CN108608107A - 一种相位摩擦焊机及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位摩擦焊机及焊接方法，包括安装在固定架一端内侧的旋转装置，固定架另一端的外侧安装有液压缸，所述旋转装置的轴线位置上设有安装在移动架外侧的固定装置，液压缸伸缩杆的顶端安装有压力传感器，压力传感器固定在移动架内侧。本发明的焊接方法包括以下步骤：a、将两个焊接零件分别固定在对应的卡盘上，并保证其焊接中心重合；b、相关参数设置，当两零件接触时，电机加速；c、当移动距离达到设定值时，电机减速并停止；d、经过顶锻阶段及保压后，焊接完成。本发明可以焊接形状不规则的零件，并对焊接零件的位置进行调整，提高了摩擦过程中的稳定性，采用液压系统提供摩擦压力与顶锻力，施力位置与受力位置在同一直线上，降低了系统本身的刚度要求。

Description

一种相位摩擦焊机及焊接方法

技术领域

本发明属于机械、液压、电气一体化技术领域，尤其涉及一种相位摩擦焊机及焊接方法。

背景技术

相位摩擦焊是一种在摩擦焊接过程中可以准确地使工件之间保持一定相位关系的特殊旋转摩擦焊,主要用于焊接界面为圆形或近圆形的如六方形钢、八方形钢、汽车操纵杆等对相互角度位置配合有要求的工件。现在的摩擦焊机存在不合理的机械结构设计，例如摩擦过程中旋转主轴的跳动、摩擦及顶锻过程中压力不足、焊接完成后工件相对位置倾斜等。现有技术中采用液压马达的相位摩擦焊机及焊接方法，由于采用固定的装夹方式，能焊接的零件种类较少，对于形状不规则的焊接零件，容易导致焊接零件的焊接中心不在一条直线上；采用液压马达与制动器结合的定位方式，液压马达的溢流以及制动器摩擦力的非线性会导致控制精度降低。

发明内容

发明目的：为了提高焊接质量，保证焊接的稳定性，本发明提供一种伺服电机提供主轴旋转动力，液压缸提供摩擦压力的相位摩擦焊机及焊接方法。

技术方案：本发明包括安装在固定架内侧的旋转装置，所述固定架的另一端的外侧安装有液压缸，所述旋转装置的轴线位置上设有安装在移动架外侧的固定装置，所述的固定装置位于旋转装置与液压缸之间，液压缸伸缩杆的顶端安装有压力传感器，所述压力传感器固定在移动架内侧。

所述的固定架与移动架的两侧中间位置安装有导向轴，保证伸缩过程的稳定性。

所述的旋转装置包括安装在电机基座内的电机、主轴与三爪卡盘，所述的电机基座通过螺栓连接在固定架上。

所述的三爪卡盘与主轴上的凸台定位，并通过螺栓连接于主轴上。

所述的电机为伺服电机。

所述的主轴为四段阶梯轴，第一段为圆盘状，圆盘上加工有凸台，凸台周围均布螺纹孔，主轴第二段为光轴，第三段加工有螺纹，第四段为加工有键槽的光轴。

所述的固定装置包括四爪卡盘、调节圆盘与底座连接板，所述的底座连接板通过螺栓连接于移动架上。

所述的四爪卡盘与调节圆盘上的凸台定位并固定在调节圆盘上，所述的调节圆盘通过锁紧螺母固定在底座连接板上。

所述的一种基于相位摩擦焊机的焊接方法，包括如下步骤：

a、将其中一个焊接零件装夹到三爪卡盘，另一个焊接零件装夹到四爪卡盘，调节四爪卡盘，保证两零件的焊接中心重合；

b、设置伺服电机预摩擦转速V1、摩擦压力F、伺服电机摩擦转速V2，液压缸带动移动架收缩，当两个焊接零件接触时，压力传感器输出压力信号，此时，伺服电机以恒定加速度a从V1加速到V2，液压缸上的位移传感器实时检测移动架移动的距离L1，并将位移信号发送到运动控制卡；

c、设置摩擦阶段结束后的位移L2,两个焊接零件的长度缩短并焊接到一起，当移动架移动的距离L1＝L2时，液压缸停止收缩,运动控制卡记录此时编码器反馈的角度信号c,伺服电机的运动模式改为位置控制，目标角度位置为d＝c+(360-c％360),运动控制卡控制伺服电机逐渐减速并停止到目标角度d；

d、设置顶锻阶段结束后的位移L3，当伺服电机转动到目标角度时，液压框架的控制方式更改为位置控制，液压缸继续收缩，当L1＝L3时，液压缸停止收缩，经过一定时间的保压后，关闭控制系统，取下焊接完成的零件。

