CN106077942A - 压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的动力室外壳和支撑室外壳，与动力室外壳固定连接的第一支撑板和第二支撑板，固定于第一支撑板上的主电机，穿过第二支撑板并与主电机传动连接的中心轴，固定于第二支撑板上的姿态传感器和激光测距装置，以及压力传感系统，所述中心轴的一端具有一空腔；所述压力传感系统包括内轴、压力传感器和汇流环，所述内轴的一端延伸至空腔中，另一端固定有搅拌头，压力传感器位于内轴和中心轴之间，所述汇流环通过套筒套接于中心轴的外侧。在焊接过程中，本发明能够实时检测搅拌头相对工件的下压量和焊具的倾斜状态，保证焊具在焊接过程中与被焊工件完美贴合，提高了焊接过程的稳定性。

Description

压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具

技术领域

本发明涉及有色金属加工技术，尤其是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

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具。

本发明的方案为：一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的动力室外壳和支撑室外壳，与动力室外壳固定连接的第一支撑板和第二支撑板，固定于第一支撑板上的主电机，穿过第二支撑板并与主电机传动连接的中心轴，固定于第二支撑板上的姿态传感器和激光测距装置，以及压力传感系统，所述中心轴的一端具有一空腔；所述压力传感系统包括内轴、压力传感器和汇流环，所述内轴的一端延伸至空腔中，另一端固定有搅拌头，压力传感器位于内轴和中心轴之间，所述汇流环通过套筒套接于中心轴的外侧。

在进一步的实施例中，所述激光测距传感器和姿态传感器分别有4个，所述激光测距传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等；所述姿态传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等。所述内轴的一端具有凸台，该凸台上开有通孔；所述中心轴的端部向外延伸，形成一凸起，一套设有弹簧的导轨穿过凸台上的通孔后固定连接于中心轴的凸起上。所述支撑室外壳的内侧设置有环形挡圈。所述支撑室外壳与中心轴之间具有支撑轴承，该支撑轴承为两组，分别位于套筒的上下两端。

一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的动力室外壳和支撑室外壳，与动力室外壳固定连接的第一支撑板和第二支撑板，固定于第一支撑板上的主电机，穿过第二支撑板并与主电机传动连接的中心轴，以及

姿态传感器，固定于第二支撑板，用于测量工件与第二支撑板的距离，进而计算出搅拌头与工件之间的相对距离；

激光测距装置，固定于第二支撑板，用于检测焊具的倾斜程度并获得倾斜角；

压力传感系统，包括内轴、压力传感器和汇流环，所述内轴的一端延伸至中心轴端部的空腔中，另一端固定有搅拌头，压力传感器位于内轴和中心轴之间，所述汇流环通过套筒套接于中心轴的外侧；用于检测工件与搅拌头之间的作用力并输出；

控制单元，用于接收姿态传感器、激光测距装置和压力传感系统的信号，并根据信号的情况调整焊具姿态。

优选的，所述激光测距传感器和姿态传感器分别有4个，所述激光测距传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等；所述姿态传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等。所述内轴的一端具有凸台，该凸台上开有通孔；所述中心轴的端部向外延伸，形成一凸起，一套设有弹簧的导轨穿过凸台上的通孔后固定连接于中心轴的凸起上。所述支撑室外壳的内侧设置有环形挡圈；所述支撑室外壳与中心轴之间具有支撑轴承，该支撑轴承为两组，分别位于套筒的上下两端。调整焊具姿态包括调整焊具与工件初始距离和调整焊机倾角，其过程具体包括：

调整位于焊接方向上的激光测距装置的位置，使其发射光斑位于待焊焊缝中心线上；调整另一方向上激光测距装置的位置，使各激光测距装置测得的焊具到工件表面的距离数值相等；保持位于焊接方向上的激光测距装置的位置不变，改变另一方向上激光测距装置的输出值，计算各姿态传感器输出的倾角值并取平均，直到倾角值达到预设值。

