变极性等离子立式环缝焊接系统的制作方法

本发明涉及一种环缝焊接系统，特别是一种变极性等离子立式环缝焊接系统。

背景技术：

现有常规TIG、MIG/MAG焊接，要求焊枪枪头与工件竖直方向垂直，需要焊 接的工件在焊接前需要进行酸洗工序，因此，对焊前拼装间隙要求高，从而造成焊接成本的增加。并且：常规的TIG、MIG/MAG焊接接头容易出现气孔、未熔合、裂纹等焊接缺陷，焊缝一次合格率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够立式进行环缝焊接的焊接系统，该焊系统生产效率高，焊接成本低。

本发明采用如下技术方案：

一种变极性等离子立式环缝焊接系统，包括整体底座，精密操作机，精密头座变位机，X型支撑组件和移动尾座，焊接机头，精密操作机包括立柱组件、横臂组件和平移台车，精密头座变位机和移动尾座置于同一直线支承轨道上，精密头座变位机与移动尾座的对应面上装有X型支撑组件，精密操作机置于与支承轨道相平行的底座直线导轨上；焊接机头装在精密操作机横臂组件的一端。

采用上述技术方案的本发明与现有技术相比，具有如下优点：应用范围广，焊接适应能力强，焊接成本低，焊接品质高，焊接效率高，变形小。

本发采用的优选方案是：

移动尾座中的上支架上装有摇动机构，摇动机构中的摇把的一端与丝杠轴连接，丝杠轴与丝杠母连接，丝杠母置于第一压盖上，第一压盖装在隔套上，隔套通过轴承与转动轴连接，转动轴的一端装有三爪卡盘；移动尾座中的底板上装有锁紧机构和间歇传动机构。

X型支撑组件中的底座内装有平行设置的两条导轨，每条导轨上装有与之相匹配的滑座，两个滑座呈对称状设置，两个滑座的顶端支撑有支承平台，支承平台上通过丝杠母连接有托架丝杠轴：托架丝杠轴上呈对称状设置有左旋丝杠部分和右旋丝杠部分，左旋丝杠部分与左旋丝杠母连接， 左旋丝杠母置于左旋丝杠母座上，左旋丝杠母座与支承平台连接；右旋丝杠部分与右旋丝杠母连接， 右旋丝杠母置于右旋丝杠母座上，右旋丝杠母座与另一支承平台连接；支承平台上装有托架铰接架，托架铰接架上铰接有托架支承臂底端；该托架支承臂的另一端装有托架支承轮。

精密头座变位机中的头架机箱上装有过渡轴，过渡轴上装有小齿轮，小齿轮与回转支承相啮合，回转支承的外端面装有连接盘，连接盘上装有四爪卡盘。

移动尾座中的移动底座底板上装有移动滑座和移动齿轮，移动滑座与移动底座底板下方的移动导轨连接，移动齿轮与移动减速机中的输出轴连接，移动齿轮与置于移动底座底板上的齿条相啮合；移动底座底板装在整体底座上。

精密操作机中的底座上装有回转盘，回转盘的上方连接立柱组件，立柱组件上装有横臂组件。

立柱组件中的立柱伺服电机通过精密减速机与立柱丝杠轴连接，立柱丝杠轴上装有立柱丝杠母，立柱丝杠母与立柱滑板连接，立柱滑板上装有立柱滑座，立柱滑座与立柱导轨连接，立柱滑板与横向滑板连接，横向滑板的中部设置有供横臂一个侧板穿过的凹型槽，横向滑板上装有横向滑座，横向滑座与横向导轨连接，横向滑板与横向丝杠母连接，横向丝杠母与横向丝杠轴连接，横向丝杠轴通过横向精密减速机与横向伺服电机连接，横向丝杠轴通过轴承座装在横臂的另一侧板上。

回转盘通过环形均布的螺栓与底座上的螺纹孔连接，底座均布设置有限位挡板结构，限位挡板结构上装有限位螺栓，限位螺柱的一端置于回转盘上的凹槽结构内；底座置于底部支承板上，底部支承板下方装有底部滑座，底部滑座置于底部导轨上，底部导轨置于支座上，平移支座上固接有平移齿条，平移齿条位于底部导轨的一侧，该平移齿条形与平移齿轮相啮合，平移齿轮装在底部支承板上，平移齿轮与平移电机动连接。

