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：
本實用新型專利涉及回轉(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)開始對這一課題進行研究，有的甚至已經(jīng)設(shè)計出了模型 或者實體機床。目前管道相貫線機器人的運動分配方式有兩種。第一種是管道靜止，割炬 同時完成繞管道表面轉(zhuǎn)動和沿回轉(zhuǎn)體軸向移動。如北京航空航天大學(xué)設(shè)計的騎座相貫線焊 接機器人。在工作過程中相貫的筒體保持靜止，而機器人通過四爪卡盤固定在相貫筒體上。 由于既要控制焊槍姿態(tài)又要控制運動軌跡，因此需要5個自由度，通過這5個自由度的配合 來運動出相貫線的空間軌跡。騎座相貫線焊接機器人虛擬仿真的效果不錯，但其不僅控制 很復(fù)雜，造價也相當?shù)陌嘿F(《北京航空航天大學(xué)學(xué)報》2008年第8期第964-968頁《騎座 相貫線焊接機器人運動學(xué)分析及仿真》)。第二種是管道轉(zhuǎn)動，割炬沿管道軸向運動。如武 漢領(lǐng)航數(shù)控科技有限公司設(shè)計的數(shù)控相貫線切割機，由卡盤夾住鋼管旋轉(zhuǎn)，在鋼管的長度 方向上配有幾個可移動的托架，托住旋轉(zhuǎn)的鋼管，帶有割炬的移動小車沿鋼管長度方向平 行運動，控制器控制割炬運動，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，切割時要隨時注意托架位置的調(diào)整，以保持管子的水平，若位置調(diào)整不好，會產(chǎn)生較 大的切割誤差。此外，靠近卡盤區(qū)總會有一段盲區(qū)不能切割，對管子的成材率又較大影響。 而且卡盤的夾緊力較大會使管道變形。因此其加工精度和自動化程度受管道變形的影響較 大，成材率低，加工過程中還會使管道變形。以上這兩種形式只能對圓柱類的回轉(zhuǎn)體進行切 割，而對圓錐面及拋物線回轉(zhuǎn)面等復(fù)雜回轉(zhuǎn)面無法進行作業(yè)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型解決的問題是提供一種自動化的回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置，其工作 方式簡單可靠，在保證自動化加工的同時降低控制系統(tǒng)難度，成本低廉?？蓾M足不同類型回 轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接的需求。本實用新型的技術(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)、軸向移動系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)。上下定位系統(tǒng)包括步進電機B、絲杠、螺母、移動副和齒輪架。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)與移動副相連，齒輪架可通過移 動副在豎直方向移動；步進電機通過絲杠和螺母驅(qū)動齒輪架豎直方向移動。切割系統(tǒng)包括步進電機A、小齒輪、大齒圈、切割執(zhí)行頭夾具、等離子切割機噴嘴、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 階；大齒圈通過圓周上120°均布的六個滾子固定在齒輪架上，滾子緊貼在大齒圈外側(cè)的 臺階上；小齒輪為普通標準齒輪，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 離子切割機噴嘴；電機與小齒輪聯(lián)接，步進電機驅(qū)動小齒輪使大齒圈作定軸轉(zhuǎn)動，即等離子 切割機噴嘴可沿著大齒圈的軸心作周向轉(zhuǎn)動；切割執(zhí)行頭夾具固定等離子切割機噴嘴的一 端沿徑向開有長槽，等離子切割機噴嘴可沿徑向調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同回轉(zhuǎn)直徑的回轉(zhuǎn)體。軸向移動系統(tǒng)包括步進電機C、絲杠、螺母、回轉(zhuǎn)體定位平臺、移動副。回轉(zhuǎn)體定位 平臺為矩形平臺；回轉(zhuǎn)體定位平臺兩側(cè)與移動副相連，回轉(zhuǎn)體定位平臺可通過移動副沿軸 向移動；螺母與回轉(zhuǎn)體定位平臺固定聯(lián)接；步進電機C可通過絲杠和螺母驅(qū)動回轉(zhuǎn)體定位 平臺軸向移動，即讓安放在回轉(zhuǎn)體定位平臺上的被切割回轉(zhuǎn)體沿軸向移動。軸向移動系統(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)包括單片機控制卡、三個步進電機驅(qū)動器、電源，所述單片機控制卡連接 三個所述步進電機驅(qū)動器，三個所述步進電機驅(qū)動器分別連接步進電機A、步進電機B和步 進電機C。電源為單片機控制卡、步進電機驅(qū)動器和步進電機提供所需的電壓；單片機控制 步進電機驅(qū)動器，按照程序設(shè)定使得驅(qū)動器發(fā)出一定的脈沖來驅(qū)動步進電機。