CN107953033B - 一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，包括底座，底座上设有X轴移动工作台，X轴移动工作台上设有固定机构，固定机构上设有主轴旋转电机，底座的一侧设有立柱，立柱上设有Y轴移动工作台，Y轴移动工作台上分别通过Z1驱动机构和Z2驱动机构连接Z1轴移动工作台和Z2轴移动工作台，Z1轴移动工作台和Z2轴移动工作台上均通过角度旋转机构连接焊接头。该发明采用双焊接头能同时对凸轮两侧进行自动焊接，且能够自动找准焊接位置并自动调整焊接头焊接焦点到凸轮轴轴线的Z轴向垂直距离、Y轴向进给距离以及焊接头与凸轮轴轴线夹角以达到焊接的最佳焊接位置，将现有依靠锻造或者铸造成型的凸轮轴改善为焊接成型的凸轮轴。

Description

一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机及加工方法
技术领域
本发明属于汽车零部件制造加工技术领域，具体涉及一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机及加工方法。
背景技术
凸轮轴是活塞发动机里的一个部件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作，虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高。
而现有的凸轮轴的加工技术仍然停留在最为基础的去除金属材料的方法上，即以其中最大的凸轮直径为参考，选择毛坯轴材料，或者锻造出粗毛坯料，然后再以轴两端的中心孔位旋转基准，通过车削、磨削等工艺最终成型，该工艺方法不仅导致加工周期长，而且浪费加工材料，另外一旦有新的凸轮轴市场需要时，一则要更改锻造模具，二则要定制加工机床，不利于新产品的开发和不满足市场响应速度。
发明内容
本发明的目的是克服现有凸轮轴加工工艺周期长、制造成本高，且不利于新产品的开发和不满足市场响应速度的问题。
为此，本发明提供了一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，包括底座，所述底座上滑动设置有X轴移动工作台，所述X轴移动工作台上设有用于固定凸轮轴的固定机构，所述固定机构上设有驱动凸轮轴绕其轴线旋转的主轴旋转电机，所述底座的一侧设有立柱，所述立柱上设有通过Y向驱动机构驱动的Y轴移动工作台，所述Y轴移动工作台上沿X轴向并排间隔设置有Z1驱动机构和Z2驱动机构，所述Z1驱动机构和Z2驱动机构上分别沿Z轴方向活动连接有Z1轴移动工作台和Z2轴移动工作台，所述Z1轴移动工作台和Z2轴移动工作台上均通过角度旋转机构连接有一个焊接头。
进一步的，所述底座上沿X轴向具有上下料工位和焊接工位，且底座的长度不小于两个X轴移动工作台的长度之和，所述立柱位于底座的焊接工位一侧。
进一步的，所述固定机构包括固定在X轴移动工作台一端的三爪回转卡盘和滑动设置在X轴移动工作台另一端的气动回转顶针，所述三爪回转卡盘和气动回转顶针对称设置，且凸轮轴的两端分别与三爪回转卡盘和气动回转顶针顶紧。
进一步的，所述Y轴移动工作台包括Y1移动工作台和Y2移动工作台，所述Y1移动工作台设置在立柱上，所述Y2移动工作台设置在Y1移动工作台上，所述Z1轴移动工作台设置在Y1移动工作台上，所述Z2轴移动工作台设置在Y2移动工作台上；所述Y向驱动机构包括Y1驱动电机和Y2驱动电机，Y1驱动电机与Y1移动工作台连接，Y2驱动电机与Y2移动工作台连接。
进一步的，所述Z2驱动机构包括Z向驱动模组和X向驱动模组。
进一步的，所述Z1轴移动工作台上设有检测相机和位移传感器组件，所述检测相机和位移传感器组件位于两个所述焊接头之间。
进一步的，所述Z1轴移动工作台上通过第二驱动气缸连接有激光位移传感器，所述激光位移传感器位于两个所述焊接头之间，且激光位移传感器的激光发射口朝向凸轮轴。