横臂的一端通过机头左右旋转机构装有机头上下旋转机构，机头上下旋机构与焊接机头连接；机头左右旋转机构中的上固定支架和下固定支架平行设置，上固定支架的一端和下固定支架的一端通过第二纵板连接，第二纵板装在横臂的一端；上转动支架和下转动支架两者平行设置，上动转动支架和下转动支架通过第一纵板连接，第一纵板与机头上下旋转机构连接；上转动支架置于上固定支架的下方，下转动支架置于下固定支架的下方；上固定支架与下固定支架子的中部通过连接销轴连接，在上转动支架与下转动支架的之间的连接销轴上套装有转动套；上固定支架上设置有固定通孔，上转动支架上设置有与固定孔相对应的多个通孔，多个通孔均布设置在上转动支架上，每个通孔的回转中心距离连接销轴的轴线距离相等。

锁紧机构中的拉杆支座置于底板上，拉杆支座上通过中间铰轴装有拉杆，拉杆的轴线与中间铰轴的轴线呈垂直交叉结构，拉杆的一端连接手柄，拉杆的另一端与竖直设置的摆杆的一端连接，摆杆的中部铰接轴套铰接在框架体上，固定框架体装在底板上，摆杆的另一端装有齿形凸块并延伸至底板下方。

移动尾座中的间歇传动机构中的移动齿轮置于锁紧机构中的齿形凸块的一侧，移动齿轮与间歇传动电机动的主轴连接，间歇传动电机通过安装板与第二连接板连接，第二连接板上装有第二连接轴，第二连接轴装有安装套上，安装套与连接杆通过螺纹结构连接；连接杆的另一端装有连接偏心轴上的偏心结构部分，该连接偏心轴呈阶梯状结构设置，其中偏心结构部分两侧的部分分别置于第三安装座和第二安装座上，与手柄连接的轴部位置于第一安装座上，第一安装座、第二安装座和第三安装座分别装在底板上，底板上的第四安装座上装有第一连接轴，第一连接轴通过第一连接板与安装板连接；第一连接板设置为两块，两块相同结构的连接板229通过连接轴连接。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的侧视图。

图4是图1中的A-A断面图（移动尾座中的一部分）。

图5是移动尾座的结构示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是图5的侧视图。

图8是精密头座的结构示意图。

图9是图8的侧视图。

图10是精密操作机的主视图。

图11是图10中的B-B剖视图。

图12是图10的侧视图。

图13是图10中的A-A剖视图。

图14是图10的立体状态图。

图15是X型组件中的主视图。

图16是图15中的A-A剖视图。

图17是图15的俯视图。

图18是图15中的B-B剖视图。

图19是图1中的B-B剖视图。

图20是图19中的D部放大图。

图21是图17中的C-C剖视图。

图22是移动尾座中的锁紧机构的主视图。

图23是图22的侧视图。

图24是图22的俯视图。

图25是图22中的A-A剖视图。

图26是间歇传动机构的主视图。

图27是图26的俯视图。

图28是图26的侧视图。

图29是图28中的A-A剖视图。

图30是图28中的B-B剖视图。

图31是图26是的C-C剖视图。

图32是图19中的A部放大图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例详述本发明：

一种变极性等离子立式环缝焊接系统，参见附图1至附图32。

图1至图4中：操作盒1、移动尾座2、精密操作机3、焊接机头4、精密头座变位机5、X型支撑组件6、电控箱7、焊接电源8、整体底座9、工件10、直线支承轨道11、底座直线导轨12、移动尾座底板201、移动滑座202、移动导轨203、移动尾座锁紧机构204。

