CN104625406B - 一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备及其方法，属于焊接装夹装置，解决现有蒙皮激光焊接装夹方法需要多次拆装压杆，操作繁琐，效率低下的问题。本发明的吸附装夹设备包括真空泵、第一电磁阀、真空罐、第二电磁阀、单向阀、二位三通阀、真空破坏阀、消声器、过滤器、接管嘴和排污阀。本发明的装夹方法，顺序包括蒙皮安装步骤、设定真空罐压力步骤、蒙皮吸附步骤和卸掉压力步骤。本发明通过抽真空实现蒙皮与骨架的快速吸附装夹，蒙皮受力均匀、贴合间隙满足激光焊接工艺要求，且蒙皮外部完全开敞，不干涉激光焊接枪头运动，满足焊接的可达性及连续性，可减少焊接工艺装备投入，与使用传统工装相比焊接时间缩短1/2，大幅提高激光焊接设备利用率。

Description

一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备及其方法
技术领域
本发明属于焊接装夹装置，特别涉及一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备及其方法，可以实现平面及曲面蒙皮的快速装夹与定位焊接。
背景技术
随着航天武器装备的发展，对产品的比强度、比刚度、高温性能及机动性能等提出了更高的要求，钛合金、高温合金轻量化骨架加蒙皮激光焊接结构成为航天零件制造的首选，在型号中使用量越来越多，例如航天科工四院承研新型号中的舵(翼)类产品，甚至大型钛合金整体舱段也都采用了这种结构。钛合金、高温合金轻量化骨架蒙皮结构的舵翼类零件通常为封闭结构，且骨架外壁及内部网格筋侧壁上具有透气的工艺孔，图1为某钛合金骨架的示意图，图2为与其相应的蒙皮示意图，蒙皮厚度为1.0～2.5mmm；钛合金骨架+蒙皮激光焊接结构经常采用T形接头、搭接和止口对接三种接头形式，分别如图3(A)、图3(B)、图3(C)所示，图中标记：蒙皮1、钛合金骨架2、焊缝3。在焊接过程中，蒙皮与骨架之间的贴合间隙，不仅影响这三种接头的连接强度，同时又会影响零件最终的尺寸精度与形位公差，消除贴合间隙成为保证舵(翼)类产品质量的关键因素。
现有激光焊接舵(翼)类产品大多采用专用焊接夹具将蒙皮压紧的方法，来实现蒙皮与骨架的装夹与贴合，再将蒙皮焊接在骨架上；如图4所示，专用焊接夹具40由定位框41、压边条42及多个蒙皮压杆43构成，定位框41具有形状与钛合金骨架2相适应的内孔，压边条42位于定位框41内孔的一条侧边，将钛合金骨架2放入定位框41内孔，通过定位框41侧边的螺栓可以将压边条42顶紧钛合金骨架1，将其定位；然后将蒙皮1在钛合金骨架2上对正、压平，再将多个蒙皮压杆43通过螺栓连接在定位框41上，压紧蒙皮1。这种装夹方式存在压力不均匀，蒙皮会局部翘起，使蒙皮贴合间隙不能满足激光焊接工艺要求的现象，并且存在压杆干涉激光焊接枪头运动的情况，一件产品在焊接过程中往往需要多次拆装压杆，操作繁琐，效率低下。
发明内容
本发明提供一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备，同时提供其装夹方法，解决现有蒙皮激光焊接装夹方法需要多次拆装压杆，操作繁琐，效率低下的问题。
本发明所提供的一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备，包括真空泵、第一电磁阀、真空罐、第二电磁阀、单向阀、二位三通阀、真空破坏阀、消声器、过滤器、接管嘴、排污阀，其特征在于：
所述真空泵通过管路和第一电磁阀连接真空罐的抽气口，真空罐的进气口与第二电磁阀、单向阀、二位三通阀的B口通过管路依次连接，二位三通阀的A口与真空破坏阀、消声器通过管路依次连接，二位三通阀的P口与过滤器、接管嘴通过管路依次连接，接管嘴用于连接待焊接产品的骨架；
所述真空罐底部连接排污阀，用于排出真空罐内的凝结污水。
所述的吸附装夹设备，其特征在于：
所述真空罐上装有压力表和压力传感器，压力表用于指示真空罐内真空压力；
控制器分别通过信号电缆线与所述压力传感器、第一电磁阀连接，并通过动力电缆线与真空泵连接，控制器与所述真空泵、第一电磁阀、真空罐、压力传感器形成闭环控制回路。
