CN106891083B - 一种用于tig自动堆焊的三自由度可水冷工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，主要包括：上部摆动机构、中部回转机构、下部直线进给机构，且由上到下依次设置，上部摆动机构包括：工作台体、扇形摆动件、压电陶瓷电机，扇形摆动件垂直设置，且扇形摆动件的圆弧位于下部，扇形摆动件通过支撑块固定在连接板上，扇形摆动件与支撑块通过转动部件连接，且使扇形摆动件相对于支撑块可做转动运动，在扇形摆动件的底部固定有陶瓷环，工作台体水平固定在扇形摆动件的顶部，工作台体的内部设有冷却水路，压电陶瓷电机固定在连接板上，连接板固定在固定板上。本发明通过压电陶瓷电机驱动扇形摆动件进行±40°回转，从而带动工作台体倾斜，实现对堆焊母材进行倾斜堆焊。

Description

一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台

技术领域：

本发明属于惰性气体保护下的电弧堆焊以及3D成型增材制造技术领域，具体涉及一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台。

背景技术：

堆焊是为了使零件表面获得具有耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化等特性的熔敷金属；或是为了恢复或增加零件尺寸，而采用焊接方法在零件表面熔敷一层具有特定性能材料的焊接工艺过程。堆焊作为一种经济、有效的表面改性方法，是现代材料加工与制造业不可缺少的工艺手段。目前堆焊方法众多，且在制造业的推动下不断有新的堆焊技术开发出来，并在诸多行业得到应用，其中TIG堆焊是在惰性气体保护下，不需要施加外部压力，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝，形成堆焊层的焊接方法。随着TIG电弧堆焊技术的发展，目前对TIG电弧堆焊的研究已不局限于简单的直壁零件或是圆柱零件，而目前由于现有的大部分TIG电弧堆焊设备自身的局限性，其基本都不具备或不能很好的对S型、W型、Z型，甚至是倾斜堆焊等组合形式的复杂零件的加工。

发明内容：

本发明为克服上述缺陷，提供了一种用于TIG自动堆焊可实现对复杂零件进行加工的三自由度可水冷工作台。

本发明采用的技术方案在于：

一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，包括：上部摆动机构、中部回转机构、下部直线进给机构，所述上部摆动机构、中部回转机构和下部直线进给机构由上至下依次设置，且所述下部直线进给机构带动中部回转机构和上部摆动机构做直线运动，所述中部回转机构带动上部摆动机构做回转运动，所述上部摆动机构做左右摆动运动，所述上部摆动机构包括：工作台体、扇形摆动件、压电陶瓷电机，所述扇形摆动件垂直设置，且扇形摆动件的圆弧位于下部，所述扇形摆动件通过支撑块固定在连接板上，所述扇形摆动件与支撑块通过转动部件连接，且使扇形摆动件相对于支撑块可做转动运动，在扇形摆动件的底部固定有陶瓷环，所述工作台体水平固定在扇形摆动件的顶部，所述工作台体的内部设有冷却水路，所述压电陶瓷电机固定在连接板上，所述连接板固定在固定板上，所述固定板固定在中部回转机构顶部。

优选地，所述中部回转机构，包括：涡轮蜗杆机构、转台底座和蜗杆驱动系统，涡轮蜗杆机构固定在转台底座上，蜗杆的一端与蜗杆驱动系统连接，与蜗杆啮合的涡轮内垂直设有主轴，所述涡轮通过键连接固定在主轴上，在主轴上还套有转动件，所述转动件顶部设有法兰连接盘，所述法兰连接盘与固定板固定。

优选地，所述下部直线进给机构，包括：丝杠螺母机构、滑轨滑块机构、丝杠驱动系统和底座，所述滑轨滑块机构固定在底座上，丝杠两端通过垫块固定在底座上，所述丝杠与滑轨平行设置，所述丝杠的一端与丝杠驱动系统连接，所述丝杠上配有丝杠螺母，所述丝杠螺母固定在转台底座上，所述滑轨滑块机构固定在底座上，在滑轨上设有匹配的滑块，所述滑块与转台底座的底部固定。

