CN110640321A - 一种航天薄壁产品激光焊接设备 - Google Patents

Abstract

一种航天薄壁产品激光焊接设备，包括床身等。主轴箱安装在床身一端端部，夹持工装安装在主轴箱上；尾箱安装在床身上，沿X轴方向移动，与主轴箱配合用于固定待加工零件；Z梁通过YZ过渡模块安装在龙门架的横梁上，床身安装在龙门架的横梁下方，YZ过渡模块沿横梁移动；焊接头调整工装安装在Z梁端部，Z梁通过YZ过渡模块实现竖直方向的升降运动；床身、龙门架、Z梁、YZ过渡模块、主轴箱、尾箱、焊接头调整工装、夹持工装安装在保护外壳内；激光器提供激光用于焊接，除尘系统为保护外壳内腔除尘，冷却系统用于所述焊接设备的冷却，控制系统控制所述焊接设备中各电机的运行。本发明适应于薄壁壳体和外包络尺寸小的蒙皮骨架产品的焊接。

Description

一种航天薄壁产品激光焊接设备

技术领域

本发明涉及航天技术领域的薄壁产品焊接设备，具体是一种航天薄壁产品激光焊接设备。

背景技术

由于发动矢壳体和空气舵尺寸均较薄，焊接要求又较高，现有技术没有适用于上述产品的激光焊接设备，且要求一台设备兼顾上述2类产品的焊接，发动矢目前采用定位工装和电弧焊的方式，由于电弧焊的焊接速度较慢，热输入较大，焊接后的发动矢壳体超差的问题较多，由于高废品率带来的成本也比较高，存在精度低、效率低、成本高的问题。

为了满足发动矢壳体、蒙皮骨架结构空气舵等航天薄壁产品的焊接要求，需要设计航天薄壁产品激光焊接设备，编制好焊接程序后，由系统控制自动对焊接位置进行激光焊接。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种航天薄壁产品激光焊接设备，适应于薄壁壳体和外包络尺寸小的蒙皮骨架产品的焊接，具有适应于不同类型产品，且产品适用范围大、产品焊后尺寸精度高、焊缝质量高的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种航天薄壁产品激光焊接设备，包括床身、龙门架、Z梁、YZ过渡模块、主轴箱、尾箱、焊接头调整工装、夹持工装、防护外壳、激光器、除尘系统、冷却系统、控制系统；主轴箱安装在床身一端端部，夹持工装安装在主轴箱上；尾箱安装在床身上，沿X轴方向移动，与主轴箱配合用于固定待加工零件；Z梁通过YZ过渡模块安装在龙门架的横梁上，床身安装在龙门架的横梁下方，YZ过渡模块沿横梁移动；焊接头调整工装安装在Z梁端部，Z梁通过YZ过渡模块实现竖直方向的升降运动；床身、龙门架、Z梁、YZ过渡模块、主轴箱、尾箱、焊接头调整工装、夹持工装安装在保护外壳内；激光器提供激光用于焊接，除尘系统为保护外壳内腔除尘，冷却系统用于所述焊接设备的冷却，控制系统控制所述焊接设备中各电机的运行。

主轴箱包括：A轴架、B轴架、工作圆台、卡盘、A轴回转装置、B轴回转装置、A轴电机、B轴电机、轴承；A轴回转装置包括齿轮轴及相互啮合的齿轮副，A轴回转装置的输出轴通过一对圆锥滚子轴承安装在A轴架上；工作圆台位于A轴架外侧，安装在A轴回转装置的输出轴一端，卡盘安装在工作圆台上；A轴回转装置的输出轴另一端安装空心型角度编码器；A轴回转装置的输入轴安装A轴电机和减速机；A轴回转装置的输入轴和输出轴之间通过齿轮副实现传动；A轴架为壳体，一侧通过右旋转轴和一对角接触球轴承安装在B轴架一侧的支撑结构上，右旋转轴的端部安装B轴回转装置；A轴架的另一侧通过左旋转轴和一对角接触球轴承安装在B轴架另一侧的支撑结构上，左旋转轴端部安装角度编码器；B轴电机通过减速机安装在B轴回转装置上，驱动A轴架绕旋转轴摆动，实现工作圆台在水平方向和竖直方向上个工位的切换；A轴回转装置的输出轴为中空结构，内部安装橡胶气管，气管用于产品焊接时通保护气体。

