一種管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理的制造方法
【專利摘要】一種管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，包括管內爬行定位機構、通過該管內爬行定位機構推動位移及定位的管內焊縫等離子清渣及熱處理機構、用于控制管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構動作的監(jiān)控單元。本發(fā)明的設備柔性好，對不同尺寸管道的適應性強，采用一套設備可對不同管徑的管道內部焊縫進行焊縫清渣及熱處理，焊縫清渣效果好；本發(fā)明在清渣的同時能夠對焊縫進行熱處理，可明顯改善焊縫力學性能，提高焊縫使用壽命；本發(fā)明的設備結構緊湊、易實現整機小型化，而且應用范圍廣，適用于直徑范圍為219mm～325mm的不同金屬材質管道。
【專利說明】一種管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子技術應用于管道閃光對焊【技術領域】，具體是涉及一種管道閃光對焊管內焊縫等離子清渣及熱處理機。
【背景技術】
[0002]閃光對焊是一種先進的焊接方法，和傳統焊接方法相比，具有如下優(yōu)勢:1、屬于固相焊接，不存在熔池，焊接質量高；2、無需添加熔敷金屬，焊接接頭化學成分與母材相同；
3、無需氣體保護或渣保護，消除了污染源；4、自動化程度高，不依靠手工焊接技能；5、焊接周期短，焊接效率高。
[0003]閃光焊接技術雖然有諸多優(yōu)點，但是閃光焊接技術存在一個極為關鍵的技術瓶頸，就是焊接后焊縫殘渣需要清理。對于小直徑長管道，管道內部接頭焊縫清理難題表現的尤為突出。閃光焊接焊縫清渣問題成為管道閃光焊接技術推廣應用的一個技術壁壘，必須攻克。
[0004]目前，國內外采用的清渣方法主要有手工打磨法和機械推凸法等。然而，手工打磨法的工人勞動強度大，效率低，且對于小型管道根本無法伸入管內作業(yè)。機械推凸法在去除管道焊接接頭毛刺時的缺點是對于每個尺寸的管道，都需要一個單獨的去毛刺裝置，特別是處理小直徑管道焊接接頭的裝置，具有極復雜的結構和高昂的成本。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種結構可靠、使用方便靈活，在清除焊縫殘渣的同時能夠對焊縫進行熱處理，能夠顯著提高管道的焊接質量及使用壽命的管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機。
[0006]本發(fā)明的技術方案是這樣實現的:
本發(fā)明所述的管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特點是包括管內爬行定位機構、通過該管內爬行定位機構推動位移及定位的管內焊縫等離子清渣及熱處理機構、用于控制管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構動作的監(jiān)控單元。
[0007]其中，上述管內爬行定位機構包括車架及安裝在車架上的交流電機、行星二級減速器、主動輪、被動輪、齒輪齒條機構、制動電磁鐵和行走位移測量機構，其中所述行星二級減速器的動力輸入端與交流電機的動力輸出端相連接，所述主動輪和齒輪齒條機構分別與行星二級減速器的動力輸出端相連接，所述制動電磁鐵與齒輪齒條機構相連接，所述行走位移測量機構包括測長編碼齒輪和旋轉編碼器，所述測長編碼齒輪與被動輪上設置的齒輪嚙合連接，所述旋轉編碼器的軸端與測長編碼齒輪通過鍵槽配合連接。
[0008]上述管內焊縫等離子清渣及熱處理機構包括用于對管內焊縫進行清渣及熱處理的等離子槍、用于調節(jié)等離子槍使用位置的三自由度調節(jié)機構和用于監(jiān)測等離子槍清渣狀態(tài)及焊縫處理效果的單目視覺監(jiān)測單元。
[0009]上述三自由度調節(jié)機構包括用于帶動等離子槍旋轉的伺服電機、用于帶動等離子槍徑向移動的直線電機機構和用于帶動等離子槍偏轉擺動的雙齒輪傳導機構，其中所述直線電機機構包括直線電機及與直線電機的傳動軸相連接的運動導軌，所述直線電機安裝在直線電機套筒內并通過直線電機套筒與伺服電機的傳動軸固定連接，所述雙齒輪傳導機構包括驅動電機、與驅動電機的傳動軸相連接的主動齒輪及與主動齒輪嚙合連接的被動齒輪，所述雙齒輪傳導機構和等尚子槍分別安裝在運動導軌上，且所述等尚子槍與被動齒輪固定連接并與外部的離子氣及保護氣設備和循環(huán)冷卻水箱相連通。