优选地，所述转动部件包括扇形摆动件顶部设有凸棱和在支撑块上设有与之对应的凹槽，所述支撑块位于扇形摆动件的两侧对称设置，扇形摆动件的凸棱可在凹槽内转动，使扇形摆动件在凹槽内进行±40°回转。

优选地，所述扇形摆动件的表面上均匀分布设有多个减重孔。

优选地，所述冷却水路在工作台体内采用迂回布管方式。

优选地，所述转动件包括上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承，上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承面对面安装，且上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承分别套在涡轮的两端，所述下圆锥滚子轴承内圈与主轴轴肩及涡轮过盈配合，与主轴一起转动，下圆锥滚子轴承外圈固定在转台底座上固定不动；所述上圆锥滚子轴承内圈通过套筒顶在涡轮上，与主轴同时转动，上圆锥滚子轴承外圈顶在法兰连接盘下，主轴顶端与法兰连接盘底部连接，上圆锥滚子轴承与法兰连接盘同时转动，固定板与法兰连接盘固定，与法兰连接盘同时转动。

优选地，所述滑轨为2条，在每条滑轨上间隔设有2个滑块，在2个滑块上设有连接块，滑块通过连接块与转台底座固定。

优选地，所述丝杠驱动系统或蜗杆驱动系统均包括：伺服电机、联轴器和减速器。

本发明的有益效果是：

1、对工作台体内部设计冷却水回路，通过控制冷却水路的流速，实现对堆焊母材的环境温度的控制。

2、通过压电陶瓷电机驱动的扇形摆动件进行±40°回转，从而带动工作台倾斜，进而对堆焊母材进行倾斜堆焊；

3、由于上部摆动部分的驱动装置距离工作台体较近，采用的是陶瓷电机，配合着非磁性元件的使用，可以避免类似于常规电极引入磁场，对堆焊过程产生影响；

4、由于涡轮蜗杆机构与丝杠螺母机构可带动工作台进行水平回转及水平进给，配合着焊枪的动作，可以对组合形式的复杂零件进行加工；

5、由于本设计中摆动电机旋转的陶瓷电机，回转及直线进给电机选择的是伺服电机，其都具有可精确控制速度与位置的特点，所以本工作台具有较高的运动精度，最终堆焊行程的复杂形状的零件也具有较高的成型精度。

附图说明：

图1为一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台主视图；

图2为一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台俯视图；

图3为一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台剖视图；

图4为一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台轴测图；

其中：1、工作台体；2、冷却水路；3、扇形摆动件；4、陶瓷环；5、支撑块；6、压电陶瓷电机；7、连接板；8、固定板；9、主轴；10、法兰连接盘；11、上圆锥滚子轴承外圈；12、上圆锥滚子轴承内圈；13、套筒；14、涡轮；15、下圆锥滚子轴承内圈；16、下圆锥滚子轴承外圈；17、转台底座；18、蜗杆bk座；19、蜗杆轴承套；20、蜗杆bk座垫块；21、蜗杆；22、蜗杆bf座；23、蜗杆bf座垫块；24、蜗杆联轴器；25、蜗杆减速器座；26、蜗杆减速器；27、连接块一；28、蜗杆伺服电机；29、丝杠伺服电机；30、丝杠减速器；31、丝杠联轴器；32、丝杠bf座垫块；33、丝杠bf座；34、丝杠；35、滑块一；36、丝杠螺母；37、滑块二；38、滑轨一；39、丝杠bk座；40、丝杠bk座垫块；41、铝型材底座一；42、铝型材底座二；43、滑轨二；44、滑块三；45、连接块二；46、滑块四。

具体实施方式：

实施例1

参照图1至图4，本发明的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，包括：上部摆动机构、中部回转机构、下部直线进给机构、底座，所述下部直线进给机构通过滑轨安装在底座上，所述上部摆动机构和中部回转机构由上到下叠加在下部直线进给机构上，所述下部直线进给机构带动中部回转机构和上部摆动机构做直线运动，所述中部回转机构带动上部摆动机构做回转运动，所述上部摆动机构做左右摆动运动。