另外，本发明还提供了采用上述双面激光焊接机加工凸轮轴的加工方法，包括如下步骤：
1)将待加工的凸轮轴通过固定机构固定在X轴移动工作台上，移动X轴移动工作台至立柱处。
2)通过Y向驱动机构驱动Y轴移动工作台向凸轮轴移动来调整两个焊接头焊接焦点到凸轮轴轴线的Y轴方向进给距离。
3)通过Z1驱动机构和Z2驱动机构分别驱动Z1轴移动工作台和Z2轴移动工作台在Z轴方向移动来调整两个焊接头焊接焦点到凸轮轴轴线的Z轴方向垂直距离。
4)通过角度旋转机构调节两个焊接头与凸轮轴轴线夹角，使得两个焊接头的焊接焦点光斑分别位于凸轮的两侧，且两个焊接焦点光斑所构成的直线与凸轮轴轴线平行。
5)两个焊接头的焊接位置调整完成后，主轴旋转电机驱动凸轮轴旋转，两个焊接头对凸轮轴上的凸轮两侧同时进行焊接加工。
进一步的，在两个焊接头之间设置用于对凸轮轴焊缝位置进行识别检测的检测相机和位移传感器组件，并将识别检测的焊缝信息反馈至控制系统，控制系统根据焊缝信息与理论信息的差异控制调整两个焊接头的位置至最佳焊接位置。
进一步的，在两个焊接头之间设置激光位移传感器，激光位移传感器在凸轮轴旋转一周过程中采取若干个位移值，并将采取的位移值与基准圆数值进行换算得到补偿值，根据补偿值通过Z1驱动机构和Z2驱动机构调整两个焊接头位置而完成凸轮轴焊接时的径向跳动检测及随动补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机结构简单，采用双焊接头能同时对凸轮轴上的凸轮两侧进行自动焊接，而且对于需要焊接的凸轮两侧能够自动找准焊接位置并自动调整焊接头焊接焦点到凸轮轴轴线的Z轴方向垂直距离、Y轴方向进给距离以及焊接头与凸轮轴轴线的夹角以达到焊接的最佳焊接位置，改变了现有的凸轮轴成型制造工艺，将现有依靠锻造或者铸造成型的凸轮轴改善为焊接成型的凸轮轴。
(2)本发明提供的这种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机通过配合设置位移传感器组件和激光位移传感器，能够实现凸轮轴加工过程中的自动检测定位，以及保证凸轮轴多处圆周焊缝的径向跳动检测和随动补偿。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明双面激光焊接机的主视图；
图2是本发明双面激光焊接机的俯视图；
图3是本发明双面激光焊接机的侧视图；
图4是本发明中X轴移动工作台的装配结构主视图；
图5是本发明中X轴移动工作台的装配结构俯视图；
图6是本发明中立柱装配的主视图；
图7是本发明中立柱装配的俯视图；
图8是图6中沿A-A方向的剖视图。
附图标记说明：1、底座；2、上下料工位；3、焊接工位；4、三爪回转卡盘；5、凸轮轴；6、X轴移动工作台；7、气动回转顶针；8、Z1驱动机构；9、焊接头；10、Z2驱动机构；11、Y2驱动电机；12、立柱；13、Y1驱动电机；14、Y1移动工作台；15、角度旋转机构；16、激光位移传感器；17、Z1轴移动工作台；18、Z2轴移动工作台；19、位移传感器组件；20、Y2移动工作台；21、主轴旋转电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，包括底座1，所述底座1上滑动设置有X轴移动工作台6，所述X轴移动工作台6上设有用于固定凸轮轴5的固定机构，所述固定机构上设有驱动凸轮轴5绕其轴线旋转的主轴旋转电机21，所述底座1的一侧设有立柱12，所述立柱12上设有通过Y向驱动机构驱动的Y轴移动工作台，所述Y轴移动工作台上沿X轴向并排间隔设置有Z1驱动机构8和Z2驱动机构10，所述Z1驱动机构8和Z2驱动机构10上分别沿Z轴方向活动连接有Z1轴移动工作台17和Z2轴移动工作台18，所述Z1轴移动工作台17和Z2轴移动工作台18上均通过角度旋转机构15连接有一个焊接头9。