将焊丝包装在存储卷筒内的方法和装置 本发明涉及将小直径的焊丝包装在大的存储容器或卷筒上的技术领域，本发明尤其涉及将焊丝紧密包装在存储卷筒上，以增加卷绕在存储卷筒上的焊丝的量，同时又不影响从容器输出的产品之最终使用，以用于大量产品的焊接。
具有自然“弹开(cast)”性的小直径焊丝一般以一卷轴的形式被包装在一个大容器内。这就意味着：在自由状态下，焊丝将会沿大体上的直线展开。本发明将具体参照以一个大卷轴的形式被存储的自然弹开式的焊丝进行说明，该卷轴上包括形成多层焊丝的圆圈。在使用过程中，焊丝最终通过用于容纳卷轴的容器之上部从卷轴的内径处被放出。
当进行自动焊接或半自动焊接(包括机器人焊接)时，大量的焊丝基本上以无扭转、无变形、无倾斜的状态被连续输送到焊接操作，从而使焊接操作能够长时间地均匀进行，不需要人工干预和/或检查。在这种焊接过程中，一项困难的工作就是确保输送给焊接操作的焊丝以无扭转或低扭转地状态被进给，从而使焊丝以预定的自然状态展开的倾向不会对平滑均匀的焊接产生不利影响。为完成这项任务，焊丝必须制成有自然弹开或低扭转的状态。这就意味着：如果焊丝的一部分被截成一长段并放置在地板上，那么焊丝所表现出来的自然形状就会是大体上的直线。焊丝在一个大容器(一般为卷筒)内被卷绕成一个卷轴，该大容器内容纳着几百磅用于自动或半自动焊接的焊丝。在将焊丝放置在容器中的过程中，当其以非自然的圆圈被卷绕，从而使焊丝相对其自然状态产生变形时，保持焊丝处于直线或无扭转状态的自然趋势将使焊丝可略微“活动”。为此，对将焊丝放置在容器内作出了巨大的努力，目的是使焊丝能够以低扭转状态供给自动或半自动焊接操作。如果焊丝未被正确地装填在容器内，那么消耗大量焊丝和大量时间的大量的焊接操作就会不均匀，而且需要高成本的再处理工艺。该问题必须由焊丝的制造商来解决，因为制造商们将焊丝包装成一个大卷轴，该卷轴可为自动或半自动焊接操作供给焊丝。
近年来，存在一种朝向具有更大存储能力的更大包装的方向发展的趋势。大包装将会减少焊接过程中更换供给容器所需的时间。不断增长的对更大供给容器的需要与不干扰焊丝的自然滑移或不与相邻匝的焊丝扭绞在一起而平滑拉出焊丝的能力背道而驰，而且这种需要还进一步降低了平滑拉出焊丝的能力。因此，用于焊丝卷轴的大容量存储供给容器必须按如下方式构造：确保在焊丝进给到焊接操作过程中不产生任何突然故障。必须保证容器的放出装置或抽出装置在焊丝以直线形式输送到焊接操作的过程中，不加入甚至非常小的变形。保证不存在小变形的第一步在于：以允许焊丝从容器中以最佳状态被拉出的方式将焊丝放置在容器内。
存储在供给容器内的焊丝以从底部到顶部设置有多层焊丝圈的卷轴之形式存在。卷轴的内径小于容器的直径。由于焊丝本身所固有的刚性，使得形成多层焊丝的焊丝圈连续处于在使焊丝圈直径变大的力的作用下。为产生这种倾向，焊丝以最佳圆圈直径设置于供给容器内，该最佳圆周直径小于供给容器的内径。一般情况下，圆周直径要比卷筒的内径小15％。
焊丝从制造工艺中拉出，其通过多个张力调节辊被输送，并被邻近存储容器的绞盘所牵引。焊丝从绞盘被输送到可转动的卷盘，该卷盘为一圆筒形的管体，该圆筒形管体在底部设置有一开口，或沿邻近底部的缸体设置一开口。焊丝通过管体从开口伸出，焊丝在开口之上放置于存储容器内。
卷盘延伸到存储容器内并绕一轴线旋转，该轴线平行存储容器之轴线。焊丝通过绞盘输送到卷盘内，并以不同于卷盘的转速输送。卷盘之转速与绞盘之转速的比率决定了存储容器内焊丝圆圈的直径。当焊丝被卷绕在存储容器内时，其重量将会使存储容器逐渐向下移动。当存储容器向下移动时，卷盘继续旋转，从而使存储卷筒被装载至达到其容量。对于放置在存储卷筒内的每整圈焊丝，存储卷筒都以几分之一圈的增量作递增旋转。这就使焊丝圈的切线部分与存储容器的内径的一部分相接触，而焊丝圈的另一侧则距存储容器的这侧有一定的距离。这可通过使卷盘相对存储容器之中心线移动焊丝圈与存储容器之直径差的1/2来实现。
