一种用于修复盾构密封环件的装备及其工作方法与流程

1.本发明涉及激光加工技术领域，是一种以激光熔覆技术为基础，运用机器人的三维度柔性加工优势，用于修复盾构密封环件的装备及其工作方法。


背景技术：

2.随着城市建设的发展，地铁建设成为城市轨道交通行业迅猛发展的一面旗帜。因此地铁隧道盾构机的需求量逐年增加。盾构机是一种集隧道挖掘、加固、衬砌等功能于一体的隧道施工设备，可在地下几十米甚至上百米的位置进行施工。盾构机的主驱动系统被称为盾构机的“心脏”，那么，主驱动的密封环件则为“心脏的隔膜”，以用于阻止泥渣进入主驱动的润滑系统中，对整个主驱动密封系统造成严重的磨损，甚至对盾构机主轴承滚子、滚道及保持架造成损坏。因此，密封环件在实际应用中承受的磨损较为严重，会导致主驱动密封性能不断下降直至失效，因此经常需要进行修复。
3.传统的密封环件修复采用焊机堆焊，该方法效率低，且固定密封环件的设备尺寸固定，不可采用同一台设备对大直径、变直径的盾构密封环件进行修复作业。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种用于修复盾构密封环件的装备及其工作方法，运用机器人的三维度柔性加工优势，实现对大直径、可变直径盾构机盾构密封环件的修复作业。
5.本发明的目的之一在于提供了一种用于修复盾构密封环件的装备，密封环件套设在盾构机主驱动的外侧；该装备包括安装主驱动和密封环件的旋转工作台以及修复密封环件用的修复平台；所述修复平台上设有缺陷识别器、控制系统、机械手、激光熔覆装置以及打磨装置；所述旋转工作台用于支撑不同直径的盾构密封环件；所述缺陷识别器通过采用三维扫描的方式，检测和识别密封环件上的缺陷位置，并传输信息给控制系统；所述控制系统控制机械手的路径、旋转平台的转速以及打磨装置的动作；所述机械手上安装有激光熔覆装置，由机械手控制激光熔覆装置前后上下移动，并通过激光熔覆装置对密封环件缺陷处进行激光熔覆处理；所述打磨装置对旋转中的所述密封环件上凸出的激光熔覆层进行打磨处理，以保证环件表面精度。
6.作为优选的技术方案，所述旋转工作台包括支座，回转架、回转支承、旋转平台和驱动组。
7.所述支座位于整个工作台的底部；所有支座上端通过支座法兰连接有所述回转架，回转架的上端连接有一个圆形的回转支承，所述旋转平台固定在回转支承的上方；所述旋转平台上用于安装不同规格直径的主驱动和密封环件；所述驱动组用于驱动回转支承旋
转，从而带动整个旋转平台旋转。
8.作为优选的技术方案，所述旋转平台的圆形上端面沿轴向设有多个定位主驱动及密封环件的卡口组，每个卡口组包括沿周向均匀分布的多个下沉卡口；待修复的密封环件套设在环形主驱动外侧，所述主驱动的底部设有与所述卡口插接配合的凸块，不同直径的主驱动卡在不同大小的止口上，实现密封环件定位。
9.作为优选的技术方案，在密封环件的内侧设有固定件，所述固定件的底部与其他所述卡口固定，以防止主驱动移位。
10.作为优选的技术方案，不同规格的主驱动使用不同的固定件进行定位；3060、3200规格的主驱动使用卡块进行定位，所述卡块设在主驱动底部凸块所在的卡口内，起到使凸块紧密贴合卡口内壁。
11.作为优选的技术方案，3061规格的主驱动使用卡环进行定位，所述卡环包括与密封环件的内圈贴合的压块，所述压块顶部远离密封环件的一端焊接有压板，压板的另一端设有螺纹孔，所述螺纹孔内设有螺杆，螺杆底部固定在卡口内，螺杆外侧连接有分别位于压板上下两端的螺母。
12.作为优选的技术方案，3060、3061、3200以外规格的主驱动在自身以及密封换件的重力作用下与卡口进行定位。
13.作为优选的技术方案，所述驱动组为任意分布在同一圆周上的两组，驱动组位于回转支承的内侧且二者位置互不干涉；驱动组包括电机、减速机和小齿轮，所述小齿轮与回转支承齿轮啮合，小齿轮的轴心与所述减速机键连接，所述电机与减速机连接，从而为整个驱动组提供动力从而带动回转支承转动。
14.作为优选的技术方案，本发明采用了激光功率》2000w的千瓦级光纤激光器。
