CN103335768A - 一种随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，随动盘包括上部为圆形腔体的空腔和贯穿有第一穿线孔的中空轴，中空轴从空腔的底部中心向下延伸与过渡轴固定连接，随动盘通过平面轴承安装在支架上，过渡轴底部伸出支架通过卡盘与装有双轴肩搅拌摩擦头的中空套筒相连，轴向力传感器安装在位于双轴肩搅拌摩擦头上轴肩上部的第一绝热块和第二绝热块之间；将轴向力传感器安装在搅拌头上，故轴向力传感器可随搅拌头的轴向位置上下浮动，获得的轴向力真实有效，同时，轴向力传感器的软体导线通过过渡轴的中心穿孔向上引至置于支架顶部的随动盘中，随动盘随过渡轴转动即与搅拌头同步转动，导线只需流出浮动的余量，不易拉断。

Description

一种随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置

技术领域

本发明涉及双轴肩搅拌摩擦焊接领域，具体涉及一种双轴肩搅拌摩擦焊接轴向力检测装置。

背景技术

双轴肩搅拌摩擦焊是一种新型搅拌摩擦焊接技术，这种技术使用搅拌针穿过工件后与下轴肩相连，在焊接过程中，上轴肩和下轴肩夹持工件，上轴肩、下轴肩和搅拌针同步旋转，该结构使整个工件在垂直板件方向所受合力为零，因此不需要焊接设备提供很大的轴向力，十分适合中空构件的焊接，在造船、航空航天、轨道交通等领域有着广泛的应用前景。但与此同时，巨大的顶锻力实际上由搅拌针承担，在高温、剧烈摩擦的条件下，搅拌针极易断开从而导致焊接失败，在目前搅拌针制作成本高昂的背景下，加强搅拌针所承受的轴向力检测对相关技术的深入研究和生产尤为关键。

轴向力的常规检测方法如下：使用力传感器串联于轴向位置，然后通过变送器读出传感器输出值即可。对于双轴肩搅拌摩擦焊来说，上述常规做法需要连接很长的拉杆与搅拌针连接，从而安装轴向力传感器，且轴向力传感器必须可靠固定用以提供反作用力，使之有效输出轴向力信号。但双轴肩搅拌摩擦焊接轴向力检测面临如下困难：（1）现在使用较多的双轴肩搅拌头是“浮动式”的，即在焊接过程中，搅拌针的轴向位置是不断变化的，按照常规方法难以保证轴向力传感器可靠固定；如果按照常规方法设计成固定式的轴向力传感器，就会失去搅拌头的“浮动式”优点，在板料安装不在水平面的情况下，所测到的力中含有虚假信息，即没有体现上轴肩和下轴肩对板料的作用力信息；（2）搅拌针是高速旋转的，按照常规设计会产生导线被拉断的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种轴向力检测装置随双轴肩搅拌头旋转的随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，目的在于保证轴向力传感器固定可靠的同时，维持搅拌头“浮动式”焊接的优势。

技术方案：本发明所述的一种随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，包括支架、平面轴承、随动盘、过渡轴、卡盘、中空套筒和轴向力传感器，所述随动盘包括上部为圆形腔体的空腔和贯穿有第一穿线孔的中空轴，空腔用于安置轴向力信号处理模块，所述中空轴从所述空腔的底部中心向下延伸与所述过渡轴固定连接，所述随动盘通过所述平面轴承安装在支架上，所述过渡轴底部伸出所述支架通过卡盘与装有双轴肩搅拌摩擦头的中空套筒相连，所述轴向力传感器安装在位于所述双轴肩搅拌摩擦头上轴肩上部的第一绝热块和第二绝热块之间。

所述过渡轴用于连接随动盘和卡盘，使轴向力信号处理模块能随双轴肩搅拌摩擦头同步旋转，过渡轴与随动盘的具体连接方式为：所述过渡轴沿轴线贯穿有第二穿线孔，所述随动盘的中空轴伸入所述第二穿线孔内，第一紧固螺钉穿过所述过渡轴的外壁抵靠在所述中空轴外壁向内凹陷的平台内以固定连接所述随动盘和所述过渡轴。