所述控制器包括触摸屏、PLC控制器和变频器，触摸屏与PLC控制器通过串口RS485进行通信，输入启动、结束信号及真空压力设定值，并显示实时真空压力；PLC控制器包括A/D转换器、D/A转换器和PID运算模块，A/D转换器将压力传感器的压力信号转化为压力数字量，PID运算模块将所述压力数字量和设定值进行运算后输出PID控制量，经过D/A转换器输出0V～10V的电压控制信号送至变频器，变频器向真空泵输出对应频率的电压与电流，调节真空泵转速，使真空罐内真空压力逐渐逼近并达到设定值；
PLC控制器将所述压力传感器的压力信号和设定值进行比较，当压力信号等于设定值时，输出第二电磁阀及二位三通阀开启信号；当接收到结束信号时，依次向第一、第二电磁阀、真空泵及二位三通阀输出关闭信号。
利用所述吸附装夹设备的装夹方法，顺序包括蒙皮安装步骤、设定真空罐压力步骤、蒙皮吸附步骤和卸掉压力步骤，其特征在于：
蒙皮安装步骤：固定产品骨架，按照工艺要求将蒙皮在产品骨架上对正、压平；
设定真空罐压力步骤：将所述吸附装夹设备的接管嘴与产品骨架外壁工艺孔牢固连接，关闭第二电磁阀以关断与产品相连的气路，开启第一电磁阀，运行真空泵，使真空罐内气压值达到设定值；
蒙皮吸附步骤：开启第二电磁阀以连通与产品相连的气路，实现蒙皮与骨架的吸附装夹，调用激光焊枪运动及出光程序实施定位焊接；
卸掉压力步骤：产品定位焊接完成后，关闭第二电磁阀以关断与产品相连的气路，开启真空破坏阀卸掉压力，取出产品。
所述的装夹方法，其特征在于：
所述设定真空罐压力步骤中，所述真空罐内气压值的设定值P根据产品骨架筋条间距L及蒙皮厚度H确定：
A.L＜70mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.01MPa～0.05MPa、100Pa～0.04MPa、100Pa～0.03MPa；
B.70mm≤L＜100mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.01MPa～0.06MPa、100Pa～0.05MPa、100Pa～0.04MPa；
C.100mm≤L＜130mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.02MPa～0.06MPa、0.01MPa～0.05MPa、0.01MPa～0.04MPa；
D.130mm≤L＜160mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.025MPa～0.06MPa、0.02MPa～0.05MPa、0.01MPa～0.05MPa；
E.160mm≤L＜190mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.04MPa～0.065MPa、0.03MPa～0.06MPa、0.02MPa～0.05MPa；
F.190mm≤L＜220mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.04MPa～0.07MPa、0.035MPa～0.06MPa、0.026MPa～0.06MPa；
G.220mm≤L＜250mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.045MPa～0.08MPa、0.035MPa～0.065MPa、0.03MPa～0.06MPa。
所述蒙皮吸附步骤中，开启电磁阀之前，先在蒙皮周边与骨架贴合处覆盖硅橡胶条以辅助密封；所述卸掉压力步骤中，产品定位焊接完成后，关闭电磁阀后，先依次逐一移走硅橡胶条，再开启真空破坏阀卸掉压力，取出产品。
本发明用于封闭结构或采用辅助装备能够实现封闭的产品的快速装夹，通过骨架侧壁上的工艺孔抽真空，使蒙皮内部形成稳定的“负压”，蒙皮在外界大气压的作用下被“吸附”在骨架上，实现蒙皮与骨架的快速吸附装夹，蒙皮受力均匀、保证贴合间隙满足激光焊接工艺要求，且蒙皮外部完全开敞，不存在实体干涉激光焊接枪头运动，满足焊接生产的可达性及连续性；本发明适用于平面及复杂型面蒙皮的快速装夹，通用性强，可减少焊接工艺装备的投入，与使用传统工装相比焊接时间缩短1/2，大幅提高激光焊接设备利用率。
附图说明
图1为某型号A空气舵舵芯钛合金骨架示意图；
图2为与图1所示钛合金骨架相应的蒙皮示意图；
图3(A)为T形接头焊接结构示意图；
图3(B)为搭接焊接结构示意图；
图3(C)为止口对接焊接结构示意图；
图4为某型号A空气舵舵芯专用焊接夹具及其使用状态示意图；
