CN110814510A - 一种搅拌摩擦焊接设备及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搅拌摩擦焊接设备及其焊接方法，尤其适用于汽车的铝或铝合金型材的焊接。包括焊接机器人，焊接机器人包括至少一个机械臂，搅拌工具头，液压马达，液压泵，液压泵通过液压管与液压马达连通，液压马达的输出端与搅拌工具头固定连接，从而使得液压马达可带动搅拌工具头旋转，液压马达的与输出端相对的另一端与至少一个机械臂固定连接。本发明通过外形尺寸较小液压马达替代高速电机，减小了搅拌摩擦焊接设备头驱动装置的外形尺寸，结合本发明的焊接方法，可实现复杂曲面、复杂夹具机构下的焊接可达性。应用于车辆的铝合金型材的焊接，可提升整车外观精细化水平，降低成本，实现汽车车身铝合金薄板三维复杂焊缝搅拌摩擦焊焊接。

Description

一种搅拌摩擦焊接设备及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接设备及其焊接方法，具体而言，涉及铝合金焊接用的搅拌摩擦焊接设备及其焊接方法。

背景技术

目前，轻量化车身是新能源汽车的发展趋势，铝及铝合金结构越来越多的应用在汽车车身上，由于铝的熔点低、热导率高、线膨胀系数高、易氧化等特点，其接头连接工艺存在很大的难度，目前广泛应用的主要有：电阻点焊(板材搭接)、熔化极气体保护焊(MIG焊)、SRP(板材搭接)并辅以搅拌摩擦焊、FDS、TOX等连接工艺。其中，搅拌摩擦焊因焊接变形小、残余应力小、接头力学性能高、安全、环保、无需消耗焊丝等优点，非常适用于铝合金车身的接头连接。

现有搅拌摩擦焊设备主要以大型机床的形式应用于航空、轨道交通、新能源汽车(电池壳体)领域，现有的搅拌摩擦焊设备目前仅有集成高速电机的搅拌工具头，因高速电机的外观尺寸很大，造成在线焊接可达性很差，只能选择性的应用于车身上一些空间无遮挡的接头，很难广泛的推广到车身的各个区域。故需要一种可以减小搅拌摩擦焊接设备外形尺寸的方案，以解决上述问题。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种搅拌摩擦焊接设备，尤其适用于铝或铝合金型材的焊接。本发明通过外形尺寸小的液压马达代替外形尺寸大的高速电机驱动搅拌工具头，解决搅拌工具头在线焊接可达性差的问题。优选地，液压马达驱动搅拌工具头与焊接机器人结合，解决现有搅拌摩擦焊设备加工柔性不足，难以实现汽车车身复杂三维曲线焊缝的焊接的问题。

具体的；一种搅拌摩擦焊接设备，包括焊接机器人，搅拌工具头；其中，焊接机器人包括至少一个机械臂，还包括液压马达，液压管路和液压泵；液压泵通过液压管路与液压马达连通；