在本实施例中通过X轴移动工作台6在X轴向上移动而带动待焊接的凸轮轴5移动至待焊接位，与此同时，Y轴移动工作台驱动两个焊接头9沿Y轴方向移动至凸轮轴5的轴线上，Z1轴移动工作台17和Z2轴移动工作台18保证两个焊接头9与凸轮轴5在Z轴方向上的垂直距离，确定好焊接时的距离，而角度旋转机构15则保证两个焊接头9与凸轮轴5之间的夹角，使焊接时能够到达最佳焊接角度；其中，本实施例中以水平方向为X轴向，竖直方向为Z轴向，以水平垂直于X轴向的方向为Y轴向。本实施例采用双焊接头9能同时对凸轮轴5上的凸轮两侧进行自动焊接，而且对于需要焊接的凸轮两侧能够自动找准焊接位置并自动调整焊接头9焊接焦点到凸轮轴5轴线的Z轴方向垂直距离、Y轴方向进给距离以及焊接头9与凸轮轴5轴线的夹角以达到焊接的最佳焊接位置，改变了现有的凸轮轴成型制造工艺，将现有依靠锻造或者铸造成型的凸轮轴改善为焊接成型的凸轮轴。
细化的实施方式，如图1、图4和图5所示，所述底座1上沿X轴向具有上下料工位2和焊接工位3，且底座1的长度不小于两个X轴移动工作台6的长度之和，所述立柱12位于底座1的焊接工位3一侧；所述固定机构包括固定在X轴移动工作台6一端的三爪回转卡盘4和滑动设置在X轴移动工作台6另一端的气动回转顶针7，所述三爪回转卡盘4和气动回转顶针7对称设置，且凸轮轴5的两端分别与三爪回转卡盘4和气动回转顶针7顶紧。首先，X轴移动工作台6位于底座1的上下料工位2上，然后将根据设计需求过度配合有凸轮的凸轮轴的一端固定在三爪回转卡盘4上夹紧，凸轮轴5的另一端通过移动气动回转顶针7将其自动顶紧，三爪回转卡盘4和气动回转顶针7中心构成的直线与X轴向平行，从而使得凸轮轴5与X轴向平行设置，再将安装凸轮轴5的X轴移动工作台6在底座1的滑轨上滑动至焊接工位3，调整两个焊接头9的位置对凸轮轴5的凸轮两侧进行焊接加工，焊接加工过程中，凸轮轴5通过主轴旋转电机21驱动旋转，焊接加工完成后，移动X轴移动工作台6至上下料工位2等待取料和再次上料。
而对两个焊接头9的焊接位置的调整具体实施方式如图1、图6和图7所示，在Y轴向上，所述Y轴移动工作台包括Y1移动工作台14和Y2移动工作台20，所述Y1移动工作台14设置在立柱12上，所述Y2移动工作台20设置在Y1移动工作台14上，所述Y向驱动机构包括Y1驱动电机13和Y2驱动电机11，Y1驱动电机13驱动Y1移动工作台14沿Y轴向运动，Y2驱动电机11与Y2移动工作台20连接，Y2驱动电机11驱动Y2移动工作台20独立运动，同时Y2移动工作台20随Y1移动工作台14的运动而运动。所述Z1轴移动工作台17设置在Y1移动工作台14侧面，可跟随Y1移动工作台14运动，所述Z2轴移动工作台18设置在Y2移动工作台20上，可随Y2移动工作台20运动；通过Y1移动工作台14和Y2移动工作台20的移动，实现两个焊接头9焊接焦点到凸轮轴5轴线的Y轴方向进给距离的调整，而且Y2移动工作台20可保证两个凸轮两侧焊接焦点在Y方向距离与凸轮厚度的匹配，能够保证两侧同时焊接时焊缝不错位。同时，在Z轴向上，通过Z1驱动机构8驱动Z1轴移动工作台17在Z轴向移动，Z1驱动机构8为驱动电机，Z2驱动机构10驱动Z2轴移动工作台10在Z轴向移动，Z2驱动机构10包括Z向驱动模组和X向驱动模组，Z2轴移动工作台10在Z轴向上移动的同时还可沿X轴向在小范围内移动，保证两个焊接头9焊接焦点之间的距离；通过Z1轴移动工作台17和Z2轴移动工作台18的移动，实现两个焊接头9焊接焦点到凸轮轴5轴线的Z轴方向垂直距离的调整，确定好焊接时的距离。另外，通过角度旋转机构15控制两个焊接头9绕Y轴向进行旋转，以此调整两个焊接头9与凸轮轴5轴线的夹角，且两个焊接头9的焊接焦点所构成的直线与X轴向平行，通过上述两个焊接头9在Y轴向、Z轴向及其与凸轮轴5轴线的夹角的调整，使得凸轮轴5与两个焊接头9之间达到焊接的最佳焊接位置。
