CN102528275B - 同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节方法及装置，直流步进电机的输出轴垂直向下连接与大齿轮相啮合的小齿轮，传动杆上端穿过夹具下盖并与大齿轮的中心方孔间隔配合，传动杆的正下端固接调节螺盖，调节螺盖的正下端通过螺纹连接上轴肩；与传动杆同轴的搅拌针上端穿过上轴肩并伸入调节螺盖中，搅拌针下端向下伸出上轴肩之外并连接下轴肩；控制板由无线收发模块、单片机处理模块、步进电机驱动模块依次相串接组成，根据负载转矩实际值与设定值之间的差值控制直流步进电机的旋向和旋转圈数，通过改变上下轴肩的距离间接调整负载转矩，适应焊件表面非水平的工况，简化了调节上下轴肩距离时繁琐的拆卸和装配过程，方法简单可靠。

Description

同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料的焊接设备，特别是一种同轴双肩搅拌摩擦焊接工艺中负载转矩调节装置。

背景技术

同轴双肩搅拌摩擦焊接装置是一种利用搅拌针连接上下轴肩，且上下轴肩同步旋转的双面焊接装置，焊接时的压力能够自适应抵消，其产热量大、可以实行多位置焊接。与传统的单面搅拌摩擦焊接装置以及不同轴的双轴肩搅拌摩擦焊接装置相比，同轴双肩搅拌摩擦焊接过程中无法通过焊机的机头运动来调节负载扭矩，导致其不能在线自动调整负载转矩，同时，双轴肩之间的相对距离也无法调节。

同轴双肩搅拌摩擦焊接装置主要有两种结构形式，一是上轴肩与搅拌针为一体，二是下轴肩与搅拌针为一体，当上轴肩与搅拌针为一体时，上下轴肩距离的调节方法是：首先停止焊接，对上轴肩的垂直位置进行定位，然后使用专用工具旋紧下轴肩，并安装上专用螺帽防止焊接时上下轴肩距离变大，这样才能重新开始焊接。这种离线调节方法调节精度差，环境适应性较差，而且，若被焊工件内部空间狭小时，专用工具根本无法使用，直接导致调节失败。当下轴肩与搅拌针为一体时，就通过上轴肩与搅拌针相对旋转来调节上下轴肩的距离。而同轴双肩搅拌摩擦焊接装置的这两种结构形式的主轴电机负载转矩均无法调节。

发明内容

本发明的目的是为克服现有同轴双肩搅拌摩擦焊接装置在调节双轴肩间距离时存在的拆卸过程繁琐、对环境空间适应性差以及无法调节主轴电机负载转矩的缺陷而提供一种负载转矩自动调节方法，能对双轴肩之间相对距离和主轴负载转矩进行调节；本发明同时还提供一种可实现该负载转矩自动调节的同轴双肩搅拌摩擦焊接装置，可增强焊具对环境空间的适应性，提高焊接质量和效率。

为实现上述目的，本发明同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节装置采用的技术方案是：夹具上盖下端固接夹具下盖且之间形成上容腔，夹具下盖下端固接上轴肩且之间形成下容腔，上容腔中设有控制板、直流步进电机、小齿轮和大齿轮，直流步进电机的输出轴垂直向下连接与大齿轮相啮合的小齿轮，大齿轮通过普通轴承连接夹具下盖，天线通过夹具上盖侧面的天线孔穿入；下容腔的上方垂直设有一个截面为方形的传动杆，传动杆上端穿过夹具下盖并与大齿轮的中心方孔间隔配合，传动杆的正下端固接调节螺盖，调节螺盖的正下端通过螺纹连接上轴肩；与传动杆同轴的搅拌针上端穿过上轴肩并伸入调节螺盖中，在调节螺盖中的搅拌针套接两个平面推力轴承，位于两个平面推力轴承之间的搅拌针上套有弹簧，搅拌针下端向下伸出上轴肩之外并连接下轴肩；搅拌针的侧面左右对称地设有两个凹陷的小平面，两个定位螺钉水平穿过上轴肩上的孔并分别与两个小平面相配合且定位螺钉的顶端与搅拌针之间具有间隙；所述控制板由无线收发模块、单片机处理模块、步进电机驱动模块依次相串接组成，天线与无线收发模块相串接，步进电机驱动模块的输出连接直流步进电机。

