钢轨电弧焊接设备

本发明涉及焊接技术领域，具体地说，涉及一种钢轨电弧焊接设备。

背景技术：

列车运行线路的无缝化是铁路高速、重载发展的基础，是保证列车高速、安全平稳运行的关键。受钢轨制造、运输的限制，无缝线路的铺设、维护必须要采用焊接技术。现有的钢轨焊接技术主要分为闪光焊、气压焊、铝热焊和手工强迫成型电弧焊。闪光焊和气压焊焊接过程中需要钢轨移动，属于移动焊；铝热焊和电弧焊焊接过程中，钢轨无需移动，属于原位焊。移动焊主要用于厂焊和线上单元轨节焊接，闪光焊是目前钢轨焊接采用最广泛的焊接技术。在线上锁定和日常维护过程中，钢轨无法移动，需要采用原位焊接技术。铝热焊接是我国目前唯一采用的钢轨原位焊接技术，但铝热焊内部为铸造组织，焊接接头性能差，是目前无缝线路中最薄弱的环节，已经无法满足现代铁路日益发展的需求；钢轨本身属于高碳钢，可焊性差，现有的钢轨电弧焊技术主要为手工方式，接头性能高，但接头质量受人为因素影响大，日本的手工强迫成型电弧焊在钢轨不同的部位采用不同的焊丝，主要在日本得到广泛应用。因此发展电弧焊接机器人对提高钢轨电弧焊接技术有非常重要的意义。

钢轨自动电弧焊接技术能够解决电弧焊接头质量受人为因素影响大的不足，但钢轨自动电弧焊技术对焊接工艺、自动电弧焊机器人设备等要求非常高。在钢轨电弧焊接机器人中，焊接过程中无法更换焊丝，焊接技术非常复杂，焊接过程稳定性和可重复性差，对焊接设备要求精度很高。目前世界范围内尚无成熟应用于钢轨自动电弧焊接技术的设备，而且多采用类似于关节机器人的形式，关节机器人由于采用铰链连接，基于球坐标型结构，采用转动副转动连接，机构本身的运动惯性等影响末端执行器的运动精度，造成焊枪无法满足焊接工艺需求；末端执行器(焊枪)采用悬臂结构，由于末端执行器机构本身的重力及产生的重力力矩，对焊枪的实际位置产生较大影响，无法满足焊接工艺要求的精度，需要较多的人工干预，对焊接的稳定性和可重复性产生不利影响，降低了接头焊接质量。

技术实现要素：

针对上述情况，本发明提出一种对称式结构设计的多重移动机构，既使末端执行器处于整个焊接设备的中心位置，降低了焊枪机构由于重力产生的力和力矩对各运动轴及相关传动部件的影响，减少了传动误差，提高了运动精度。

一种钢轨电弧焊接设备，包括：

第一移动机构；

第二移动机构，第一移动机构、第二移动机构的移动方向为水平相互垂直的，

第三移动机构，其移动方向为竖向的，

其中，所述第二移动机构的驱动部设置在第一移动机构的移动部上，第三移动机构的驱动部设置在第二移动机构的移动部上，

旋转运动腕，其上端连接在第三移动机构的移动部上；

焊枪，连接在所述旋转运动腕的下端，使得焊枪位于各移动机构的移动部的中间位置。

可选地，第一移动机构的驱动部包括设置在机座上的第一电机、第一丝杠、两个第一滑轨，第一移动机构的移动部包括滑动安装在所述第一滑轨上的第一滑块，其中，两个第一滑轨水平的平行间隔设置，第一电机驱动第一丝杠转动，该第一滑块与第一丝杠通过螺纹连接，由此使得该第一滑块沿该第一滑轨做直线移动。

可选地，第二移动机构的驱动部包括安装在第一滑块上端的第二电机、第二丝杠、两个第二滑轨，第二移动机构的移动部包括滑动安装在所述第二滑轨上的第二滑块，其中，两个第二滑轨水平的平行间隔设置，第二电机驱动第二丝杠转动，该第二滑块与第二丝杠通过螺纹连接，且使得该第二滑块沿该第二滑轨在所述两个第一滑轨之间做直线移动。

可选地，第三移动机构的驱动部包括安装在第二滑块上的轴线竖向的第三电机、第三丝杠、两个第三滑轨，第三移动机构的移动部包括滑动安装在所述第三滑轨上的第三滑块，其中，两个第三滑轨竖向的平行间隔设置，第三电机驱动第三丝杠转动，该第三滑块与第三丝杠通过螺纹连接，由此使得该第三滑块沿该第三滑轨做竖向直线移动。

