多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，主要包括機架、液壓機構(gòu)、主軸頭和控制系統(tǒng)；該機架包括固定支承、移動支撐、橫梁以及主軸架；主軸架設(shè)置在橫梁上，該主軸頭設(shè)置在主軸架上；該液壓機構(gòu)分別設(shè)置在主軸架和移動支撐上且與控制系統(tǒng)連接；其改進之處在于，該機架上設(shè)有橫向移動機構(gòu)、環(huán)向移動機構(gòu)以及縱向移動機構(gòu)；其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有三個自由度，焊接范圍大，運動靈活，剛度好，重量輕，采用全液壓驅(qū)動，焊接精度高，利于形狀復(fù)雜裂縫的實施焊接，使用效果理想。
【專利說明】
多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及水下管狀物修復(fù)裝置，尤其適用于海底管線與導(dǎo)管架修復(fù)的多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界海底資源得到各國的高度重視，海底資源的開采利用愈演愈烈。用于海底資源開采的設(shè)備修復(fù)也相應(yīng)的被重視起來。專利文獻CN101244485和CN2010559382公開了一種水下摩擦疊焊設(shè)備。該設(shè)備主要包括位于水下的摩擦主軸頭、水下操作機械手、自動刀庫、換刀機構(gòu)和水下遙控機器人，以及位于水上的液壓動力系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該設(shè)備實施時，水下機器人通過滑動固定座固定在待修復(fù)裂紋附近，由機械手完成焊接。其中整個裝置僅由單個滑動固定座固定，而焊接過程中主軸頭部位受到較大的軸向力，使裝置受力不均勻，對結(jié)構(gòu)的剛度有較大的影響；另外由于被修復(fù)裂紋的形狀可能不規(guī)則，而機械手的工作范圍有限，就需要移動滑動固定座，給定位精度，焊接精度帶來不利影響；而且機械手的設(shè)計、控制均比較復(fù)雜，不利于提高工作的可靠性和成本的節(jié)約。再者，其一次裝卡焊接范圍有限，夾緊機構(gòu)適應(yīng)性差，控制復(fù)雜，不夠經(jīng)濟。因此有待改進。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供了一種多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有三個自由度，焊接范圍大，運動靈活，剛度好，重量輕，采用全液壓驅(qū)動，焊接精度高，利于形狀復(fù)雜裂縫的實施焊接，使用效果理想。
[0004]本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0005]本實用新型多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，主要包括機架、液壓機構(gòu)、主軸頭和控制系統(tǒng);該機架包括固定支承、移動支撐、橫梁以及主軸架;主軸架設(shè)置在橫梁上，該主軸頭設(shè)置在主軸架上;該液壓機構(gòu)分別設(shè)置在主軸架和移動支撐上且與控制系統(tǒng)連接;其特征在于，所述機架上設(shè)有橫向(X向)移動機構(gòu)、環(huán)向(A向)移動機構(gòu)以及縱向(W向)移動機構(gòu)。
[0006]前述的多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，其特征在于，
[0007]所述橫向(X向)移動機構(gòu)包括橫向移動液壓馬達(dá)，該橫向移動液壓馬達(dá)設(shè)置在主軸架上板上，且橫向移動液壓馬達(dá)的輸出端與橫向移動減速器的輸入端連接，該橫向移動減速器固定于主軸架上；齒輪固定在機架橫梁側(cè)面并與橫向移動減速器輸出端連接;橫向移動液壓馬達(dá)經(jīng)橫向移動減速器減速后驅(qū)動齒輪實現(xiàn)主軸架的橫向移動，使主軸頭沿著橫向(X向)移動;橫向移動液壓馬達(dá)的輸入端與控制機構(gòu)連接；
