CN102000905A - 钉头管自动成套埋弧焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述设备包括钉头自动装卸***、焊接***、自动送钉及对中机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸***、焊接***和自动送钉及对中机构连接；该发明实现了气压自动上钉、液压对中、焊剂自动定量送给等功能；控制***主要采用PLC为主要控制装置，并配有全数字交流伺服驱动器，使该钉头管焊接设备能够在焊接过程中达到精确有效的全自动控制；其优点是该发明设备适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的自动化焊接，提高了生产效率、克服了弧坑、焊瘤、气孔等缺陷、降低了劳动强度；设备结构简单、制造容易。

Description

钉头管自动成套埋弧焊接设备

技术领域：本发明涉及一种基于PLC技术和伺服控制技术的埋弧焊的加工设备，尤其涉及一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，属于焊接自动化技术领域。

背景技术：

钉头管是石化机械中广泛应用的换热器中的主要元件，它由钢管与密布表面的钉头组成。目前钉头管采用的焊接方法主要有电阻焊、电弧螺柱焊和埋弧焊。如专利94228692.8、99253080.6都采用电阻焊方法；如有文献报道，钉头管自动焊接机床采用短周期电弧螺柱焊，钉头管全自动电容储能高效节能焊机采用电弧螺柱焊。钉头管埋弧焊是一种使钉头和光管之间产生的电弧在埋弧焊剂层下燃烧的焊接方法，有文献介绍了一种全自动钉头管自动埋弧焊设备，该设备具有钉头管体自动上料及对中，钉头自动送进，焊剂自动送给，焊接小车径向自动进给，钉头管轴向自动进给，钉头管变形自动校正，钉头管焊接过程自动控制以及故障诊断及报警功能。但针对钉头管埋弧焊而言，生产上多采用手工操作，工人劳动强度大、工况恶劣，焊接质量不稳定，尤其是在自动送钉、焊剂定量送给方面自动化程度较低。因此，如何实现钉头管焊接过程自动化，提高生产效率、改善劳动条件已成为钉头管制造中的关键技术。

发明内容：

本发明的目的是提供一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，采用卡盘式旋转光管移动机头结构，气压驱动自动上钉，液压驱动对中技术，焊剂自动定量送给，控制上采用PLC为主要控制装置，并配有全数字交流伺服驱动器，使该钉头管焊接设备能够在焊接过程中达到精确有效的全自动控制。该发明的目的是解决以往的焊接技术所存在的自动化程度低、生产效率低、焊接质量不稳定、劳动强度大和劳动条件恶劣的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述设备包括钉头自动装卸***、焊接***、自动送钉及对中机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸***、焊接***和自动送钉及对中机构连接；所述焊接***和钉头自动装卸***设置在自动送钉及对中机构的同一侧并在使用时可以沿钉头管轴向移动。

所述焊接***和钉头自动装卸***通过可移动的焊接机头设置在自动送钉及对中机构的同一侧，焊接机头连接机头传动***，机头传动***连接至第一伺服电机，第一伺服电机通过第一伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第一伺服电机的输出端与第一伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述焊接机头的移动方向的两侧设置有左右限位开关，左右限位开关连接至PLC控制器。

所述钉头自动装卸***为送钉托盘机构，该机构主要包括辅助托盘和连接辅助托盘的第一气缸；在所述辅助托盘上设置有送钉电动机和传送链，传送链通过传动齿轮围绕在辅助托盘的四周，所述传送链连接至电动机上的驱动齿轮；在所述辅助托盘的底部、传送链的传送路径对应的位置上设置有出钉孔，所述送钉电动机连接至PLC控制器；所述焊接***包括焊剂箱、送料电机、焊枪和出焊剂口，所述焊剂箱通过焊剂管道连接至出焊剂口，在出焊剂口的下方设置有第四气缸，所述送料电机设置在焊剂管道与焊剂箱之间；所述焊枪连接第五气缸，在所述焊枪与第五气缸之间设置有联动杆，联动杆连接至第三气缸；所述焊枪设置在出焊剂口的旁边；所述送料电机连接至PLC控制器。