15.本发明的另一目的在于提供了上述用于修复盾构密封环件的装备的工作方法，包括如下步骤：s1、工作时，根据主驱动以及密封换件的规格选择合适位置的卡口并通过固定件固定在旋转平台上；s2、开启电机，通过驱动组上的小齿轮带动回转支承旋转，进而带动旋转平台上的主驱动和密封环件旋转；s3、控制系统根据缺陷识别器识别到的缺陷位置，驱动机械手带动其上的激光熔覆装置对密封环件的缺陷表面进行激光熔覆堆焊；监测与反馈控制系统用于对成形过程进行实时监测，并根据监测结果对成形过程进行反馈控制，以保证成形的稳定；s4、激光熔覆后，所述控制系统通过对旋转平台的转速控制以及和打磨装置的联动，实现打磨装置对旋转中的所述密封环件进行打磨，以保证密封环件表面精度。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明满足满足盾构机密封环件表面进行激光熔覆工艺的可实施性，实现对大直径、可变直径的盾构机密封环件的作业，极大的提升了密封环件的性能，能够达到良好的修复效果，并且优于传统的堆焊效果，大大降低盾构密封环件的修复成本及工期。
附图说明
17.图1为本发明装备的整体三维图；
图2为本发明旋转工作台的仰视图；图3为本发明旋转工作台的俯视图；图4为图3的a-a剖视图；图5为3060、3200规格主驱动的与卡块的装配图；图6为本发明驱动组的放大图。
18.图中：1、密封环件；2、主驱动；3、旋转工作台；31、支座；32、回转架；33、回转支承；34、旋转平台；35、驱动组；36、卡口；37、卡块；38、压块；39、压板；310、螺杆；311、减速机；312、小齿轮；313、吊耳；4、修复平台；41、机械手；42、激光熔覆装置；43、打磨装置。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.请参阅图1-6，本发明公开了一种用于修复盾构密封环件的装备，密封环件1套设在盾构机主驱动2的外侧；该装备包括安装主驱动2和密封环件1的旋转工作台3以及修复密封环件1用的修复平台4；所述修复平台4上设有缺陷识别器、控制系统、机械手41、激光熔覆装置42以及打磨装置43；所述旋转工作台3用于支撑不同直径的盾构密封环件1；所述缺陷识别器通过采用三维扫描的方式，检测和识别密封环件1上的缺陷位置，并传输信息给控制系统；所述控制系统控制机械手41的路径、旋转平台34的转速以及打磨装置43的动作；所述机械手41上安装有激光熔覆装置42，由机械手41控制激光熔覆装置42前后上下移动，并通过激光熔覆装置42对密封环件1缺陷处进行激光熔覆处理；所述打磨装置43对旋转中的所述密封环件1上凸出的激光熔覆层进行打磨处理，以保证环件表面精度。
21.优选的，所述旋转工作台3包括支座31，回转架32、回转支承33、旋转平台34和驱动组35。所述支座31数量为多个，位于整个工作台的底部；所有支座31上端通过支座31法兰连接有所述回转架32，回转架32的上端螺纹连接有一个圆形的回转支承33，所述旋转平台34固定在回转支承33的上方；所述旋转平台34的圆形上端面沿轴向设有多个定位主驱动2及密封环件1的卡口36组，每个卡口36组包括沿周向均匀分布的多个下沉卡口36；待修复的密封环件1套设在环形主驱动2外侧，所述主驱动2的底部设有与所述卡口36插接配合的凸块，不同直径的主驱动2卡在不同大小的止口上，实现密封环件1定位；在密封环件1的内侧设有固定件，所述固定件的底部与其他所述卡口36固定，以防止主驱动2移位。
22.具体的，不同规格的主驱动2使用不同的固定件进行定位；3060、3200规格的主驱动2使用卡块37进行定位，所述卡块37设在主驱动2底部凸块所在的卡口36内，起到使凸块紧密贴合卡口36内壁；3061规格的主驱动2使用卡环进行定位，所述卡环包括与密封环件1的内圈贴合的压块38，所述压块38顶部远离密封环件1的一端焊接有压板39，压板39的另一端设有螺纹孔，所述螺纹孔内设有螺杆310，螺杆310底部固定在卡口36内，螺杆310外侧连接有分别位于压板39上下两端的螺母。其余规格的主驱动2在自身以及密封换件的重力作用下与卡口36进行定位。
23.所述驱动组35为任意分布在同一圆周上的两组，驱动组35位于回转支承33的内侧
且二者位置互不干涉；驱动组35包括电机、减速机311和小齿轮312，所述小齿轮312与回转支承33齿轮啮合，小齿轮312的轴心与所述减速机311键连接，所述电机与减速机311连接，从而为整个驱动组35提供动力从而带动回转支承33转动。
24.优选的，所述旋转平台34外侧均匀的设有多个吊耳313，以便于运送。