在现有技术中，给存储容器装载的方法如图6所示。这种将焊丝装在存储卷筒内的方法对焊接过程中有效拉出焊丝具有非常重要的作用。但从图7和8中可看到，这种方法也将在容器内形成松密度的焊丝包装。根据相对存储容器所用焊丝的直径，焊丝沿存储容器的边缘部分与邻近卷轴空腔的卷轴本身的内径相比具有较高的密度。这是因为沿容器边缘卷绕的焊丝要比沿卷轴空腔卷绕的焊丝更多。在焊丝间形成的网状效应使焊丝能够无缠结或无扭转地从容器内被拉出，松密度包装意味着在焊接过程中更加频繁地产生间断。由于在焊接过程中需要更换和手工干预供给容器，因此，在焊接过程中将产生更多的停机时间，并需付出更多的劳动。
本发明的目的是提供一种将焊丝紧密包装在存储容器内的方法和装置，本发明的方法和装置能够克服现有方法和装置的缺陷。
具体而言，本发明用于将更多的焊丝包装在更小但更致密的包装容器内，同时又不影响在自动或半自动焊接工艺中平滑拉出焊丝的能力。用于紧密包装焊丝的装置包括：用于从制造工艺拉出焊丝的绞盘；一可绕第一轴线转动的卷盘，用于容纳源于绞盘的焊丝；一转盘，用于支撑焊丝的存储卷筒。将焊丝包装在存储卷筒内是通过以第一转速旋转卷盘并以第二转速旋转绞盘以确定焊丝圈的直径而实现的。转盘以第三转速绕一轴线转动，在一最佳实施例中，该轴线平行于第一轴线。一般地，对于每圈卷绕在存储卷筒内的焊丝而言，转盘都会转动一圈的几分之一，从而使焊丝圈周边的一部分与存储卷筒的内表面接触。通过使转盘转动一圈的几分之一，可确保卷绕在存储卷筒上的下一圈焊丝将沿存储卷筒的内部在第二位置上与存储卷筒的内表面接触，其中第二位置邻近上一圈之第一位置。重要的是，在焊丝卷绕在存储卷筒上的过程在顺序的步骤中，一转换位置装置使存储卷筒和可转动的卷盘移动。最好使用换位装置使可转动的卷盘将焊丝从存储卷筒内的不同位置卷绕在存储卷筒内，从而克服现有技术中的许多缺陷。具体地说，本发明通过避免焊丝在容器内相对同一转轴放置而使焊丝更紧密地卷绕在容器内。通过周期性改变容器内焊丝圈的直径和换位步骤而使本发明得到进一步改进。最终的效果是容器内产生成纹层焊丝，每层都在容器内的不同于相邻层的径向位置有一最大密度。换位步骤和/或改变焊丝圈的直径可保证：与现有技术的装置相比，焊丝的容器被更加紧密地包装，从而将更多的焊丝存放在相同容积的容器内。
在本发明的最佳方法中，用于将焊丝紧密包装在存储卷筒内的绞盘设置于存储卷筒之上，并以预定的转速旋转，以将焊丝从制造工艺中拉出。卷盘设置于第一轴线上，该第一轴线最好垂直于绞盘的转轴。卷盘以不同于绞盘的转速旋转。绞盘的转速与卷盘的转速之比决定了卷绕在存储卷筒内的焊丝圈的尺寸。焊丝从绞盘输送到卷盘，卷盘插入存储卷筒内。存储卷筒支撑在一转盘上，卷盘每转动一整圈，转盘则转动一圈的几分之一。卷盘和转盘最好绕平行的轴线转动。当焊丝圈周期性地卷绕时，焊丝卷筒和卷盘之一将从一第一位置沿垂直于转盘之转轴的直线移动到沿纵向距第一位置有一定间距的第二位置上。第一或第二转速也可随这种移动步骤而改变，这样就改变了比率，从而改变卷绕在存储卷筒上焊丝圈的直径。另外，根据一最佳实施例，这种换位步骤包括相对第一轴线移动焊丝卷筒，该位移为转盘转数的函数。这样就在容器内产生成纹或成层效应，以允许焊丝的紧密包装。
这样，本发明的一个目的在于：提供一种焊丝存储卷筒，与现有技术相比，这种焊丝卷筒上可卷绕更多的焊丝。
本发明的另一目的是提供一种小型的焊丝存储卷筒，在自动或半自动焊接过程中，这种存储卷筒只需要较少的停机时间和较少的劳动。
本发明的又一目的在于：提供一种能够在较小的空间内存储更多焊丝的焊丝存储卷筒，从而与现有技术相比，仅需要较小的仓库空间。
本发明的再一目的是提供一种将焊丝紧密包装在存储卷筒上的装置，从而形成更紧密包装的存储容器。
