CN114309892B - 一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接机器人技术领域，具体是一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置。包括编码器固定支架一端与编码器固定板连接，另一端与双轴步进电机连接；单膜联轴器Ⅰ一端与双轴步进电机的一端短轴相连，另一端与编码器的输出轴相连；单膜联轴器Ⅱ一端与双轴步进电机的另一端长轴相连，另一端与气阀的气阀轴相连；气阀与双轴步进电机通过气阀固定板连接。自动调节焊接气体流量装置利用双轴步进电机的正反转及转速的不同进行气体流量的自动调节，在调节的同时利用编码器实现闭环检测控制系统，可以实时检测电机转过的角度，达到检测气体流量大小的目的，可应用于焊接保护气体流量的自动调节及其他需要调节气体流量大小的装置上。

Description

一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置

技术领域

本发明涉及焊接机器人技术领域，尤其是一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置。

背景技术

焊接过程中，采用焊接保护气体可防止高温的熔池被氧化，提高焊接质量。如果焊接保护气体流量太小，起不到保护作用；如果焊接保护气体流量过大，影响电弧的稳定性。因此，焊接保护气体流量的大小要根据工况经常调节。目前的焊接机器人领域，焊接保护气体从气源内输出，通过导气管到达送丝机，通过缆线再到焊枪，形成一整套的结构，在焊接过程中，气体流量的大小通过工人手动调节气源处气阀的旋钮进行调节，而本发明的自动调节焊接气体流量装置就是要实现气体流量的自动调节，在焊接过程中，有时候会需要根据焊接质量及焊接工况，实现在线自动调整焊接保护气体流量，因此，研究自动调节焊接保护气体流量的装置有助于实现焊接自动化，提高焊接质量，能产生重大的经济效益。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的是针对上述问题，提供一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，解决只能手动调节焊接保护气体流量大小的难题，使得可以在焊接过程中根据不同的情况实现自动调节气体流量大小，既可以减轻工人的劳动强度，提高机器焊接的自动化程度，又可以提高焊接质量。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，包括：

编码器，所述编码器固定在编码器固定板上；编码器固定支架一端与编码器固定板连接，另一端与双轴步进电机连接；

单膜联轴器Ⅰ，所述单膜联轴器Ⅰ一端与双轴步进电机的一端短轴相连，另一端与编码器的输出轴相连；

双轴步进电机；

单膜联轴器Ⅱ，所述单膜联轴器Ⅱ一端与双轴步进电机的另一端长轴相连，另一端与气阀的气阀轴相连；

气阀，所述气阀与所述气阀固定板连接；所述气阀固定板固定在双轴步进电机上，支撑板固定在双轴步进电机上。

在本技术方案中，编码器自身有三个第一螺纹孔，所述编码器固定板有三个沉头孔，在第一螺纹孔和沉头孔的配合下通过第一螺钉进行连接，把编码器固定在编码器固定板上；所述编码器固定板上还有四个第一通孔用于与所述编码器固定支架进行连接；所述编码器固定支架上部和下部各有两个通孔，其下部通孔与所述编码器固定板的第一通孔进行配合，再通过第二螺钉进行固定。

作为本发明技术方案的进一步改进，单膜联轴器Ⅰ中有两个第二螺纹孔，在第一紧定螺钉的作用下使所述编码器的输出轴与单膜联轴器Ⅰ固定在一起，在第二紧定螺钉的作用下使所述双轴步进电机的短轴与单膜联轴器Ⅰ固定在一起。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述双轴步进电机在四个边角处有四个螺纹通孔，双轴步进电机的短轴一端的螺纹通孔利用第三螺钉使所述编码器固定支架与双轴步进电机固定在一起，双轴步进电机的长轴一端的螺纹通孔利用第四螺钉使所述气阀固定板与双轴步进电机固定在一起，再利用第五螺钉将所述支撑板与双轴步进电机固定在一起，支撑板的作用是使得整个装置在工作平面上可以保持平稳运行。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述单膜联轴器Ⅱ中有两个第三螺纹孔，在第四紧定螺钉的作用下使所述气阀的气阀轴与单膜联轴器Ⅱ固定在一起，在第三紧定螺钉的作用下使所述双轴步进电机的长轴与单膜联轴器Ⅱ固定在一起。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述气阀中有两个第二通孔，所述气阀固定板有两排滑槽，通过螺栓、螺母、第二通孔及滑槽将阀体与所述气阀固定板装配在一起，气阀固定板的滑槽保证了在双轴步进电机带动气阀轴转动调节气阀开度时，阀体仅可以沿着滑槽方向直线运动，但不会发生相对转动。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述双轴步进电机的短轴和长轴是同步转动，因此，在通过气阀调节气体流量的同时，可以利用所述编码器实时检测到所述气阀的气阀轴的转速及转过的角度，从而间接得到气体流量调节后的大小，形成一个闭环控制系统。

