CN102744514A - 用于搅拌摩擦点焊设备的伺服控制旋转夹紧装置 - Google Patents

Abstract

一种用于焊接设备的压力施加装置，包括环形套圈、壳体部件、压力脚和电动机。壳体部件与环形套圈联接且可相对于环形套圈选择性地旋转。压力脚至少部分地位于壳体部件中并具有不连续的接触表面和中央开口，所述接触表面用于接触工件，所述开口用于容纳焊接头，所述不连续的接触表面可以具有第和第二接触表面，所述第一和第二接触表面分别设置在中央开口的基本上相对的侧面上。电动机联接到壳体部件且被配置为让壳体部件相对于环形套圈旋转。

Description

用于搅拌摩擦点焊设备的伺服控制旋转夹紧装置

技术领域

本发明通常涉及用于在搅拌摩擦点焊过程期间可调整地将工件夹紧在一起的系统和方法。

背景技术

搅拌摩擦点焊(FSSW)是固态焊接技术，其能形成点焊而不用熔化工件。在FSSW过程中，带有波状外形搅拌针(rotating tip)的搅拌头(rotating tool)抵靠两个或更多工件插入，例如平的金属板件，从而最终的摩擦将工件连结在一起。在该过程中，搅拌头的搅拌针穿过顶部工件并进入下方的工件。在搅拌头的搅拌针离开顶部工件的接合表面并进入下方工件的接合表面时，搅拌头会使得上方工件升起离开下方工件并使上方工件不期望地偏离下方工件。

发明内容

一种用于焊接设备的压力施加装置，可以包括环形套圈、壳体部件、压力脚。壳体部件可以与环形套圈联接且可相对于环形套圈选择性地旋转。压力脚可以至少部分地位于壳体部件中且具有不连续的接触表面，所述不连续的接触表面用于接触工件和对工件施加夹紧压力。该脚也可以具有用于容纳焊接头的中央开口，不连续的接触表面可以具有第一和第二接触表面，所述第一和第二接触表面分别设置在中央开口的基本上相对的侧面上。

电动机可以联接到壳体部件，例如通过多个齿轮，且可以配置为使壳体部件相对于环形套圈旋转。该设备可以进一步包括处理器，所述处理器配置为可控地驱动电动机以让壳体部件旋转。在一种构造中，处理器可被配置为在部件和焊接设备的相对平移之后重新评估壳体部件的旋转位置。

压力施加装置可以进一步包括偏压部件，所述偏压部件至少部分地位于壳体部件中且配置为施加抵靠压力脚的力。另外，压力脚可以相对于壳体部件不可旋转。该环形套圈可以配置为将压力施加装置可固定地安装到焊接设备。

在另一实施例中，压力施加装置可以用于搅拌摩擦点焊设备，该设备可以包括焊接头、旋转驱动部分、支撑特征结构和/或插入部分。旋转驱动部分可以联接到焊接头且配置为在搅拌摩擦点焊过程中让焊接头旋转。类似地，插入部分可以配置为将焊接头沿深度方向朝向支撑特征结构驱动。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是搅拌摩擦点焊设备的侧视图。

图2是可用于搅拌摩擦点焊设备的装置的示例性实施例的透视截面图。

图3是图2的示例性装置的剖视图，其中装置被显示为运行中。

图4是在部件上的第一位置执行焊接操作的搅拌摩擦点焊设备的透视图。

图5是在部件上的第二位置执行焊接操作的、图4的搅拌摩擦点焊设备的透视图。

具体实施方式

参见附图，其中在各种附图中相同的附图标记用于表示相同的部件，图1示出了搅拌摩擦点焊(FSSW)设备10的侧视图。如所示的，FSSW设备10可以附接到焊接臂12，该焊接臂12可大致具有“C”形的形状。焊接臂12可还具有焊接夹具/支撑特征结构14，该焊接夹具/支撑特征结构14设置在臂12的端部上并基本上对着FSSW设备10。FSSW设备可以具有可旋转焊接头(welding tool)16、旋转驱动部分18和插入部分20。旋转驱动部分18可以包括例如电动机，该电动机可以使焊接头16以高速率的角速度旋转。在FSSW过程期间，插入部分20可以将焊接头沿轴向深度方向22朝向支撑特征结构14驱动，其中所述插入部分20可以接触要被焊接的工件。

在FSSW过程期间，压力施加装置30可以用于FSSW设备10以将多个工件中的一个或多个相对于其他工件维持在基本平坦或齐平的取向。更具体地，压力施加装置30可被安装或以其他方式附接到FSSW设备10的可操作端部——即，该端部是FSSW设备10的位于焊接头16附近的部分——从而该压力施加装置30对着要被焊接的上方工件施加稳定力。在FSSW设备10的旋转焊接头16穿过上方工件并进入下方工件时，通过装置30施加的稳定力可以阻止上方工件偏斜。尽管目前的描述在FSSW设备10的背景下做出，但是应理解本文公开的压力施加装置30可用于本领域公知的其他类型的焊接设备而并不仅限于FSSW焊机。

