CN106134329B - 一种球状蒙皮与法兰预变形自动焊接装置 - Google Patents
一种球状蒙皮与法兰预变形自动焊接装置Info
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Abstract
一种球状蒙皮与法兰预变形自动焊接装置，包括五自由度焊接变位器、预变形自动焊工装、铣切与焊接集成工艺模块。该装置利用五自由度变位器与预变形自动焊工装，在焊接前实施铝合金球状蒙皮的弹性预变形，完成预变形量设置后，由铣加工装置在焊接工位对蒙皮法兰孔边缘实施精确铣加工，可实现蒙皮法兰孔与法兰的精密焊接装配，在预变形装配完成后由自动焊工艺模块完成自动氩弧焊。焊后焊缝收缩变形与蒙皮弹性预变形量正好相互抵消，实现了铝合金薄壁球状壳体与法兰结构的低应力无变形焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种预变形自动焊工艺装置，该装置特别适用于铝合金球状蒙皮与法兰结构的预变形自动TIG焊接。
背景技术
铝合金大型薄壁密封壳体结构是常见的航天器焊接结构。对于复杂薄壁结构的法兰焊接，传统的工艺为手工焊方法。手工焊主要采用整体工装一次夹紧固定实现多个法兰的焊接，手工焊无预变形，焊接热输入不稳定，送丝量不均匀，焊缝过宽，焊接变形无法协调，焊后蒙皮易出现翘曲失稳变形，轮廓度超差严重，各法兰口框形位精度不高。同时，手工焊产生的焊接缺陷较多，质量不稳定，焊缝一次合格率较低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、焊接变形小、焊接质量好的球状蒙皮与法兰预变形自动焊工艺装置。
本发明的技术解决方案是：一种球状蒙皮与法兰预变形自动焊接装置，包括五自由度变位器、预变形自动焊工装、铣切和焊接集成工艺模块，五自由度变位器用于实现球状壳体任意位置法兰孔的水平定位，预变形自动焊工装用于实现蒙皮的预变形以及蒙皮和法兰的夹紧固定，铣切和焊接集成工艺模块完成蒙皮边缘的铣切加工以及法兰与蒙皮的焊接，其中：
五自由度变位器包括四轮小车框架、水平导轨、立柱、竖直导轨、滑块、第一悬臂支架、第二悬臂支架、第一转轴、第二转轴、吊臂、转动支撑平台、支撑环、齿轮转环、定位块和定位盘；四轮小车框架为矩形结构，在所述矩形结构的横梁一侧底面分别安装有两条水平导轨，两个立柱分别垂直安装在四轮小车框架的横梁上并可沿水平导轨在水平方向上移动；在两个立柱上分别安装有竖直导轨，第一悬臂支架和第二悬臂支架分别通过一个滑块安装在两条竖直导轨上并可沿两条竖直导轨在垂直方向上移动；第一转轴安装在第一悬臂支架上并可以相对于第一悬臂支架在与水平方向和垂直方向均垂直的方向上移动；第二转轴安装在第二悬臂支架上并可以相对于第二悬臂支架在与水平方向和垂直方向均垂直的方向上移动；转动支撑平台通过两个吊臂吊装在第一转轴和第二转轴上并可围绕第一转轴和第二转轴翻转，定位盘与第二转轴同步旋转，定位盘上的限位孔与吊臂上的固定插销配合实现转动支撑平台的翻转定位；齿轮转环通过支撑环支撑在转动支撑平台上并可沿转动支撑平台进行360°旋转；定位块安装在齿轮转环上；
预变形工装包括平台支撑架、工作平台、悬臂粱、外撑环、内撑环、预变形外压环、焊接外压环、转接环、法兰压环、螺纹丝杠和顶杆，悬臂粱固定在平台支撑架上，螺纹丝杠的另一端通过悬臂粱垂直安装在工作平台下方，螺纹丝杠靠近工作平台的一端与外撑环相连，内撑环套接在外撑环内侧，法兰压环与内撑环配合提供焊接时对被焊法兰的外压力；顶杆的一端穿过螺纹丝杠和外撑环并与内撑环相连，顶杆的另一端与千斤顶相连实现内撑环的顶升；转接环安装在工作平台底部，预变形外压环安装在转接环的下方，为球状蒙皮提供预变形外压力；焊接外压环安装在转接环的内侧，实现焊接过程中对蒙皮的夹紧固定；
