CN111408832B - 一种摩擦塞补焊主轴头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦塞补焊主轴头装置，包括旋转驱动系统和轴向移动驱动系统；旋转驱动系统包括依次连接的交流伺服转轴电机、滚珠花键、转轴、刀柄和塞棒；轴向移动驱动系统包括依次连接的滚珠空心丝杠螺母旋转电机、减速器、回转式减速器和滚珠空心丝杠螺母，滚珠空心丝杠螺母通过滚珠丝杠副与滚珠空心丝杠配合，滚珠空心丝杠为中空结构，转轴设置在滚珠空心丝杠内并通过轴承组与滚珠空心丝杠配合；滚珠空心丝杠的外侧设置有丝杠导向装置。本发明装置能够实现对贮箱和管道塞补焊接的过程绿色无污染、高效灵活稳定的控制，从而提高焊缝的质量。

Description

一种摩擦塞补焊主轴头装置

技术领域

本发明涉及焊接制造技术，特别涉及一种用于铝合金结构物焊接缺陷修复和搅拌摩擦焊匙孔修补的摩擦塞补焊主轴头装置。

背景技术

摩擦塞补焊是一种固相补焊焊接技术，工作原理是：首先在缺陷处加工塞孔，将缺陷去除，采用与塞孔相匹配的塞棒，使塞棒与塞孔作相对高速旋转运动，并沿塞孔轴线进给，两者之间的界面在热和压力作用下达到塑性状态时紧急制动，保持一定的压力直至冷却，实现塞孔与塞棒连接。

依据焊接压力加载的方式不同，摩擦塞补焊分为顶锻式和拉锻式两种。其中顶锻式摩擦塞补焊时焊机和背部支撑垫板位于被焊工件的两侧，而拉锻式摩擦塞补焊时焊机和背部支撑垫板位于被焊工件的一侧。对于结构复杂、体积庞大、工件背部无法设置大型支撑结构的零件，一般需要采用拉锻式摩擦塞补焊。目前，国内拉锻式摩擦塞补焊设备和焊接技术的发展还不完善，特别是用于塞补焊接航空航天中的贮箱和圆顶箱体、海洋工程中的管道等的摩擦塞补焊设备和焊接技术。主轴头是摩擦塞补焊设备的核心部件，在公开号为CN109570731A的中国发明专利中公开了一种集成式摩擦塞补焊主轴头装置，这种装置利用液压马达实现主轴的旋转运动，利用油缸进出油口之间的压力差实现主轴的轴向运动和对焊接轴向载荷的控制。这种由液压系统驱动的装置容易漏油，因而会影响运动的平稳性，并使效率降低；此外液压系统复杂，控制阀的数量多，不易控制；而且压力易波动，影响焊接质量。

随着数控机床和高速切削技术的发展，设备中开始运用电主轴技术实现转轴的旋转运动。如河南正航主轴科技有限公司在公开号为CN105537629A的中国发明专利中公开了一种智能电主轴、江苏星晨高速电机有限公司在公开号为CN101123376A的中国发明专利中也公开了一种高速电主轴。电主轴是将电机置于主轴部件内部，通过控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩。转轴由内装电机直接驱动，虽然省去了皮带、齿轮或联轴器的传动环节，实现了转轴系统的“零传动”，但电机产生的振动和热量会直接影响到转轴，而且这种装置的自然散热条件较差，水循环的冷却系统安装较为麻烦；由于是隐藏式的驱动系统，异常磨损和机械磨损不易察觉，日常维护要求也较高。还有，在文献《大型航天搅拌摩擦焊机器人动态仿真分析与优化设计》中提到的主轴头装置的转轴进给运动是由三个电机分别驱动三个小齿轮，三个小齿轮同时驱动大齿轮，大齿轮与螺母通过键连接传递扭矩，螺母与丝杠通过螺纹传动实现的。这种三个电机驱动转轴进给运动的装置结构复杂，进给行星齿轮安装精度要求高。