图5为本发明实施例的组成示意图；
图6为控制器组成示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图5所示，本发明的吸附装夹设备，包括真空泵5、第一电磁阀6、真空罐7、第二电磁阀8、单向阀9、二位三通阀10、真空破坏阀11、消声器12、过滤器13、接管嘴14、排污阀15，其特征在于：
所述真空泵5通过管路和第一电磁阀6连接真空罐7的抽气口，真空罐7的进气口与第二电磁阀8、单向阀9、二位三通阀10的B口通过管路依次连接，二位三通阀10的A口与真空破坏阀11、消声器12通过管路依次连接，二位三通阀10的P口与过滤器13、接管嘴14通过管路依次连接，接管嘴14用于连接待焊接产品的骨架；
所述真空罐7底部连接排污阀15，用于排出真空罐内的凝结污水。
作为本发明的实施例，所述真空罐7上装有压力表16和压力传感器17，压力表16用于指示真空罐7内真空压力；
控制器18分别通过信号电缆线与所述压力传感器17、第一电磁阀6连接，并通过动力电缆线与真空泵5连接，控制器18与所述真空泵5、第一电磁阀6、真空罐7、压力传感器17形成闭环控制回路。
如图6所示，所述控制器18包括触摸屏、PLC控制器和变频器，触摸屏与PLC控制器通过串口RS485进行通信，输入启动、结束信号及真空压力设定值，并显示实时真空压力；PLC控制器包括A/D转换器、D/A转换器和PID运算模块，A/D转换器将压力传感器17的压力信号转化为压力数字量，PID运算模块将所述压力数字量和设定值进行运算后输出PID控制量，经过D/A转换器输出0V～10V的电压控制信号送至变频器，变频器向真空泵输出对应频率的电压与电流，调节真空泵转速，使真空罐7内真空压力逐渐逼近并达到设定值；
PLC控制器将所述压力传感器17的压力信号和设定值进行比较，当压力信号等于设定值时，输出第二电磁阀及二位三通阀开启信号；当接收到结束信号时，依次向第一、第二电磁阀、真空泵及二位三通阀输出关闭信号。
本实施例中，真空泵采用德国贝克VT4.8型真空泵，PLC控制器采用西门子S7-224XPCN，变频器采用西门子6SE6420-2AB22-2BA1，触摸屏采用威纶触摸屏MT6070iH(7"TFT)，压力传感器采用HM27CA-3-V2-F2-W1。系统压力调节范围100Pa～0.1MPa，压力调节精度不大于100Pa，抽速不小于4L/S。
某产品骨架筋条间距L为70mm≤L＜100mm，蒙皮厚度H为1.5mm；
利用前述吸附装夹设备对某产品骨架蒙皮的装夹方法，顺序包括蒙皮安装步骤、设定真空罐压力步骤、蒙皮吸附步骤和卸掉压力步骤：
蒙皮安装步骤：固定产品骨架，按照工艺要求将蒙皮在产品骨架上对正、压平；
设定真空罐压力步骤：将所述吸附装夹设备的接管嘴与产品骨架外壁工艺孔牢固连接，关闭第二电磁阀以关断与产品相连的气路，开启第一电磁阀，运行真空泵，使真空罐内气压值达到设定值P，P＝0.04MPa；
蒙皮吸附步骤：开启第二电磁阀以连通与产品相连的气路，实现蒙皮与骨架的吸附装夹，调用激光焊枪运动及出光程序实施定位焊接；
卸掉压力步骤：产品定位焊接完成后，关闭第二电磁阀以关断与产品相连的气路，开启真空破坏阀卸掉压力，取出产品。
所述蒙皮吸附步骤中，开启电磁阀之前，先在蒙皮周边与骨架贴合处覆盖硅橡胶条以辅助密封；所述卸掉压力步骤中，产品定位焊接完成后，关闭电磁阀后，先依次逐一移走硅橡胶条，再开启真空破坏阀卸掉压力，取出产品。

Claims (6)

1.一种用于骨架蒙皮激光焊接的吸附装夹设备，包括真空泵(5)、第一电磁阀(6)、真空罐(7)、第二电磁阀(8)、单向阀(9)、二位三通阀(10)、真空破坏阀(11)、消声器(12)、过滤器(13)、接管嘴(14)、排污阀(15)，其特征在于：
所述真空泵(5)通过管路和第一电磁阀(6)连接真空罐(7)的抽气口，真空罐(7)的进气口与第二电磁阀(8)、单向阀(9)、二位三通阀(10)的B口通过管路依次连接，二位三通阀(10)的A口与真空破坏阀(11)、消声器(12)通过管路依次连接，二位三通阀(10)的P口与过滤器(13)、接管嘴(14)通过管路依次连接，接管嘴(14)用于连接待焊接产品的骨架；
所述真空罐(7)底部连接排污阀(15)，用于排出真空罐内的凝结污水。
2.如权利要求1所述的吸附装夹设备，其特征在于：
