专利名称：全自动单管销钉焊接机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接技术领域的设备，具体地说，涉及的是一种全自动单管 销钉焊接机。
背景技术：
销钉焊接是锅炉、压力容器生产过程中的关键工序。目前，销钉焊接主要采 用电弧螺柱焊机的焊接主机和手动螺柱悍枪，由工人手工完成。这种焊接方法优 点是灵活性高，缺点是焊接质量不稳定，不能用于大批量的焊接生产。
近年来，国内外锅炉、压力容器的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着 锅炉、压力容器工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出 了愈来愈高的要求。如锅炉膜式壁的钢管销钉焊接工艺要求在长度6 8m、直径 ①37mm的圆管上每间隔18mm焊接一排直径①9. 5mm的销钉，每排3-4个销钉， 每个销钉沿钢管径向间隔18。排列，每根钢管上焊接销钉数量多达30(T600个。 相邻两排销钉沿钢管轴向直线度误差小于土O. 15mm, 1米内两排销钉沿钢管轴向 直线度误差小于0.5ram，每排销钉的径向误差小于±0.25°，且要求每个销钉焊 缝与钢管熔合面大于70%，可以承受力矩扳手40 ft-Ib的扭矩。如此高精度、 高密度、高强度的焊接任务，依靠手工焊接是不可能完成的。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号US3579260，名称Machine for welding studs to beams,该专利公开了一种用于工字钢梁上同步焊接多个螺柱 的螺柱焊接机，该焊接机主体结构为一个前后轮与工字型钢啮合的移动小车，移 动小车与工字梁间设置导向装置，通过手柄实现移动小车沿工字梁的纵向运动， 通过手动凸轮对移动小车的移动距离进行微调。多把螺柱焊枪通过支撑机构安装 于移动小车的前面，支撑机构包括螺柱的夹具以及沿工字梁纵向和横向移动机 构，从而实现螺柱焊枪沿工字梁横向和纵向的二维运动，对螺柱焊枪的位置进行 调节。该螺柱焊接机可以同步完成工字梁上多个螺柱的焊接任务，但由于移动小车的纵向进给运动为手动操作，定位精度不高，生产效率低，且只能用于工字钢 梁上的螺柱焊接，不适用于其它类型工件上的螺柱焊接生产任务。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全自动单管销钉焊接机， 可用以完成大规模单根钢管的圆柱销钉焊接生产任务，提高了生产效率，并且定 位精度高。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括主动端床身、从动端床身、 主动进给机构、焊接操作机、从动进给机构、自动上料机构和焊接主机。其中主 动端床身、从动端床身呈直线布置，主动进给机构和从动进给机构分别安装于主 动端床身和从动端床身上，焊接钢管夹持于主动进给机构与从动进给机构之间。 主动进给机构和从动进给机构由交流伺服电机驱动，实现焊接钢管沿焊接机床身 的水平进给和钢管径向的回转进给运动。焊接操作机、自动上料机构布置于主动 端床身与从动端床身的中间，焊接主机安装于自动上料机构下面。焊接操作机、 自动上料机构与焊接主机协同实现自动化的销钉焊接作业。
所述主动端床身和从动端床身构成焊接机床身。
所述主动端床身包括主动端床身钢结构、第一直线导轨和精密齿条。主动端 床身钢结构主要由钢结构焊接而成，具有足够的刚度与稳定性。主动端床身钢结 构下底面通过地脚螺钉固定在地面上，上顶面布置两根沿床身纵向的第一直线导 轨，第一直线导轨带有防尘装置，其行程满足焊接生产要求。两根第一直线导轨 之间布置沿主动端床身纵向的精密齿条。