所述第一气缸、第三气缸、第四气缸和第五气缸均各自连接一组无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀，无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀并联后共同连接至电磁阀，电磁阀与气泵连接；所述电磁阀连接至PLC控制器。

所述第一气缸、第三气缸和第四气缸上均设置有气缸磁感应形成开关，气缸磁感应形成开关连接至PLC控制器。

所述钉头管自动送钉及对中机构主要包括两个可以相互靠拢的夹紧卡盘、油缸、三相异步电动机、齿轮泵和带传动轮；所述油缸固定在支架上并连接至齿轮泵，齿轮泵与三相异步电动机及油箱连接，油缸的伸缩端通过可以在支架上移动的滚轮式的顶进机构连接至一个卡盘，另一个卡盘通过支撑块连接至带传动轮，支撑块固定在支架上；所述带传动轮连接至第二伺服电机，第二伺服电机通过第二伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第二伺服电机的输出端与第二伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述三相异步电动机连接至PLC控制器。

所述的PLC控制器连接有操作面板。

优点效果：本发明提供一种钉头管自动成套埋弧螺柱焊接设备，该设备采用卡盘式旋转光管移动机头结构，具有气压自动上钉，液压对中，焊剂自动定量送给等功能，该方法适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的焊接。同时采用PLC为主要控制装置，并配有全数字交流伺服驱动器，使该钉头管焊接设备能够在焊接过程中达到精确有效的全自动控制。

本发明装置的机械部分的设计中：采用的伺服电机精确控制机头和基管，同时配有编码器的半闭环反馈；进钉机构采用链式叶片半自动输送钉结构，同时设计了自动定量焊剂送给***；自动焊接机头采用双气缸联动结构；针对本设备中的气动执行元件的不同工作条件和形式设计了气动回路，并根据所驱动负载和所需要的运动速度确定气动回路各个元件的参数规格。设计了基于PLC的电气控制的***，包括硬件部分和软件部分的设计，采用PLC与全数字交流伺服驱动器及光电编码器组成一个高精度的角度与位移的双重位置控制***。

该装置能够精确的控制焊接时间，确保引弧在0.7s、保压在0.3s、送焊剂在0.5s下完成，在保证焊接参数稳定的前提下，焊接速度达到20-22个/分钟，并克服了夹渣、焊瘤、气孔等焊接缺陷的发生。改发明适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的焊接。

本发明的具体优点：1设计的机械结构采用气压驱动上钉，液压驱动对中技术，有别于以往采用普通数控机床设计的思想，结构新颖。2实现了焊剂自动定量送给。3该方法适用于圆柱形、滴形、菱形等大直径钉头和大直径光管的焊接。

附图说明：

图1为本发明的总体结构图；

图2为本发明的钉头管自动送钉及对中机构的结构图；

图3为本发明的钉头自动装卸***的结构图；

图4为本发明的焊接***中连接焊枪的双气缸联动结构示意图；

图5为本发明的焊接***中连接出焊剂口的焊剂自动定量送给***的结构示意图；

图6为本发明的执行元件的气动回路图；

图7为本发明的整体结构的控制流程框图；

图8为本发明的PLC控制器的***接线图；

图9为本发明的操作面板设计图；

图10为本发明的***主电路图；

图11为本发明的采用伺服***的结构组成说明图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

在图1-11中，1辅助托盘，2传送链，3送钉电动机，4传动齿轮，5出钉孔，6焊剂箱，7送剂电机，8焊枪，9出焊剂口，10焊剂管道，11第四气缸，12第五气缸，13第三气缸，15油缸，16顶进机构，17夹紧卡盘，18支撑块，19带传动轮，油箱20，21支架，22第二伺服电机，23第二伺服驱动器，24第一伺服电机，25焊接机头，26机头传动***。27第一气缸，29钉头管。