所述夹持工装包括：工装座、夹钳、型胎；当主轴箱的卡盘朝上时，夹持工装安装在卡盘上；工装座表面上分布有若干安装孔，用于安装夹钳；型胎安装在工装座上，为可更换件，上表面与待加工零件的型面相同；夹钳根据空气舵形状，安装在工装座的相应位置，通过可活动的支杆压紧固定待加工零件。

床身包括：工作台、导轨、齿条，导轨和齿条安装在工作台表面，导轨为尾箱移动提供导向，导轨方向定义为X轴；齿条与尾箱的齿轮配合传递尾箱移动的驱动力，使得尾箱沿导轨移动。

龙门架包括：底座组、立柱组、横梁组；底座组包括第一底座、第二底座，平行安装在床身的两侧，立柱组包括第一立柱、第二立柱，通过导轨滑块机构分别安装在第一底座和第二底座上；第一底座和第二底座分别通过伺服电机提供驱动力，通过导轨导向，通过齿轮齿条结构传递驱动力，实现第一立柱、第二立柱沿X向双侧同步驱动；横梁组底部两侧分别安装第一立柱、第二立柱，通过电机、丝杆螺母机构、导轨滑块机构带动YZ过渡模块沿Y向移动。

所述YZ过渡模块包括Y向滑块、Y向螺母，Y向滑块与横梁组形成导轨滑块机构，Y向螺母与横梁组形成丝杆螺母机构，提供YZ过渡模块的Y向驱动力；

所述Z梁包括：滑枕、Z向导轨、Z向丝杆、Z轴电机，滑枕安装在Z向导轨上，Z梁安装在YZ过渡模块上，Z向导轨与YZ过渡模块形成导轨滑块机构，Z向丝杆与YZ过渡模块形成丝杆螺母机构，Z轴电机安装在滑枕上，提供Z梁的Z向驱动力。

所述尾箱包括：尾架、伸缩机构、顶针、第三X轴电机、第三X轴减速机、齿轮，尾架通过导轨滑块机构安装在床身的导轨上，第三X轴电机通过第三X轴减速机安装在尾架上，通过齿轮与床身上的齿条传递沿X向的驱动力；伸缩机构安装在尾架上；顶针安装在伸缩机构上，通过转动手轮实现顶针的伸缩；伸缩机构和顶针为中空结构，内部通保护气体。

所述焊接头调整工装包括：激光头、回转装置、激光位移传感器，激光头安装在回转装置的台面上，回转装置安装在Z梁上，激光头通过回转装置实现旋转；激光位移传感器安装在激光头的侧边，实时测量激光头距离产品表面的距离。

所述防护外壳为全封闭结构，前后左右4个方向均安装移动式推拉门，推拉门上均安装防激光有机玻璃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明用于发动矢壳体、蒙皮骨架结构空气舵的焊接工作，通过控制系统对主轴箱、尾箱龙门架、激光器、除尘系统、进行运动和参数控制，调整主轴箱卡盘的位置实现不同产品的焊接，采用自主编制的控制系统对焊接参数进行设置和焊接程序自动执行，可以满足发动矢壳体、蒙皮骨架结构空气舵等航天薄壁产品的焊接要求。

附图说明

图1为本发明装配原理图；

图2为设备布置图；

图3为主轴箱原理图；

图4为尾箱原理图；

图5为龙门架原理图；

图6为焊接头调整工装原理图；

图7为夹持工装结构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：

如图1～图7所示，一种航天薄壁产品激光焊接设备，包括床身2、龙门架5、Z梁4、YZ过渡模块6、主轴箱1、尾箱7、焊接头调整工装3、夹持工装35、防护外壳10、激光器11、除尘系统12、冷却系统9、控制系统8，其中，主轴箱1安装在床身2一端端部，夹持工装安装在主轴箱1上；尾箱7安装在床身2上，沿X轴方向移动，与主轴箱1配合用于固定待加工零件；Z梁4通过YZ过渡模块6安装在龙门架5的横梁上，床身2安装在龙门架5的横梁下方，YZ过渡模块6沿横梁移动；焊接头调整工装3安装在Z梁4端部，Z梁4通过YZ过渡模块6实现竖直方向的升降运动；床身2、龙门架5、Z梁4、YZ过渡模块6、主轴箱1、尾箱7、焊接头调整工装3、夹持工装安装在保护外壳10内；激光器11提供激光用于焊接，除尘系统12为保护外壳10内腔除尘，冷却系统9用于焊接设备的冷却，控制系统8控制焊接设备中各电机的运行。