[0010]為了使本發(fā)明的操作人員能夠實時并準確地掌握焊縫的清渣及熱處理狀態(tài)，上述單目視覺監(jiān)測單元包括CCD相機、圖像采集卡、環(huán)形光源、濾波器和無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器與監(jiān)控單元信號連接，所述CCD相機通過支架安裝固定在三自由度調節(jié)機構上且位于等離子槍的下方。
[0011]為了使本發(fā)明的位置調節(jié)方便、準確，本發(fā)明還包括有通過監(jiān)控單元控制動作的管內位置調節(jié)機構，所述管內位置調節(jié)機構設置在管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構之間。
[0012]為了使本發(fā)明能夠滿足不同直徑管道的需求，上述管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的徑向位置進行粗調的絲桿調節(jié)機構，該絲桿調節(jié)機構由調節(jié)絲桿和調節(jié)螺母組成且連接在管內爬行定位機構上。
[0013]為了使本發(fā)明能夠保證管道軸線與等離子槍旋轉的軸線重合，從而實現精確調心定位，上述管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的徑向位置進行精調的變徑調心機構，該變徑調心機構包括連接軸及連接軸兩端各設置的一組氣動調心定位機構，所述各組氣動調心定位機構分別由連接套、固定在連接套上且按圓周均勻排布的三個氣缸及各氣缸的活塞桿外端連接的一個球形壓輪組成。
[0014]為了使本發(fā)明能夠實現等離子槍的軸向微調功能，從而提高等離子槍使用位置的精度，上述管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的軸向位置進行微調的軸向位移微調機構，該軸向位移微調機構由伺服氣缸、電磁換向閥、壓力傳感器、位置傳感器和控制器組成。
[0015]為了使本發(fā)明的操作及控制方便，且自動化程度高，上述監(jiān)控單元包括機載控制單元和管外監(jiān)控單元，所述機載控制單元包括PLC控制器及與PLC控制器電連接的無線數據傳輸器，所述管外監(jiān)控單元包括圖像監(jiān)視器、無線收發(fā)信號單元、離子氣及保護氣控制單元、循環(huán)冷卻水箱控制單元、焊縫圖像算法處理單元、管內爬行定位機構位移控制單元和等離子槍位姿調節(jié)控制單元，所述無線數據傳輸器與收發(fā)信號單元信號連接。
[0016]本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點:設備柔性好，采用一套設備可對不同管徑的管道進行焊縫修整，而且對不同尺寸管道的適應性強；焊縫修整效果好，在清除焊縫殘渣的同時能夠對焊縫進行熱處理，明顯改善了焊縫的力學性能，提高了焊縫的使用壽命；設備結構緊湊、使用安全方便，易實現整機小型化；應用范圍廣，適用于直徑范圍為219mm?325mm的不同材質金屬管道。
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明其中一方向的剖面結構示意圖。[0019]圖2為本發(fā)明另一方向的剖面結構示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明中爬行小車的結構示意圖。
[0021]圖4為本發(fā)明中變徑調心機構的橫截面結構示意圖。
[0022]圖5為圖1中CXD相機與等離子槍在1:1處的安裝位置放大示意圖。
[0023]圖6為本發(fā)明中齒輪齒條機構與制動電磁鐵的安裝示意圖。
[0024]圖7為本發(fā)明中伺服氣缸的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖1-圖7所示，本發(fā)明所述的管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，包括管內爬行定位機構、通過該管內爬行定位機構推動位移及定位的管內焊縫等離子清渣及熱處理機構、用于控制管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構動作的監(jiān)控單元、通過監(jiān)控單元控制動作的管內位置調節(jié)機構，該管內位置調節(jié)機構設置在管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構之間。其中，如圖1及圖3所示，管內爬行定位機構是一種機、電、氣一體化的作業(yè)小車，其包括車架I及安裝在車架I上的交流電機2、行星二級減速器3、主動輪4、被動輪5、齒輪齒條機構6、制動電磁鐵7和行走位移測量機構，其中行星二級減速器3的動力輸入端與交流電機2的動力輸出端相連接，主動輪4和齒輪齒條機構6分別與行星二級減速器3的動力輸出端相連接，制動電磁鐵7與齒輪齒條機構6相連接，而且小車可安裝在一個小車套筒28內，在該小車套筒28上對應開設有供主動輪
