CN111545891B - 一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元，用于解决重载搅拌摩擦焊接过程中恒压力恒位移控制的问题，搅拌摩擦焊主轴单元，安装于龙门主体框架滑枕端部的叉形结构件内部，通过龙门主体框架及双叉件沿焊接轨迹完成箱底纵缝的焊接；包括：外滑箱与主轴壳体之间通过2组对称的轴肩压入伺服油缸进行驱动，伺服油缸缸体尾座与外滑箱固连，伺服油缸柱塞通过连接件与主轴壳体固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使外滑箱与主轴壳体之间发生相对运动，即轴肩压入运动，定义为Z1轴；滑块与外滑箱固连，直线导轨与主轴壳体固连，4组对称布置的所述滑块与所述直线导轨构成轴肩压入运动的导向机构；Z1轴的伺服油缸与高频比例阀相连。

Description

一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元

技术领域

本发明涉及一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元，可用于解决重载搅拌摩擦焊接过程中恒压力恒位移控制的问题，属于运载火箭大型贮箱搅拌摩擦装配焊接自动化装备研制技术领域。

背景技术

随着我国航天事业的发展，对运载火箭的运载能力提出了更高的要求，因此其结构规模具有逐渐增大的显著趋势。以我国在研的重型运载火箭(CZ-9)为例，芯级贮箱最大直径达10m级，贮箱最大壁厚达18～24mm。根据以往我厂已有型号的贮箱焊接成形实践经验，并参照国外宇航公司重型火箭的研制经历，重型运载火箭10m级超大直径贮箱的焊接首选通过搅拌摩擦焊接工艺来实现。搅拌摩擦焊接工艺是一种新型的金属焊接工艺，它是利用搅拌头的旋转和挤压产生的高温，使搅拌头附近的金属材料产生塑性流动，在两个工件的结合部形成致密的组织结构，从而实现金属零件的焊接。搅拌摩擦焊接相对于传统焊接工艺具有接头质量高、缺陷少、变形小、工人劳动强度小以及焊接过程绿色无污染等特点，目前在汽车工业、航空航天等领域有着广泛应用。

由于采用搅拌摩擦焊接工艺轴肩及搅拌针需要恒定重载压力维持焊接过程，因此对主轴单元的承力刚性要求很高，这是区别于其它加工工艺最显著的特点。以我公司掌握的常规搅拌工艺为例，焊接8mm厚的铝板，搅拌头高速旋转插入材料的瞬间，搅拌头承受的轴向顶锻力为5～6t，连续焊接过程中，搅拌头仍然承受3～4t的恒定轴向顶锻力。重型运载火箭在运载能力上相对于常规运载火箭有一个质的飞跃，但是贮箱的尺寸与壁厚也随着运载能力的提升大大增加。按照焊接车间平板搅拌摩擦焊接试验数据推算，焊接18～24mm中厚厚度的壁板，主轴单元搅拌头轴肩会承受10t量级左右的顶锻力，可回抽搅拌焊时搅拌针会承受5t量级左右的顶锻力，主轴单元轴肩压入运动及搅拌针回抽装置承力刚性的高低将直接影响焊缝质量，甚至影响焊接过程能否连续进行。

目前来看，国内研制的中厚厚度搅拌摩擦焊主机单元主轴搅拌时轴肩的压入动作和搅拌针的回抽动作均为编码器控制的伺服电机驱动丝杠丝母来实现的，无法实现真正意义上的重载恒压力恒位移控制，产生的后果是机械装置间隙在重载工况下闭合减小，控制信号反馈滞后，补偿误差大，不仅严重影响产品的搅拌焊接精度和质量，极有可能搅伤、划伤工装垫板，焊接过程风险大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足和困难，提出一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元，用于重型运载火箭贮箱箱底、箱体搅拌摩擦装配焊接，该主轴单元通过采用液压驱动实现了主轴压入与搅拌针回抽的恒压力恒位移控制，特别适合中厚厚度铝合金壁板搅拌摩擦焊接过程中重载恒压工况，实现重型运载火箭贮箱高质量、高效可靠自动化焊接。。

本发明的技术解决方案是：一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元，用于解决重载搅拌摩擦焊接过程中恒压力恒位移控制的问题，搅拌摩擦焊主轴单元，安装于龙门主体框架滑枕端部的叉形结构件内部，通过龙门主体框架及双叉件沿焊接轨迹完成箱底纵缝的焊接；包括：

