CN102107296B - 一种用于激光拼焊的间隙补偿方法及实施该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光焊接领域，具体地说是一种用于激光拼焊的间隙补偿方法及实施该方法的装置，方法是对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削出高直线度、高平面度的对接端面，降低焊接母材对接时的板间间隙；装置包括支撑平台及安装在其上的框架、压紧机构、传动机构、定位机构和刀具，框架位于支撑平台的上方，在框架上设有可上下往复移动的压紧机构；传动机构安装在支撑平台的外侧、通过驱动装有刀具的刀架往复移动，实现对焊接母材待焊接边的刨削；传动机构的内侧设有安装在支撑平台上的定位机构。方法全程直线度及平面度好，可以满足激光拼焊对焊接母材待焊接边的直线度及平面度的要求；装置具有结构简单、可靠性强、效率高、操作安全等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接领域，具体地说是一种用于激光拼焊的间隙补偿方法及实施该方法的装置。
背景技术
激光拼焊是采用激光为焊接能源，将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的板材进行对接焊接。由于激光焊接的激光光束聚焦光斑直径一般小于1mm，因此板材焊接边直线度及对接端面的截面形貌对焊接质量有着直接的影响，焊接边直线度及对接端面的截面形貌不仅影响到拼焊板材之间的间隙大小，而且还会影响到焊缝跟踪的准确性。
为了保证焊接质量，通常在焊接前要对焊接母材的待焊接边做进一步加工，以提高对接质量。现有进一步加工焊接母材待焊接边的方法主要包括精剪裁、精铣削和模具落料，其中，精剪裁工艺可以满足激光拼焊对焊接母材待焊接边的直线度要求，但精剪设备较为昂贵，且剪切端面存在剪切圆角及毛刺等形貌特征，影响跟踪精度及焊缝形貌；精铣削加工直线度较好，但较高速加工时易出现振动，且一般需要实时冷却；模具落料与精剪裁相似，但其设备成本及维护成本更高，不适合中小批量生产。具体表现为：
1.精剪裁和模具落料的准直精度低：目前，国产精剪机准直精度最高仅在0.15mm左右；虽然进口精剪机准直精度最高可达0.02mm，但其设备成本及维护成本很高。
2.精剪裁和模具落料的截面形貌较差：传统的精剪裁或模具落料工艺得到的焊接边，如图1所示，存在上边缘的圆角塑性变形、下边缘的撕裂带以及毛刺存在，这样的板材对接后形成的接头上下皆有间隙，增加了跟踪检测的难度及不可控制的焊缝区金属缺失，严重时影响焊接质量。
3.精剪裁工艺材料浪费：传统的精剪裁加工的剪切量一般要求大于2mm，而刨削的加工量通常为0.02～0.5mm，相比之下，精剪裁的加工废料多，增加了生产成本。
综上所述，提高焊接母材待焊接边直线度及对接端面的截面形貌对保证焊接质量有着重要意义。
发明内容
为了解决现有板材焊接边存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种提高板材焊接边的直线度及对接端面的截面形貌、从而保证焊接质量的用于激光拼焊的间隙补偿方法及实施该方法的装置。该间隙补偿方法通过对焊接母材待焊接边进行刨削加工实现间隙补偿，快速提高板材焊接边的直线度及对接端面的截面的形貌，同时降低了设备成本及生产成本；装置为实施该方法专门设计的装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
方法：对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削出高直线度、高平面度的对接端面，降低焊接母材对接时的板间间隙，提高焊缝跟踪精度。
其中包括下列步骤：
A.将焊接母材定位并固定；
B.通过调整焊接母材的定位基准或刀具的位置决定刨削量；
