CN110966963A - 惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置及其检测方法 - Google Patents

惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置及其检测方法 Download PDF

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周军
李运雷
张春波
张永强
乌彦全
梁武
林跃
李睿
秦峰
赵玉珊
潘毅
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Abstract

本发明是一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置及其检测方法，主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4，尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6可在第一伺服电机14的驱动下分别围绕主轴工件和尾座工件旋转，在旋转过程中分别测量出主轴工件上的不同角度三个点的坐标值和尾座工件上不同角度三个点的坐标值，再分别根据所测主轴工件的三点坐标值计算出主轴工件的圆心坐标值，根据所测尾座工件三点的坐标值计算出尾座工件的圆心坐标值；通过对主轴工件圆心坐标值和尾座工件圆心坐标值的比较，就可以得出主轴工件和尾座工件的同轴度偏差。

Description

惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置及其检测方法。
背景技术
摩擦焊，是指利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的方法，在航空、航天、汽车、船舶、石油化工、工程机械等领域具有广泛的工程应用。由于摩擦焊机精度及刚度、夹具精度及刚度、工件尺寸精度及材料特性等因素的影响，主轴工件和尾座工件装夹到焊机主轴夹具和尾座夹具上，两个工件之间存在一定的同轴度精度偏差。同轴度精度偏差对工件焊后精度具有重要影响，尤其是对焊后同轴度精度要求高的航空、航天零部件，较大的焊前同轴度精度偏差将直接导致产品质量问题。通过对摩擦焊接工件进行焊前同轴度精度检测，对提高摩擦焊接精度并确保工程部件的焊接质量具有决定性意义。
目前，同轴度检测方法多为百分表检测，无专用检测仪装置。百分表检测也会存在一定的误差，而且如果检测大的工件时非常费时费力，不能实现对被焊工件的焊前同轴度精度进行精确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测精度高，工作效率有答复提高的惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置，实现对摩擦焊接主轴工件和尾座工件的焊前同轴度精度检测。本发明采用如下的技术方案：一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置，由主轴工件1，尾座工件2，主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4，尾座第一激光测距仪5，尾座第二激光测距仪6，倾角传感器7，第一传感器安装臂8，第二传感器安装臂9，蜗轮蜗杆传动机构10，第一滑块11，第二滑块12，第三滑块13，第一伺服电机14，第二伺服电机15，第三伺服电机16，第四伺服电机17，第一滚珠丝杠18，第二滚珠丝杠19，第三滚珠丝杠20构成；主轴工件1和尾座工件2由卡盘固定在惯性摩擦焊机床身上，主轴第一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4和倾角传感器7通过机械连接方式安装在第一传感器安装臂8上，尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6通过机械