本发明同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节装置的自动调节方法采用的技术方案是：由天线和无线收发模块传送负载转矩的实际信号和转矩设定信号至单片机处理模块，单片机处理模块计算负载转矩实际值与设定值之间的差值并判断差值是否在允许误差范围，若差值在允许误差范围，无线收发模块发送调节完成信号并锁定直流步进电机，若差值不在允许误差范围，控制板控制直流步进电机反向或正向旋转，带动小齿轮和大齿轮旋转，使调节螺盖旋入上轴肩的深度变大或变小，弹簧提供搅拌针产生相对上轴肩向下或向上的轴向位移的推动力，上轴肩和下轴肩之间的距离在被待焊工件和弹簧的作用下自动撑大或减小，便增大或减小上轴肩和下轴肩的相对距离，从而减小或增大负载转矩。

本发明根据负载转矩实际值与设定值之间的差值，控制直流步进电机的旋向和旋转圈数，通过改变上下轴肩的距离间接调整负载转矩，能够适应焊件表面非水平的工况，简化了调节上下轴肩距离时繁琐的拆卸和装配过程，方法简单可靠。

附图说明

图1为本发明的同轴双肩搅拌摩擦焊接工艺中负载转矩自动调节装置结构图；

图2为图1中搅拌针11结构示意图；

图3为图1中控制板21的结构示意图；

图4为图3中控制板21的控制电路连接图；

图5为本发明的同轴双肩搅拌摩擦焊接工艺中负载转矩控制流程图；

图1中：1.夹具上盖；2.直流步进电机；3.小齿轮；4.普通轴承；5.螺钉；6.夹具下盖；7.螺钉；8.上轴肩；9.定位螺钉；10.下轴肩；11.搅拌针；12.平面推力轴承；13.螺帽；14.弹簧；15.平面推力轴承；16.调节螺盖；17.传动杆；18.大齿轮；19.天线孔；20.电池组；21.控制板；21-1.天线；21-2.无线收发模块；21-3.单片机处理模块；21-4.步进电机驱动模块；22.小平面；23.螺纹。

具体实施方式

参照图1，本发明所述装置的最上部是夹具上盖1，夹具上盖1的下端通过螺钉5固定连接夹具下盖6，夹具下盖6的下端通过螺钉7与上轴肩8固定连接。

夹具上盖1和夹具下盖6之间形成上容腔，在上容腔中设置电池组20、控制板21、直流步进电机2、小齿轮3和大齿轮18，其中，电池组20、控制板21和直流步进电机2分别固定连接在夹具上盖1上，直流步进电机2的输出轴垂直向下连接小齿轮3，小齿轮3啮合大齿轮18。在夹具上盖1的侧面开天线孔19，天线孔19连通内部的容腔。大齿轮18通过普通轴承4与夹具下盖6相连接。

夹具下盖6与上轴肩8之间形成下容腔，下容腔中设有传动杆17和调节螺盖16，在下容腔上方垂直设置一个截面为方形的传动杆17，传动杆17的上端向上穿过夹具下盖6上的孔，并伸入大齿轮18的中心方孔中，与大齿轮18的中心方孔间隔配合，使传动杆17与大齿轮18之间可沿着轴向自由移动。传动杆17的正下端通过螺钉固定连接调节螺盖16，调节螺盖16的正下端与上轴肩8通过螺纹连接。传动杆17的下方是与传动杆17同轴的搅拌针11，搅拌针11向上穿过上轴肩8上的孔伸入调节螺盖16中，在调节螺盖16中的搅拌针11套接平面推力轴承12和平面推力轴承15，在平面推力轴承12和平面推力轴承15之间的搅拌针11上设置弹簧14，弹簧14套在搅拌针11上，弹簧14的下端以套在搅拌针11上的螺帽13限位。搅拌针11的下端向下伸出上轴肩8之外，且搅拌针11的下端是下轴肩10。调节螺盖16与搅拌针11之间相对能够自由旋转，但不可沿着轴向自由运动。