主轴箱1包括：A轴架14、B轴架13、工作圆台17、卡盘18、A轴回转装置16、B轴回转装置19、A轴电机15、B轴电机20、轴承，卡盘18、工作圆台17安装在A轴回转装置16的输出轴上；A轴回转装置16由齿轮轴及相互啮合的齿轮副组成，A轴回转装置16的输出轴通过一对圆锥滚子轴承安装在A轴架14上，由于成对使用圆锥滚子轴承的特性，保证了A轴回转装置16的输出轴可同时承受轴向力和径向力，A轴回转装置16的输出轴另一端安装空心型角度编码器，确保了输出轴的高精度旋转定位，A轴回转装置16的输出轴为中空结构，内部安装橡胶气管，气管用于产品焊接时通保护气体，保护气体可提高焊缝质量，A轴回转装置输入轴安装A轴电机15和减速机，可通过更换不同减速比的减速机，调节卡盘的最高转速，本实施例中卡盘最高可达1000转/分钟的转速；A轴架14右侧通过右旋转轴、一对角接触球轴承安装在B轴架13上，右旋转轴另一端安装B轴回转装置19；A轴架14左侧通过左旋转轴、一对角接触球轴承安装在B轴架13上，左旋转轴另一端安装角度编码器，角度编码器确保了左旋转轴的高精度旋转定位，即确保了工作圆台17的高精度旋转定位；B轴电机20通过减速机安装在B轴回转装置19上，驱动整个A轴架14沿B轴摆动，实现工作圆台17在水平方向和竖直方向2个工位切换。主轴箱1的A轴通过空心型角度编码器实现高精度定位，B轴通过角度编码器实现高精度定位，A轴具有高转速、高定位精度的特点，B轴具有高扭矩、高定位精度的特点。

夹持工装包括：工装座35、夹钳36、型胎37，夹持工装用于蒙皮骨架产品焊接，当主轴箱1卡盘18朝上时，夹持工装安装在卡盘18上，工装座35表面有阵列密集安装孔，型胎37安装在工装座上，为可更换件，上表面与空气舵型面相同，不同的空气舵更换不同的型胎，夹钳根据空气舵形状，安装在工装座35的相应位置，用于空气舵的蒙皮与骨架压紧固定。

床身2包括：工作台、导轨、齿条，导轨和齿条安装在工作台表面，工作台采用整体铸造方式，导轨为尾箱7移动提供导向，导轨方向定义为X轴，齿条与尾箱7的齿轮25配合传递尾箱7移动的驱动力；

龙门架5包括：底座组、立柱组、横梁组30，底座组包括第一底座27、第二底座28，平行安装在床身2的两侧，第一底座27和第二底座28通过分别通过伺服电机提供驱动力，通过导轨导向，通过齿轮齿条结构传递驱动力，实现对龙门架5沿X向双侧同步驱动，立柱组包括第一立柱29、第二立柱31，通过导轨滑块机构分别安装在第一底座27和第二底座28上，横梁组30安装在立柱组上，通过电机、丝杆螺母机构、导轨滑块机构带动YZ过渡模块6沿Y向移动。

YZ过渡模块6包括Y向滑块、Y向螺母，安装在龙门架5的横梁组30上，Y向滑块与横梁组30形成导轨滑块机构，对YZ过渡模块6提供Y向导向，Y向螺母与横梁组30形成丝杆螺母机构，提供YZ过渡模块6的Y向驱动力；

Z梁4包括：滑枕、Z向导轨、Z向丝杆、Z轴电机，滑枕安装在Z向导轨上，Z梁4安装在YZ过渡模块6上，Z向导轨与YZ过渡模块6形成导轨滑块机构，对Z梁4提供Z向导向，Z向丝杆与YZ过渡模块6形成丝杆螺母机构，Z轴电机安装在滑枕上，提供Z梁4的Z向驱动力；

防护外壳10为全封闭结构，前后左右4个方向均安装移动式推拉门，推拉门上均安装防激光有机玻璃。

尾箱7包括：尾架26、伸缩机构22、顶针21、第三X轴电机23、第三X轴减速机24、齿轮25，尾架26通过导轨滑块机构安装在床身2的导轨上，第三X轴电机23通过第三X轴减速机24安装在尾架26上，通过齿轮25齿条机构传递沿X向的驱动力，伸缩机构22安装在尾架26上，顶针21安装在伸缩机构22上，伸缩机构22和顶针21为中空结构，内部通保护气体。