本发明的另一目的在于：提供一种将焊丝紧密包装在存储卷筒上的方法，该方法在焊接过程中不影响平滑拉出焊丝的能力。
本发明的又一目的在于：在焊接过程中减少更换焊丝存储卷筒容器所需的停机时间和劳动成本。
在阅读和理解下面的详细说明后，本领域的技术人员将会清楚本发明的这些目的及其它目的。
本发明可体现在某些部件或部件的配合上，现参照附图，对本发明之最佳实施例进行详细说明，附图中：
图1为根据本发明之包装系统的正视图；
图2A为图1之下半部分的正视图；
图2B为图1之上半部分的正视图；
图3为沿图2A之剖面线3-3的平面视图；
图4为转盘沿图2A之剖面线4-4的正视图；
图5示出了根据本发明之装满焊丝的存储卷筒；
图6是根据现有技术的放置焊丝之方法的平面视图；
图7为一局部剖视图，该图示出了现有技术中包装焊丝的密度变化；
图8为一局部剖视图，该图示出了现有技术中包装焊丝的密度变化；
图9A和9B示出了根据本发明形成单一圆圈直径层的步骤；
图10A和10B为根据本发明形成单一圆圈直径层之步骤的另一实施例；
图11A为如图9A和9B所示的形成焊丝圈直径的方法之示意图；
图11B为如图10A和10B所示的形成焊丝圈直径的方法之示意图；
图12为一局部剖视图，该图示出了图9-11所示的交变焊丝层的效果；
图13为一局部剖视图，该图示出了不同焊丝层的另一实施例。
参照附图，其中附图仅用于说明本发明，并非是对本发明的限制，图1示出了一卷筒卷绕系统10，该卷绕系统10从制造工艺(未示出)中拉出连续焊丝11。焊丝11被绞盘12拉出，绞盘12被一焊丝进给电机14所驱动，该电机14与用于驱动皮带15的皮带轮16相连接。可以看到，焊丝通过一系列张力调节辊17a、17b和17c被抽出，其中张力调节辊17a、17b和17c用于保持焊丝11在制造工艺与绞盘12之间的张力。从图1和2B中可看到，焊丝相对绞盘12卷绕270°。这样，就形成了合适的摩擦和驱动能力，以经过张力调节辊17a、17b和17c将焊丝11拉出。焊丝11被输送到一可转动的卷盘21，该卷盘21悬挂在卷绕梁22上。可转动的卷盘21在悬挂于卷绕梁22上的轴承箱23内转动。可转动的卷盘21包括一卷绕管24和一枢轴25，枢轴25可被凸缘26及分别设置于轴承箱23之顶端和底端的顶部轴承和底部轴承27和28旋转支承。应该理解：枢轴25包括用于与轴承27和28接触的一外圆筒表面31和一内圆筒形表面32，表面32限定一中空轴的内部，以允许焊丝11从绞盘12通向卷绕管24。
一皮带轮33在轴承箱23之下用键固定在枢轴25的外圆筒形表面31上。一个对应的皮带轮34从焊丝层的驱动电机36之轴35伸出。一皮带37连接着皮带轮33和34，以便使焊丝层的驱动电机36驱动枢轴部分25，同时驱动可转动的卷盘21。
控制板41控制着焊丝层驱动电机36和焊丝进给电机14的速度及这两个电机之速度的比率。电机的速度影响着卷盘21和绞盘12的转速。应该理解：卷盘的转速与绞盘的转速之比决定了焊丝圈的直径大小，如下所述。
扭转管24包括一外圆筒形表面42、一内圆筒形表面43和一基本封闭的上端44，该上端44还包括一内表面45和一外表面46。一相对扭转管24之中心轴线A对中的小孔47在内表面45和外表面46之间延伸。枢轴25的下端延伸通过小孔47，并被位于枢轴25最下端上的小凸缘51所支撑，并通过点焊固定到位。扭转管24的下端包括一沿扭转管24之下端的周边延伸的圆环52。圆环52包括一开口53，在包装过程中焊丝11从扭转管24穿过该开口53。
一转盘54被旋转支撑在转盘支架55上。转盘支架55包括一导轨56、一动力缸体57和一L形的横梁部分58。如上所述，转盘支架55允许转盘在支架上转动，具体地说，是允许转盘在L形横梁部分58的水平横梁61上转动。应该理解：当焊丝11的重量被转移到存储卷筒62内时，一与橡胶导轮64相连接的垂直梁架部分63将向下跨在导轨56上，如图中的H梁所示。这样，当存储卷筒62内被加载时，L形横梁部分58将向下跨在导轨56上。
