CN109570759B - 薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置及焊缝挤压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，属于激光焊接技术领域。该装置包括动力传动机构、横向进给机构、柔性圆周抱紧机构和辅助支撑机构。左右两侧通过第一伺服电机自动调节皮带动力轴带动柔性抱紧带，使被焊工件全长度范围内获得圆周等效径向抱紧力，实现焊接接头无间隙配合；柔性生产，提高生产效率，降低工装投入成本。本发明还公开了一种采用上述柔性抱紧装置的焊缝挤压力控制方法，通过第一伺服电机、第二伺服电机的启动配合，利用压力传感器感应工件抱紧压力，实现焊接过程中，焊缝两侧可以获得等效可控挤压力，从而提高了焊缝强度。

Description

薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置及焊缝挤压力控制方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，特别是涉及一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置及焊缝挤压力控制方法。

背景技术

薄壁筒体通常指材质为3系和4系不锈钢，壁厚在0.5mm至2.0mm之间，管径在φ100mm至φ600mm之间；纵缝焊接指板材通过卷压或冲压成形后对其纵缝进行焊接；该项技术主要应用于汽车零部件、家电、食品机械和医疗机械等领域。

薄壁筒体纵缝激光焊焊缝强度与焊接接头间隙及焊缝挤压力大小有着直接关系。由于不锈钢板材屈服强度高，经成形后回弹导致焊接接头存3mm至8mm缝隙。目前，主要采用在纵焊前增加点焊工序或专用工装进行焊接。纵焊接前增加点焊工序对焊接接头间隙控制精度低，激光焊质量不稳定，且后续纵缝焊接依靠上压板压紧，焊缝无径向挤压力，焊缝强度低。专用工装有两种形式：一种是待焊管件经液压推力将工件推送到封闭外导圈通道内，管件被逐渐退出外导圈后焊接，这种方式虽然增加了焊缝挤压力的，但受工件成形尺寸精度影响，无法控制接头间隙和焊缝挤压力大小。外导圈作为专用夹具，制造精度高，投入成本高；工装通用性差，无法实现柔性生产。另一种是半活动激光直缝焊装置，中半国专利号CN201520625164.3，名称为“一种薄壁管件激光直缝焊接装置”，公开日：2015年12月9日。该专利公开了薄壁管件激光直缝焊接方法，通过采用半活动半随形定位装置来进行对缝压紧和焊接。夹具不完全随形造成焊接过程中产品变形和表面划伤；由于待焊工件中间存在缝隙，在半活动工装中焊缝两侧无法获得等效挤压力，带来如焊缝超高、错边、叠边或未焊透等了诸多问题需要解决。

因此，亟需一种薄壁筒纵缝激光焊柔性抱紧装置，保证焊接接头在全长度范围内无间隙配合，从而满足筒体激光焊接接头间隙要求；同时需要一种基于该装置的焊缝等效挤压力控制方法，实现对焊缝两侧施加等效挤压力，有效控制焊缝挤压力，从而提高薄壁筒体纵缝激光焊焊缝强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，能够解决薄壁筒体纵缝激光焊接接头在全长度范围内无间隙配合问题和柔性生产问题。同时，本发明还提出一种采用上述柔性抱紧装置的焊缝挤压力控制方法，解决焊接过程中如何使焊缝两侧获得等效挤压力以及如何控制焊缝挤压力的问题。

本发明所采用的技术方案是提供一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，包括动力连杆机构、横向进给机构、柔性圆周抱紧机构和辅助支撑机构，所述动力连杆机构、横向进给机构和柔性圆周抱紧机构均对称设置。

所述动力连杆机构包括连杆、第二伺服电机、第一连接板、第二连接板、连接座、连接销轴、摇杆、传动销轴、动力连接盘、动力轴、轴承和轴承座；所述第一连接板与第二连接板之间设置有动力轴，所述动力轴一端连接轴承，所述轴承位于轴承座内，所述轴承座固定在第二连接板上；所述动力轴的另一端连接第二伺服电机，所述第二伺服电机固定在第一连接板上；所述动力轴通过动力连接盘与摇杆一端连接，所述摇杆的另一端通过传动销轴与连杆的一端连接，所述连杆的另一端通过连接销轴与连接座连接。

