CN102114567A - 机器人大直径自动螺柱焊焊枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人大直径自动螺柱焊焊枪，包括焊枪主体、焊枪夹具，焊枪夹具包括上板、下板、立柱、弹簧、夹套以及弹片；所述上板中心位置设置夹套，该夹套贯穿于上板并与上板相固连，夹套的下部设置若干具有弹性的叶片，该叶片可依靠自身的弹性抓起深入其中的螺柱，上板的下方设置下板，上、下板之间通过立柱相连，立柱外部套有弹簧，上板可沿立柱上下移动，下板中心设置通孔，该通孔的直径大于螺柱的最大直径，通孔的周边设置若干弹片，所述弹片均匀的分布在通孔的周围，该弹片依靠自身的弹性夹起深入其中的陶瓷环。本发明的焊枪可与机器人进行配套，实现完全的自动化焊接，效率高。

Description

机器人大直径自动螺柱焊焊枪

技术领域

本发明涉及一种焊枪，特别是一种机器人大直径自动螺柱焊焊枪。

背景技术

螺柱焊是将金属螺柱或其它类似的紧固件焊至工件的方法。原则上说螺柱焊与手工电弧焊十分相似，只不过这里的螺柱既是被焊材料之一，同时又是无药皮的焊条。现阶段螺柱焊主要有电容储能螺柱焊、电弧螺柱焊、短周期拉弧式这三类螺柱电弧焊接方法同时并存。电容放电式螺柱焊接方法广泛应用在小直径螺柱(Φ3～Φ6mm)同薄工件(1～3mm)的连接方面，特别是不锈钢、有色金属或涂层钢板的螺柱连接，大部分用于容器及其它薄壁机构上，如电力工业、汽车制造及电子仪表等领域。电弧螺柱焊接方法广泛应用于直径Φ3～Φ30mm的螺柱，在中厚板工件上施焊，在造船、冶金炉窑及建筑工业等行业得到了广泛应用。这两种螺柱焊都是手动焊接，生产率低，每分钟只能焊10个左右。螺柱本身要求端部加工成圆锥形并涂有引弧剂(电弧螺柱焊)或加工出一个小凸台(电容储能螺柱焊)，所以成本也高。短周期拉弧式螺柱焊接方法是当今主导的螺柱焊接方法。焊接时间可延长在10～100ms。可控性极好。这种方法的实质是带有预热电弧电流强规范(大电流短时间)电弧螺柱焊，不用任何保护措施(陶瓷环焊剂及惰性气体)就可焊平头钉，引弧间隙及螺柱尺寸(长度)加工精度亦没有拉弧式电容储能方法那么严格。由于熔池浅(和电弧螺柱焊比较只有0.2～2.5mm)，所以可焊的板厚与螺柱直径比例，从电弧螺柱焊(陶瓷环保护)的1/3降到了1/8。这种短周期拉弧式螺柱焊接的可焊直径范围较小，有报道最大可达16mm。

螺柱焊接技术及工艺具有快速、可靠、简化、操作简便、成本低等优点，可替代铆接、钻孔、手工电弧焊、电阻焊和钎焊等螺柱的连接工艺。可焊接碳钢、不锈钢、铝、铜及其合金等金属材料。因而，自20世纪出现这种新工艺在工业制造业以来，引起了世界各国的普遍关注，现已广泛应用于汽车、船舶锅炉、航空航天、电器、建筑装修、电子、仪表、厨房设备、空调、医疗器械等行业。螺柱(焊钉)的焊接大约有80％以上是通过螺柱焊机完成的。日本圆柱头焊钉(栓钉)的年焊接量为6000万个，异型棒状焊钉年焊接量为300万个。而我国钢结构建筑焊钉年需求量仅为400-500万个。随着我国经济的高速平稳发展，螺柱焊的应用将进入一个全新的时代。而随着螺柱焊接技术进一步发展壮大，其自动化、智能化和数字化将成为当今螺柱焊的发展方向。

现阶段的螺柱焊焊接过程，螺柱被夹持在焊接的夹持器内，或者增加陶瓷环保护，调节预压缩量，将焊枪支撑脚(或夹套)定位。将螺柱作用在工件上，按压焊枪启动按钮时，进行焊接。当熄弧后，仍保持几毫秒短路电流形成加压顶锻。以上的整个过程都需要手工操作，效率低下，成品率低。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种便于实现自动化的机器人大直径自动螺柱焊焊枪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种机器人大直径自动螺柱焊焊枪，包括焊枪主体、焊枪夹具，焊枪夹具包括上板、下板、立柱、弹簧、夹套以及弹片；所述上板中心位置设置夹套，该夹套贯穿于上板并与上板相固连，夹套的下部设置若干具有弹性的叶片，该叶片可依靠自身的弹性抓起深入其中的螺柱，上板的下方设置下板，上、下板之间通过立柱相连，立柱外部套有弹簧，上板可沿立柱上下移动，下板中心设置通孔，该通孔的直径大于螺柱的最大直径，通孔的周边设置若干弹片，所述弹片均匀的分布在通孔的周围，该弹片依靠自身的弹性夹起深入其中的陶瓷环。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)螺柱的夹取，陶瓷圈的夹紧和预压缩量的调节都可实现自动化焊接，适用于大直径螺柱焊；(2)可与机器人进行配套，实现完全的自动化焊接，效率高；(3)可使用陶瓷环进行焊接保护，成本低廉。(4)加热成型良好，因而工艺简单，成本低，焊合率较高，明显优于手工电弧焊；(5)可与其他热源组成配套设备，焊接效率高，效果好。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的机器人自动化大直径螺柱焊焊枪系统的主要组成示意图。