第二皮带轮通过第二紧固螺钉固定在所述过渡轴上，所述第二皮带轮和第一皮带轮相配合，第一皮带轮在主电机带动下旋转，将输出的旋转动力传递给所述过渡轴。

所述轴向力传感器的软体导线包覆隔热套相继穿过所述卡盘、第二穿线孔和第一穿线孔进入所述随动盘的空腔，与置于所述空腔内的轴向力信号检测相关部件连接，轴向力信号检测相关部件包括：电池、轴向力变送器和无线模块，软体导线与轴向力变送器相连，轴向力信号经过轴向力变送器采集后，通过无线模块发送出去。

所述中空套筒内部为搅拌头安装孔以便装入双轴肩搅拌摩擦头，所述中空套筒的侧壁上设有键槽；进一步，所述双轴肩搅拌摩擦头的侧壁上设有与所述键槽相适配的键，双轴肩搅拌摩擦头装入中空套筒的搅拌头安装孔后，通过键与键槽的配合，实现双轴肩搅拌摩擦头“浮动”焊接，即根据板料的高度，可以在一定轴向范围内活动。

有益效果：1、将轴向力传感器安装在搅拌头上，固定可靠，故轴向力传感器可随搅拌头的轴向位置上下浮动，获得的轴向力真实有效，同时，轴向力传感器的软体导线通过过渡轴的中心穿孔向上引至置于支架顶部的随动盘中，随动盘随过渡轴转动即与搅拌头同步转动，导线只需流出浮动的余量，穿过过渡轴的中心，受到其保护不易拉断，轴向力信号出路能够有效、准确输出，有利于进一步提高焊接质量，有利于搅拌摩擦头的研究和生产；2、随动盘不仅能够安放轴向力信号处理模块，而且容易扩展其他焊接参数检测模块，如旋转扭矩、搅拌头温度等，因此具有灵活性、通用性和拓展性；3、结构简单、实用性强，装配方便，对实现双轴肩搅拌摩擦焊的自动化检测应用具有重要现实意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所述的随动盘的结构示意图；

图3为本发明轴向力传感器安装位置示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明一种随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，如图1所示，包括主电机1、第一皮带轮2、支架3、平面轴承4、随动盘5、第一穿线孔6、电池7、无线模块8、轴向力变送器9、第一紧固螺钉10、第一锁紧螺母11、第二皮带轮12、第二紧固螺钉13、深沟轴承14、第三紧固螺钉15、托板16、垫圈17、过渡轴18、卡盘19、活动卡爪20、中空套筒21、键槽22、搅拌头安装孔23、卡盘中心孔24、第二穿线孔25、燕尾滑板26、机床架27和垂直位移电机28。

其中，主电机1、第一皮带轮2、平面轴承4、电池7、无线模块8、轴向力变送器9、第一紧固螺钉10、第一锁紧螺母11、第二皮带轮12、第二紧固螺钉13、深沟轴承14、第三紧固螺钉15、垫圈17、卡盘19、活动卡爪20、燕尾滑板26、机床架27和垂直位移电机28选择市面上通用的标准件；随动盘5、托板16、过渡轴18、中空套筒21和键槽22选用常规的合金钢；支架3采用常规铸钢浇注方法制作。

随动盘5穿过平面轴承4安装在支架3上，如图2所示，随动盘5包括上部为圆形腔体的空腔51和贯穿有第一穿线孔6的中空轴52，空腔51用于安置轴向力信号处理模块，轴向力信号检测相关部件包括电池7、轴向力变送器9和无线模块8，中空轴52从空腔51的底部中心向下延伸，过渡轴18沿轴线贯穿有第二穿线孔25，随动盘5的中空轴52伸入第二穿线孔25内，第一紧固螺钉10穿过过渡轴18的外壁抵靠在中空轴52外壁向内凹陷的平台53内以固定连接随动盘5和过渡轴18。