在本发明技术方案中，所述气阀的开度Q与气阀轴上升的高度h满足如下关系：

对开度Q进行求导，可以得到气阀开度Q相对于上升高度h的变化率满足下式：

上式中，Q为气阀的开度，h为气阀轴上升的高度，R为气阀内通气孔的半径，Q'为气阀开度Q相对于气阀轴上升高度h的变化率。

进一步地，气阀轴上升的高度h和电机轴转动圈数N、导程S有h＝N·S的关系，将该关系代入公式(1)中，可得气阀的开度与电机所转圈数满足如下关系：

式中，Q为气阀的开度，R为气阀内通气孔的半径，N为电机轴转动圈数，S为导程。

进一步地，双轴步进电机的工作方式是以脉冲控制转动角度，所以电机轴转动角度θ与电机轴转动圈数N有N＝θ/360°的关系，将该关系代入上述公式(3)中，可得气阀的开度Q与电机轴转动角度θ满足如下关系：

式中，Q为气阀的开度，R为气阀内通气孔的半径，S为导程，θ为电机轴转动角度。

(三)有益效果

本发明的优点在于：

1)本发明通过步进电机来控制气阀轴的转动，实现在焊接过程中焊接气体流量大小自动调节，能够适应不同工况，提高焊接的质量。

2)本发明利用单膜联轴器连接步进电机，编码器和气阀的气阀轴，无需润滑，能准确传递转速，传动效率高，运转无转差，能够保证调节焊接保护气体流量的精确度。

3)本发明结构简单，体积小，拆装方便。

4)本发明装置是一套闭环检测控制系统，在编码器的作用下可以检测到调节后的焊接保护气体流量的大小，实时监测气体流量大小，从而可以进一步对焊接保护气体流量进行调节。

5)本发明的气阀固定板与气阀采用螺母螺栓连接，连接的部位是一块竖直滑槽，此滑槽既能保证气阀在调节开度过程中阀体不产生转动，又能保证阀体可上下直线移动，从而可以实现阀体开度及焊接保护气体流量的控制。