发明内容

本发明为克服现有技术中，由液压系统驱动的装置容易漏油，进而影响运动的平稳性，并使效率降低的问题，同时，为克服现有技术中液压系统复杂，控制阀的数量多，不易控制，且压力易波动，影响焊接质量等问题，提供一种简单易操作的摩擦塞补焊主轴头装置，实现对贮箱和管道塞补焊接的过程绿色无污染、高效灵活稳定的控制，从而提高焊缝的质量。

本发明所采用的技术方案是：一种摩擦塞补焊主轴头装置，包括旋转驱动系统和轴向移动驱动系统，

所述旋转驱动系统包括交流伺服转轴电机、滚珠花键、转轴、刀柄和塞棒，所述交流伺服转轴电机的主轴输出端通过所述滚珠花键与所述转轴的首端相连接，将所述交流伺服转轴电机主轴的扭矩传递给所述转轴；所述转轴的尾端通过所述刀柄与所述塞棒相连接，使得所述塞棒具有旋转转动；

所述轴向移动驱动系统包括滚珠空心丝杠螺母旋转电机、减速器、回转式减速器、滚珠空心丝杠螺母、滚珠空心丝杠和丝杠导向装置，所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机的主轴输出端依次连接所述减速器和所述回转式减速器，所述回转式减速器的输出端与所述滚珠空心丝杠螺母的首端相连接，将所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机轴的旋转运动传递给所述滚珠空心丝杠螺母；所述滚珠空心丝杠螺母的内圈通过滚珠丝杠副与所述滚珠空心丝杠配合，将所述滚珠空心丝杠螺母的旋转运动转换为所述滚珠空心丝杠的轴向直线运动；所述滚珠空心丝杠为中空结构，所述转轴设置在所述滚珠空心丝杠内，所述转轴通过轴承组与所述滚珠空心丝杠配合，通过所述滚珠空心丝杠带动所述转轴作轴向直线运动；所述丝杠导向装置设置在所述滚珠空心丝杠的外侧，对所述滚珠空心丝杠的运动进行导向。

进一步地，所述交流伺服转轴电机的下方设置有转轴电机支撑座，所述转轴电机支撑座采用中空结构，所述转轴电机支撑座上端固定所述交流伺服转轴电机、下端固定所述回转式减速器，所述转轴电机支撑座的外侧与底板固定连接。

进一步地，所述交流伺服转轴电机的主轴输出端通过转轴电机轴端套筒与所述滚珠花键相连接，所述交流伺服转轴电机的主轴输出端通过键与所述转轴电机轴端套筒的首端相连接，所述转轴电机轴端套筒的尾端通过螺栓与所述滚珠花键的首端相连接，所述滚珠花键的尾端通过螺栓与所述转轴的首端相连接。

进一步地，所述转轴的尾端通过螺栓与所述刀柄相连接，所述转轴与所述刀柄之间设置有端面键。

进一步地，所述减速器与所述回转式减速器通过减速器连接板相连接，并通过一个圆周键传递扭矩。

进一步地，所述滚珠空心丝杠螺母的尾部外侧设置有转盘轴承和转轴支撑座，所述转盘轴承包括转盘轴承内圈和转盘轴承外圈，所述转盘轴承内圈与所述滚珠空心丝杠螺母固定连接，所述转盘轴承外圈与所述转轴支撑座固定连接，所述转轴支撑座与底板固定连接。

进一步地，所述轴承组的外圈与所述滚珠空心丝杠的内壁固定连接、内圈与所述转轴的外壁固定连接。

进一步地，所述轴承组设置有3组，每组所述轴承组由2～3个角接触球轴承组成，3组所述轴承组由上至下依次设置在所述滚珠空心丝杠和所述转轴之间，位于所述转轴首端的第一组所述轴承组用于起支撑作用，位于所述转轴)中部的第二组所述轴承组用于承受拉力，位于所述转轴尾端的第三组所述轴承组用于承受压力。