进一步地，所述横向进给机构包括支架、固定连接板、运动臂、固定轴块和导向轴；所述导向轴穿过运动臂的运动槽，通过固定轴块固定在两个支架之间；所述运动臂底部设置有固定连接板；所述支架固定在底板上。

进一步地，所述柔性圆周抱紧机构包括第一伺服电机、皮带动力轴、轴套、托件衬垫、皮带导向板、压力传感器和抱紧带；所述皮带动力轴置于运动臂的轴孔中，皮带动力轴的一端连接第一伺服电机，另一端与轴套连接；所述第一伺服电机、轴套分别固定在运动臂的两端；所述皮带导向板固定在运动臂顶部，所述压力传感器置于皮带导向板的端部；所述运动臂中每两道立筋之间设置有抱紧带，所述抱紧带贴合在两块皮带导向板上表面，抱紧带的两端分别与双侧的皮带动力轴固定连接；所述托件衬垫放置于位于两块皮带导向板之间的抱紧带上。

进一步地，所述辅助支撑机构包括底板、支撑座和芯轴；所述支撑座位于两块皮带导向板之间，且与底板固定连接；所述芯轴一端固定在支撑座上，所述芯轴与皮带导向板平行。

进一步地，所述压力传感器与计算机信号连接。

本发明还提供了一种采用薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置的焊缝挤压力控制方法，包括以下步骤：

S1，将待焊的工件套在芯轴上；

S2，启动双侧的第二伺服电机，使得两个第二伺服电机的电机轴同时由外向内转动，实现动力连杆机构带动横向进给机构同时向芯轴运动，当运动到工件圆周抱紧轨迹上时，关闭第二伺服电机；

S3，启动双侧的第一伺服电机，使得两个第一伺服电机的电机轴同时由内向外转动，进而带动两侧的皮带动力轴同时由内向外旋转运动，抱紧带沿着左右皮带导向板向外侧滑动并缠绕在两侧的皮带动力轴上，工件被逐渐抱紧并获得圆周径向压力；随着抱紧带两端不断地被缠绕在皮带动力轴上，抱紧带被拉紧，抱紧力不断增加；作用在压力传感器上的反作用力也在不断增加；

S4，启动计算机中的焊缝挤压力测试程序，当被测压力值大于额定压力值时，双侧的第一伺服电机的电机轴同时由外向内旋转，双侧的皮带动力轴相向运动，抱紧带变松，焊缝挤压力降低；当被测压力值小于额定压力值时，双侧的第一伺服电机的电机轴同时由内向外旋转，双侧的皮带动力轴反向运动，抱紧带被拉紧，工件抱紧力增加，焊缝挤压力不断提高直至达到额定压力值后，关闭第一伺服电机；

S5，焊接；

S6，焊接结束后，再启动两侧的第一伺服电机，使得第一伺服电机的电机轴同时由外向内转动，带动两侧的皮带动力轴同时由外向内转动，使得抱紧带松开工件；

S7，取出焊后的工件。

本发明的有益效果是：

1.采用对称结构设计，双侧同步相向进给，同时突破传统刚性夹紧方式，采用复合材料抱紧工件，可以随着产品外形尺寸变化而变化，通过对筒体施加均匀圆周径向抱紧力，解决了接头错边、叠边问题，从而实现薄壁筒体纵缝激光焊接接头在全长度范围内无间隙配合。

2.通过柔性抱紧装置和压力传感器结合，自动调整焊缝两侧挤压力，根据产品对焊缝挤压力不同要求，自动调节，获得最佳等效挤压力，提高焊缝强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图2是本发明的抱紧带与工件关系示意图。