上部摆动机构包括：工作台体1、扇形摆动件3、摆动驱动系统，工作台体1内部开有多条平行圆孔，用以安装冷却水路2，所述冷却水路在工作台体内采用迂回布管方式，通过控制冷却水路2的流速可以控制台体温度，通过改变工作台体中冷却水路的液体流速，可以对堆焊母材实现不同的冷却效果。工作台体1通过螺栓固定在扇形摆动件3上，所述扇形摆动件3垂直设置，且扇形摆动件3的圆弧位于下面，扇形摆动件3的表面上均匀开有多个减重孔，扇形摆动件3安装在支撑块5上，具体安装方式为扇形摆动件3上有凸棱，而支撑块5上设有凹槽，两个支撑块5在扇形摆动件3两侧对称安装，通过螺栓相连，对扇形摆动件3即起支撑作用。在所述扇形摆动件顶部设有摆动部，所述摆动部包括扇形摆动件顶部设有的凸棱和在支撑块上设有与之对应的凹槽，扇形摆动件的凸棱可在凹槽内滑动，相当于滑轨滑块，使扇形摆动件可在凹槽内进行±40°回转。陶瓷环4通过螺钉安装在扇形摆动件3的圆弧上。所述压电陶瓷电机6通过螺钉安装在连接板7上，连接板7通过螺钉安装在固定板8上，压电陶瓷电机6通过驱动陶瓷环4转动带动扇形摆动件3相对于支撑块5转动，从而带动工作台体1摆动。通过控制上部摆动机构中的压电陶瓷电机，可以使工作台进行±40°的摆动，以达到对母材进行倾斜堆焊的目的。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2采用的中部回转机构主要采用的是涡轮蜗杆机构。

中部回转机构包括：涡轮蜗杆机构、转台底座17和蜗杆驱动系统，蜗杆驱动系统包括：蜗杆伺服电机28、蜗杆联轴器24和蜗杆减速器26，蜗杆伺服电机28通过螺钉与蜗杆减速器26相连，蜗杆减速器26输出轴通过蜗杆联轴器24与蜗杆21相连，同时，蜗杆21通过蜗杆bk座18与蜗杆bf座22固定在转台底座17，蜗杆减速器26通过蜗杆减速器座25固定在转台底座17上，而蜗杆bk座垫块20与蜗杆bf座垫块23的作用是抬高蜗杆21，保证蜗杆21与蜗杆减速器26输出轴同轴心，从而保证蜗杆伺服电机28能够驱动蜗杆21旋转。蜗杆21与涡轮14相啮合，从而使蜗杆21带动涡轮14旋转。在与蜗杆21啮合的涡轮14内垂直设有主轴9，所述主轴9与涡轮14通过键连接固定，在主轴9外还套有转动件。所述转动件包括上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承，两套圆锥滚子轴承采用面对面安装，下圆锥滚子轴承内圈15定在主轴9轴肩及涡轮14上，与主轴9一起转动，下圆锥滚子轴承外圈16固定在转台底座17上固定不动，而上圆锥滚子轴承内圈12通过套筒13顶在涡轮上，与主轴9同时转动，上圆锥滚子轴承外圈11顶在法兰连接盘10上，与法兰连接盘10同时转动。而法兰连接盘10与固定板8通过螺栓相连。中部中部回转机构中蜗杆伺服电机28通过驱动涡轮蜗杆旋转从而带动主轴9旋转，主轴9旋转带动上部上部摆动机构的固定板8转动，从而实现了工作台体1的回转,工作台体1可转动±360°。

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处在于，实施例3采用的下部直线进给机构主要采用的是丝杠螺母机构。

