CN107775200A - 铝合金薄板t型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助工装夹具，包括框架，框架一端设有端板另一端设有滚轮式夹具，端板设有包括第一、第二接头的转接机构，第一接头设有底座及径向均布两个凹槽的轴肩和卡槽的连接轴；第二接头设有连接板和径向均布两个凸块和顶丝孔的连接套筒，连接套筒与连接轴、凸块与凹槽、顶丝孔与卡槽配合；滚轮式夹具包括一个正向滚压装置和两侧两个翼型支架，正向滚压装置包括标准双导轨单向气缸和开口向下的凹字型支架及滚压轮，翼型支架设有包括标标准开口双向加紧气缸和两个支撑板的侧向滚压夹具，每个支撑板的底端设有一对滚轮。本发明可以实现T型接头尺寸位置精确控制和刚性固定，保证桁条不偏移和限制焊接变形。

Description

铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具

技术领域

本发明属于机器人激光焊接薄板结构领域，具体是针对机器人双光束激光焊接铝合金薄板T型接头的专用焊接夹具。

背景技术

目前传统飞机机身壁板T型接头通常采用铆接连接技术制造，铆接工艺在航空结构领域获得广泛使用，具有很多使用优点，如工艺稳定性高，连接过程成熟等，但由于使用大量铆钉使得铆接结构具有结构重量大、生产效率低的特点，同时铆接需要在桁条上预制基孔，进而导致壁板结构整体性较差、刚度降低等。针对目前铆接工艺的局限性，国外开发了双光束激光焊接工艺代替铆接连接进行飞机机身壁板T型结构制造，新开发的双光束激光焊接工艺不仅可以减轻飞机自重，还可提高壁板的结构强度、刚度及密封性，与传统的铆接工艺相比具有显著的发展前景。

许多研究表明；双光束激光焊接技术在实现壁板T结构的连接上具有显著的优势，如焊接过程稳定性高、热输入小、焊接变形小等特点，因而可以在壁板T型接头制造中获得广泛应用。双光束激光焊接技术是在T型接头角焊缝两侧施加成一定角度激光束，并形成贯通筋板厚度的熔池，其工艺过程对激光束稳定性和T型接头的固定安装焊接夹具提出很高要求，加之铝合金薄板导热系数高在焊接过程中容易产生各种失稳变形，如何有效控制蒙皮和桁条准确定位、如何提高桁条的尺寸稳定精度等问题，是国内飞机机身壁板双激光焊接制造技术的应用中迫切需要解决的关键工艺问题之一。目前针对铝合金机身壁板T型接头双光束激光焊接技术，还没有标准的普遍接受的T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具结构形式，大多采用临时的、非标准化的刚性模具与刚性固定工装对蒙皮进行固定，并通过较大尺寸的压紧块对桁条进行压紧，以实现蒙皮和桁条的定位，及对蒙皮桁条之间间隙的控制。目前采用这种方法虽然能基本实现壁板T型接头的焊接，但是在工装精确及工装效率上较差、成本相对较高；焊接夹具的固定过程复杂、灵活性及适用性均比较局限，在焊接过程中不能控制桁条失稳变形，同时带来了焊接缺陷的产生，例如焊穿、气孔等焊接缺陷。