所述从动端床身包括从动端床身钢结构和第二直线导轨。从动端床身钢结构 与主动端床身钢结构相同，并沿主动端床身纵向直线布置。从动端床身钢结构下 底面通过地脚螺钉固定在地面上，上顶面布置两根沿第一直线导轨纵向的第二直 线导轨。
所述主动进给机构和从动进给机构分别安装于主动端床身的第一直线导轨 和从动端床身的第二直线导轨上。
所述主动进给机构包括主动驱动小车、水平驱动电机、锥齿轮传动机构、主 动回转驱动电机、主动回转齿轮、主动回转支承和第一气动卡盘。主动驱动小车 是主动进给机构的支撑机构。水平驱动电机固定于主动驱动小车尾部，通过锥齿轮传动机构及安装于主动端床身上顶面的精密齿条实现水平进给运动。主动回转 支承固定于主动驱动小车，由主动回转驱动电机通过主动回转齿轮驱动实现回转 运动。第一气动卡盘安装于主动回转支承上，与主动回转支承同步运动，实现所 夹持焊接钢管的主动回转进给运动。
所述从动进给机构包括从动驱动小车、从动回转驱动电机、从动回转支承、 从动回转齿轮和第二气动卡盘。从动驱动小车是从动进给机构的支撑机构。从动 回转驱动电机固定于从动驱动小车尾部，从动回转支承固定于从动驱动小车，由 从动回转驱动电机通过从动回转齿轮驱动实现回转运动。第二气动卡盘安装于从 动回转支承上，与从动回转支承同步运动，实现所夹持焊接钢管的从动回转进给 运动。
所述主动进给机构和从动进给机构的水平驱动电机、主动回转驱动电机和从 动回转驱动电机均采用精密交流伺服电机，且从动回转驱动电机与主动回转驱动 电机同步运动，保证水平及回转进给运动的定位精度满足焊接生产工艺要求。
所述焊接操作机包括焊接操作机机架、两把自动螺柱焊枪、焊枪水平移动机 构、弹簧压縮机构、气动焊接夹具、钢管预定位与导向机构、安全防护装置和人 机交互设备。
所述焊接操作机机架是焊接操作机的支撑体，焊接操作机机架上面设置两把 自动螺柱焊枪，即固定螺柱焊枪和移动螺柱焊枪，以提高生产效率。两把自动螺 柱焊枪均垂直水平面布置，固定螺柱焊枪通过弹簧压縮机构固定于焊接操作机机 架上，移动螺柱焊枪通过弹簧压縮机构固定于焊枪水平移动机构上，通过焊枪水 平移动机构手动调节两自动螺柱焊枪间的水平距离，弹簧压縮机构用于手动调节 自动螺柱焊枪与焊接钢管间的垂直距离，水平与垂直调整距离范围满足焊接生产 工艺要求。
所述钢管预定位与导向机构安装于焊接操作机机架横梁上，位于焊接钢管的 正下方，用于焊接钢管上料时的预定位及钢管进给运动时的导向，焊接操作机的 前面安装安全防护装置。
所述气动焊接夹具安装于焊接操作机机架的两侧，位于焊接钢管的正上方， 其夹持动作由控制系统协调控制，实现焊接过程中按生产节拍的钢管夹紧动作， 保证在焊接过程中焊接钢管压紧在钢管预定位与导向机构上。所述人机交互设备安装于焊接操作机机架的前安装面板，用于焊接机工艺参 数的输入及焊接机工作状态的显示，实现人机交互。
所述自动上料机构包括振动锅小车、振动锅、送料机构、气动电磁阀和上料 管，振动锅、送料机构和气动电磁阀均安装在振动锅小车上，上料管入口端接送 料机构，出口端接自动螺柱焊枪。
所述送料机构包括送料支架、进料管、进料阀门、进料气缸、出料气缸和吹 钉器。送料支架固定于振动锅小车上，进料管、进料阀门、进料气缸、出料气缸 和吹钉器依次固定于送料支架上，其中进料管入口端接振动锅出料口，吹钉器出 口端接上料管。
焊接生产过程中，焊接钢管夹持在第一气动卡盘和第二气动卡盘中间，操作 工人按工艺要求手动设定两自动螺柱焊枪间的水平距离，通过人机交互设备设定 焊接起始位置、水平运动进给步距和回转运动进给步距等工艺参数后，主动进给 机构和从动进给机构在伺服电机驱动下实现焊接钢管沿焊接机床身纵向的水平 进给和沿焊接钢管径向的回转进给运动。焊接过程中，气动焊接夹具和自动上料