另外，如图8所示，所述Z1轴移动工作台17上设有检测相机和位移传感器组件19，所述检测相机和位移传感器组件19位于两个所述焊接头9之间，检测相机和位移传感器组件19用于对凸轮轴5焊缝位置进行识别检测，当检测相机和位移传感器组件19识别出凸轮轴5一周的焊缝信号与理论存在差异时，将该信息反馈至控制系统，先控制系统驱动Y1移动工作台14及Z1轴移动工作台17对焊接头进行主体位置调整，再根据差异值驱动Y2移动工作台20及Z2轴移动工作台18进行焊接头位置精确调整，而其中所述位移传感器组件19包括接触式探针和驱动接触式探针移动的第一驱动气缸，所述接触式探针与凸轮轴5轴向平行设置，具体检测过程为接触式探针通过第一驱动气缸伸出到待检测位等待凸轮轴5到达，凸轮轴5到达位置后，凸轮轴5的凸轮端面继续移动并压缩接触式探针，同时接触式探针记录被压缩位移量，通过记录的接触式探针压缩位移量即可换算出凸轮端面的X方向坐标值，即确定了该端面的焊接位置，完成了凸轮轴5的轴向自动检测定位。同时，所述Z1轴移动工作台17上通过第二驱动气缸连接有激光位移传感器16，所述激光位移传感器16位于两个所述焊接头9之间，且激光位移传感器16的激光发射口朝向凸轮轴5；凸轮轴5完成轴向自动检测定位后，激光位移传感器16通过第二驱动气缸伸出，主轴旋转电机21驱动凸轮轴5绕其轴线作旋转运动，凸轮轴5在旋转的同时激光位移传感器16可根据实际需求凸轮轴5每旋转10°采取一个值，凸轮轴5旋转一周采取36组数值，然后将采取的数值与基准圆数值进行换算得到补偿值，两个焊接头9在Z1轴移动工作台17和Z2轴移动工作台18的带动作用下，保证在焊接该处时在凸轮轴5径向方向时能够实时补偿，这样就完成了凸轮轴5焊接时的径向跳动检测及随动补偿，当上面的焊接参数自动调整完成后，主轴旋转电机21开始驱动凸轮轴5旋转，同时两个焊接头9同时对一个凸轮的两测同时进行焊接，焊接完后，主轴旋转电机21停止旋转，X轴移动工作台6带动焊好的凸轮轴5沿X轴向移动到底座1上的上下料工位2等待取料和再次上料，从而完成凸轮和轴的焊接工作。
综上所述，本发明提供的这种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机结构简单，采用双焊接头能同时对凸轮轴上的凸轮两侧进行自动焊接，而且对于需要焊接的凸轮两侧能够自动找准焊接位置并自动调整焊接头焊接焦点到凸轮轴轴线的Z轴方向垂直距离、Y轴方向进给距离以及焊接头与凸轮轴轴线的夹角以达到焊接的最佳焊接位置，改变了现有的凸轮轴成型制造工艺，将现有依靠锻造或者铸造成型的凸轮轴改善为焊接成型的凸轮轴。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，其特征在于：包括底座(1)，所述底座(1)上滑动设置有X轴移动工作台(6)，所述X轴移动工作台(6)上设有用于固定凸轮轴(5)的固定机构，所述固定机构上设有驱动凸轮轴(5)绕其轴线旋转的主轴旋转电机(21)，所述底座(1)的一侧设有立柱(12)，所述立柱(12)上设有通过Y向驱动机构驱动的Y轴移动工作台，所述Y轴移动工作台上沿X轴向并排间隔设置有Z1驱动机构(8)和Z2驱动机构(10)，所述Z1驱动机构(8)和Z2驱动机构(10)上分别沿Z轴方向活动连接有Z1轴移动工作台(17)和Z2轴移动工作台(18)，所述Z1轴移动工作台(17)和Z2轴移动工作台(18)上均通过角度旋转机构(15)连接有一个焊接头(9)，所述固定机构包括固定在X轴移动工作台(6)一端的三爪回转卡盘(4)和滑动设置在X轴移动工作台(6)另一端的气动回转顶针(7)，所述三爪回转卡盘(4)和气动回转顶针(7)对称设置，且凸轮轴(5)的两端分别与三爪回转卡盘(4)和气动回转顶针(7)顶紧。
