CN111318800A - 一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构 - Google Patents

一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，属于搅拌摩擦焊技术领域。该主机头结构包括中央主轴、传动丝杠、丝母、传动齿轮、进给齿轮、主轴电机、进给电机和机壳；所述中央主轴设于传动丝杠内；主轴电机驱动中央主轴旋转运动，主轴电机与传动丝杠连接；进给电机驱动进给齿轮转动，进给齿轮带动传动齿轮转动，传动齿轮带动丝母转动，丝母带动传动丝杠运动，中央主轴跟随传动丝杠作进给运动。所述机壳上半部分与上壳形成体积可变的补偿空间；所述机壳下半部分、下壳与外壳形成动态密封空间。本发明拥有可变更浮力机构，解决了搅拌摩擦焊接主机头机构在水下的密封问题及由于焊接过程中所产生的反作用力过大造成机械臂负担过重的问题。

Description

一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构。
背景技术
搅拌摩擦焊技术是一种高质量的固相连接技术，可用于同种金属间焊接，也可用于异种金属间焊接因此得到广泛应用。在水中救援时，由于各种板材、物资没有着力点可以抓取，造成无法进行打捞等工作。而搅拌摩擦焊接工艺受限于密封问题、焊接过程中载荷问题和焊接复杂曲面程序问题，难以应用于水中焊接。故目前急需一种可以应用于水中搅拌摩擦焊接的主机头来完成各种复杂曲面或平面的着力点焊接工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，该结构可用于水中搅拌摩擦焊接，解决水中焊接复杂曲面的密封、载荷和控制问题。
本发明的技术方案是：
一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，包括中央主轴、轴套、传动丝杠、丝母、传动齿轮、进给齿轮、主轴电机、进给电机和机壳；其中：所述中央主轴通过轴套和轴承设置于传动丝杠内；传动丝杠通过外螺纹与丝母的内螺纹连接；丝母通过轴承与机壳连接；所述传动齿轮通过法兰与丝母连接，传动齿轮与进给齿轮相啮合，进给齿轮通过涨套或键与进给电机相连接；所述主轴电机通过键连接中央主轴并能驱动中央主轴旋转运动，同时所述主轴电机通过法兰与传动丝杠的上端面相连接；进给电机驱动进给齿轮转动，进给齿轮带动传动齿轮转动，传动齿轮通过法兰带动丝母转动，丝母将转动转化为直线运动带动传动丝杠运动，中央主轴跟随传动丝杠一同作进给运动。
该主机头结构中，中央主轴与传动丝杠只能发生相对转动，不能发生相对移动；主轴电机与传动丝杠只能发生相对转动，不能发生相对移动；中央主轴与主轴电机连接为一个整体，共同转动；丝母与机壳只能发生相对转动而不能发生相对移动。
该主机头结构还包括上壳、下壳和外壳，其中：所述上壳与机壳通过螺栓连接，所述上壳与机壳上半部分以内形成密封的补偿空间；所述上壳选用柔性材料制成或可伸缩刚性结构，以此来改变主机头结构的整体体积；所述下壳与机壳通过螺栓连接，所述外壳与下壳通过螺栓连接；所述下壳、外壳与机壳下半部分之内形成动态密封空间。
所述动态密封空间内设有柔性密封结构，该柔性密封结构包括圆柱轴、连杆、底座和柔性密封垫，所述连杆通过底座支撑，底座固定在所述外壳的内底面上；连杆内对应于底座的位置设有所述圆柱轴，所述连杆在靠近外壳侧壁的一端为限位端，限位端与外壳内表面相接触；所述连杆在靠近中央主轴的另一端向下弯折90度形成密封端，密封端连接柔性密封垫。
该柔性密封结构中，所述底座通过螺栓固定在外壳内表面上；所述外壳内表面为连杆的限位平面，使连杆只能绕圆柱轴向单一方向转动；所述连杆与底座上的圆柱轴形成转动副；所述外壳底面上开有长方形通孔，该通孔的一个短边侧即为中央主轴的侧表面，该通孔的另一个短边侧与柔性密封垫之间为密封铰接连接；所述柔性密封垫与连杆的密封铆接，柔性密封垫与中央主轴侧面形成密封。
在该主机头结构初入水环境中且用于控制动态密封空间压力的动态密封系统未启动时，主轴腔内与水环境存在压力差，作用在柔性密封垫的上下两侧，由于连杆被限位平面限制，只能单向转动，故可以保持腔内环境的密封；当动态密封系统启动时，主轴腔内的压力稍大于外界水环境压力，则柔性密封垫被顶开与中央主轴相离，此时中央主轴不会受到柔性密封垫的阻力，可以顺利运行。