进一步地，所述丝杠导向装置包括滑块、滑块内箱体、导轨和导轨外箱体；所述滑块内箱体固定连接在所述滚珠空心丝杠的尾端，所述滑块固定连接在所述滑块内箱体上，所述导轨设置在所述导轨外箱体上，所述滑块和所述滑块内箱体通过所述导轨与所述导轨外箱体滑动连接，使得所述滚珠空心丝杠沿着所述导轨作轴向直线运动；所述导轨外箱体与转轴支撑座固定连接。

进一步地，所述滚珠空心丝杠的首端与后盖固定连接，所述滚珠空心丝杠的尾端与前盖固定连接；所述刀柄穿过所述前盖的中心孔与所述塞棒螺纹连接，所述塞棒贯穿成型环的中心孔，所述成型环与所述丝杠导向装置的导轨外箱体固定连接。

本发明的有益效果是：

本发明主轴头装置采用外部电机系统驱动主轴旋转，与内装电机相比，自然散热条件好，可避免电机产生的热量影响转轴的性能；与液压系统驱动相比，焊接环境更加绿色清洁，焊接压力更加稳定，焊接过程更容易控制，可获得对贮箱和管道的高水平的修复和修补工作。

本发明主轴头装置采用电机系统驱动，回转减速器直接与滚珠空心丝杠螺母固定连接，转轴内置在滚珠空心丝杠空腔内，滚珠空心丝杠螺母和滚珠空心丝杠通过螺纹副可实现转轴稳定、简单易操作的轴向运动，轴向运动范围为0mm-130mm。

本发明主轴头装置内轴承组选用角接触球轴承，采用“首二中三尾三”的布置方式，尾端三个角接触球轴承承受压力，中部三个角接触球轴承承受拉力，首端两个角接触球轴承起支撑作用，可承受轴向载荷的拉压双向60KN。

本发明主轴头装置刀柄与塞棒采用螺纹连接，端面定位，可保证在高转速和高载荷下连接的可靠性。转轴与刀柄通过螺栓连接，并采用端面键用来承受较大的扭矩，制造加工简单方便。

本发明主轴头装置中的成型环与导轨外箱体通过螺栓连接，成型环的大端面可制造成不同的弧面，保证待补焊铝合金贮箱充分的贴合，通过更换不同直径或者不同弧面的成型环，可适应不同直径的管道或者不同形状的贮箱等待补焊铝合金结构物，提高本装置的可适应性。

附图说明

图1是本发明一种摩擦塞补焊主轴头装置的内部剖视结构示意图；

图2是本发明一种摩擦塞补焊主轴头装置的外部结构示意图；

图3是本发明一种摩擦塞补焊主轴头装置的传动原理示意图；

图4是本发明中转轴-端面键-刀柄的安装结构示意图；

图5是本发明中导轨外箱体安装不同结构成型环的结构示意图，其中，(a)为用于贮箱和管道的焊接夹具，(b)为用于圆顶箱体的焊接夹具；

附图标注：1为交流伺服转轴电机，2为转轴电机支撑座，3为底板，4为转轴电机轴端套筒，5为滚珠花键，6为转盘轴承内圈，7为转盘轴承外圈，8为滚珠空心丝杠螺母，9为滚珠空心丝杠，10为导轨，11为滑块，12为滑块内箱体，13为导轨外箱体，14为前盖，15为塞棒，16为成型环，17为刀柄，18为轴承组，19为外隔圈，20为内隔圈，21为锁紧螺母，22为转轴，23为转轴支撑座，24为后盖，25为回转式减速器，26为减速器连接板，27为减速器，28为滚珠空心丝杠螺母旋转电机，29为端面键。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1至图5所示，一种摩擦塞补焊主轴头装置，包括旋转驱动系统和轴向移动驱动系统。

