CN111185684B - 一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，纵缝焊接设备作为焊接系统中的重要支柱,主要解决薄壁贮箱筒体结构的对接纵缝焊，实现单面焊接双面成形。在此基础上，设计并制造出一套针对航空薄壁铝合金助推壳段的多功能焊接工装设备。以可翻转的平立两焊机床和可旋转的芯轴组件为核心，可以实现多种工件，多种工位以及多种焊接形式的多种自动化焊接。面对对于航空航天的这种大规模生产任务，可以提高焊接质量和效率，降低故障率，在此方面具有极其重要的意义。
Description
技术领域
本发明是一种应用于铝合金薄壁贮箱结构的可翻转助推壳段纵缝焊接设备，属于机械结构设计领域。
背景技术
随着航空工业的发展，铝合金以其低密度、高强度、良好的切削加工性能、优异的力学性能等特点成为制造行业应用越来越多的金属之一。航空航天、汽车行业上采用大量铝合金薄壁结构且焊缝复杂。铝合金薄壁贮箱结构是航空航天领域薄件的代表构件，广泛应用于飞行器、军工武器等方面。纵缝焊接设备作为焊接系统中的重要支柱,主要解决薄壁贮箱筒体结构的对接纵缝焊，实现单面焊接双面成形。助推壳段作为一种的薄壁铝合金结构，在航空航天领域应用量很广，由此决定设计一套针对助推壳段的多功能自动化焊接装备。该设备主要由固定底座、伺服驱动立卧转换装置、气动琴键压紧系统、立柱(横梁)、焊接行走组件、可旋转芯轴、芯轴偏移装置、芯轴气动挂钩、辅助对中装置等组成。可以实现多种自动化焊接的方式，同时也为操作者提供了安全的辅助调节。
发明内容
本发明涉及的一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，能够完成航天产品助推壳段纵缝的焊接任务，实现无缺陷、低应力和小变形的焊接，母材为板厚在2-12mm铝合金，壳段纵缝长度≤2150mm，筒段直径
焊接琴键卡具可实现0—90°的电动翻转，满足水平和竖直两种状态的焊接需求，同时，根据操作需要，卡具翻转可在0—90°之间任意角度停留。芯轴三面布置三组不同规格的垫板，根据焊接需要选择使用，第四面为视觉跟踪滑板，与正对的垫板配合使用。因此，该设备具备了变极性TIG焊、变极性等离子深熔焊和变极性等离子穿孔焊三种焊接方法，可以针对多种焊接工件，实现多种方式的自动化焊接。
本发明采用的技术方案为一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，包括控制操作平台1、焊接操作平台2、上料架车3、芯轴组件4、琴键卡具5、卡具翻转台6、固定底座7、视觉跟踪系统8、辅助焊缝对中装置、芯轴气动锁紧装置10、焊接行走组件11和筒体支撑组件18。
控制操作平台(1)、焊接操作平台(2)、上料架车(3)为一体化结构，焊接操作平台(2)通过地脚螺栓固定于地面。焊接操作平台(2)比控制操作台(1)高，焊接操作平台(2)上安装有可翻转的弧形盖板，弧形盖板与焊接操作平台(2)通过铰接连接；上料架车(3)实现工件卡紧前对齐进行辅助支撑和调整。上料架车(3)的车体上布置五组呈半圆形分布的尼龙托辊；芯轴组件(4)安装在琴键卡具(5)下方，芯轴组件(4)的底部通过电动滑板与卡具翻转台(6)相连接。芯轴组件(4)的本体三面上安装铜制垫板。
琴键卡具(5)两侧安装有三组焊缝辅助对中装置，琴键夹具(5)底部通过螺栓与卡具翻转台(6)相连接；琴键卡具(5)和芯轴组件(4)都装配在卡具翻转台(6)上；卡具翻转台(6)安装在固定底座(7)上；固定底座(7)的底部通过地脚螺栓固定在地面上，与控制操作平台(1)和焊接操作平台(2)形成一个整体。