可选地，旋转运动腕包括轴线竖向的第四电机、齿轮传动件、焊枪连接部件，第四电机、齿轮传动件安装在第三移动机构的滑块上，跟随第三移动机构的滑块移动，第四电机的输出轴通过齿轮传动件与焊枪连接部件连接，焊枪连接部件与焊枪同轴连接。

可选地，还包括至少两套焊接设备与钢轨连接固定的夹紧固定机构，所述夹紧固定机构包括直线驱动机构、移动夹头、固定夹头，所述固定夹头固定连接在机座下端，移动夹头采用直线驱动机构带动，由直线驱动机构带动向靠近或远离固定夹头方向移动，由固定夹头、移动夹头之间构成夹持钢轨的空间，夹头与钢轨的切合面根据钢轨形状采用仿形设计。

可选地，还包括焊接模具，焊接模具包括用于对称设置在两根钢轨的端部间隙两侧的一对轨颚铜档、一对轨腰铜档、一对轨头铜档，轨腰、轨颚铜档与钢轨切合表面根据钢轨形状采用仿形设计。

可选地，所述一对轨颚铜档、一对轨腰铜档、一对轨头铜档通过连接部件连接对称设置在两根钢轨的端部间隙两侧。

可选地，所述铜档采用铬锆铜制成。

可选地，所述第一滑轨的长度方向垂直于钢轨的长度方向。

本发明具有以下有益效果：

(1)焊接设备具有三个移动自由度和一个转动自由度，具有关节型焊接机器人灵活方便的特点，同时具有直角坐标系机器人运行精度高、带载能力强等特点。

(2)焊接过程中末端执行器基本处于整个焊接设备的中心位置，提高了系统的磨损、抗振动、热变形等性能，提高系统的刚度和运行精度，从而为钢轨焊接过程中的侧壁熔合工艺要求提供了设备保证。

(3)移动机构采用齿轮、丝杠或联轴器直线副传动，同时具有两个对称式的运行导轨，运动精度高。

(4)移动机构固定在连接板上，连接板之间采用螺栓连接，提高了系统的整体刚度。

(5)运动腕与焊枪采用直线连接降低了传动精度，与动力源(第四电机)之间通过齿轮传动实现方向调整，运行精度高。

(6)采用钢轨横截面外形仿形设计的夹头来夹持钢轨，实现了与钢轨的完美切合，增加了焊接过程中设备的稳定性，降低了钢轨热变形等对焊接精度的影响。

(7)焊接模具采用铬锆铜制成，并按照钢轨横截面外形仿形设计，提高了接头的成形外观。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的钢轨电弧焊接设备的正视图；

图2是表示本发明实施例的钢轨电弧焊接设备的一个侧视图；

图3是表示本发明实施例的钢轨电弧焊接设备的另一个侧视图；

图4是表示本发明实施例的钢轨电弧焊接设备的俯视图；

图5是表示本发明实施例的焊枪与滑轨位置的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明针对钢轨原位电弧焊接过程中焊枪运动的实际工艺需求，设计了一款自动电弧焊接设备，由前后、左右、上下方向的直线运动构成焊枪的移动机构，实现焊枪的位置控制；焊枪的水平旋转运动实现焊枪的焊嘴的朝向控制。

本发明的钢轨电弧焊接设备包括机座、第一移动机构、第二移动机构、第三移动机构、旋转运动腕、焊枪以及他们之间的连接机构。第一移动机构、第二移动机构的移动方向为水平相互垂直的，第三移动机构的移动方向为竖向的。

如图1至3所示，第一移动机构的驱动部包括设置在机座的底板15上端的第一电机7、第一丝杠9、两个第一滑轨8，第一移动机构的移动部包括滑动安装在所述第一滑轨8上的第一滑块81。其中，两个第一滑轨8水平的平行间隔设置第一电机7驱动第一丝杠9转动，该第一滑块81与第一丝杠9通过螺纹连接，由此使得该第一滑块81沿该第一滑轨8做直线移动。该第一滑块81与第一运动连接板3连接，由此通过第一运动连接板3实现第二移动机构与第一移动机构的连接。

第二移动机构的驱动部包括安装在第一运动连接板3上端的第二电机5、联轴器4、第二丝杠51、两个第二滑轨23，第二移动机构的移动部包括滑动安装在第二滑轨上的第二滑块231。该第二滑块沿该第二滑轨在所述两个第一滑轨之间做直线移动。其丝杠传动方式与上述第一移动机构相同，在此省略其描述。第二移动机构的第二滑块231与第二运动连接板2连接。

