多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，主要包括机架、液压机构、主轴头和控制系统；该机架包括固定支承、移动支撑、横梁以及主轴架；主轴架设置在横梁上，该主轴头设置在主轴架上；该液压机构分别设置在主轴架和移动支撑上且与控制系统连接；其改进之处在于，该机架上设有横向移动机构、环向移动机构以及纵向移动机构；其结构设计合理，具有三个自由度，焊接范围大，运动灵活，刚度好，重量轻，采用全液压驱动，焊接精度高，利于形状复杂裂缝的实施焊接，使用效果理想。
【专利说明】
多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构
技术领域
[0001]本实用新型涉及水下管状物修复装置，尤其适用于海底管线与导管架修复的多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构。
【背景技术】
[0002]当今世界海底资源得到各国的高度重视，海底资源的开采利用愈演愈烈。用于海底资源开采的设备修复也相应的被重视起来。专利文献CN101244485和CN2010559382公开了一种水下摩擦叠焊设备。该设备主要包括位于水下的摩擦主轴头、水下操作机械手、自动刀库、换刀机构和水下遥控机器人，以及位于水上的液压动力系统，电控系统和数据采集系统。该设备实施时，水下机器人通过滑动固定座固定在待修复裂纹附近，由机械手完成焊接。其中整个装置仅由单个滑动固定座固定，而焊接过程中主轴头部位受到较大的轴向力，使装置受力不均匀，对结构的刚度有较大的影响；另外由于被修复裂纹的形状可能不规则，而机械手的工作范围有限，就需要移动滑动固定座，给定位精度，焊接精度带来不利影响；而且机械手的设计、控制均比较复杂，不利于提高工作的可靠性和成本的节约。再者，其一次装卡焊接范围有限，夹紧机构适应性差，控制复杂，不够经济。因此有待改进。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供了一种多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，其结构设计合理，具有三个自由度，焊接范围大，运动灵活，刚度好，重量轻，采用全液压驱动，焊接精度高，利于形状复杂裂缝的实施焊接，使用效果理想。
[0004]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
[0005]本实用新型多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，主要包括机架、液压机构、主轴头和控制系统;该机架包括固定支承、移动支撑、横梁以及主轴架;主轴架设置在横梁上，该主轴头设置在主轴架上;该液压机构分别设置在主轴架和移动支撑上且与控制系统连接;其特征在于，所述机架上设有横向(X向)移动机构、环向(A向)移动机构以及纵向(W向)移动机构。
[0006]前述的多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，其特征在于，
[0007]所述横向(X向)移动机构包括横向移动液压马达，该横向移动液压马达设置在主轴架上板上，且横向移动液压马达的输出端与横向移动减速器的输入端连接，该横向移动减速器固定于主轴架上；齿轮固定在机架横梁侧面并与横向移动减速器输出端连接;横向移动液压马达经横向移动减速器减速后驱动齿轮实现主轴架的横向移动，使主轴头沿着横向(X向)移动;横向移动液压马达的输入端与控制机构连接；
[0008]所述环向(A向)移动机构包括环向移动液压马达，该环向移动液压马达设置在移动支撑第一侧板或者第二侧板的外侧，该环向移动液压马达输出端与环向移动减速器输入端连接，该环向移动减速器与环向移动液压马达固定于移动支撑同一侧板外侧，环向移动液压马达经环向移动减速器减速后驱动与环向移动减速器输出端连接的第一圆柱齿轮，使位于移动支撑侧板同一内侧的第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮啮合的转动力传递给传动轴，该传动轴一端与第二圆柱齿轮连接且处在同轴位置，该传动轴位于移动支撑侧板内侧且两端分别穿过移动支撑的第一侧板和第二侧板，位于移动支撑两块侧板外侧的传动轴两端分别设有与安装在固定支撑上的齿盘(101)和齿盘(102)相互啮合的齿轮，供移动支撑沿着环向移动而带动主轴架沿环向移动，实现主轴头沿环向(A向)的移动;环向移动液压马达的输入端与控制机构连接；