发明内容

针对双光束激光焊接过程中焊件辅助定位不准和稳定较差的问题，本发明开发新型随动加紧固定焊接工装夹具，其主要作用是保持焊接过程中桁条不发生偏移并限制焊接过程中的焊接变形，实现T型焊接接头几何形状及尺寸位置的精确控制和刚性固定，保证角焊缝焊接工艺过程中的稳定性。为了有效解决飞机机身壁板激光制造过程中的桁条占位精度低、蒙皮和桁条之间间隙不稳定及制造效率低下等问题，本发明的辅助工装夹具基于国内外已经开展的双光束激光焊工艺研究的基础上，提出随着双光束激光焊接过程进行中动态实现桁条加紧定位，可实现灵活安装加紧固定桁条与蒙皮的相对位置快速形成T型焊接接头形式，并可有效控制蒙皮与桁条之间间隙、提高桁条占位精度、提高壁板制造自动化。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具，包括框架，所述框架的一端设有端板，所述端板表面所在平面为A平面，所述端板上设有转接机构、所述框架的另一端设有滚轮式夹具；所述转接机构包括第一接头和第二接头，所述第一接头固定在所述端板上，所述第一接头设有底座，所述底座上设置连接轴，所述连接轴上设有轴肩和一圈卡槽，所述轴肩上设有径向均布的两个凹槽；所述第二接头设有连接板，所述连接板上设有连接套筒，所述连接套筒的端部径向均布的两个凸块，所述连接套筒与所述连接轴配合，所述两个凸块与所述两个凹槽配合；所述连接套筒上设有顶丝孔，所述顶丝孔的位置与所述连接轴上卡槽的位置对应，所述顶丝孔内设有顶丝；所述滚轮式夹具包括设置所述框架底端中央部位的一个正向滚压装置和分别设置所述框架底端两侧的两个翼型支架，每个翼型支架上均设有结构相同的侧向滚压夹具；所述正向滚压装置包括标准双导轨单向气缸和设置在标准双导轨单向气缸的气缸杆上开口向下的凹字型支架，所述凹字型支架的两个下端均设有一个滚压轮，两个滚压轮的半径相同，两个滚压轮的轴线平行，两个滚压轮的轴线所在平面为B平面；所述侧向滚压夹具包括双向气缸和两个支撑板；两个支撑板分别设置在双向气缸的两个气缸推杆的端部，两个支撑板的底端均设有一对滚轮；两个支撑板底端的两对滚轮的轴线相互平行，一个支撑板底端的一对滚轮的中线连心与另一个支撑板底端的一对滚轮的中心连线平行；两套侧向滚压夹具中，所有滚轮的半径相同，所有滚轮的下端面在同一个平面内，所有滚轮下端面所在平面为C平面；所述A平面与C平面的夹角为90°～180°所述B平面与所述C平面平行，所述B平面高于所述C平面，所述B平面与所述C平面的高度差为R+(18～30)mm，其中，R为所述正向滚压装置中滚压轮的半径。

进一步讲，本发明中所述A平面与C平面的夹角优选为135°～140°

为了实现铝合金薄板T型接头及结构的机器人双光束激光焊接过程制造，本发明提出一种专用铝合金薄板T型接头焊接成型工装夹具，可以有效控制铝合金薄板焊接变形过程，保证焊接过程中工件定位、安装及固定过程的尺寸精度稳定性，对开发基于双光束激光焊接工艺的机身壁板T型焊接结构制造技术具有极高的重要意义。

本发明提出的焊接工装夹具不同于以往的非标准化的完全刚性辅助工装夹具，该焊接工装夹具由标准化和模块化加工部件和气缸组成，具有广泛的适用性，不仅适用于双光束激光焊接T型焊接接头工艺的焊接工装辅助加紧固定，在类似的焊接工艺中同样可以采用。由于采用了随动的设计方式，即在焊接过程中工装夹具随着焊接过程进行而不断移动，实现焊接夹具的动态连续加紧固定作用，应用机器人手臂作为载荷和动力源，充分利用机器人手臂结构的灵活性及柔性施加载荷方式，又能很好的控制定位精确。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明焊接夹具具有标准化和模块化特点,结构简单零部件少加工制造成本低,安装维护操作使用方便,是目前与机器人直接结合、实现铝合金薄板焊接件的定位与加紧固定的有效焊接夹具结构形式。