在VPPA穿孔焊接时，与芯轴组件(4)的铜制垫板正对的一侧安装有视觉跟踪系统(8)，通过程序控制能够伴随焊枪移动且以相同速度行走，用于等离子穿孔焊接的背部成型检测。
在琴键卡具(5)末端安装一个辅助焊缝对中装置，用于拼接焊缝时辅助对中。同时在琴键卡具两侧安装三组手动焊缝辅助对中夹具(16)。焊缝辅助对中装置包括激光发射器(9)和辅助对中夹具(16)。激光发射器(9)通过一个伸出杆固定在芯轴组件(4)顶端；辅助对中夹具(16)是通过T型螺栓紧固在琴键卡具(5)两侧的T型槽中，这样也可以方便调节辅助对中夹具(16)的分布和布局，辅助对中夹具(16)头上装有定位板，用于辅助工件装夹时焊缝对中。
芯轴气动锁紧装置(10)，采用气动抬起螺旋式压紧机构，一端与琴键夹具(5)的侧面铰接，另一端为V字块螺旋压紧。
焊接行走组件(11)底部通过螺栓安装在琴键卡具(5)的上方一侧。焊机行走组件(11)的横梁滑板上安装有焊接专机(14)、焊丝盘(15)、专机控制盒(17)等。滑板行走驱动由伺服电机驱动精密行星减速机，通过滚珠丝杠传动，带动装有焊枪的焊接专机及其控制器运动，直线导轨作为支撑和导向。
焊接工件放置在筒体支撑组件(18)上，筒体支撑组件(18)由Q235的优质管件拼接而成，适用于工件壁厚较厚时，粗略的保持工件呈圆筒形状态。筒体支撑组件(18)两端有长度可调的伸缩杆，根据工件直径变化。同时，两端伸缩杆又可根据工件长度进行距离远近的调整。所有调整均手动操作完成，梯形螺杆保证调整后的各活动杆位置自锁。筒体支撑组件(18)两侧有吊装点，能够与工件整体吊装搬运。筒体支撑组件(18)由运料小车进行运输。
控制操作平台(1)的材质为Q235的碳素结构，由钢板、支撑柱、平台护栏和直梯组成，控制操作平台(1)通过垫脚螺栓和膨胀螺栓固定在地面上，用于放置电气控制系统、焊接控制系统、Miller焊接电源和等离子焊接电源配套设施；焊接操作平台(1)的结构为U型结构，分布在焊接系统周围。
焊接操作平台(2)材质为Q235的碳素结构钢板，焊接操作平台(2)由弧形盖板、支撑架、平台护栏、直梯、斜梯组成。
上料架车(3)进入琴键卡具(5)的正下方时，上料架车(3)两侧导向滚轮与固定底座(7)的导向架实现工件与琴键卡具(5)的对中。
芯轴组件(4)的三面铜制垫板与琴键卡具(5)的配套使用通过手动更换完成。铜制垫板转换需在琴键卡具(5)处于水平状态时进行。
卡具翻转台(6)的翻转动力由伺服电动缸(13)提供，卡具翻转台(6)的行程两端安装限位开关和缓冲垫板，在0—90°范围任意角度停留并自锁。电动伺服缸(13)外部设有防尘护罩(12)。
固定底座(7)由Q235型材拼接而成。
视觉跟踪系统(8)由摄像头、连接板、伺服电机及其减速器组成。
以上为助推壳段可翻转纵缝焊接系统的设备组成。针对大规模的助推壳段纵缝焊接生产任务，该装备无疑与极大的提高了生产质量和生产效率，同时焊接程序都集成到了焊接操作系统中，操作更加智能化、自动化。而且设备具有可翻转功能，可以实现平两焊，以及多种尺寸，不同厚度的焊接试件焊接任务。同时设备翻转的动力元件伺服电动缸(13)可以满足任意角度的停留和自锁，由此对于研究不同角度的焊接工艺质量具有极其重要的作用，可以用做此研究的工作平台。
附图说明
图1为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备整体结构图。