[0009]所述纵向(W向)移动机构包括两个分别对称安装在移动支撑左右两侧的第一侧板和第二侧板上且与液压机构连接的纵向移动液压缸，该纵向移动液压缸的活塞杆端连接杆端耳环，该杆端耳环经第一销轴和螺母与横梁连接块连接，纵向移动液压缸活塞杆上下移动时可使横梁连接块沿着导向柱上下移动，该导向柱设置在移动支撑侧板内侧的上固定板和下固定板之间，从而实现横梁、主轴架和主轴头沿纵向运动。
[0010]本实用新型多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构的有益效果是:(I)具有三个自由度，工作范围大，运动灵活，能完成复杂形状裂纹修复。(2)驱动装置、锁紧机构均为液压件，不易受水下环境的影响。夹紧由链条夹紧和液压夹紧两部分组成，夹紧可靠，且对管状物由一定适应性;锁紧机构为机械自锁式夹紧油缸，为水下工作的安全可靠进行提供了有力保障。(3)控制简单方便，节约成本。
【附图说明】
[0011 ]图1为本实用新型整体结构示意图。
[0012]图2为本实用新型整体结构分解示意图。
[0013]图3为本实用新型环向(A)移动机构结构示意图。
[0014]图4为本实用新型横向(X)移动机构示意图。
[0015]图5为本实用新型纵向(W)移动机构结构剖视图。
[0016]附图标号说明:I横向移动机构、12横梁、13主轴架、16横向移动液压马达、17横向移动减速器、18齿轮、2环向移动机构、21环向移动液压马达、22环向移动减速器、23第一圆柱齿轮、24第二圆柱齿轮、25传动轴、26齿轮、3纵向移动机构、31纵向移动液压缸、32杆端耳环、33第一销轴、34连接螺母、35导向柱、4主轴头、7链条夹紧机构、71链条、72第二销轴、73链条把手、8夹紧机构、81夹紧液压缸、82卡紧臂、83第三销轴；10固定支承、11移动支撑、101齿盘A、102齿盘B、lll第一侧板、112第二侧板、116上固定板、117下固定板、122横梁连接块、13主轴架、131主轴架上板。
【具体实施方式】
[0017]如图1至图5所示，本实用新型多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，主要包括机架、液压机构、主轴头和控制系统;该机架包括固定支承、移动支撑、横梁以及主轴架;主轴架设置在横梁上，该主轴头设置在主轴架上;该液压机构分别设置在主轴架和移动支撑上且与控制系统连接;其改进之处在于:所述机架上设有横向(X向)移动机构1、环向(A向)移动机构2以及纵向(W向)移动机构3。其中:
[0018]该横向(X向)移动机构I包括横向移动液压马达16，该横向移动液压马达16设置在主轴架上板131上，且横向移动液压马达16输出端与横向移动减速器17输入端连接，该横向移动减速器17固定于主轴架13上;齿轮18固定在机架横梁12侧面并与横向移动减速器17输出端连接;横向移动液压马达16经横向移动减速器17减速后驱动设置在横梁两端的齿轮
[18]实现实现主轴架13的横向移动，使主轴头4沿着横向(X向)移动;横向移动液压马达16的输入端与控制机构连接；
[0019]该环向(A向)移动机构2包括环向移动液压马达21，该环向移动液压马达21设置在移动支撑第一侧板111或者第二侧板112的外侧，该环向移动液压马达21输出端与环向移动减速器22输入端连接，该环向移动减速器22与环向移动液压马达21固定于移动支撑同一侧板外侧，环向移动液压马达21经环向移动减速器22减速后驱动与环向移动减速器22输出端连接的第一圆柱齿轮23，使位于移动支撑侧板同一内侧的第一圆柱齿轮23和第二圆柱齿轮24啮合的转动力传递给传动轴25，该传动轴25—端与第二圆柱齿轮24连接且处在同轴位置，该传动轴25位于移动支撑侧板内侧且两端分别穿过移动支撑的第一侧板111和第二侧板112，位于移动支撑两块侧板外侧的传动轴25两端分别设有与安装在固定支撑上的齿盘AlOl和齿盘B102相互啮合的齿轮26，供移动支撑11沿着环向移动而带动主轴架13沿环向移动，实现主轴头4沿环向(A向)的移动;环向移动液压马达21的输入?而与控制机构连接；