2)本发明焊接夹具采用随焊接移动的加紧固定方式，焊接夹具尺寸小结构紧凑，并能与及机器人手臂直接结合实现被焊接零件的定位与刚性固定，有效简化了以前完全固定式夹具的繁琐安装操作方式，在保证焊接夹具定位精度的同时可实现被焊零件的灵活加紧固定，并能控制被焊零件焊接变形，有效提高焊接过程生产效益。

3)由于采用标准化和模块化设计特点，并能与机器人手臂快速安装及更换，本发明焊接夹具具有广泛的适用性，可用于各种尺寸铝合金薄板T型结构的激光焊接加工制造，有效保证T型接头角焊缝激光焊接工艺过程的稳定性。

附图说明

图1是本发明T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具的主视图；

图2是图1所示工装夹具的后视图；

图3是图1所示工装夹具的侧视图；

图4是图1所示工装夹具的仰视图；

图5是本发明T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具的立体图；

图6是图5所示工装夹具工作位置示意图；

图7是本发明中转接机构第二接头1的结构示意图；

图8是本发明中转接机构第一接头7的结构示意图；

图9是本发明中框架2的结构示意图；

图10是本发明中侧向滚压夹具的局部结构示意图；

图11是本发明中正向滚压装置的局部结构示意图；

图12是本发明中翼型支架4的结构示意图；

图13是将本发明工装夹具安装于整体设备中使用状态示意图；

图14是工件6的结构示意图；

图15是图14所示工件6的侧视图。

图中，1-第二接头，11-连接板，12-连接套筒，13-凸块，14-顶丝孔，2-框架，21-端板，3-正向滚压装置，31-标准双导轨单向气缸，32-凹字型支架，33-滚压轮，4-翼型支架，5-侧向滚压夹具，51-标准开口双向加紧气缸，52-支撑板，53-滚轮，6-工件，7-第一接头，71-底座，72-连接轴，73-轴肩，74-卡槽，75-凹槽，8-机器人手臂端部接口，9-机器人手臂，10-机器人底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具的设计思路是，辅助焊接工装夹具的整体定位精度由机器人位置控制精度确定，为如图13所示的装配在设备中后，选择标准气缸实现夹具的加载过程，依据标准气缸的尺寸确定其它零部件的尺寸。主要包括由第一接头(图7所示)和第二接头(图8所示)等构成的转接机构、框架(图9所示)、正向滚压装置(图11所示)、翼型支架(图12所示)和侧向滚压夹具(图10所示)，适用的焊接工件如图14和图15所示。因为本辅助焊接工装夹具是与激光焊接机身壁板T型接头过程配合使用，并且是在机器人手臂的操作下完成焊接过程，辅助焊接工装夹具随焊接过程而移动，需要利用机器人手臂进行位置调整，这时就会出现机器人距离或空间的干涉问题。

本发明铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具包括的框架2，如图9所示，其一端设有端板21，所述端板21表面所在平面为A平面，所述端板21上设有转接机构、所述框架2的另一端设有滚轮式夹具，将该框架2设计成具有一定角度可以避免干涉问题。

所述转接机构包括第一接头7和第二接头1，如图8所示，所述第一接头7固定在所述端板21上，所述第一接头7设有底座71，所述底座71上设置连接轴72，所述连接轴72上设有轴肩73和一圈卡槽74，所述轴肩73上设有径向均布的两个凹槽75；如图7所示，所述第二接头1设有连接板11，所述连接板11上设有连接套筒12，所述连接套筒12的端部径向均布的两个凸块13，所述连接套筒12与所述连接轴72配合，所述两个凸块13与所述两个凹槽75配合；所述连接套筒12上设有顶丝孔14，所述顶丝孔14的位置与所述连接轴72上卡槽74的位置对应，所述顶丝孔14内设有顶丝。转接机构适合于通用的KUKA机器人手臂端固定安装，也可适合与其它工业领域应用的各种标准化机器人结构。使用时，将图7所示的第一接头7的连接轴72与图8所示的第二接头1的连接套筒12和相互配合，两个凸块13与两个凹槽75分别相互配合，在顶丝孔14中旋进顶丝，所述顶丝顶住卡槽74实现限位。转接机构的底座71与框架2的端板21之间(如图8和9所示)、转接机构的连接板11(如图7所示)与机器人端部之间均通过螺栓连接，从而通过该转接机构将本发明的辅助焊接工装夹具安装在机器人端部，如图13所示。