所述动态密封系统包括气源接口和压力传感器，所述机壳的下部安装气源接口，外部压缩机能够通过气源接口向柔性密封空间内通入一定压力的气体；所述外壳的内表面与外表面均安装压力传感器，用于感知动态密封空间的内外压力差值并将结果反馈给控制端，用来调节动态密封空间内的压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明拥有动态密封功能且不损耗主轴电机功率，可在水中环境做焊接使用。
2、本发明拥有轴向自由度，可精简机械臂的控制复杂性，在搅拌头扎入过程中机械臂各关节可锁紧，增强机械臂整体刚度，提高搅拌头扎入效率，提高焊接合格率且扎入过程中路径不需进行插补精度高。
3、本发明补偿空间可有效的减少机械臂在焊接过程中所承受的载荷，降低对机械臂的要求，节省成本。
4、本发明体积小，重量轻、实用性强，可用于水中、车辆及航天环境中。
5、整体密封效果好，容错率高，在水中主轴不工作时不需开启动态密封系统可以保持密封，在动态密封系统失效时也可以通过柔性密封机构迅速恢复整体密封状态，防止流体介质入侵主轴系统。
附图说明
图1为本发明用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构的整体结构示意图。
图2为本发明主机头结构中柔性密封机构安装位置图。
图3为本发明主机头结构中柔性密封机构的结构示意图。
其中：1-补偿空间；2-上壳；3-主轴电机；4-进给电机；5-机壳；6-进给齿轮；7-下壳；8-外壳；9-中央主轴；10-刀柄；11-轴套；12-传动丝杠；13-轴承；14-丝母；15-传动齿轮；16-安装接口；17-气源接口；18-电气接口；19-柔性密封机构；191-连杆；192-底座；193-柔性密封垫；194-圆柱轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构包括上壳2、主轴电机3、进给电机4、机壳5、进给齿轮6、下壳7、外壳8、中央主轴9、刀柄10、轴套11、传动丝杠12、轴承13、丝母14、传动齿轮15、安装接口16、气源接口17、电气接口18和柔性密封机构19；其中：所述中央主轴9与轴套11和轴承形成装配关系并且内藏于传动丝杠12内，中央主轴9可相对于传动丝杠12做旋转运动，中央主轴9与刀柄10连接。传动丝杠12通过外螺纹与丝母14的内螺纹连接，推荐但不限于使用梯形螺纹，通过螺纹连接，传动丝杠12可相对于丝母14做直线运动。传动齿轮15通过法兰与丝母14连接，两者共同运动，无相对运动。传动齿轮15与进给齿轮6啮合，按照传动比传递旋转运动。进给电机4通过涨套或键连接与进给齿轮6连接，进给电机输出的旋转运动可完全传递给进给齿轮6。主轴电机3通过键连接驱动中央主轴9，同时通过法兰安装于传动丝杠12的上端面。通过上述连接，中央主轴9与传动丝杠12只能发生相对转动，不能发生相对移动；主轴电机3与传动丝杠12只能发生相对转动，不能发生相对移动；中央主轴9与主轴电机3连接为一个整体，共同转动。丝母14通过轴承13与机壳5连接，使丝母14与机壳5只能发生相对转动而不能相对发生相对移动。
进给电机4驱动进给齿轮6转动，进给齿轮6带动传动齿轮15转动，传动齿轮15通过法兰带动丝母14转动，丝母14将转动转化为直线运动带动传动丝杠12运动，中央主轴9跟随传动丝杠12一同作进给运动。
本发明主机头结构拥有两个自由度分别为：中央主轴的旋转自由度和中央主轴的轴向移动自由度。其中，中央主轴的旋转自由度的传动链为：主轴电机通过键将旋转运动传递给中央主轴。通过上述运动链，主轴电机可驱动中央主轴做旋转运动。
中央主轴的轴向移动自由度的传动链为：进给电机通过涨套或键连接将旋转运动传递给进给齿轮；进给齿轮与传动齿轮啮合传递旋转运动；传动齿轮与丝母通过法兰连接成一个整体拥有相同的运动特征；丝母与传动丝杠通过梯形螺纹连接，丝母的旋转运动通过螺纹转化为传动丝杠的轴向运动；传动丝杠、主轴电机、中央主轴装配为一个整体，具有相同的运动特征。
通过上述运动链，进给电机可驱动中央主轴做轴向运动。