C.通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态决定刨削角度；
D.利用刀具沿焊接方向对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削后的对接端面为平面；
E.刨削后，刀具退至避让位。
当两块焊接母材厚度相同时，通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态刨削出具有倒角或斜面的对接端面，提高焊缝跟踪精确度；所述刀具可为一组或多组。
装置：包括支撑平台及安装在其上的框架、压紧机构、传动机构、定位机构和刀具，其中框架位于支撑平台的上方，在框架上设有可上下往复移动的压紧机构；所述传动机构安装在支撑平台的外侧，带有刀具的刀架安装在传动机构上，传动机构通过驱动带有刀具的刀架往复移动实现对焊接母材待焊接边的刨削；传动机构的内侧设有安装在支撑平台上、可上下往复移动的定位机构，焊接母材通过定位机构及压紧机构定位固定。
其中：所述压紧机构包括多个并排设置的气缸，气缸的缸体安装在框架上，缸体内的活塞杆可上下往复移动，在所述活塞杆的底端设有压板；所述传动机构包括伺服电机、第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、滚珠丝杆及丝母，其中伺服电机安装在支撑平台的外侧，在伺服电机的输出轴上设有第一同步带轮；所述滚珠丝杆通过支撑架安装在支撑平台的外侧，滚珠丝杆的一端通过第一联轴器连接有第二同步带轮，该第二同步带轮通过同步带与第一同步带轮相连接；所述丝母与滚珠丝杆螺纹连接，安装有刀具的刀架与丝母固接，滚珠丝杆的转动通过丝母与滚珠丝杆间的螺旋副变为刀架及刀具沿焊接母材的待 焊接边的刨削移动；刀架上设有第二滑块，在支撑平台上安装有与焊接母材的待焊接边相平行的第二导轨，刀架通过第二滑块沿第二导轨往复移动；所述定位机构包括转动气缸、联动杆、齿轮、定位轴、导向轴套、主定位销横梁及定位销，其中转动气缸安装在支撑平台上，转动气缸的输出轴通过第二联轴器与联动杆相连接；在所述联动杆的一侧设有多个并排设置的定位轴，其中位于最外侧的两个定位轴可上下往复移动，其它位于中间的定位轴固接在支撑平台上，每个定位轴上分别套设有导向轴套，位于最外侧的两个定位轴的底部均设有齿条；所述导向轴套的顶端安装有主定位销横梁，在主定位销横梁上均布有多个并排设置的定位销；在联动杆上分别设有与最外侧两个定位轴底部的齿条相啮合的齿轮；所述框架为龙门结构，包括第一、二背板及支撑架，其中第一、二背板平行设置，两端分别通过支撑架固接在支撑平台上，第一、二背板与支撑平台放置焊接母材的表面之间留有空间；所述压紧机构的气缸缸体固接在任一背板上；所述框架为龙门结构，包括第一、二、三背板及支撑架，其中第一～三背板平行设置、且连接为一体；所述支撑架上设有第一导轨，第三背板的里侧设有第一滑块，第一～三背板通过第一滑块沿第一导轨上下往复移动。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明方法采用刨削方法对焊接母材的待焊接边进行加工，全程直线度可达0.02～0.05mm，可以满足激光拼焊对焊接母材待焊接边的直线度要求。
2.与传统加工方法相比，本发明的刨削加工方法得到的对接端面具有更好的截面形貌，经刨削加工后，焊接母材的对接端面平面度高，可形成完好的对接接头，从而保证焊接质量。
3.与传统加工方法相比，本发明的刨削加工方法成本低，适合于各种规模的批量生产。
4.与传统加工方法相比，本发明的刨削加工方法具有更好的经济效益，加工量一般在0.02～0.5mm之间，因此，在保证焊接母材边缘质量的前提下，加工废料更少，从而节约了生产成本。
5.与铣削相比，本发明的刨削加工方法在加工过程中振动较小；此外，刨削加工不需要实时的冷却系统，因而，结构更加简单，维护简便。