现在参照图2，显示了压力施加装置30的示例性实施例，该压力施加装置30可用于焊接设备，例如图1所示的FSSW设备10。在该具体实施例中，压力施加装置30附接到FSSW设备(在图1中的10处示出)的可操作端部且可以包括环形套圈40、壳体部件42、压力脚44、偏压部件46和/或后挡块48。应理解图2所示的实施例仅是一种可行情况，因为也可以使用包括比这里所示的更多、更少或不同部件的其他实施例。

如图2大体所示的，环形套圈40可以连接到压力施加装置30的一个或多个部件，且可以有助于将该装置30附接到FSSW设备10。在该具体实施例中，环形套圈40可以是环状部件，其配置为在第一端处围绕壳体部件42且可以包括保持特征结构50和一个或多个安装特征结构52。保持特征结构50可以是螺纹，该螺纹绕环形套圈40的内表面周向地延伸且与位于壳体部件42的外表面上的互补螺纹相互作用。替换地，保持特征结构可以是凸缘、轴承或齿轮，其阻止壳体部件42在轴向方向上运动，但提供选择性的旋转运动。同样，一个或多个安装特征结构52可以为环形套圈40提供附接到FSSW设备10的器件。例如，安装特征结构52可以包括绕环形套圈40的圆周间隔开的一些螺栓/螺栓孔，所述螺栓/螺栓孔可以用于将压力施加装置30与FSSW设备10联接。

在一种构造中，壳体部件42可以包围压力施加装置30的各部分和部件。壳体部件42可以包括具有第一开口62的第一端60、具有第二中央开口66的第二端64和内部肩部68。第一端60的直径可以大于第二端64的直径且可以包括端表面，所述端表面配置为匹配FSSW设备10的安装板或其他邻接特征结构。第二端64可以是壳体部件42的向外的端部且可以大致与第二开口66同中心。壳体部件42的实际形状可变化，但是可以使用的几种形状包括：非锥形形状，其中壳体部件包括在第一和第二端部60、64之间延伸的一个或多个圆柱形部段；锥形形状(例如附图所示的)，其中壳体部件是从第一端60到第二端64以大致圆锥形式逐渐变细；和/或弯曲形状，其中壳体部件在第一和第二端部60、64之间以凹或凸的样式逐渐变细。

如图3清楚示出的，第一和第二开口62、66可以设计为调节旋转焊接头16，所述旋转焊接头16可以延伸穿过所述开口并被配置为接触一个或多个工件74、76。另外，第二端64可以包括可选的轴衬72，所述轴衬72可以安装在第二开口66的面向内的表面上。轴衬72可促进壳体部件42和压力脚44之间的平滑滑动接触。但是，在替换实施例中，轴衬72可被可以促进两个部分之间的运动的轴承或其他特征结构代替。替换地，轴衬72可以被完全地省略。

再次参见图2，内部肩部68可以位于壳体部件42的里面或内部且可以用作压力脚44的止动部。换句话说，内部肩部68可以防止压力脚44被偏压部件46推出或排挤到壳体部件42以外。虽然内部肩部这里示出为位于壳体部件第二端64附近的大体均匀的环形肩部，但是应理解，能适当地将压力脚44保持在壳体部件中的任何特征结构都可以使用。例如，且非限制性地，环形内部肩部68可以被一个或多个接片、止动部、锥形部等代替，和/或其可以进一步运动离开第二端64。

压力脚44可以配置为在壳体部件42中沿轴向方向22滑动。在焊接操作持续期间，压力脚44可以经由接触表面80接触工件74，该接触表面可以提供稳定力和/或夹紧力来抵靠上方工件74，且可以促进充分的材料接触。在一实施例中，压力脚44可以具有用于接触工件74的不连续的接触表面80，且可以共享用于容纳焊接头16的第二中央开口66。如图2所示，不连续的接触表面80可以包括第一和第二接触表面56、58，所述第一和第二接触表面56、58分别设置在第二中央开口66的基本上相对的侧面上。

压力脚44可以进一步包括位于壳体部件42中的肩部82，所述肩部82可以阻止压力脚44离开壳体42。同样，压力脚44可以具有滑动表面84，该滑动表面84位于接触表面80和肩部82之间，滑动表面84可以与邻近的轴衬72界面接合。在一实施例中，压力脚44可以配置为沿方向22轴向滑动，但可以被阻止相对于壳体部件42和/或工件74任何相对旋转运动。