本发明主机头结构的上壳2与机壳5通过螺栓连接，上壳2与机壳5上半部分形成密封的补偿空间1。其中上壳2选用柔性材料或刚性材料可伸缩结构，可根据根部压力膨胀或收缩，以此来改变补偿空间1的体积。在水下工作时，根据机械臂焊接姿态的不同，可通过改变补偿空间1的体积来改变主机头结构整体在水中所受到的浮力，应用水中浮力改善挂载机械臂的负载，减少焊接过程中机械臂所需提供的支持力。所述下壳7与机壳5螺栓连接，外壳8与下壳7螺栓连接，下壳7、外壳8与机壳5下半部分形成动态密封空间。
所述动态密封空间内设有柔性密封结构19，该柔性密封结构包括圆柱轴194、连杆191、底座192和柔性密封垫193，所述连杆通过底座支撑，底座固定在所述外壳8的内底面上；连杆内对应于底座的位置设有所述圆柱轴，所述连杆在靠近外壳侧壁的一端为限位端，限位端与外壳内表面相接触；所述连杆在靠近中央主轴的另一端向下弯折90度形成密封端，密封端连接柔性密封垫。
该柔性密封结构19中，所述底座192通过螺栓固定在外壳内表面上；所述外壳内表面为连杆191的限位平面，使连杆191只能绕圆柱轴194向单一方向转动；所述连杆191与底座192上的圆柱轴194形成转动副；所述外壳底面上开有长方形通孔，该通孔的一个短边侧即为中央主轴的侧表面，该通孔的另一个短边侧与柔性密封垫之间为密封铰接连接；所述柔性密封垫193与连杆的密封铆接，柔性密封垫193与中央主轴9侧面形成密封。
所述动态密封系统包括气源接口17和压力传感器，所述机壳的下部安装气源接口17，外部压缩机能够通过气源接口向柔性密封空间内通入一定压力的气体；所述外壳8的内表面与外表面均安装压力传感器，用于感知动态密封空间的内外压力差值并将结果反馈给控制端，用来调节动态密封空间内的压力。在使机壳5内部气压力等于或略大于外部水中压力时，能够保证旋转中的中央主轴9与外壳8的动态密封。
在该主机头结构初入水环境中时，用于控制动态密封空间压力的动态密封系统未启动时(即外部气源未打开时)，主轴腔内与水环境存在压力差，作用在柔性密封垫193的上下两侧，由于连杆191被限位平面限制，只能单向转动，故可由柔性密封机构提供密封效果，以保持腔内环境的密封；当动态密封系统启动时，压缩空气会将单向开启的柔性密封机构推开，使主轴腔内的压力稍大于外界水环境压力，则柔性密封垫193被顶开与中央主轴9相离，此时中央主轴9不会受到柔性密封垫193的阻力，可以顺利运行。当动态密封系统的压力不足或突然失效时，柔性密封机构会瞬时闭合，再次保证主轴腔内的密封。
柔性密封机构19可在主机头结构主轴未启动且外部气源未启动时保持主轴腔内的密封状态，保证主机头结构不会在外部压缩机未启动或出现故障时失去密封状态而进水。进一步提高主机头结构的安全性。即当主轴不工作时，不需要开启外部压缩机也能够保证搅拌摩擦焊接主机头结构的密封性。
本发明主机头结构的机壳5上还设有安装接口16和电气接口18，其中安装接口16可与机械臂连接，增强主机头的空间可达性；气源接口17与外部压缩机连接，用于动态密封时提供足够压力的空气；电气接口18与电源信号线缆连接，用于整体供电和控制。气源接口与电气接口皆为快速插拔密封接口。
本发明主机头结构工作过程如下：
第一步，将主机头结构通过安装接口16挂载至对应的机械臂。将中央主轴回收至轴向位移最小位置处；
第二步，应用机械臂，将主机头结构运送至即将焊接位置；
第三步，在机械臂搬运主机头结构至水中由柔性密封机构保持密封状态；
第四步，将机械臂各关节锁紧，保持主机头位置；启动主轴电机前开启动态密封系统，使中央主轴到达指定转速；调节补偿空间增加或减少浮力，使机械臂在焊接过程中所需抵抗的载荷变低。启动进给电机工作，使中央主轴做轴向运动，沿被焊接面的法向扎入板中；
第五步，解锁机械臂各关节，带动主机头结构完成焊接路径，至焊接结束；
第六步，驱动进给电机，使中央主轴从被焊接材料中拔出。同时调整补偿空间增加或减小浮力，用以平衡主机头结构的重力；
第七步，关闭主轴电机，机械臂回收，焊接完毕。

Claims (7)