焊接头调整工装3包括：激光头33、回转装置32、激光位移传感器34，焊接头调整工装3安装在Z梁4上，激光头33安装在回转装置32的台面上，回转装置32安装在Z梁4上，激光头33通过回转装置32实现旋转；激光位移传感器34安装在激光头33的侧边，实时测量激光头33距离产品表面的距离。

发动矢壳体焊接时，主轴箱卡盘18轴线与X轴平行，发动矢壳体1、壳体2、壳体3之间先通过轴孔结构手工装配，然后点焊固定，壳体3右端安装固定工装，然后整体安装在卡盘18的软爪工装上，壳体1左端位于卡盘侧，控制尾箱7移动至距离壳体3的固定工装右侧5mm-10mm处，手动调整伸缩机构22，使顶针21顶在固定工装的中心轴孔处，将发动矢壳体1、壳体2、壳体3、固定工装顶紧，控制龙门架5、Z梁4移动，带动焊接头调整工装3移动至壳体1、壳体2之间的焊缝位置，手动调节焊接头调整工装3的回转装置32，使焊接头33绕Y轴旋转一定角度，通过激光位移传感器34测量激光头33与焊缝的距离，调整激光头33的Z向位置，确保焊缝在激光头焦点处，在控制系统8上编制焊接程序，控制系统8自动执行焊接程序，完成壳体1与壳体2的焊接，采用同样的方法，完成壳体2与壳体3之间的焊接，至此完成整个发动矢的焊接。

蒙皮骨架结构空气舵焊接时，主轴箱卡盘18轴线与Z平行，在卡盘18上安装夹持工装35，将骨架、多个蒙皮手工安装后点焊固定，然后安装在夹持工装35上，手工调整夹钳将空气舵夹紧，控制龙门架5、Z梁移动4，带动焊接头调整工装3移动至空气舵上方，通过激光位移传感器34测量激光头33与焊缝的距离，调整激光头33的Z向位置，确保焊缝在激光头33焦点处，在控制系统8上编制焊接程序，控制系统8自动执行焊接程序，完成空气舵上面多条焊缝的焊接；然后将空气舵翻转180°，采用同样的方法，完成另一面多条焊缝的焊接，至此，完成整个空气舵的焊接。

本实施例具有适应于不同类型产品，且产品适用范围大、产品焊后尺寸精度高、焊缝质量高的优点。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，包括床身(2)、龙门架(5)、Z梁(4)、YZ过渡模块(6)、主轴箱(1)、尾箱(7)、焊接头调整工装(3)、夹持工装、防护外壳(10)、激光器(11)、除尘系统(12)、冷却系统(9)、控制系统(8)；主轴箱(1)安装在床身(2)一端端部，夹持工装安装在主轴箱(1)上；尾箱(7)安装在床身(2)上，沿X轴方向移动，与主轴箱(1)配合用于固定待加工零件；Z梁(4)通过YZ过渡模块(6)安装在龙门架(5)的横梁上，床身(2)安装在龙门架(5)的横梁下方，YZ过渡模块(6)沿横梁移动；焊接头调整工装(3)安装在Z梁(4)端部，Z梁(4)通过YZ过渡模块(6)实现竖直方向的升降运动；床身(2)、龙门架(5)、Z梁(4)、YZ过渡模块(6)、主轴箱(1)、尾箱(7)、焊接头调整工装(3)、夹持工装安装在保护外壳(10)内；激光器(11)提供激光用于焊接，除尘系统(12)为保护外壳(10)内腔除尘，冷却系统(9)用于所述焊接设备的冷却，控制系统(8)控制所述焊接设备中各电机的运行。