铣切和焊接工艺集成模块包括固定框架、旋子、丝杠机构、铣切机头垂直升降机构、铣切机头、焊枪升降机构和焊接机头；旋子安装在固定框架上，固定框架固定在工作平台上；丝杠机构水平安装在旋子上并可在旋子的带动下进行360°旋转，铣切机头升降机构和焊枪升降机构分别安装于丝杠机构的两侧，铣切机头安装在铣切机头垂直升降机构上，焊接机头安装在焊枪升降机构上。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明铝合金球状壳体与法兰结构预变形自动焊成套工艺装置主要包括五自由度变位器、预变形自动焊工装、铣切和焊接集成工艺模块，五自由度变位器用于实现球状壳体任意位置法兰孔的水平定位，预变形自动焊工装用于实现蒙皮的预变形以及蒙皮和法兰的夹紧固定，铣切和焊接集成工艺模块完成蒙皮边缘的铣切加工以及法兰与蒙皮的自动化焊接。该装置改变了传统手工焊方式，不仅能够实现铝合金球状壳体与法兰的自动化焊接，而且在焊前对蒙皮施加弹性预变形，焊后焊缝收缩变形正好抵消蒙皮弹性预变形，焊接应力显著减小，可以实现球状薄壁壳体与法兰的低应力无变形焊接，而且自动焊缝质量明显提高。
附图说明
图1为本发明自动焊接装置的总体结构示意图；
图2为本发明五自由度变位器的结构示意图一；
图3为本发明五自由度变位器的结构示意图二；
图4为本发明预变形自动焊接工装结构示意图；
图5为本发明的铣切和焊接集成工艺模块结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明球状蒙皮与法兰预变形自动焊接装置包括五自由度变位器、预变形自动焊工装、铣切和焊接集成工艺模块，五自由度变位器用于实现球状壳体任意位置法兰孔的水平定位，预变形自动焊工装用于实现蒙皮的预变形以及蒙皮和法兰的夹紧固定，铣切和焊接集成工艺模块完成蒙皮边缘的铣切加工以及法兰与蒙皮的焊接
如图2、图3所示，五自由度变位器包括四轮小车框架1、水平导轨2、纵向调节丝杠3、立柱4、竖直导轨5、滑块6、第一悬臂支架7、第二悬臂支架8、第一转轴9、第二转轴10、吊臂11、转动支撑平台12、支撑环13、齿轮转环14、定位块15和定位盘16。四轮小车框架1为矩形结构，底部安装四个脚轮，前面两个脚轮可转向、带刹车，后面两个脚轮方向固定。在矩形结构的横梁一侧底面分别安装有两条水平导轨2，水平导轨2可沿地面固定导向杆纵向(Y方向)移动。纵向调节丝杠3由地面固定立柱限位，通过螺纹丝杠实现纵向微调。两个立柱4分别垂直安装在四轮小车框架1上，在两个立柱4上分别安装有竖直导轨5，第一悬臂支架7和第二悬臂支架8分别通过一个滑决6垂直安装在两条竖直导轨5上并可沿两条竖直导轨5在垂直方向(Z方向)上移动。第一转轴9安装在第一悬臂支架7上并可以相对于第一悬臂支架7在与水平方向和垂直方向均垂直的方向(X方向)上移动；第二转轴10安装在第二悬臂支架8上并可以相对于第一悬臂支架7在与水平方向和垂直方向均垂直的方向(X方向)上移动。转动支撑平台12通过两个吊臂11吊装在第一转轴9和第二转轴10上并围绕第一转轴9和第二转轴10翻转，转盘16与第二转轴10固连并同步旋转，通过转盘16上三个圆孔与吊臂11上固定插销的固定实现翻转定位，翻转角度0-90°(R方向)。齿轮转环14通过支撑环13支撑在转动支撑平台12上并可沿转动支撑平台12进行360°旋转(W方向)。齿轮转环14由小齿轮驱动，手动控制。定位块15安装在齿轮转环14上，由定位块通过工艺框定位球状蒙皮被焊工件。