如图1所示，本发明提供一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，所述设备包括钉头自动装卸***、焊接***、钉头管自动送钉及对中机构、焊剂自动定量送给机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸***、焊接***和钉头管自动送钉及对中机构连接；所述焊接***和钉头自动装卸***设置在钉头管自动送钉及对中机构的同一侧并在使用的时候可以沿钉头管轴向移动。

所述焊接***和钉头自动装卸***通过可移动的焊接机头25设置在自动送钉及对中机构的同一侧，如图11所示，焊接机头25连接至机头传动***26，机头传动***26连接至第一伺服电机24，第一伺服电机24通过第一伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第一伺服电机24的输出端与第一伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述焊接机头25的移动方向的两侧设置有左右限位开关，左右限位开关连接至PLC控制器，从而保证焊接***和钉头自动装卸***在使用的时候可以沿着顶头管的轴向准确移动。

如图3所示，所述钉头自动装卸***为送钉托盘机构，该机构主要包括辅助托盘1和连接辅助托盘的第一气缸27；在所述辅助托盘1上设置有送钉电动机3和传送链2，传送链2通过传动齿轮4围绕在辅助托盘1的四周，所述传送链2连接至送钉电动机3上的驱动齿轮，这样一来通过电动机3的转动就可以带动传送链2传动，从而带动钉头传动；在所述辅助托盘1的底部、传送链2的传送路径对应的位置上设置有出钉孔5，这样一来当传送链2将钉头送到出钉孔5上方位置的时候，就会自动出钉；所述送钉电动机3连接至PLC控制器；所述焊接***包括焊剂箱6、送料电机7、焊枪8和出焊剂口9，所述焊剂箱6通过焊剂管道10连接至出焊剂口9，在出焊剂口9的下方设置有第四气缸11，所述送料电机7设置在焊剂管道10与焊剂箱6之间，用来控制焊剂箱6的开闭，以达到控制送料的目的；所述焊枪8上连接第五气缸12，在所述焊枪8与第五气缸12之间设置有联动杆，联动杆还连接至第三气缸13；该处利用双气缸联动的方式完成功能要求，用同一根联动杆，使联动杆能带动焊接机头向同一个方向运动。所述焊枪8设置在出焊剂口9的旁边，这样一来就能实现同步焊接的目的；所述送料电机7连接至PLC控制器。焊接***中还包括焊剂定量装置。送料电机7形成自动给料装置。这个***主要完成的是给焊接过程自动进给焊剂，同时定量给出。

辅助托盘1为存放钉头用，方便人工将钉头摆放到位。送钉电动机2主要是带动主动轮将回转运动传给传送链2，其传动比1∶20～1∶50，完全满足生产的效率要求。第一气缸27主要作用是将辅助托盘1推入到位，提供有利上钉位置和推出复位，让出施焊位置。

如图6所示，所述第一气缸2、第三气缸13、第四气缸11和第五气缸12均各自连接无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀，无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀并联后共同连接至电磁阀，电磁阀与气泵连接；所述电磁阀连接至PLC控制器。

所述第一气缸2、第三气缸13和第四气缸11上均设置有气缸磁感应形成开关，气缸磁感应形成开关连接至PLC控制器，气缸磁感应形成开关就会将气缸位置信号传送至PLC控制器。

如图2所示，所述钉头管自动送钉及对中机构主要包括两个可以相互靠拢的夹紧卡盘17、油缸15、三相异步电动机、齿轮泵和带传动轮19；所述油缸15固定在支架21上并连接至齿轮泵，齿轮泵与三相异步电动机及油箱20连接，油缸15的伸缩端通过可以在支架21上移动的滚轮式的顶进机构16连接至其中一个卡盘17上，另一个卡盘17通过支撑块18连接至带传动轮19，支撑块18固定在支架21上；本设备采用的是滚轮式的顶进机构，即滚轮在床身的型钢面上滚动而产出轴向移动。这样就抛弃传统的滑动导轨运动方式，变滑动为滚动，使运动时摩擦力大大减少，其工作原理就是通过三相异步电动机和齿轮泵带动油缸15伸缩，使得滚轮式的顶进机构推动其中一个卡盘17移动，从而将两个卡盘17之间的顶头管被夹紧定位，而所述带传动轮19连接至第二伺服电机22，第二伺服电机22通过第二伺服驱动器23连接至PLC控制器；所述第二伺服电机22的输出端与第二伺服驱动器23之间连接有光电编码器；所述三相异步电动机连接至PLC控制器；这样PLC控制器控制第二伺服电机22带动带传动轮19转动从而带动钉头管29旋转，实现焊接过程。

