專利名稱：一種回轉體相貫線切割焊接裝置的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及回轉體切割焊接設備制造領域，特別是回轉體相貫線切割焊接裝 置領域。
背景技術：
回轉體相貫的形式在很多領域被廣泛應用，特別是電廠、石油化工、造船、壓力容 器等行業，更是達到了批量化，因此提高加工效率和質量在這些行業中被放在了很重要的 位置。一些高校及科研單位已經開始對這一課題進行研究，有的甚至已經設計出了模型 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動和沿回轉體軸向移動。如北京航空航天大學設計的騎座相貫線焊 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 很復雜，造價也相當的昂貴(《北京航空航天大學學報》2008年第8期第964-968頁《騎座 相貫線焊接機器人運動學分析及仿真》)。第二種是管道轉動，割炬沿管道軸向運動。如武 漢領航數控科技有限公司設計的數控相貫線切割機，由卡盤夾住鋼管旋轉，在鋼管的長度 方向上配有幾個可移動的托架，托住旋轉的鋼管，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，就要調整托架的位置，才能 切割，切割時要隨時注意托架位置的調整，以保持管子的水平，若位置調整不好，會產生較 大的切割誤差。此外，靠近卡盤區總會有一段盲區不能切割，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體進行切 割，而對圓錐面及拋物線回轉面等復雜回轉面無法進行作業。

發明內容
本發明解決的問題是提供一種自動化的回轉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難度，成本低廉。可滿足不同類型回轉體 相貫線切割焊接的需求。本發明的技術方案是回轉體相貫線切割焊接裝置包括上下定位系統、軸向移動系統、切割系統、控制系 統。上下定位系統包括步進電機B、絲杠、螺母、移動副和齒輪架。齒輪架為五邊形框 架；用于回轉體定位；螺母與齒輪架固定連接；齒輪架兩側與移動副相連，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動齒輪架豎直方向移動。切割系統包括步進電機A、小齒輪、大齒圈、切割執行頭夾具、等離子切割機噴嘴、
3滾子。大齒圈為圓環形，大齒圈外緣的中部設有輪齒，大齒圈外緣的輪齒兩側設有光滑臺 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的 臺階上；小齒輪為普通標準齒輪，其模數與大齒圈相等；小齒輪固定在齒輪架上，小齒輪和 大齒圈嚙合；切割執行頭夾具一端通過螺栓聯接在大齒圈內側；切割執行頭夾具夾持著等 離子切割機噴嘴；電機與小齒輪聯接，步進電機驅動小齒輪使大齒圈作定軸轉動，即等離子 切割機噴嘴可沿著大齒圈的軸心作周向轉動；切割執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節以適應不同回轉直徑的回轉體。軸向移動系統包括步進電機C、絲杠、螺母、回轉體定位平臺、移動副。回轉體定位 平臺為矩形平臺；回轉體定位平臺兩側與移動副相連，回轉體定位平臺可通過移動副沿軸 向移動；螺母與回轉體定位平臺固定聯接；步進電機C可通過絲杠和螺母驅動回轉體定位 平臺軸向移動，即讓安放在回轉體定位平臺上的被切割回轉體沿軸向移動。軸向移動系統中絲杠的軸線與切割系統中大齒圈的軸心線平行且在同一豎直面 上。控制系統包括單片機控制卡、三個步進電機驅動器、電源，所述單片機控制卡連接 三個所述步進電機驅動器，三個所述步進電機驅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、步進電機驅動器和步進電機提供所需的電壓；單片機控制 步進電機驅動器，按照程序設定使得驅動器發出一定的脈沖來驅動步進電機。本發明的有益效果是1、該回轉體相貫線切割焊接裝置采用了獨特的驅動分配原理，使得所設計的裝置 控制系統簡單，加工精度高，制作成本大大降低。2、該回轉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一圓柱面、拋物線回轉面-圓柱面等復雜回轉面與圓柱面的相 貫線進行切割焊接。3、該回轉體相貫線切割焊接裝置的設計為相貫線等復雜空間曲線的數學建模提 供了一種簡捷的方法。


圖1為上下定位系統和切割系統結構示意圖。圖2為軸向移動系統結構示意圖。圖3為本發明整體布局圖。圖4為大齒圈的結構示意圖。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。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行比較詳細的描述回轉體相貫線切割焊接裝置主要由上下定位系統、軸向移動系統、切割系統、控制系統四部分組成。上下定位系統包括步進電機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；用于回轉體定位；螺母7與齒輪架3固定連接；齒輪架3兩側與移動副4相連， 齒輪架3可通過移動副4在豎直方向移動；電機8通過絲杠9和螺母7驅動齒輪架3豎直 方向移動。定位時，回轉體軸心線與大齒圈2軸心線垂直，同時也與回轉體定位平臺12垂 直。將已知形狀的回轉體安放在回轉體定位平臺12上后，在人機界面上輸入被切割回轉體 的基本參數，這時通過控制系統計算出與回轉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所需要的脈沖數和轉向，步進電機得到指令后就可以通過 絲杠9和螺母7來驅動齒輪架升降，使得大齒圈的軸心與和回轉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。切割系統包括步進電機A6、小齒輪5、大齒圈2、切割執行頭夾具11、等離子切割機 噴嘴1、滾子10。