如图4所示，预变形工装包括辅助支撑平台、内撑工装和外压工装。辅助支撑平台由四个平台支撑架17、工作平台18和悬臂粱19组成。工作平台18用以支撑外压工装，悬臂梁19用以支撑内撑工装。内撑工装包括外撑环20、内撑环21和螺纹丝杠27、顶杆28组成。外撑环20通过螺纹丝杠27与悬臂梁19相连，通过螺纹丝杠27的旋转实现外撑环20的升降。通过外撑环20对球状蒙皮的顶升实现球状蒙皮的弹性预变形，预变形量由百分表测定。由于预变形力对球状蒙皮的顶升作用，法兰孔直径略有放大，但蒙皮厚度不变。顶杆28穿过螺纹丝杠27和外撑环20并与内撑环21相连，顶杆28通过千斤顶29的作用实现内撑环21的顶升。内撑环21上设置有焊漏槽。外压工装主要包括转接环24、预变形外压环22、焊接外压环23和法兰压环26组成。转接环24安装在工作平台底部，主要提供预变形外压环22和焊接外压环23的安装接口。预变形外压环22安装在转接环24的下面，为球状蒙皮提供预变形外压力。在预变形量设置完成以后再安装焊接外压环23，焊接外压环23安装在转接环24的内侧，与预变形外压环22连接，用以实现焊接过程中对球状蒙皮的夹紧固定。法兰压环26安装在被焊法兰25的上面通过螺栓与内撑环21连接用以提供焊接时的法兰外压力。转接环24、预变形外压环22、焊接外压环23和法兰压环26的大小与被焊法兰的直径有关。
如图5所示，铣切和焊接工艺集成模块包括旋子32、丝杠机构33、铣切机头垂直升降机构34、铣切机头35、焊枪升降机构36和焊接机头37。旋子32安装在固定框架31上，旋子32可以选择西门子公司标准产品，其上安装有频率可调的异步驱动器，实现芯轴旋转。固定框架31由三个周向均布的固定立柱30支撑，固定立柱30安装在工作平台18上。整个铣切和焊接工艺集成模块可绕旋子32进行360°旋转。丝杠机构33可以手动水平调节以改变铣切机头35与焊接机头37的回转半径。铣切机头升降机构34和焊枪升降机构36分别安装于丝杠机构33的两侧。铣切机头35安装在铣切机头垂直升降机构34上，铣切机头35可以选用德国Bosch公司的标准产品。铣切机头垂直升降机构34可以选用Rexroth公司提供的TKK 20-80系列模块。需要铣加工球状蒙皮时，铣切机头升降机构34处于下降状态。在焊接过程中，铣切机头升降机构34处于提升状态。焊接机头37安装在焊枪升降机构36上，焊枪升降机构36可垂直升降，焊枪升降机构36可以选用Rexroth公司提供的MKK系列模块，在铣切机头35工作时处于提升状态，在焊接机头37工作时处于下降状态。
下面具体介绍本发明自动焊的使用方法和工艺实施过程：
1)铝合金球状蒙皮与五自由度变位器的连接固定
采用螺钉将铝合金球状蒙皮与工艺框连接，采用吊车将铝合金球状蒙皮与工艺框吊装于五自由度变位器上，将工艺框与定位块15连接并固定。
2)蒙皮法兰孔的水平位置调节
将五自由度变位器推入焊接工位，通过X、Y、Z三个方向上的平动、与两个方向(R、W)上的转动调节，将球状蒙皮上任意位置法兰孔调节到水平位置。
3)蒙皮预变形过程实施
采用螺纹丝杠27和外撑环20顶升球状蒙皮，由于预变形外压环22的约束作用使球状蒙皮产生预变形，预变形量根据法兰孔大小与蒙皮厚度确定。
4)蒙皮法兰孔边缘精确铣加工
根据法兰孔半径调节丝杠机构33，使铣切机头35能够对预变形后的蒙皮焊口实现精确铣加工，保证铣加工后球状蒙皮与法兰结构的装配间隙小于0.1mm。
5)法兰装配