所述旋转驱动系统包括交流伺服转轴电机1、转轴电机轴端套筒4、滚珠花键5、转轴22、刀柄17和塞棒15；

所述交流伺服转轴电机1的主轴输出端通过键与所述转轴电机轴端套筒4的首端相连接，所述转轴电机轴端套筒4的尾端通过螺栓与所述滚珠花键5的首端相连接，所述滚珠花键5的尾端通过螺栓与所述转轴22的首端相连接，最终将所述交流伺服转轴电机1主轴的扭矩传递到所述转轴22；所述转轴22的尾端通过螺栓与所述刀柄17相连接，并在所述转轴22与所述刀柄17之间设置端面键29，用于承受较大的扭矩(如图4所示)；所述刀柄17通过螺纹与所述塞棒15相连接，使得所述塞棒15具有旋转转动，同时，采用端面定位的方法，保证所述刀柄17与所述塞棒15的连接在高转速和高载荷情况下的可靠性，使所述塞棒15与待补焊工件之间能够实现稳定的摩擦旋转运动；

此外，所述交流伺服转轴电机1的下方设置有转轴电机支撑座2，所述转轴电机支撑座2采用中空结构，所述转轴电机轴端套筒4设置在所述转轴电机支撑座2内，所述转轴电机支撑座2上端固定所述交流伺服转轴电机1、下端固定所述回转式减速器25，所述转轴电机支撑座2的外侧与底板3固定连接；所述底板3能够安装在不同的设备上组合成摩擦塞补焊设备，从而进行贮箱、圆顶箱体和管道等铝合金结构物缺陷的修复和摩擦搅拌焊匙孔的修补。

所述轴向移动驱动系统包括滚珠空心丝杠螺母旋转电机28、减速器27、回转式减速器25、滚珠空心丝杠螺母8、滚珠空心丝杠9和丝杠导向装置；

所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机28设置在所述交流伺服转轴电机1的一侧，所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机28的主轴输出端依次连接所述减速器27和所述回转式减速器25，所述减速器27与所述回转式减速器25通过减速器连接板26相连接，并通过一个圆周键传递扭矩；所述回转式减速器25的输出端内圈与所述滚珠空心丝杠螺母8的首端相连接，将所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机28主轴的旋转运动传递给所述滚珠空心丝杠螺母8；

所述滚珠空心丝杠螺母8的尾部外侧设置有转盘轴承和转轴支撑座23，所述转盘轴承包括转盘轴承内圈6和转盘轴承外圈7，所述转盘轴承内圈6与所述滚珠空心丝杠螺母8固定连接，所述转盘轴承外圈7与所述转轴支撑座23固定连接，所述转轴支撑座23与所述底板3固定连接；

所述滚珠空心丝杠螺母8的内圈通过滚珠丝杠副(即，螺纹副)与所述滚珠空心丝杠9配合，将所述滚珠空心丝杠螺母8的旋转运动转变为所述滚珠空心丝杠9的轴向直线运动；

所述滚珠空心丝杠9为中空结构，所述转轴22设置在所述滚珠空心丝杠9内，所述转轴22通过轴承组18与所述滚珠空心丝杠9配合，所述轴承组18的外圈与所述滚珠空心丝杠9的内壁固定连接、内圈与所述转轴22的外壁固定连接，通过所述滚珠空心丝杠9带动所述转轴22作轴向直线运动；所述轴承组18的内圈采用锁紧螺母21固定；由于所述转轴22需要承受轴向载荷，故所选轴承必须能在高速旋转的同时承受所需的轴向载荷，因此，所述轴承组18所采用的轴承选用角接触球轴承；本实施例中，所述轴承组18设置有3组，每组所述轴承组18由2～3个角接触球轴承组成，3组所述轴承组18由上至下依次设置在所述滚珠空心丝杠9和所述转轴22之间，位于所述转轴22首端的第一组所述轴承组18采用2个角接触球轴承组成，用于起支撑作用，位于所述转轴22中部的第二组所述轴承组18采用3个角接触球轴承组成，用于承受拉力，位于所述转轴22尾端的第三组所述轴承组18采用3个角接触球轴承组成，用于承受压力；此外，在承受轴向载荷的轴承之间设置有外隔圈19和内隔圈20，用于固定轴承的外圈和内圈；

