电缆应力锥制造设备以及应用其制造应力锥的方法

技术领域

本发明涉及线缆技术领域，具体地说，涉及一种电缆应力锥制造设备以及应用其制造应力锥的方法。

背景技术

冷绝缘高温超导电缆的电缆本体和绝缘层工作在液氮环境下，电缆终端和接头处所需应力锥也必须工作在液氮环境下。因液氮低温环境因素，应力锥选择高弹牛皮纸进行绕包制作，这种材料和绕包方式可以保证应力锥在制作完成后由常温变为液氮温度时不影响其电气性能。

现有应力锥纸带切割方法和绕包方法为：

1)用手将需要切割的纸带筒旋转为锥体形状。

2)在切割点用胶带进行固定。

3)用电锯将纸筒从切割点进行切割，去除锥体部分，剩下的外部宽，内部窄的内锥型纸筒为绕制应力锥所用纸带筒。

4)用手拿着纸带筒进行手工绕包。

在纸带切割和应力锥的绕制过程中会出现以下问题，例如：

1)因应力锥是锥体结构，绕包所用的高弹纸很难用手工方法切割为标准形状。

2)切割后牛皮纸必须卷为筒状，且纸筒纸带内窄外宽，绕包时容易错位。

3)必须手工进行绕制，绕制时绕包角度和绕包力度不容易把握，容易造成锥面不均匀和纸带绕包力度不均匀，导致应力锥不合格。

4)绕包时必须手动不断调整纸带角度，达到所需应力锥锥体形状，调整角度会使纸带受到变向应力，使应力锥内部出现缝隙，影响应力锥的电气性能。

5)纸带切割边缘不平整，影响电气性能。

针对以上缺陷，暂未提出有效的解决方案。

发明内容

一种电缆应力锥制造设备，包括纸带切割装置、纸带绕包装置以及纸带盒，其中，纸带切割装置包括激光发射单元和激光控制模块，激光控制模块控制激光发射单元将制作应力锥的纸带切割成宽度逐渐变窄的形式并缠绕在纸带盒中，并且纸带绕包装置包括环形轨道、驱动电机以及绕制单元，电缆终端的端头同心地固定在环形轨道内，驱动电机通过绕制单元驱动纸带盒在环形轨道内圆周上移动，以将纸带盒中的纸带绕制在电缆外圆周上，从而缠绕形成应力锥。

优选地，纸带切割装置还包括：放带机构，所述放带机构包括放带转动轴和放带转动轴夹紧单元，缠绕有纸带的纸筒安装在放带转动轴上，并由放带转动轴夹紧单元夹紧；收带机构，包括收带转动轴，所述纸带盒为柱状空腔的圆筒，纸带盒具有进出口以供纸带穿入，纸带盒转动轴同心地穿透纸带盒的两侧，所述纸带盒转动轴与收带转动轴可拆卸地同轴连接，由收带转动轴带动纸带盒转动轴转动，其中，收带转动轴与放带转动轴的轴线平行，安装在放带转动轴上的纸筒的纸带的端头经所述进出口固定在纸带盒转动轴上；长度测量单元，激光发射单元分别位于放带机构与收带结构之间的纸带两侧，激光控制模块根据长度测量单元测量的纸带长度和与纸带长度对应的纸带宽度，控制激光发射单元沿垂直于纸带移动方向变换位置，并发射激光切割纸带，在放带转动轴、收带转动轴共同进行收放纸带的过程中，激光发射单元完成切割作业。

优选地，在纸带绕包装置中，纸带盒内的纸带的端头经所述进出口固定在电缆外周上，绕制单元驱动纸带盒依靠在环形轨道内侧并围绕电缆做圆形轨迹运动，从而在电缆的外圆周上形成应力锥，并且，所述驱动电机的输出轴的轴线与电缆的轴线在一条直线上，所述绕制单元包括摇杆，摇杆的一端与驱动电机的输出轴连接，另一端与纸带盒转动轴连接。

优选地，所述摇杆包括动力杆、传送杆和驱动杆，所述动力杆与驱动电机的输出轴连接，传送杆沿垂直于电缆轴线方向延伸，且传送杆的长度为环形轨道轴线到纸带盒轴线的距离，驱动杆从传送杆的末端开始沿轴线方向延伸，驱动杆的端头与纸带盒连接。

优选地，所述绕制单元包括同心地设置在环形轨道内的环形内轨道，环形内轨道的轴向的一端与环形轨道可转动地连接，驱动电机的输出轴与环形内轨道的轴向的另一端外圆周通过相互啮合的齿传递旋转运动，纸带盒可拆卸地安装在环形内轨道内侧，从而随环形内轨道在环形轨道内旋转。