卡盘17是车床中所使用的定心精度较高的三爪卡盘，三爪卡盘的原理是通过油缸推动卡盘上的滑块来旋转锥齿轮，锥齿轮带动平面矩形螺纹，然后带动三爪向心运动，因为平面矩形螺纹的螺距相等，所以三爪运动距离相等，有自动定心的作用。液压卡盘的工作原理主要是依靠装在主轴尾部的回转油缸内活塞的往复运动带动主轴孔内的拉杆将力传递给液压卡盘。然后再通过卡盘内部的扇形齿轮推动卡爪背部的齿条，使卡爪沿径向运动将工件加紧。欲将工件放松时，也就是回转油缸内的活塞反向运动，传动原理同上。

如图6所示，压缩空气经T型接头，一路通过电磁阀YV5直接给第一气缸，一路分别通过电磁阀YV1～YV4分别给第二气缸、第三气缸13、第四气缸11和第五气缸12，图中字母A、B、C和D所表示的分别为第二气缸、第三气缸13、第四气缸11和第五气缸12。

钉头管自动焊接的控制由可编程控制器PLC、按钮、2个限位开关、3个气缸磁感应行程开关，接触器，继电器，2台交流伺服电机以及与之相匹配的伺服驱动器，一台三相异步电动机，2台单相电容运转异步电动机(送料电机7和送钉电动机3)组成的。

如图8所示，PLC的电源由拖动***主电路电源提供，PLC的输入信号电源由PLC内置用户开关状态检测电源(24Vdc)提供。由于选用的传感器为NPN型，即设置为漏型输入方式，所以将PLC端子排上的S/S端子与+24V端子相连。而PLC的输出驱动电源由外加的开关电源提供+24Vdc电。其中传感器的连接简化成如图所示，实际应是3条线，分别接24V，0V和PLC的输入端子。

在所述的PLC控制器上连接有操作面板。操作面板如图9所示。

操作面板的设计属于控制***的硬件设计，它是PLC的输入设备，按钮的动作直接与PLC的输入点相连接。根据钉头管自动成套埋弧螺柱焊接设备的使用和加工要求，它的操作面板设计见图9所示：

硬件***的主电路图如图10，QF1空气开关，SB1停止按钮，SB2启动按钮，HL为电源指示灯。M1为液压***电机也就是三相异步电动机，DRV1和DRV2为伺服电机驱动器并且为伺服电机供电，SM1和SM2为交流伺服驱动电机，M2为自动送焊剂机构电机也就是送料电机7，M3为送钉电动机3，驱动PLC负载的直流电源是通过开关电源提供的24VDC电流，而PLC的供电电源是交流220V电。

如图11所示，本伺服***中有两个永磁交流伺服电机，他们都选用带减速机，利用机械传动完成其相应的动作。

该发明在使用的时候，通过操作面板控制PLC控制器，以控制焊接***和钉头自动装卸***沿钉头管的轴向移动，钉头自动装卸***也在PLC控制器的作用下自动提供钉头，焊接***实现焊接，而钉头管自动送钉及对中机构在PLC控制器的作用下控制钉头管的转动以实现全方位焊接，控制焊接***和钉头自动装卸***移动方向两侧的纤维开关，随时对前进方向进行信息采集，并将信息传输至PLC控制器，以实现移动路径的准确性；而气缸磁感应形成开关则会随时将气缸的信息反馈至PLC控制器，以实现对所有气缸的准确控制。