2.如权利要求1所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，其特征在于：所述底座(1)上沿X轴向具有上下料工位(2)和焊接工位(3)，且底座(1)的长度不小于两个X轴移动工作台(6)的长度之和，所述立柱(12)位于底座(1)的焊接工位(3)一侧。
3.如权利要求1所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，其特征在于：所述Y轴移动工作台包括Y1移动工作台(14)和Y2移动工作台(20)，所述Y1移动工作台(14)设置在立柱(12)上，所述Y2移动工作台(20)设置在Y1移动工作台(14)上，所述Z1轴移动工作台(17)设置在Y1移动工作台(14)上，所述Z2轴移动工作台(18)设置在Y2移动工作台(20)上；所述Y向驱动机构包括Y1驱动电机(13)和Y2驱动电机(11)，Y1驱动电机(13)与Y1移动工作台(14)连接，Y2驱动电机(11)与Y2移动工作台(20)连接。
4.如权利要求1所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，其特征在于：所述Z2驱动机构(10)包括Z向驱动模组和X向驱动模组。
5.如权利要求1所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，其特征在于：所述Z1轴移动工作台(17)上设有检测相机和位移传感器组件(19)，所述检测相机和位移传感器组件(19)位于两个所述焊接头(9)之间。
6.如权利要求1所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机，其特征在于：所述Z1轴移动工作台(17)上通过第二驱动气缸连接有激光位移传感器(16)，所述激光位移传感器(16)位于两个所述焊接头(9)之间，且激光位移传感器(16)的激光发射口朝向凸轮轴(5)。
7.采用如权利要求1～6任一项所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将待加工的凸轮轴(5)通过固定机构固定在X轴移动工作台(6)上，移动X轴移动工作台(6)至立柱(12)处；
2)通过Y向驱动机构驱动Y轴移动工作台向凸轮轴(5)移动来调整两个焊接头(9)焊接焦点到凸轮轴(5)轴线的Y轴方向进给距离；
3)通过Z1驱动机构(8)和Z2驱动机构(10)分别驱动Z1轴移动工作台(17)和Z2轴移动工作台(18)在Z轴方向移动来调整两个焊接头(9)焊接焦点到凸轮轴(5)轴线的Z轴方向垂直距离；
4)通过角度旋转机构(15)调节两个焊接头(9)与凸轮轴(5)轴线夹角，使得两个焊接头(9)的焊接焦点光斑分别位于凸轮的两侧，且两个焊接焦点光斑所构成的直线与凸轮轴(5)轴线平行；
5)两个焊接头的焊接位置调整完成后，主轴旋转电机(21)驱动凸轮轴(5)旋转，两个焊接头(9)对凸轮轴(5)上的凸轮两侧同时进行焊接加工。
8.如权利要求7所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机的加工方法，其特征在于：在两个焊接头(9)之间设置用于对凸轮轴(5)焊缝位置进行识别检测的检测相机和位移传感器组件(19)，并将识别检测的焊缝信息反馈至控制系统，控制系统根据焊缝信息与理论信息的差异控制调整两个焊接头(9)的位置至最佳焊接位置。
9.如权利要求7所述的用于凸轮轴加工的双面激光焊接机的加工方法，其特征在于：在两个焊接头(9)之间设置激光位移传感器(16)，激光位移传感器(16)在凸轮轴(5)旋转一周过程中采取若干个位移值，并将采取的位移值与基准圆数值进行换算得到补偿值，根据补偿值通过Z1驱动机构(8)和Z2驱动机构(10)调整两个焊接头(9)位置而完成凸轮轴(5)焊接时的径向跳动检测及随动补偿。
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