所述真空罐(7)上装有压力表(16)和压力传感器(17)，压力表(16)用于指示真空罐(7)内真空压力；
控制器(18)分别通过信号电缆线与所述压力传感器(17)、第一电磁阀(6)连接，并通过动力电缆线与真空泵(5)连接，控制器(18)与所述真空泵(5)、第一电磁阀(6)、真空罐(7)、压力传感器(17)构成闭环控制回路。
3.如权利要求2所述的吸附装夹设备，其特征在于：
所述控制器(18)包括触摸屏、PLC控制器和变频器，触摸屏与PLC控制器通过串口RS485进行通信，输入启动、结束信号及真空压力设定值，并显示实时真空压力；PLC控制器包括A/D转换器、D/A转换器和PID运算模块，A/D转换器将压力传感器(17)的压力信号转化为压力数字量，PID运算模块将所述压力数字量和设定值进行运算后输出PID控制量，经过D/A转换器输出0V～10V的电压控制信号送至变频器，变频器向真空泵输出对应频率的电压与电流，调节真空泵转速，使真空罐(7)内真空压力逐渐逼近并达到设定值；
PLC控制器将所述压力传感器(17)的压力信号和设定值进行比较，当压力信号等于设定值时，输出第二电磁阀及二位三通阀开启信号；当接收到结束信号时，依次向第一、第二电磁阀、真空泵及二位三通阀输出关闭信号。
4.利用权利要求1、2或3所述吸附装夹设备的装夹方法，顺序包括蒙皮安装步骤、设定真空罐压力步骤、蒙皮吸附步骤和卸掉压力步骤，其特征在于：
蒙皮安装步骤：固定产品骨架，按照工艺要求将蒙皮在产品骨架上对正、压平；
设定真空罐压力步骤：将所述吸附装夹设备的接管嘴与产品骨架外壁工艺孔牢固连接，关闭第二电磁阀以关断与产品相连的气路，开启第一电磁阀，运行真空泵，使真空罐内气压值达到设定值；
蒙皮吸附步骤：开启第二电磁阀与二位三通阀以连通与产品相连的气路，实现蒙皮与骨架的吸附装夹，调用激光焊枪运动及出光程序实施定位焊接；
卸掉压力步骤：产品定位焊接完成后，停止真空泵，并关闭第二电磁阀与二位三通阀以关断与产品相连的气路，开启真空破坏阀卸掉压力，取出产品。
5.如权利要求4所述的装夹方法，其特征在于：
所述设定真空罐压力步骤中，所述真空罐内气压值的设定值P根据产品骨架筋条间距L及蒙皮厚度H确定：
A.L＜70mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.01MPa～0.05MPa、100Pa～0.04MPa、100Pa～0.03MPa；
B.70mm≤L＜100mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.01MPa～0.06MPa、100Pa～0.05MPa、100Pa～0.04MPa；
C.100mm≤L＜130mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.02MPa～0.06MPa、0.01MPa～0.05MPa、0.01MPa～0.04MPa；
D.130mm≤L＜160mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.025MPa～0.06MPa、0.02MPa～0.05MPa、0.01MPa～0.05MPa；
E.160mm≤L＜190mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.04MPa～0.065MPa、0.03MPa～0.06MPa、0.02MPa～0.05MPa；
F.190mm≤L＜220mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.04MPa～0.07MPa、0.035MPa～0.06MPa、0.026MPa～0.06MPa；
G.220mm≤L＜250mm，H＝1.0mm、1.5mm、2.5mm，相应P＝0.045MPa～0.08MPa、0.035MPa～0.065MPa、0.03MPa～0.06MPa。
6.如权利要求4或5所述的装夹方法，其特征在于：
所述蒙皮吸附步骤中，开启电磁阀之前，先在蒙皮周边与骨架贴合处覆盖硅橡胶条以辅助密封；所述卸掉压力步骤中，产品定位焊接完成后，关闭电磁阀后，先依次逐一移走硅橡胶条，再开启真空破坏阀卸掉压力，取出产品。
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