專利名稱：一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及回轉(zhuǎn)體切割焊接設(shè)備制造領(lǐng)域，特別是回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝 置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
回轉(zhuǎn)體相貫的形式在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是電廠、石油化工、造船、壓力容 器等行業(yè)，更是達(dá)到了批量化，因此提高加工效率和質(zhì)量在這些行業(yè)中被放在了很重要的 位置。一些高校及科研單位已經(jīng)開(kāi)始對(duì)這一課題進(jìn)行研究，有的甚至已經(jīng)設(shè)計(jì)出了模型 或者實(shí)體機(jī)床。目前管道相貫線機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分配方式有兩種。第一種是管道靜止，割炬 同時(shí)完成繞管道表面轉(zhuǎn)動(dòng)和沿回轉(zhuǎn)體軸向移動(dòng)。如北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的騎座相貫線焊 接機(jī)器人。在工作過(guò)程中相貫的筒體保持靜止，而機(jī)器人通過(guò)四爪卡盤固定在相貫筒體上。 由于既要控制焊槍姿態(tài)又要控制運(yùn)動(dòng)軌跡，因此需要5個(gè)自由度，通過(guò)這5個(gè)自由度的配合 來(lái)運(yùn)動(dòng)出相貫線的空間軌跡。騎座相貫線焊接機(jī)器人虛擬仿真的效果不錯(cuò)，但其不僅控制 很復(fù)雜，造價(jià)也相當(dāng)?shù)陌嘿F(《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》2008年第8期第964-968頁(yè)《騎座 相貫線焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真》)。第二種是管道轉(zhuǎn)動(dòng)，割炬沿管道軸向運(yùn)動(dòng)。如武 漢領(lǐng)航數(shù)控科技有限公司設(shè)計(jì)的數(shù)控相貫線切割機(jī)，由卡盤夾住鋼管旋轉(zhuǎn)，在鋼管的長(zhǎng)度 方向上配有幾個(gè)可移動(dòng)的托架，托住旋轉(zhuǎn)的鋼管，帶有割炬的移動(dòng)小車沿鋼管長(zhǎng)度方向平 行運(yùn)動(dòng)，控制器控制割炬運(yùn)動(dòng)，切割相貫線。但是管子稍有彎曲，就要調(diào)整托架的位置，才能 切割，切割時(shí)要隨時(shí)注意托架位置的調(diào)整，以保持管子的水平，若位置調(diào)整不好，會(huì)產(chǎn)生較 大的切割誤差。此外，靠近卡盤區(qū)總會(huì)有一段盲區(qū)不能切割，對(duì)管子的成材率又較大影響。 而且卡盤的夾緊力較大會(huì)使管道變形。因此其加工精度和自動(dòng)化程度受管道變形的影響較 大，成材率低，加工過(guò)程中還會(huì)使管道變形。以上這兩種形式只能對(duì)圓柱類的回轉(zhuǎn)體進(jìn)行切 割，而對(duì)圓錐面及拋物線回轉(zhuǎn)面等復(fù)雜回轉(zhuǎn)面無(wú)法進(jìn)行作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種自動(dòng)化的回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其工作方式 簡(jiǎn)單可靠，在保證自動(dòng)化加工的同時(shí)降低控制系統(tǒng)難度，成本低廉。可滿足不同類型回轉(zhuǎn)體 相貫線切割焊接的需求。本發(fā)明的技術(shù)方案是回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置包括上下定位系統(tǒng)、軸向移動(dòng)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)。上下定位系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)B、絲杠、螺母、移動(dòng)副和齒輪架。齒輪架為五邊形框 架；用于回轉(zhuǎn)體定位；螺母與齒輪架固定連接；齒輪架兩側(cè)與移動(dòng)副相連，齒輪架可通過(guò)移 動(dòng)副在豎直方向移動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠和螺母驅(qū)動(dòng)齒輪架豎直方向移動(dòng)。切割系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)A、小齒輪、大齒圈、切割執(zhí)行頭夾具、等離子切割機(jī)噴嘴、
3滾子。大齒圈為圓環(huán)形，大齒圈外緣的中部設(shè)有輪齒，大齒圈外緣的輪齒兩側(cè)設(shè)有光滑臺(tái) 階；大齒圈通過(guò)圓周上120°均布的六個(gè)滾子固定在齒輪架上，滾子緊貼在大齒圈外側(cè)的 臺(tái)階上；小齒輪為普通標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其模數(shù)與大齒圈相等；小齒輪固定在齒輪架上，小齒輪和 大齒圈嚙合；切割執(zhí)行頭夾具一端通過(guò)螺栓聯(lián)接在大齒圈內(nèi)側(cè)；切割執(zhí)行頭夾具夾持著等 離子切割機(jī)噴嘴；電機(jī)與小齒輪聯(lián)接，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪使大齒圈作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即等離子 切割機(jī)噴嘴可沿著大齒圈的軸心作周向轉(zhuǎn)動(dòng)；切割執(zhí)行頭夾具固定等離子切割機(jī)噴嘴的一 端沿徑向開(kāi)有長(zhǎng)槽，等離子切割機(jī)噴嘴可沿徑向調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同回轉(zhuǎn)直徑的回轉(zhuǎn)體。