优选地，在放带转动轴上设置有放线张力控制器，在纸带盒转动轴上设置有收带张力控制器，放带机构还包括放带限位导辊，收带机构还包括收带限位导辊，放带限位导辊与收带限位导辊平行且等高，纸带依次从放带限位导辊、收带限位导辊的下方穿过。

优选地，纸带盒转动轴与收带转动轴连接的一端具有拨动槽，收带转动轴具有与拨动槽相配合的突起，突起插入到拨动槽内，从而带动纸带盒转动轴转动。

优选地，在放带转动轴上具有限制纸筒一端的第一纸筒固定挡板，放带转动轴夹紧单元包括可伸缩的纸筒固定轴，以及设置在纸筒固定轴上的第二纸筒固定挡板，其中，纸筒固定轴伸入纸筒的中空区域使得第二纸筒固定挡板低靠在纸筒的另一端，第二纸筒固定挡板、第一纸筒固定挡板将纸筒夹持固定在放线机构上。

优选地，纸带切割装置还设置有移动轨道，且移动轨道在垂直于纸带行走方向的平面内，各激光发射单元根据长度测量单元测量的纸带的长度数据沿移动轨道移动。

一种应用以上所述的电缆应力锥制造设备制造应力锥的方法，包括如下步骤：

S1，将纸筒安装在放带转动轴上，控制放带转动轴夹紧单元将纸筒夹持在放带转动轴上；

S2，拉拽纸筒上的纸带的端头，并将该端头经所述进出口固定在纸带盒转动轴上；

S3，启动纸带切割装置，在纸带行走的过程中，激光发射单元根据长度测量单元检测的长度数据实时变更位置，将纸带切割成预设的形状，并缠绕在纸带盒内；

S4，将纸带盒取下，并安装在绕制单元上，将电缆的端头与环形轨道轴线同轴地设置在环形轨道中心；

S5，将纸带的端头经所述进出口拉拽出来并固定在电缆外周上；

S6，启动纸带绕包装置，纸带盒依靠在环形轨道内侧围绕电缆完成绕制应力锥。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的纸带切割装置的立体示意图；

图2是表示本发明实施例的放带机构的俯视图；

图3是表示本发明实施例的收带机构的俯视图；

图4是表示本发明实施例的纸带盒的立体示意图；

图5是表示本发明实施例的切割装置的侧视图；

图6是表示本发明实施例的纸带绕包装置的立体示意图一；

图7是表示图6中的摇杆的放大图；

图8是表示本发明实施例的纸带绕包装置的立体示意图二；

图9是图8中的环形轨道与环形内轨道的立体剖视图；

图10是表示本发明实施例涉及的切割后的纸带的展开示意图；

图11是表示本发明实施例涉及的应力锥绕制后的平面示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的电缆应力锥制造设备以及应用其制造应力锥的方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明的电缆应力锥制造设备是用于将制作应力锥的纸带切割成宽度逐渐变窄的形式，并通过绕包机构绕制在电缆外圆周上，形成应力锥，其包括纸带切割装置、纸带绕包装置以及纸带盒，其中，纸带切割装置包括激光发射单元和激光控制模块，激光控制模块控制激光发射单元将制作应力锥的纸带切割成宽度逐渐变窄的形式并缠绕在纸带盒中。并且，纸带绕包装置包括环形轨道、驱动电机以及绕制单元，电缆终端的端头同心地固定在环形轨道内，驱动电机通过绕制单元驱动纸带盒在环形轨道内圆周上移动，以将纸带盒中的纸带绕制在电缆外圆周上，从而缠绕形成应力锥。下文结合图1至图5来说明纸带切割装置，结合图6至图9来说明纸带绕包装置。

图1是本发明实施例涉及的纸带切割装置的示意图，如图1所示，纸带切割装置包括放带机构10、切割机构20和收带机构30以及用于支撑各机构的框架40。框架40包括水平的切割平台403，以及设置在切割平台403的相对的两端的竖立的侧板401、402。其中，两个侧板401之间用于安装放带机构10，两个侧板402之间用于安装收带机构30。在放带机构10和收带机构30之间是用于切割纸带的切割机构20。纸筒安装在放带机构10上，纸带1000经切割机构20切割成预设的形状后缠绕到收带机构30上。