6)本发明可以实现焊接保护气体流量自动调节，可以减轻工人的劳动强度，提高机器人焊接的自动化程度。

附图说明

图1为本发明的爆炸视图；

图2为本发明的装配后主视图；

图3为本发明的装配后俯视图；

图4为本发明的编码器结构示意图；

图5为本发明的编码器固定板结构示意图；

图6为本发明的单膜联轴器Ⅰ结构示意图；

图7为本发明的双轴步进电机结构示意图；

图8为本发明的单膜联轴器Ⅱ结构示意图；

图9为本发明的气阀固定板结构示意图；

图10为本发明的气阀开度示意图，其中(a)图为全开度示意图，(b)图为半开度示意图；

图11为本发明的气阀结构示意图；

图12为本发明应用于焊接系统时的装配示意图；

图13为本发明的装置阀体开度示意图；

图14为本发明的气阀开度与气阀轴上升高度的关系图；

图15为本发明的气阀开度变化率与上升高度的关系图；

图16为本发明的气阀开度与电机所转圈数的关系图；

图17为本发明的气阀开度与电机所转角度的关系图；

附图标记：1、编码器；2、编码器固定板；3、第一螺钉；4、编码器固定支架；5、第二螺钉；6、第三螺钉；7、第一紧定螺钉；8、单膜联轴器Ⅰ；9、第二紧定螺钉；10、双轴步进电机；11、支撑板；12、气阀固定板；13、第四螺钉；14、第五螺钉；15、第三紧定螺钉；16、单膜联轴器Ⅱ；17、第四紧定螺钉；18、螺栓；19、螺母；20、气阀；21、气瓶；22、进气管；23、出气管；24、母材；25、焊接机器人；26、本发明装置。1-1、第一螺纹孔；2-1、沉头孔；2-2、第一通孔；81、第二螺纹孔；101、短轴；102、螺纹通孔；103、长轴；161、第三螺纹孔；121、滑槽；201、气阀轴；202、第二通孔；203、出气端；204、阀体；205、进气端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-3所示，一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，包括编码器1、编码器固定板2、编码器固定支架4、单膜联轴器Ⅰ8、双轴步进电机10、单膜联轴器Ⅱ16、气阀20、气阀固定板12、支撑板11；所述编码器1固定在编码器固定板2上；所述编码器固定支架4一端与编码器固定板2连接，另一端与所述双轴步进电机10连接；所述单膜联轴器Ⅰ8一端与双轴步进电机10的一端短轴101相连，另一端与编码器1的输出轴相连；所述单膜联轴器Ⅱ16一端与双轴步进电机10的另一端长轴103相连，另一端与所述气阀20的气阀轴201相连；所述气阀20与所述气阀固定板12连接；所述气阀固定板12固定在双轴步进电机10上，所述支撑板11固定在双轴步进电机10上，支撑板11的作用是使得整个装置在工作平面上可以保持平稳运行。

如图4-5所示，所述编码器1自身有三个第一螺纹孔1-1，所述编码器固定板2有三个沉头孔2-1，在第一螺纹孔1-1和沉头孔2-1的配合下通过第一螺钉3进行连接，把编码器1固定在编码器固定板2上；所述编码器固定板2上还有四个第一通孔2-2用于与编码器固定支架4进行连接，在此装置中只用了两根编码器固定支架4用于固定作用。

所述编码器固定支架4上部和下部各有两个通孔，其下部通孔与所述编码器固定板2的第一通孔2-2进行配合，再通过第二螺钉5进行固定。

如图6-9所示，所述单膜联轴器Ⅰ8中有两个第二螺纹孔81，在第一紧定螺钉7的作用下使所述编码器1的输出轴与单膜联轴器Ⅰ8固定在一起，在第二紧定螺钉9的作用下使所述双轴步进电机10的短轴101与单膜联轴器Ⅰ8固定在一起。所述双轴步进电机10在四个边角处有四个螺纹通孔102，双轴步进电机10的短轴101一端的螺纹通孔102利用第三螺钉6使所述编码器固定支架4与双轴步进电机10固定在一起，双轴步进电机10的长轴103一端的螺纹通孔102利用第四螺钉13使所述气阀固定板12与双轴步进电机10固定在一起，再利用第五螺钉14将所述支撑板11与双轴步进电机10固定在一起，支撑板11的作用是使得整个装置在工作平面上可以保持平稳运行。所述单膜联轴器Ⅱ16中有两个第三螺纹孔161，在第四紧定螺钉17的作用下使所述气阀20的气阀轴201与单膜联轴器Ⅱ16固定在一起，在第三紧定螺钉15的作用下使所述双轴步进电机10的长轴103与单膜联轴器Ⅱ16固定在一起。

如图10-11所示，所述气阀20的工作原理如下：气阀20的气阀轴201跟气阀20的阀体204相当于螺旋副，在外力的作用下，气阀20的阀体204和轴201会产生相对运动，在轴201转动的同时保证阀体204不产生转动的情况下，轴201就会螺旋上升，使得阀体204的开度减小，对比图10(a)和图10(b)，在全开度的情况下，气阀轴201下部的长度为L1,半开度的情况下气阀轴201下部的长度为L2，L1明显比L2更长，从图10(a)至图10(b)过程中，气阀轴201螺旋上升了，且从图中可看出在上升的同时阀体204的位置也下降了，进而达到调节气体流量的目的。为了使得气阀20可以顺利完成气体流量的调节，从而进行如下装配：所述气阀20中有两个第二通孔202，所述气阀固定板12有两排滑槽121，在螺栓18、螺母19、第二通孔202及滑槽121的作用下，将阀体204与所述气阀固定板12装配在一起，气阀固定板12的滑槽121保证了在双轴步进电机10带动气阀20的气阀轴201转动时，阀体204仅可以沿着滑槽121方向直线运动，但不会发生相对转动。所述气阀20的进气端205与进气管22进行连接，出气端203与出气管23进行连接，使得焊接保护气体流经气阀20。

