CN108465929A - 一种搅拌摩擦焊接装置及包括其的搅拌摩擦焊接系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊接装置，包括机架、动平台和由三个分支机构组成的并联机构，其中，第一分支机构包括依次连接的第一移动副、第一转动副、伸缩杆和第一球副，通过第一球副与动平台连接；第二分支机构和第三分支机构均包括依次连接的第三移动副、第二转动副、第三连杆和第二球副，通过第二球副与动平台连接。本发明利用并联机构实现四自由度，使得动平台两维转动和两维移动，更易于控制动平台的位置和姿态。本发明具有高刚度、低惯性、高动态性能和高精度的特征，可以满足对航空领域的大型火箭燃料贮箱筒段环缝对接加工质量及精度要求高的精密焊接。本发明还公开了一种包括上述搅拌摩擦焊接装置的搅拌摩擦焊接系统。

Description

一种搅拌摩擦焊接装置及包括其的搅拌摩擦焊接系统
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体地，涉及一种搅拌摩擦焊接装置及包括其的搅拌摩擦焊接系统。
背景技术
搅拌摩擦焊利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与待焊接件的摩擦产生热量，产生的摩擦热量使该焊接件局部处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。由于该方法为固相焊接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快等特点，因而焊接变形小，焊后残余应力小。同时，搅拌摩擦焊焊接过程不产生弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，是绿色化生产加工。因此，搅拌摩擦焊被广泛应用。
目前，针对焊接曲面复杂的焊接件，现有的搅拌摩擦焊接装置常采用串联结构，使其具有五轴联动加工能力，但在加工过程中会产生较大的顶锻力，顶锻力导致串联结构发生变形，影响焊接质量和焊接精度。为了得到精度较高的焊接件，需要焊接设备具有足够大的刚度。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种搅拌摩擦焊接装置及包括其的搅拌摩擦焊接系统，以解决现有搅拌摩擦焊接装置刚度低，导致焊接质量和焊接精度低的问题。
为了实现上述目的，本发明的一个方面是提供一种搅拌摩擦焊接装置，包括：
机架，包括机架平台和支撑所述机架平台的架体，所述机架平台的上表面和下表面均设置有相向设置的一对滑轨；
动平台，所述动平台的一个表面上安装有搅拌头；
第一分支机构，包括依次连接的第一移动副、第一转动副、伸缩杆和第一球副，所述第一移动副沿所述机架平台上表面的一对滑轨可移动，所述第一转动副的转动轴线与所述机架平台上表面的滑轨组成的面平行，所述第一球副与所述动平台未安装搅拌头的一面连接；
第二分支机构和第三分支机构，所述第二分支机构和所述第三分支机构均包括依次连接的第三移动副、第二转动副、第三连杆和第二球副，所述第三移动副沿所述机架平台下表面的一对滑轨可移动，所述第二转动副的转动轴线与所述机架平台下表面的滑轨组成的面垂直，所述第二球副与所述动平台未安装搅拌头的一面连接。
优选地，所述第一分支机构、所述第二分支机构和所述第三分支机构均与所述动平台铰接，并且铰接的中心点相对于所述动平台的中心均匀分布。
优选地，所述第二分支机构和所述第三分支机构的第三连杆组成的平面与所述机架平台下表面的滑轨组成的面平行。
优选地，所述伸缩杆包括依次连接的第一连杆、第二移动副和第二连杆，所述第二连杆通过所述第二移动副沿所述第一连杆移动。
优选地，所述第二移动副是伺服电机带动丝杠的驱动机构。
优选地，所述第一移动副和所述第三移动副是双伺服电机驱动齿轮齿条的驱动机构。
优选地，所述第一球副和所述第二球副是球铰或者三个垂直方向转动轴相交为一点的复合球铰。
为了实现上述目的，本发明的另一个方面是提供一种搅拌摩擦焊接系统，包括如上所述的搅拌摩擦焊接装置和紧固装置，所述紧固装置用于固定待焊接件，通过所述搅拌头焊接所述待焊接件。
优选地，该系统还包括工作平台，所述工作平台上设置有滑槽，所述紧固装置安装在所述滑槽中，且沿所述滑槽可移动。
优选地，所述紧固装置包括相向设置的一对紧固件，所述待焊接件位于两个紧固件之间，两个紧固件的回转轴在同一直线上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过第一分支机构、第二分支机构和第三分支机构组成的并联机构，使得本发明所述搅拌摩擦焊接装置具有四自由度，能够实现动平台的两维转动和两维移动的运动形式，更易于控制动平台的位置和姿态。
本发明具有高刚度、低惯性、高动态性能和高精度的特征，且并联机构结构简单紧凑、负载能力强、运动部件质量小，并易于实现高速运动，可以满足对航空领域的大型火箭燃料贮箱筒段环缝对接加工质量及精度要求高的精密焊接。