图5至图7中、图22、23、24、25中（移动尾座中的零部件），下支架205，上支架206，摇把207、丝杠轴208、丝杠母209、第一压盖210、隔套211、角接触球轴承212、转动轴213、三爪卡盘214、压缩弹簧215、第二压盖216；挡盖2161，筒状套2162，底板217，铰接轴218，固定框架体219，齿形凸块220，摆杆221，拉杆222，拉杆支座223，移动齿轮224，手柄225，中间铰轴226，齿条227。

图8至图9中（精密头座中的零部件），头架机箱501、伺服电机502、精密减速机503、导电机构504、护罩505、四爪卡盘506、回转支承507、连接盘508、过渡轴509、小齿轮510。

图10至图14中（精密操作机中的零部件），底座301、横臂302、立柱组件303、横向拖链304、纵向拖链305、回转盘306、操作盒连接臂307、立柱伺服电机308、横臂伺服电机309、横向精密减速机310、横向丝杠轴311、横向丝杠母312、横向滑座313、横向导轨314、横向滑板315、立柱导轨316、立柱滑座317、立柱滑板318、立柱滑板318、立柱丝杠轴319、精密立柱减速机320、立柱丝杠母321、螺栓322、限位螺栓324。

图15至图18中以及图21中，（X型组件中的零部件），底座601、第一右托架支承臂602、第一左托架支承臂603、第一左托架支承轮604、第二左托架支承轮6041、第一右托架支承轮605、第二右托架支承轮6051、中间铰接轴606、转动手柄607、左旋丝杠母608、导轨609、托架丝杠轴610、滑座611、支承平台612、托架铰接架613；右旋丝杠母614，右旋丝杠母座615，左旋丝杠母座616。

图19是精密操作机底部平移台车的结构示意图；底部支承板325，底部滑座326，底部导轨327，平移电机328，平移齿轮329，平移齿条330，支座331。

图20是焊接机头组件，机头左右旋转机构中：上固定支架1101，下固定支架1102，下转动支架1103，转动套1104，连接销轴1105，手动锁柄1106，上转动支架1107，第一纵板1108，第二纵板1109，锁轴1110；机头上下旋转机构111。

图26至图31中，安装板228，手柄229，连接偏心轴230，第一安装座231，第二安装座232，第三安装座233，连接杆234，第四安装座235，第一连接轴236，间歇传动电机237，安装套238，第一连接板239，第二连接板240，第二连接轴241。

本实施例中，整体底座9上装有精密操作机3、精密头座变位机5、X型支撑组件6和移动尾座2以及电控箱7和焊接电源8等零部件。

精密操作机3由立柱组件303、横臂组件和平移台车等零部件组成，精密头座变位机5和移动尾座2置于同一直线支承轨道11上，精密头座变位机与移动式尾箱的对应面上装有X型支撑组件，精密操作机置于与直线支承轨道11相平行的底座直线导轨12上；焊接机头4装在精密操作机3的横臂组件的一端；焊接机头4采用脉冲送丝机送丝。

移动尾座2中的上支架206上装有摇动机构，摇动机构中的摇把207的一端与丝杠轴208连接，丝杠轴208与丝杠母209连接，丝杠母209置于第一压盖210上，第一压盖210装在隔套211上，隔套211通过角接触球轴承212与转动轴213连接，转动轴213的一端（伸出筒状套2162的一端）装有三爪卡盘214；移动尾座2中的底板217上装有锁紧机构和间歇传动机构。丝杠轴208上套装有第二压盖216，位于第二盖216一侧、挡盖2161另一侧的丝杠轴208上套装有压缩弹簧215，挡盖2161与筒状套2162连接，筒状套2162套装于转动轴213外部。

移动尾座2中的丝杠轴208和丝杠母209构成轴向顶紧装置，具有自锁性好，定位准确，可确保设备回转精度。通过该轴向顶紧装置可减小顶紧筒体工件10时的冲击。

移动尾座2中的移动底座底板201上装有移动滑座202和移动齿轮203，移动滑座202与移动底座底板下方的移动导轨203（采用直线导轨）连接，移动齿轮203与移动减速机中的输出轴连接，移动减速机与驱动电机连接；移动齿轮203与置于移动底座底板201上的齿条227相啮合；移动底座底板210装在整体底座9上；移动底座底板210上设置有适合移动齿轮203或移动减速机穿过的通孔。