垂直梁架部分63包括一横臂65，该横臂65从垂直梁架部分63向外延伸，并通过销67可转动地连接到活塞杆71的外端68上，而活塞杆71为增压缸体部件72的一部分。增压油缸部件72包括一增压缸体73。应该理解，油缸73以如下方式被压缩：当存储卷筒62空载时，缸体73处于平衡状态，而且L形横梁部分58位于导轨56的最高位置上。当存储卷筒62上装满焊丝11时，放置在转盘54上的附加重量将使活塞杆71以受控地沿导轨56下降的方式向下延伸，如箭头X所示。缸体73内的压力以重量与压力的预定比率为基础。这种受控下降可使焊丝11在存储卷筒62内从邻近转盘54的存储卷筒62之底部移动到存储卷筒62的顶端。这样，在最佳实施例中，可转动的卷盘21不会沿垂直方向移动，代之以转盘54沿平行于扭转管24之中心轴线A的垂直方向移动。
转盘54可以类似于扭转管24的方式被旋转驱动。一轴承箱84被安装在L形梁架部分58的水平横梁61上。一枢轴部分85从转盘54向下延伸，并可通过轴承86和87自由转动。根据本发明，枢轴85为一圆筒体，其包括一外圆筒形表面88和一内圆筒形表面89，其用途如下所述。一带齿的皮带轮92通过键固定在枢轴部分85的底端上。带齿的皮带轮92通过一皮带94与带齿的皮带轮93相连接。带齿皮带轮93通过一齿轮箱96被一转盘电机95驱动。转盘电机95基本从扭转管24降低转速，其目的在于当扭转管24转动一圈时，转盘54仅转动一圈的几分之一。
从图2A、图3和图4中可看到，转盘54包括一底部平台101，该平台可通过枢轴85之顶端的键102被旋转驱动。从图4中可看到，一滑板103通过一个大键槽104装配在转盘54的底部平台101上，大键槽104在滑板103的底部切出。底部平台101的一个键106卡住滑板103。滑板103能够通过键槽104在键106上的滑动而相对底部平台101移动。应该理解，键106和键槽104可涂敷有相对光滑的表面，例如尼龙或类似物。另外，键106的支承表面107可设置有导轨和滚珠轴承或其它类型的轴承(未示出)，以有利于滑板103与底部平台101之间的运动。
可通过转换位置的装置与滑板103的配合动作而使滑板103产生移动。转换位置的装置最好是一个向下悬挂在转盘54上的活塞和缸体组件110。活塞和缸体组件110分别包括两个基本相同的活塞杆和活塞111和112，活塞杆和活塞111和112通常同时与一驱动杆114连接。每个活塞杆和活塞111和112距转盘54的枢轴85保持相等的距离，并且一般平行键106和键槽104相对移动的方向，如图3所示。
现在对活塞杆和活塞111作出说明。应该理解：活塞杆和活塞112在附图中是相同的，并以相同的附图标记表示。活塞杆和活塞111包括可转动地连接到托架116上的活塞部分115，其中托架116通过一枢销117向下悬挂在底部平台101上。活塞杆部分118从活塞部分115的相对端延伸到部件121，部件121内固定着驱动杆114。驱动杆114一般垂直于活塞杆部分118延伸，并与从活塞杆和活塞112伸出的相同部件121连接。在部件121之间，驱动杆114在杠杆下端112处与杠杆122连接。在杠杆122的中部124处，杠杆122通过一销125可转动地与从底部平台101的底端伸出的支架126相连接。在杠杆122的上端127处，杠杆122通过一销128可转动地与滑板103连接。从图4中可清楚地看到，杠杆122可以分别通过底部平台101和滑板103上的对中槽131和132从底部平台101延伸到滑板103。活塞杆和活塞111和112都可被空气驱动。一空气源(未示出)在枢轴部分85的底部与空气输送管133连接。内圆筒形表面89用作空气通道，空气源通过该通道被向上输送到空气进给管134和135(见图3)，空气进给管134和135与缸体的入口136相连接。根据上述的设置，应该理解：空气源能够驱动活塞杆和活塞111和112的活塞杆部分118，而活塞杆部分118又驱动杠杆122，以使滑板103和键槽104沿水平方向相对键106和底部平台101移动。这种设置可以在不影响转盘54和底部平台101的转动性能的前提下实现滑动。一完全包装好的存储卷筒62如图5所示。