2.根据权利要求1所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，主轴箱(1)包括：A轴架(14)、B轴架(13)、工作圆台(17)、卡盘(18)、A轴回转装置(16)、B轴回转装置(19)、A轴电机(15)、B轴电机(20)、轴承；A轴回转装置(16)包括齿轮轴及相互啮合的齿轮副，A轴回转装置(16)的输出轴通过一对圆锥滚子轴承安装在A轴架(14)上；工作圆台(17)位于A轴架(14)外侧，安装在A轴回转装置(16)的输出轴一端，卡盘(18)安装在工作圆台(17)上；A轴回转装置(16)的输出轴另一端安装空心型角度编码器；A轴回转装置(16)的输入轴安装A轴电机(15)和减速机；A轴回转装置(16)的输入轴和输出轴之间通过齿轮副实现传动；A轴架(14)为壳体，一侧通过右旋转轴和一对角接触球轴承安装在B轴架(13)一侧的支撑结构上，右旋转轴的端部安装B轴回转装置(19)；A轴架(14)的另一侧通过左旋转轴和一对角接触球轴承安装在B轴架(13)另一侧的支撑结构上，左旋转轴端部安装角度编码器；B轴电机(20)通过减速机安装在B轴回转装置(19)上，驱动A轴架(14)绕旋转轴摆动，实现工作圆台(17)在水平方向和竖直方向上2个工位的切换；A轴回转装置(16)的输出轴为中空结构，内部安装橡胶气管，气管用于产品焊接时通保护气体。

3.根据权利要求1或2所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，所述夹持工装包括：工装座(35)、夹钳(36)、型胎(37)；当主轴箱(1)的卡盘(18)朝上时，夹持工装安装在卡盘(18)上；工装座(35)表面上分布有若干安装孔，用于安装夹钳(36)；型胎(37)安装在工装座(35)上，为可更换件，上表面与待加工零件的型面相同；夹钳(36)根据空气舵形状，安装在工装座(35)的相应位置，通过可活动的支杆压紧固定待加工零件。

4.根据权利要求3所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，床身(2)包括：工作台、导轨、齿条，导轨和齿条安装在工作台表面，导轨为尾箱(7)移动提供导向，导轨方向定义为X轴；齿条与尾箱(7)的齿轮(25)配合传递尾箱(7)移动的驱动力，使得尾箱(7)沿导轨移动。

5.根据权利要求4所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，龙门架(5)包括：底座组、立柱组、横梁组(30)；底座组包括第一底座(27)、第二底座(28)，平行安装在床身(2)的两侧，立柱组包括第一立柱(29)、第二立柱(31)，通过导轨滑块机构分别安装在第一底座(27)和第二底座(28)上；第一底座(27)和第二底座(28)分别通过伺服电机提供驱动力，通过导轨导向，通过齿轮齿条结构传递驱动力，实现第一立柱(29)、第二立柱(31)沿X向双侧同步驱动；横梁组(30)底部两侧分别安装第一立柱(29)、第二立柱(31)，通过电机、丝杆螺母机构、导轨滑块机构带动YZ过渡模块(6)沿Y向移动。

6.根据权利要求4或5所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，所述YZ过渡模块(6)包括Y向滑块、Y向螺母，Y向滑块与横梁组(30)形成导轨滑块机构，Y向螺母与横梁组(30)形成丝杆螺母机构，提供YZ过渡模块(6)的Y向驱动力。

7.根据权利要求6所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，所述Z梁(4)包括：滑枕、Z向导轨、Z向丝杆、Z轴电机，滑枕安装在Z向导轨上，Z梁(4)安装在YZ过渡模块(6)上，Z向导轨与YZ过渡模块(6)形成导轨滑块机构，Z向丝杆与YZ过渡模块(6)形成丝杆螺母机构，Z轴电机安装在滑枕上，提供Z梁(4)的Z向驱动力。

8.根据权利要求7所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，所述尾箱(7)包括：尾架(26)、伸缩机构(22)、顶针(21)、第三X轴电机(23)、第三X轴减速机(24)、齿轮(25)，尾架(26)通过导轨滑块机构安装在床身(2)的导轨上，第三X轴电机(23)通过第三X轴减速机(24)安装在尾架(26)上，通过齿轮(25)与床身(2)上的齿条传递沿X向的驱动力；伸缩机构(22)安装在尾架(26)上；顶针(21)安装在伸缩机构(22)上，通过转动手轮实现顶针(21)的伸缩；伸缩机构(22)和顶针(21)为中空结构，内部通保护气体。

9.根据权利要求8所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，所述焊接头调整工装(3)包括：激光头(33)、回转装置(32)、激光位移传感器(34)，激光头(33)安装在回转装置(32)的台面上，回转装置(32)安装在Z梁(4)上，激光头(33)通过回转装置(32)实现旋转；激光位移传感器(34)安装在激光头(33)的侧边，实时测量激光头(33)距离产品表面的距离。

10.根据权利要求1所述的一种航天薄壁产品激光焊接设备，其特征在于，所述防护外壳(10)为全封闭结构，前后左右4个方向均安装移动式推拉门，推拉门上均安装防激光有机玻璃。

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