液压马达的输出端与搅拌工具头固定连接，从而使得液压马达可带动搅拌工具头旋转；

液压马达的与输出端相对的另一端与至少一个机械臂固定连接。

优选地，焊接机器人还包括底座，至少一个机械臂为多个，底座对多个机械臂提供旋转支承。

优选地，焊接机器人包括多个机械臂和底座，底座对多个机械臂提供旋转支承。

优选地，多个机械臂包括第一臂、第二臂、第三臂，第三臂可旋转的支撑在底座上，第二臂的一端与第三臂可转动连接，第二臂的另一端与第一臂可转动连接。

优选地，液压马达的另一端与本体的第一臂固定连接。

优选地，液压马达的另一端通过切换盘与第一臂固定连接。

优选地，所述搅拌摩擦焊接设备用于铝或铝合金型材的焊接。

优选地，所述铝或铝合金型材用于汽车的车身框架。

优选地，液压马达的尺寸：长度小于或等于332mm,最大直径小于或等于130mm。

优选地，搅拌工具头长度小于或等于85mm，最大直径小于或等于50mm。

另外本发明还提供一种如本发明任一所述的摩擦焊接设备的焊接方法，通过本体控制焊接设备的焊接移动方式，通过液压泵控制搅拌工具头的转速。

优选地，包括如下步骤：将搅拌摩擦焊需求的力位控制参数空间矢量化SA：利用三维力传感器测量搅拌工具头各方向外力，建立搅拌工具头各方向外力和机器人的机械臂空间位置速度关系，将搅拌摩擦焊轨迹空间位置转换为机器人的机械臂空间位置，求解搅拌工具头位置和机器人的机械臂空间速度的关系。

优选地，包括如下步骤：SB：获取机器人的机械臂位置信息，对机械臂位置实际值∣εp∣与机械臂位置设定值∣Δh∣进行比较运算，如果实际值比设定值大，则判定位置超预期，此时进行超值计算，超值计算完成后，执行机械臂回位；

循环执行步骤SB，直至步骤SB中：对机械臂位置实际值∣εp∣与机械臂位置设定值∣Δh∣进行比较运算，如果实际值小于设定值，则终止执行步骤SB。

优选地，还包括如下步骤：SC：比较机械臂所在位置时的搅拌工具头力的实际值εt与设定力值ΔF，如果实际值εt小于理论值ΔF，则对机械臂位置重新调整，直到实际值高于理论值，则定位完成，进入焊接过程。

优选地，比较机械臂所在位置时的搅拌工具头力的实际值εt与设定力值ΔF，如果实际值εt小于理论值ΔF，则进行PID控制，对机械臂位置重新调整。

优选地，还包括如下步骤：SD：通过液压泵控制搅拌工具头的转速，通过调节阀调节液压泵的供油量，从而动态控制液压马达的转速。

优选地，还包括如下步骤：SE：实时检测机器人搅拌工具头阻力,搅拌工具头阻力过大时,加大液压泵工作频率使液压马达工作转速加大,平衡搅拌工具头阻力。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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本发明的搅拌摩擦焊接设备示意图。

图2图1的A处放大示意图。

图3本发明的搅拌摩擦焊接设备工作原理示意图。

图4本发明的搅拌摩擦焊接设备液压流路示意图。

图5本发明的搅拌摩擦焊接设备控制方法示意图。

其中：1-焊接机器人，11-第一臂，12-第二臂，13-第三臂，14-底座，2-液压马达，21-缸体，22-液压管接口，23-液压管路，24-液压泵，25-调节阀，3-搅拌工具头，4-切换盘，5-工件，6-控制器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种结构，但这些结构不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一结构与另一结构。因此，下文论述的第一结构可称为第二结构而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。

下面结合附图1-5对本发明中的具体实施方式的内容进行详细描述：

如图1-3所示，本发明涉及一种(分离式)搅拌摩擦焊接设备，优选地用于铝合金车身焊接，由多轴焊接机器人1(实现多自由度、柔性化作业)、液压马达2、搅拌工具头3等多部件构成。液压马达2高速旋转带动搅拌工具头3高速旋转做主运动，机器人控制搅拌工具头3运动轨迹实现铝合金薄板焊缝的焊接。

如图1所示，示意出了本发明的一种搅拌摩擦焊接设备，包括本体1，搅拌工具头3，还包括液压马达2，液压马达2包括缸体21，液压泵24，液压泵24通过液压管路23与液压马达2连通；

液压马达2的输出端与搅拌工具头3固定连接，从而使得液压马达2可带动搅拌工具头3旋转；

液压马达2的与输出端相对的另一端与焊接机器人1固定连接。

本发明通过控制液压泵24的转速可控制搅拌工具头3的转速。本发明可选用外形尺寸较小的液压马达2。液压马达2的驱动速度可以进行优选。液压马达2转速范围可选的在0～1500转/分钟内无极调速。

本发明的搅拌工具头3的尺寸可以进行优选，尺寸(直径)可选有0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm七种。