连接方式安装在第二传感器安装臂9上，第一伺服电机14通过蜗轮蜗杆传动机构10与第一传感器安装臂8和第二传感器安装臂9通过机械连接方式安装在第一滑块11上，第一滑块11装配在第一滚珠丝杠18上，第一滚珠丝杠18连接第二伺服电机15输出轴，第二伺服电机15和第一滚珠丝杠18通过机械连接方式安装在第二滑块12上，第二滑块12安装在第二滚珠丝杠19上，第二滚珠丝杠19连接第三伺服电机16输出轴，第二滚珠丝杠19和第三伺服电机16通过机械连接方式安装在第三滑块13上，第三滑块13安装在第三滚珠丝杠20上，第三滚珠丝杠20连接第四伺服电机17输出轴。
本发明提供一种减少人为读取数据的误差和人为操作误差的惯性摩擦焊接同轴度精度检测方法，通过移动第二伺服电机15，第三伺服电机16和第四伺服电机17，使主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4和倾角传感器都能围绕主轴工件1旋转，并使主轴工件处于激光测距传感器的测距范围内，使尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6都能围绕尾座工件2旋转，并使尾座工件处于激光测距传感器的测距范围内，旋转第一伺服电机14，通过主轴第二激光测距仪4和尾座第二激光测距仪6的读数偏差可得出主轴工件和尾座工件的端跳偏差，调整主轴工件1和尾座工件2，使它们焊接面平行，再旋转第一伺服电机14，通过判断倾斜角度传感器7的数值，使主轴第一激光测距仪3以竖直方向照射主轴工件，此时以主轴第一激光测距仪3的旋转轨迹的圆心为原点，以竖直方向为Y轴，以水平方向为X轴建立直角坐标系，然后旋转第一伺服电机14，分别记录90°测量点A11的数值n11、210°测量点B11的数值n12和330°测量点C11的数值n13，再旋转第一伺服电机14找出主轴第一激光测距仪3的最大值L1并记录数据，再将主轴第一激光测距仪3旋转180°并记录最小测量值L2，因为当主轴第一激光测距仪3的读数最大时其激光束必定通过主轴工件的圆心，所以最大测量值L1加上最小测量值L2再加上主轴工件的直径r，r的数值已知，所得的值就是主轴第一激光测距仪3运动轨迹的直径，因此主轴第一激光测距仪3运动轨迹的半径R＝(L1+L2+r)/2，可得三点的坐标为：A11(0，R-n11)，B11[-(R-n12)COS210°，(R-n12)sin210°],C11[-(R-n13))COS330°，-(R-n13)sin330°]，由几何知识可知，已知不在同一直线上的三点可确定一个圆，假设由以上测得的三点A11、B11和C11所确定的主轴圆心坐标为O1(X1,Y1),同理所确定的尾座圆心坐标为O2(X2,Y2)，则主轴与尾座在X轴方向的偏差为(X1-X2)，主轴与尾座在Y轴方向的偏差为(Y1-Y2)。
本发明装置工作原理：
一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置，由主轴工件1，尾座工件2，主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4，尾座第一激光测距仪5，尾座第二激光测距仪6，倾角传感器7，第一传感器安装臂8，第二传感器安装臂9，蜗轮蜗杆传动机构10，第一滑块11，第二滑块12，第三滑块13，第一伺服电机14，第二伺服电机15，第三伺服电机16，第四伺服电机17，第一滚珠丝杠18，第二滚珠丝杠19，第三滚珠丝杠20构成；主轴工件1和尾座工件2由卡盘固定在惯性摩擦焊机床身上，主轴第一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4和倾角传感器7通过机械连接方式安装在第一传感器安装臂8上，尾座第一激光测距仪5、尾座第二激光测距仪6通过机械连接方式安装在第二传感器安装臂9上，第一伺服电机14通过蜗轮蜗杆传动机构10与第一传感器安装臂8和第二传感器安装臂9通过机械连接方式安装在第一滑块11上，第一滑块11装配在第一滚珠丝杠18上，第一滚珠丝杠18连接第二伺服电机15输出轴，第二伺服电机15和第一滚珠丝杠18通过机械连接方式安装在第二滑块12上，第二滑块12安装在第二滚珠丝杠19上，第二滚珠丝杠19连接第三伺服电机16输出轴，第二滚珠丝杠19和第三伺服电机16通过机械连接方式安装在第三滑块13上，第三滑块13安装在第三滚珠丝杠20上，第三滚珠丝杠20连接第四伺服电机17输出轴。