6.与传统加工方法相比，本发明的刨削加工方法具有加工面质量可控的特性，可以根据焊接工艺的特点，当两块焊接母材厚度相近或相同时，通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态刨削出具有倒角或斜面的对接端面，提高焊缝跟踪精确度，保证焊接质量。
7.本发明装置安装在压紧机构的框架为龙门结构，适用于装置独立加工或与激光焊接生产线整合在一起，背板可上下移动，避免与其它运动单元发生干涉；背板上开有工艺减轻孔，既减轻了背板自重，又便于维护。
8.本发明装置的压紧机构由一排气缸组成，气缸活塞杆与压板通过球接头连接在一起，从而在压紧过程中保证压板下表面与焊接母材上表面之间紧密贴合，均匀压紧、效果好，保证焊接母材在刨削过程中不发生蹿动或振动。
9.本发明装置的传动机构通过伺服电机驱动滚珠丝杆实现，采用同步带与同步带轮组合、联轴器连接，这种方式不仅有利于传动的稳定性，同时便于机械结构的空间排布。
10.本发明装置的定位机构通过转动气缸驱动齿轮带动齿条移动的方式实现定位销的垂直升降，定位准确。
附图说明
图1为采用剪裁、模具落料等工艺加工后焊接母材待焊接边的截面形貌；
图2为本发明方法加工后焊接母材待焊接边的截面形貌；
图3为本发明装置的立体结构示意图之一；
图4为本发明装置的立体结构示意图之二；
图5为本发明装置的立体结构示意图之三；
图6为本发明装置的立体结构示意图之四；
图7为本发明装置的立体结构示意图之五；
图8为本发明装置的主视图；
图9为图8的左视局部剖视图；
图10为图8的俯视图；
图11为本发明压紧机构的结构示意图；
图12为本发明传动机构的结构示意图；
图13为图12中A处的局部放大图；
图14为本发明定位机构的结构示意图；
图15为图14中B处的局部放大图；
其中：1为框架，101为第一背板，102为第二背板，103为第三背板，104为支撑架，105为第一导轨，106为第一滑块，107为工艺减轻孔；
2为支撑平台；
3为压紧机构，301为气缸，302为缸体，303为活塞杆，304为压板；
4为传动机构，401为伺服电机，402为第一同步带轮，403为同步带，404为第二同步带轮，405为第一联轴器，406为滚珠丝杆，407为丝母，408为支撑架，409为第二导轨，410为第二滑块；
5为定位机构，501为转动气缸，502为第二联轴器，503为联动杆，504为齿轮，505为定位轴，506为导向轴套，507为齿条，508为主定位销横梁，509为支座连接件，510为定位销；
6为刀具，7为刀架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明用于激光拼焊的间隙补偿方法：对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削出高直线度、高平面度的对接端面，降低焊接母材对接时的板间间隙，提高焊缝跟踪精度。包括下列步骤：
A.将焊接母材定位并固定，防止焊接母材在刨削过程中出现蹿动、振动等扰动，从而保证加工质量；
B.通过调整焊接母材的定位基准或刀具的位置决定刨削量；
C.通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态决定刨削角度；
D.利用刀具沿焊接方向对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削后的对接端面为平面，如图2所示；
E.刨削后，刀具退至避让位，为下一次刨削加工做好准备。
在刨削过程中产生的废屑可能对加工系统产生污染甚至造成设备损伤，因此，在刨削加工过程中，实时收集废屑，并集中排出。当刨削工序结束后，将焊接母材移出，进入下一道工序。
当两块焊接母材厚度相近或相同时，通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态刨削出具有倒角或斜面的对接端面，提高焊缝跟踪精确度；所述刀具可为一组或多组。