图2为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备翻转机构(直立状态)。
图3为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备的焊接辅助设备示意图。
图4为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备翻转机构(翻转状态)。
图5为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备细节图。
图6为工件筒体支撑组件的安装示意图。
图7为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备操作盒。
图8为用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备操作盒人机界面。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1，控制操作平台(1)，材质为Q235的碳素结构钢板、支撑柱、平台护栏和直梯组成，通过垫脚螺栓和膨胀螺栓固定在地面上，主要用于放置电气控制系统、焊接控制系统、Miller焊接电源和等离子焊接电源等配套设施，同时焊接操作平台(1)的结构为U型结构，分布在焊接系统周围，用于立焊时，焊接过程观察、操作的需要，以及焊接中的准备和辅助工作。
如图1，设备两侧均设计了焊接操作平台(2)。焊接操作平台(2)，材质为Q235的碳素结构钢板、弧形盖板、支撑架、平台护栏、直梯、斜梯组成，通过地脚螺栓固定于地面。相对于控制操作台(1)，焊接操作平台(2)要高出一层，主要用于水平焊接时人工辅助固定工件和焊接过程观察、操作的需要。平台上安装可翻转的弧形盖板，弧形盖板与操作平台是通过铰接连接的。当卡具翻转台(6)进行0—90°翻转操作时，吊装弧形盖板需向外旋转打开避让。在焊接过程中，操作人员可以在上面进行观察和过程调节。
如图1，上料架车主要实现工件卡紧前对齐进行辅助支撑和调整。车体上布置五组尼龙托辊，呈半圆形分布，托辊高度范围可调。小车进入卡具正下方时，两侧导向滚轮与固定底座(7)的导向架可基本实现工件与卡具的对中。目前，设备配置了适应工件直径的调节板，可以根据具体加工的试件的尺寸进行二次配置。
如图2，芯轴组件(4)安装在琴键卡具(5)下方，芯轴底部通过电动滑板与卡具翻转台(6)相连接，可以通过电动滑板实现上下移动，调节与卡具之间的距离。芯轴本体为Q235，本体的三面上安装铜制垫板，可满足三种不同焊接需求。芯轴上三面铜制垫板与琴键卡具的配套使用通过手动更换完成。垫板转换需在卡具系统处于水平状态时进行。先将芯轴末端的气动支撑装置落下，保证支撑芯轴气动锁紧装置(10)的V型块与末端的轴承接触，再将芯轴与电动升降滑板的四条螺栓拆除，手动旋转芯轴更换使用面，最后将芯轴用螺栓重新固定锁紧。为操作安全，芯轴安装螺栓松开后，禁止冲击芯轴或设备主体，避免芯轴坠落。芯轴的电动升降由伺服电机驱动，通过精密行星减速机和丝杠传动，能有效的实现自锁。在升降操作前需将芯轴末端气动支撑装置打开。
