CN111014939A - 一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统及方法，一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统，包括控制系统、焊接机器人和支撑机器人，所述焊接机器人上设有点焊头，所述支撑机器人上设有支撑头，所述焊接机器人位于支撑机器人的上方，所述点焊头和支撑头相对，所述控制系统和焊接机器人、支撑机器人分别电性相连。能够进行点对点的法向焊接与支撑，实现焊接力和焊点位置的精准控制。本发明应用于焊接技术领域。

Description

一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统及方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统及方法。
背景技术
在固相点焊领域，搅拌摩擦点焊是基于搅拌摩擦焊技术发展起来的一项新技术，日本Mazda公司于1993年开发搅拌摩擦点焊技术采用固定几何形状的整体式搅拌工具，焊后在点焊接头中心留下匙孔；德国GKSS研究中心于1999年研究开发的回填式搅拌摩擦点焊技术，在焊接过程中通过对搅拌针和压紧套相对运动的精确控制，可以完成材料的回填，实现无匙孔的搅拌摩擦点焊连接。近年来搅拌摩擦点焊逐渐发展成为一种可代替铆接和电阻点焊等的新技术，在航空航天、汽车、造船领域铝合金、镁合金等常用轻质金属的焊接中具有广泛的应用前景。
搅拌摩擦点焊设备通常由点焊头、固定机构、控制系统和支撑机构等组成，一般的支撑机构为固定座或C型支撑结构。搅拌摩擦点焊在焊接过程中，点焊头与背部支撑架分别位于被焊工件的两侧，当焊接大型复杂曲面结构件，如飞机带筋壁板结构以及机身结构时，由于存在固定座结构和空间的限制，C型支撑结构的内腔尺寸较小等问题，很难采用固定座或C型支撑结构进行点对点的法向焊接与支撑，无法实现焊点位置的精准支撑。
发明内容
(一)要解决的技术问题
一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统及方法，能够进行点对点的法向焊接与支撑，实现焊接力和焊点位置的精准控制。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统，包括控制系统、焊接机器人和支撑机器人，所述焊接机器人上设有点焊头，所述支撑机器人上设有支撑头，所述焊接机器人位于支撑机器人的上方，所述点焊头和支撑头相对，所述控制系统和焊接机器人、支撑机器人分别电性相连。
进一步改进的，所述控制系统包括数控系统、伺服驱动电机，所述数控系统伺服驱动电机电性相连，所述伺服驱动电机分别和焊接机器人、支撑机器人电性相连。
进一步改进的，所述点焊头上设有第一驱动主轴、第二驱动主轴和第三驱动主轴，所述第一主轴和搅拌针对应，所述第二主轴和轴肩对应，通过第三主轴控制焊接转速。
本发明还提出了一种上述机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统的焊接方法，其采用的技术方案如下：
一种上述机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统的焊接方法，包括以下步骤：
S1，将待焊工件放置在点焊头和支撑头之间，在控制系统的程序中设定，使点焊头和支撑头同步移动；
S2，通过控制系统控制点焊头移动至待焊工件顶面的待焊接位置，支撑头移动到待焊工件底面，所述点焊头沿待焊工件顶面的法向方向移动，所述支撑头沿待焊工件底面的法向移动，所述点焊头和支撑头关于待焊接零件镜像移动；
S3，所述控制系统控制点焊头对待焊接零件的待焊接位置进行焊接，所述控制系统控制支撑头支撑待焊接零件，所述待焊接零件通过点焊头和支撑头顶紧；
S4，待焊接零件的一个待焊接位置焊接完成后，所述控制系统控制点焊头和支撑头同步远离待焊接零件；
S5，所述控制系统再控制点焊头和支撑头移动至待焊接零件的其他待焊接位置，重复步骤S1至S4，直至待焊接零件被全部焊完。
进一步改进的，步骤S2中，所述点焊头对待焊接零件的压力和支撑头对待焊接零件的支撑力相等。
(三)有益效果