利用千斤顶29和顶杆28顶升内撑环21，内撑环21顶升到球状蒙皮位置后安装被焊法兰25与法兰压环26，微调内撑环21高度可严格控制焊缝错边量。
6)焊接外压环装配
装配焊接外压环23，通过焊接外压环23与外撑环20对球状蒙皮的夹紧，实现球状蒙皮在焊接过程的固定。
7)自动化焊接
提升铣切机头35，通过丝杠机构33调节铣切机头35的回转半径，采用焊枪升降机构36调节焊接机头37到焊口位置，完成法兰孔的自动氩弧焊，分段设置焊接参数可实现起弧、收弧与整个焊接过程的良好控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种球状蒙皮与法兰预变形自动焊接装置，其特征在于：包括五自由度变位器、预变形自动焊工装、铣切和焊接集成工艺模块，五自由度变位器用于实现球状壳体任意位置法兰孔的水平定位，预变形自动焊工装用于实现蒙皮的预变形以及蒙皮和法兰的夹紧固定，铣切和焊接集成工艺模块完成蒙皮边缘的铣切加工以及法兰与蒙皮的焊接，其中：
五自由度变位器包括四轮小车框架(1)、水平导轨(2)、立柱(4)、竖直导轨(5)、滑块(6)、第一悬臂支架(7)、第二悬臂支架(8)、第一转轴(9)、第二转轴(10)、吊臂(11)、转动支撑平台(12)、支撑环(13)、齿轮转环(14)、定位块(15)和定位盘(16)；四轮小车框架(1)为矩形结构，在所述矩形结构的横梁一侧底面分别安装有两条水平导轨(2)，两个立柱(4)分别垂直安装在四轮小车框架(1)的水平导轨(2)上并可沿水平导轨(2)在水平方向上移动；在两个立柱(4)上分别安装有竖直导轨(5)，第一悬臂支架(7)和第二悬臂支架(8)分别通过一个滑块(6)安装在两条竖直导轨(5)上并可沿两条竖直导轨(5)在垂直方向上移动；第一转轴(9)安装在第一悬臂支架(7)上并可以相对于第一悬臂支架(7)在与水平方向和垂直方向均垂直的方向上移动；第二转轴(10)安装在第二悬臂支架(8)上并可以相对于第二悬臂支架(8)在与水平方向和垂直方向均垂直的方向上移动；转动支撑平台(12)通过两个吊臂(11)吊装在第一转轴(9)和第二转轴(10)上并可围绕第一转轴(9)和第二转轴(10)翻转，定位盘(16)与第二转轴(10)同步旋转，定位盘(16)上的限位孔与吊臂(11)上的固定插销配合实现转动支撑平台(12)的翻转定位；齿轮转环(14)通过支撑环(13)支撑在转动支撑平台(12)上并可沿转动支撑平台(12)进行360°旋转；定位块(15)安装在齿轮转环(14)上；
预变形自动焊工装包括平台支撑架(17)、工作平台(18)、悬臂梁(19)、外撑环(20)、内撑环(21)、预变形外压环(22)、焊接外压环(23)、转接环(24)、法兰压环(26)、螺纹丝杠(27)和顶杆(28)，悬臂梁(19)固定在平台支撑架(17)上，螺纹丝杠(27)通过悬臂梁(19)垂直安装在工作平台(18)下方，螺纹丝杠(27)靠近工作平台(18)的一端与外撑环(20)相连，内撑环(21)套接在外撑环(20)内侧，法兰压环(26)与内撑环(21)配合提供焊接时对被焊法兰的外压力；顶杆(28)的一端穿过螺纹丝杠(27)和外撑环(20)并与内撑环(21)相连，顶杆(28)的另一端与千斤顶(29)相连实现内撑环(21)的顶升；转接环(24)安装在工作平台底部，预变形外压环(22)安装在转接环(24)的下方，为球状蒙皮提供预变形外压力；焊接外压环(23)安装在转接环(24)的内侧，实现焊接过程中对蒙皮的夹紧固定；
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