如图2，气动琴键压紧系统通过两侧气囊驱动压紧块，在工件全长范围内将焊缝均匀压紧。每个压紧块宽度75mm,压紧块端部装有锆铜指尖，双排压紧，压紧信号可通过操作盒或脚踏开关分别触发。锆铜指尖两端为相同结构，可替换使用，提高利用率。两排琴键的间距可在20-40mm范围内调节。压紧块放松后回弹力由弹簧提供，并且通过调整弹簧预拉伸长度，可调节每个压指的松紧。琴键卡具(5)两侧安装三组焊缝辅助对中装置(16)，用于气动夹紧前对齐焊缝，对中装置的调整可手工操作完成，琴键夹具(5)底部通过螺栓与卡具翻转台(6)相连接。
如图2，琴键卡具(5)和芯轴组件(4)的翻转是为满足工件水平和竖直两种焊接状态的需要，为此琴键卡具和芯轴组件都需要装配在卡具翻转台(6)上。翻转动力由伺服电动缸(13)提供，行程两端安装限位开关和缓冲垫板，同时，翻转可在0—90°范围任意角度停留并自锁。翻转动作开始前，需要检查两侧平台弧板是否打开，电动缸防尘护罩(12)是否拆除，支撑平台上是否有阻碍翻转的异物等。卡具长期处于水平状态放置时，由于电动缸杆完全伸出，需将防尘护罩(12)安装上，避免缸杆上落尘或撞击磨损。
如图2，固定底座(7)为设备支撑的载体，由Q235的优质型材拼接而成，多为三角形拼接，具有足够的刚性和强度。底座通过地脚螺栓固定在地面上，布局上与操作平台形成一个整体。
如图3，在VPPA穿孔焊接时，与垫板正对的一侧安装视觉跟踪系统(8)，主要有摄像头、连接板、伺服电机及其减速器组成。摄像头与电机共同安装在连接板上，通过程序控制可伴随焊枪移动以相同速度行走，驱动由伺服电机和精密行星减速机组成，齿轮齿条传动。用于等离子穿孔焊接的背部成型检测。
如图3，在琴键卡具(5)末端安装一个激光发射器(9)，用于拼接焊缝时辅助对中。同时在琴键卡具两侧安装三组手动焊缝辅助对中夹具(16)。焊缝辅助对中装置是通过T型螺栓紧固在琴键卡具(5)两侧的T型槽中，这样也可以方便调节辅助对中夹具(16)的分布和布局，辅助对中夹具(16)头上装有定位板，用于辅助工件装夹时焊缝对中。
如图4，芯轴气动锁紧装置(10)作为系统翻转的动力元器件，采用气动抬起螺旋式压紧机构，一端与卡具翻转台(6)铰接，另一端为螺旋压紧然后铰接到固定底座(7)上。工件装卸时将芯轴气动锁紧装置抬起，工件全部穿入芯轴后落下，从而将芯轴和机架联结在一起。
如图4，焊接行走组件(11)底部通过螺栓安装在卡具上方一侧。焊接行走组件(11)的横梁滑板上安装焊接专机(14)、焊丝盘(15)、专机控制盒(17)等。滑板行走驱动由伺服电机驱动精密行星减速机，通过滚珠丝杠传动，带动装有焊枪的焊接专机及其控制器运动，直线导轨作为支撑和导向，运动精度高，重复定位精度好，极大提高了焊接质量。
如图5，筒体支撑组件(18)由Q235的优质管件拼接而成，适用于工件壁厚较厚时，粗略的保持工件呈圆筒形状态。支撑架两端有长度可调的伸缩杆，根据工件直径变化。同时，两端伸缩杆又可根据工件长度进行距离远近的调整。所有调整均手动操作完成，梯形螺杆保证调整后的各活动杆位置自锁。支撑架两侧有吊装点，可与工件整体吊装搬运。
如图6，焊机行走组件(11)的横梁滑板上安装有焊接专机(14)、焊丝盘(15)、专机控制盒(17)等。琴键卡具(5)两侧的通过T型槽安装有三组焊缝辅助对中装置(16)，用于气动夹紧前对齐焊缝，对中装置的调整可手工操作完成。
如图7，是助推壳段的可翻转纵缝焊接设备操作盒。它上面涵盖了操作按钮部分以及操作盒的人机界面(图8)。如图8，操作盒人机界面可以对自动焊接过程前的上件准备工作进行操作和设置。