本发明实施上述方法所专门设计的装置，如图3～10所示，包括支撑平台2及安装在其上的框架1、压紧机构3、传动机构4、定位机构5和刀具6，其中支撑平台2由多个方钢固接组成。框架1位于支撑平台2的上方，当本发明的装置独立生产加工时，框架1为龙门结构，包括第一、二背板101、102及支撑架104，其中第一、二背板101、102平行设置，两端分别通过支撑架104固接在支撑平台2上，第一、二背板101、102与支撑平台2放置焊接母材的表面之间留有空间，便于板材装卸；为了提高生产效率及自动化程度，本发明的装置可与激光焊接生产线整合在一起，为了避免与其它运动单元发生干涉，框架1也为龙门结构，这时的框架1包括第一、二、三背板101、102、103及支撑架104、第一导轨105、第一滑块106，其中第一～三背板101～103平行设置、且连接成为一个整体；所述支撑架104上设有第一导轨105，第三背板103的里侧设有第一滑块106，第一～三背板101～103通过第一滑块106沿第一导轨105上下往复移动；当生产线上由其它设备传递的板材通过时，第一～三背板101～103可沿第一导轨105向上移动，以实现框架的避让动作；在第三背板103上开有多个工艺减轻孔107，既可减轻第三背板107的重量、又便于维护；在装置进行加工时，第三背板107还可起到防尘的作用。
在框架1上设有可上下往复移动的压紧机构3，如图9、图11所示，压紧机构3包括多个并排设置的气缸301，每个气缸301的缸体302分别固定安装在任一背板上，通过安装基面保证气缸的运动方向；缸体302内的活塞杆303可上下往复移动，在所述活塞杆303的底端通过球接头连接有压板304，从而在压紧过程中保证压板304下表面与焊接母材的上表面之间紧密贴合。
传动机构4安装在支撑平台2的外侧，如图12、13所示，传动机构4包括伺服电机401、第一同步带轮402、同步带403、第二同步带轮404、第一联轴器405、滚珠丝杆406、丝母407、支撑架408、第二导轨409及第二滑块410，其中伺服电机401固接在支撑平台2的外侧，在伺服电机401的输出轴上键连接有第一同步带轮402；在支撑平台2的外侧固接有两个支撑架408，滚珠丝杠406的两端分别通过轴承安装在支撑架408上，其中滚珠丝杆406靠近伺服电机401的一端由该端的支撑架408穿出、并通过第一联轴器405键连接有第二同步带轮404，该第二同步带轮404通过同步带403与第一同步带轮402相连接；丝母407与滚珠丝杆406螺纹连接，安装有刀具6的刀架7与丝母407固接，滚珠丝杆406通过丝母407与滚珠丝杆406的螺旋副变为刀架7及刀具6沿焊接母材的待焊接边的刨削移动。刀架7上设有第二滑块410，在支撑平台2上安装有与焊接母材的待焊接边相平行的第二导轨409，刀架7在伺服电机401的驱动下由丝母带动、通过第二滑块410沿第二导轨409往复移动。
传动机构4的里侧设有安装在支撑平台2上、可上下往复移动的定位机构5，焊接母材通过定位机构5及压紧机构3定位固定。如图14、15所示，定位机构5包括转动气缸501、第二联轴器502、联动杆503、齿轮504、定位轴505、导向轴套506、齿条507、主定位销横梁508、支座连接件509及定位销510，其中转动气缸501固定安装在支撑平台2上，转动气缸501的输出轴通过第二联轴器502与联动杆503相连接，该第二联轴器502既可起到连接转动气缸501的输出轴及联动杆503的作用，还可起到连接件的作用，支撑平台2上设有两个第二联轴器502，联动杆503的两端分别安装在第二联轴器502上，其中一端与转动气缸501的输出轴相连；在所述联动杆503的一侧设有多个(本实施例为四个)并排设置的定位轴505，其中位于最外侧的两个定位轴可上下往复移动，另两个位于中间的定位轴则固接在支撑平台2上，每个定位轴上分别套设有导向轴套506，套设在位于最外侧的两个定位轴上的导向轴套是固定不动、随定位轴共同上下移动；套设在中间两个定位轴的导向轴套，由于中间两个定位轴是固定不动的，因此中间的两个导向轴套相对于定位轴可上下往复移动；位于最外侧的两个定位轴的底部均设有齿条507；所述四个导向轴套506的顶端分别通过支座连接件509与主定位销横梁508固接，在主定位销横梁508上均布有多个并排设置的定位销510；在联动杆503的两端分别通过免键轴衬511连接有齿轮504，该齿轮504与最外侧两个定位轴底部的齿条507啮合传动。