搅拌工具头3轴向压紧力范围为0～3KN，其轴向压紧力可以由焊接机器人1提供。

搅拌工具头3材料可采用耐高温、耐磨损、性价比高的马氏不锈钢(工具钢)。

如图2所示，液压马达2上还设有液压管接口22，液压管路23一端与液压管接口22连通，另一端与液压泵24连通。

优选地，焊接机器人1包括多个机械臂和底座14，底座14对多个机械臂提供旋转支承。

优选地，多个机械臂包括第一臂11、第二臂12、第三臂13，第三臂13可旋转的支撑在底座14上，第二臂12的一端与第三臂13可转动连接，第二臂12的另一端与第一臂11可转动连接。

优选地，液压马达2的另一端与本体1的第一臂11固定连接。

本发明的固定连接可以为螺栓，螺钉等固定方式。

优选地，液压马达2的另一端通过切换盘4与第一臂11固定连接。

其中，切换盘起到一个转换的作用，相当于连接盘，用于实现第一臂11与液压马达2之间的固定连接。

优选地，所述搅拌摩擦焊接设备用于铝或铝合金型材的焊接。

优选地，所述铝合金型材用于汽车的车身框架。

优选地，液压马达2的尺寸：长度小于或等于332mm,最大直径小于或等于130mm；搅拌工具头3长度小于或等于85mm，最大直径小于或等于50mm。

如图3所示，示意出了一种如本发明任一所述的摩擦焊接设备的焊接方法，其中示意出了工件5和焊接方向，通过焊接机器人1控制焊接设备的焊接移动方式，通过液压泵24控制搅拌工具头3的转速，进而实现摩擦焊接。

下面对本发明的原理和过程作进一步描述：本发明搅拌工具头3材料主要为W12Cr4V5Co5工具钢，根据工位焊接工况，选择搅拌工具头3基本尺寸及液压马达2外形尺寸。

液压马达2的输出端与搅拌工具头3固定连接，液压马达2的输出端通常为旋转轴，旋转轴为具有多边形外周面的旋转轴或具有多边形槽的旋转轴，搅拌工具头3的与旋转轴的连接处可具有与多边形外周面配合的多边形槽或具有与多边形槽配合的多边形外周面，二者相配合即可。当然也可采用其它轴连接配合如键槽配合等连接方式。

液压马达2的与输出端相对的另一端与焊接机器人1固定连接，连接方式可以采用螺栓、销等固定方式。可选地，液压马达2通过机器人切换盘4连接在焊接机器人1上；切换盘4为中间连接件，切换盘4的一端与焊接机器人1连接，切换盘4的另一端与液压马达2固定连接。固定方式可以采用螺栓、销等常用的固定连接方式。

液压管路23(高压油管)可以是内加钢丝的橡胶管，可用螺栓-螺母连接形式，一头安装在在高速液压马达2的液压管接口22上，穿过机器人管线包(未图示)，另外一头连接在液压泵24的接头上。焊接机器人1固定在车身焊接生产线合适位置，机器人管线包(焊接机器人1配套)安装在焊接机器人1上。液压泵24安装在焊接机器人1的底座14附近。

调速装置通过控制液压泵24的转速，调节液压马达2输出端旋转速度，从而实现对搅拌工具头3旋转速度的调节。

通过在线示教或事先编制的程序，焊接机器人1可控制搅拌工具头3运动轨迹，如通过机器人多个臂的配合和底座14的移动，即可实现搅拌工具头3的移动。

液压马达2、搅拌工具头3外形尺寸、搅拌工具头3材料、搅拌工具头3旋转速度、轴向压力及沿着焊接方向的进给速度可根据实际情况具体设置。

搅拌摩擦焊接设备头(搅拌工具头3)材料可用中碳钢、高碳钢等性能更好的材料替代。高速液压马达2可旋转性能可采用高于1500转/分钟马达，外形尺寸越小焊接可达性越好。