第三移动机构的驱动部包括安装在第二运动连接板2上的轴线竖向的第三电机10、第三丝杠26、两个第三滑轨25，第三移动机构的移动部包括滑动安装在第三滑轨上的第三滑块。其丝杠传动方式与上述第一移动机构相同，在此省略其描述。旋转运动腕上端连接在所述第三滑块上，使得连接在旋转运动腕下端的焊枪(即焊枪连接部件29)位于各滑轨的中间位置。如图5所示，由于焊缝宽度相对于滑轨之间的距离小很多，可以忽略在焊缝宽度方向上的移动距离，认为在焊枪移动的过程中，焊枪始终位于各滑轨的中间位置。例如焊枪初始位置就设置在各滑轨的中间位置，当需要移动焊接时，将焊枪先沿第二滑轨23移动到焊缝一侧，在移动过程中，焊枪在第二滑轨23、第三滑轨25的中间位置，且由于焊缝宽度很小，虽然焊枪在垂直于第一滑轨8的方向移动了一点距离，但通常不超过23mm，所以认为焊枪位于第一滑轨8的中间位置。然后焊枪沿第一滑轨移动，就是沿焊缝长度方向焊接，此时焊枪依然保持在各滑轨的中间位置。

需要说明的是，以上第一移动机构、第二移动机构、第三移动机构的沿滑轨的滑动方式虽然只是以丝杠传动来说明的，但发明并不限制其移动方式，也可以是利用例如液压缸、气缸、直线电机等驱动。

机座包括与第一移动机构连接的底板15和用于夹持钢轨的夹紧固定机构，夹紧固定机构包括直线驱动机构13、移动夹头20、固定夹头21。固定夹头21固定连接在底板15的下端，便于机器人与钢轨的精确位置定位；移动夹头20采用直线驱动机构13带动，由直线驱动机构13带动向靠近或远离固定夹头21方向移动，由固定夹头21、移动夹头20之间构成夹持钢轨100的空间。移动夹头20、固定夹头21根据钢轨的形状采用钢轨仿形设计，实现了与钢轨的完美切合，增加了焊接过程中设备的稳定性，降低了钢轨热变形等对焊接精度的影响。固定夹头21、移动夹头20为两套，分别用于夹持两根端部要对应焊接的钢轨，使得两根钢轨的端部能够以一定的间隙定位。

如图4所示，旋转运动腕包括轴线竖向的第四电机27、齿轮传动件30、焊枪连接部件29，实现焊枪的方向控制，具体说，是实现焊枪水平转动的方向控制。其中，第四电机27、齿轮传动件30通过移动机构连接部件32安装在第三移动机构的滑块上，跟随第三移动机构的滑块移动。第四电机27的输出轴与轴线竖向的齿轮传动件30连接，齿轮传动件30的输出端与焊枪连接部件29连接，焊枪连接部件29与焊枪同轴连接。焊枪包括焊杆12、焊嘴17，焊枪连接部件29与焊杆同轴连接，焊嘴17连接在焊杆12下端。送丝机28用于将焊丝输送给焊枪。送丝机28、运动臂连接部件32、电极连接部件33、焊杆12、焊嘴14共同称为末端执行器24。

其中齿轮传动件30可以是一对相互啮合的齿轮。即第四电机27输出轴同轴连接的齿轮与带动焊枪的齿轮。移动机构连接部件32可以是在齿轮传动件30外侧的外壳，将齿轮传动件30组装在一起。

另外，所述第一电机至第四电机优选为伺服电机。

还包括焊接模具，焊接模具包括用于对称设置在两根钢轨的端部间隙两侧的一对轨颚(轨头与轨腰的弧形连接处)铜档34、一对轨腰铜档35、一对轨头铜档36。具体说，一个轨颚铜档34、一个轨腰铜档35、一个轨头铜档36通过连接部件37利用螺栓14连成整体设置在钢轨的端部间隙的一侧，另一个轨颚铜档34、另一个轨腰铜档35、另一个轨头铜档36通过连接部件37利用螺栓14连成整体设置在钢轨的端部间隙另一侧。由此可以在焊接时利用铜档之间的空间来强制形成焊缝，使得焊缝规整。

其中，铜档采用铬锆铜，具有良好的导电性，导热性，硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及软化温度高；模具采用分体式设计有助于降低易损件的成本；便于焊接过程中模具的松开与夹紧自动控制；模具与钢轨的接触侧采用钢轨仿形设计，提高接头成形外观。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。