过渡轴18底部伸出支架3的部分为一凸台，凸台通过螺钉与卡盘19相连，卡盘19利用其底部的活动卡爪20夹紧中空套筒21，中空套筒21内部为中空的搅拌头安装孔23，用于安放双轴肩搅拌摩擦头，中空套筒21的侧壁上设有键槽22，如图3所示，双轴肩搅拌摩擦头的侧壁上设有与键槽22相适配的键34，双轴肩搅拌摩擦头装入中空套筒21的搅拌头安装孔23后，通过键34与键槽22的配合，实现双轴肩搅拌摩擦头“浮动”焊接，即根据板料的高度，可以在一定轴向范围内活动；轴向力传感器31安装在位于双轴肩搅拌摩擦头上轴肩35上部的第一绝热块30和第二绝热块33之间，第一绝热块30的顶部通过第二锁紧螺母29锁紧固定，第一绝热块30、第二绝热块33选用高压水泥石棉板，搅拌针36由下至上依次穿过上轴肩35、第二绝热块33、轴向力传感器31、第一绝热块30和第二锁紧螺母29，底部和下轴肩37相连；轴向力传感器31的软体导线32包覆隔热套相继穿过卡盘中心孔24、第二穿线孔25和第一穿线孔6进入随动盘5的空腔，与置于空腔内的轴向力变送器9相连，轴向力信号经过轴向力变送器9采集后，通过无线模块8发送出去进行检测。

主电机1安装在支架3上，输出轴连接第一皮带轮2，第一皮带轮2和第二皮带轮12通过皮带传动，第二皮带轮12通过第二紧固螺钉13固定在所述过渡轴18上，故第二皮带轮12带动过渡轴18旋转；过渡轴18穿过位于第二皮带轮12和过渡轴18的凸台之间的深沟轴承14和垫圈17，通过位于第二皮带轮12上方的第一锁紧螺母11实现轴向固定在支架3的腔体内。

整个支架3固定在燕尾滑板26上，燕尾滑板26安装在机床架27侧面的丝杠上，当安装在机床架27上的垂直位移电机28旋转时，丝杠会带动燕尾滑板26上下移动从而带动支架3在垂直方向运动。

本实施例随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置的主要安装流程为：

（1）将主电机1安装在支架3上，主电机1的输出轴连接第一皮带轮2；

（2）过渡轴18由下至上穿过垫圈17、深沟轴承14和第二皮带轮12后，通过将第一锁紧螺母11安装在第二皮带轮12的顶部实现这三者的轴向固定，将这三者整体装入支架3的空腔中，托板16抵住深沟轴承14的底端，并使用螺钉将深沟轴承14安装在支架3空腔的凹处，垫圈17、深沟轴承14和第二皮带轮12固定在过渡轴上；

（3）通过第二紧固螺钉13实现第二皮带轮12与过渡轴18的固定连接；

（4）安装第二皮带轮12与第一皮带轮2之间相配合的皮带；

（5）随动盘5的中空轴52穿过平面轴承4，安放在支架3的上方，中空轴52伸入第二穿线孔25内，第一紧固螺钉10穿过过渡轴18的外壁，抵住中空轴52的外缘上的向内凹陷的平台53，实现随动盘5与过渡轴18的连接；

