CN106077941B - 具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳和机头外壳，设置于焊机外壳开口端的第三支撑架，间隔设置于焊机外壳内部的第一支撑架和第二支撑架，固定于第一支撑架上的主电机，位于第二支撑架上并与主电机的输出端传动连接的扭矩传感器，穿过所述第三支撑架和第二支撑架并与扭矩传感器固定连接的中心轴，沿中心轴周向均匀设置在第三支撑架上的四个激光测距装置，以及沿中心轴对称设置在第三支撑架上的焊接方向振动传感器和垂直方向振动传感器。本发明能对整个焊接过程进行监控，确保焊接过程中每一时刻焊接状态的稳定性和安全性；同时，通过对焊接方向和垂直方向进行振动监测，获得的数据更可靠，更真实。

Description

具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具

技术领域

本发明涉及有色金属焊接加工技术，尤其是一种适用于新式搅拌摩擦焊的焊具。

背景技术

自英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，经常会有焊缝缺陷以及焊缝尾部出现“匙孔”。

随着焊接技术的辅助手段快速发展，机器人技术发展日趋成熟，但现有搅拌摩擦焊接设备没有测量控制系统，无法对焊接过程的位移、压力、搅拌针扭矩和搅拌摩擦焊焊机振动进行合适的控制与检测，例如现有PID压力控制方案会造成压力过大，引发飞边过多，同时存在较大的时滞，效果不佳；同时，现有搅拌摩擦焊接的装备体积和重量普遍较大，难以直接安装于机器人手臂的末端。

发明内容

发明目的：提供一种具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳和机头外壳，设置于焊机外壳开口端的第三支撑架，间隔设置于焊机外壳内部的第一支撑架和第二支撑架，固定于第一支撑架上的主电机，位于第二支撑架上并与主电机的输出端传动连接的扭矩传感器，穿过所述第三支撑架和第二支撑架并与扭矩传感器固定连接的中心轴，沿中心轴周向均匀设置在第三支撑架上的四个激光测距装置，以及沿中心轴对称设置在第三支撑架上的焊接方向振动传感器和垂直方向振动传感器。

在进一步的实施例中，所述中心轴的端部具有一凸起部，该凸起部上设置有通孔，一导轨穿过凸起部的通孔后与轴承套固定联接，所述机头外壳与轴承套之间设置有轴承。所述导轨与凸起部之间设有弹簧。所述机头外壳的内侧设置有圆形挡圈。

一种具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳和机头外壳，将焊机外壳分割成上中下三个容置空间的第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，位于上容置空间的主电机，位于中容置空间并与所述主电机传动连接的扭矩传感器，穿过第三支撑架和第二支撑架并与扭矩传感器固定连接的中心轴；以及，

激光测距传感器，数量为四个，沿中心轴的周向均匀布设于第三支撑架上，激光测距传感器到中心轴的距离相等；

振动传感器，包括焊接方向振动传感器和垂直方向振动传感器，其沿中心轴成轴对称；

数据处理单元，接收激光测距装置的数据，并根据激光测距装置的数据计算中心轴的倾角，并根据第三支撑架到工件的距离计算搅拌头的插入深度；

接收振传感器的数据，并对焊接方向振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分进一步确定扭矩传感器输出信号的滤波频率，从而获得真实的焊接扭矩信号；对垂直方向振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分进一步确定激光测距装置输出信号的滤波频率，从而获得真实的压入深度数据。

优选的，所述中心轴的端部具有一凸起部，该凸起部上设置有通孔，一导轨穿过凸起部的通孔后与轴承套固定联接，所述机头外壳与轴承套之间设置有轴承。所述导轨与凸起部之间设有弹簧。所述机头外壳的内侧设置有圆形挡圈。

有益效果：本发明能对整个焊接过程进行监控，确保焊接过程中每一时刻焊接状态的稳定性和安全性；同时，通过对焊接方向和垂直方向进行振动监测，获得的数据更可靠，更真实；最后，振动传感器和激光测距装置的设置方式不会因为惯性导致偏心而引起测量数据不准。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明振动传感器和激光测距传感器平面排布示意图。

具体实施方式

申请人对现有专利及论文进行了研究分析。例如，现有技术1提出了一个搅拌摩擦焊装置，但没有对如何实时测量搅拌头下压深度以及搅拌头倾角提出具体方法。现有技术2提出了一种搅拌摩擦焊接装置，力矩电机定子固定安装在主轴的内孔中，使得整个装置体积偏大，另外对于焊接的过程中对焊接参数的调整没有提出具体的依据。而采用PID算法的技术方案存在较大的时滞和超调量，会出现很多问题。另外，现有的各方案均没有涉及到一个重要问题，即压力、振动和扭矩测量值与真实值存在偏差的问题，因此也没有给出解决方案。