图2是本发明机器人自动化大直径螺柱焊焊枪系统夹具结构示意图。

图3是基于自动化螺柱焊枪系统的机器人焊接设备示意图。

具体实施方式

结合图1、图2，本发明的一种机器人大直径自动螺柱焊焊枪，包括焊枪主体15、焊枪夹具13，焊枪夹具13包括上板6、下板3、立柱8、弹簧9、夹套1以及弹片4；所述上板6中心位置设置夹套1，该夹套1贯穿于上板6并与上板6相固连，夹套1的下部设置若干具有弹性的叶片20，该叶片可依靠自身的弹性抓起深入其中的螺柱2，上板6的下方设置下板3，上、下板之间通过立柱8相连，立柱8外部套有弹簧9，上板6可沿立柱8上下移动，下板3中心设置通孔，该通孔的直径大于螺柱2的最大直径，通孔的周边设置若干弹片4，所述弹片4均匀的分布在通孔的周围，该弹片4依靠自身的弹性夹起深入其中的陶瓷环11。

夹套1顶端有一段内螺纹7，该夹套1可通过内螺纹7与焊枪主体12相连。上板6和立柱8之间通过轴套10相连接，所述轴套10套在立柱8上，该轴套与上板6之间为过盈连接，所述立柱8和轴套10则可以相对滑动；立柱8伸出上板6的部分套有螺母12，用于限制轴套10的滑动。下板3和立柱8为刚性连接。夹套1通过三个均匀分布的内六角螺栓5固定在上板6上。夹套1下端设有倒角19，倒角为20~75°，整个倒角下端成小喇叭口状。夹套1的下部弹性的叶片20的数量为6个，该6个叶片均匀分布在夹套轴线周围。弹片4的数量为3个。

本发明的焊枪的夹套通过三个均匀分布的内六角螺栓固定在上板上，位于上下板之间的位置，上下板通过立柱形成连接，压板和立柱通过螺纹形成刚性的连接，立柱和上板的轴套是相对滑动的，立柱上有弹簧，从而下板和夹套之间是具有可以相对运动的连接，陶瓷环夹紧弹片则是在下板打孔处与下板连接，夹套和焊枪是通过螺纹连接形成的刚性连接。采用了螺柱自动夹套装置。本发明考虑到螺柱和焊枪夹套的中心对正问题，将螺柱夹持装置设计成具有自动中心对正的功能。夹套下端的结构设计，首先夹套下端增加一个直角导角来解决螺柱的中心对正问题。当螺柱固定在螺柱固定装置上时，如果螺柱的轴线偏离了竖直线，螺柱装夹时，夹套下端导角和螺柱上端相接触，喇叭状的导角形状使得螺柱螺柱的上端全部位于夹套的导角内部，夹套随机械手在下移的过程中螺柱滑入夹套中，实现了夹套轴线和螺柱轴线的自动中心对正。其次夹套下端采用了分片设计，当螺柱进入夹套中时，叶片可以夹持住螺柱，则机械手臂通过夹套可以带动螺柱在空间运动。本发明设计了专门的陶瓷环自动夹紧装置，为了在焊接过程中能有效的保护熔池，形成良好的焊缝，在对螺柱进行装夹的同时需要对陶瓷圈也进行夹持和定位以便陶瓷圈固定在螺柱周围。结合图2所示，采用弹片夹持的方法来实行陶瓷圈的夹持。在下板处设置弹片，弹片沿陶瓷圈周向均匀分布。于打孔处与下板连接，机器人手臂带动焊枪系统下压到陶瓷环处时，由于下压的压力，陶瓷环进入弹片之间，焊枪提起，由于弹片的挤压作用，使陶瓷环自动的固定在下板的下部。本发明实现了预压缩量的自动调节。本发明的焊枪系统是要和机器手臂相连接的，将焊枪主轴和夹套设计成和机械手成刚性连接，上板与机械手成柔性连接，下压板和机械手设计成可以相对运动的连接。当手臂带动螺柱和陶瓷环来到待焊工件上时，机械手下压，同样焊枪下压，夹套和螺柱向下运动，而下板和陶瓷环则相对的静止在带焊工件上，实现了预压缩量的自动调节。并且由于弹簧的存在，缓冲了运动的速度，使得装夹过程较为平稳。

本发明可以与机器人相配和，实现自动化大直径的螺柱的焊接。也可以与自动化复合热源相配合，实现各种焊接碳钢、不锈钢、铝、铜及其合金等金属材料。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