本发明装置技术效果：
采用上述装置方案，可对惯性摩擦焊提供主轴工件和尾座工件同轴度精度进行检测。现在常用的测量主轴工件和尾座工件同轴度的方法是：通过在主轴卡盘上固定一块百分表，百分表表头打在尾座工件上，通过在人工旋转主轴的同时，分别多次读取打在尾座工件上百分表的数值，来进行判断偏差尺寸，由于人工读取百分表数值存在一定的误差，所以多点测量后误差会更大，而且由于主轴惯性很大，人工转动主轴也很费力费时。
本发明通过三个直线运动伺服电机和一个旋转伺服电机带动两个激光测距仪，对主轴工件和尾座工件进行非接触测量，只需让主轴激光测距传感器和尾座激光测距传感器分别围绕主轴工件和尾座工件旋转即可确定主轴工件和尾座工件的圆心坐标，从而得出主轴工件和尾座工件的偏差值。
本发明方法工作原理：
一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测方法，通过移动第二伺服电机15，第三伺服电机16和第四伺服电机17，使主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4和倾角传感器都能围绕主轴工件1旋转，并使主轴工件处于激光测距传感器的测距范围内，使尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6都能围绕尾座工件2旋转，并使尾座工件处于激光测距传感器的测距范围内，旋转第一伺服电机14，通过主轴第二激光测距仪4和尾座第二激光测距仪6的读数偏差可得出主轴工件和尾座工件的端跳偏差，调整主轴工件1和尾座工件2，使它们焊接面平行，再旋转第一伺服电机14，通过判断倾斜角度传感器7的数值，使主轴第一激光测距仪3以竖直方向照射主轴工件，此时以主轴第一激光测距仪3的旋转轨迹的圆心为原点，以竖直方向为Y轴，以水平方向为X轴建立直角坐标系，然后旋转第一伺服电机14，分别记录90°测量点A11的数值n11、210°测量点B11的数值n12和330°测量点C11的数值n13，再旋转第一伺服电机14找出主轴第一激光测距仪3的最大值L1并记录数据，再将主轴第一激光测距仪3旋转180°并记录最小测量值L2，因为当主轴第一激光测距仪3的读数最大或最小时其激光束必定通过主轴工件的圆心，所以最大测量值L1加上最小测量值L2再加上主轴工件的直径r，r的数值已知，所得的值就是主轴第一激光测距仪3运动轨迹的直径，因此主轴第一激光测距仪3运动轨迹的半径R＝(L1+L2+r)/2，可得三点的坐标为：A11(0，R-n11)，B11[(R-n12)COS210°，-(R-n12)sin210°],C11[-(R-n13))COS330°，-(R-n13)sin330°]，由几何知识可知，已知不在同一直线上的三点可确定一个圆，假设由以上测得的三点A11、B11和C11所确定的主轴圆心坐标为O1(X1,Y1),同理所确定的尾座圆心坐标为O2(X2,Y2)，则主轴与尾座在X轴方向的偏差为(X1-X2)，主轴与尾座在Y轴方向的偏差为(Y1-Y2)。
本发明方法技术效果：
由于数值是由伺服电机旋转角度和激光测距仪测量并由计算机读出，并且结果是由计算机自动计算出，所以减少了人为读取数据的误差和人为操作误差，可提高了测量精度；而且在整个操作过程中无需人工转动主轴，只需操作伺服电机运动即可，大大减少了劳动强度，同时也节省了测量时间。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为本发明的结构俯视图
图3计算圆心的测量原理图
图4主轴工件右视图
图5尾座工件右视图
具体实施方式：