因此，申请人认为设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能，同时能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌头及其使用方法，还可以实时检测客观参数的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。

如图1和图2所示，本发明提供了一种具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳(或称动力室外壳)1和机头外壳(支撑室外壳、靠近搅拌头的壳体)，将焊机外壳分割成上中下三个容置空间的第一支撑架3、第二支撑架5和第三支撑架8，位于上容置空间的主电机2，位于中容置空间并与所述主电机传动连接的扭矩传感器4，穿过第三支撑架和第二支撑架并与扭矩传感器固定连接的中心轴10；以及，

激光测距传感器(激光测距装置)，包括第一激光测距装置6-1、第二激光测距装置6-2、第三激光测距装置6-3和第四激光测距装置6-4，沿中心轴的周向均匀布设，激光测距传感器到中心轴的距离相等，即四个激光测距装置位于某个圆周上，该圆的圆心位于中心轴的轴线上；

振动传感器，包括焊接方向振动传感器7-1和垂直方向振动传感器7-2，其沿中心轴成轴对称；

数据处理单元，接收激光测距装置的数据，并根据激光测距装置的数据计算中心轴的倾角，并根据第三支撑架到工件的距离计算搅拌头的插入深度；

接收振传感器的数据，并对焊接方向振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分进一步确定扭矩传感器输出信号的滤波频率，从而获得真实的焊接扭矩信号；对垂直方向振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分进一步确定激光测距装置输出信号的滤波频率，从而获得真实的压入深度数据。

在进一步的实施例中，所述中心轴的端部具有一凸起部，该凸起部上设置有通孔，一圆形导轨14穿过凸起部的通孔后与轴承套13固定联接，机头外壳与轴承套之间设置有轴承12。导轨与凸起部之间设有弹簧15。所述机头外壳的内侧设置有圆形挡圈11。搅拌头16设置于中心轴的端部。

在上述实施例中，焊机外壳和机头外壳同轴设置，焊机外壳的端部及侧壁开有通孔，例如螺孔，第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架的侧端部及中心位置对应设有螺孔，通过螺钉将焊机外壳的侧壁与端盖、第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架固定联接。焊机外壳的端盖可与侧壁一体成型，同时上述连接亦可以采用其他等同方式。第三支撑架上设置有激光孔9和机头外壳固定孔，通过螺钉将机头外壳与焊机外壳固定连接。第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架的中心位置开有通孔，孔的中心位于焊机外壳的中轴线上。主电机与扭矩传感器、中心轴依序连接，形成焊具的主体部分。主电机、扭矩传感器和中心轴的轴线与焊机外壳的轴线重合或基本重合。

在上述实施例中，第三支撑架设置于焊机外壳的开口端，即相当于焊机外壳的下端盖。在其他实施例中，第三支撑架亦可设置于焊机外壳的内部，即第三支撑架距离焊机外壳端口具有一定的距离。

在工作时，搅拌头具有一定的压入深度和移动速度，同时发生振动。通过焊接方向振动传感器和垂直方向振动传感器获取振动信号。通过扭矩传感器测量扭矩T，通常焊接过程稳定后扭矩T处于一个稳定的范围内。若T值非常小，则说明焊接温度过高，金属已经处于接近熔化状态，这样会导致焊接热影响区过宽从而降低焊接质量，所以应适当的降低转速或提高焊接速度。若T值非常大，则说明焊接温度过低或者搅拌头有倾角，此时通过激光测距装置检测搅拌头是否垂直于工件，在排除搅拌头有倾角的情况下，扭矩依然较大说明是由于焊接温度低引起扭矩较大，此时只要适当的降低焊接速度或提高搅拌头转速。

其中，一组激光测距装置平行于焊接方向，另一组激光测距装置垂直于焊接方向。第一激光测距装置测得的距离为X₁，第二激光测距装置测得的距离为X₂，第三激光测距装置测得的距离为X₃，第四激光测距装置测得的距离为X₄。通常X₁＝X₂＝X₃＝X₄＝X时，说明搅拌头垂直于工件。激光测距装置与搅拌头在Z方向的差为S，此时压入深度H＝S-X。

若X₁、X₂、X₃、X₄不相等，则搅拌头应该向X值较小的一边倾斜，直到X₁＝X₂＝X₃＝X₄＝X时说明搅拌头摆正；焊接过程中若丨X₁-X₃丨和/或丨X₂-X₄丨的值较大时，说明由于外力或机械内部原因造成搅拌头倾斜，此时机器报警提示工作人员进行检查。