机构的动作均为气动控制，可以实现焊接过程中按生产节拍的钢管夹紧动作以及 销钉的自动上料工序，焊接主机的放电亦由控制系统协调控制，焊接机可以实现 全自动化的焊接作业。
本发明采用主动进给机构与从动进给机构的双支撑机构，减小了焊接过程中 钢管自重对于钢管定位精度的影响，从动回转驱动电机与主动回转驱动电机同步 运动，有效地减小了钢管在回转进给运动过程中的扭转变形，提高了回转进给运 动的定位精度。同时，钢管的二自由度进给运动与自动螺柱焊枪的手动调节运动 相结合，提高焊接机的适用性和生产柔性，焊接机可以适用于不同长度、不同管 径钢管上销钉的焊接作业。
本发明结构简单，采用交流伺服电机驱动，可以实现纵向土O. lOmra、径向± 0.2.0°的定位精度，焊接夹具的夹紧及销钉上料工序均为气动控制，操作方便。 焊接机可以在自动或手动的状态下完成销钉焊接任务，生产效率高，可满足大规 模销钉焊接的生产要求。
图1为本发明实施例的结构示意图；图2为本发明的焊接机主动端床身结构图3为本发明的焊接机从动端床身结构图4为本发明的主动进给机构的结构图5为本发明的从动进给机构的结构图6为本发明的焊接操作机的结构主视图7为本发明的焊接操作机的结构右视图8为本发明的自动上料机构和焊接主机的结构图9为本发明自动上料机构的送料机构结构图。
图中主动端床身1、主动进给机构2、焊接操作机3、从动进给机构4、从
动端床身5、自动上料机构6、焊接主机7、焊接钢管8、主动端床身钢结构9、 第一直线导轨IO、精密齿条ll、从动端床身钢结构12、第二直线导轨13、主动 驱动小车14、水平驱动电机15、主动回转驱动电机16、锥齿轮传动机构17、主 动回转齿轮18、主动回转支承19、第一气动卡盘20、从动驱动小车21、第二气 动卡盘22、从动回转支承23、从动回转齿轮24、从动回转驱动电机25、焊接操 作机机架26、移动螺柱焊枪27、焊枪水平移动机构28、固定螺柱焊枪29、人机 交互设备30、弹簧压縮机构31、钢管预定位与导向机构32、气动焊接夹具33、 安全防护装置34、振动锅小车35、振动锅36、送料机构37、上料管38、气动 电磁阀39、送料支架40、进料管41、进料阀门42、进料气缸43、出料气缸44、 吹钉器45。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括主动端床身1、主动进给机构2、焊接操作机 3、从动进给机构4、从动端床身5、自动上料机构6和焊接主机7。其中主动端 床身l、从动端床身5直线布置，构成焊接机床身；主动进给机构2和从动进给 机构4分别安装于主动端床身1和从动端床身5上，焊接钢管8夹持于主动进给 机构2与从动进给机构4之间。主动进给机构2和从动进给机构4由交流伺服电 机驱动，实现焊接钢管8沿焊接机床身纵向的水平进给和焊接钢管8径向的回转进给运动。焊接操作机3、自动上料机构6布置于主动端床身1与从动端床身5 的中间，焊接主机7安装于自动上料机构6下面。焊接操作机3、自动上料机构 5与焊接主机7协同实现自动化的销钉焊接作业。
如图2所示，主动端床身1包括主动端床身钢结构9、第一直线导轨10和 精密齿条ll。主动端床身钢结构9下底面通过地脚螺钉固定在地面上，上顶面 布置两根沿床身纵向的第一直线导轨10，两根第一直线导轨之间布置沿主动端 床身纵向的精密齿条ll。
如图3所示，从动端床身5包括从动端床身钢结构12和第二直线导轨13。 从动端床身钢结构12与主动端床身钢结构9相同，并沿主动端床身9纵向直线 布置。从动端床身钢结构12上顶面布置两根沿第一直线导轨10纵向的第二直线 导轨13。