X型支撑组件6中的底座601内装有平行设置的两条导轨609，每条导轨609上装有与之相匹配的滑座611，两个滑座611呈对称状设置，两个滑座611的顶端支撑一个支承平台612。

支承平台612上通过丝杠母连接有托架丝杠轴610：托架丝杠轴上呈对称状设置有左旋丝杠部分和右旋丝杠部分，左旋丝杠部分与左旋丝杠母608连接， 左旋丝杠母608置于左旋丝杠母座616上，左旋丝杠母座616与支承平台612连接；右旋丝杠部分与右旋丝杠母614连接， 右旋丝杠母614置于右旋丝杠母座615上，右旋丝杠母座616与另一支承平台612连接；支承平台612上装有托架铰接架613，托架铰接架613上铰接有托架支承臂底端；托架支承臂的另一端装有托架支承轮，托架丝杠轴610与减速机连接。托架支承臂设置为两组，每组托架支承臂分别由两根托架支承臂组成，两根托架支承臂由中间铰接轴606锐接接在一起构成呈X形状；因此，托架支承轮设置为四个：第一左托架支承轮604、第二左托架支承轮6041、第一右托架支承轮605和第二右托架支承轮6051。

精密头座变位机5中的头架机箱501上装有伺服电机502，伺服电机502通过精密减速机503与高刚性精密减速机连接，高刚性精密减速机上装有过渡轴509，过渡轴509上装有小齿轮510，小齿轮510与回转支承507相啮合，回转支承507的外端面装有连接盘508，连接盘508上装有四爪卡盘506。

精密操作机3中的底座301上装有回转盘301，回转盘301的上方连接立柱组件303，立柱组件303上装有横臂组件；立柱组件303与横臂组件之间的连接关系实现操作机横臂上下和/或左或移动，操作机导轨采用直线导轨结构，传输稳定，精度高。

立柱组件303中的立柱伺服电机308通过精密立柱减速机320与立柱丝杠轴319连接，立柱丝杠轴319上装有立柱丝杠母321，立柱丝杠母321与立柱滑板318连接，立柱滑板318上装有立柱滑座317，立柱滑座318与立柱导轨（直线导轨结构）316连接，立柱滑板318与横向滑板315连接，横向滑板315的中部设置有供横臂一个侧板穿过的凹型槽，用于横臂左右横向移动时用，立柱滑板318上也设置有一个供立式导柱穿过的凹型槽结构，横向滑板315上装有横向滑座313，横向滑座313与横向导轨314（直线导轨结构）连接，横向滑板315与横向丝杠母312连接，横向丝杠母312与横向丝杠轴311连接，横向丝杠轴311通过横向精密减速机310与横向伺服电机309连接，横向丝杠轴311通过轴承座装在横臂302的另一侧板上，横臂302通过操作盒连接臂307与操作盒1连接。

回转盘306通过环形均布的螺栓322与底座301上的螺纹孔连接，底座301均布设置有L型限位挡板结构323，限位挡板结构323上装有限位螺栓324，限位螺柱324的一端置于回转盘306上的凹槽结构内并起到锁紧作用，防止在立柱组件受力过大时产生转动现象而影响加工精度；底座301置于底部支承板325上，底部支承板325下方装有底部滑座326，底部滑座326置于底部导轨327上，底部导轨327置于支座331上，平移支座331上固接有平移齿条330，平移齿条330位于底部导轨327的一侧，该平移齿条形327与平移齿轮329相啮合，平移齿轮329装在底部支承板325上，平移齿轮329与平移电机动328连接。

横臂302的一端通过机头左右旋转机构装有机头上下旋转机构，机头上下旋转机构111（可以采用外购件）与焊接机头4连接；焊接机头4可以上下、左右旋转分别超过90度，以适应不同锥度筒体的焊接。