本发明的机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统在焊接复杂曲面结构的待焊接零件时，点焊头和支撑头分别位于待焊接零件的顶部和底部，点焊头和支撑头关于待焊接零件镜像移动，且始终进行点对点的法向焊接与支撑，实现焊接力和焊点位置的精准控制；对复杂曲面结构件的以焊代铆优势明显，在保证焊接质量的同时，实现了智能制造，操作简单，适宜推广；本发明具有较强的扩展功能和可移植性；开展机器人搅拌摩擦点焊工程化应用研究，为大型铝合金零部件先进制造及组件装配奠定技术基础。
附图说明
图1为镜像焊接示意图；
图2为镜像焊接系统控制示意图。
图中：11、点焊头；12、待焊接零件；13、支撑头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1至图2，一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统，包括控制系统、焊接机器人和支撑机器人，所述焊接机器人上设有点焊头11，所述支撑机器人上设有支撑头13，所述焊接机器人位于支撑机器人的上方，所述点焊头11和支撑头13相对，所述控制系统和焊接机器人、支撑机器人分别电性相连。优选的，所述支撑头13上设有加热装置和温度传感器。点焊头11又称搅拌摩擦点焊机头，支撑头13又称焊接背部支撑工具。
本实施例的机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统在焊接复杂曲面结构的待焊接零件12时，点焊头11和支撑头13分别位于待焊接零件12的顶部和底部，点焊头11和支撑头13关于待焊接零件12镜像移动，且始终进行点对点的法向焊接与支撑，实现焊接力和焊点位置的精准控制；对复杂曲面结构件的以焊代铆优势明显，在保证焊接质量的同时，实现了智能制造，操作简单，适宜推广；本实施例具有较强的扩展功能和可移植性；开展机器人搅拌摩擦点焊工程化应用研究，为大型铝合金零部件先进制造及组件装配奠定技术基础。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述控制系统包括数控系统、伺服驱动电机，所述数控系统和伺服驱动电机电性相连，所述伺服驱动电机分别和焊接机器人、支撑机器人电性相连。焊接机器人内设有焊接伺服电机，所述点焊头11和焊接伺服电机传动相连，支撑头13与支撑伺服电机传动相连。数控系统分别控制焊接伺服驱动系统和支撑伺服驱动系统，焊接伺服驱动系统则控制焊接机器人动作和焊接伺服电机的动作，支撑伺服驱动系统则控制支撑机器人动作和支撑伺服电机的动作，且保证焊接伺服电机和支撑伺服电机同步作业。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述点焊头11上设有第一驱动主轴、第二驱动主轴和第三驱动主轴，所述第一主轴和搅拌针对应，所述第二主轴和轴肩对应，通过第三主轴控制焊接转速。焊接机器人和支撑机器人均为独立的KUKA机器人，型号为KR1000Titan，最大承载力2400kg，焊接机器人通过支架螺栓连接点焊头11，支撑机器人通过螺栓连接支撑头13；所述的搅拌摩擦点焊机头三个驱动主轴，三个驱动主轴分别为第一主轴、第二主轴和第三主轴，系统需要对搅拌针(V轴)和轴肩(W轴)的往复运动，以及焊接转速(S轴)进行焊接过程精密控制。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述加热装置为电阻加热线圈，所述电阻加热线圈套设在支撑头13上，所述温度传感器设在支撑头13的内部。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述温度传感器为三根热电偶，所述支撑头13表面设有测试孔，所述热电偶与控制系统电性相连，所述热电偶位于测试孔内。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述测试孔的深度为2mm。
一种上述机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统的焊接方法，包括以下步骤：
S1，将待焊工件放置在点焊头11和支撑头13之间，在控制系统的程序中设定，使点焊头11和支撑头13同步移动；