[0020]该纵向(W向)移动机构3包括两个分别对称安装在移动支撑左右两侧的第一侧板111和第二侧板112上且与液压机构连接的纵向移动液压缸31，该纵向移动液压缸31的活塞杆端连接杆端耳环32，该杆端耳环32经第一销轴33和螺母34与横梁连接块122连接，纵向移动液压缸31活塞杆上下移动时可使横梁连接块122沿导向柱35上下移动，导向柱35设置在移动支撑侧板内侧的上固定板116和下固定板117之间，从而实现横梁12、主轴架13和主轴头4沿纵向运动。
[0021]使用时，如图1所示，本实用新型多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构的链条夹紧机构7设有两个链条71，一个链条一端通过第二销轴72与齿盘AlOl连接，另一端连接把手73，另一个链条通过第二销轴72与齿盘102连接，另一端连接把手73，需要夹紧时通过两个把手73将两个链条71拉紧即可。锁紧机构由对称布置的机械自锁式夹紧油缸实现，主轴头工作时锁紧，需要移动时通过液压压力松开，锁紧油缸内部有碟簧，可输出较大的力以实现锁紧，保证焊接过程顺利安全进行。液压夹紧机构8由夹紧液压缸81驱动，该夹紧液压缸81活塞杆端连接卡紧臂82—端，卡紧臂82中间与第三销轴83间隙配合，第三销轴固定在固定支承10;夹紧液压缸81活塞杆伸出时，驱动卡紧臂82绕第三销轴83转动，使卡紧臂与管道表面挤压，从而实现夹紧功能；夹紧液压缸81活塞杆伸回时，带动卡紧臂82绕第三销轴83转动，卡紧臂离开管道表面，从而实现松开功能。如图4、图5所示，纵向(W)移动机构3由两个纵向移动液压缸31驱动，两个纵向移动液压缸31分别安装在移动支撑第一侧板111和第二侧板112上，活塞杆端连接有杆端耳环32，杆端耳环32经第一销轴33和螺母34与横梁连接块122连接，纵向移动液压缸31活塞杆上下移动时可实现横梁连接块122沿导向柱35的纵(W)向运动，实现横梁12、主轴架13和主轴头4沿纵向运动，主轴架13固定在横梁12上。如图1、图2所示，本实用新型多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构的机架包括固定支承10、移动支撑11、横梁12以及主轴架13构成;两个对称设置的横梁12通过横梁连接块连接构成框架结构，横梁连接块122贯穿在横梁导向杆内以沿着导向杆纵向移动，横梁连接块与横梁上设置滚轮轨道供主轴架13沿横梁横向移动。在发现并定位水下管状物裂纹后，给夹紧缸供油通过液压夹紧机构8将设备初步固定在易于实施焊接的位置，再用链条夹紧机构7将焊接装置固定在管状物上，为焊接安全进行提供保障，如图1所示。这些操作均为现有技术。
[0022]本实用新型多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构的使用和作用是，在打开横向锁紧机构5和环向锁紧机构6后，根据裂缝具体位置由横向移动机构I和环向移动机构2调整主轴头4的姿态。液压栗站给环向移动液压马达21供油使其转动，通过环向移动减速器22带动带动传动轴25转动，位于传动轴25两端的齿轮26沿着齿盘AlOl环向转动，从而实现主轴头4环向位置的调节。液压栗站给横向移动液压马达16供油使其转动，通过横向移动减速器17带动横向移动齿轮18沿着横梁12外侧横向移动，从而实现主轴架以及主轴的横向移动。根据焊接的深度和焊接刀具的长度，通过给纵向(W向)移动液压缸31供油，使横梁12沿导向杆移动，将主轴头4调整到适宜的高度，在主轴头上安装钻头，进行钻孔，再通过特制的刀具加工出塞孔，将主轴头抬高，更换塞棒，在主轴头4驱动下完成焊接;更换砂轮切掉残余塞棒，再更换铣刀，铣去焊接留下的飞边，至此完成第一个塞焊单元的焊接;再根据裂纹的走向，做出适当的姿态调整，进行下一个塞焊单元的焊接，最终一系列焊接单元相互搭接形成完整的焊缝;在整个焊接过程中，控制机构对主轴的控制能实现:轴向进给一停止一开始旋转一升速一进给一施加压力一恒定压力与转速条件下的进给一保压等一系列复杂运动;数据采集系统能自动运算、采样、存储焊接过程中的主轴油缸内压力、轴向输出压力、液压马达旋转速度、输出扭矩、轴向进给量和进给速度等重要参数，以保证焊接质量。