所述下部直线进给机构，包括：丝杠螺母机构和丝杠驱动系统，丝杠驱动系统包括：丝杠伺服电机29、丝杠联轴器31和丝杠减速器30，

丝杠34安装滑轨的上方，安装在转台底座17下侧的丝杠伺服电机29通过螺钉固定在丝杠减速器30上，丝杠联轴器31一侧连接着丝杠减速器30的输出轴，另一侧连接丝杠34上。丝杠34上配合有丝杠螺母36，丝杠螺母36通过螺钉固定在转台底座17上。丝杠34通过丝杠bf座33与丝杠bk座39固定在铝型材底座一41上，而丝杠bk座39与丝杠bf座33下的丝杠bf座垫块32与丝杠bk座垫块40的作用一方面是保证丝杠34与丝杠减速器30输出轴同心，另一方面是使丝杠螺母机构偏离铝型材底座一41的中心，避免与滑块导轨机构的干涉。所述滑轨为2条，滑轨一38和滑轨二43，在每条滑轨上间隔设有匹配的2个滑块，在2个滑块上设有连接块。滑块一35与滑块二37安装在滑轨一38上，其上部通过连接块一27与转台底座17相连，连接块一27的作用是保证滑块与转台底座17相接触，而滑轨一38通过螺柱固定在铝型材底座一41上；滑块三44与滑块四46安装在滑轨二43上，并通过连接块二45与转台底座17相连，而滑轨二43通过螺柱固定在铝型材底座二42上，滑块滑轨机构对直线进给运动主要起支撑作用。本部分丝杠伺服电机29通过带动丝杠螺母36运动从而推动工作台体1在滑块滑轨机构的辅助支撑下进行直线进给运动，可实现直线进给距离为500mm。

本发明的工作台：总高度为300mm；总长度为700mm；总宽度为220mm；总重量约为30kg。本发明的驱动设备总共有三个：第一个是压电陶瓷电机6，控制工作台体1的倾斜摆动，第二个是蜗杆伺服电机28，控制蜗轮蜗杆的转动，从而控制工作台体1的转动，第三个是丝杠伺服电机29，控制丝杠螺母36的转动，带动工作台体1直线进给，此三个电机可以独立运动，完成相应简单零件的堆焊，也可以联合运动，通过协同或单独控制中部回转机构与下部进给机构的伺服电机，可对母材进行复杂路径的堆焊。

工作过程：

该工作台的机构特征主要包括：上部摆动机构、中部回转机构、下部直线进给机构，其中：上部摆动机构主要包括压电陶瓷电机6、扇形摆动件3、工作台体1，压电陶瓷电机6驱动扇形摆动件3摆动从而使工作台体1摆动；中部回转机构主要包括蜗杆伺服电机28、涡轮蜗杆机构、主轴9，蜗杆伺服电机28带动蜗杆21转动进而驱动涡轮14与主轴9旋转，从而带动上部摆动机构旋转；下部直线进给机构主要包括丝杠伺服电机29、丝杠螺母机构、滑轨滑块机构，丝杠伺服电机29驱动丝杠螺母机构，从而带动工作台体1的整体在滑轨上进行直线移动。