S2，通过控制系统控制点焊头11移动至待焊工件顶面的待焊接位置，支撑头13移动到待焊工件底面，所述点焊头11沿待焊工件顶面的法向方向移动，所述支撑头13沿待焊工件底面的法向移动，所述点焊头11和支撑头13关于待焊接零件12镜像移动；支撑头13到达待焊接零件12的支撑位置后，支撑头13上加热装置开始加热，通过温度传感器测定温度，将待焊接零件12的待焊接面处进行预热；优选的，所述点焊头11对待焊接零件12的压力和支撑头13对待焊接零件12的支撑力相等，能够使焊接效果更好。
S3，所述控制系统控制点焊头11对待焊接零件12的待焊接位置进行焊接，所述控制系统控制支撑头13支撑待焊接零件12，所述待焊接零件12通过点焊头11和支撑头13顶紧，焊接时，通过温度传感器感应焊接处的温度变化；
S4，待焊接零件12的一个待焊接位置焊接完成后，所述控制系统控制点焊头11和支撑头13同步远离待焊接零件12；
S5，所述控制系统再控制点焊头11和支撑头13移动至待焊接零件12的其他待焊接位置，重复步骤S1至S4，直至待焊接零件12被全部焊完。
机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统采用“一焊一顶”方式，与镜像铣削所不同的是，机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统两侧并不需要时时紧贴着待焊接零件12运动。首先程序上设定点焊头11与支撑头13的镜像移动动作，焊接前，通过支撑头13上的加热装置对待焊接零件12的待焊接面处进行预热，减少点焊界面畸变引起的缺陷。当点焊焊接时，启动程序，数控系统传输指令到点焊头11以及支撑头13的驱动电机，即焊接伺服电机和支撑伺服电机。焊接伺服电机带动点焊头11移动至待焊工件2的顶面待焊接面，支撑伺服电机带动支撑头13移动至待焊接零件12的底面，到达指定位置后，焊接机器人和支撑机器人分别通过点焊头11、支撑头13同时接触待焊接零件12，并同时施加压力，焊接机器人执行搅拌摩擦点焊动作，支撑机器人执行焊接支撑动作，在焊接过程中实时通过温度传感器监测待焊接零件12焊接处的温度变化，为判定焊点质量提供过程参数的依据；当点焊结束时，焊接机器人和支撑机器人同时离开零件，执行程序结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统，其特征在于，包括控制系统、焊接机器人和支撑机器人，所述焊接机器人上设有点焊头，所述支撑机器人上设有支撑头，所述焊接机器人位于支撑机器人的上方，所述点焊头和支撑头相对，所述控制系统和焊接机器人、支撑机器人分别电性相连。
2.根据权利要求1所述的机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统，其特征在于，所述控制系统包括数控系统和伺服驱动电机，所述数控系统和伺服驱动电机电性相连，所述伺服驱动电机分别和焊接机器人、支撑机器人电性相连。
3.根据权利要求1所述的机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统，其特征在于，所述点焊头上设有第一驱动主轴、第二驱动主轴和第三驱动主轴，所述第一主轴和搅拌针对应，所述第二主轴和轴肩对应，通过第三主轴控制焊接转速。
4.一种如权利要求1至3任一项所述机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将待焊工件放置在点焊头和支撑头之间，在控制系统的程序中设定，使点焊头和支撑头同步移动；
S2，通过控制系统控制点焊头移动至待焊工件顶面的待焊接位置，支撑头移动到待焊工件底面，所述点焊头沿待焊工件顶面的法向方向移动，所述支撑头沿待焊工件底面的法向移动，所述点焊头和支撑头关于待焊接零件镜像移动；
S3，所述控制系统控制点焊头对待焊接零件的待焊接位置进行焊接，所述控制系统控制支撑头支撑待焊接零件，所述待焊接零件通过点焊头和支撑头顶紧；
S4，待焊接零件的一个待焊接位置焊接完成后，所述控制系统控制点焊头和支撑头同步远离待焊接零件；
S5，所述控制系统再控制点焊头和支撑头移动至待焊接零件的其他待焊接位置，重复步骤S1至S4，直至待焊接零件被全部焊完。
5.根据权利要求4所述的机器人搅拌摩擦点焊镜像焊接系统的焊接方法，其特征在于，步骤S2中，所述点焊头对待焊接零件的压力和支撑头对待焊接零件的支撑力相等。
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