大齒圈2為圓環形，大齒圈2外緣的中部設有輪齒17，大齒圈2外緣的輪 齒兩側設有光滑臺階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外側的臺階上；小齒輪5為普通標準齒輪，其模數與大齒圈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；切割執行頭夾具11 一端通過螺栓聯接 在大齒圈2內側；切割執行頭夾具11夾持著等離子切割機噴嘴1 ；電機6與小齒輪10聯接， 電機6驅動小齒輪10使大齒圈2作定軸轉動，即等離子切割機噴嘴1可沿著大齒圈2的軸 心作周向轉動；切割執行頭夾具n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可沿徑向調節以適應不同回轉直徑的回轉體。軸向移動系統包括步進電機C15、絲杠14、螺母13、回轉體定位平臺12、移動副16。 回轉體定位平臺12為矩形平臺；回轉體定位平臺12兩側與移動副16相連，回轉體定位平 臺12可通過移動副16沿軸向移動；螺母13與回轉體定位平臺12固定聯接；步進電機C15 可通過絲杠14和螺母13驅動回轉體定位平臺12軸向移動，即讓安放在回轉體定位平臺12 上的被切割或焊接回轉體沿軸向移動。軸向移動系統中絲杠14的軸線與切割系統中大齒 圈2的軸心線平行且在同一豎直面上。當定位作業完成后就開始進入切割作業，切割作業時需要控制系統控制兩臺步進 電機工作。工作執行頭通過兩臺步進電機的驅動可同時做周向轉動和軸向移動，這樣就可 以在回轉體表面運動出相貫曲線。結合圖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 焊接工作前兩回轉體形狀和所需切割焊接位置己知，K點是切割焊接噴頭所在位置，e為 切割焊接頭(1)轉過的角度，即大齒圈(2)所轉過的角度，y為軸向的進給量。現將相貫線 離散化為有限個均勻的點，每一點所在位置的角度ejizoadd……)，由ejp可計算 出yi(i = 0,1,2,3……)的值，而(91+1-0》就是從第i點到第i+1點大齒圈(2)所要轉 過的角度，(yi+1-yi)是從第i點到第i+1點回轉體軸向所需的進給量。這樣通過控制系統 來控制電機(9)和電機(19)每步的轉動量就可以精確地完成相貫線的切割焊接作業。控制系統采用嵌入式控制。在人機界面上輸入被切回轉體和對接回轉體的半徑， 完成定位作業后，控制系統從數據庫中調出對應的數據，按照程序運行分別向兩臺步進電 機發出對應數量的脈沖，控制兩臺步進電機的運行狀態，從而使切割頭運行出相貫線的軌 跡來完成切割作業。
權利要求
一種回轉體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，包括上下定位系統、軸向移動系統、切割系統、控制系統；所述上下定位系統包括步進電機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；所述電機(8)通過絲杠(9)和螺母(7)驅動齒輪架(3)豎直方向移動；所述切割系統包括步進電機A(6)、小齒輪(5)、大齒圈(2)、切割執行頭夾具(11)、等離子切割機噴嘴(1)、滾子(10)；所述大齒圈(2)為圓環形，大齒圈(2)外緣的中部設有輪齒(17)，大齒圈(2)外緣的輪齒兩側設有光滑臺階(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)外側的臺階上；小齒輪(5)為普通標準齒輪，所述小齒輪(5)的模數與大齒圈(2)的模數相等；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；所述切割執行頭夾具(11)一端通過螺栓聯接在大齒圈(2)內側，切割執行頭夾具(11)夾持等離子切割機噴嘴(1)；所述電機(6)與小齒輪(10)聯接，電機(6)驅動小齒輪(10)使大齒圈(2)作定軸轉動；所述軸向移動系統包括步進電機C(15)、絲杠(14)、螺母(13)、回轉體定位平臺(12)、移動副(16)；所述回轉體定位平臺(12)為矩形平臺，回轉體定位平臺(12)兩側與移動副(16)相連，所述回轉體定位平臺(12)通過移動副(16)沿軸向移動；所述螺母(13)與回轉體定位平臺(12)固定聯接；所述步進電機C(15)可通過絲杠(14)和螺母(13)驅動回轉體定位平臺(12)軸向移動；
2.根據權利要求1所述的一種回轉體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述軸向移 動系統中絲杠(14)的軸線與切割系統中大齒圈(2)的軸心線平行且在同一豎直面上。
3.根根據權利要求1或2所述的一種回轉體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述切 割執行頭夾具(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)可沿徑向調節以適應不同回轉直徑的回轉體。
4.根據權利要求1或2所述的一種回轉體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述控制 系統包括單片機控制卡、三個步進電機驅動器、電源，所述單片機控制卡連接三個所述步進 電機驅動器，三個所述步進電機驅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.根據權利要求1或2所述的一種回轉體相貫線切割焊接裝置，其特征在于，所述切割 執行頭夾具(11)為通用夾具。
全文摘要
本發明公開了一種回轉體相貫線切割焊接裝置，涉及回轉體切割焊接設備制造領域，包括上下定位系統、軸向移動系統、切割系統、控制系統；上下定位系統包括步進電機B(8)、絲杠(9)、螺母(7)、移動副(4)和齒輪架(3)；切割系統包括步進電機A(6)、小齒輪(5)、大齒圈(2)、切割執行頭夾具(11)、等離子切割機噴嘴(1)、滾子(10)；軸向移動系統包括步進電機C(15)、絲杠(14)、螺母(13)、回轉體定位平臺(12)、移動副(16)。本發明操作簡便、加工精度高、制作成本低。
文檔編號B23K37/00GK101850467SQ20101017613
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者吳偉光, 楊啟志, 王成紅, 茅矛, 陳建, 馬履中 申請人:江蘇大學