下部直线进给机构的两根直线滑轨安装在铝型材底座上，同时铝型材底座上安装有丝杠螺母机构，丝杠伺服电机29经过丝杠减速器30减速后，通过丝杠联轴器31驱动丝杠34回转，丝杠34回转带动与之相配合的丝杠螺母36进行直线移动，丝杠螺母36与转台底座17相连接，带动转台底座17运动从而带动工作台体1进行直线进给运动；中部回转机构主要由蜗轮蜗杆机构组成，蜗杆伺服电机28经过蜗杆减速器26减速后，经过蜗杆联轴器24驱动蜗杆21回转，带动与之相配合的涡轮14转动，而涡轮14通过键带动主轴9旋转，主轴9通过键带动法兰连接盘10旋转，从而使工作台体1进行回转运动；上部摆动机构主要由压电陶瓷电机6和扇形摆动件3组成，压电陶瓷电机6驱动陶瓷环4旋转，陶瓷环4与扇形摆动件3固定在一起，从而带动扇形摆动件3摆动，最终实现工作台体1的倾斜。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，包括：上部摆动机构、中部回转机构、下部直线进给机构，所述上部摆动机构、中部回转机构和下部直线进给机构由上至下依次设置，且所述下部直线进给机构带动中部回转机构和上部摆动机构做直线运动，所述中部回转机构带动上部摆动机构做回转运动，所述上部摆动机构做左右摆动运动，其特征在于：所述上部摆动机构包括：工作台体(1)、扇形摆动件(3)、压电陶瓷电机(6)，所述扇形摆动件(3)垂直设置，且扇形摆动件(3)的圆弧位于下部，所述扇形摆动件(3)通过支撑块(5)固定在连接板(7)上，所述扇形摆动件(3)与支撑块(5)通过转动部件连接，且使扇形摆动件(3)相对于支撑块(5)可做转动运动，在扇形摆动件(3)的底部固定有陶瓷环(4)，所述工作台体(1)水平固定在扇形摆动件(3)的顶部，所述工作台体(1)的内部设有冷却水路(2)，所述压电陶瓷电机(6)固定在连接板(7)上，所述连接板(7)固定在固定板(8)上，所述固定板(8)固定在中部回转机构顶部；所述中部回转机构，包括：涡轮蜗杆机构、转台底座(17)和蜗杆驱动系统，涡轮蜗杆机构固定在转台底座(17)上，蜗杆(21)的一端与蜗杆驱动系统连接，与蜗杆(21)啮合的涡轮(14)内垂直设有主轴(9)，所述涡轮(14)通过键连接固定在主轴(9)上，在主轴(9)上还套有转动件，所述转动件顶部设有法兰连接盘(10)，所述法兰连接盘(10)与固定板(8)固定；所述转动件包括上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承，上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承面对面安装，且上圆锥滚子轴承和下圆锥滚子轴承分别套在涡轮(14)的两端，所述下圆锥滚子轴承内圈(15)与主轴轴肩及涡轮(14)过盈配合，与主轴(9)一起转动，下圆锥滚子轴承外圈(16)固定在转台底座(17)上固定不动；所述上圆锥滚子轴承内圈(12)通过套筒(13)顶在涡轮(14)上，与主轴(9)同时转动，上圆锥滚子轴承外圈(11)顶在法兰连接盘(10)下，主轴(9)顶端与法兰连接盘(10)底部连接，上圆锥滚子轴承与法兰连接盘(10)同时转动，固定板(8)与法兰连接盘(10)固定，与法兰连接盘(10)同时转动。

2.如权利要求1所述的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，其特征在于：所述下部直线进给机构，包括：丝杠螺母机构、滑轨滑块机构、丝杠驱动系统和底座，所述滑轨滑块机构固定在底座上，丝杠(34)两端通过垫块固定在底座上，所述丝杠与滑轨平行设置，所述丝杠(34)的一端与丝杠驱动系统连接，所述丝杠(34)上配有丝杠螺母(36)，所述丝杠螺母(36)固定在转台底座(17)上，在滑轨上设有匹配的滑块，所述滑块与转台底座(17)的底部固定。

3.如权利要求1或2所述的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，其特征在于：所述转动部件包括扇形摆动件(3)顶部设有凸棱和在支撑块(5)上设有与之对应的凹槽，所述支撑块(5)位于扇形摆动件(3)的两侧对称设置，扇形摆动件(3)的凸棱可在凹槽内转动，使扇形摆动件(3)在凹槽内进行±40°回转。

4.如权利要求3所述的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，其特征在于：所述扇形摆动件(3)的表面上均匀分布设有多个减重孔。

5.如权利要求4所述的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，其特征在于：所述冷却水路(2)在工作台体(1)内采用迂回布管方式。

6.如权利要求2所述的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，其特征在于：所述滑轨为2条，在每条滑轨上间隔设有2个滑块，在2个滑块上设有连接块，滑块通过连接块与转台底座(17)固定。

7.如权利要求2或6所述的一种用于TIG自动堆焊的三自由度可水冷工作台，其特征在于：所述丝杠驱动系统或蜗杆驱动系统均包括：伺服电机、联轴器和减速器。