参照图2，搅拌针11与下轴肩10为一体结构；搅拌针11的上端加工有螺纹23，通过螺纹23与平面推力轴承15相连接。在搅拌针11侧面上，左右对称地设置两个凹陷的小平面22。为防止焊接时搅拌针11与上轴肩8相对旋转，搅拌针11穿过上轴肩8和调节螺盖16上孔后，在上轴肩8与两个小平面22之间连接定位螺钉9，定位螺钉9水平穿过上轴肩8上孔与两个小平面22相配合，使用定位螺钉9顶在两个小平面22上，但定位螺钉9的顶端与搅拌针11不接触，保留搅拌针11轴向运动所需的间隙。安装时，将搅拌针11先后穿过上轴肩8、调节螺盖16、平面推力轴承12上的孔后，将螺帽13旋紧，然后装上弹簧14、平面推力轴承15和调节螺盖16，采用螺钉将传动杆17和调节螺盖16固定连接。

参照图3，控制板21分别电连接直流步进电机2和电池组20，控制板21由电池组20供电，控制板21由无线收发模块21-2、单片机处理模块21-3、步进电机驱动模块21-4依次相串接组成。天线21-1由天线孔19穿入，天线21-1与无线收发模块21-2相串接，与外界通讯。步进电机驱动模块21-4的输出连接直流步进电机2，电池组20的输出分别连接无线收发模块21-2、单片机处理模块21-3、步进电机驱动模块21-4，为这三个模块提供电源，本发明的直流步进电机2和控制板21使用电池组20供电，可解决旋转的摩擦头外部电源难以接入的问题。

本发明的天线21-1可采用一般的软天线，无线收发模块21-2可采用型号为KYL-610芯片，单片机处理模块21-3中所采用的单片机芯片型号为STC89C516RD+，步进电机驱动模块21-4采用的电机驱动芯片SAA1042，直流步进电机2的型号可选用MSBN020F01S，电源组20可采用超霸5V系列电池。

参照图4，单片机处理模块21-3中的STC89C516RD+芯片的14、15脚与晶振Y1相连，晶振Y1的两脚分别通过电容C2、C3接地GND；STC89C516RD+芯片的第5、7脚与无线收发模块21-2的KYL-610芯片的第2、3脚相连；STC89C516RD+芯片的第1、2、3脚分别连接步进电机驱动模块21-4的SAA1042芯片的第10、8、7脚，STC89C516RD+芯片的第44脚通过电阻R1连接SAA1042芯片的第6脚。SAA1042芯片的第2、15脚之间连接有稳压二极管VZ1；SAA1042芯片的第3、1、16、14引脚分别连接直流步进电机2（MOTOR）的第1、2、3、4脚。各模块的电源配置如下：STC89C516RD+芯片的29、38脚接电源VCC，第16脚接地GND；KYL-610芯片的第1脚接电源VCC，第4脚接地GND；芯片SAA1042的第11、15脚接电源VCC，第4、5、9、12、13脚接地GND；电源VCC与地GND之间并连着电容C1。

获取焊接参数时，为了克服高速旋转时，焊接参数如负载转矩信号进入控制板21的问题，采用无线通讯的方式，由外部传感器经无线收发模块21-2将焊接参数反馈至控制板21。天线21-1同时也接收负载转矩的设定值，负载转矩实际信号值可以通过力矩传感器获得，力矩传感器可采用带滑环动态力矩传感器，型号0143Q。将负载转矩的给定值和负载转矩实际信号值作为单片机模块21-2的输入传输至无线收发模块21-2，无线收发模块21-2再将其传输至单片机处理模块21-3，最后通过无线收发模块21-2发送出去。单片机处理模块模块21-3的输出为步进电机2运行的控制指令，该控制指令作为步进电机驱动模块21-4的输入，最后步进电机驱动模块21-4输出电机驱动信号至直流步进电机2，由直流步进电机2驱动小齿轮3旋转。