外滑箱与主轴壳体之间通过2组对称的轴肩压入伺服油缸进行驱动，伺服油缸缸体尾座与外滑箱固连，伺服油缸柱塞通过连接件与主轴壳体固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使外滑箱与主轴壳体之间发生相对运动，即轴肩压入运动，定义为Z1轴；滑块与外滑箱固连，直线导轨与主轴壳体固连，4组对称布置的所述滑块与所述直线导轨构成轴肩压入运动的导向机构；Z1轴的伺服油缸与高频比例阀相连。

优选地，在搅拌摩擦焊主轴单元内部，旋转轴与主轴电机转子为一体，提供焊接旋转扭矩；主轴轴承位于主轴前部，内圈与旋转轴配合，外圈与主轴壳体配合并压紧，保证主轴的旋转精度；夹持柄与旋转轴同心固连，轴肩与夹持柄同心固连；搅拌针与回抽轴同心固连，回抽轴与旋转轴通过键连接传递扭矩，通过导向铜套及导向件导向，使搅拌针回抽机构作用时，搅拌针与回抽轴沿主轴中心轴线运动。

优选地，搅拌针回抽轴分别通过深沟球轴承和双向推力球轴承与回抽机构导向结构件和回抽机构承力件连接，在搅拌针回抽伺服油缸驱动下完成搅拌针回抽运动；回抽机构导向结构件通过圆周配合及2组对称的导向键使回抽运动沿主轴壳体中心线运动；

搅拌针回抽伺服油缸尾座与主轴壳体固连，柱塞与回抽承力结构件固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使回抽承力结构件、回抽导向结构件、搅拌针回抽轴与主轴壳体发生相对运动，即搅拌针回抽运动，定义为W轴。

优选地，Z1轴运动与W轴运动均是通过相对壳体轴线对称布置的2组液压伺服油缸实现，液压伺服在重载工况下能够通过高频比例阀和光栅尺进行恒压力恒位移伺服控制。

需要指出的是，搅拌针回抽运动W轴与Z1轴运动原理相似，在主轴内部空间实现搅拌针恒压力恒位移回抽运动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

关于恒压力运动实现：Z1轴的伺服油缸与高频比例阀相连，高频比例阀是一种新型液压控制装置，集成了比例电磁铁、压力阀、流量阀、方向阀功能，通过阀体的比例电磁铁可按输入的电控信号连续地、按比例地对液压压力、流量、方向进行远程精确控制。同时具有压力补偿性能，输出压力和流量可以不受负载变化影响。

比例阀输出端压力传感器采集轴肩负载压力，反馈至控制系统，控制系统根据压力设定值与反馈值的对比差，给出相应的电信号至比例阀，比例阀接到指令后，调节其自身比例电磁铁实现下一步压力增大或减小，通过高频次的实时反馈，实现轴肩负载的恒压力输出。与伺服电机通过转数驱动丝杠实现轴肩压入位移运动的不同是，液压传动基本可实现高速零间隙传递运动，并且压力(可换算成顶锻力)实时自动反馈显示，使焊接过程可靠、稳定，焊接质量保证。

关于恒位移运动实现：Z1轴伺服油缸柱塞与主轴壳体相连，即壳体相对于外滑箱发生相对运动，在壳体合适位置安装光栅尺测头，与之对应在外滑箱内壁上安装光栅尺，通过光栅尺实现恒位移传动。

该主轴单元通过采用液压驱动实现了主轴压入与搅拌针回抽的恒压力恒位移控制，解决了中厚厚度铝合金壁板搅拌摩擦焊接过程中重载恒压工况下轴肩压入和搅拌针回抽压力或位移严格按照控制系统要求恒定输出，避免常规搅拌主机机械装置间隙在重载工况下闭合减小，控制信号反馈滞后，补偿误差大，严重影响产品的搅拌焊接精度和质量等缺陷；实现重型运载火箭贮箱高质量、高效可靠自动化焊接；同时焊接过程中轴肩和搅拌针顶锻力可实时采集反馈给控制系统，便于操作人员实时控制焊接过程；另外，该主轴恒压力恒位移控制原理特别适合搅拌摩擦焊工艺，可向高、中、低厚度的搅拌主机单元推广应用，同时亦可向其它重载非标装备提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明重型运载火箭10m级移动式龙门焊接系统组成图；