本发明的辅助焊接工装夹具实现压紧功能的动力采用专用气缸，保证加紧的稳定性和一致性。辅助焊接工装夹具中设计的滚轮式夹具充分利用标准双导轨单向气缸31实现被焊零件垂直方向的加紧固定，采用标准开口双向加紧气缸51实现被焊零件侧向的加紧固定与对中。所述滚轮式夹具包括设置所述框架2底端中央部位的一个正向滚压装置3和分别设置所述框架2底端两侧的两个翼型支架4，每个翼型支架4上均设有结构相同的侧向滚压夹具5；采用正向滚压装置(如图11)来实现垂直方向桁条加紧固定功能，所述正向滚压装置3包括标准双导轨单向气缸31和设置在标准双导轨单向气缸31的气缸杆上开口向下的凹字型支架32，所述凹字型支架32的两个下端均设有一个滚压轮33，两个滚压轮33的半径相同，两个滚压轮33的轴线平行，两个滚压轮33的轴线所在平面为B平面，从图4可以看出，两侧边共8个滚轮53；滚轮距离可根据使用情况进行设计，本装置距离设计为110mm，直径设计为20mm，同时分布在桁条上边缘，依次排开，共同保证了桁条上边缘的稳定性和精准性，气缸和正向压紧装置采用专门设计的正向滚压夹具进行连接；采用侧向滚轮夹具(如图10)实现被焊零件侧向夹紧和对中功能，如图10所示，所述侧向滚压夹具5包括标准开口双向加紧气缸51和两个支撑板52；两个支撑板52分别设置在标准开口双向加紧气缸51的两个气缸推杆的端部，两个支撑板52的底端均设有一对滚轮53；两个支撑板52底端的两对滚轮53的轴线相互平行，一个支撑板底端的一对滚轮53的中线连心与另一个支撑板底端的一对滚轮的中心连线平行；两套侧向滚压夹具中，所有滚轮的半径相同，所有滚轮的下端面在同一个平面内，所有滚轮下端面所在平面为C平面。所述A平面与C平面的夹角为90°～180°，优选为135°～140°。所述B平面与所述C平面平行，所述B平面高于所述C平面，所述B平面与所述C平面的高度差为R+18～30mm，其中，R为所述正向滚压装置3中滚压轮33的半径。

本发明辅助焊接工装夹具中，采用两台标准开口双向加紧气缸51，分布在正向压紧功能前后两侧，两个侧向滚轮夹具分布在蒙皮上两根桁条之间，为了避免与上桁条发生干涉，设计为具有一定角度的方式。根据桁条高度的不同，可设计不同的角度，具有通用性。此外单个侧向滚轮夹具上设计有两个滚压轮，此装置侧向滚压轮共八个(图4所示)，启动标准开口双向加紧气缸51，两侧滚轮夹具同时靠近，共同保持桁条的加紧和对中，增加了桁条的稳定性。

实施例：

本发明辅助焊接工装夹具适用于铝合金薄板T型接头焊接工件(如图14和图15)的工装，如图15所示，对于蒙皮上桁条间距和高度有一定要求，铝合金蒙皮厚度适用范围是1.2-2.0mm(H3)，L型桁条高度适用范围是18-30mm(H2)。而在T型板结构中T桁条的间距是适用范围在120-150mm(H1)。在上述范围内使用均能获得良好效果。

