CN106041274A - 一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统及其焊接方法，包括步进电机单元、电磁式电弧螺柱焊枪、气爪单元、径向对称磁场单元、连接罩和三个连杆机构，电磁式电弧螺柱焊枪包括电磁线圈、动铁芯和线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构，电磁线圈套在动铁芯上，动铁芯顶部与步进电机单元连接，底部与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构连接，气爪单元与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构的底部固连，连接罩套在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构的外壁，径向对称磁场单元设置在气爪单元下方，且通过三个均匀分布的连杆机构与连接罩连接。本发明解决了现有焊枪系统无法对变直径空心螺柱实现自动焊的问题，既可焊接变直径的空心螺柱，也可焊接实心螺柱。

Description

一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统及其焊接方法

技术领域

本发明属于焊接设备，具体涉及一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统及其焊接方法。

背景技术

现代工业生产中，随着人工成本的增加，以及对焊接质量提出更高要求，为适应机器人智能化焊接环境变化，必须对原有的手工螺柱焊抢进行改进，如何自动夹取螺柱、如何控制焊接时螺柱的提升高度、如何应对空心螺柱等，已经成为机器人螺柱焊的关键技术。

空心螺柱的焊接不同于实心螺柱，不能通过尖端汽化产生电弧，进行焊接，只有设计一个径向对称磁场，在磁场中电弧电子在受到洛伦兹力的作用下发生旋转，旋转过程中，电弧将沿着空心螺柱与工件表面运动，熔化表面，一段时间后，通过加压，将空心螺柱焊在工件上。

由于螺柱焊应用较早，国内外已有众多关于实心螺柱焊枪的品牌，SOYER、HBS等。但是目前大多是手工螺柱焊枪，人工焊接过程中存在效率低、精度差的问题。另一方面市面上的焊枪不能应对多直径螺柱进行焊接，而且在大直径空心螺柱焊接时出现的偏弧、未融合现象制约着螺柱焊机器人工作站的发展。

国外的HBS空心螺柱焊枪，添加了径向对称磁场单元，但是这种焊枪的磁场添加位置为导电嘴上方，并未接触实验板材，漏磁严重，同时由于导电嘴只能应用于单一直径的螺柱进行焊接，同时由于手工螺柱焊枪的工艺，与操作人员有很大关系，导致精度差、偏弧问题、效率低、成本高等问题，这大大制约了空心螺柱焊枪在机器人自动化焊接中的应用，并且现阶段应对大直径空心螺柱的焊接依然没有较为稳妥的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统及其焊接方法，解决了现有焊枪系统无法对变直径空心螺柱实现自动焊的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统，包括步进电机单元、电磁式电弧螺柱焊枪、气爪单元、径向对称磁场单元、连接罩和三个连杆机构，电磁式电弧螺柱焊枪包括电磁线圈、动铁芯和线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构，电磁线圈套在动铁芯上，动铁芯顶部与步进电机单元连接，底部与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构连接，气爪单元与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构的底部固连，连接罩套在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构的外壁，径向对称磁场单元设置在气爪单元下方，且通过三个均匀分布的连杆机构与连接罩连接。

所述步进电机单元包括步进电机、轴联体、转动销、固定套、丝杠螺栓和丝杠螺母；轴联体设置在固定套内，转动销固定在轴联体内，步进电机固定在固定套顶部，步进电机的输出轴伸入固定套与轴联体固连，丝杠螺栓的螺杆穿过固定套底部伸入转动销，通过丝杠螺母与固定套固连，螺帽位于动铁芯上方。

所述气爪单元包括气缸和三个L形夹头，所述气缸固定在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构底部，三个L形夹头固定在气缸底部的滑块上，且L形夹头开口向外。

所述径向对称磁场单元包括线圈骨架、螺旋线圈、铝合金管、保护套和三根送气管，线圈骨架外壁设有螺旋线圈槽，螺旋线圈缠绕在螺旋线圈槽内，保护套套在线圈骨架外壁，将螺旋线圈包裹；铝合金管嵌入线圈骨架内圈，两者之间保留间隙，间隙不小于0.5mm；三根送气管均匀分布且嵌在铝合金管与线圈骨架之间，线圈骨架顶部通过三个对称设置的连杆机构与连接罩连接。