从上述实施例中可以看出：该焊具的主要部件沿着同一轴线的分布，即主电机、扭矩传感器、中心轴、轴承套和机头外壳同轴设置，这种分布方式确保整个机械结构的中心集中于一根轴线上，机械结构平衡性好，各传感器和检测装置不随搅拌头旋转，只会随着焊接过程与工件发生水平方向的相对移动。

另外，四个激光测距装置位于第三支撑架上，通过四点测量数据可以准确的计算出搅拌头相对于中轴线的倾斜角度和搅拌头压入工件的实际深度，从而实现焊接过程中搅拌头垂直矫正及下压深度的精准调节。

在进一步的实施例中，两个呈中心对称分布的振动传感器分别用于检测焊接方向和垂直方向的振动情况。对焊接方向的振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分，可进一步确定扭矩传感器输出信号的滤波频率，从而获得真实的焊接扭矩信号。对垂直方向的振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分，可进一步确定激光测距装置输出信号的滤波频率，从而获得真实的压入深度数据。

基于上述焊具的焊接方法，包括如下步骤：

S1、根据扭矩传感器的数据判断扭矩是否在预定范围[T1，T2]内；

若扭矩T小于预定范围的下限，即T小于T1，则降低转速和/或提供焊接速度(焊机的移动速度)；若扭矩T大于预定范围的上限，即T大于T2，说明焊接温度过低或者搅拌头存在倾角；

S2、根据激光测距装置的数据判断搅拌头是否倾斜，如果倾斜的话，计算倾角的大小；若倾斜的话，调整搅拌头的姿态；若搅拌头不倾斜，则说明焊接温度较低，则提高搅拌头的转速或者降低焊接速度；

步骤S2中判断搅拌头是否倾斜的方法为：根据获取每个激光测距装置的测量值，即激光测距装置与中心轴的距离数据，计算在焊接方向上的测量数据和垂直于焊接方向上的测量数据的差值是否为零。若搅拌头是垂直的，倾角为零，则在焊接方向上的两个激光测距装置到中心轴的距离是相等的。同样在垂直于焊接方向上的两个激光测距装置到中心轴的距离也是相等的。若搅拌头超某个方向倾斜，则至少有一个方向上的距离测距距离出现差值，求取此差值，结合激光测距装置到中心轴的距离、中心轴的直径、中心轴上激光测点到固定端的距离，可以计算出中心轴的倾角。

总之，本发明的特点包括：扭矩、振动、压入深度的检测是对整个焊接过程的全程监控，确保焊接过程中每一时刻焊接状态的稳定性、安全性；对于振动的检测不是单独一个点的测量而是焊接方向和垂直方向都测量，获得数据量更加可靠；另外主电机、扭矩传感器、中心轴、搅拌摩擦头等核心受力装置的轴线处于同一条直线，这样确保各部件受力平衡增强装置的可靠性；振动传感器、激光测距装置、各部位螺栓等零件分布既是镜面对称又是中心对称的，这样确保焊机的重心落在中轴线上，焊接过程中不会因为惯性导致偏心而受力不均而引起数据测量不准。

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 (4)

1.一种具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，包括中空的焊机外壳和机头外壳，将焊机外壳分割成上中下三个容置空间的第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，位于上容置空间的主电机，位于中容置空间并与所述主电机传动连接的扭矩传感器，穿过第三支撑架和第二支撑架并与扭矩传感器固定连接的中心轴；以及，

激光测距传感器，数量为四个，沿中心轴的周向均匀布设，激光测距传感器到中心轴的距离相等；

振动传感器，包括焊接方向振动传感器和垂直方向振动传感器，其沿中心轴成轴对称；

数据处理单元，接收激光测距装置的数据，并根据激光测距装置的数据计算中心轴的倾角，并根据第三支撑架到工件的距离计算搅拌头的插入深度；

接收振动传感器的数据，并对焊接方向振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分进一步确定扭矩传感器输出信号的滤波频率，从而获得真实的焊接扭矩信号；对垂直方向振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分进一步确定激光测距装置输出信号的滤波频率，从而获得真实的压入深度数据。

2.根据权利要求1所述的具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴的端部具有一凸起部，该凸起部上设置有通孔，一导轨穿过凸起部的通孔后与轴承套固定联接，所述机头外壳与轴承套之间设置有轴承。

3.根据权利要求2所述的具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述导轨与凸起部之间设有弹簧。

4.根据权利要求3所述的具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述机头外壳的内侧设置有圆形挡圈。