图3是本发明的动力传动机构分解示意图。

图4是本发明的横向传动机构分解示意图。

图5是本发明的柔性圆周抱紧机构分解示意图。

图6是压力传感器安装位置示意图。

图7是本发明焊缝挤压力控制方法的流程图。

图中，1.底板；2.支架；3.固定连接板；4.皮带动力轴；5.轴套；6.运动臂；7.固定轴块 ；8.导向轴 ；9.支撑座；10.第一伺服电机；11.连杆；12.第二伺服电机；13-1.第一连接板；13-2.第二连接板；14.连接座；15.连接销轴；16.摇杆；17.传动销轴；18.动力连接盘；19.动力轴；20.轴承；21.轴承座；22.芯轴；23.托件衬垫；24.皮带导向板；25.压力传感器；26.抱紧带；27.工件。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1。本发明公开了一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，包括动力连杆机构、横向进给机构、柔性圆周抱紧机构和辅助支撑机构；动力连杆机构、横向进给机构和柔性圆周抱紧机构均对称设置。

参照附图3。动力连杆机构包括连杆11、第二伺服电机12、第一连接板13-1、第二连接板13-2、连接座14、连接销轴15、摇杆16、传动销轴17、动力连接盘18、动力轴19、轴承20和轴承座21；第一连接板13-1与第二连接板13-2之间设置有动力轴19，动力轴19一端连接轴承20，轴承20位于轴承座21内，轴承座21固定在第二连接板13-2上；动力轴19的另一端连接第二伺服电机12，第二伺服电机12固定在第一连接板13-1上；动力轴19通过动力连接盘18与摇杆16一端连接，摇杆16的另一端通过传动销轴17与连杆11的一端连接，连杆11的另一端通过连接销轴15与连接座14连接。

参照附图4。横向进给机构包括支架2、固定连接板3、运动臂6、固定轴块7和导向轴8；导向轴8穿过运动臂6的运动槽，通过固定轴块7固定在两个支架2之间；运动臂6底部设置有固定连接板3；支架2固定在底板1上。

参照附图5和附图6。柔性圆周抱紧机构包括第一伺服电机10、皮带动力轴4、轴套5、托件衬垫23、皮带导向板24、压力传感器25和抱紧带26；皮带动力轴4置于运动臂6的轴孔中，皮带动力轴4的一端连接第一伺服电机10，另一端与轴套5连接；第一伺服电机10、轴套5分别固定在运动臂6的两端；皮带导向板24固定在运动臂6顶部，压力传感器25置于皮带导向板的端部；运动臂6中每两道立筋之间设置有抱紧带26，抱紧带26贴合在两块皮带导向板24上表面，抱紧带26的两端分别与双侧的皮带动力轴4固定连接；托件衬垫23放置于位于两块皮带导向板24之间的抱紧带26上。同时，抱紧带26将反作用力施加给压力传感器25，可以时时反馈挤压力信息，对焊缝两侧实施可控的等效挤压力。

参照附图2。辅助支撑机构包括底板1、支撑座9和芯轴22；支撑座9位于两块皮带导向板24之间，且与底板1固定连接；芯轴22一端固定在支撑座9上，呈悬臂状态，用于取、放件的支撑作用。芯轴22与皮带导向板24平行。压力传感器25与计算机信号连接。

为了使工件两侧受力均匀，动力连杆机构、横向进给机构和柔性圆周抱紧机构均采用对称结构设计，实现双侧同步相向进给。

为了实现快速切换产品规格，突破传统刚性夹紧方式，采用复合材料抱紧带抱紧工件，可以随着产品外形尺寸变化而变化，满足不同规格产品使用，提高生产效率，降低工装费用，同时非金属与工件表面接触，不会对工件外观产生划痕或压痕。

对了保证筒体全长度范围内焊接接头无间隙配合，通过多条抱紧带双向同时进给，对筒体施加圆周均匀径向抱紧力。

本发明装置的工作原理如下：

将待焊工件放置在芯轴22上，启动双侧的第二伺服电机12，使得两个第二伺服电机12的电机轴同时由外向内转动，实现动力连杆机构带动横向进给机构同时向芯轴22运动，动力连杆机构带动横向进给机构同时向中间运动到设定位置（即工件圆周抱紧轨迹上），关闭第二伺服电机12。启动双侧第一伺服电机10，使得两个第一伺服电机10的电机轴同时由内向外转动，进而带动两侧的皮带动力轴4同时由内向外旋转运动，抱紧带26沿着左右皮带导向板24向外滑动并缠绕在两侧皮带动力轴4上，工件27被逐渐抱紧并获得圆周径向压力；随着抱紧带26两端不断地被缠绕在皮带动力轴4上，抱紧力不断增加，同时作用在压力传感器上的反作用力也在不断增加。