所述铝合金管顶部均匀分布三个圆槽，通过接气管通入保护气。

连杆机构包括固定螺栓、横杆、竖杆、保护套管、弹簧、直线轴承和端帽，固定螺栓一端固定在线圈骨架顶部，另一端与横杆的一端连接，横杆的另一端与竖杆连接，竖杆上设有环形凸起，直线轴承设置在环形凸起下方的竖杆上，弹簧设置在环形凸起上方的竖杆上，保护套管套在竖杆上，且所述环形凸起、弹簧、直线轴承均位于保护套管内，保护套管两端分别通过端帽固定；两个端帽与连接罩固连。

一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统对空心螺柱进行焊接的方法，方法步骤如下：

步骤1、调节步进电机，从而调节丝杠螺栓与动铁芯之间的距离；设定焊接电流与焊接时间，设定径向对称磁场单元的磁场电流。

步骤2、通过移动机器人手臂移动焊枪系统位置，达到待焊接螺柱正上方，给气爪单元信号，L形夹头向内运动夹住待焊接螺柱，同时提升焊枪系统，移动到待焊接位置。

步骤3、下压焊枪系统，保持径向对称磁场单元的保护套与实验板材接触，然后继续下压待焊接螺柱，使得待焊接螺柱焊接端面与实验板材接触后继续下压至预压量。

步骤4、自送气管通入保护气，保持一段时间，之后控制焊接电源进行焊接，同时接通径向对称磁场单元。

步骤5、焊接结束后，维持一段时间的保护气氛围，再关闭保护气，给气爪单元信号，L形夹头向外运动，上提焊枪系统，并重复步骤1-5，对下一个待焊接螺柱进行焊接。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）可以应对不同直径的空心螺柱焊接：通过气爪单元夹持原理，可以焊接外直径在10mm-32mm的空心螺柱。

（2）通过径向对称磁场单元的作用，电弧会在空心螺柱端面进行圆周运动，同时在焊接实心螺柱时，电弧也会在实心螺柱端面自旋，这有助于减少实心螺柱焊接的偏弧问题，所以本焊接装置也适用于大直径实心螺柱焊接。

（3）可以通过机器人机械手或PLC控制整个参数的调节过程，在安装到机器人上面后，通过程序控制整个焊接过程不需要人为干预，稳定性好、效率高、精度高、可重复性强。

附图说明

图1为本发明适应多直径空心螺柱的焊枪系统的整体结构示意图。

图2为本发明适应多直径空心螺柱的焊枪系统的步进电机单元结构示意图。

图3为本发明适应多直径空心螺柱的焊枪系统的电磁式电弧螺柱焊枪结构示意图。

图4为本发明适应多直径空心螺柱的焊枪系统的气爪单元结构示意图。

图5为本发明适应多直径空心螺柱的焊枪系统的径向对称磁场单元结构示意图。

图6为本发明适应多直径空心螺柱的焊枪系统的连杆机构结构示意图，其中（a）为主视图；（b）为（a）的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统，包括步进电机单元1、电磁式电弧螺柱焊枪2、气爪单元3、径向对称磁场单元4、连接罩5和三个连杆机构6，电磁式电弧螺柱焊枪2包括电磁线圈21、动铁芯22和线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构23，电磁线圈21套在动铁芯22上，动铁芯22顶部与步进电机单元1连接，底部与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构23连接，气爪单元3与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构23的底部固连，连接罩5套在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构23的外壁，径向对称磁场单元4设置在气爪单元3下方，且通过三个均匀分布的连杆机构6与连接罩5连接。连接罩5用于固定导线、气管，对焊枪系统起到一个稳定平衡作用，提高焊接精度，同时安装连杆机构6，径向对称磁场单元4便可以通过连杆机构6，进行小范围的移动作用。

所述步进电机单元1包括步进电机11、轴联体12、转动销13、固定套14、丝杠螺栓15和丝杠螺母16；轴联体12设置在固定套14内，转动销13固定在轴联体12内通过螺栓锁死，步进电机11固定在固定套14顶部，步进电机11的输出轴伸入固定套14与轴联体12固连，丝杠螺栓15的螺杆穿过固定套14底部伸入转动销13，通过丝杠螺母16与固定套14固连，而丝杠螺母16通过螺栓固定在固定套14下方，丝杠螺栓15的螺帽位于动铁芯22上方。

所述气爪单元3包括气缸31和三个L形夹头32，所述气缸31固定在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构23底部，三个L形夹头32通过螺栓固定在气缸31底部的滑块上，且L形夹头32开口向外。