图2是本发明实施例涉及的放带机构的正视图，下面结合图2详细说明放带机构10。如图2所示，放带机构10包括放带转动轴101、放带转动轴夹紧单元103。放带转动轴101和放带转动轴夹紧单元103分别从侧板401相向延伸出来，中空的纸筒安装在放带转动轴101上，放带转动轴101上具有限制纸筒一端的第一纸筒固定挡板106。放带转动轴夹紧单元103从另一侧的侧板401上延伸出来，并可以沿轴线方向伸缩来夹紧纸筒。具体地说，在放带转动轴夹紧单元103的伸出的端部具有第二纸筒固定挡板105、纸筒固定轴104，纸筒固定轴104可以随放带转动轴夹紧单元103的伸缩伸入或离开纸筒的中空区域。纸筒固定轴104伸入纸筒的中空区域使得第二纸筒固定挡板105抵靠在纸筒的另一端，第二纸筒固定挡板105、第一纸筒固定挡板106将纸筒水平夹持固定在放线机构10上，使得纸筒在放带时不会沿轴向窜动。

同样地，在框架40的另一端的侧板402之间安装有收带机构30。图3是纸带切割装置的收带机构30的俯视图。如图3所示，收带机构30包括收带转动轴301、纸带盒302、收带转动轴夹紧单元303。图4是本发明实施例涉及的纸带盒302的立体示意图，如图4所示，纸带盒302包括外壳3021，纸带盒转动轴3022。外壳3021为具有柱状空腔的圆筒，其直径应满足完全容纳应力锥纸带，其宽度大于等于切割前纸带宽度，以便于容纳切割后的纸带。纸带盒转动轴3022同心地穿透外壳3021的两侧侧板，其与两侧的侧板可以是通过例如轴承连接，使得纸带盒转动轴3022可以相对外壳3021转动。纸带围绕纸带盒转动轴3022旋转并缠绕在其上，外壳3021的空腔即是用于容纳缠绕的纸带。并且，外壳3021的部分圆弧状筒壁3024可翻转打开和关闭，即圆弧状筒壁3024的一侧可以通过例如沿平行于外壳轴线方向上设置的合页安装在外壳上。外壳3021打开后，可以将从放带机构10处引来的纸带固定在纸带盒转动轴3022上。并且，该纸带盒302的筒壁上还具有平行于轴线方向的条形的进出口3025，以供纸带从该进出口穿出。纸带盒转动轴3022旋转即可将纸带缠绕在其上。纸带盒转动轴3022的一端设置有拨动槽，而收带转动轴301则从侧板402中延伸出来，与拨动槽可插拔的连接，由收带转动轴301带动纸带盒转动轴3022转动。

收带转动轴夹紧单元303可伸缩，当纸带盒的纸带盒转动轴3022与收带转动轴301插入连接后，收带转动轴夹紧单元303伸出并顶在纸带盒转动轴3022的另一端，将纸带盒安装在收带转动轴301上。收带转动轴与放带转动轴的轴线的高度应使得纸带是水平行走的。

如图5所示，切割机构20包括激光发射单元201、移动轨道202、长度测量单元204，激光控制模块。其中，两个激光发射单元201分别设置在两条平行的移动轨道202上，移动轨道202水平垂直于纸带的行走方向，使得各激光发射单元201可沿垂直于纸带行走方向移动，从而根据预设的纸带宽度变化实时变动位置。激光发射单元201发射激光，可穿透纸带，而纸带不断前行，激光则会对纸带进行切割。其中，激光发射单元发射的激光可以是在同一垂直于纸带行走方向的平面上，以使得两个激光发射单元能够精准的同步切割纸带。当然，激光发射单元发射的激光也可以与纸带垂直交汇，这并不影响纸带的切割。

另外，两个激光发射单元201也可以是设置在同一移动轨道上，可以在移动轨道中部设置限位机构，使得各激光发射单元201仅在其所在一侧的纸带范围内移动，这样可以减少激光发射单元的移动距离。

另外，移动轨道也可以不是水平的，其可以是在垂直于纸带行走方向的平面内倾斜设置的。

长度测量单元204能够测量纸带的长度，并将数据反馈给激光控制模块。激光控制模块可根据长度测量单元反馈的纸带长度，通过控制程序控制激光发射单元在移动轨道上移动相应的距离，保证切割纸带的形状。

可以根据所需绕制应力锥的内径1001和外径1002、应力锥内平面宽度1003、应力锥外平面宽度1004、应力锥正面锥面曲线1005，应力锥背面锥面曲线1006来计算出所需应力锥的绕包纸带长度1007，以及随着纸带长度变化时纸带宽度的相应变化和变化角度。