[0008]所述環(huán)向(A向)移動機構(gòu)包括環(huán)向移動液壓馬達(dá)，該環(huán)向移動液壓馬達(dá)設(shè)置在移動支撐第一側(cè)板或者第二側(cè)板的外側(cè)，該環(huán)向移動液壓馬達(dá)輸出端與環(huán)向移動減速器輸入端連接，該環(huán)向移動減速器與環(huán)向移動液壓馬達(dá)固定于移動支撐同一側(cè)板外側(cè)，環(huán)向移動液壓馬達(dá)經(jīng)環(huán)向移動減速器減速后驅(qū)動與環(huán)向移動減速器輸出端連接的第一圓柱齒輪，使位于移動支撐側(cè)板同一內(nèi)側(cè)的第一圓柱齒輪和第二圓柱齒輪嚙合的轉(zhuǎn)動力傳遞給傳動軸，該傳動軸一端與第二圓柱齒輪連接且處在同軸位置，該傳動軸位于移動支撐側(cè)板內(nèi)側(cè)且兩端分別穿過移動支撐的第一側(cè)板和第二側(cè)板，位于移動支撐兩塊側(cè)板外側(cè)的傳動軸兩端分別設(shè)有與安裝在固定支撐上的齒盤(101)和齒盤(102)相互嚙合的齒輪，供移動支撐沿著環(huán)向移動而帶動主軸架沿環(huán)向移動，實現(xiàn)主軸頭沿環(huán)向(A向)的移動;環(huán)向移動液壓馬達(dá)的輸入端與控制機構(gòu)連接；
[0009]所述縱向(W向)移動機構(gòu)包括兩個分別對稱安裝在移動支撐左右兩側(cè)的第一側(cè)板和第二側(cè)板上且與液壓機構(gòu)連接的縱向移動液壓缸，該縱向移動液壓缸的活塞桿端連接桿端耳環(huán)，該桿端耳環(huán)經(jīng)第一銷軸和螺母與橫梁連接塊連接，縱向移動液壓缸活塞桿上下移動時可使橫梁連接塊沿著導(dǎo)向柱上下移動，該導(dǎo)向柱設(shè)置在移動支撐側(cè)板內(nèi)側(cè)的上固定板和下固定板之間，從而實現(xiàn)橫梁、主軸架和主軸頭沿縱向運動。
[0010]本實用新型多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)的有益效果是:(I)具有三個自由度，工作范圍大，運動靈活，能完成復(fù)雜形狀裂紋修復(fù)。(2)驅(qū)動裝置、鎖緊機構(gòu)均為液壓件，不易受水下環(huán)境的影響。夾緊由鏈條夾緊和液壓夾緊兩部分組成，夾緊可靠，且對管狀物由一定適應(yīng)性;鎖緊機構(gòu)為機械自鎖式夾緊油缸，為水下工作的安全可靠進行提供了有力保障。(3)控制簡單方便，節(jié)約成本。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本實用新型整體結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0013]圖3為本實用新型環(huán)向(A)移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4為本實用新型橫向(X)移動機構(gòu)示意圖。
[0015]圖5為本實用新型縱向(W)移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0016]附圖標(biāo)號說明:I橫向移動機構(gòu)、12橫梁、13主軸架、16橫向移動液壓馬達(dá)、17橫向移動減速器、18齒輪、2環(huán)向移動機構(gòu)、21環(huán)向移動液壓馬達(dá)、22環(huán)向移動減速器、23第一圓柱齒輪、24第二圓柱齒輪、25傳動軸、26齒輪、3縱向移動機構(gòu)、31縱向移動液壓缸、32桿端耳環(huán)、33第一銷軸、34連接螺母、35導(dǎo)向柱、4主軸頭、7鏈條夾緊機構(gòu)、71鏈條、72第二銷軸、73鏈條把手、8夾緊機構(gòu)、81夾緊液壓缸、82卡緊臂、83第三銷軸；10固定支承、11移動支撐、101齒盤A、102齒盤B、lll第一側(cè)板、112第二側(cè)板、116上固定板、117下固定板、122橫梁連接塊、13主軸架、131主軸架上板。
【具體實施方式】
[0017]如圖1至圖5所示，本實用新型多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，主要包括機架、液壓機構(gòu)、主軸頭和控制系統(tǒng);該機架包括固定支承、移動支撐、橫梁以及主軸架;主軸架設(shè)置在橫梁上，該主軸頭設(shè)置在主軸架上;該液壓機構(gòu)分別設(shè)置在主軸架和移動支撐上且與控制系統(tǒng)連接;其改進之處在于:所述機架上設(shè)有橫向(X向)移動機構(gòu)1、環(huán)向(A向)移動機構(gòu)2以及縱向(W向)移動機構(gòu)3。其中:
[0018]該橫向(X向)移動機構(gòu)I包括橫向移動液壓馬達(dá)16，該橫向移動液壓馬達(dá)16設(shè)置在主軸架上板131上，且橫向移動液壓馬達(dá)16輸出端與橫向移動減速器17輸入端連接，該橫向移動減速器17固定于主軸架13上;齒輪18固定在機架橫梁12側(cè)面并與橫向移動減速器17輸出端連接;橫向移動液壓馬達(dá)16經(jīng)橫向移動減速器17減速后驅(qū)動設(shè)置在橫梁兩端的齒輪
[18]實現(xiàn)實現(xiàn)主軸架13的橫向移動，使主軸頭4沿著橫向(X向)移動;橫向移動液壓馬達(dá)16的輸入端與控制機構(gòu)連接；
[0019]該環(huán)向(A向)移動機構(gòu)2包括環(huán)向移動液壓馬達(dá)21，該環(huán)向移動液壓馬達(dá)21設(shè)置在移動支撐第一側(cè)板111或者第二側(cè)板112的外側(cè)，該環(huán)向移動液壓馬達(dá)21輸出端與環(huán)向移動減速器22輸入端連接，該環(huán)向移動減速器22與環(huán)向移動液壓馬達(dá)21固定于移動支撐同一側(cè)板外側(cè)，環(huán)向移動液壓馬達(dá)21經(jīng)環(huán)向移動減速器22減速后驅(qū)動與環(huán)向移動減速器22輸出端連接的第一圓柱齒輪23，使位于移動支撐側(cè)板同一內(nèi)側(cè)的第一圓柱齒輪23和第二圓柱齒輪24嚙合的轉(zhuǎn)動力傳遞給傳動軸25，該傳動軸25—端與第二圓柱齒輪24連接且處在同軸位置，該傳動軸25位于移動支撐側(cè)板內(nèi)側(cè)且兩端分別穿過移動支撐的第一側(cè)板111和第二側(cè)板112，位于移動支撐兩塊側(cè)板外側(cè)的傳動軸25兩端分別設(shè)有與安裝在固定支撐上的齒盤AlOl和齒盤B102相互嚙合的齒輪26，供移動支撐11沿著環(huán)向移動而帶動主軸架13沿環(huán)向移動，實現(xiàn)主軸頭4沿環(huán)向(A向)的移動;環(huán)向移動液壓馬達(dá)21的輸入?而與控制機構(gòu)連接；
[0020]該縱向(W向)移動機構(gòu)3包括兩個分別對稱安裝在移動支撐左右兩側(cè)的第一側(cè)板111和第二側(cè)板112上且與液壓機構(gòu)連接的縱向移動液壓缸31，該縱向移動液壓缸31的活塞桿端連接桿端耳環(huán)32，該桿端耳環(huán)32經(jīng)第一銷軸33和螺母34與橫梁連接塊122連接，縱向移動液壓缸31活塞桿上下移動時可使橫梁連接塊122沿導(dǎo)向柱35上下移動，導(dǎo)向柱35設(shè)置在移動支撐側(cè)板內(nèi)側(cè)的上固定板116和下固定板117之間，從而實現(xiàn)橫梁12、主軸架13和主軸頭4沿縱向運動。
[0021]使用時，如圖1所示，本實用新型多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)的鏈條夾緊機構(gòu)7設(shè)有兩個鏈條71，一個鏈條一端通過第二銷軸72與齒盤AlOl連接，另一端連接把手73，另一個鏈條通過第二銷軸72與齒盤102連接，另一端連接把手73，需要夾緊時通過兩個把手73將兩個鏈條71拉緊即可。鎖緊機構(gòu)由對稱布置的機械自鎖式夾緊油缸實現(xiàn)，主軸頭工作時鎖緊，需要移動時通過液壓壓力松開，鎖緊油缸內(nèi)部有碟簧，可輸出較大的力以實現(xiàn)鎖緊，保證焊接過程順利安全進行。液壓夾緊機構(gòu)8由夾緊液壓缸81驅(qū)動，該夾緊液壓缸81活塞桿端連接卡緊臂82—端，卡緊臂82中間與第三銷軸83間隙配合，第三銷軸固定在固定支承10;夾緊液壓缸81活塞桿伸出時，驅(qū)動卡緊臂82繞第三銷軸83轉(zhuǎn)動，使卡緊臂與管道表面擠壓，從而實現(xiàn)夾緊功能；夾緊液壓缸81活塞桿伸回時，帶動卡緊臂82繞第三銷軸83轉(zhuǎn)動，卡緊臂離開管道表面，從而實現(xiàn)松開功能。