所述丝杠导向装置设置在所述滚珠空心丝杠9的外侧，对所述滚珠空心丝杠9的运动进行导向；所述丝杠导向装置包括滑块11、滑块内箱体12、导轨10和导轨外箱体13，所述滑块内箱体12通过螺栓固定连接在所述滚珠空心丝杠9的尾端，所述滑块11固定连接在所述滑块内箱体12上，所述导轨10设置在所述导轨外箱体13上，所述滑块11和所述滑块内箱体12通过所述导轨10与所述导轨外箱体13滑动连接，使得所述滚珠空心丝杠9沿着所述导轨10作轴向直线运动；所述导轨外箱体13与转轴支撑座23固定连接；

所述滚珠空心丝杠9的首端通过螺栓与后盖24固定连接，所述滚珠空心丝杠9的尾端通过螺栓与前盖14固定连接；所述刀柄17穿过所述前盖14的中心孔与所述塞棒15螺纹连接，所述塞棒15贯穿成型环16的中心孔，所述成型环16与所述导轨外箱体13固定连接；

其中，所述滚珠花键5的螺母(即，花键套)内设置有空腔，最终使所述滚珠空心丝杠9能够带动所述转轴22沿着所述导轨10作轴向的往返直线运动，从而实现对轴向载荷拉压双向的控制。

本装置实现塞棒15旋转运动的原理：交流伺服转轴电机1主轴通过键与转轴电机轴端套筒4相连，转轴电机轴端套筒4与滚珠花键5通过螺栓连接、滚珠花键5与转轴22同样通过螺栓连接，最终将交流伺服转轴电机1主轴的扭矩传递到转轴22；而转轴22通过螺栓连接刀柄17，刀柄17通过螺纹连接塞棒15，使塞棒15具有旋转运动，从而使塞棒15与待补焊工件之间能够实现摩擦旋转运动。

本装置实现塞棒15轴向移动的原理：滚珠空心丝杠螺母旋转电机28通过减速器27、回转式减速器25，将滚珠空心丝杠螺母旋转电机28主轴的旋转运动传递给滚珠空心丝杠螺母8，而滚珠空心丝杠螺母8通过螺纹副，将滚珠空心丝杠螺母8的旋转运动转变为滚珠空心丝杠9的轴向直线运动；由于转轴22设置在滚珠空心丝杠9体内，通过轴承组18与滚珠空心丝杠9配合，将滚珠空心丝杠9的轴向直线运动传递给转轴22，即使滚珠空心丝杠9能够带动转轴22沿着导轨10作轴向的往返直线运动，轴向移动范围为0mm～130mm，从而实现对轴向载荷拉压双向的控制。使用过程中，由于转轴22需要承受轴向载荷，故所选轴承必须能在高速旋转的同时承受所需的轴向载荷。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，包括旋转驱动系统和轴向移动驱动系统，

所述旋转驱动系统包括交流伺服转轴电机(1)、滚珠花键(5)、转轴(22)、刀柄(17)和塞棒(15)，所述交流伺服转轴电机(1)的主轴输出端通过所述滚珠花键(5)与所述转轴(22)的首端相连接，将所述交流伺服转轴电机(1)主轴的扭矩传递给所述转轴(22)；所述转轴(22)的尾端通过所述刀柄(17)与所述塞棒(15)相连接，使得所述塞棒(15)具有旋转转动；