本发明应用的液压马达2外形尺寸：长度小于或等于332mm、最大直径长度小于或等于130mm。搅拌头长长度小于或等于85mm、最大直径长度小于或等于50mm，上述外形尺寸极大地减小了工具端的外形尺寸，几乎可以实现所有车身焊缝焊接可达性。

本发明液压马达2驱动搅拌工具头3与焊接机器人1结合，可实现汽车车身铝合金薄板三维曲线焊缝的搅拌摩擦焊接。

如图4所示，示意出了焊接设备的液压流路示意图，其中，电源：为整个系统提供电能，控制器6：控制机器人1动作、接收焊接过程参数并根据相应算法来提供反馈控制；液压油缸用来储油，定量泵(液压泵24)：用于为液压马达供油，流量调节阀25：平衡油路系统压力，焊接机器人1：控制液压马达2动作，液压马达2：提供搅拌工具头3工作动力；焊接过程中,工件固定在定位夹具上,机器人1控制器在收到工件定位完成后,启动机器人1进入焊接工位,控制器6时刻检测机器人1关节(机械臂)定位及摩擦焊搅拌工具头3阻力,当阻力过大时,控制器6即加大定量泵工作频率,液压马达2工作转速加大,平衡搅拌工具头3阻力。

如图5所示，示意出了本发明的焊接方法，将搅拌摩擦焊需求的力位控制参数空间矢量化，利用三维力传感器测量各方向外力，建立焊接工具头3(机器人末端)力和机械臂(关节)空间速度关系；将搅拌摩擦焊轨迹空间位置转换为关节空间位置，求解机器人1末端位置和关节空间速度的关系，建立基于搅拌摩擦焊的力/位/转速的混合控制系统。

位置控制原理：焊接系统控制器获取机器人关键臂信息，通过系统预设定程序，比较实际值∣εp∣与关节臂设定值∣Δh∣进行比较运算，如果实际值比设定值大，则判定位置超预期，此时进行超过值计算，超值计算完成后，系统执行关节臂回位，并记录存储位置信息，并在此读取关节臂信息和确认。直至系统检测到关节臂实际值∣εp∣小于设定值∣Δh∣值后，执行力控制检测过程。

力控制原理：力求解过程与位置控制原理基本一致，即比较关节臂在位时的力的实际值εt与设定力值ΔF，如果实际值εt小于理论值ΔF，则进行PID控制，关节臂位置重新调整，知道实际值高于理论值，则定位完成，进入焊接过程；焊接过程中，依然进行PID控制。

转速控制原理：焊接控制系统输出指令给调节阀25(溢流功能)调节定量泵的供油量，从而动态控制马达的转速。

本发明通过上述焊接控制方法，可以方便的实现力的控制，调整，实现优良的焊接效果。

本发明液压马达2驱动搅拌工具头3与焊接机器人1结合，具有小型化的特点，结合本发明的控制方法，可实现汽车车身铝合金薄板三维曲线焊缝的搅拌摩擦焊接。

有益效果：

本发明具有至少以下有益效果：

1、通过外形尺寸较小液压马达2替代高速电机，减小了搅拌摩擦焊接设备的驱动装置的外形尺寸，可实现复杂曲面、复杂夹具机构下的焊接可达性。

2、通过提高搅拌摩擦焊焊接可达性，实现车身上重要的部位应用搅拌摩擦焊替代MIG焊/铆接工艺，大大提高焊接接头的力学性能、减小焊接变形、提升整车外观精细化水平。

3、通过广泛应用搅拌摩擦焊，和弧焊相比，产品的制造成本大大降低(无焊丝添加、无保护气体、无水、气消耗)。

4、搅拌摩擦焊接工艺与焊接机器人1结合，实现汽车车身铝合金薄板三维复杂焊缝搅拌摩擦焊焊接。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (15)