1.一种用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：该主机头结构包括中央主轴(9)、轴套(11)、传动丝杠(12)、丝母(14)、传动齿轮(16)、进给齿轮(6)、主轴电机(3)、进给电机(4)和机壳(5)；其中：所述中央主轴(9)通过轴套(11)和轴承设置于传动丝杠(12)内；传动丝杠(12)通过外螺纹与丝母(14)的内螺纹连接；丝母(14)通过轴承与机壳(5)连接；所述传动齿轮(15)通过法兰与丝母(14)连接，传动齿轮(15)与进给齿轮(6)相啮合，进给齿轮(6)通过涨套或键与进给电机(4)相连接；所述主轴电机(4)通过键连接中央主轴(9)并能驱动中央主轴(9)旋转运动，同时所述主轴电机(4)通过法兰与传动丝杠(12)的上端面相连接；进给电机(4)驱动进给齿轮(6)转动，进给齿轮(6)带动传动齿轮(15)转动，传动齿轮(15)通过法兰带动丝母(14)转动，丝母将转动转化为直线运动带动传动丝杠(12)运动，中央主轴跟随传动丝杠(12)一同作进给运动。
2.根据权利要求1所述的用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：该主机头结构中，中央主轴(9)与传动丝杠(12)只能发生相对转动，不能发生相对移动；主轴电机(3)与传动丝杠(12)只能发生相对转动，不能发生相对移动；中央主轴(9)与主轴电机(3)连接为一个整体，共同转动；丝母(14)与机壳(5)只能发生相对转动而不能发生相对移动。
3.根据权利要求1所述的用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：该主机头结构还包括上壳(2)、下壳(7)和外壳(8)，其中：所述上壳(2)与机壳(5)通过螺栓连接，所述上壳与机壳上半部分以内形成密封的补偿空间(1)；所述上壳选用柔性材料制成或可伸缩刚性结构，以此来改变主机头结构的整体体积；所述下壳(7)与机壳(5)通过螺栓连接，所述外壳(8)与下壳(7)通过螺栓连接；所述下壳(7)、外壳(8)与机壳下半部分之内形成动态密封空间。
4.根据权利要求3所述的用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：所述动态密封空间内设有柔性密封结构(19)，该柔性密封结构包括圆柱轴(194)、连杆(191)、底座(192)和柔性密封垫(193)，所述连杆通过底座支撑，底座固定在所述外壳(8)的内底面上；连杆内对应于底座的位置设有所述圆柱轴，所述连杆在靠近外壳侧壁的一端为限位端，限位端与外壳内表面相接触；所述连杆在靠近中央主轴的另一端向下弯折90度形成密封端，密封端连接柔性密封垫。
5.根据权利要求4所述的用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：该柔性密封结构中，所述底座(192)通过螺栓固定在外壳(8)内表面上；所述外壳(8)内表面为连杆(191)的限位平面，使连杆(191)只能绕圆柱轴(194)向单一方向转动；所述连杆(191)与底座(192)上的圆柱轴(194)形成转动副；所述外壳(8)底面上开有长方形通孔，该通孔的一个短边侧即为中央主轴的侧表面，该通孔的另一个短边侧与柔性密封垫之间为密封铰接连接；所述柔性密封垫(193)与连杆为密封铆接，柔性密封垫(193)与中央主轴(9)侧面形成密封。
6.根据权利要求5所述的用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：在该主机头结构初入水环境中且用于控制动态密封空间压力的动态密封系统未启动时，主轴腔内与水环境存在压力差，作用在柔性密封垫(193)的上下两侧，由于连杆(191)被限位平面限制，只能单向转动，故可以保持腔内环境的密封；当动态密封系统启动时，主轴腔内的压力稍大于外界水环境压力，则柔性密封垫(193)被顶开与中央主轴(9)相离，此时中央主轴(9)不会受到柔性密封垫(193)的阻力，可以顺利运行。
7.根据权利要求6所述的用于水中搅拌摩擦焊接的主机头结构，其特征在于：所述动态密封系统包括气源接口(17)和压力传感器，所述机壳的下部安装气源接口(17)，外部压缩机能够通过气源接口向动态密封空间内通入一定压力的气体；所述外壳(8)的内表面与外表面均安装压力传感器，用于感知动态密封空间的内外压力差值并将结果反馈给控制端，用来调节动态密封空间内的压力。
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