所述径向对称磁场单元4包括线圈骨架41、螺旋线圈42、铝合金管43、保护套44和三个送气管45，线圈骨架41外壁设有螺旋线圈槽，螺旋线圈42缠绕在螺旋线圈槽内，保护套44套在线圈骨架41外壁，通过螺栓固定，将螺旋线圈42包裹；铝合金管43嵌入线圈骨架41内圈，两者上边缘为紧密配合，两者之间下部分保留间隙，间隙不小于0.5mm；三个送气管45均匀嵌在铝合金管43与线圈骨架41之间；线圈骨架41顶部通过三个对称设置的连杆机构6与连接罩5连接。

连杆机构6包括固定螺栓61、横杆62、竖杆63、保护套管64、弹簧65、直线轴承66和端帽67，固定螺栓61一端固定在线圈骨架41顶部，另一端与横杆62的一端连接，横杆62的另一端与竖杆63连接，竖杆63上设有环形凸起，直线轴承66设置在环形凸起下方的竖杆63上，弹簧65设置在环形凸起上方的竖杆63上，保护套管64套在竖杆63上，且所述环形凸起、弹簧65、直线轴承66均位于保护套管64内，保护套管64两端分别通过端帽67固定；两个端帽67通过螺钉与连接罩5固连。

所述的三个连杆机构6分别与接入保护气的三根送气管45角度重合，同时与气爪单元 3的三个L形夹头32错开，夹角为30°。

本发明可直接装在在焊接机器人上，实现自动化焊接。

其中步进电机单元1的功能是通过步进电机11调节输出轴转动角度， 通过轴联体12、转动销13、固定套14、丝杠螺栓15和丝杠螺母16，调节丝杠螺栓15与动铁芯22之间的距离，从而调节焊接时提升螺柱的距离。

电磁式电弧螺柱焊枪2，用于提升气爪单元3。

气爪单元3通过气缸31调节三个L形夹头32的相对位置，可以通过L形夹头32向内运动夹紧螺柱，由于具有运动范围，可以夹持不同外直径空心螺柱。

机器人通过连接罩5与电磁式电弧螺柱焊枪2共同运动，同时携带连杆机构6与径向对称磁场单元4，对焊枪系统起到一个稳定作用。

连杆机构6主要通过固定在连接罩5上，下端连接径向对称磁场单元4，对对称磁场单元4起到一个稳定作用，同时可以让径向对称磁场单元4可以向上调节。

径向对称磁场单元4，主要在待焊接螺柱与实验板材之间形成一个径向对称的磁场，使得电弧通过磁场产生特定的运动，进行焊接过程。

一种采用适应多直径空心螺柱的焊枪系统对空心螺柱进行焊接的方法，方法步骤如下：

步骤1、调节步进电机11，从而调节丝杠螺栓15与动铁芯22之间的距离；设定焊接电流与焊接时间，设定径向对称磁场单元4的磁场电流。

步骤2、通过移动机器人手臂移动焊枪系统位置，达到待焊接螺柱正上方，给气爪单元3信号，L形夹头32向内运动夹住待焊接螺柱，同时提升焊枪系统，并将其移动到待焊接位置。

步骤3、下压焊枪系统，保持径向对称磁场单元4的保护套44与实验板材接触，然后继续下压待焊接螺柱，使得待焊接螺柱焊接端面与实验板材接触后继续下压至预压量。

步骤4、自送气管45通入保护气，保持一段时间，之后控制焊接电源进行焊接，同时接通径向对称磁场单元4。

步骤5、焊接结束后，维持一段时间的保护气氛围，再关闭保护气，给气爪单元3信号，L形夹头32向外运动，上提焊枪系统，并重复步骤1-5，对下一个待焊接螺柱进行焊接。

本发明的优点在于可以应对不同直径的空心螺柱焊接：通过气爪单元夹持原理，可以焊接外直径在10mm-32mm的空心螺柱。通过径向对称磁场单元4的作用，电弧会在空心螺柱端面进行圆周运动，同时在焊接实心螺柱时，电弧也会在实心螺柱端面自旋，这有助于减少实心螺柱焊接的偏弧问题，所以本焊接装置也适用于大直径实心螺柱焊接。

Claims (7)

