机头传动系统26连 接至第一伺服电机24，第一伺服电机24通过第一伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第一 伺服电机24的输出端与第一伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述焊接机头25的移动 方向的两侧设置有左右限位开关，左右限位开关连接至PLC控制器，从而保证焊接系统和 钉头自动装卸系统在使用的时候可以沿着顶头管的轴向准确移动。如图3所示，所述钉头自动装卸系统为送钉托盘机构，该机构主要包括辅助托盘1 和连接辅助托盘的第一气缸27 ；在所述辅助托盘1上设置有送钉电动机3和传送链2，传送 链2通过传动齿轮4围绕在辅助托盘1的四周，所述传送链2连接至送钉电动机3上的驱 动齿轮，这样一来通过电动机3的转动就可以带动传送链2传动，从而带动钉头传动；在所 述辅助托盘1的底部、传送链2的传送路径对应的位置上设置有出钉孔5，这样一来当传送 链2将钉头送到出钉孔5上方位置的时候，就会自动出钉；所述送钉电动机3连接至PLC控 制器；所述焊接系统包括焊剂箱6、送料电机7、焊枪8和出焊剂口 9，所述焊剂箱6通过焊 剂管道10连接至出焊剂口 9，在出焊剂口 9的下方设置有第四气缸11，所述送料电机7设 置在焊剂管道10与焊剂箱6之间，用来控制焊剂箱6的开闭，以达到控制送料的目的；所述 焊枪8上连接第五气缸12，在所述焊枪8与第五气缸12之间设置有联动杆，联动杆还连接 至第三气缸13 ；该处利用双气缸联动的方式完成功能要求，用同一根联动杆，使联动杆能带动焊接机头向同一个方向运动。所述焊枪8设置在出焊剂口 9的旁边，这样一来就能实 现同步焊接的目的；所述送料电机7连接至PLC控制器。焊接系统中还包括焊剂定量装置。 送料电机7形成自动给料装置。这个系统主要完成的是给焊接过程自动进给焊剂，同时定
量给出。辅助托盘1为存放钉头用，方便人工将钉头摆放到位。送钉电动机2主要是带动主 动轮将回转运动传给传送链2，其传动比1 20 1 50，完全满足生产的效率要求。第 一气缸27主要作用是将辅助托盘1推入到位，提供有利上钉位置和推出复位，让出施焊位置。如图6所示，所述第一气缸2、第三气缸13、第四气缸11和第五气缸12均各自连 接无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀，无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀并联后 共同连接至电磁阀，电磁阀与气泵连接；所述电磁阀连接至PLC控制器。所述第一气缸2、第三气缸13和第四气缸11上均设置有气缸磁感应形成开关， 气缸磁感应形成开关连接至PLC控制器，气缸磁感应形成开关就会将气缸位置信号传送至 PLC控制器。如图2所示，所述钉头管自动送钉及对中机构主要包括两个可以相互靠拢的夹紧 卡盘17、油缸15、三相异步电动机、齿轮泵和带传动轮19 ；所述油缸15固定在支架21上并 连接至齿轮泵，齿轮泵与三相异步电动机及油箱20连接，油缸15的伸缩端通过可以在支架 21上移动的滚轮式的顶进机构16连接至其中一个卡盘17上，另一个卡盘17通过支撑块 18连接至带传动轮19，支撑块18固定在支架21上；本设备采用的是滚轮式的顶进机构，即 滚轮在床身的型钢面上滚动而产出轴向移动。这样就抛弃传统的滑动导轨运动方式，变滑 动为滚动，使运动时摩擦力大大减少，其工作原理就是通过三相异步电动机和齿轮泵带动 油缸15伸缩，使得滚轮式的顶进机构推动其中一个卡盘17移动，从而将两个卡盘17之间 的顶头管被夹紧定位，而所述带传动轮19连接至第二伺服电机22，第二伺服电机22通过 第二伺服驱动器23连接至PLC控制器；所述第二伺服电机22的输出端与第二伺服驱动器 23之间连接有光电编码器；所述三相异步电动机连接至PLC控制器；这样PLC控制器控制 第二伺服电机22带动带传动轮19转动从而带动钉头管29旋转，实现焊接过程。卡盘17是车床中所使用的定心精度较高的三爪卡盘，三爪卡盘的原理是通过油 缸推动卡盘上的滑块来旋转锥齿轮，锥齿轮带动平面矩形螺纹，然后带动三爪向心运动，因 为平面矩形螺纹的螺距相等，所以三爪运动距离相等，有自动定心的作用。