如图1所示，一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置，由主轴工件1，尾座工件2，主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4，尾座第一激光测距仪5，尾座第二激光测距仪6，倾角传感器7，第一传感器安装臂8，第二传感器安装臂9，蜗轮蜗杆传动机构10，第一滑块11，第二滑块12，第三滑块13，第一伺服电机14，第二伺服电机15，第三伺服电机16，第四伺服电机17，第一滚珠丝杠18，第二滚珠丝杠19，第三滚珠丝杠20构成；主轴工件1和尾座工件2由卡盘固定在惯性摩擦焊机床身上，主轴第一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4和倾角传感器7通过机械连接方式安装在第一传感器安装臂8上，尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6通过机械连接方式安装在第二传感器安装臂9上，一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4、倾角传感器7、尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6可在第一伺服电机14的驱动下分别围绕主轴工件和尾座工件进行旋转测量，第一伺服电机14通过蜗轮蜗杆传动机构10与第一传感器安装臂8和第二传感器安装臂9通过机械连接方式安装在第一滑块11上，第一滑块11装配在第一滚珠丝杠18上，第一滚珠丝杠18连接第二伺服电机15输出轴，第二伺服电机15和第一滚珠丝杠18通过机械连接方式安装在第二滑块12上，第二滑块12安装在第二滚珠丝杠19上，第二滚珠丝杠19连接第三伺服电机16输出轴，第二滚珠丝杠19和第三伺服电机16通过机械连接方式安装在第三滑块13上，第三滑块13安装在第三滚珠丝杠20上，第三滚珠丝杠20连接第四伺服电机17输出轴，激光测量传感器可在第二伺服电机15、第三伺服电机16和第四伺服电机17的驱动下在空间水平方向和竖直方向移动。
2、图2为本发明的结构俯视图。
由主轴工件1，尾座工件2，主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4，尾座第一激光测距仪5，尾座第二激光测距仪6，倾角传感器7，第一传感器安装臂8，第二传感器安装臂9，蜗轮蜗杆传动机构10，第一滑块11，第二滑块12，第三滑块13，第一伺服电机14，第二伺服电机15，第三伺服电机16，第四伺服电机17，第一滚珠丝杠18，第二滚珠丝杠19，第三滚珠丝杠20构成；主轴工件1和尾座工件2由卡盘固定在惯性摩擦焊机床身上，主轴第一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4和倾角传感器7通过机械连接方式安装在第一传感器安装臂8上，尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6通过机械连接方式安装在第二传感器安装臂9上，一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4、倾角传感器7、尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6可在第一伺服电机14的驱动下分别围绕主轴工件和尾座工件进行旋转测量，第一伺服电机14通过蜗轮蜗杆传动机构10与第一传感器安装臂8和第二传感器安装臂9通过机械连接方式安装在第一滑块11上，第一滑块11装配在第一滚珠丝杠18上，第一滚珠丝杠18连接第二伺服电机15输出轴，第二伺服电机15和第一滚珠丝杠18通过机械连接方式安装在第二滑块12上，第二滑块12安装在第二滚珠丝杠19上，第二滚珠丝杠19连接第三伺服电机16输出轴，第二滚珠丝杠19和第三伺服电机16通过机械连接方式安装在第三滑块13上，第三滑块13安装在第三滚珠丝杠20上，第三滚珠丝杠20连接第四伺服电机17输出轴，激光测量传感器可在第二伺服电机15、第三伺服电机16和第四伺服电机17的驱动下在空间水平方向和竖直方向移动。
3、图3计算圆心的测量原理图。