工作原理：将其中一个焊接零件装夹到三爪卡盘，另一个焊接零件装夹到四爪卡盘，调节四爪卡盘，保证两零件的焊接中心重合，设置伺服电机预摩擦转速V1，摩擦压力F，伺服电机摩擦转速V2，摩擦阶段结束后的位移L2，顶锻阶段结束后的位移L3，液压缸带动移动架收缩，当两个焊接零件接触时，压力传感器输出压力信号，此时，伺服电机以恒定加速度a从V1加速到V2，液压缸上的位移传感器实时检测移动架移动的距离L1，当L1＝L2时，伺服电机逐渐减速并停止到指定角度，液压缸继续收缩，当L1＝L3时，液压缸停止收缩，经过一定时间的保压后，关闭控制系统，取下焊接完成的零件。

有益效果：本发明可以焊接形状不规则的零件，并对焊接零件的位置进行调整，提高了摩擦过程中的稳定性；采用液压系统提供摩擦压力与顶锻力，施力位置与受力位置在同一直线上，降低了系统本身的刚度要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的旋转装置示意图；

图3为本发明的固定装置示意图；

图4为本发明的焊接方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明包括固定架1、旋转装置2、固定装置3、液压缸4、压力传感器5与移动架6。固定架1与移动架6均由两块方形钢板与四根光轴连接而成，光轴的两端均加工有一段螺纹，光轴穿过方形钢板，并通过螺母将其固定在方形钢板上，固定架1与移动架6两侧中间位置安装有导向轴7，两根导向轴7贯穿整个固定架1与移动架6，导向轴7的两端通过螺母固定在两侧的方形钢板上，从而保证了整个装置在伸缩过程中的稳定性。固定架1的内侧安装有旋转装置2，旋转装置2通过位于固定架1的方形钢板上的螺纹通孔进行固定，固定架1另一端的外侧安装有液压缸4，旋转装置2的轴线位置上设有安装在移动架6外侧的固定装置3，该固定装置3位于旋转装置2与液压缸4之间，液压缸4的伸缩杆上安装有压力传感器5，压力传感器5固定在移动架6内侧。

旋转装置2包括电机基座2.1、电机2.2、联轴器2.3、主轴2.4、锁紧螺母2.5、两对角接触轴承2.6、轴套2.7、压紧端盖2.8、推力轴承2.9和三爪卡盘2.10。电机2.2为伺服电机，电机基座2.1为钢板焊接而成的长方形箱体，电机机座2.1通过螺栓连接于固定架1上，电机基座2.1分为两段，前半段为中心加工有通孔的实心结构，后半段为中部有隔板的中空箱体，隔板上加工有光孔，隔板四周均布螺纹孔，光孔与前半段通孔在同一直线上。两对角接触轴承2.6安装在电机基座2.1前半段的通孔内，两对角接触轴承2.6之间安装有轴套2.7，电机基座2.1前端面处安装有压紧端盖2.8，压紧端盖2.8紧靠角接触轴承2.6，并通过螺钉固定在电机基座2.1上，压紧端盖2.8外面安装有推力轴承2.9，电机2.2安装在电机基座2.1后半段，其定位凸台与隔板上的光孔配合，并通过螺钉与隔板上的螺纹孔连接。主轴2.4为四段阶梯轴，第一段为圆盘状，前端面为固定三爪卡盘的平面，加工有卡盘定位凸台，周围加工有安装三爪卡盘的三个螺纹孔，主轴第二段为两对角接触轴承2.6的安装面，主轴第三段加工有一段螺纹，主轴第四段为加工有键槽的光轴。主轴2.4安装在电机基座2.1的通孔中，与两对角接触轴承2.6配合，主轴2.4第一段圆盘的背面与推力轴承2.9配合，主轴2.4第三段螺纹处通过锁紧螺母2.5将主轴2.4拉紧，电机2.2的传动轴与主轴2.4上的键槽都装有平键，电机2.2的传动轴与主轴2.4通过联轴器2.3连接到一起。

固定装置3包括四爪卡盘3.1、调节圆盘3.2、底座连接板3.3、锁紧螺母3.4、深沟球轴承3.5和推力轴承3.6。调节圆盘3.2为圆饼状，中间部位加工有凸台，与四爪卡盘3.1的安装端面配合，并通过螺钉在调节圆盘3.2上的螺纹孔处固定，调节圆盘3.2的另一侧中间部位加工有带螺纹的短轴，长度小于底座连接板3.3的厚度，底座连接板3.3中心位置加工有通孔，通孔内安装深沟球轴承3.5，调节圆盘3.2上的短轴与底座连接板3.3上的深沟球轴承3.5配合，短轴末端用锁紧螺母3.4固定，通孔外侧加工有安装推力轴承3.6的槽，底座连接板3.3的外侧区域加工有销孔，并与调节圆盘3.2上的销孔对应，并通过销轴将其连接，底座连接板3.3通过螺栓固定于移动架6上。

实施例

本实施例采用的焊接零件为直径10mm的Q235的六棱柱，控制系统为工控机+固高GTS-VB运动控制卡，位移传感器为拉线传感器，焊接过程中六棱柱的缩短量为10mm。具体步骤为：