图2为本发明液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元组成图；

图3为液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元组成图；

图4为搅拌针回抽机构原理组成图；

图5为主轴单元恒压力控制实现原理图；

图6为主轴单元恒位移控制实现原理图。

附图标记：

1-龙门主体；2-龙门滑枕；3-叉形结构件；4-焊接工装；5-搅拌摩擦焊主轴单元；6-光栅尺；7-测头；

51-外滑箱；52-主轴壳体；53-滑块；54-直线导轨；55-轴肩压入伺服油缸；

56-搅拌针回抽伺服油缸；57-搅拌针回抽机构；58-搅拌针回抽轴；59-主轴电机；510-旋转轴；511-主轴轴承；512-搅拌头夹持柄；513-搅拌头轴肩；514-搅拌针；515-回抽承力结构件；516-回抽导向结构件；517-深沟球轴承；518-双向推力球轴承；519-导向键。

具体实施方式

实施例1

一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元5，用于解决重载搅拌摩擦焊接过程中恒压力恒位移控制的问题，如图1和图2所示的搅拌摩擦焊主轴单元5，安装于龙门主体1框架滑枕端部的叉形结构件3内部，通过龙门主体1框架及双叉件沿焊接轨迹完成箱底纵缝的焊接；包括：外滑箱51与主轴壳体52之间通过2组对称的轴肩压入伺服油缸55进行驱动，伺服油缸缸体尾座与外滑箱51固连，伺服油缸柱塞通过连接件与主轴壳体52固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使外滑箱51与主轴壳体52之间发生相对运动，即轴肩压入运动，定义为Z1轴；滑块53与外滑箱51固连，直线导轨54与主轴壳体52固连，4组对称布置的所述滑块53与所述直线导轨54构成轴肩压入运动的导向机构，Z1轴的伺服油缸与高频比例阀相连；需要指出的是，如图1所示为移动式龙门焊接系统的组成图，叉形结构件3位于龙门滑枕2的底部；焊接工装4整体位于龙门焊接系统的底部一位置处，。

进一步的，如图3所示，在搅拌摩擦焊主轴单元5内部，旋转轴510与主轴电机59转子为一体，提供焊接旋转扭矩；主轴轴承511位于主轴前部，内圈与旋转轴510配合，外圈与主轴壳体52配合并压紧，保证主轴的旋转精度；夹持柄与旋转轴510同心固连，轴肩与夹持柄同心固连；搅拌针514与回抽轴同心固连，回抽轴与旋转轴510通过键连接传递扭矩，通过导向铜套及导向件导向，使搅拌针514回抽机构57作用时，搅拌针514与回抽轴沿主轴中心轴线运动。

进一步的，如图3和图4所示，搅拌针回抽轴58分别通过深沟球轴承517和双向推力球轴承518与回抽机构导向结构件和回抽机构承力件连接，在搅拌针回抽伺服油缸56驱动下完成搅拌针514回抽运动，如图3可知，搅拌针514外套设有搅拌头轴肩513，在搅拌头轴肩513外套设有搅拌头夹持柄512；回抽机构导向结构件通过圆周配合及2组对称的导向键519使回抽运动沿主轴壳体52中心线运动；

如图4所示，搅拌针回抽伺服油缸56尾座与主轴壳体52固连，柱塞与回抽承力结构件515固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使回抽承力结构件515、回抽导向结构件516、搅拌针回抽轴58与主轴壳体52发生相对运动，即搅拌针514回抽运动，定义为W轴。

进一步的，Z1轴运动与W轴运动均是通过相对壳体轴线对称布置的2组液压伺服油缸实现，液压伺服在重载工况下能够通过高频比例阀和光栅尺进行恒压力恒位移伺服控制。

需要指出的是，搅拌针514回抽运动W轴与Z1轴运动原理相似，在主轴内部空间实现搅拌针514恒压力恒位移回抽运动。

本实施例的恒压恒位移的原理如下：

关于恒压力运动实现(如图5所示)：Z1轴的伺服油缸与高频比例阀相连，高频比例阀是一种新型液压控制装置，集成了比例电磁铁、压力阀、流量阀、方向阀功能，通过阀体的比例电磁铁可按输入的电控信号连续地、按比例地对液压压力、流量、方向进行远程精确控制。同时具有压力补偿性能，输出压力和流量可以不受负载变化影响。