本實用新型的有益效果是1、該回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置采用了獨特的驅(qū)動分配原理，使得所設(shè)計的裝置 控制系統(tǒng)簡單，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圓柱面一圓柱面的相貫線進行切割 焊接，而且還可以對圓錐面-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 線進行切割焊接。3、該回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置的設(shè)計為相貫線等復(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為軸向移動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型整體布局圖。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、等離子切割機噴嘴；2、大齒圈；3、齒輪架；4、移動副；5、小齒輪；6、步進 電機A ;7、螺母；8、步進電機B ;9、絲杠；10、滾子；12、回轉(zhuǎn)體定位平臺；13、螺母；14、絲杠； 15、步進電機C ;16、移動副；17、輪齒；18、臺階。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案進行比較詳細的描述回轉(zhuǎn)體相貫線切割焊接裝置主要由上下定位系統(tǒng)、軸向移動系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制 系統(tǒng)四部分組成。[0025]上下定位系統(tǒng)包括步進電機B8、絲杠9、螺母7、移動副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)與移動副4相連， 齒輪架3可通過移動副4在豎直方向移動；步進電機B8通過絲杠9和螺母7驅(qū)動齒輪架3 豎直方向移動。定位時，回轉(zhuǎn)體軸心線與大齒圈2軸心線垂直，同時也與回轉(zhuǎn)體定位平臺12 垂直。將已知形狀的回轉(zhuǎn)體安放在回轉(zhuǎn)體定位平臺12上后，在人機界面上輸入被切割回轉(zhuǎn) 體的基本參數(shù)，這時通過控制系統(tǒng)計算出與回轉(zhuǎn)體相貫圓柱體軸心線的高度與大齒圈軸心 高度的差值，從而得出步進電機B8所需要的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)向，步進電機得到指令后就可以通 過絲杠9和螺母7來驅(qū)動齒輪架升降，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)包括步進電機A6、小齒輪5、大齒圈2、切割執(zhí)行頭夾具11、等離子切割機 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)有光滑臺階18 ；大齒圈2通過圓周上120°均布的六個滾子固定在齒輪架3上，滾 子緊貼在大齒圈2外側(cè)的臺階上；小齒輪5為普通標準齒輪，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噴嘴1 ；步進電機A6與小齒輪10 聯(lián)接，步進電機A6驅(qū)動小齒輪10使大齒圈2作定軸轉(zhuǎn)動，即等離子切割機噴嘴1可沿著大 齒圈2的軸心作周向轉(zhuǎn)動；切割執(zhí)行頭夾具11固定等離子切割機噴嘴1的一端沿徑向開有 長槽，等離子切割機噴嘴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。切割執(zhí)行頭夾具 11為通用夾具。軸向移動系統(tǒng)包括步進電機C15、絲杠14、螺母13、回轉(zhuǎn)體定位平臺12、移動副16。 回轉(zhuǎn)體定位平臺12為矩形平臺；回轉(zhuǎn)體定位平臺12兩側(cè)與移動副16相連，回轉(zhuǎn)體定位平 臺12可通過移動副16沿軸向移動；螺母13與回轉(zhuǎn)體定位平臺12固定聯(lián)接；步進電機C15 可通過絲杠14和螺母13驅(qū)動回轉(zhuǎn)體定位平臺12軸向移動，即讓安放在回轉(zhuǎn)體定位平臺12 上的被切割或焊接回轉(zhuǎn)體沿軸向移動。軸向移動系統(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。當定位作業(yè)完成后就開始進入切割作業(yè)，切割作業(yè)時需要控制系統(tǒng)控制兩臺步進 電機工作。工作執(zhí)行頭通過兩臺步進電機的驅(qū)動可同時做周向轉(zhuǎn)動和軸向移動，這樣就可 以在回轉(zhuǎn)體表面運動出相貫曲線。當定位作業(yè)完成后就開始進入切割作業(yè)，切割作業(yè)時需要控制系統(tǒng)控制兩臺步進 電機工作。