(1)将直径10mm的六棱柱装夹到三爪卡盘，使用卡盘扳手拧紧，将另一个直径10mm的六棱柱装夹到另一侧的四爪卡盘，首先调节其中两个单爪，使六棱柱的轴线与三爪卡盘装夹的六棱柱的轴线重合，然后使用卡盘扳手拧紧，将旋转装置转动到两根六棱柱棱线重合的位置；

(2)在控制界面设置伺服电机的预摩擦转速为500r/min，伺服电机摩擦转速为1000r/min，摩擦压力为3KN，摩擦阶段移动架活动端的位移为8mm，移动架活动端的位移为10mm；

(3)固高运动控制卡设置伺服电机的控制方式为模拟量控制，伺服电机以500r/min的速度开始转动，伺服电机的编码器采用增量式记录转动角度，固高运动控制卡实时采集伺服电机的编码器反馈的角度信号；

(4)液压缸带动移动架的活动端连接板收缩，移动架的控制方式采用恒压力的控制形式，活动端连接板向旋转装置的方向移动，当旋转装置固定的六棱柱与固定装置固定的六棱柱接触时，压力传感器有压力信号输出，开始进行预摩擦，摩擦压力保持为3KN，同时，固高运动控制卡控制伺服电机以10r/s^2的恒定加速度从500r/min增加到1000r/min，在摩擦过程中，六棱柱的长度缩短，液压缸上的位移传感器实时采集移动架活动端的位移数据，将位移数据传到固高运动控制卡；

(5)当移动架的活动端移动的距离为8mm时，液压缸停止收缩，固高运动控制卡记录此时伺服电机反馈的转动角度为72064°，伺服电机的运动模式更改为位置控制，位置控制的目标角度为72064+(360-72064％360)＝72360°,固高运动控制卡控制伺服电机停止到目标角度72360°；

(6)伺服电机定位结束后，移动架的控制方式更改为位置控制，移动架继续收缩，液压缸上的位移传感器实时采集移动架移动的距离数据，当移动架移动的距离为10mm时，移动架停止收缩，完成位移控制并保持压力不变，5s后逐渐减小压力，关闭控制系统，取下焊接后的零件。

Claims (9)

1.一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：包括安装在固定架(1)一端内侧的旋转装置(2)，所述固定架(1)另一端的外侧安装有液压缸(4)，所述旋转装置(2)的轴线位置上设有安装在移动架(6)外侧的固定装置(3)，所述的固定装置(3)位于旋转装置(2)与液压缸(4)之间，液压缸(4)伸缩杆的顶端安装有压力传感器(5)，所述压力传感器(5)固定在移动架(6)内侧。

2.根据权利要求1所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的固定架(1)与移动架(6)的两侧中间位置安装有导向轴(7)，所述的导向轴(7)贯穿整个固定架(1)与移动架(6)。

3.根据权利要求1所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的旋转装置(2)包括安装在电机基座(2.1)内的电机(2.2)、主轴(2.4)与三爪卡盘(2.10)，所述的电机基座(2.1)安装在固定架(1)上。

4.根据权利要求3所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的三爪卡盘(2.10)与主轴(2.4)上的凸台定位并固定于主轴(2.4)上。

5.根据权利要求3所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的电机(2.2)为伺服电机。

6.根据权利要求3所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的主轴(2.4)为四段阶梯轴。

7.根据权利要求1所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的固定装置(3)包括四爪卡盘(3.1)、调节圆盘(3.2)与底座连接板(3.3)，所述的底座连接板(3.3)安装在移动架(6)上。

8.根据权利要求7所述的一种相位摩擦焊机及焊接方法，其特征在于：所述的四爪卡盘(3.1)与调节圆盘(3.2)上的凸台定位并固定在调节圆盘(3.2)上，所述的调节圆盘(3.2)通过锁紧螺母(3.4)与底座连接板(3.3)连接。

9.一种基于权利要求1所述的相位摩擦焊机的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将其中一个焊接零件装夹到三爪卡盘，另一个焊接零件装夹到四爪卡盘，调节四爪卡盘，保证两零件的焊接中心重合；

b、设置伺服电机预摩擦转速V1、摩擦压力F、伺服电机摩擦转速V2，液压缸收缩，当两个焊接零件接触时，压力传感器输出压力信号，此时，伺服电机以恒定加速度a从V1加速到V2，液压缸上的位移传感器实时检测移动架移动的距离L1，并将位移信号发送到运动控制卡；

c、设置摩擦阶段结束后的位移L2,两个焊接零件的长度缩短并焊接到一起，当移动架移动的距离L1＝L2时，伺服电机逐渐减速并停止到指定角度；

d、设置顶锻阶段结束后的位移L3，液压缸继续收缩，当L1＝L3时，液压缸停止收缩，经过一定时间的保压后，关闭控制系统，取下焊接完成的零件。