继续参考图2，肩部82可以从压力脚44向外延伸且可以配置为接合壳体部件的内部肩部68。在该构造中，肩部82可以是环形肩部或凸缘，其可以在绕压力脚44周向地延伸且大小和形状设定为嵌入在通过内部肩部68形成的空间中。与内部肩部68一样，压力脚44的肩部82不应被限制为环形肩部或环(如所示的)，而代替地可以被代替为一个或多个接片、止动部、锥形部、突出部或其他可以执行相似功能的特征结构。肩部82可以进一步包括环形表面100，所述环形表面100可以接合偏压部件46和/或第二环形表面102。

偏压部件46可以在压力脚44上施加促使该压力脚44沿方向22朝向工件运动的力。在图2所示的实施例中，偏压部件46可以包括具有第一端110和第二端112的弹簧，所述第一端110设计为接触后挡块48，所述第二端112可以接触压力脚44的环形表面100。弹簧可以呈锥形以符合壳体部件42的内部形状，例如，如果壳体部件42也是锥形的话。但是，如所理解的，也可以使用其他弹簧布置。替换地，偏压部件46可以包括许多不同类型的弹簧中的一种以及其他非弹簧部件，只要它们能施加适当的偏压力来抵靠压力脚44即可。

后挡块48设有带表面的偏压部件46，从该表面可以推离偏压部件46。如大体在图2中所示的，后挡块48可以是两件式部件，该两件式部件可以包括第一和第二环形环120、122。第一环形环120可以包括在其外部上的周向螺纹，所述螺纹被设计为与壳体部件42内部上的互补螺纹相互作用。在一些情况下，会希望将第一环形环120永久地附接在壳体部件内。第二环形环122也可以包括在其外部上的周向螺纹且可相对于壳体42调整，且通过这样的调整可以改变施加到压力脚44的偏压力的量。

参考图3，示出了运行中的压力施加装置30。在该例子中，FSSW设备10使用旋转驱动器18(如图1所示)以让焊接头16旋转，并使用插入机构20以使搅拌头沿轴向方向22前进。FSSW设备10前进直到压力脚44的接触表面80接触上方工件74的顶部表面。一旦建立接触，则设备10的进一步前进可以使得压力脚44抵抗偏压部件46的力而被促动到壳体部件42中。该促动可以使得可动部件的肩部82升起离开壳体部件的内部肩部68。通过压力脚44施加的稳定力与位于工件74、76的相对侧上的支撑特征结构14相互协作以将工件维持在邻近焊接位置的平坦和/或齐平的取向。这种强制接触可有助于防止工件74、76的接合表面在搅拌头16的波状外形的针92与工件74、76相接时偏斜。

如图2-3进一步所示的，压力脚44可以包括两个分立的不连续的接触表面56、58，所述接触表面56、58可以位于焊接头16的基本上相对的侧面。如大致在图4-5中所示的，在金属板件焊接操作以形成部件140期间，这种分开的接触表面设置可以允许FSSW设备10在焊接凸缘144上形成一个或多个点焊接头142，所述焊接凸缘144具有减小的横向尺寸146(与接触表面80周向地围绕整个焊接头16的设备相比——由此需要更宽的凸缘144)。可以通过将两个接触表面56、58沿凸缘144的纵向(即边缘方向的)尺寸对准而有助于较窄的焊接凸缘144。如可理解的，较窄的焊接凸缘144在一些设计情况下是有利的。

为了有助于具有在波状外形边缘周围延伸的凸缘144的部件140的焊接，例如如图4和5所示，可以采用可旋转压力脚44以减少重新调整焊接臂12方位的需要并同时保持压力脚44的接触表面56、58沿凸缘144纵向尺寸对准。

再次参见图3，如上所述，压力脚44可以相对于壳体部件42旋转地固定。但是，通过让壳体部件42相对于环形套圈40旋转，压力脚44也可以旋转。为了有助于旋转，电动机200可以联接到壳体部件，例如，通过一个或多个旋转构件，诸如齿轮202。在一种构造中，电动机200可以是伺服电动机，其能够进行精确角度控制。电动机200可以驱动齿轮202，该齿轮202可以与壳体部件42周围的毗邻齿轮齿廓204连通。替换地，电动机200可以设置在壳体部件42中，齿轮齿廓204径向地面向内。在其他构造中，带轮、传动带或其他公知的旋转驱动机构可以用于实现壳体部件42和/或压力脚44的选择性且受控的旋转。

在一种构造中，为了控制电动机200和经联接的壳体部件42的选择性旋转，处理器210可以联接到电动机200。例如，处理器210可以配置为在部件140和焊接设备10之间的相对平移之后重新评估壳体部件42和/或压力脚44的旋转位置。处理器210可以实施为伺服机或主机，即，一个或多个数字计算机或数据处理装置，每一个具有一个或多个微处理器或中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、高速时钟、模拟-数字(A/D)电路、数字-模拟(D/A)电路和任何所需的输入/输出(I/O)电路和装置，以及合适的信号调节和缓冲电子装置。在一实施例中，处理器210可以与电动机200双向通信，且可以命令电动机200的运动和/或接收来自电动机200或来自相关位置编码装置的位置反馈信号。