在支撑平台2上开有长条孔，该长条孔位于主定位销横梁508的运动轨迹上，主定位销横梁508在上、下移动时可由该长条孔穿过。
本发明装置的工作原理为：
以本装置独立加工为例，转动气缸501工作，驱动联动杆503转动，通过免键轴衬511与联动杆503连接的齿轮504，随着联动杆503共同转动，进而通过与齿条507的啮合使最外侧的两个定位轴向上运动、产生直线位移；主定位销横梁508在最外侧的两个定位轴的作用下直线向上运动、通过支撑平台2上的长条孔，直到到达定位位置，转动气缸501停止工作。将焊接母材放在支撑平台2的工作台面上，焊接母材的待焊接边紧靠主定位销横梁508上的定位销510上。然后压紧机构中的各个气缸301同时工作，驱动活塞杆303向下运动，直到活塞杆303下端的压板304下表面与焊接母材上表面紧密贴合，压紧焊接母材，保证焊接母材在刨削过程中不发生蹿动或振动，各个气缸301停止工作。将焊接母材定位并压紧固定后，转动气缸501反向旋转，驱动联动杆503带动齿轮504反向转动，齿轮504通过与齿条507的啮合，使最外侧的两个定位轴向下运动，主定位销横梁508随之向下运动、穿过支撑平台2上的长条孔，直到回到原始位置，转动气缸501停止工作。在主定位销横梁508上、下运动的过程中，位于中间的两个定位轴及导向轴套起到垂直导向的作用，防止主定位销横梁508运动轨迹偏移，避免与支撑平台2发生干涉。
然后，伺服电机401工作，通过第一同步带轮402、同步带403及第二同步带轮404驱动滚珠丝杆406转动；与滚珠丝杆406螺纹连接的丝母407沿着滚珠丝杆406向前运动，进而带动与丝母407固接 的刀架7通过第二滑块410沿着第二导轨409移动，安装在刀架7上的刀具6即对焊接母材的待焊接边进行刨削。刀架7上可以配备一组或多组刀具，在伺服电机401的驱动下可往复移动、进行刨削。通过调整焊接母材的定位基准或刀具在刀架上的位置可以决定刨削量；通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态决定刨削角度；刨削后的对接端面为平面，刨削后，刀具退至避让位。各个气缸301收缩，活塞杆303带动压板304向上移动复位。将焊接母材移出，进入下一道工序。
Claims (8)
1.一种用于激光拼焊的间隙补偿方法，其特征在于：对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削出高直线度、高平面度的对接端面，降低焊接母材对接时的板间间隙，提高焊缝跟踪精度；
包括下列步骤：
A.将焊接母材定位并固定；
B.通过调整焊接母材的定位基准或刀具的位置决定刨削量；
C.通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态决定刨削角度；
D.利用刀具沿焊接方向对焊接母材的待焊接边进行刨削，刨削后的对接端面为平面；
E.刨削后，刀具退至避让位。
2.按权利要求1所述用于激光拼焊的间隙补偿方法，其特征在于：当两块焊接母材厚度相同时，通过调整刀具相对于焊接母材待焊接边的姿态刨削出具有倒角或斜面的对接端面，提高焊缝跟踪精确度；所述刀具可为一组或多组。