（6）将轴向力传感器31安装在双轴肩搅拌摩擦头中的上轴肩35上部，位于第一绝热块30和第二绝热块33之间；

（7）双轴肩搅拌摩擦头装入中空套筒21的搅拌头安装孔23后，通过键34与键槽22的配合紧密固定；

（8）在轴向力传感器31的信号线即软体导线32上套上隔热套后，将其穿过卡盘中心孔24、第二穿线孔25和第一穿线孔6后，进入随动盘5的空腔51内部；

（9）在空腔51内部安装电池7、无线模块8和轴向力变送器9，软体导线32与轴向力变送器9连接。

在上述步骤完成后，待工件安装完成，就可以启动主电机进行双轴肩焊接过程中的轴向力检测：

当双轴肩搅拌摩擦头开始工作后，在上轴肩35、搅拌针36和下轴肩37的挤压、搅拌、摩擦作用下，上轴肩35、下轴肩37之间的工件经过软化、流动和塑性成形等过程，在这个过程中，工件将为上轴肩35、下轴肩37提供反作用力，从而使搅拌针36承受了巨大的拉力；由于轴向力传感器31安装于上轴肩35上部，位于第一绝热块30和第二绝热块33之间，且被第二锁紧螺母29锁紧固定，因此轴向力传感器31的输出真实反应了搅拌针36 承受的拉力；轴向力传感器31的输出信号通过软体导线32先后穿过卡盘中心孔24、第二穿线孔25和第一穿线孔6到达随动盘5的空腔51内部，并输入轴向力变送器9，在电池7的电源供给下，变送器9将轴向力信号通过无线模块8发送出去，即可完成轴向力信号的检测，此外如果通过相应的无线信号接受装置，还可进一步存储、分析轴向力信号。

为了避免高速旋转和“浮动”的搅拌头拉断传感器软体导线32的危险，本实施例采用随动装置对轴向力进行检测，导线穿过一系列随动部件后，能够与双轴肩搅拌头同步旋转，软体导线32的长度余量足够应对双轴肩搅拌头上下“浮动”的范围；在焊接过程中双轴肩搅拌摩擦头上下“浮动”和高速旋转时，这种安装方式在能够测得真实的轴向力信号的同时，还能保留双轴肩搅拌摩擦头“浮动”焊接这一特点，不影响焊接质量或焊接过程；第一绝热块30、第二绝热块33、隔热套的使用，保证了轴向力传感器31以及软体导线32不受搅拌摩擦头上的温度影响，进一步提高了检测装置的可靠性。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，其特征在于：包括支架、平面轴承、随动盘、过渡轴、卡盘、中空套筒和轴向力传感器，所述随动盘包括上部为圆形腔体的空腔和贯穿有第一穿线孔的中空轴，所述中空轴从所述空腔的底部中心向下延伸与所述过渡轴固定连接，所述随动盘通过所述平面轴承安装在支架上，所述过渡轴底部伸出所述支架通过卡盘与装有双轴肩搅拌摩擦头的中空套筒相连，所述轴向力传感器安装在位于所述双轴肩搅拌摩擦头上轴肩上部的第一绝热块和第二绝热块之间。

2.根据权利要求1所述的随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，其特征在于：所述过渡轴沿轴线贯穿有第二穿线孔，所述随动盘的中空轴伸入所述第二穿线孔内，第一紧固螺钉穿过所述过渡轴的外壁抵靠在所述中空轴外壁向内凹陷的平台内以固定连接所述随动盘和所述过渡轴。

3.根据权利要求1所述的随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，其特征在于：第二皮带轮通过第二紧固螺钉固定在所述过渡轴上，所述第二皮带轮和在主电机带动下旋转的第一皮带轮相配合，输出旋转动力于所述过渡轴。

4.根据权利要求1所述的随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，其特征在于：所述轴向力传感器的软体导线包覆隔热套相继穿过所述卡盘、第二穿线孔和第一穿线孔进入所述随动盘的空腔，与置于所述空腔内的轴向力信号检测相关部件连接。

5.根据权利要求1所述的随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，其特征在于：所述中空套筒内部为搅拌头安装孔，所述中空套筒的侧壁上设有键槽。

6.根据权利要求5所述的随动式双轴肩搅拌摩擦焊接的轴向力检测装置，其特征在于：所述双轴肩搅拌摩擦头的侧壁上设有与所述键槽相适配的键。

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