4、被動輪5和制動電磁鐵7穿過的通孔，如圖6所示，制動電磁鐵7是固定安裝在齒輪齒條機構6的兩齒條之間，當小車到達指定位置后，行走位移測量機構發(fā)出運動位置已到達的信號后，安裝在車架I下端的齒輪齒條機構6控制制動電磁鐵7向下運動，制動電磁鐵7下降到最低端與準備進行焊縫清渣及熱處理的管道的管壁緊密接觸，制動電磁鐵7通電后實現對小車的固定作用，避免小車在管道內滑動，行走位移測量機構包括測長編碼齒輪和旋轉編碼器，所述測長編碼齒輪與被動輪5上設置的齒輪嚙合連接，所述旋轉編碼器的軸端與測長編碼齒輪通過鍵槽配合連接，被動輪5的轉動等同旋轉編碼器的軸轉動，通過旋轉編碼器的碼盤進行計數，從而實現對爬行位置的精確控制。如圖1及圖2所示，管內焊縫等離子清渣及熱處理機構包括用于對管內焊縫進行清渣及熱處理的等離子槍23、用于調節(jié)等離子槍23使用位置的三自由度調節(jié)機構和用于監(jiān)測等離子槍23清渣狀態(tài)及焊縫處理效果的單目視覺監(jiān)測單元。其中，三自由度調節(jié)機構包括設置在保護套筒16內的用于帶動等離子槍23旋轉的伺服電機17、用于帶動等離子槍23徑向移動的直線電機機構和用于帶動等離子槍23偏轉擺動的雙齒輪傳導機構，其中直線電機機構包括直線電機18及與直線電機18的傳動軸相連接的運動導軌19，直線電機18安裝在直線電機套筒20內并通過直線電機套筒20與伺服電機17的傳動軸171固定連接，如圖所示，直線電機套筒20與伺服電機17的傳動軸171是通過軸套26相連接并通過固定聯軸器15連接固定。雙齒輪傳導機構包括驅動電機、與驅動電機的傳動軸相連接的主動齒輪21及與主動齒輪21嚙合連接的被動齒輪22，所述雙齒輪傳導機構和等離子槍23分別安裝在運動導軌19上，且所述等離子槍23與被動齒輪22固定連接并與外部的離子氣及保護氣設備和循環(huán)冷卻水箱相連通，本發(fā)明使用時，可根據需要，通過直線電機18帶動等離子槍23徑向移動，實現等離子槍23的徑向位移調節(jié)，并可通過雙齒輪傳導機構帶動等離子槍23偏擺，同時通過伺服電機17經直線電機18帶動等離子槍23旋轉而實現等離子槍23對管內焊縫清渣及熱處理需要的軸向旋轉運動。單目視覺監(jiān)測單元包括CXD相機24、圖像采集卡、環(huán)形光源、濾波器和無線發(fā)射器，無線發(fā)射器與監(jiān)控單元信號連接，CXD相機24通過支架25安裝固定在三自由度調節(jié)機構上且位于等離子槍23的下方,如圖1及圖5所示，(XD相機24是通過支架25安裝固定在直線電機套筒20上，而且CXD相機24可根據需要按圓周設置有多個，通過該單目視覺監(jiān)測單元可實時并準確地檢測等離子槍23的清渣工作狀態(tài)及焊縫處理信息。管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的軸向位置進行微調的軸向位移微調機構，該軸向位移微調機構由伺服氣缸9、電磁換向閥、壓力傳感器、位置傳感器和控制器組成，壓力傳感器檢測伺服氣缸9兩個壓力室的壓力信號，位置傳感器檢測伺服氣缸9的活塞桿91的行走位移信號，經控制器計算后由伺服電機9的伺服閥精確控制活塞桿91的行走位移，從而實現等離子槍23的軸向微調功能，如圖7所示，為伺服氣缸9的工作原理圖，當管內焊縫等離子清渣及熱處理機構未調整到預定位置時，電磁換向閥切向右端，整個氣動回路接通，氣體推動伺服氣缸9的活塞桿91向前運動，推動管內焊縫等離子清渣及熱處理機構向前運動；當管內焊縫等離子清渣及熱處理機構超過預定位置時，電磁換向閥切向左端，整個氣動回路方向接通，氣體推動伺服氣缸9的活塞桿91向后運動，帶動管內焊縫等離子清渣及熱處理機構向后運動；當管內焊縫等離子清渣及熱處理機構恰好調整到預定位置時，控制電磁換向閥處于截止位置，伺服氣缸9維持不動狀態(tài)，實現精確定位功能。進一步地，管內位置調節(jié)機構還包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的徑向位置進行粗調的絲桿調節(jié)機構8，該絲桿調節(jié)機構8由調節(jié)絲桿和調節(jié)螺母組成且連接在管內爬行定位機構上，如圖2及圖3所示，伺服氣缸9安裝在氣缸支架27上并通過絲桿調節(jié)機構8連接在車架I的上部，通過絲桿調節(jié)機構8上的調節(jié)螺母可使車架I上方的伺服氣缸9升高或降低實現變徑，從而滿足不同直徑管道的需求，最大變徑調節(jié)范圍為106_。