参照附图7。启动计算机中的焊缝挤压力测试程序，通过压力传感器25测得抱紧带26两侧反压力值，由于该反压力值与焊缝两侧挤压力值相等，所以当被测压力值（即焊缝两侧挤压力值）大于额定压力值时，通过第一伺服电机控制器控制双侧的第一伺服电机10的电机轴同时由外向内旋转，双侧的皮带动力轴4相向运动，抱紧带26松开，焊缝挤压力降低；当被测压力值小于额定压力值时，通过第一伺服电机控制器控制双侧的第一伺服电机10的电机轴同时由内向外旋转，双侧的皮带动力轴4反向运动，抱紧带26被拉紧，工件27抱紧力增加，焊缝挤压力不断提高直至达到额定压力值后第一伺服电机10停止工作，设备开始焊接，焊接后，再启动两侧的第一伺服电机10，使得第一伺服电机10的电机轴同时由外向内转动，带动两侧的皮带动力轴4同时由外向内转动，使得抱紧带26松开工件27。

本发明还公开了一种采用上述柔性抱紧装置的焊缝等效挤压力控制方法，包括以下步骤：

S1，将待焊的工件27套在芯轴22上；

S2，启动双侧的第二伺服电机12，使得两个第二伺服电机12的电机轴同时由外向内转动，实现动力连杆机构带动横向进给机构同时向芯轴22运动，当运动到工件27圆周抱紧轨迹上时，关闭第二伺服电机12；

S3，启动双侧的第一伺服电机10，使得两个第一伺服电机10的电机轴同时由内向外转动，进而带动两侧的皮带动力轴4同时由内向外旋转运动，抱紧带26沿着左右皮带导向板24向外侧滑动并缠绕在两侧的皮带动力轴4上，工件27被逐渐抱紧并获得圆周径向压力；随着抱紧带26两端不断地被缠绕在皮带动力轴上，抱紧带26被拉紧，抱紧力不断增加；作用在压力传感器25上的反作用力也在不断增加；

S4，启动计算机中的焊缝挤压力测试程序，当被测压力值大于额定压力值时，双侧的第一伺服电机10的电机轴同时由外向内旋转，双侧的皮带动力轴4相向运动，抱紧带26变松，焊缝挤压力降低；当被测压力值小于额定压力值时，双侧的第一伺服电机10的电机轴同时由内向外旋转，双侧的皮带动力轴4反向运动，抱紧带26被拉紧，工件27抱紧力增加，焊缝挤压力不断提高直至达到额定压力值后，关闭第一伺服电机10；

S5，焊接；

S6，焊接结束后，再启动两侧的第一伺服电机10，使得第一伺服电机10的电机轴同时由外向内转动，带动两侧的皮带动力轴4同时由外向内转动，使得抱紧带26松开工件27；