如圖4、圖5所示，縱向(W)移動機構(gòu)3由兩個縱向移動液壓缸31驅(qū)動，兩個縱向移動液壓缸31分別安裝在移動支撐第一側(cè)板111和第二側(cè)板112上，活塞桿端連接有桿端耳環(huán)32，桿端耳環(huán)32經(jīng)第一銷軸33和螺母34與橫梁連接塊122連接，縱向移動液壓缸31活塞桿上下移動時可實現(xiàn)橫梁連接塊122沿導(dǎo)向柱35的縱(W)向運動，實現(xiàn)橫梁12、主軸架13和主軸頭4沿縱向運動，主軸架13固定在橫梁12上。如圖1、圖2所示，本實用新型多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)的機架包括固定支承10、移動支撐11、橫梁12以及主軸架13構(gòu)成;兩個對稱設(shè)置的橫梁12通過橫梁連接塊連接構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，橫梁連接塊122貫穿在橫梁導(dǎo)向桿內(nèi)以沿著導(dǎo)向桿縱向移動，橫梁連接塊與橫梁上設(shè)置滾輪軌道供主軸架13沿橫梁橫向移動。在發(fā)現(xiàn)并定位水下管狀物裂紋后，給夾緊缸供油通過液壓夾緊機構(gòu)8將設(shè)備初步固定在易于實施焊接的位置，再用鏈條夾緊機構(gòu)7將焊接裝置固定在管狀物上，為焊接安全進行提供保障，如圖1所示。這些操作均為現(xiàn)有技術(shù)。
[0022]本實用新型多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)的使用和作用是，在打開橫向鎖緊機構(gòu)5和環(huán)向鎖緊機構(gòu)6后，根據(jù)裂縫具體位置由橫向移動機構(gòu)I和環(huán)向移動機構(gòu)2調(diào)整主軸頭4的姿態(tài)。液壓栗站給環(huán)向移動液壓馬達(dá)21供油使其轉(zhuǎn)動，通過環(huán)向移動減速器22帶動帶動傳動軸25轉(zhuǎn)動，位于傳動軸25兩端的齒輪26沿著齒盤AlOl環(huán)向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)主軸頭4環(huán)向位置的調(diào)節(jié)。液壓栗站給橫向移動液壓馬達(dá)16供油使其轉(zhuǎn)動，通過橫向移動減速器17帶動橫向移動齒輪18沿著橫梁12外側(cè)橫向移動，從而實現(xiàn)主軸架以及主軸的橫向移動。根據(jù)焊接的深度和焊接刀具的長度，通過給縱向(W向)移動液壓缸31供油，使橫梁12沿導(dǎo)向桿移動，將主軸頭4調(diào)整到適宜的高度，在主軸頭上安裝鉆頭，進行鉆孔，再通過特制的刀具加工出塞孔，將主軸頭抬高，更換塞棒，在主軸頭4驅(qū)動下完成焊接;更換砂輪切掉殘余塞棒，再更換銑刀，銑去焊接留下的飛邊，至此完成第一個塞焊單元的焊接;再根據(jù)裂紋的走向，做出適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)調(diào)整，進行下一個塞焊單元的焊接，最終一系列焊接單元相互搭接形成完整的焊縫;在整個焊接過程中，控制機構(gòu)對主軸的控制能實現(xiàn):軸向進給一停止一開始旋轉(zhuǎn)一升速一進給一施加壓力一恒定壓力與轉(zhuǎn)速條件下的進給一保壓等一系列復(fù)雜運動;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能自動運算、采樣、存儲焊接過程中的主軸油缸內(nèi)壓力、軸向輸出壓力、液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度、輸出扭矩、軸向進給量和進給速度等重要參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。
[0023]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其不同點在于:(I)具有三個自由度調(diào)節(jié)功能，可完成復(fù)雜的管狀物裂紋修復(fù)。(2)采用全液壓驅(qū)動，可較好的適應(yīng)水下作業(yè)的復(fù)雜環(huán)境。(3)移動機構(gòu)的橫向移動由齒輪齒條實現(xiàn)，環(huán)向移動由端面齒盤實現(xiàn)，縱向移動由液壓缸實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。