操作按钮部分，“正翻/卡具/反翻”控制卡具翻转台(6)的正反向动作；“上升/芯轴/下降”控制芯轴组件(4)的升降动作；“正行/视觉/反行”控制视觉跟踪系统(8)的正反向动作；“上升/滑板/下降”控制焊枪滑板的升降动作；“正行/机头/反行”控制焊接行走组件(11)的正反向动作；“芯轴落下/托起”控制芯轴气动锁紧装置(10)的拖钩的抬起和落下，其必须在芯轴组件(4)上升到最高位置的情况下操作完成；“左侧压紧”控制左侧琴键(5)压板的压紧与抬起动作；“右侧压紧”控制右侧琴键(5)压板的压紧与抬起动作，压紧动作必须在芯轴组件(4)上升到最高位和芯轴气动锁紧装置(10)的拖钩落下的情况下操作完成；紧急停止，按下后强制终止一切手动动作及自动动作。
操作盒人机界面包括本地电机的位置显示和速度设置，自动焊接前的上件准备工作需要在此画面完成。“照明灯”、“激光灯”均为按钮开关；“左侧已松”、“右侧已松”、“芯轴已落”为状态显示灯；在完成左右两侧压紧动作后，需要加强压力进行“二次压紧”；在芯轴上升到限位，芯轴托钩托起后，由于重力原因，上件一侧位置仍会偏低，此时需要点击“芯轴锁定”将其动作限制解锁，通过“芯轴调平”功能对其补偿，之后再次将芯轴锁定。
焊接开始之前，需要准备焊接工件(16)的装夹工作。如图5，为焊接试件筒体支撑组件(18)的安装示意图。通过适当的手动调节，将焊接工件(20)与筒体支撑组件(18)装配好，要确保焊接工件(16)的焊缝(19)位置尽量处于两侧固定点的中间位置，并保持焊缝(19)位置在最上边，将其放置在上料架车上，进行下一步的上料准备。上料之前，要确保焊接设备处于翻转状态，如图4所示。通过天车将焊接操作平台(2)两侧的吊装弧形盖板需向外旋转打开，然后操作操作盒的“正翻/卡具/反翻”，进行焊接设备的翻转运动，使可翻转纵缝焊接系统处于翻转状态(图4)。翻转运动结束后，将吊装弧形盖板恢复原来位置。此时，旋转“芯轴落下/托起”按钮，落下芯轴气动锁紧装置(10)的拖钩，然后旋转“上升/芯轴/下降”按钮，将芯轴组件(4)降下。接着推动上料架车进入固定底座(7)的导向架位置，同时芯轴穿过焊接工件。确保上料架车到达合适位置后，进行芯轴组件的回升。待芯轴组件到达最高处时，抬起芯轴气动锁紧装置(10)的拖钩，并通过操作盒，进行焊接工件(20)的位置调节以及辅助焊缝对中装置对中调整，位置调整合适后对焊接工件(20)进行气动夹紧，调整上料工作到此结束。
进行平焊纵缝任务时，焊接操作工人可以通过控制操作平台(1)上的焊接控制系统和专机控制盒(17)进行焊接调节，以及开始焊接任务，在此同时焊接操作工人可以在焊接操作平台(2)上观测焊接过程，进行实时调节。焊接任务结束，再根据上料过程，将焊接工件卸下，并将设备复位。
进行立焊纵缝任务时，还需通过天车将焊接操作平台(2)两侧的吊装弧形盖板需向外旋转打开，然后设备操作盒的“正翻/卡具/反翻”，进行焊接设备的翻转运动，使使可翻转纵缝焊接系统处于直立状态(图2)，然后将吊装弧形盖板恢复原位，到此进行焊接开始的准备工作，焊枪的位置调节，以及焊接任务。
Claims (4)
1.一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，其特征在于：控制操作平台（1）、焊接操作平台（2）、上料架车（3）为一体化结构，焊接操作平台（2）通过地脚螺栓固定于地面；焊接操作平台（2）比控制操作平台（1）高，焊接操作平台（2）上安装有可翻转的弧形盖板，弧形盖板与焊接操作平台（2）通过铰接连接；上料架车（3）实现工件卡紧前对齐进行辅助支撑和调整；上料架车（3）的车体上布置五组呈半圆形分布的尼龙托辊；芯轴组件（4）安装在琴键卡具（5）下方，芯轴组件（4）的底部通过电动滑板与卡具翻转台（6）相连接；芯轴组件（4）的本体三面上安装铜制垫板；