结合图1～图3，本实施例中复合热源螺柱焊焊接装置主要由大直径的螺柱焊枪系统、感应热源、机器人等组成。本实例中采用的感应加热电源为SP-15超音频感应加热电源，采用德国soyer螺柱焊焊枪本体。螺柱焊电源采用德国soyer公司的BMH-22SV型螺柱焊机，机器人采用的是ES165N搬运机器人，载荷重量达到165kg，达到使用要求。

本实施例利用机器人提供的手腕法兰盘17连接机器人连接板18，在机器人连接板18的中部通过外圆柱和机器人手腕法兰盘17的内圆对机器人进行平面定位，使得机器人手腕法兰盘17和机器人连接板18之间的相对位置固定。在机器人连接板18的左面利用焊枪的两根立杆14通过螺纹连接使得焊枪固定在机器人连接板上。夹具13和焊枪主体15通过M10的螺纹连接。本实例采用的是27mm的夹套，夹套下端的设计直倒角为3×3mm，夹套的分片之间的距离是2mm，采用M8的内六角螺栓固定在上压板上，上板与机械手成柔性连接，下压板和机械手设计成可以相对运动的连接。

开始焊接，螺柱位于陶瓷环中，在螺柱固定位置放好，手臂带动大直径焊枪系统左转19°转到螺柱固定处，下压，由于采用了具有自动中心对正功能的设计，当螺柱固定在螺柱固定装置上时，如果螺柱的轴线偏离了竖直线，螺柱装夹时，夹套下端导角和螺柱上端相接触，3×3mm的喇叭状导角形状使得螺柱螺柱的上端全部位于夹套的导角内部，夹套随机械手下移，在下移的过程中螺柱滑入夹套中，实现了夹套轴线和螺柱轴线的自动中心对正。然后夹套的间据为2mm的分片的自动弹性收缩功能使螺柱被夹紧在夹套中，机械手可以带动螺柱在空间运动，并且由于弹簧的存在，缓冲了运动的速度，使得装夹过程较为平稳。

同样在焊枪系统下压的过程中，由于下压的压力，陶瓷环进入3个钢质弹片之间，然后焊枪提起，由于3个钢质弹片的挤压作用，使陶瓷环自动的固定在下板的下部，可以和焊枪系统一起随机械手臂在空间运动。

焊枪夹持好螺柱和陶瓷环之后，右转19°到带焊工件处进行焊接，本实例采用的螺柱材质Q235，螺柱端头设计为150°的锥角，基体母材20mm厚的Q235板材。开始焊接，在焊枪系统下压的过程中，由于焊枪主轴和夹套设计成和机械手成刚性连接，上板与机械手成柔性连接，下压板和机械手设计成可以相对运动的连接。焊枪下压，使得下压板和夹套产生相对运动，实现了预压缩量的自动调节。

焊接完毕后，螺柱已经和母材实现了原子结合，焊枪夹套叶片自动和螺柱实现了分离，手臂提起螺柱焊枪系统，左转19°开始夹装螺柱，如此循环。

Claims (8)

1.一种机器人大直径自动螺柱焊焊枪，包括焊枪主体[15]、焊枪夹具[13]，其特征在于，焊枪夹具[13]包括上板[6]、下板[3]、立柱[8]、弹簧[9]、夹套[1]以及弹片[4]；所述上板[6]中心位置设置夹套[1]，该夹套[1]贯穿于上板[6]并与上板[6]相固连，夹套[1]的下部设置若干具有弹性的叶片[20]，该叶片可依靠自身的弹性抓起深入其中的螺柱[2]，上板[6]的下方设置下板[3]，上、下板之间通过立柱[8]相连，立柱[8]外部套有弹簧[9]，上板[6]可沿立柱[8]上下移动，下板[3]中心设置通孔，该通孔的直径大于螺柱[2]的最大直径，通孔的周边设置若干弹片[4]，所述弹片[4]均匀的分布在通孔的周围，该弹片[4]依靠自身的弹性夹起深入其中的陶瓷环[11]。

2.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，夹套[1]顶端有一段内螺纹[7]，该夹套[1]可通过内螺纹[7]与焊枪主体[12]相连。

3.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，上板[6]和立柱[8]之间通过轴套[10]相连接，所述轴套[10]套在立柱[8]上，该轴套与上板[6]之间为过盈连接，所述立柱[8]和轴套[10]则可以相对滑动；立柱[8]伸出上板[6]的部分套有螺母[12]，用于限制轴套[10]的滑动。

4.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，下板[3]和立柱[8]为刚性连接。

5.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，夹套[1]通过三个均匀分布的内六角螺栓[5]固定在上板[6]上。

6.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，夹套[1]下端设有倒角[19]，倒角为20~75°，整个倒角下端成小喇叭口状。

7.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，夹套[1]的下部弹性的叶片[20]的数量为6个，该6个叶片均匀分布在夹套轴线周围。

8.根据权利要求1所述的机器人大直径自动螺柱焊焊枪，其特征在于，弹片[4]的数量为3个。

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