更進一步地，管內位置調節(jié)機構還包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的徑向位置進行精調的變徑調心機構，如圖1、圖2及圖4所示，該變徑調心機構包括連接軸11及連接軸11兩端各設置的一組氣動調心定位機構12，各組氣動調心定位機構12分別由連接套121、固定在連接套121上且按圓周均勻排布的三個氣缸122及各氣缸122的活塞桿外端連接的一個球形壓輪123組成，其中連接軸11的一端通過兩個萬向聯軸器10與伺服氣缸9的活塞桿91同軸連接，其一端通過固定聯軸器15與伺服電機17同軸連接，而且在連接軸11內設置有與各氣缸122的氣路相連通的氣管。并且，變徑調心機構可安裝在一個調心機構套筒29內，同時在該調心機構套筒29對應各球形壓輪123的位置處分別開設有一個可供各球形壓輪123穿行的通孔。監(jiān)控單元包括機載控制單元和管外監(jiān)控單元，其中機載控制單元包括PLC控制器14及與PLC控制器14電連接的無線數據傳輸器13，PLC控制器14和無線數據傳輸器13通過固定聯軸器15連接在連接軸11上并位于兩組氣動調心定位機構12之間，交流電機2、伺服氣缸9、氣缸122、伺服電機17和等離子槍23分別與PLC控制器14電連接，且PLC控制器14連接有電源，管外監(jiān)控單元包括圖像監(jiān)視器、無線收發(fā)信號單元、離子氣及保護氣控制單元、循環(huán)冷卻水箱控制單元、焊縫圖像算法處理單元、管內爬行定位機構位移控制單元和等離子槍位姿調節(jié)控制單元，無線數據傳輸器13與收發(fā)信號單元信號連接，通過管外監(jiān)控單元能夠方便地實現管道內部焊縫的等離子清渣及熱處理功能。
[0026]本發(fā)明的工作原理是:管外監(jiān)測單元接收CXD相機24采集到的焊縫圖像信息，通過PLC控制器14發(fā)出控制指令，驅動管內爬行定位機構、軸向位移微調機構、變徑調心機構、三自由度調節(jié)機構和等離子槍23運動，實現爬行、定位、清渣及熱處理，清渣過程實時監(jiān)測等功能。整個過程也可分為三個階段，第一階段:管內爬行定位機構把管內焊縫等離子清渣及熱處理機構送到準備進行焊縫清渣及熱處理的管道的焊縫處，焊縫位置處的定位通過CCD相機24來確定。當管內焊縫等離子清渣及熱處理機構到達指定位置后，控制制動電磁鐵7使之吸住管道的管壁以固定管內爬行定位機構，然后用車架I上的伺服氣缸9軸向微調管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的位置實現精確定位；第二階段:控制變徑調心機構的六個氣缸122讓管道軸線與管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的軸線重合，實現調心功能，當管道軸線與管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的軸線重合后，通過各氣缸122的活塞桿外端的球形壓輪123緊壓管道的內壁，實現定位功能；第三階段:通過三自由度調節(jié)機構的直線電機機構和雙齒輪傳動機構讓等離子槍23的槍嘴與管內焊縫殘渣保持工藝要求姿態(tài)，然后通過伺服電機17旋轉帶動等離子槍23軸向旋轉，實現管道的管內焊縫等離子清渣及熱處理。
[0027]本發(fā)明是通過實施例來描述的，但并不對本發(fā)明構成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對于本領域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應該屬于本發(fā)明權利要求限定的范圍之內。
【權利要求】
1.一種管道閃光對焊管內焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于包括管內爬行定位機構、通過該管內爬行定位機構推動位移及定位的管內焊縫等離子清渣及熱處理機構、用于控制管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構動作的監(jiān)控單元。
2.根據權利要求1所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于還包括有通過監(jiān)控單元控制動作的管內位置調節(jié)機構，所述管內位置調節(jié)機構設置在管內爬行定位機構和管內焊縫等離子清渣及熱處理機構之間。