1.一种适应多直径空心螺柱的焊枪系统，其特征在于：包括步进电机单元（1）、电磁式电弧螺柱焊枪（2）、气爪单元（3）、径向对称磁场单元（4）、连接罩（5）和三个连杆机构（6），电磁式电弧螺柱焊枪（2）包括电磁线圈（21）、动铁芯（22）和线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构（23），电磁线圈（21）套在动铁芯（22）上，动铁芯（22）顶部与步进电机单元（1）连接，底部与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构（23）连接，气爪单元（3）与线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构（23）的底部固连，连接罩（5）套在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构（23）的外壁，径向对称磁场单元（4）设置在气爪单元（3）下方，且通过三个均匀分布的连杆机构（6）与连接罩（5）连接。

2.根据权利要求1所述的适应多直径空心螺柱的焊枪系统，其特征在于：所述步进电机单元（1）包括步进电机（11）、轴联体（12）、转动销（13）、固定套（14）、丝杠螺栓（15）和丝杠螺母（16）；轴联体（12）设置在固定套（14）内，转动销（13）固定在轴联体（12）内，步进电机（11）固定在固定套（14）顶部，步进电机（11）的输出轴伸入固定套（14）与轴联体（12）固连，丝杠螺栓（15）的螺杆穿过固定套（14）底部伸入转动销（13），通过丝杠螺母（16）与固定套（14）固连，螺帽位于动铁芯（22）上方。

3.根据权利要求1所述的适应多直径空心螺柱的焊枪系统，其特征在于：所述气爪单元（3）包括气缸（31）和三个L形夹头（32），所述气缸（31）固定在线圈弹簧式自动电弧螺柱焊枪提升结构（23）底部，三个L形夹头（32）固定在气缸（31）底部的滑块上，且L形夹头（32）开口向外。

4.根据权利要求1所述的适应多直径空心螺柱的焊枪系统，其特征在于：所述径向对称磁场单元（4）包括线圈骨架（41）、螺旋线圈（42）、铝合金管（43）、保护套（44）和三根送气管（45），线圈骨架（41）外壁设有螺旋线圈槽，螺旋线圈（42）缠绕在螺旋线圈槽内，保护套（44）套在线圈骨架（41）外壁，将螺旋线圈（42）包裹；铝合金管（43）嵌入线圈骨架（41）内圈，两者之间保留间隙，间隙不小于0.5mm；三根送气管（45）均匀分布且嵌在铝合金管（43）与线圈骨架（41）之间，线圈骨架（41）顶部通过三个对称设置的连杆机构（6）与连接罩（5）连接。

5.根据权利要求4所述的适应多直径空心螺柱的焊枪系统，其特征在于：所述铝合金管（43）顶部均匀分布三个圆槽，通过接气管通入保护气。

6.根据权利要求1或4所述的适应多直径空心螺柱的焊枪系统，其特征在于：连杆机构（6）包括固定螺栓（61）、横杆（62）、竖杆（63）、保护套管（64）、弹簧（65）、直线轴承（66）和端帽（67），固定螺栓（61）一端固定在线圈骨架（41）顶部，另一端与横杆（62）的一端连接，横杆（62）的另一端与竖杆（63）连接，竖杆（63）上设有环形凸起，直线轴承（66）设置在环形凸起下方的竖杆（63）上，弹簧（65）设置在环形凸起上方的竖杆（63）上，保护套管（64）套在竖杆（63）上，且所述环形凸起、弹簧（65）、直线轴承（66）均位于保护套管（64）内，保护套管（64）两端分别通过端帽（67）固定；两个端帽（67）与连接罩（5）固连。

7.采用如权利要求1所述的适应多直径空心螺柱的焊枪系统对空心螺柱进行焊接的方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、调节步进电机（11），从而调节丝杠螺栓（15）与动铁芯（22）之间的距离；设定焊接电流与焊接时间，设定径向对称磁场单元（4）的磁场电流；

步骤2、通过移动机器人手臂移动焊枪系统位置，达到待焊接螺柱正上方，给气爪单元（3）信号，L形夹头（32）向内运动夹住待焊接螺柱，同时提升焊枪系统，移动到待焊接位置；

步骤3、下压焊枪系统，保持径向对称磁场单元（4）的保护套（44）与实验板材接触，然后继续下压待焊接螺柱，使得待焊接螺柱焊接端面与实验板材接触后继续下压至预压量；

步骤4、自送气管（45）通入保护气，保持一段时间，之后控制焊接电源进行焊接，同时接通径向对称磁场单元（4）；

步骤5、焊接结束后，维持一段时间的保护气氛围，再关闭保护气，给气爪单元（3）信号，L形夹头（32）向外运动，上提焊枪系统，并重复步骤1-5，对下一个待焊接螺柱进行焊接。