[0024]盡管上面結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，主要包括機架、液壓機構(gòu)、主軸頭和控制系統(tǒng);該機架包括固定支承、移動支撐、橫梁以及主軸架;主軸架設(shè)置在橫梁上，該主軸頭設(shè)置在主軸架上;該液壓機構(gòu)分別設(shè)置在主軸架和移動支撐上且與控制系統(tǒng)連接;其特征在于，所述機架上設(shè)有橫向移動機構(gòu)(I)、環(huán)向移動機構(gòu)(2)以及縱向移動機構(gòu)(3)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度水下摩擦疊焊主軸頭操作機構(gòu)，其特征在于， 所述橫向移動機構(gòu)(I)包括橫向移動液壓馬達(dá)(16)，該橫向移動液壓馬達(dá)(16)設(shè)置在主軸架上板(131)上，且橫向移動液壓馬達(dá)(I 6)的輸出端與橫向移動減速器(I 7)的輸入端連接，該橫向移動減速器(17)固定于主軸架(13)上;齒輪(18)固定在機架橫梁(12)側(cè)面并與橫向移動減速器(17)輸出端連接;橫向移動液壓馬達(dá)(16)經(jīng)橫向移動減速器(17)減速后驅(qū)動設(shè)置在橫梁兩端的齒輪(18)實現(xiàn)主軸架(13)的橫向移動，使主軸頭(4)沿著橫向移動；橫向移動液壓馬達(dá)(16)的輸入端與控制機構(gòu)連接； 所述環(huán)向移動機構(gòu)(2)包括環(huán)向移動液壓馬達(dá)(21)，該環(huán)向移動液壓馬達(dá)(21)設(shè)置在移動支撐第一側(cè)板(111)或者第二側(cè)板(112)的外側(cè)，該環(huán)向移動液壓馬達(dá)(21)輸出端與環(huán)向移動減速器(22)輸入端連接，該環(huán)向移動減速器(22)與環(huán)向移動液壓馬達(dá)(21)固定于移動支撐同一側(cè)板外側(cè)，環(huán)向移動液壓馬達(dá)(21)經(jīng)環(huán)向移動減速器(22)減速后驅(qū)動與環(huán)向移動減速器(22)輸出端連接的第一圓柱齒輪(23)，使位于移動支撐側(cè)板同一內(nèi)側(cè)的第一圓柱齒輪(23)和第二圓柱齒輪(24)嚙合的轉(zhuǎn)動力傳遞給傳動軸(25)，該傳動軸(25)—端與第二圓柱齒輪(24)連接且處在同軸位置，該傳動軸(25)位于移動支撐側(cè)板內(nèi)側(cè)且兩端分別穿過移動支撐的第一側(cè)板(111)和第二側(cè)板(112)，位于移動支撐兩塊側(cè)板外側(cè)的傳動軸(25)兩端分別設(shè)有與安裝固定支撐上的齒盤A(1l)和齒盤B(102)相互嚙合的齒輪(26)，供移動支撐(11)沿著環(huán)向移動而帶動主軸架(13)沿環(huán)向移動，實現(xiàn)主軸頭(4)沿環(huán)向的移動;環(huán)向移動液壓馬達(dá)(21)的輸入端與控制機構(gòu)連接； 所述縱向移動機構(gòu)(3)包括兩個分別對稱安裝在移動支撐左右兩側(cè)的第一側(cè)板(111)和第二側(cè)板(112)上且與液壓機構(gòu)連接的縱向移動液壓缸(31)，該縱向移動液壓缸(31)的活塞桿端連接桿端耳環(huán)(32)，該桿端耳環(huán)(32)經(jīng)第一銷軸(33)和螺母(34)與橫梁連接塊(122)連接，縱向移動液壓缸(31)活塞桿上下移動時可使橫梁連接塊(122)沿導(dǎo)向柱(35)上下移動，導(dǎo)向柱(35)設(shè)置在移動支撐側(cè)板內(nèi)側(cè)的上固定板(116)和下固定板(117)之間，從而實現(xiàn)橫梁(12)、主軸架(13)和主軸頭(4)沿縱向運動。
【文檔編號】B23K37/02GK205571705SQ201620085835
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年1月28日
【發(fā)明人】楊帆, 曹軍, 許威, 黃江中, 艾榮, 宋國祥, 欒陳杰, 劉譜, 陳永亮, 杜玉明
【申請人】中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司, 天津大學(xué)