本发明使用跨度可以调整的一对紧固件固定待焊接件，增大筒段环缝对接的直径和总体长度。
附图说明
图1是本发明所述搅拌摩擦焊接装置结构示意图；
图2是本发明所述搅拌摩擦焊接系统示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1和图2来详细说明本实施例。
图1是本发明所述搅拌摩擦焊接装置结构示意图，如图1所示，本发明所述搅拌摩擦焊接装置包括第一分支机构、第二分支机构和第三分支机构组成的并联机构、动平台4和机架，并联机构连接在动平台4和机架之间。
其中，机架包括机架平台51和支撑机架平台51的架体52，机架平台51架设在架体52上，机架平台51的上表面和下表面均设置有相向设置的一对滑轨53。机架平台51的上表面和下表面平行，分别设置于其上的两对滑轨所在平面平行。
动平台4的一个表面上安装有搅拌头41，通过搅拌头与待焊接件的摩擦产生热量，使该焊接件局部处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从前端向后部塑性流动，从而使待焊接件压焊为一个整体。
本发明中的并联机构包括第一分支机构、第二分支机构和第三分支机构，第一分支机构、第二分支机构和第三分支机构均连接在机架与动平台之间。
第一分支机构包括依次连接的第一移动副101、第一转动副102、伸缩杆和第一球副106。其中，第一移动副101沿机架平台51上表面的一对滑轨53可移动，第一转动副102的转动轴线与机架平台上表面的滑轨53组成的面平行，伸缩杆的一端连接第一转动副102，伸缩杆的另一端连接第一球副106，第一球副106与动平台4上未安装搅拌头41的一面连接。第一移动副101沿滑轨53移动，进而带动与之连接的第一转动副102、伸缩杆、第一球副106以及动平台4的移动。伸缩杆可绕第一转动副102转动，进而带动第一球副106和动平台4的转动。
第二分支机构和第三分支机构具有完全相同的机构组成，均包括依次连接的第三移动副201、第二转动副202、第三连杆203和第二球副204，第三移动副201沿机架平台51下表面的一对滑轨53可移动，第二转动副202的转动轴线与机架平台下表面的滑轨组成的面垂直，第三连杆203的一端连接第二转动副202，第三连杆203的另一端连接第二球副204，第二球副204与动平台4上未安装搅拌头41的一面连接。第三移动副201沿滑轨的移动带动与之连接的第二转动副202、第三连杆203、第二球副204和动平台4移动，第三连杆203可绕第二转动副202转动，进而带动第二球副204和动平台4的转动。
本发明中，并联机构具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小和易于实现高速运动等特点，使得本发明所述搅拌摩擦焊接装置具有高刚度、高动态性能和高精度的优点。且本发明所述搅拌摩擦焊接装置具有四自由度，能够实现动平台的两维转动和两维移动的运动形式，易于控制动平台的位置和姿态，从而满足对待焊接件的焊接要求，且保证较高的焊接精度。
如图1所示，第一分支机构中的伸缩杆包括依次连接的第一连杆103、第二移动副104和第二连杆105，第二连杆105通过第二移动副104沿第一连杆移动103，从而实现第一分支机构的伸缩移动。第二连杆105的直径略小于第一连杆103的直径，便于第二连杆105插进第一连杆103中，或者，第二连杆105的直径略大于第一连杆103的直径，便于第二连杆105套在第一连杆103的外周。
第一分支机构中的第一移动副101、第二移动副104和第二分支机构、第三分支机构中的第三移动副201均为驱动副。在一个优选的实施例中，第一移动副101、第三移动副201均采用双伺服电机驱动齿轮齿条的驱动机构，分别实现三个分支机构的移动，从而实现动平台沿着滑轨方向的移动。第二移动副104采用伺服电机带动丝杠的驱动机构，实现第一分支机构的伸缩移动，从而实现动平台沿着第一连杆和第二连杆方向的移动。第一分支机构的第一球副106、第二分支机构和第三分支机构中的第二球副204是球铰或者三个垂直方向转动轴相交为一点的复合球铰，使得三个分支机构与动平台铰接，可绕动平台转动。
本发明中，第一分支机构、第二分支机构和第三分支机构分别通过第一球副106和第二球副204与动平台4铰接，优选的，各铰接中心点相对于动平台4的中心均匀分布，各铰接中心点形成正三角形，第一分支机构与动平台的铰接点位于正三角形上方的顶点处，第二分支机构和第三分支机构与动平台的铰接点分别位于正三角形下方的顶点处，且第二分支机构和第三分支机构相对于动平台对称布置。
优选的，第二分支机构和第三分支机构的两个第三连杆203位于同一平面内，且组成的该平面与机架平台51下表面的滑轨53组成的面平行。
本发明的另一个发明提供了一种搅拌摩擦焊接系统，图2是本发明所述搅拌摩擦焊接系统示意图，如图2所示，该系统包括如上所述的搅拌摩擦焊接装置1000和紧固装置。紧固装置用于固定待焊接件6，通过搅拌头41焊接待焊接件6，利用搅拌头41与待焊接件6之间摩擦产生的热量，使得待焊接件6局部处于热塑性状态，搅拌头41在并联机构的作用下转动和移动，在搅拌头压力作用下，完成对待焊接件6的焊接。并联机构的三个分支机构使得动平台4上的搅拌头41具有四自由度，可实现两个方向的转动和两个方向的移动，提高焊接精度。