軸向移動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)C、絲杠、螺母、回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)、移動(dòng)副?；剞D(zhuǎn)體定位 平臺(tái)為矩形平臺(tái)；回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)兩側(cè)與移動(dòng)副相連，回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)可通過(guò)移動(dòng)副沿軸 向移動(dòng)；螺母與回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)固定聯(lián)接；步進(jìn)電機(jī)C可通過(guò)絲杠和螺母驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體定位 平臺(tái)軸向移動(dòng)，即讓安放在回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)上的被切割回轉(zhuǎn)體沿軸向移動(dòng)。軸向移動(dòng)系統(tǒng)中絲杠的軸線與切割系統(tǒng)中大齒圈的軸心線平行且在同一豎直面 上?？刂葡到y(tǒng)包括單片機(jī)控制卡、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源，所述單片機(jī)控制卡連接 三個(gè)所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，三個(gè)所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別連接步進(jìn)電機(jī)A、步進(jìn)電機(jī)B和步 進(jìn)電機(jī)C。電源為單片機(jī)控制卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)提供所需的電壓；單片機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，按照程序設(shè)定使得驅(qū)動(dòng)器發(fā)出一定的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本發(fā)明的有益效果是1、該回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置采用了獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)分配原理，使得所設(shè)計(jì)的裝置 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，加工精度高，制作成本大大降低。2、該回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置不僅可以對(duì)圓柱面一圓柱面的相貫線進(jìn)行切割 焊接，而且還可以對(duì)圓錐面一圓柱面、拋物線回轉(zhuǎn)面-圓柱面等復(fù)雜回轉(zhuǎn)面與圓柱面的相 貫線進(jìn)行切割焊接。3、該回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置的設(shè)計(jì)為相貫線等復(fù)雜空間曲線的數(shù)學(xué)建模提 供了一種簡(jiǎn)捷的方法。


圖1為上下定位系統(tǒng)和切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為軸向移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明整體布局圖。圖4為大齒圈的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為被切割或焊接圓錐面與圓柱面正交相貫線工件示意圖。圖中，1、等離子切割機(jī)噴嘴；2、大齒圈；3、齒輪架；4、移動(dòng)副；5、小齒輪；6、步進(jìn) 電機(jī)A ;7、螺母；8、步進(jìn)電機(jī)B ;9、絲杠；10、滾子；12、回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)；13、螺母；14、絲杠； 15、步進(jìn)電機(jī)C;16、移動(dòng)副；17、輪齒；18、臺(tái)階。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行比較詳細(xì)的描述回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置主要由上下定位系統(tǒng)、軸向移動(dòng)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四部分組成。上下定位系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)B8、絲杠9、螺母7、移動(dòng)副4和齒輪架3。齒輪架3為 五邊形框架；用于回轉(zhuǎn)體定位；螺母7與齒輪架3固定連接；齒輪架3兩側(cè)與移動(dòng)副4相連， 齒輪架3可通過(guò)移動(dòng)副4在豎直方向移動(dòng)；電機(jī)8通過(guò)絲杠9和螺母7驅(qū)動(dòng)齒輪架3豎直 方向移動(dòng)。定位時(shí)，回轉(zhuǎn)體軸心線與大齒圈2軸心線垂直，同時(shí)也與回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12垂 直。將已知形狀的回轉(zhuǎn)體安放在回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12上后，在人機(jī)界面上輸入被切割回轉(zhuǎn)體 的基本參數(shù)，這時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)計(jì)算出與回轉(zhuǎn)體相貫圓柱體軸心線的高度與大齒圈軸心高 度的差值，從而得出步進(jìn)電機(jī)B8所需要的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)向，步進(jìn)電機(jī)得到指令后就可以通過(guò) 絲杠9和螺母7來(lái)驅(qū)動(dòng)齒輪架升降，使得大齒圈的軸心與和回轉(zhuǎn)體相貫圓柱體軸心線的高 度同軸，這樣就可以完成切割前的定位作業(yè)。