如图2、 3所示，主动进给机构2和从动进给机构4分别安装于主动端床身 1的第一直线导轨10和从动端床身5的第二直线导轨13上。
如图4所示，主动进给机构2由主动驱动小车14、水平驱动电机15、主动 回转驱动电机16、锥齿轮传动机构17、主动回转齿轮18、主动回转支承19和 第一气动卡盘20组成。主动驱动小车14是主动进给机构2的支撑机构。水平驱 动电机15固定于主动驱动小车14的尾部，通过锥齿轮传动机构17及安装于焊 接床身1上顶面的精密齿条11实现水平进给运动。主动回转支承19固定于主动 驱动小车14，由主动回转驱动电机16通过主动回转齿轮18实现回转运动。第 一气动卡盘20安装于主动回转支承19上，与主动回转支承19同步运动，实现 所夹持焊接钢管8的主动回转进给运动。
如图5所示，从动进给机构4由从动驱动小车21、第二气动卡盘22、从动 回转支承23、从动回转齿轮24和从动回转驱动电机25组成。从动驱动小车21 是从动进给机构4的支撑机构。从动回转支承23固定于从动驱动小车21，由从 动回转驱动电机25通过从动回转齿轮24驱动实现回转运动。第二气动卡盘22 安装于从动回转支承23上，与从动回转支承23同步运动，实现所夹持焊接钢管 8的从动回转进给运动。
如图4、 5所示，主动进给机构2和从动进给机构4的水平驱动电机15、主 动回转驱动电机16和从动回转驱动电机25均采用精密交流伺服电机，保证水平及回转进给运动的定位精度。
如图l、 4、 5所示，采用主动进给机构2与从动进给机构4的双支撑机构， 减小了焊接过程中钢管自重对于焊接钢管8定位精度的影响，提高了焊接钢管8 的纵向定位精度。同时，从动回转驱动电机25与主动回转驱动电机16同步运动， 有效地减小了焊接钢管8回转进给运动过程中的扭转变形，提高了回转进给运动 的定位精度。
如图6、 7所示，焊接操作机3包括焊接操作机机架26、移动螺柱焊枪27、 焊枪水平移动机构28、固定螺柱焊枪29、人机交互设备30、弹簧压縮机构31、 钢管预定位与导向机构32、气动焊接夹具33和安全防护装置34。两把自动螺柱 焊枪均垂直水平面布置，固定螺柱焊枪29通过弹簧压縮机构31固定于焊接操作 机机架26上，移动螺柱焊枪27通过弹簧压縮机构31固定于焊枪水平移动机构 28上，通过焊枪水平移动机构28手动调节两自动螺柱焊枪间的水平距离，弹簧 压縮机构31用于调节手动自动螺柱焊枪与焊接钢管8间的垂直距离，水平与垂 直调整距离范围满足焊接生产工艺要求。
钢管预定位与导向机构32安装于焊接操作机机架26横梁上，位于焊接钢管 8的正下方，用于上料时的预定位及焊接钢管8进给运动时的导向。气动焊接夹 具33安装于焊接操作机机架26的两侧，位于焊接钢管8的正上方，其动作由控 制系统协调控制，实现焊接过程中按生产节拍的钢管夹紧动作，保证焊接过程中 焊接钢管8压紧在钢管预定位与导向机构32上。焊接操作机机架26的前面安装 安全防护装置34。
在焊接操作机机架26的前面安装人机交互设备30，用于焊接机工艺参数的 输入及焊接机工作状态的显示，实现人机交互。
如图8所示，自动上料机构5包括振动锅小车35、振动锅36、送料机构37、 上料管38和气动电磁阀39，振动锅36、送料机构37和气动电磁阔39均安装在 振动锅小车35上，上料管38入口端接送料机构37，出口端接自动螺柱焊枪。 送料机构37完成送钉和吹钉的上料工序，并且每次动作只有一个销钉进入自动 螺柱焊枪。