[0023]本实用新型与现有技术相比，其不同点在于:(I)具有三个自由度调节功能，可完成复杂的管状物裂纹修复。(2)采用全液压驱动，可较好的适应水下作业的复杂环境。(3)移动机构的横向移动由齿轮齿条实现，环向移动由端面齿盘实现，纵向移动由液压缸实现，结构紧凑，工作可靠。
[0024]尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，主要包括机架、液压机构、主轴头和控制系统;该机架包括固定支承、移动支撑、横梁以及主轴架;主轴架设置在横梁上，该主轴头设置在主轴架上;该液压机构分别设置在主轴架和移动支撑上且与控制系统连接;其特征在于，所述机架上设有横向移动机构(I)、环向移动机构(2)以及纵向移动机构(3)。2.根据权利要求1所述的多自由度水下摩擦叠焊主轴头操作机构，其特征在于， 所述横向移动机构(I)包括横向移动液压马达(16)，该横向移动液压马达(16)设置在主轴架上板(131)上，且横向移动液压马达(I 6)的输出端与横向移动减速器(I 7)的输入端连接，该横向移动减速器(17)固定于主轴架(13)上;齿轮(18)固定在机架横梁(12)侧面并与横向移动减速器(17)输出端连接;横向移动液压马达(16)经横向移动减速器(17)减速后驱动设置在横梁两端的齿轮(18)实现主轴架(13)的横向移动，使主轴头(4)沿着横向移动；横向移动液压马达(16)的输入端与控制机构连接； 所述环向移动机构(2)包括环向移动液压马达(21)，该环向移动液压马达(21)设置在移动支撑第一侧板(111)或者第二侧板(112)的外侧，该环向移动液压马达(21)输出端与环向移动减速器(22)输入端连接，该环向移动减速器(22)与环向移动液压马达(21)固定于移动支撑同一侧板外侧，环向移动液压马达(21)经环向移动减速器(22)减速后驱动与环向移动减速器(22)输出端连接的第一圆柱齿轮(23)，使位于移动支撑侧板同一内侧的第一圆柱齿轮(23)和第二圆柱齿轮(24)啮合的转动力传递给传动轴(25)，该传动轴(25)—端与第二圆柱齿轮(24)连接且处在同轴位置，该传动轴(25)位于移动支撑侧板内侧且两端分别穿过移动支撑的第一侧板(111)和第二侧板(112)，位于移动支撑两块侧板外侧的传动轴(25)两端分别设有与安装固定支撑上的齿盘A(1l)和齿盘B(102)相互啮合的齿轮(26)，供移动支撑(11)沿着环向移动而带动主轴架(13)沿环向移动，实现主轴头(4)沿环向的移动;环向移动液压马达(21)的输入端与控制机构连接； 所述纵向移动机构(3)包括两个分别对称安装在移动支撑左右两侧的第一侧板(111)和第二侧板(112)上且与液压机构连接的纵向移动液压缸(31)，该纵向移动液压缸(31)的活塞杆端连接杆端耳环(32)，该杆端耳环(32)经第一销轴(33)和螺母(34)与横梁连接块(122)连接，纵向移动液压缸(31)活塞杆上下移动时可使横梁连接块(122)沿导向柱(35)上下移动，导向柱(35)设置在移动支撑侧板内侧的上固定板(116)和下固定板(117)之间，从而实现横梁(12)、主轴架(13)和主轴头(4)沿纵向运动。
【文档编号】B23K37/02GK205571705SQ201620085835
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】杨帆, 曹军, 许威, 黄江中, 艾荣, 宋国祥, 栾陈杰, 刘谱, 陈永亮, 杜玉明
【申请人】中国海洋石油总公司, 海洋石油工程股份有限公司, 天津大学