机头左右旋转机构中的上固定支架1101和下固定支架1102平行设置，上固定支架1101的一端和下固定支架1102的一端通过第二纵板1109连接，第二纵板1109装在横臂320的一端；上转动支架1107和下转动支架1103两者平行设置，上动转动支架1107和下转动支架1103通过第一纵板1108连接，第一纵板1108与机头上下旋转机构111连接；上转动支架1107置于上固定支架1101的下方，下转动支架1103置于下固定支架1102的下方；上固定支架1101与下固定支架子1102的中部通过连接销轴1105连接，在上转动支架1107与下转动支架1103的之间的连接销轴1105上套装有转动套1104；上固定支架1101上设置有固定通孔，上转动支架1107上设置有与固定孔相对应的多个通孔，多个通孔均布设置在上转动支架1107上，每个通孔的回转中心距离连接销轴1105的轴线距离相等。

移动尾座2中的移动尾座锁紧机构204中的拉杆支座223置于底板217上，拉杆支座223上通过中间铰轴226装有拉杆222，拉杆222的轴线与中间铰轴226的轴线呈垂直交叉结构，拉杆222的一端连接手柄225，拉杆的另一端与竖直设置的摆杆221的一端连接，摆杆221的中部铰接轴套218铰接在框架体219上，固定框架体219装在底板217上，摆杆221的另一端装有齿形凸块220并延伸至底板217下方；底板217上设置有摆杆221通过以及供摆杆221摆动的孔；锁紧机构与平移台车移动动作互锁。

移动尾座2中的间歇传动机构中的移动齿轮224置于锁紧机构中的齿形凸块220的一侧，移动齿轮224与间歇传动电机动237的主轴连接，间歇传动电机237通过安装板228与第二连接板240连接，第二连接板240上装有第二连接轴241，第二连接轴241装有安装套238上，安装套238与连接杆234通过螺纹结构连接。

连接杆234的另一端装有连接偏心轴230上的偏心结构部分，该连接偏心轴230呈阶梯状结构设置，其中偏心结构部分两侧的部分分别置于第三安装座233和第二安装座232上，与手柄229连接的轴部位置于第一安装座231上，第一安装座233、第二安装座232和第三安装座233分别装在底板217上，底板217上的第四安装座235上装有第一连接轴236，第一连接轴236通过第一连接板239与安装板228连接，第一连接板239设置为两块，两块相同结构的连接板229通过连接轴236连接；这样，当通过手柄229的转动，带动连接偏心轴230动作时，连接杆234作往复直线运动，大约6至10毫米的直线距离，安装板228带动间歇传动电机237以及移动齿轮224作绕着第一连接轴236的回转动作，从而使移动齿轮224离开齿条227，产生间歇性传动。

底板217上设置有供间歇传动电机237绕第一连接轴236动作的通孔，该通孔的大小以对间歇传动电机动237的相对旋转动作不产生干涉为宜。

本实施例，尤其适用于铝及其合金筒体式立环缝焊自动化焊接，适用工件范围广，焊接质量好，生产效率高，成体低。

具体焊接时，将筒体式工件10的一端首先放置在精密头座变位机5中的四爪卡盘506上，调节四爪卡盘506的直径大小，以适应工件10的内壁直径大小；再通过调节X型支撑组件6中托架支承轮的高低位置将工件10托住，同时使移动尾座2向前行进至工件10的另一端，通过调节三爪卡盘214直径大小以适应筒体工件10的内壁大小后，通过锁紧机构将移动尾座锁紧在一个固定位置。精密操作机3在底座直线导轨12上确定好合适位置后，通过立柱组件303调节焊接机头4的上下位置，通过横臂302所在的位置调节左右位置，以及通过机头左右旋转机构和机头上下旋转机构调节焊接机头4至最合适焊接的位置，即可进行焊接。

立柱组件303可手动回转，行程范围±180°，可手动锁进。

图19中的平移台车由平移电机328（采用伺服电机 ）通过精密减速机带动平移齿轮329与平移齿条形330进行啮合传动，可进行长距离平稳移动，运动平稳可靠，定位精度高。主要技术参数：端部载荷：≤150kg；横臂升降速度：0～1250mm/min；横臂升降有效行程：1700mm