所述轴向移动驱动系统包括滚珠空心丝杠螺母旋转电机(28)、减速器(27)、回转式减速器(25)、滚珠空心丝杠螺母(8)、滚珠空心丝杠(9)和丝杠导向装置，所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机(28)的主轴输出端依次连接所述减速器(27)和所述回转式减速器(25)，所述回转式减速器(25)的输出端与所述滚珠空心丝杠螺母(8)的首端相连接，将所述滚珠空心丝杠螺母旋转电机(28)主轴的旋转运动传递给所述滚珠空心丝杠螺母(8)；所述滚珠空心丝杠螺母(8)的内圈通过滚珠丝杠副与所述滚珠空心丝杠(9)配合，将所述滚珠空心丝杠螺母(8)的旋转运动转换为所述滚珠空心丝杠(9)的轴向直线运动；所述滚珠空心丝杠(9)为中空结构，所述转轴(22)设置在所述滚珠空心丝杠(9)内，所述转轴(22)通过轴承组(18)与所述滚珠空心丝杠(9)配合，通过所述滚珠空心丝杠(9)带动所述转轴(22)作轴向直线运动；所述丝杠导向装置设置在所述滚珠空心丝杠(9)的外侧，对所述滚珠空心丝杠(9)的运动进行导向。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述交流伺服转轴电机(1)的下方设置有转轴电机支撑座(2)，所述转轴电机支撑座(2)采用中空结构，所述转轴电机支撑座(2)上端固定所述交流伺服转轴电机(1)、下端固定所述回转式减速器(25)，所述转轴电机支撑座(2)的外侧与底板(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述交流伺服转轴电机(1)的主轴输出端通过转轴电机轴端套筒(4)与所述滚珠花键(5)相连接，所述交流伺服转轴电机(1)的主轴输出端通过键与所述转轴电机轴端套筒(4)的首端相连接，所述转轴电机轴端套筒(4)的尾端通过螺栓与所述滚珠花键(5)的首端相连接，所述滚珠花键(5)的尾端通过螺栓与所述转轴(22)的首端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述转轴(22)的尾端通过螺栓与所述刀柄(17)相连接，所述转轴(22)与所述刀柄(17)之间设置有端面键(29)。

5.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述减速器(27)与所述回转式减速器(25)通过减速器连接板(26)相连接，并通过一个圆周键传递扭矩。

6.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述滚珠空心丝杠螺母(8)的尾部外侧设置有转盘轴承和转轴支撑座(23)，所述转盘轴承包括转盘轴承内圈(6)和转盘轴承外圈(7)，所述转盘轴承内圈(6)与所述滚珠空心丝杠螺母(8)固定连接，所述转盘轴承外圈(7)与所述转轴支撑座(23)固定连接，所述转轴支撑座(23)与底板(3)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述轴承组(18)的外圈与所述滚珠空心丝杠(9)的内壁固定连接、内圈与所述转轴(22)的外壁固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述轴承组(18)设置有3组，每组所述轴承组(18)由2～3个角接触球轴承组成，3组所述轴承组(18)由上至下依次设置在所述滚珠空心丝杠(9)和所述转轴(22)之间，位于所述转轴(22)首端的第一组所述轴承组(18)用于起支撑作用，位于所述转轴(22)中部的第二组所述轴承组(18)用于承受拉力，位于所述转轴(22)尾端的第三组所述轴承组(18)用于承受压力。

9.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述丝杠导向装置包括滑块(11)、滑块内箱体(12)、导轨(10)和导轨外箱体(13)；所述滑块内箱体(12)固定连接在所述滚珠空心丝杠(9)的尾端，所述滑块(11)固定连接在所述滑块内箱体(12)上，所述导轨(10)设置在所述导轨外箱体(13)上，所述滑块(11)和所述滑块内箱体(12)通过所述导轨(10)与所述导轨外箱体(13)滑动连接，使得所述滚珠空心丝杠(9)沿着所述导轨(10)作轴向直线运动；所述导轨外箱体(13)与转轴支撑座(23)固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述滚珠空心丝杠(9)的首端与后盖(24)固定连接，所述滚珠空心丝杠(9)的尾端与前盖(14)固定连接；所述刀柄(17)穿过所述前盖(14)的中心孔与所述塞棒(15)螺纹连接，所述塞棒(15)贯穿成型环(16)的中心孔，所述成型环(16)与所述丝杠导向装置的导轨外箱体(13)固定连接。

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