25.所述缺陷识别器通过采用三维扫描的方式，检测和识别密封环件1上的缺陷位置，并传输信息给控制系统；所述激光熔覆装置42包含激光器、多轴数控机台、送粉系统、监测与反馈控制系统；激光器用于产生并传导激光光束到加工区域；激光作为熔化金属粉末的热源，其性能将直接影响成形的效果。一般而言，激光光束的能量越大，所产生的熔池面积就越大，金属堆积速率就可以越大。但是，熔池面积和金属堆积速率的增大必然导致成形精度的降低。
26.随着光纤激光器的快速发展，由于光束质量非常好，在250w光纤激光器的m2达到1.04（m2值是描述光束质量的一个特征参数，值为1对应高斯模态），优于co2和yag激光，因此能够获得更小的光斑，加工更精细的结构。而其波长（1070nm）与yag激光非常接近，因此金属材料对它的吸收率也较高，而且其光束通过光纤进行传输，加工的灵活性佳。优选的，本发明采用了激光功率》2000w的千瓦级光纤激光器。
27.多轴数控机台是通过数控系统实现激光光束与成形件之间的相对运动；数控系统是激光熔覆系统的另一个必备部分，除了对于数控系统速度、精度等最基本要求之外，另一个主要的问题就是数控系统的坐标数选择。从理论上讲，加工只需要一个三轴（x、y、z）的数控系统就能够满足堆积加工要求，但对于实际激光加工而言要实现任意复杂形状的成形至少需要5轴联动的数控系统（x、y、z、转动轴c、摆动轴d），如果仅仅依靠x、y、z三个运动轴的话，这种结构是不可能成形出来的（没有支撑结构粉末无法堆积到需要的位置），必须要有摆动轴同时运动，即改变堆积生长的方向，已成形的部分作为新的基材。再者熔覆角度直接影响成形尺寸、形状、粉末及激光使用效率。所以，我们采用机械手41加旋转平台34联动的六轴机器人联动模式，能够满足项目实施要求。
28.送粉系统包括送粉机、粉末传送流道和喷嘴：用于将粉末科学合理的传输到熔池。激光熔覆若以粉末运动过程区分可为四个阶段：第一阶段：粉末经由送粉机送出；第二阶段：粉末配合送粉气流经传送流道输送到同轴喷嘴；第三阶段：粉末由同轴喷嘴送出；第四阶段：粉末由喷嘴出口到基材熔池的过程。送粉系统是成形系统中的关键部分，直接决定了成形零件的质量，包括成形精度和性能。具体的，本发明中熔覆速度》400mm/min；熔覆层厚度（每层)》200μm；熔覆层宽度》1200μm；尺寸精度《
±
10%。；熔覆宽度》1.5mm；操作温度10-40℃，湿度《75%，最大压力50psi，最大气体流量4l/min；送粉粒径50-120μm；送粉率0.006-0.06g/s。
29.监测与反馈控制系统用于对成形过程进行实时监测，并根据监测结果对成形过程进行反馈控制，以保证成形的稳定。反馈控制系统是一个很特殊的辅助系统，它的作用主要是收集成形过程中的各种信号，将之与设定的稳定信号相比较，并据此调整工艺参数，使成形过程保持稳定。反馈系统所监测的信号可以是熔池的几何信息，也可以是熔池的温度信号，需根据所监测的信号选择适当的传感器。
30.对于激光熔覆再制造机械加工减材技术，刀盘设计、刀具标准设计和换刀过程的精确控制都是非常重要的。通过机械手41装载的电动主轴换刀，根据减材加工需要选取不
同类型刀具，配合合适加工工艺参数，对熔覆层上多余金属加工并达到密封环件1表面质量和技术要求。具体的，本发明的机械手41重复精度《0.05mm；电动主轴转速》10000rpm；刀具材料t15高速钢，刀盘重复精度《0.05mm；刀具定位精度《0.02mm。
31.上述用于修复盾构密封环件1的装备，其工作方法包括如下步骤：s1、工作时，根据主驱动2以及密封换件的规格选择合适位置的卡口36并通过固定件固定在旋转平台34上；s2、开启电机，通过驱动组35上的小齿轮312带动回转支承33旋转，进而带动旋转平台34上的主驱动2和密封环件1旋转；s3、控制系统根据缺陷识别器识别到的缺陷位置，驱动机械手41带动其上的激光熔覆装置42对密封环件1的缺陷表面进行激光熔覆堆焊；监测与反馈控制系统用于对成形过程进行实时监测，并根据监测结果对成形过程进行反馈控制，以保证成形的稳定；s4、激光熔覆后，所述控制系统通过对旋转平台34的转速控制以及和打磨装置43的联动，实现打磨装置43对旋转中的所述密封环件1进行打磨，以保证密封环件1表面精度。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。