本发明辅助焊接工装夹具采用机器人手臂进行随动辅助焊接过程，用在双光束激光焊接壁板结构上，可与任意符合条件的机器人配合使用，为了提高工装效率，设计装置机器人转接机构，材质选用6061铝合金，此次以KUKA kr360型号机器人为例，根据该机器人端部设计特点，转接机构采用与机器人端部安装孔距相同的设计，第一接头端部直径250mm，厚度设计为20mm，中间还有120mm的连接套筒用于与转接轴配合，在半径100mm处设计有12个安装孔，用于与机器人端部连接使用，此零件设计有用于与第一接头7连接时的顶丝孔14，分布在对称两侧，还有用于限位用的对称的设置在端部的凸块13。第二接头1的端部直径也为250mm，端部厚度也为20mm，但设计与第一接头7相反，第二接头1设计有直径120mm、长50mm的轴肩式的凸台，凸台上设计有卡槽74，用于第一接头7的顶丝功能配合使用进行锁定，此外第二接头1的端部设计有对称的凹槽75，与凸块13配合使用用于限位。使用时将第一接头7安装在机器人安装处，第二接头1安装在框架2的端部上，机器人手臂将连接套筒12与连接轴72对轴，使之处于同一轴心，控制机器人将凹槽75和凸块13配合，卡槽74、顶丝孔13和顶丝配合，然后进行锁定。

将框架2的端部与第二接头1通过直径100mm分布的12个安装孔连接在一起，框架2材质选用6061铝合金，其弯曲角度为135°，上边长200mm，下边长200mm，在框架2的下方中间部位安装正向滚压装置3，材质选用铝合金6061，其中正向滚压装置3的长110mm，高70mm，其中的滚压轮的直径为40mm，厚为20mm，可向下行走距离大约为30mm(由购买的标准双导轨单向气缸31的行程决定，此次选用行程为30mm)。通过标准双导轨单向气缸31安装方式进行设计零件安装孔。启动气缸，正向下压紧装置随气缸中的杆进行压紧。

框架2的下边两侧各安装一个侧向压紧装置，设计零件采用6061铝合金，包括翼型支架4、两套侧向滚轮夹具5(包括标准开口双向加紧气缸51、支撑板52和滚轮53)，侧向滚轮夹具设计具有140°角度，适合不同高度的桁条工况情况下的使用，滚轮53的直径60mm，厚度10mm，用于桁条加紧和定向，侧向行走距离两边总共60mm(由购买的标准标准开口双向加紧气缸51的行程决定，行程选择为60mm)。启动气缸，侧向的两边滚轮53随气缸中的杆进行缩进，进行压紧。将上述装配完毕，形成辅助焊接工装夹具(如图5)，将其放置焊接工件，形成辅助焊接工装夹具示意图(如图6)。

将工件6(如图14和图15所示的薄板T型接头)放置在工作台上，焊前需要按照本发明辅助焊接工装夹具中各零部件之间的位置和连接关系将其它零部件进行组装，装配成两台如图1、图2和图3所示的本发明的工装夹具。利用如图12所示的翼型支架4将两侧的双向气缸51进行装配，装配成如图5所示的辅助焊接工装夹具.，将装配好的辅助焊接工装夹具放置到工件6上，如图6所示。利用转接机构将辅助焊接工装夹具与机器人前端连接，装配连接后如图13所示。固定好辅助焊接工装夹具后开始调节机器人参数，确保辅助焊接夹具与焊接装置的参数相符合。利用机器人将夹具放到桁条上方，调整并放到理想焊接位置，启动气缸，通过正向滚压装置(图11所示)和侧向滚压夹具(图10所示)对桁条施加正向压紧力和侧向压紧力，正向下压紧两个滚压轮33放置在T型板桁条上边缘，两侧八个滚轮53两两对紧桁条侧边，同时进行向下压紧和侧向压紧，实现桁条和蒙皮的定位压紧，控制桁条和蒙皮之间相对间隙满足焊接要求，焊接过程中使用标准开口双向加紧气缸51控制夹紧桁条随焊接过程移动，滚压轮33和滚轮53在标准双导轨单向气缸31和标准开口双向加紧气缸51的压力作用下保持恒定预紧力。实现蒙皮和桁条的自动装配、随焊压紧，保证了焊接过程稳定性。准备好上述条件后，四台机器人设置好合适参数，随着焊接的开始而启动。