工作執(zhí)行頭通過兩臺步進電機的驅(qū)動可同時做周向轉(zhuǎn)動和軸向移動，這樣就可 以在回轉(zhuǎn)體表面運動出相貫曲線。結(jié)合圖5，進一步說明具體實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已知，K點是切割焊接噴頭所在位置，θ為 切割焊接頭(1)轉(zhuǎn)過的角度，即大齒圈(2)所轉(zhuǎn)過的角度，y為軸向的進給量?，F(xiàn)將相貫線 離散化為有限個均勻的點，每一點所在位置的角度QiG = Oadd……)，由9^卩可計算 出yi(i = 0,1,2,3……)的值，而(Qw-Qi)就是從第i點到第i+Ι點大齒圈(2)所要轉(zhuǎn) 過的角度，(yi+1-yi)是從第i點到第i+Ι點回轉(zhuǎn)體軸向所需的進給量。這樣通過控制系統(tǒng) 來控制電機(9)和電機(19)每步的轉(zhuǎn)動量就可以精確地完成相貫線的切割焊接作業(yè)。控制系統(tǒng)采用嵌入式控制。在人機界面上輸入被切回轉(zhuǎn)體和對接回轉(zhuǎn)體的半徑，完成定位作業(yè)后，控制系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出對應(yīng)的數(shù)據(jù)，按照程序運行分別向兩臺步進電 機發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，控制兩臺步進電機的運行狀態(tài)，從而使切割頭運行出相貫線的軌 跡來完成切割作業(yè)。
權(quán)利要求1.一種回轉(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)包括步進電機B(8)、絲杠(9)、螺母(7)、移動副(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)與所述移動副(4)相連，所述齒輪架(3)通過移動副(4)在豎直方向移動；所述步進電機 B(S)通過絲杠(9)和螺母(7)驅(qū)動齒輪架(3)豎直方向移動；所述切割系統(tǒng)包括步進電機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)有光滑臺階(18)；大齒圈(2)通過六個滾子固定在齒 輪架(3)上，六個所述滾子分三對在圓周上120°均勻分布，所述滾子緊貼在大齒圈(2)外 側(cè)的臺階上；小齒輪(5)為普通標準齒輪，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 割機噴嘴(1)；所述步進電機A(6)與小齒輪(10)聯(lián)接，步進電機A(6)驅(qū)動小齒輪(10)使 大齒圈(2)作定軸轉(zhuǎn)動；所述軸向移動系統(tǒng)包括步進電機C(15)、絲杠(14)、螺母(13)、回轉(zhuǎn)體定位平臺(12)、 移動副(16)；所述回轉(zhuǎn)體定位平臺(12)為矩形平臺，回轉(zhuǎn)體定位平臺(12)兩側(cè)與移動副 (16)相連，所述回轉(zhuǎn)體定位平臺(12)通過移動副(16)沿軸向移動；所述螺母(13)與回轉(zhuǎn) 體定位平臺(12)固定聯(lián)接；所述步進電機C(15)可通過絲杠(14)和螺母(13)驅(qū)動回轉(zhuǎn)體 定位平臺(12)軸向移動。
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)固定等離子切割機噴嘴(1)的一端沿徑向開有長槽，等離子切割機噴嘴 (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)包括單片機控制卡、三個步進電機驅(qū)動器、電源，所述單片機控制卡連接三個所述步進 電機驅(qū)動器，三個所述步進電機驅(qū)動器分別連接步進電機A (6)、步進電機B (8)和步進電機 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。
專利摘要本實用新型公開了一種回轉(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)、軸向移動系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；上下定位系統(tǒng)包括步進電機B(8)、絲杠(9)、螺母(7)、移動副(4)和齒輪架(3)；切割系統(tǒng)包括步進電機A(6)、小齒輪(5)、大齒圈(2)、切割執(zhí)行頭夾具(11)、等離子切割機噴嘴(1)、滾子(10)；軸向移動系統(tǒng)包括步進電機C(15)、絲杠(14)、螺母(13)、回轉(zhuǎn)體定位平臺(12)、移動副(16)。本實用新型操作簡便、加工精度高、制作成本低。
文檔編號B23K37/00GK201848641SQ201020195848
公開日2011年6月1日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者劉遠偉, 吳偉光, 楊啟志, 王成紅, 茅矛, 陳建, 馬履中 申請人:江蘇大學(xué)