图中虚线外圆为激光传感器的运动轨迹所形成的圆，实线线内圆为工件的表面圆，R为激光传感器运动轨迹的半径，r1工件的半径，激光传感器在围绕工件进行旋转测量时，分别选取A11、B11和C11三个特征点，三个特征点与X坐标轴的夹角α和β都可由伺服电机读出，根据激光测距仪的测量值、激光测距仪的旋转半径、工件的半径以及A11、B11和C11三个特征点与坐标轴的夹角，可以计算出三个特征点A11、B11和C11在坐标系中的坐标值，再根据三个特征点的坐标值计算出工件的圆心坐标值。
图4主轴工件右视图。
第一激光传感器3和第二激光传感器4在第一传感器安装臂8的带动下围绕主轴工件1进行旋转测量，以计算出主轴工件1的圆心坐标值。
图5尾座工件右视图。
第三激光传感器5和第四激光传感器6在第二传感器安装臂9的带动下围绕尾座工件2进行旋转测量，以计算出尾座工件2的圆心坐标值。
如图4所示，由主轴工件1，尾座工件2，主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4，如图5所示，尾座第一激光测距仪5，尾座第二激光测距仪6，倾角传感器7，第一传感器安装臂8，第二传感器安装臂9，蜗轮蜗杆传动机构10，如图1所示，第一滑块11，第二滑块12，第三滑块13，第一伺服电机14，第二伺服电机15，第三伺服电机16，第四伺服电机17，第一滚珠丝杠18，第二滚珠丝杠19，第三滚珠丝杠20构成；主轴工件1和尾座工件2由卡盘固定在惯性摩擦焊机床身上，主轴第一激光测距仪3、主轴第二激光测距仪4和倾角传感器7通过机械连接方式安装在第一传感器安装臂8上，尾座第一激光测距仪5、尾座第二激光测距仪6通过机械连接方式安装在第二传感器安装臂9上，如图2所示，第一伺服电机14通过蜗轮蜗杆传动机构10与第一传感器安装臂8和第二传感器安装臂9通过机械连接方式安装在第一滑块11上，第一滑块11装配在第一滚珠丝杠18上，第一滚珠丝杠18连接第二伺服电机15输出轴，第二伺服电机15和第一滚珠丝杠18通过机械连接方式安装在第二滑块12上，第二滑块12安装在第二滚珠丝杠19上，第二滚珠丝杠19连接第三伺服电机16输出轴，第二滚珠丝杠19和第三伺服电机16通过机械连接方式安装在第三滑块13上，第三滑块13安装在第三滚珠丝杠20上，第三滚珠丝杠20连接第四伺服电机17输出轴。
通过移动第二伺服电机15，第三伺服电机16和第四伺服电机17，使主轴第一激光测距仪3，主轴第二激光测距仪4和倾角传感器都能围绕主轴工件1旋转，并使主轴工件处于激光测距传感器的测距范围内，使尾座第一激光测距仪5和尾座第二激光测距仪6都能围绕尾座工件2旋转，并使尾座工件处于激光测距传感器的测距范围内，旋转第一伺服电机14，通过主轴第二激光测距仪4和尾座第二激光测距仪6的读数偏差可得出主轴工件和尾座工件的端跳偏差，调整主轴工件1和尾座工件2，使它们焊接面平行，再旋转第一伺服电机14，通过判断倾斜角度传感器7的数值，使主轴第一激光测距仪3以竖直方向照射主轴工件，此时以主轴第一激光测距仪3的旋转轨迹的圆心为原点，如图3所示，以竖直方向为Y轴，以水平方向为X轴建立直角坐标系，然后旋转第一伺服电机14，分别记录90°测量点A11的数值n11、210°测量点B11的数值n12和330°测量点C11的数值n13，再旋转第一伺服电机14找出主轴第一激光测距仪3的最大值L1并记录数据，再将主轴第一激光测距仪3旋转180°并记录最小测量值L2，因为当主轴第一激光测距仪3的读数最大或最小时其激光束必定通过主轴工件的圆心，所以最大测量值L1加上最小测量值L2再加上主轴工件的直径r，r的数值已知，所得的值就是主轴第一激光测距仪3运动轨迹的直径，因此主轴第一激光测距仪3运动轨迹的半径R＝(L1+L2+r)/2，可得三点的坐标为：A11(0，R-n11)，B11[(R-n12)COS210°，-(R-n12)sin210°],C11[-(R-n13))COS330°，-(R-n13)sin330°]，由几何知识可知，已知不在同一直线上的三点可确定一个圆，假设由以上测得的三点A11、B11和C11所确定的主轴圆心坐标为O1(X1,Y1),同理所确定的尾座圆心坐标为O2(X2,Y2)，则主轴与尾座在X轴方向的偏差为(X1-X2)，主轴与尾座在Y轴方向的偏差为(Y1-Y2)。