相比现有技术的优点是：在焊接过程中，本发明能够实时检测搅拌头相对工件的下压量和焊具的倾斜状态，保证焊具在焊接过程中与被焊工件完美贴合，提高了焊接过程的稳定性。通过激光测距装置和焊具姿态检测装置可以实现搅拌摩擦焊接机械手臂的快速定位，同时可以很好的控制搅拌头相对工件的压入深度，这对搅拌摩擦焊的自动化焊接有重要的现实应用意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为激光测距装置和焊具姿态检测装置分布示意图。

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。

基于上述认识，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。

基于此，申请人提供了一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具。其主要由主电机、支撑装置、轴向压力检测装置、焊具姿态检测装置、激光测距装置和搅拌头组成。

如图1所示，该焊具的主要零件/构件/机构为：动力室外壳1、第一层支撑板2、激光测距装置（激光测距传感器）3、第二层支撑板4、激光测距孔5、支撑室外壳6、中心轴7、内轴8、搅拌头9、弹簧10、圆形导轨11、支撑轴承12、套筒13、信号汇流环14、压力传感器15、圆形挡圈16、姿态传感器17和主电机18。上述部件中，动力室外壳1、第一层支撑板2、第二层支撑板4、支撑室外壳6、中心轴7、内轴8、圆形导轨11、套筒13、圆形挡圈16均可采用普通碳钢制成；弹簧10可选用普通弹簧钢制成；主电机18可采用市面上常用的高转速电机；压力传感器15可采用市面上的圆环式压力传感器；搅拌头9可以选用高温合金钢制成。

接下来描述各零件/构件/机构的形状、位置和连接关系。如图1所示，焊机外壳和支撑室外壳为中空结构，两者同轴固定连接。其中，焊机外壳内部和开口端固定连接有第一（层）支撑板和第二支撑板。支撑板将焊机外壳内部分成两个容置空间，包括主电机所在的动力室和传感器的容置室。主电机固定于第一支撑板上，中心轴穿过第二支撑板并与主电机传动连接。在本实施例中，第一支撑板和第二支撑板与焊机外壳的固定方式为：焊机外壳的侧壁和端板开有通孔或螺纹孔，第一支撑板和第二支撑板的端部设置有螺纹孔，通过螺钉将第一支撑板、第二支撑板与焊机侧壁固定连接。第二支撑板位于焊机外壳的开口端，形成焊机外壳的一个端盖。支撑室外壳与焊机外壳螺接固定。

支撑室外壳的上端部，即靠近焊机外壳的一端，设置有环形挡圈。支撑室外壳与中心轴之间通过轴承转动连接。具体参考图1的下半部，中心轴具有一开口的腔室，内轴的一端固定有压力传感器并延伸至该腔室中。中心轴的外部通过套筒连接一汇流环，以将压力传感器的数据传输出去。从该图中可知，轴承设置于套筒的上下两端。在图1的最下方可见，中心轴的端部向外延伸，形成一环形凸台，内轴的一端向外延伸，形成一环形的凸起，一套接有弹簧的圆形导轨穿过内轴凸起上预设的通孔后固定连接于中心轴的凸台部。搅拌头固定于内轴的末端。通过上述连接，各零件/构件/元件组成一个完整的焊具。