3.一种实施按权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括支撑平台(2)及安装在其上的框架(1)、压紧机构(3)、传动机构(4)、定位机构(5)和刀具(6)，其中框架(1)位于支撑平台(2)的上方，在框架(1)上设有可上下往复移动的压紧机构(3)；所述传动机构(4)安装在支撑平台(2)的外侧，带有刀具(6)的刀架(7)安装在传动机构(4)上，传动机构(4)通过驱动带有刀具(6)的刀架(7)往复移动实现对焊接母材待焊接边的刨削；传动机构(4)的内侧设有安装在支撑平台(2)上、可上下往复移动的定位机构(5)，焊接母材通过定位机构(5)及压紧机构(3)定位固定；所述定位机构(5)包括转动气缸(501)、联动杆(503)、齿轮(504)、定位轴(505)、导向轴套(506)、主定位销横梁(508)及定位销(510)，其中转动气缸(501)安装在支撑平台(2)上，转动气缸(501)的输出轴通过第二联轴器(502)与联动杆(503)相连接；在所述联动杆(503)的一侧设有多个并排设置的定位轴(505)，其中位于最外侧的两个定位轴可上下往复移动，其它位于中间的定位轴固接在支撑平台(2)上，每个定位轴上分别套设有导向轴套(506)，位于最外侧的两个定位轴的底部均设有齿条(507)；所述导向轴套(506)的顶端安装有主定位销横梁(508)，在主定位销横梁(508)上均布有多个并排设置的定位销(510)；在联动杆(503)上分别设有与最外 侧两个定位轴底部的齿条(507)相啮合的齿轮(504)。
4.按权利要求3所述装置，其特征在于：所述压紧机构(3)包括多个并排设置的气缸(301)，气缸(301)的缸体(302)安装在框架(1)上，缸体(302)内的活塞杆(303)可上下往复移动，在所述活塞杆(303)的底端设有压板(304)。
5.按权利要求3所述装置，其特征在于：所述传动机构(4)包括伺服电机(401)、第一同步带轮(402)、同步带(403)、第二同步带轮(404)、滚珠丝杆(406)及丝母(407)，其中伺服电机(401)安装在支撑平台(2)的外侧，在伺服电机(401)的输出轴上设有第一同步带轮(402)；所述滚珠丝杆(406)通过支撑架(408)安装在支撑平台(2)的外侧，滚珠丝杆(406)的一端通过第一联轴器(405)连接有第二同步带轮(404)，该第二同步带轮(404)通过同步带(403)与第一同步带轮(402)相连接；所述丝母(407)与滚珠丝杆(406)螺纹连接，安装有刀具(6)的刀架(7)与丝母(407)固接，滚珠丝杆(406)的转动通过丝母(407)与滚珠丝杆(406)间的螺旋副变为刀架(7)及刀具(6)沿焊接母材的待焊接边的刨削移动。
6.按权利要求5所述装置，其特征在于：所述刀架(7)上设有第二滑块(410)，在支撑平台(2)上安装有与焊接母材的待焊接边相平行的第二导轨(409)，刀架(7)通过第二滑块(410)沿第二导轨(409)往复移动。
7.按权利要求3所述装置，其特征在于：所述框架(1)为龙门结构，包括第一、二背板(101、102)及支撑架(104)，其中第一、二背板(101、102)平行设置，两端分别通过支撑架(104)固接在支撑平台(2)上，第一、二背板(101、102)与支撑平台(2)放置焊接母材的表面之间留有空间；所述压紧机构(3)的气缸缸体固接在任一背板上。
8.按权利要求3所述装置，其特征在于：所述框架(1)为龙门结构，包括第一、二、三背板(101、102、103)及支撑架(104)，其中第一～三背板(101～103)平行设置、且连接为一体；所述支撑架(104)上设有第一导轨(105)，第三背板(103)的里侧设有第一滑块(106)，第一～三背板(101～103)通过第一滑块(106)沿第一导轨(105)上下往复移动。
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| 说明书第1页6-13行 |
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