琴键卡具（5）两侧安装有三组焊缝辅助对中装置，琴键卡具（5）底部通过螺栓与卡具翻转台（6）相连接；琴键卡具（5）和芯轴组件（4）都装配在卡具翻转台（6）上；卡具翻转台（6）安装在固定底座（7）上；固定底座（7）的底部通过地脚螺栓固定在地面上，与控制操作平台（1）和焊接操作平台（2）形成一个整体；
在VPPA穿孔焊接时，与芯轴组件（4）的铜制垫板正对的一侧安装有视觉跟踪系统（8），通过程序控制能够伴随焊枪移动且以相同速度行走，用于等离子穿孔焊接的背部成型检测；
在琴键卡具（5）末端安装一个辅助焊缝对中装置，用于拼接焊缝时辅助对中；同时在琴键卡具两侧安装三组手动焊缝辅助对中夹具（16）；焊缝辅助对中装置包括激光发射器（9）和辅助对中夹具（16）；激光发射器（9）通过一个伸出杆固定在芯轴组件（4）顶端；辅助对中夹具（16）是通过T型螺栓紧固在琴键卡具（5）两侧的T型槽中，这样方便调节辅助对中夹具（16）的分布和布局，辅助对中夹具（16）头上装有定位板，用于辅助工件装夹时焊缝对中；
芯轴气动锁紧装置（10），采用气动抬起螺旋式压紧机构，一端与琴键卡具（5）的侧面铰接，另一端为V字块螺旋压紧；
焊接行走组件（11）底部通过螺栓安装在琴键卡具（5）的上方一侧；焊接行走组件（11）的横梁滑板上安装有焊接专机（14）、焊丝盘（15）、专机控制盒（17）；滑板行走驱动由伺服电机驱动精密行星减速机，通过滚珠丝杠传动，带动装有焊枪的焊接专机及其控制器运动，直线导轨作为支撑和导向；
焊接工件放置在筒体支撑组件（18）上，筒体支撑组件（18）两端有长度可调的伸缩杆；筒体支撑组件（18）由运料小车进行运输；
筒体支撑组件（18）两侧有吊装点，能够与工件整体吊装搬运；
控制操作平台（1）的材质为Q235的碳素结构，并由钢板、支撑柱、平台护栏和直梯组成，控制操作平台（1）通过垫脚螺栓和膨胀螺栓固定在地面上，用于放置电气控制系统、焊接控制系统、Miller焊接电源和等离子焊接电源配套设施；焊接操作平台（2）的结构为U型结构，分布在焊接系统周围；
焊接操作平台（2）材质为Q235的碳素结构钢板，焊接操作平台（2）由弧形盖板、支撑架、平台护栏、直梯、斜梯组成；
上料架车（3）进入琴键卡具（5）的正下方时，上料架车（3）两侧导向滚轮与固定底座（7）的导向架实现工件与琴键卡具（5）的对中；
芯轴组件（4）的三面铜制垫板与琴键卡具（5）的配套使用通过手动更换完成；铜制垫板转换需在琴键卡具（5）处于水平状态时进行。
2.根据权利要求1所述的一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，其特征在于：卡具翻转台（6）的翻转动力由伺服电动缸（13）提供，卡具翻转台（6）的行程两端安装限位开关和缓冲垫板，在0—90°范围任意角度停留并自锁；伺服电动缸（13）外部设有防尘护罩（12）。
3.根据权利要求1所述的一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，其特征在于：固定底座（7）由Q235型材拼接而成。
4.根据权利要求1所述的一种用于助推壳段的可翻转纵缝焊接设备，其特征在于：视觉跟踪系统（8）由摄像头、连接板、伺服电机及其减速器组成。
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