如图9所示，送料机构37包括送料支架40、进料管41、进料阀门42、进 料气缸43、出料气缸44和吹钉器45。送料支架40固定于振动锅小车35上，进料管41、进料阀门42、进料气缸43、出料气缸44和吹钉器45依次固定于送料 支架40上，其中进料管41入口端接振动锅36出料口，吹钉器45出口端接上料 管38。自动上料操作时，销钉由振动锅35出料口进入进料管41，进料气缸43 动作，销钉进入进料阀门42后，进料气缸43动作，阻止其它销钉再进入进料阀 门42;出料气缸44动作，销钉由进料阀门42进入上料管38;气动电磁阀39动 作，吹钉器45将上料管38中的销钉吹入自动螺柱焊枪，自动螺柱焊枪完成压钉 动作。
本实施例中，采用现有电弧螺柱焊机的焊接主机和自动螺柱焊枪，焊接主机 7为移动螺柱焊枪27、固定螺柱焊枪29提供电源，其焊接电流及放电时间等工 艺参数可按生产工艺要求调节，放电操作可由计算机程序控制。移动螺柱焊枪 27、固定螺柱焊枪29可在计算机程序控制下完成压钉、焊枪下降、焊枪上升等 动作，完成钢管上的圆柱销钉焊接任务。
焊接生产过程中，焊接钢管8夹持在第一气动卡盘20和第二气动卡盘22之 间，操作工人按工艺要求手动设定两自动螺柱焊枪间的距离，通过人机交互设备 29设定焊接起始位置、水平运动进给步距、回转运动进给步距等工艺参数后， 主动进给机构2和从动进给机构4在伺服电机驱动下实现焊接钢管8沿焊接机床 身纵向的水平进给和沿焊接钢管8径向的回转进给运动。在主动进给机构2和从 动进给机构4进给运动的过程中，自动上料机构5完成销钉的自动上料工序；进 给到焊接起始位置后，主动进给机构2和从动进给机构4停止动作，气动焊接夹 具33下降，保证焊接钢管8压紧在钢管预定位与导向机构32上；自动螺柱焊枪 下降，将销钉压紧在焊接钢管8上，焊接主机7放电，自动螺柱焊枪和气动焊接 夹具33上升， 一个销钉焊接作业结束。
一个销钉焊接作业结束后，主动进给机构2和从动进给机构4按设定的步距 进给运动，下一个销钉焊接作业开始；如此周而复始，焊接机自动完成焊接钢管 8上全部销钉的焊接作业。
权利要求
1、一种全自动单管销钉焊接机，其特征在于包括主动端床身、从动端床身、主动进给机构、焊接操作机、从动进给机构、自动上料机构和焊接主机，其中主动端床身、从动端床身直线布置，主动进给机构和从动进给机构分别安装于主动端床身和从动端床身上，焊接钢管夹持于主动进给机构与从动进给机构之间；主动进给机构和从动进给机构由交流伺服电机驱动，实现焊接钢管沿焊接机床身的水平进给和钢管径向的回转进给运动；焊接操作机、自动上料机构布置于主动端床身与从动端床身中间，与焊接主机协同实现全自动化的焊接作业。
2、 如权利要求1所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述主动端床 身包括主动端床身钢结构、第一直线导轨和精密齿条，主动端床身钢结构上顶面 布置两根沿床身纵向的第一直线导轨，第一直线导轨设有防尘装置；两根第一直 线导轨之间布置沿主动端床身纵向的精密齿条。
3、 如权利要求l所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述的从动端 床身包括从动端床身钢结构和第二直线导轨，从动端床身钢结构沿主动端床身纵 向直线布置，从动端床身钢结构上顶面布置两根沿第一直线导轨纵向的第二直线 导轨。
4、 如权利要求1所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述主动进给 机构和从动进给机构分别安装于主动端床身的第一直线导轨和从动端床身的第 二直线导轨上。