S7，取出焊后的工件27。

通过有效控制焊缝两侧挤压力大小，使焊缝两侧获得最佳等效挤压力，解决焊缝错边、未焊透、焊道高、焊缝收缩槽等焊缝质量缺陷，提高焊接强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，其特征在于，包括动力连杆机构、横向进给机构、柔性圆周抱紧机构和辅助支撑机构，所述动力连杆机构、横向进给机构和柔性圆周抱紧机构均对称设置；所述动力连杆机构包括连杆（11）、第二伺服电机（12）、第一连接板（13-1）、第二连接板（13-2）、连接座（14）、连接销轴（15）、摇杆（16）、传动销轴（17）、动力连接盘（18）、动力轴（19）、轴承（20）和轴承座（21）；所述第一连接板（13-1）与第二连接板（13-2）之间设置有动力轴（19），所述动力轴（19）一端连接轴承（20），所述轴承（20）位于轴承座（21）内，所述轴承座（21）固定在第二连接板（13-2）上；所述动力轴（19）的另一端连接第二伺服电机（12），所述第二伺服电机（12）固定在第一连接板（13-1）上；所述动力轴（19）通过动力连接盘（18）与摇杆（16）一端连接，所述摇杆（16）的另一端通过传动销轴（17）与连杆（11）的一端连接，所述连杆（11）的另一端通过连接销轴（15）与连接座（14）连接。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，其特征在于，所述横向进给机构包括支架（2）、固定连接板（3）、运动臂（6）、固定轴块（7）和导向轴（8）；所述导向轴（8）穿过运动臂（6）的运动槽，通过固定轴块（7）固定在两个支架（2）之间；所述运动臂（6）底部设置有固定连接板（3）；所述支架（2）固定在底板（1）上。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，其特征在于，所述柔性圆周抱紧机构包括第一伺服电机（10）、皮带动力轴（4）、轴套（5）、托件衬垫（23）、皮带导向板（24）、压力传感器（25）和抱紧带（26）；所述皮带动力轴（4）置于运动臂（6）的轴孔中，皮带动力轴（4）的一端连接第一伺服电机（10），另一端与轴套（5）连接；所述第一伺服电机（10）、轴套（5）分别固定在运动臂（6）的两端；所述皮带导向板（24）固定在运动臂（6）顶部，所述压力传感器（25）置于皮带导向板的端部；所述运动臂（6）中每两道立筋之间设置有抱紧带（26），所述抱紧带（26）贴合在两块皮带导向板（24）上表面，抱紧带（26）的两端分别与双侧的皮带动力轴（4）固定连接；所述托件衬垫（23）放置于位于两块皮带导向板（24）之间的抱紧带（26）上。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，其特征在于，所述辅助支撑机构包括底板（1）、支撑座（9）和芯轴（22）；所述支撑座（9）位于两块皮带导向板（24）之间，且与底板（1）固定连接；所述芯轴（22）一端固定在支撑座（9）上，所述芯轴（22）与皮带导向板（24）平行。

5.根据权利要求3所述的一种薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置，其特征在于，所述压力传感器（25）与计算机信号连接。

6.一种如1-5任一项所述的薄壁筒体纵缝激光焊柔性抱紧装置的焊缝挤压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将待焊的工件（27）套在芯轴（22）上；

S2，启动双侧的第二伺服电机（12），使得两个第二伺服电机（12）的电机轴同时由外向内转动，实现动力连杆机构带动横向进给机构同时向芯轴（22）运动，当运动到工件（27）圆周抱紧轨迹上时，关闭第二伺服电机（12）；

S3，启动双侧的第一伺服电机（10），使得两个第一伺服电机（10）的电机轴同时由内向外转动，进而带动两侧的皮带动力轴（4）同时由内向外旋转运动，抱紧带（26）沿着左右皮带导向板（24）向外侧滑动并缠绕在两侧的皮带动力轴（4）上，工件（27）被逐渐抱紧并获得圆周径向压力；随着抱紧带（26）两端不断地被缠绕在皮带动力轴上，抱紧带（26）被拉紧，抱紧力不断增加；作用在压力传感器（25）上的反作用力也在不断增加；

S4，启动计算机中的焊缝挤压力测试程序，当被测压力值大于额定压力值时，双侧的第一伺服电机（10）的电机轴同时由外向内旋转，双侧的皮带动力轴（4）相向运动，抱紧带（26）变松，焊缝挤压力降低；当被测压力值小于额定压力值时，双侧的第一伺服电机（10）的电机轴同时由内向外旋转，双侧的皮带动力轴（4）反向运动，抱紧带（26）被拉紧，工件（27）抱紧力增加，焊缝挤压力不断提高直至达到额定压力值后，关闭第一伺服电机（10）；

S5，焊接；

S6，焊接结束后，再启动两侧的第一伺服电机（10），使得第一伺服电机（10）的电机轴同时由外向内转动，带动两侧的皮带动力轴（4）同时由外向内转动，使得抱紧带（26）松开工件（27）；

S7，取出焊后的工件（27）。

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