试验及测试结果：

采用本发明研制的钉头管自动成套埋弧焊接设备进行钉头管焊接试验。试验条件及参数如下：

钉头管基管材料：Q235；

钉头材料：Q235；

基管参数：直径Φ219mm、壁厚10mm、长度5m、质量425kg；

钉尺寸：直径12mm，长度25mm；

表1实验条件及参数

表2焊着率测定结果

通过试验表明，改发明设备所焊钉头合格，设备运行正常。

Claims (7)

1.一种钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述设备包括钉头自动装卸***、焊接***、自动送钉及对中机构和PLC控制器；所述PLC控制器与自动装卸***、焊接***和自动送钉及对中机构连接；所述焊接***和钉头自动装卸***设置在自动送钉及对中机构的伺一侧并在使用时可以沿钉头管轴向移动。

2.根据权利要求1所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述焊接***和钉头自动装卸***通过可移动的焊接机头(25)设置在自动送钉及对中机构的同一侧，焊接机头(25)连接机头传动***(26)，机头传动***连接至第一伺服电机(24)，第一伺服电机(24)通过第一伺服驱动器连接至PLC控制器；所述第一伺服电机(24)的输出端与第一伺服驱动器之间连接有光电编码器；所述焊接机头(25)的移动方向的两侧设置有左右限位开关，左右限位开关连接至PLC控制器。

3.根据权利要求2所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述钉头自动装卸***为送钉托盘机构，该机构主要包括辅助托盘(1)和连接辅助托盘的第一气缸(27)；在所述辅助托盘(1)上设置有送钉电动机(3)和传送链(2)，传送链(2)通过传动齿轮(4)围绕在辅助托盘(1)的四周，所述传送链(2)连接至电动机(3)上的驱动齿轮；在所述辅助托盘(1)的底部、传送链(2)的传送路径对应的位置上设置有出钉孔(5)，所述送钉电动机(3)连接至PLC控制器；所述焊接***包括焊剂箱(6)、送料电机(7)、焊枪(8)和出焊剂口(9)，所述焊剂箱(6)通过焊剂管道(10)连接至出焊剂口(9)，在出焊剂口(9)的下方设置有第四气缸(11)，所述送料电机(7)设置在焊剂管道(10)与焊剂箱(6)之间；所述焊枪(8)连接第五气缸(12)，在所述焊枪(8)与第五气缸(12)之间设置有联动杆，联动杆连接至第三气缸(13)；所述焊枪(8)设置在出焊剂口(9)的旁边；所述送料电机(7)连接至PLC控制器。

4.根据权利要求3所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述第一气缸(27)、第三气缸(13)、第四气缸(11)和第五气缸(12)均各自连接一组无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀，无杆侧单向节流阀和有杆侧单向节流阀并联后共同连接至电磁阀，电磁阀与气泵连接；所述电磁阀连接至PLC控制器。

5.根据权利要求4所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述第一气缸(2)、第三气缸(13)和第四气缸(11)上均设置有气缸磁感应形成开关，气缸磁感应形成开关连接至PLC控制器。

6.根据权利要求1所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述钉头管自动送钉及对中机构主要包括两个可以相互靠拢的夹紧卡盘(17)、油缸(15)、三相异步电动机、齿轮泵和带传动轮(19)；所述油缸(15)固定在支架(21)上并连接至齿轮泵，齿轮泵与三相异步电动机及油箱(20)连接，油缸(15)的伸缩端通过可以在支架(21)上移动的滚轮式的顶进机构(16)连接至一个卡盘(17)，另一个卡盘(17)通过支撑块(18)连接至带传动轮(19)，支撑块(18)固定在支架(21)上；所述带传动轮(19)连接至第二伺服电机(22)，第二伺服电机(22)通过第二伺服驱动器(23)连接至PLC控制器；所述第二伺服电机(22)的输出端与第二伺服驱动器(23)之间连接有光电编码器；所述三相异步电动机连接至PLC控制器。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的钉头管自动成套埋弧焊接设备，其特征在于：所述的PLC控制器连接操作面板。

Images