比例阀输出端压力传感器采集轴肩负载压力，反馈至控制系统，控制系统根据压力设定值与反馈值的对比差，给出相应的电信号至比例阀，比例阀接到指令后，调节其自身比例电磁铁实现下一步压力增大或减小，通过高频次的实时反馈，实现轴肩负载的恒压力输出。与伺服电机通过转数驱动丝杠实现轴肩压入位移运动的不同是，液压传动基本可实现高速零间隙传递运动，并且压力(可换算成顶锻力)实时自动反馈显示，使焊接过程可靠、稳定，焊接质量保证。

关于恒位移运动实现(如图6所示)：Z1轴伺服油缸柱塞与主轴壳体52相连，即壳体相对于外滑箱51发生相对运动，在壳体合适位置安装光栅尺6测头7，与之对应在外滑箱51内壁上安装光栅尺6，通过光栅尺6实现恒位移传动。

本实施例的技术方案的有益效果如下：

该主轴单元通过采用液压驱动实现了主轴压入与搅拌针514回抽的恒压力恒位移控制，解决了中厚厚度铝合金壁板搅拌摩擦焊接过程中重载恒压工况下轴肩压入和搅拌针514回抽压力或位移严格按照控制系统要求恒定输出，避免常规搅拌主机机械装置间隙在重载工况下闭合减小，控制信号反馈滞后，补偿误差大，严重影响产品的搅拌焊接精度和质量等缺陷；实现重型运载火箭贮箱高质量、高效可靠自动化焊接；同时焊接过程中轴肩和搅拌针514顶锻力可实时采集反馈给控制系统，便于操作人员实时控制焊接过程；另外，该主轴恒压力恒位移控制原理特别适合搅拌摩擦焊工艺，可向高、中、低厚度的搅拌主机单元推广应用，同时亦可向其它重载非标装备提供技术支撑。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元，其特征在于，搅拌摩擦焊主轴单元，安装于龙门主体框架滑枕端部的叉形结构件内部，通过龙门主体框架及双叉件沿焊接轨迹完成箱底纵缝的焊接；包括：

外滑箱与主轴壳体之间通过2组对称的轴肩压入伺服油缸进行驱动，伺服油缸缸体尾座与外滑箱固连，伺服油缸柱塞通过连接件与主轴壳体固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使外滑箱与主轴壳体之间发生相对运动，即轴肩压入运动，定义为Z1轴；滑块与外滑箱固连，直线导轨与主轴壳体固连，4组对称布置的所述滑块与所述直线导轨构成轴肩压入运动的导向机构；

Z1轴的伺服油缸与高频比例阀相连；

在搅拌摩擦焊主轴单元内部，旋转轴与主轴电机转子为一体，提供焊接旋转扭矩；主轴轴承位于主轴前部，内圈与旋转轴配合，外圈与主轴壳体配合并压紧，保证主轴的旋转精度；夹持柄与旋转轴同心固连，轴肩与夹持柄同心固连；搅拌针与回抽轴同心固连，回抽轴与旋转轴通过键连接传递扭矩，通过导向铜套及导向件导向，使搅拌针回抽机构作用时，搅拌针与回抽轴沿主轴中心轴线运动；

Z1轴运动与W轴运动均是通过相对壳体轴线对称布置的2组液压伺服油缸实现，液压伺服在重载工况下能够通过高频比例阀和光栅尺进行恒压力恒位移伺服控制。

2.根据权利要求1所述的一种液压驱动的恒压力恒位移搅拌摩擦焊主轴单元，其特征在于，包括：

搅拌针回抽轴分别通过深沟球轴承和双向推力球轴承与回抽机构导向结构件和回抽机构承力件连接，在搅拌针回抽伺服油缸驱动下完成搅拌针回抽运动；回抽机构导向结构件通过圆周配合及2组对称的导向键使回抽运动沿主轴壳体中心线运动；

搅拌针回抽伺服油缸尾座与主轴壳体固连，柱塞与回抽承力结构件固连，通过控制油缸使柱塞伸出或回抽，进而使回抽承力结构件、回抽导向结构件、搅拌针回抽轴与主轴壳体发生相对运动，即搅拌针回抽运动，定义为W轴。

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