1.一种搅拌摩擦焊接设备，包括焊接机器人(1)，搅拌工具头(3)；其中，焊接机器人(1)包括至少一个机械臂，其特征在于：还包括液压马达(2)，液压管路(23)和液压泵(24)；液压泵(24)通过液压管路(23)与液压马达(21)连通；

液压马达(21)的输出端与搅拌工具头(3)固定连接，从而使得液压马达(2)可带动搅拌工具头(3)旋转；

液压马达(21)的与输出端相对的另一端与至少一个机械臂固定连接。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊接设备，其特征在于：焊接机器人(1)还包括底座(14)，至少一个机械臂为多个，底座(14)对多个机械臂提供旋转支承。

3.根据权利要求2所述的摩擦焊接设备，其特征在于：多个机械臂包括第一臂(11)、第二臂(12)、第三臂(13)，第三臂(13)可旋转的支撑在底座(14)上，第二臂(12)的一端与第三臂(13)可转动连接，第二臂(12)的另一端与第一臂(11)可转动连接。

4.根据权利要求3所述的摩擦焊接设备，其特征在于：液压马达(21)的另一端与第一臂(11)固定连接。

5.根据权利要求4所述的摩擦焊接设备，其特征在于：液压马达(21)的另一端通过切换盘(4)与第一臂(11)固定连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的摩擦焊接设备，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接设备用于铝或铝合金型材的焊接。

7.根据权利要求6所述的摩擦焊接设备，其特征在于：所述铝或铝合金型材用于汽车的车身框架。

8.根据权利要求1-5，7任一所述的摩擦焊接设备，其特征在于：液压马达(21)的尺寸：长度小于或等于332mm,最大直径小于或等于130mm。

9.根据权利要求1-5，7任一所述的摩擦焊接设备，其特征在于：搅拌工具头(3)长度小于或等于85mm，最大直径小于或等于50mm。

10.一种如权利要求1-9任一所述的摩擦焊接设备的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：将搅拌摩擦焊需求的力位控制参数空间矢量化SA：利用三维力传感器测量搅拌工具头(3)各方向外力，建立搅拌工具头(3)各方向外力和机器人(1)的机械臂空间位置速度关系，将搅拌摩擦焊轨迹空间位置转换为机器人(1)的机械臂空间位置，求解搅拌工具头(3)位置和机器人(1)的机械臂空间速度的关系。

11.根据权利要求10所述的焊接方法，其特征在于：还包括如下步骤：SB：获取机器人(1)的机械臂位置信息，对机械臂位置实际值∣εp∣与机械臂位置设定值∣Δh∣进行比较运算，如果实际值比设定值大，则判定位置超预期，此时进行超值计算，超值计算完成后，执行机械臂回位；

循环执行步骤SB，直至步骤SB中：对机械臂位置实际值∣εp∣与机械臂位置设定值∣Δh∣进行比较运算，如果实际值小于设定值，则终止执行步骤SB。

12.根据权利要求10，11任一所述的焊接方法，其特征在于：还包括如下步骤：SC：比较机械臂所在位置时的搅拌工具头(3)力的实际值εt与设定力值ΔF，如果实际值εt小于理论值ΔF，则对机械臂位置重新调整，直到实际值高于理论值，则定位完成，进入焊接过程。

13.根据权利要求12所述的焊接方法，其特征在于：比较机械臂所在位置时的搅拌工具头(3)力的实际值εt与设定力值ΔF，如果实际值εt小于理论值ΔF，则进行PID控制，对机械臂位置重新调整。

14.根据权利要求10，11任一所述的焊接方法，其特征在于：还包括如下步骤：SD：通过液压泵(24)控制搅拌工具头(3)的转速，通过调节阀调节液压泵(24)的供油量，从而动态控制液压马达(21)的转速。

15.根据权利要求10，11任一所述的焊接方法，其特征在于：还包括如下步骤：SE：实时检测机器人(1)搅拌工具头(3)阻力,搅拌工具头(3)阻力过大时,加大液压泵(24)工作频率使液压马达(21)工作转速加大,平衡搅拌工具头(3)阻力。

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