以下具体描述激光距离传感器和姿态传感器。激光测距传感器（激光测距装置）和姿态传感器固定于第二支撑板上，激光测距传感器和姿态传感器沿中心轴的周向布设，即处在某个圆周上，该圆的圆心位于中心轴的轴线上。或者说其位于某个正方形的四个顶点处，正方形的中心位于中心轴的轴线上。姿态传感器位于相邻的激光测距传感器之间。具体如图2所示，第二层支撑板4上安装的四个激光测距装置3分别为第一激光测距装置3-1、第二激光测距装置3-2、第三激光测距装置3-3和第四激光测距装置3-4，这四个激光测距装置通过底下的激光测距孔发射与接收激光信号；靠近第二层支撑板4的中心通孔处安装了四个姿态传感器17，分别为第一姿态传感器17-1、第二姿态传感器17-2、第三姿态传感器17-3和第四姿态传感器17-4，这四个姿态传感器共同作用计算出焊具的实时倾斜状态。各激光位移传感器用来测量第二层支撑板与工件表面之间的距离，分别是S1、S2、S3、S4。各姿态传感器用来检测当前焊具各部位的倾斜状态，其测得的倾角大小，分别为a1、a2、a3、a4。

在上述实施例中，主电机安装于动力室中，用于提供搅拌头旋转的动力；支撑装置用于安装搅拌摩擦头、轴向压力检测装置，实时检测工件对搅拌头的轴向反作用力并向外界输出该压力大小；焊具姿态检测装置水平安装于动力室中，实时检测焊接过程中焊具的倾斜状况并向外界输出该倾角大小，通过该装置可以方便地调整焊具的倾斜状况，在焊具进行曲面焊接时始终保证搅拌头垂直于工件表面；激光测距装置水平安装于动力室中，通过检测焊具与工件之间的距离来精确反馈搅拌头的压入深度，通过该装置可以方便地调整焊具与工件的相对位置，实现搅拌摩擦焊接机械手臂的快速定位。

当S1、S2、S3、S4不等时，说明焊具不垂直于工件表面，此时无法得出搅拌头与被焊工件的相对位置。通过调节焊具的倾角a1、a2、a3、a4，可以快速调整焊具的空间姿态；如需要调整焊具与工件的初始距离为S，此时焊具垂直于工件表面，使S1、S2、S3、S4保持一致为S即可。由于第二层支撑板与搅拌头之间的有一个轴向距离Z，所以可以得到搅拌头与被焊工件之间的相对距离H=S-Z。当H=0时，搅拌头刚好下压到工件表面；当H＜0时，搅拌头压入工件，此时的H值便是搅拌头的压入深度。

在实际调整过程中，往往需要焊具具有一定的倾角。调整焊具与工件初始距离和焊具倾角的步骤如下：

S1：调整激光位移传感器发射的激光光斑，使激光位移传感器3-1、激光位移传感器3-3发射的激光光斑位于待焊焊缝中心线上；

S2：首先调整焊具垂直于工件表面，即S1、S2、S3、S4的值相等，检测值即为焊具与工件初始距离的设定值S；

S3：保持第一激光位移传感器（激光测距装置）3-1、第三激光位移传感器（激光测距装置）3-3的输出值不变，改变第二激光位移传感器（激光测距装置）3-2和第四激光位移传感器（激光测距装置）3-4的输出值，同时根据各姿态传感器的输出值a1、a2、a3、a4，计算焊具倾角的平均值，这个平均值就是焊具倾角，当焊具倾角达到设定值为止。

需要说明的是，由于压力传感器安装于中心轴与内轴之间，而中心轴与内轴通过弹簧和圆形导轨装配固定，所以在装配固定过程中压力传感器会有一个初始值F0，这个初始值F0正是弹簧的预紧结果。实际焊接过程中，压力传感器会测得压力F1，则焊接过程中的实际轴向压力大小为F=F1-F0。通过对轴向压力反馈F与焊接质量的研究，我们可以分析轴向压力大小对焊接质量的影响。