5、 如权利要求1所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述主动进给 机构包括主动驱动小车、水平驱动电机、锥齿轮传动机构、主动回转驱动电机、 主动回转齿轮、主动回转支承和第一气动卡盘，其中主动驱动小车是主动进给 机构的支撑机构，水平驱动电机固定于主动驱动小车尾部，通过锥齿轮传动机构 及安装于主动端床身上顶面的精密齿条实现水平进给运动；主动回转支承固定于 主动驱动小车，由主动回转驱动电机通过主动回转齿轮驱动实现回转运动；第一 气动卡盘安装于主动回转支承上，与主动回转支承同步运动，实现所夹持焊接钢 管的主动回转进给运动。
6、 如权利要求1所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述从动进给机构包括从动驱动小车、从动回转驱动电机、从动回转支承、从动回转齿轮、从 动回转支承和第二气动卡盘，从动驱动小车是从动进给机构的支撑机构，从动回 转支承固定于从动驱动小车，由从动回转驱动电机通过从动回转齿轮驱动实现回 转运动；第二气动卡盘安装于从动回转支承上，与从动回转支承同步运动，实现 所夹持焊接钢管的从动回转进给运动。
7、 如权利要求l所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述从动进给 机构的从动回转驱动电机与主动进给机构的主动回转驱动电机同步运动，实现焊 接钢管的径向回转进给运动。
8、 如权利要求1所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述焊接操作 机包括焊接操作机机架、两把自动螺柱焊枪、焊枪水平移动机构、弹簧压縮机构、 气动焊接夹具、钢管预定位与导向机构、安全防护装置和人机交互设备，其中 焊接操作机上面设置两把自动螺柱焊枪即固定螺柱焊枪和移动螺柱焊枪，两把自 动螺柱悍枪均垂直水平面布置，固定螺柱焊枪通过弹簧压縮机构固定于焊接操作 机机架上，移动螺柱焊枪通过弹簧压縮机构固定于焊枪水平移动机构上；钢管预 定位与导向机构安装于焊接操作机机架横梁上，位于焊接钢管的正下方；气动焊 接夹具安装于焊接操作机机架的两侧，位于焊接钢管的正上方；人机交互设备安 装于悍接操作机机架的前安装面板，用于焊接机工艺参数的输入及焊接机工作状 态的显示，实现人机交互。
9、如权利要求l所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述自动上料 机构包括振动锅小车、振动锅、送料机构、气动电磁阔和上料管，其中振动锅、 送料机构和气动电磁阀均安装在振动锅小车上；上料管入口端接送料机构，出口端接自动螺柱焊枪。
10、如权利要求9所述的全自动单管销钉焊接机，其特征是，所述送料机构 包括送料支架、进料管、进料阀门、进料气缸、出料气缸和吹钉器，其中送料支 架固定于振动锅小车上；进料管、进料阀门、进料气缸、出料气缸和吹钉器依次 固定于送料支架上，其中进料管入口端接振动锅出料口，吹钉器出口端接上料管。
全文摘要
本发明涉及一种焊接技术领域的全自动单管销钉焊接机，包括主动端床身、从动端床身、主动进给机构、焊接操作机、从动进给机构、自动上料机构和焊接主机。主动进给机构和从动进给机构实现焊接钢管沿焊接机床身纵向的水平进给和钢管径向回转进给运动，焊接操作机上设置气动焊接夹具和两把自动螺柱焊枪，气动焊接夹具实现焊接过程中钢管按生产节拍的夹持与定位，两把自动螺柱焊枪间的水平距离、自动螺柱焊枪与焊接钢管间的垂直距离可调节。自动上料机构完成销钉自动上料工序。本发明结构简单，采用伺服电机实现二自由度进给运动，定位精度高，焊接夹具的夹紧动作及上料工序均为气动控制，操作方便。焊接机可在自动或手动状态下完成销钉焊接作业。
文档编号B23K9/12GK101422844SQ200810203010
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者刘品宽, 刚 张, 董泽光 申请人:上海交通大学