激光控制模块包括数据处理器、操作面板、控制单元。可以通过操作面板控制纸带切割装置的启动、停机、紧急停止、收放线张力、收放带转动轴的夹紧和放松、收放带转动轴的转速等。数据处理器能够收集长度测量单元204、收放线张力控制器、收放带转动轴夹紧单元反馈的信息，对信息进行处理并反馈给控制单元。控制单元根据操作面板的操作指令对纸带切割装置进行相应控制，并根据数据处理器反馈的数据控制激光发射单元的位移、收放带张力等。

纸带切割应使得沿纸带行走方向，纸带的宽度逐渐变窄，因此，缠绕在纸带盒内的纸带是由里向外宽度逐渐变宽。在进行绕制时，将纸带从纸带盒的进出口中抽出并固定在电缆外圆周上，经纸带绕包装置缠绕在电缆上。

纸带盒里的纸带需要经过纸带绕包装置缠绕在电缆上。纸带绕包装置包括环形轨道、驱动电机以及绕制单元。将电缆终端的端头水平固定在环形轨道的中心，使得电缆轴线与环形轨道的轴线重合。纸带盒安装在绕制单元上，驱动电机为绕制单元提供动力，使得绕制单元驱动纸带盒围绕电缆做圆形轨迹运动，且其圆形轨迹的轴线与电缆和环形轨道的轴线重合。纸带盒的圆周面低靠在环形轨道的内侧滑动，由于纸带盒能够依靠在环形轨道内侧围绕电缆转动，使得纸带盒围绕电缆转动的圆形轨迹稳定，从而在电缆的外圆周上层层缠绕纸带，因为纸带事先切割为宽度逐渐减小的形式，因此，绕包后的纸带形成应力锥。

本实施例的电缆应力锥制造设备通过纸带切割装置自动完成应力锥用纸带的切割，采用激光切割纸带，纸带形状精确，使得应力锥锥度精确。通过纸带绕包装置自动完成应力锥绕制，绕制过程简单，应力锥制作效率大幅提升。

根据绕制单元的形式不同，纸带绕包装置可以有多种形式，下面结合图6、图7来说明两个例子。在一个可选实施例中，如图6所示，纸带绕包装置包括环形轨道501、第一轨道支撑502、第一驱动电机503、驱动电机支架505、摇杆504，其中摇杆504构成绕制单元。环形轨道501轴线水平地支撑在轨道支撑502上部，第一驱动电机503安装在驱动电机支架505上。电缆与环形轨道501的轴线重合，并且其绕包应力锥的位置与环形轨道501处对应。第一驱动电机503的轴线与电缆的轴线在一条直线上。摇杆504的一端与第一驱动电机503的输出轴连接，另一端与纸带盒302连接。其中，根据电缆的外径尺寸，摇杆504是倾斜的，以便与电缆的外径相适应。将纸带的一端从纸带盒中抽出并固定在电缆外圆周上，通过第一驱动电机503驱动纸带盒302在环形轨道501内圆周上移动，从而缠绕形成应力锥。另外，如图7所示，摇杆504也可以是包括动力杆5041、传送杆5042和驱动杆5043三部分。动力杆5041与第一驱动电机503的输出轴连接，传送杆5042沿垂直于轴线方向延伸，传送杆5042的长度为环形轨道轴线到纸带盒轴线的距离，驱动杆5043从传送杆5042的末端开始沿轴线方向延伸，驱动杆5043端头与纸带盒轴向外侧连接。另外，驱动杆5043在传送杆5042上的位置可调，可以根据不同外径的电缆调节驱动杆5043与电缆轴线的距离。其中，第一轨道支撑502和驱动电机支架505都可以水平和竖直移动，以便于调整环形轨道501与第一驱动电机503输出轴的对中。

在一个可选实施例中，绕制单元包括同心地设置在环形轨道501内的环形内轨道506，在环形内轨道506内侧固定有纸带盒固定架507。环形内轨道506和环形轨道501以轴承方式同心连接，具体说，环形内轨道506的轴向的一端与环形轨道501通过滚珠5061形成为轴承式连接形式，环形内轨道506可在环形轨道501内自由旋转。纸带盒固定架507与环形内轨道506固定连接，可将纸带盒302的外壳固定，使纸带盒302随环形内轨道506自由旋转。第二驱动电机509的输出轴与环形内轨道506的轴向的另一端外圆周通过相互啮合的齿508传递旋转运动，从而驱动环形内轨道506在环形轨道501内旋转。可以通过控制第二驱动电机509的转动来控制环形内轨道506的转速、转向。