横臂伸缩速度：0～625mm/min；横臂伸缩有效行程：1000mm。

精密头座变位机5旋转通过采用交流伺服电机502驱动，采用编码器闭环反馈控制，保证速度控制精度。精密头座变位机5采用精密回转支撑作为回转支撑单元，交流伺服电机加超精密行星减速机驱动，其中超精密行星减速机回转齿隙小于1弧分，确保回转及定位精度。头架机箱501采用钢板、型材焊接而成，具有足够的强度和刚性。主要技术参数：最大承载扭矩：15000Nm；工作台回转速度：0.01～0.45rpm；适合工件范围：Φ300～Φ1500mm。

直线支承轨道11上设置两套X形支撑组件6，X形支撑组件6的支撑直径范围为Φ300～Φ1500mm。托架支承臂采用X形结构，通过人工摇动转动手柄607经蜗杆减速器带动左、右旋丝杠螺母移动，使托架支承轮升降；底座601下部安装有滚轮，可沿直线支承轨道11手动轴向移动并定位锁紧。

立式环缝焊接：常规的TIG、MIG/MAG焊接，要求焊枪枪头与工件竖直方向垂直，而变极性等离子焊接则不然，可对工件实施立式焊接，其焊缝成型也没明显影响。

本实施例中的等离子立式环缝焊接系统（VPPAW)与常规铝合金焊接对比：

(1)应用范围广：变极性等离子能焊接几乎所有金属如铝、铜、钛、锂、锆等有色金属及合金、黑色金属、不锈钢等，是常规的铝合金焊接方法如TIG、MIG/MAG无法比拟的。

（2）焊接适应能力强：变极性等离子焊接对铝合金表面氧化膜敏感度低，剪切后的焊接区域经过钢丝刷打磨、丙酮清洗后可直接焊接，不需要酸洗等工序，对焊前拼装间隙要求不高，只要小于母材厚度的10%，一般对焊缝质量没有明显影响，所以焊接适应能力强。

(3）焊接成本低：由于变极性等离子强大的焊接穿透能力，20mm以内的工件无需开坡口，可一次焊接成型；焊前清理及拼装间隙要求不高，可大大减少焊前清理及拼装成本。

(4)焊接品质高：变极性等离子可做到焊接接头无缺陷焊接，而常规的TIG、MIG/MAG焊接接头易出现气孔、未熔合、裂纹等焊接缺陷，焊缝一次合格率低，变极性等离子的焊接接头力学性能下降最小，而常规的TIG、MIG/MAG焊接接头力学性能下降较大。

(5)焊接效率高、变形小：对于厚度小于20mm的无需像TIG、MIG/MAG焊前加工坡口，节省焊前准备时间，由于焊接接头可以做到无缺陷焊接，焊后几乎不需要焊缝返修，大大提高了生产效率；由于等离子焊接是高能束流焊接，能力密度高，焊接热影响区域窄，变形小。

背景摘要：

随着科学技术的发展，低密度、高强度金属材料得到越来越多的应用，铝及其合金以其质量轻、强度高以及耐腐、耐低温性能，正广泛应用于航空、航天、汽车和民用等工业产品中，变极性等离子弧焊（VPPAW) 即不对称方波交流等离子弧焊，是一种针对铝及其合金开发的新型高效焊接工艺方法，它综合了变极性焊和等离子焊的优点，一方面，它的特征参数电流频率、电流幅值及正负半波导通时间比例可根据工艺要求灵活、独立调节，合理分配电弧热量，在满足工件熔化和自动去除工件表面氧化膜需要的同时，最大限度地降低钨电极的烧损；另一方面，有效利用等离子束流所具有的高能量密度、高射流速度、强电弧力的特性，在焊接过程中形成穿孔熔池，实现铝合金中厚板单面一次焊双面自由成形。由于焊接变形小，生产率高，与其它高能束流焊接工艺（电子束焊和激光焊）相比，设备简单，成本低且气孔、夹渣等缺陷少，在国外被称为“零缺陷”焊接方法，已成功应用于航天飞机外储箱等产品的焊接生产上，同时被看作在21世纪有着广泛应用前景的焊接方法。