本发明装置在工作时，以直流步进电机2作为动力源带动小齿轮3旋转，大齿轮18在小齿轮3带动下旋转，与大齿轮18中心方孔配合的传动杆17随之旋转。传动杆17使与之紧固连接的调节螺盖16旋转。由于调节螺盖16与上轴肩8之间是螺纹连接，调节螺盖16的旋转便产生相对于上轴肩8的轴向位移，同时，调节螺盖16带动搅拌针11和下轴肩10作轴向移动，从而改变上轴肩8和下轴肩10之间的距离。在焊接时，上轴肩8和下轴肩10夹紧被焊工件并相对工件高速旋转，如果调节上轴肩8和下轴肩10的距离，则可控制摩擦转矩即电机负载转矩的大小，因此控制直流步进电机2的旋向和旋转圈数，即可自动改变上轴肩8和下轴肩10的相对距离，从而间接调节负载转矩。

定位螺钉9的作用是使搅拌针11不能相对上轴肩8旋转，安装之后即固定不动；弹簧14一直处于压缩状态，其作用是使调节螺盖16内各部件轴向位置相对固定，不因意外的外力使搅拌针11轻易产生相对于调节螺盖16的轴向位移，该外力指使搅拌针11承受压力作用时的力；焊接过程中，上轴肩8和下轴肩10必须夹紧工件，因此搅拌针11一直承受较大拉力作用，不会出现承受压力的状态；当调节螺盖16的旋转产生相对于上轴肩8的轴向位移时，由于平面轴承12的作用是使调节螺盖16相对搅拌针11旋转自如，此时搅拌针11也只能产生相应的轴向位移。

参照图5，调节同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩的方法是：控制板21通电并初始化后，由力矩传感器测量实际负载，经接收天线21-1和无线收发模块21-2传送的负载转矩的实际信号和转矩设定信号，并将这两个信号传送至单片机处理模块21-3。经单片机处理模块21-3计算负载转矩实际值与设定值之间的差值，并判断差值是否在允许误差范围，若差值在允许误差范围，说明负载转矩达到设定值，无线收发模块21-2发送调节完成信号，为了控制精度，立即将直流步进电机2锁定。若判断差值不在允许误差范围，控制板21控制直流步进电机2反向或正向旋转，带动小齿轮3和大齿轮18旋转，使调节螺盖16旋入上轴肩8的深度变大或变小，弹簧14提供搅拌针11产生相对上轴肩8向下或向上的轴向位移的推动力，上轴肩8和下轴肩10之间的距离会在被待焊工件和弹簧14的作用下自动撑大或减小，从而增大或减小上轴肩8和下轴肩10的相对距离，减小或增大负载转矩。本发明定义：若差值不在允许误差范围且当差值为正时，控制板21发出使直流步进电机2反向旋转脉冲指令，由直流步进电机2带动小齿轮3和大齿轮18旋转，使调节螺盖16旋入上轴肩8的深度变大，呈压缩状态的弹簧14会提供搅拌针11产生相对上轴肩8向下的轴向位移的推动力，同时在焊接时，不断有新的金属进入搅拌摩擦区域，产生对上下轴肩的反作用力，此时，上轴肩8和下轴肩10之间的距离会在被待焊工件和弹簧14的作用下自动撑大，从而增大上轴肩8和下轴肩10的相对距离。自动撑大的距离等于调节螺盖16旋入上轴肩8的深度的改变值。由于距离变大了，上轴肩8和下轴肩10与工件之间的接触力也会随之变小，上轴肩8和下轴肩10与工件之间的摩擦行为会减弱，这就达到了减小负载转矩的目的。同理，如果是差值为负，发出直流步进电机2正向旋转脉冲指令增大负载转矩。

对应于直流步进电机2的步距角，调节螺盖16相对上轴肩8沿着轴向变化的距离                                                

为：

，式中，

为直流步进电机步距角，

为小齿轮模数，

为大齿轮模数，P为调节螺盖16导程，调节螺盖16导程即调节螺盖16与上轴肩8之间的连接螺纹上任意一点沿螺旋线转一周所移动的轴向距离。 

Claims (4)