本发明允许将存储卷筒62安装在转盘54上，具体地说，是用钢夹137将其安装到滑板103上，并根据图9-13所示的方法被装填。可以看到，焊丝11通过扭转管24绕轴线A的转动被卷绕在存储卷筒62内。扭转管24的转动如图9-11中的箭头C所示。应该理解，扭转管的轴线A偏离存储卷筒62的中心轴线B。
在如图9和10所示的实施例中，采用了一个20英寸的存储卷筒62。扭转管24每转动360°，就卷绕一直径为165英寸的焊丝圈。同时，转盘54产生一圈的几分之一的转动，最好沿箭头M所示的转动方向转动1至2°。在存储卷筒62内所形成的花纹如图9B所示。当存储卷筒62转动9-10圈之后，焊丝圈的直径将被改变。使用控制板41，改变绞盘12与可转动的卷盘21之间的相对转速，从而改变焊丝圈的直径。如图10A和10B所示，一15.5英寸的焊丝圈被卷绕成一完整的360°的焊丝层，这是由转盘54在扭转管24转动约323次，以卷绕323个15.5英寸的焊丝圈过程中转动一整圈形成的。如果奇数的16.5英寸的线圈(图9A和9B)或15.5英寸的线圈继续从存储卷筒62的顶部卷绕到底部，那么其横截面将会形成如图7(16.5英寸的线圈)或图8(15.5英寸的线圈)所示的花纹。利用图6所示之转动方法形成的图7和8之横截面示出了在存储卷筒62最外面的边缘上焊丝的密度较大，而在朝向存储卷筒62之中心轴线B的方向上密度较小。
本发明的活塞杆和焊丝111和112允许存储卷筒62之中心轴线B相对扭转管24的静止中心轴线A移动。如图11A和11B所示，这种移动以及绞盘12和扭转管24之间转速比率的调节都将使存储卷筒62内的卷绕花纹产生变化。仅改变焊丝圈的直径而不相应地移动存储卷筒62的中心轴线不是最佳的技术方案，因为线圈的直径应该是可在至少一个点与存储卷筒62的内表面正切接触的尺寸。由于焊丝11可略微“活动”，因此如果焊丝未被卷绕在内表面上，焊丝也会向内表面靠拢。如果对焊丝的位移控制较少，那么就不能保证焊丝的平滑抽出。本发明可形成如图9B和10B所示的花纹。
如图12和13所示，本发明可将不同线圈直径的焊丝11卷绕在存储卷筒62内。具有不同线圈直径的交变焊丝层11的卷绕可显著增加存储卷筒62内的包装密度。已经发现：在相同容积的存储容器内通过在该卷筒内增加50％的焊丝卷绕量而使包装密度增加50％。图12示出了图9-11所示的实施例，即，在直径为20英寸的存储卷筒62内卷绕多层焊丝的实施例。可以看到，交替排列的多层直径为16.5英寸的焊丝圈和直径为15.5英寸的焊丝圈被卷绕在直径为20英寸的存储卷筒内。由于每个焊丝圈的直径在距卷筒卷筒之中心线等距离处都具有不同的密度，因此不同的密度和重量起到将焊丝更紧密地卷绕在卷筒62内的作用，而且在相同的容积内将产生较小的无用空间。图13示出了直径为23英寸的卷筒之第二实施例，在该实施例中，焊丝圈的直径在17.25英寸、18.25英寸和19.25英寸之间变化。应该理解，还可形成其它的图案。与现有技术的方法和装置相比，本发明可使每个存储卷筒62的容量增加50％以上。应该理解，可对上述实施例进行修改。最佳密度决定于卷筒的直径和焊丝圈的直径。
已参照最佳实施例对本发明作出了说明。很显然，本领域的技术人员可在阅读和理解说明书的基础上，对本发明作出修改和变化。但本发明包括所有落入其保护范围内的修改和变化。