尽管出于简单和清楚的目的在图3中显示了单个装置，但是处理器210可以按照最佳地控制壳体部件42的实时旋转所需而包括尽可能多的不同硬件和软件。驻于处理器210中或由此容易访问的各个控制程序/系统可以存储在ROM或其他合适的实体存储位置和/或存储装置，且通过处理器的相关硬件自动地执行以提供相应的控制功能。

再次参见图4和5，旋转压力脚44/壳体部件42可以简化多个点焊接头142沿部件140的波状外形凸缘144的应用。这种简化可以由针对每一个接续的焊接而将焊接设备10相对于部件140重新设定方位的需要的减少而产生。如图4所示，焊接设备10可以在沿焊接凸缘144的第一位置处开始。而在该第一位置中，压力脚44可以沿大体平行于焊接臂12的方向取向并在该位置沿凸缘144的纵向/边缘方向尺寸就位。

在该第一位置执行焊接操作之后，焊接设备10可以相对于部件140重新定位到图5所示的第二位置。这种重新定位可以包括部件140和焊接设备10之间的相对平移。平移可以是笛卡尔平移且可以不同于焊接设备10的重新取向，这种重新取向可包含相对的角旋转。为了维持沿凸缘144的纵向/边缘方向尺寸的取向，压力脚44可以旋转到第二位置，该第二位置随后大体垂直于焊接臂12。如可理解的，压力脚44可以配置为呈现部件140的几何形状所需的任何旋转姿态，且不应被限制为仅仅是图4和5所示的位置。通过旋转压力脚44，焊接设备10可以允许狭窄的凸缘144，同时还减少焊接臂12和/或部件140的、沿凸缘144正确地排列脚44所需的操作量。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。目的是上述和在附图中所示的所有内容应被理解为仅是示例性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种压力施加装置，用于焊接设备，该压力施加装置包括：

环形套圈；

壳体部件，与环形套圈联接且能相对于环形套圈选择性地旋转；

压力脚，至少部分地位于壳体部件中并具有不连续的接触表面和中央开口，所述接触表面用于接触工件，所述开口用于容纳焊接头，所述不连续的接触表面具有至少第一和第二接触表面，所述第一和第二接触表面分别设置在中央开口的基本上相对的侧面上；和

电动机，联接到壳体部件，所述电动机被配置为让壳体部件相对于环形套圈旋转。

2.如权利要求1所述的压力施加装置，进一步包括偏压部件，至少部分地位于壳体部件中且配置为施加抵靠压力脚的力。

3.如权利要求1所述的压力施加装置，其中，电动机通过一个或多个齿轮构件联接到壳体部件。

4.如权利要求1所述的压力施加装置，其中，压力脚相对于壳体部件不可旋转。

5.如权利要求1所述的压力施加装置，进一步包括处理器，所述处理器配置为可控地驱动电动机以让壳体部件旋转。

6.如权利要求5所述的压力施加装置，其中，所述处理器配置为在部件和焊接设备的相对平移之后重新评估壳体部件的旋转位置。

7.如权利要求1所述的压力施加装置，其中，该环形套圈配置为用于将压力施加装置可固定地安装到焊接设备。

8.如权利要求7所述的压力施加装置，其中，壳体部件是单个整体部件，其从邻近环形套圈的较大第一端到邻近压力脚的较小第二端呈锥形。

9.搅拌摩擦点焊设备，包括：

焊接头；

旋转驱动部分，联接到焊接头且配置为让焊接头旋转；

支撑特征结构和插入部分，所述插入部分配置为将焊接头沿深度方向朝向支撑特征结构驱动；

环形套圈，联接到旋转驱动部分；

壳体部件，与环形套圈联接且能相对于环形套圈选择性地旋转；

压力脚，至少部分地位于壳体部件中并具有不连续的接触表面和中央开口，所述接触表面用于接触工件，所述开口用于容纳焊接头，所述不连续的接触表面具有至少第一和第二接触表面，所述第一和第二接触表面分别设置在中央开口的基本上相对的侧面，所述压力脚相对于壳体部件不可旋转；

电动机，联接到壳体部件，所述电动机被配置为让壳体部件相对于环形套圈旋转；和

处理器，配置为可控地驱动电动机以让壳体部件旋转。

10.如权利要求9所述的搅拌摩擦点焊设备，进一步包括偏压部件，所述偏压部件至少部分地位于壳体部件中且配置为施加抵靠压力脚的力，所述压力脚基本上与深度方向对准。

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