一种多参数反馈的的搅拌摩擦焊具，其焊前工作流程：

S1：将整个焊具安装于焊机的机头；

S2：调整弹簧的松紧程度，使压力传感器获得初始空载压力；

S3：将搅拌头安装于内轴上；

S4：打开激光测距装置和焊具姿态检测装置，调整焊具空间位置；

S5：调整焊具距离工件的初始距离S和倾角；

S6：下降焊具，使搅拌头下部的搅拌针与工件接触；

S7：启动主电机，开始焊接。

从上述实施例可知，本发明的特点还包括：焊具结构简单，实用性强，其主要部件均采用了同心式的设计，使得装置的重心稳定在中心轴线上，很大程度上简化了焊具结构，减小了焊具的体积，这对于焊接机械手臂上的应用具有重要的现实意义；该焊具在轴向压力检测上采用了信号汇流环的方式，通过信号汇流环可以在搅拌头高速旋转的同时将轴向下压力检测并输送到外界。

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 (10)

1.一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，包括中空的动力室外壳和支撑室外壳，与动力室外壳固定连接的第一支撑板和第二支撑板，固定于第一支撑板上的主电机，穿过第二支撑板并与主电机传动连接的中心轴，固定于第二支撑板上的姿态传感器和激光测距装置，以及压力传感系统，所述中心轴的一端具有一空腔；所述压力传感系统包括内轴、压力传感器和汇流环，所述内轴的一端延伸至空腔中，另一端固定有搅拌头，压力传感器位于内轴和中心轴之间，所述汇流环通过套筒套接于中心轴的外侧。

2.根据权利要求1所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述激光测距传感器和姿态传感器分别有4个，所述激光测距传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等；所述姿态传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等。

3.根据权利要求1所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述内轴的一端具有凸台，该凸台上开有通孔；所述中心轴的端部向外延伸，形成一凸起，一套设有弹簧的导轨穿过凸台上的通孔后固定连接于中心轴的凸起上。

4.根据权利要求1所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述支撑室外壳的内侧设置有环形挡圈。

5.根据权利要求1所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述支撑室外壳与中心轴之间具有支撑轴承，该支撑轴承为两组，分别位于套筒的上下两端。

6.一种压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，包括中空的动力室外壳和支撑室外壳，与动力室外壳固定连接的第一支撑板和第二支撑板，固定于第一支撑板上的主电机，穿过第二支撑板并与主电机传动连接的中心轴，以及

姿态传感器，固定于第二支撑板，用于测量工件与第二支撑板的距离，进而计算出搅拌头与工件之间的相对距离；

激光测距装置，固定于第二支撑板，用于检测焊具的倾斜程度并获得倾斜角；

压力传感系统，包括内轴、压力传感器和汇流环，所述内轴的一端延伸至中心轴端部的空腔中，另一端固定有搅拌头，压力传感器位于内轴和中心轴之间，所述汇流环通过套筒套接于中心轴的外侧；用于检测工件与搅拌头之间的作用力并输出；

控制单元，用于接收姿态传感器、激光测距装置和压力传感系统的信号，并根据信号的情况调整焊具姿态。

7.如权利要求6所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述激光测距传感器和姿态传感器分别有4个，所述激光测距传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等；所述姿态传感器沿中心轴的周向均匀布置，各激光测距传感器距中心轴轴线的距离相等。

8.如权利要求6所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述内轴的一端具有凸台，该凸台上开有通孔；所述中心轴的端部向外延伸，形成一凸起，一套设有弹簧的导轨穿过凸台上的通孔后固定连接于中心轴的凸起上。

9.如权利要求6所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述支撑室外壳的内侧设置有环形挡圈；所述支撑室外壳与中心轴之间具有支撑轴承，该支撑轴承为两组，分别位于套筒的上下两端。

10.如权利要求6至9任一项所述的压入深度和压力反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，调整焊具姿态包括调整焊具与工件初始距离和调整焊机倾角，其过程具体包括：

调整位于焊接方向上的激光测距装置的位置，使其发射光斑位于待焊焊缝中心线上；调整另一方向上激光测距装置的位置，使各激光测距装置测得的焊具到工件表面的距离数值相等；保持位于焊接方向上的激光测距装置的位置不变，改变另一方向上激光测距装置的输出值，计算各姿态传感器输出的倾角值并取平均，直到倾角值达到预设值。