本发明焊接夹具可直接与机器人手臂端结合，与机器人手臂端的安装、更换及操作方便，焊接工艺过程稳定、焊接变形小及焊接效率高，可实现铝合金薄板双光束激光焊接T型接头角焊缝的焊接制造。

综上，本发明焊接工装夹具各功能可灵活调整，以适合各种T型结构的双光束激光焊接加工过程，并且具有以下功能特点：

1)、标准化，尽量选用标准零件设计。

2)、模块化，采用标准气缸导致结构形式简单加工部件少等。

3)、采用机器人操作控制较灵活。

4)、装置可以实现快速安装与更换。

5)、工装夹具定位精度高。

6)、工装夹具加筋固定刚度大。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具，包括框架(2)，其特征在于，所述框架(2)的一端设有端板(21)，所述端板(21)表面所在平面为A平面，所述端板(21)上设有转接机构、所述框架(2)的另一端设有滚轮式夹具；

所述转接机构包括第一接头(7)和第二接头(1)，所述第一接头(7)固定在所述端板(21)上，所述第一接头(7)设有底座(71)，所述底座(71)上设置连接轴(72)，所述连接轴(72)上设有轴肩(73)和一圈卡槽(74)，所述轴肩(73)上设有径向均布的两个凹槽(75)；所述第二接头(1)设有连接板(11)，所述连接板(11)上设有连接套筒(12)，所述连接套筒(12)的端部径向均布的两个凸块(13)，所述连接套筒(12)与所述连接轴(72)配合，所述两个凸块(13)与所述两个凹槽(75)配合；所述连接套筒(12)上设有顶丝孔(14)，所述顶丝孔(14)的位置与所述连接轴(72)上卡槽(74)的位置对应，所述顶丝孔(14)内设有顶丝；

所述滚轮式夹具包括设置所述框架(2)底端中央部位的一个正向滚压装置(3)和分别设置所述框架(2)底端两侧的两个翼型支架(4)，每个翼型支架(4)上均设有结构相同的侧向滚压夹具(5)；所述正向滚压装置(3)包括标准双导轨单向气缸(31)和设置在标准双导轨单向气缸的气缸杆上开口向下的凹字型支架(32)，所述凹字型支架(32)的两个下端均设有一个滚压轮(33)，两个滚压轮(33)的半径相同，两个滚压轮(33)的轴线平行，两个滚压轮(33)的轴线所在平面为B平面；所述侧向滚压夹具(5)包括标准开口双向加紧气缸(51)和两个支撑板(52)；两个支撑板(52)分别设置在标准开口双向加紧气缸(51)的两个气缸推杆的端部，两个支撑板(52)的底端均设有一对滚轮(53)；两个支撑板(52)底端的两对滚轮(53)的轴线相互平行，一个支撑板底端的一对滚轮(53)的中线连心与另一个支撑板底端的一对滚轮的中心连线平行；两套侧向滚压夹具中，所有滚轮的半径相同，所有滚轮的下端面在同一个平面内，所有滚轮下端面所在平面为C平面；

所述A平面与C平面的夹角为90°～180°所述B平面与所述C平面平行，所述B平面高于所述C平面，所述B平面与所述C平面的高度差为R+(18～30)mm，其中，R为所述正向滚压装置(3)中滚压轮(33)的半径。

2.根据权利要求1所述铝合金薄板T型接头激光焊接机器人辅助焊接工装夹具，其特征在于，所述A平面与C平面的夹角为135°～140°。