Claims (2)

1.一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测装置，其特征是：由主轴工件(1)，尾座工件(2)，主轴第一激光测距仪(3)，主轴第二激光测距仪(4)，尾座第一激光测距仪(5)，尾座第二激光测距仪(6)，倾角传感器(7)，第一传感器安装臂(8)，第二传感器安装臂(9)，蜗轮蜗杆传动机构(10)，第一滑块(11)，第二滑块(12)，第三滑块(13)，第一伺服电机(14)，第二伺服电机(15)，第三伺服电机(16)，第四伺服电机(17)，第一滚珠丝杠(18)，第二滚珠丝杠(19)，第三滚珠丝杠(20)构成；主轴工件(1)和尾座工件(2)由卡盘固定在惯性摩擦焊机床身上，主轴第一激光测距仪(3)、主轴第二激光测距仪(4)和倾角传感器(7)通过机械连接方式安装在第一传感器安装臂(8)上，尾座第一激光测距仪(5)和尾座第二激光测距仪(6)通过机械连接方式安装在第二传感器安装臂(9)上，第一伺服电机(14)通过蜗轮蜗杆传动机构(10)与第一传感器安装臂(8)和第二传感器安装臂(9)通过机械连接方式安装在第一滑块(11)上，第一滑块(11)装配在第一滚珠丝杠(18)上，第一滚珠丝杠(18)连接第二伺服电机(15)输出轴，第二伺服电机(15)和第一滚珠丝杠(18)通过机械连接方式安装在第二滑块(12)上，第二滑块(12)安装在第二滚珠丝杠(19)上，第二滚珠丝杠(19)连接第三伺服电机(16)输出轴，第二滚珠丝杠(19)和第三伺服电机(16)通过机械连接方式安装在第三滑块(13)上，第三滑块(13)安装在第三滚珠丝杠(20)上，第三滚珠丝杠(20)连接第四伺服电机(17)输出轴。
2.一种惯性摩擦焊接同轴度精度检测方法，其特征是：通过移动第二伺服电机(15)，第三伺服电机(16)和第四伺服电机(17)，使主轴第一激光测距仪(3)，主轴第二激光测距仪(4)和倾角传感器都能围绕主轴工件(1)旋转，并使主轴工件处于激光测距传感器的测距范围内，使尾座第一激光测距仪(5)和尾座第二激光测距仪(6)都能围绕尾座工件(2)旋转，并使尾座工件处于激光测距传感器的测距范围内，旋转第一伺服电机(14)，通过主轴第二激光测距仪(4)和尾座第二激光测距仪(6)的读数偏差可得出主轴工件和尾座工件的端跳偏差，调整主轴工件(1)和尾座工件(2)，使它们焊接面平行，再旋转第一伺服电机(14)，通过判断倾斜角度传感器(7)的数值，使主轴第一激光测距仪(3)以竖直方向照射主轴工件，此时以主轴第一激光测距仪(3)的旋转轨迹的圆心为原点，以竖直方向为Y轴，以水平方向为X轴建立直角坐标系，然后旋转第一伺服电机(14)，分别记录90°测量点A11的数值n11、210°测量点B11的数值n12和330°测量点C11的数值n13，再旋转第一伺服电机(14)找出主轴第一激光测距仪(3)的最大值L1并记录数据，再将主轴第一激光测距仪(3)旋转180°并记录最小测量值L2，因为当主轴第一激光测距仪(3)的读数最大时其激光束必定通过主轴工件的圆心，所以最大测量值L1加上最小测量值L2再加上主轴工件的直径r，r的数值已知，所得的值就是主轴第一激光测距仪(3)运动轨迹的直径，因此主轴第一激光测距仪(3)运动轨迹的半径R＝(L1+L2+r)/2，可得三点的坐标为：A11(0，R-n11)，B11[-(R-n12)COS210°，(R-n12)sin210°],C11[-(R-n13))COS330°，-(R-n13)sin330°]，由几何知识可知，已知不在同一直线上的三点可确定一个圆，假设由以上测得的三点A11、B11和C11所确定的主轴圆心坐标为O1(X1,Y1),同理所确定的尾座圆心坐标为O2(X2,Y2)，则主轴与尾座在X轴方向的偏差为(X1-X2)，主轴与尾座在Y轴方向的偏差为(Y1-Y2)。
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