3.根據權利要求2所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的徑向位置進行粗調的絲桿調節(jié)機構(8)，該絲桿調節(jié)機構(8)由調節(jié)絲桿和調節(jié)螺母組成且連接在管內爬行定位機構上。
4.根據權利要求2所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的徑向位置進行精調的變徑調心機構，該變徑調心機構包括連接軸(11)及連接軸(11)兩端各設置的一組氣動調心定位機構(12)，所述各組氣動調心定位機構(12)分別由連接套(121 )、固定在連接套(121)上且按圓周均勻排布的三個氣缸(122)及各氣缸(122)的活塞桿外端連接的一個球形壓輪(123)組成。
5.根據權利要求2所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述管內位置調節(jié)機構包括用于對管內焊縫等離子清渣及熱處理機構的軸向位置進行微調的軸向位移微調機構，該軸向位移微調機構由伺服氣缸(9)、電磁換向閥、壓力傳感器、位置傳感器和控制器組成。
6.根據權利要求1所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述管內焊縫等離子清渣及熱處理機構包括用于對管內焊縫進行清渣及熱處理的等離子槍(23 )、用于調節(jié)等離子槍(23)使用位置的三自由度調節(jié)機構和用于監(jiān)測等離子槍(23)清渣狀態(tài)及焊縫處理效果的單目視覺監(jiān)測`單元。
7.根據權利要求6所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述三自由度調節(jié)機構包括用于帶動等離子槍(23)旋轉的伺服電機(17)、用于帶動等離子槍(23)徑向移動的直線電機機構和用于帶動等離子槍(23)偏轉擺動的雙齒輪傳導機構，其中所述直線電機機構包括直線電機(18)及與直線電機(18)的傳動軸相連接的運動導軌(19)，所述直線電機(18)安裝在直線電機套筒(20)內并通過直線電機套筒(20)與伺服電機(17)的傳動軸(171)固定連接,所述雙齒輪傳導機構包括驅動電機、與驅動電機的傳動軸相連接的主動齒輪(21)及與主動齒輪(21)嚙合連接的被動齒輪(22)，所述雙齒輪傳導機構和等離子槍(23)分別安裝在運動導軌(19)上，且所述等離子槍(23)與被動齒輪(22)固定連接并與外部的離子氣及保護氣設備和循環(huán)冷卻水箱相連通。
8.根據權利要求6所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述單目視覺監(jiān)測單元包括CCD相機(24)、圖像采集卡、環(huán)形光源、濾波器和無線發(fā)射器，所述無線發(fā)射器與監(jiān)控單元信號連接，所述C⑶相機(24)通過支架(25)安裝固定在三自由度調節(jié)機構上且位于等離子槍(23)的下方。
9.根據權利要求1所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述管內爬行定位機構包括車架(I)及安裝在車架(I)上的交流電機(2)、行星二級減速器(3)、主動輪(4)、被動輪(5)、齒輪齒條機構(6)、制動電磁鐵(7)和行走位移測量機構，其中所述行星二級減速器(3)的動力輸入端與交流電機(2)的動力輸出端相連接，所述主動輪(4)和齒輪齒條機構(6)分別與行星二級減速器(3)的動力輸出端相連接，所述制動電磁鐵(7)與齒輪齒條機構(6)相連接，所述行走位移測量機構包括測長編碼齒輪和旋轉編碼器，所述測長編碼齒輪與被動輪(5)上設置的齒輪嚙合連接，所述旋轉編碼器的軸端與測長編碼齒輪通過鍵槽配合連接。
10.根據權利要求1所述管道閃光對焊焊縫等離子清渣及熱處理機，其特征在于上述監(jiān)控單元包括機載控制單元和管外監(jiān)控單元，所述機載控制單元包括PLC控制器(14)及與PLC控制器(14)電連接的無線數據傳輸器(13)，所述管外監(jiān)控單元包括圖像監(jiān)視器、無線收發(fā)信號單元、離子氣及保護氣控制單元、循環(huán)冷卻水箱控制單元、焊縫圖像算法處理單元、管內爬行定位機構位移控制單元和等離子槍位姿調節(jié)控制單元，所述無線數據傳輸器(13)與收發(fā)信號單元信號連接。`
【文檔編號】C21D9/50GK103447676SQ201310387172
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權日:2013年8月30日
【發(fā)明者】高世一, 陳和興, 李海權, 郭春富, 劉正林, 房衛(wèi)萍, 易耀勇, 鄭世達 申請人:廣州有色金屬研究院