液压卡盘的工作 原理主要是依靠装在主轴尾部的回转油缸内活塞的往复运动带动主轴孔内的拉杆将力传 递给液压卡盘。然后再通过卡盘内部的扇形齿轮推动卡爪背部的齿条，使卡爪沿径向运动 将工件加紧。欲将工件放松时，也就是回转油缸内的活塞反向运动，传动原理同上。如图6所示，压缩空气经T型接头，一路通过电磁阀YV5直接给第一气缸，一路分 别通过电磁阀YVl YV4分别给第二气缸、第三气缸13、第四气缸11和第五气缸12，图中 字母A、B、C和D所表示的分别为第二气缸、第三气缸13、第四气缸11和第五气缸12。钉头管自动焊接的控制由可编程控制器PLC、按钮、2个限位开关、3个气缸磁感应 行程开关，接触器，继电器，2台交流伺服电机以及与之相匹配的伺服驱动器，一台三相异步 电动机，2台单相电容运转异步电动机(送料电机7和送钉电动机3)组成的。如图8所示，PLC的电源由拖动系统主电路电源提供，PLC的输入信号电源由PLC内置用户开关状态检测电源(24Vdc)提供。由于选用的传感器为NPN型，即设置为漏型输 入方式，所以将PLC端子排上的S/S端子与+24V端子相连。而PLC的输出驱动电源由外加 的开关电源提供+24Vdc电。其中传感器的连接简化成如图所示，实际应是3条线，分别接 24V,0V和PLC的输入端子。在所述的PLC控制器上连接有操作面板。操作面板如图9所示。操作面板的设计属于控制系统的硬件设计，它是PLC的输入设备，按钮的动作直 接与PLC的输入点相连接。根据钉头管自动成套埋弧螺柱焊接设备的使用和加工要求，它 的操作面板设计见图9所示硬件系统的主电路图如图10，QFl空气开关，SBl停止按钮，SB2启动按钮，HL为 电源指示灯。Ml为液压系统电机也就是三相异步电动机，DRVl和DRV2为伺服电机驱动器 并且为伺服电机供电，SMl和SM2为交流伺服驱动电机，M2为自动送焊剂机构电机也就是 送料电机7，M3为送钉电动机3，驱动PLC负载的直流电源是通过开关电源提供的24VDC电 流，而PLC的供电电源是交流220V电。如图11所示，本伺服系统中有两个永磁交流伺服电机，他们都选用带减速机，利 用机械传动完成其相应的动作。该发明在使用的时候，通过操作面板控制PLC控制器，以控制焊接系统和钉头自 动装卸系统沿钉头管的轴向移动，钉头自动装卸系统也在PLC控制器的作用下自动提供钉 头，焊接系统实现焊接，而钉头管自动送钉及对中机构在PLC控制器的作用下控制钉头管 的转动以实现全方位焊接，控制焊接系统和钉头自动装卸系统移动方向两侧的纤维开关， 随时对前进方向进行信息采集，并将信息传输至PLC控制器，以实现移动路径的准确性；而 气缸磁感应形成开关则会随时将气缸的信息反馈至PLC控制器，以实现对所有气缸的准确 控制。试验及测试结果采用本发明研制的钉头管自动成套埋弧焊接设备进行钉头管焊接试验。试验条件 及参数如下钉头管基管材料Q235 ；钉头材料Q235 ；基管参数直径Φ 219mm、壁厚10mm、长度5m、质量425kg ；钉尺寸直径12_，长度25_ ；表1实验条件及参数
焊接电源焊接电 流(A)焊剂起弧抬 起高度 (mm)提前供电 时间(S)引弧时 间(S)加压时间 (S)MZ-1000600HJ43150. 10. 70. 2 表2焊着率测定结果
权利要求
1.一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述设备包括钉头自动装卸系 统、焊接系统、自动送钉及对中机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸系统、焊接系 统和自动送钉及对中机构连接；所述焊接系统和钉头自动装卸系统设置在自动送钉及对中 机构的伺一侧并在使用时可以沿钉头管轴向移动。
2.根据权利要求1所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述焊接系统 和钉头自动装卸系统通过可移动的焊接机头(25)设置在自动送钉及对中机构的同一侧， 焊接机头(25)连接机头传动系统(26)，机头传动系统连接至第一伺服电机(24)，第一伺服 电机(24)通过第一伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第一伺服电机(24)的输出端与第 一伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述焊接机头(25)的移动方向的两侧设置有左右 限位开关，左右限位开关连接至PLC控制器。