1.一种同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节装置，夹具上盖（1）下端固接夹具下盖（6）且之间形成上容腔，夹具下盖（6）下端固接上轴肩（8）且之间形成下容腔，其特征是：所述上容腔中设有控制板（21）、直流步进电机（2）、小齿轮（3）和大齿轮（18），直流步进电机（2）的输出轴垂直向下连接与大齿轮（18）相啮合的小齿轮（3），大齿轮（18）通过普通轴承（4）连接夹具下盖（6），天线（21-1）通过夹具上盖（1）侧面的天线孔（19）穿入；所述下容腔的上方垂直设有一个截面为方形的传动杆（17），传动杆（17）上端穿过夹具下盖（6）并与大齿轮（18）的中心方孔间隔配合，传动杆（17）的正下端固接调节螺盖（16），调节螺盖（16）的正下端通过螺纹连接上轴肩（8）；与传动杆（17）同轴的搅拌针（11）上端穿过上轴肩（8）并伸入调节螺盖（16）中，在调节螺盖（16）中的搅拌针（11）套接两个平面推力轴承，位于两个平面推力轴承之间的搅拌针（11）上套有弹簧（14），搅拌针（11）下端向下伸出上轴肩（8）之外并连接下轴肩（10）；搅拌针（11）的侧面左右对称地设有两个凹陷的小平面（22），两个定位螺钉（9）水平穿过上轴肩（8）上的孔并分别与两个小平面（22）相配合且定位螺钉（9）的顶端与搅拌针（11）之间具有间隙；所述控制板（21）由无线收发模块（21-2）、单片机处理模块（21-3）、步进电机驱动模块（21-4）依次相串接组成，天线（21-1）与无线收发模块（21-2）相串接，步进电机驱动模块（21-4）的输出连接直流步进电机（2）。

2.根据权利要求1所述的同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节装置，其特征是：所述无线收发模块（21-2）型号为KYL-610芯片，单片机处理模块（21-3）型号为STC89C516RD+芯片，步进电机驱动模块（21-4）型号为SAA1042芯片；STC89C516RD+芯片的14、15脚与晶振Y1相连，晶振Y1的两脚分别通过电容C2、电容C3接地GND；STC89C516RD+芯片的第5、7脚与KYL-610芯片的第2、3脚相连；STC89C516RD+芯片的第1、2、3脚分别连接SAA1042芯片的第7、8、10脚，STC89C516RD+芯片的第44脚通过电阻R1连接SAA1042芯片的第6脚，SAA1042芯片的第2、15脚之间连接稳压二极管VZ1，SAA1042芯片的第3、1、16、14引脚分别连接直流步进电机（2）。

3.一种如权利要求1所述同轴双肩搅拌摩擦焊接负载转矩自动调节装置的自动调节方法，其特征是：由天线（21-1）和无线收发模块（21-2）传送负载转矩的实际信号和转矩设定信号至单片机处理模块（21-3），单片机处理模块（21-3）计算负载转矩实际值与设定值之间的差值并判断差值是否在允许误差范围，若差值在允许误差范围，无线收发模块（21-2）发送调节完成信号并锁定直流步进电机（2），若差值不在允许误差范围，控制板（21）控制直流步进电机（2）反向或正向旋转，带动小齿轮（3）和大齿轮（18）旋转，使调节螺盖（16）旋入上轴肩（8）的深度变大或变小，弹簧（14）提供搅拌针（11）产生相对上轴肩（8）向下或向上的轴向位移的推动力，上轴肩（8）和下轴肩（10）之间的距离在被待焊工件和弹簧（14）的作用下自动撑大或减小，便增大或减小上轴肩（8）和下轴肩（10）的相对距离，从而减小或增大负载转矩。

4.根据权利要求3所述的自动调节方法，其特征是：调节螺盖（16）相对上轴肩（8）沿着轴向变化的距离                                                

，

为直流步进电机步距角，

为小齿轮模数，为大齿轮模数，P为调节螺盖导程。

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