在一个优选的实施例中，该搅拌摩擦焊接系统还包括工作平台7，在工作平台7上设置有滑槽，紧固装置安装在滑槽中，且沿滑槽可移动，以便于调整紧固装置的位置。
本发明中，紧固装置用于固定待焊接件，可以是一体的夹持装置，也可以是分离的两个部件，将待焊接件固定于两个部件之间。优选地，紧固装置包括相向设置的一对紧固件8，待焊接件6位于两个紧固件8之间，两个紧固件8的回转轴在同一直线上，电驱动装置驱动紧固件的转动，从而使得待焊接件6可以绕回转轴线旋转，增加搅拌摩擦焊接系统的自由度，实现对曲面零件的焊接。紧固件8安装在工作平台的滑槽中，可沿着滑槽移动，便于根据待焊接件6的长度调整两个紧固件8之间的距离。
以本发明在大型火箭燃料贮箱筒段环缝对接加工中的应用为例，说明本发明中搅拌摩擦焊接系统的工作过程。
将两段火箭贮箱用两个紧固件8夹紧固定，通过第一移动副101和第三移动副201在滑轨上的移动，第二移动副104沿着第一连杆103和第二连杆105方向的移动，以及第一转动副102和第二转动副202的转动，使得动平台4实现两个方向的转动和两个方向的移动，从而调整动平台的位置和姿态。在利用搅拌头进行焊接过程中，火箭贮箱在紧固件的电驱动装置的带动下形成自身的回转运动，从而使得本发明的搅拌摩擦焊接系统具有五自由度。完成两段火箭贮箱的焊接之后，调整两个紧固件的位置，以便增大筒段环缝的直径或总体长度，可以再添加一段或多段火箭贮箱，继续焊接，直至所有的火箭贮箱焊接完成。
本发明不仅适用于大型火箭燃料贮箱筒段环缝对接加工过程，也适用于一般零件或复杂零件之间的焊接。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括：
机架，包括机架平台和支撑所述机架平台的架体，所述机架平台的上表面和下表面均设置有相向设置的一对滑轨；
动平台，所述动平台的一个表面上安装有搅拌头；
第一分支机构，包括依次连接的第一移动副、第一转动副、伸缩杆和第一球副，所述第一移动副沿所述机架平台上表面的一对滑轨可移动，所述第一转动副的转动轴线与所述机架平台上表面的滑轨组成的面平行，所述第一球副与所述动平台未安装搅拌头的一面连接；
第二分支机构和第三分支机构，所述第二分支机构和所述第三分支机构均包括依次连接的第三移动副、第二转动副、第三连杆和第二球副，所述第三移动副沿所述机架平台下表面的一对滑轨可移动，所述第二转动副的转动轴线与所述机架平台下表面的滑轨组成的面垂直，所述第二球副与所述动平台未安装搅拌头的一面连接。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一分支机构、所述第二分支机构和所述第三分支机构均与所述动平台铰接，并且铰接的中心点相对于所述动平台的中心均匀分布。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第二分支机构和所述第三分支机构的第三连杆组成的平面与所述机架平台下表面的滑轨组成的面平行。
4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述伸缩杆包括依次连接的第一连杆、第二移动副和第二连杆，所述第二连杆通过所述第二移动副沿所述第一连杆移动。
5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第二移动副是伺服电机带动丝杠的驱动机构。
6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一移动副和所述第三移动副是双伺服电机驱动齿轮齿条的驱动机构。
7.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一球副和所述第二球副是球铰或者三个垂直方向转动轴相交为一点的复合球铰。
8.一种搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的搅拌摩擦焊接装置和紧固装置，所述紧固装置用于固定待焊接件，通过所述搅拌头焊接所述待焊接件。
9.根据权利要求8所述的搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，该系统还包括工作平台，所述工作平台上设置有滑槽，所述紧固装置安装在所述滑槽中，且沿所述滑槽可移动。
10.根据权利要求9所述的搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，所述紧固装置包括相向设置的一对紧固件，所述待焊接件位于两个紧固件之间，两个紧固件的回转轴在同一直线上。
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