切割系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)A6、小齒輪5、大齒圈2、切割執(zhí)行頭夾具11、等離子切割機(jī) 噴嘴1、滾子10。大齒圈2為圓環(huán)形，大齒圈2外緣的中部設(shè)有輪齒17，大齒圈2外緣的輪 齒兩側(cè)設(shè)有光滑臺(tái)階18 ；大齒圈2通過(guò)圓周上120°均布的六個(gè)滾子固定在齒輪架3上，滾 子緊貼在大齒圈2外側(cè)的臺(tái)階上；小齒輪5為普通標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其模數(shù)與大齒圈2相等；小齒 輪5固定在齒輪架3上，小齒輪5和大齒圈2嚙合；切割執(zhí)行頭夾具11 一端通過(guò)螺栓聯(lián)接 在大齒圈2內(nèi)側(cè)；切割執(zhí)行頭夾具11夾持著等離子切割機(jī)噴嘴1 ；電機(jī)6與小齒輪10聯(lián)接， 電機(jī)6驅(qū)動(dòng)小齒輪10使大齒圈2作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即等離子切割機(jī)噴嘴1可沿著大齒圈2的軸 心作周向轉(zhuǎn)動(dòng)；切割執(zhí)行頭夾具n固定等離子切割機(jī)噴嘴1的一端沿徑向開(kāi)有長(zhǎng)槽，等離 子切割機(jī)噴嘴1可沿徑向調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同回轉(zhuǎn)直徑的回轉(zhuǎn)體。軸向移動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)C15、絲杠14、螺母13、回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12、移動(dòng)副16。 回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12為矩形平臺(tái)；回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12兩側(cè)與移動(dòng)副16相連，回轉(zhuǎn)體定位平 臺(tái)12可通過(guò)移動(dòng)副16沿軸向移動(dòng)；螺母13與回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12固定聯(lián)接；步進(jìn)電機(jī)C15 可通過(guò)絲杠14和螺母13驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12軸向移動(dòng)，即讓安放在回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)12 上的被切割或焊接回轉(zhuǎn)體沿軸向移動(dòng)。軸向移動(dòng)系統(tǒng)中絲杠14的軸線與切割系統(tǒng)中大齒 圈2的軸心線平行且在同一豎直面上。當(dāng)定位作業(yè)完成后就開(kāi)始進(jìn)入切割作業(yè)，切割作業(yè)時(shí)需要控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)步進(jìn) 電機(jī)工作。工作執(zhí)行頭通過(guò)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可同時(shí)做周向轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向移動(dòng)，這樣就可 以在回轉(zhuǎn)體表面運(yùn)動(dòng)出相貫曲線。結(jié)合圖5，進(jìn)一步說(shuō)明具體實(shí)施切割或焊接圓錐面與圓柱面正交相貫線工件，切割 焊接工作前兩回轉(zhuǎn)體形狀和所需切割焊接位置己知，K點(diǎn)是切割焊接噴頭所在位置，e為 切割焊接頭(1)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，即大齒圈(2)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，y為軸向的進(jìn)給量?，F(xiàn)將相貫線 離散化為有限個(gè)均勻的點(diǎn)，每一點(diǎn)所在位置的角度ejizoadd……)，由ejp可計(jì)算 出yi(i = 0,1,2,3……)的值，而(91+1-0》就是從第i點(diǎn)到第i+1點(diǎn)大齒圈(2)所要轉(zhuǎn) 過(guò)的角度，(yi+1-yi)是從第i點(diǎn)到第i+1點(diǎn)回轉(zhuǎn)體軸向所需的進(jìn)給量。這樣通過(guò)控制系統(tǒng) 來(lái)控制電機(jī)(9)和電機(jī)(19)每步的轉(zhuǎn)動(dòng)量就可以精確地完成相貫線的切割焊接作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)采用嵌入式控制。在人機(jī)界面上輸入被切回轉(zhuǎn)體和對(duì)接回轉(zhuǎn)體的半徑， 完成定位作業(yè)后，控制系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，按照程序運(yùn)行分別向兩臺(tái)步進(jìn)電 機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而使切割頭運(yùn)行出相貫線的軌 跡來(lái)完成切割作業(yè)。
權(quán)利要求