3.根据权利要求2所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述钉头自 动装卸系统为送钉托盘机构，该机构主要包括辅助托盘(1)和连接辅助托盘的第一气缸 (27)；在所述辅助托盘(1)上设置有送钉电动机(3)和传送链(2)，传送链(2)通过传动齿 轮⑷围绕在辅助托盘⑴的四周，所述传送链⑵连接至电动机⑶上的驱动齿轮；在所 述辅助托盘(1)的底部、传送链(2)的传送路径对应的位置上设置有出钉孔(5)，所述送钉 电动机(3)连接至PLC控制器；所述焊接系统包括焊剂箱(6)、送料电机(7)、焊枪(8)和出 焊剂口(9)，所述焊剂箱(6)通过焊剂管道(10)连接至出焊剂口(9)，在出焊剂口 (9)的下 方设置有第四气缸(11)，所述送料电机(7)设置在焊剂管道(10)与焊剂箱(6)之间；所述 焊枪(8)连接第五气缸(12)，在所述焊枪(8)与第五气缸(12)之间设置有联动杆，联动杆 连接至第三气缸(13)；所述焊枪(8)设置在出焊剂口(9)的旁边；所述送料电机(7)连接 至PLC控制器。
4.根据权利要求3所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述第一气缸 (27)、第三气缸(13)、第四气缸(11)和第五气缸(12)均各自连接一组无杆侧单向节流阀和 有杆侧单向节流阀，无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀并联后共同连接至电磁阀，电 磁阀与气泵连接；所述电磁阀连接至PLC控制器。
5.根据权利要求4所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述第一气缸 (2)、第三气缸(13)和第四气缸(11)上均设置有气缸磁感应形成开关，气缸磁感应形成开 关连接至PLC控制器。
6.根据权利要求1所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述钉头管自 动送钉及对中机构主要包括两个可以相互靠拢的夹紧卡盘(17)、油缸(15)、三相异步电动 机、齿轮泵和带传动轮(19)；所述油缸(15)固定在支架(21)上并连接至齿轮泵，齿轮泵与 三相异步电动机及油箱(20)连接，油缸(15)的伸缩端通过可以在支架(21)上移动的滚轮 式的顶进机构(16)连接至一个卡盘(17)，另一个卡盘(17)通过支撑块(18)连接至带传动 轮(19)，支撑块(18)固定在支架(21)上；所述带传动轮(19)连接至第二伺服电机(22)， 第二伺服电机(22)通过第二伺服驱动器(23)连接至PLC控制器；所述第二伺服电机(22) 的输出端与第二伺服驱动器(23)之间连接有光电编码器；所述三相异步电动机连接至PLC 控制器。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于 所述的PLC控制器连接操作面板。
全文摘要
本发明提供一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于所述设备包括钉头自动装卸系统、焊接系统、自动送钉及对中机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸系统、焊接系统和自动送钉及对中机构连接；该发明实现了气压自动上钉、液压对中、焊剂自动定量送给等功能；控制系统主要采用PLC为主要控制装置，并配有全数字交流伺服驱动器，使该钉头管焊接设备能够在焊接过程中达到精确有效的全自动控制；其优点是该发明设备适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的自动化焊接，提高了生产效率、克服了弧坑、焊瘤、气孔等缺陷、降低了劳动强度；设备结构简单、制造容易。
文档编号G05B19/05GK102000905SQ20101050611
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者吴宁, 常云龙, 路林, 陈章 申请人:沈阳工业大学