在一个可选实施例中，纸带盒转动轴3022的拨动槽3026为横截面呈十字形的槽，相应地，收带转动轴301具有与拨动槽3026相配合的十字形突起，十字形突起插入到十字形拨动槽内，从而带动纸带盒转动轴3022转动。

在一个可选实施例中，在放带转动轴101上还设置有放线张力控制器102，对放带转动轴施加张力，并控制放带张力的大小。

在一个可选实施例中，在纸带盒转动轴3022上设置有收带张力控制器，以便控制缠绕在纸带盒转动轴3022上的纸带的张力。

在一个可选实施例中，放带机构10还设置有放带限位导辊107，该放带限位导辊的轴线与放带转动轴101的轴线平行，缠绕在放带转动轴101上的纸筒的纸带的端头先从放带限位导辊下方绕过，再向收带机构30放带。同样，收带机构30设置有收带限位导辊304，从放带机构10过来的纸带从收带限位导辊304下方绕过并进入纸带盒302，与纸带盒内的纸带盒转动轴3022固定。放带限位导辊107与收带限位导辊304平行且等高，从而使纸带在切割平台403上始终保持水平状态，且高度保持不变。

应用以上设备制造应力锥的方法包括以下步骤：

S1，将纸筒安装在放带机构10的放带转动轴101上，控制放带转动轴夹紧单元103的纸筒固定轴104伸入纸筒的中空区域，使得第二纸筒固定挡板105、第一纸筒固定挡板106将纸筒水平夹持固定在放带转动轴101上；

S2，拉拽纸筒上的纸带的端头，并将该端头经进出口固定在纸带盒转动轴3022上；

S3，启动纸带切割装置，在纸带行走的过程中，激光发射单元201根据长度测量单元204检测的长度数据实时变更位置，将纸带切割成预设的形状，并缠绕在纸带盒内；

S4，将纸带盒取下，并安装在绕制单元上，将电缆的端头与环形轨道轴线同轴地设置在环形轨道中心；

S5，将纸带的端头经所述进出口拉拽出来并固定在电缆外周上；

S6，启动纸带绕包装置，纸带盒依靠在环形轨道内侧围绕电缆完成绕制应力锥。

在一个可选实施例中，步骤S1中还包括将纸带盒302安装在收带转动轴301上，具体说，收带转动轴301的十字形突起插入到纸带盒转动轴3022的十字形拨动槽内。

在一个可选实施例中，在放带转动轴101、纸带盒转动轴3022上通过张力控制器控制放带张力和收带张力的大小。

在一个可选实施例中，在步骤S2中，缠绕在放带转动轴101上的纸筒的纸带的端头依次从放带限位导辊107和收带限位导辊304下方绕过再进入纸带盒302。

在一个可选实施例中，由于纸带缠绕时是宽度窄的缠绕在里面，容易发生窜动，因此，可以将纸带切除的部分与用来制作应力锥的部分同步回收到纸带盒外壳内，这样可以使内窄外宽的应力锥纸带筒在外壳有最合适的填充物，不会造成纸带绕包时纸带错位移动。

在一个可选实施例中，纸带绕包时可以将应力锥用纸带和纸带盒内两侧多余纸带同时固定在电缆上，绕包结束后将锥体两侧多余纸带去除，保留有效锥体部分；也可只将应力锥用纸带固定在电缆上，绕包时纸带盒内两侧多余纸带不进行绕包，绕包结束后再进行去除。由于两侧多余纸带对中间的应力锥用纸带具有扶正作用，该绕包方式可以控制绕包张力保持不变，保证绕包角度，改善绕包效果，提高绕包效率。

本发明的电缆应力锥制造设备通过纸带切割装置和纸带绕包装置完成应力锥绕制。纸带切割装置采用可随长度测量装置测量的长度数据变换位置的激光发射单元，对由放带机构和收带机构之间的纸带进行精确切割，能够获得所需应力锥绕制用纸带的形状。并且，采用纸带盒来收集经过切割的纸带，纸带不会散乱、松卷。并且，纸带绕包装置采用环形轨道来辅助绕制单元围绕电缆的圆形轨迹，保证绕包角度以及绕包松紧度合适。

另外，虽然本发明主要是用于电缆应力锥绕制，但是，其纸带切割装置可以适用于其他机械制造领域中切割纸带，或者其他可缠绕的带状物。其绕包装置同样可以适用于其他机械制造领域中在管线等外周缠绕带状物的情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。