一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，包括上下定位系統(tǒng)、軸向移動(dòng)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；所述上下定位系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)B(8)、絲杠(9)、螺母(7)、移動(dòng)副(4)和齒輪架(3)；所述齒輪架(3)為五邊形框架；所述螺母(7)與齒輪架(3)固定連接；所述齒輪架(3)兩側(cè)與所述移動(dòng)副(4)相連，所述齒輪架(3)通過(guò)移動(dòng)副(4)在豎直方向移動(dòng)；所述電機(jī)(8)通過(guò)絲杠(9)和螺母(7)驅(qū)動(dòng)齒輪架(3)豎直方向移動(dòng)；所述切割系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)A(6)、小齒輪(5)、大齒圈(2)、切割執(zhí)行頭夾具(11)、等離子切割機(jī)噴嘴(1)、滾子(10)；所述大齒圈(2)為圓環(huán)形，大齒圈(2)外緣的中部設(shè)有輪齒(17)，大齒圈(2)外緣的輪齒兩側(cè)設(shè)有光滑臺(tái)階(18)；大齒圈(2)通過(guò)六個(gè)滾子固定在齒輪架(3)上，六個(gè)所述滾子分三對(duì)在圓周上120°均勻分布，所述滾子緊貼在大齒圈(2)外側(cè)的臺(tái)階上；小齒輪(5)為普通標(biāo)準(zhǔn)齒輪，所述小齒輪(5)的模數(shù)與大齒圈(2)的模數(shù)相等；所述小齒輪(5)固定在齒輪架(3)上，所述小齒輪(5)和大齒圈(2)嚙合；所述切割執(zhí)行頭夾具(11)一端通過(guò)螺栓聯(lián)接在大齒圈(2)內(nèi)側(cè)，切割執(zhí)行頭夾具(11)夾持等離子切割機(jī)噴嘴(1)；所述電機(jī)(6)與小齒輪(10)聯(lián)接，電機(jī)(6)驅(qū)動(dòng)小齒輪(10)使大齒圈(2)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述軸向移動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)C(15)、絲杠(14)、螺母(13)、回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)、移動(dòng)副(16)；所述回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)為矩形平臺(tái)，回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)兩側(cè)與移動(dòng)副(16)相連，所述回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)通過(guò)移動(dòng)副(16)沿軸向移動(dòng)；所述螺母(13)與回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)固定聯(lián)接；所述步進(jìn)電機(jī)C(15)可通過(guò)絲杠(14)和螺母(13)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)軸向移動(dòng)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述軸向移 動(dòng)系統(tǒng)中絲杠(14)的軸線與切割系統(tǒng)中大齒圈(2)的軸心線平行且在同一豎直面上。
3.根根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述切 割執(zhí)行頭夾具(11)固定等離子切割機(jī)噴嘴(1)的一端沿徑向開(kāi)有長(zhǎng)槽，等離子切割機(jī)噴嘴 (1)可沿徑向調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同回轉(zhuǎn)直徑的回轉(zhuǎn)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述控制 系統(tǒng)包括單片機(jī)控制卡、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源，所述單片機(jī)控制卡連接三個(gè)所述步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，三個(gè)所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別連接步進(jìn)電機(jī)A (6)、步進(jìn)電機(jī)B (8)和步進(jìn)電機(jī) C(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述切割 執(zhí)行頭夾具(11)為通用夾具。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，涉及回轉(zhuǎn)體切割焊接設(shè)備制造領(lǐng)域，包括上下定位系統(tǒng)、軸向移動(dòng)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；上下定位系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)B(8)、絲杠(9)、螺母(7)、移動(dòng)副(4)和齒輪架(3)；切割系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)A(6)、小齒輪(5)、大齒圈(2)、切割執(zhí)行頭夾具(11)、等離子切割機(jī)噴嘴(1)、滾子(10)；軸向移動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)C(15)、絲杠(14)、螺母(13)、回轉(zhuǎn)體定位平臺(tái)(12)、移動(dòng)副(16)。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便、加工精度高、制作成本低。
文檔編號(hào)B23K37/00GK101850467SQ20101017613
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者吳偉光, 楊啟志, 王成紅, 茅矛, 陳建, 馬履中 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)