图12为本发明装置26应用于焊接系统时的装配示意图，焊接过程中的气源来源于气瓶21，气源从气瓶21流出，到达进气管22，本发明装置的气阀20的进气端205与进气管22进行连接，出气端203与出气管23进行连接，到达进气管22后，气体流经气阀20，气阀20的气阀轴201的转动是通过双轴步进电机10的长轴103来带动的，利用单膜联轴器Ⅰ8、单膜联轴器Ⅱ16无需润滑，能准确传递转速，运转无转差的特性，实现对气阀20的精确调节，气阀20的气阀轴201在转动的同时阀体204仅可以沿着滑槽121方向直线运动，保证了阀体204不相对转动，完成气体流量大小的调节；在完成气体流量大小调节的同时，由于双轴步进电机10的两轴同转速运动，将气阀20的开度大小实时反馈到编码器1上，进而可实现对焊接过程气体流量的实时、自动调节，调节后的气体经气阀20的出气端203流出，流入出气管23，再从出气管23流出，到达焊接处，焊接机器人25在母材24上进行焊接。焊接时在保护气体的作用下可以极大提高焊接质量，减少气泡的产生。本发明的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，结构简单，体积小，拆装方便，除运用在焊接机器人领域外，对于其他需要控制气体流量大小的机械设备也同样适用。

如图13所示，为本发明装置阀体开度示意图，将阀体204的截面放在一个二维平面坐标系中，空白部分表示阀体204的开度Q，阴影部分为气阀轴201上升的部分，其面积表示为S₁，则气阀20的开度Q满足下式，

Q＝πR²-S₁ (5)

式中，Q为气阀20的开度，R为气阀内通气孔的半径，S₁为由于气阀轴201上升而减小的开度。

由图13可知，S₁由积分可得：

再由如下不定积分公式：

可计算出S₁的大小，令y-R＝z则dy＝dz,则

由上述不定积分公式可得：

式中，h为气阀轴201上升的高度，R为气阀内通气孔的半径，S₁为由于气阀轴201上升而减小的开度。

将式(6)代入式(5)中，可得到开度Q和气阀轴201上升的高度h的关系如下：

对开度Q进行求导，可以得到气阀开度Q相对于上升高度h的变化率满足下式：

式(7-8)中，Q为气阀20的开度，h为气阀轴201上升的高度，R为气阀内通气孔的半径，Q'为气阀开度Q相对于气阀轴201上升高度h的变化率。

因为气阀轴201是单线螺纹轴，所以其上升的高度满足下式：

h＝N·S (9)

式中，h为气阀轴201上升的高度，N为轴转的圈数，S为导程。

将式(9)代入式(7)中，开度Q和电机轴转的圈数N的关系如下：

式中，Q为气阀20的开度，R为气阀内通气孔的半径，N为电机轴转动圈数，S为导程。

又因为在实际操作中步进电机的工作方式是以脉冲个数控制步进电机旋转角度，所以，把电机轴转动的圈数N转化成电机轴转动的角度θ，则θ和圈数N的关系如下：

将式(11)代入式(10)中，所以，开度Q和电机旋转的角度θ的关系如下：

式中，Q为气阀20的开度，R为气阀内通气孔的半径，S为导程，θ为电机轴转动角度。

图14-17为本发明装置气阀开度与电机轴上升高度、气阀开度变化率与上升高度、气阀开度与电机所转圈数、气阀开度与电机所转角度的关系图，在得到这些关系图之前，本发明装置的气阀内通气孔的半径R为3.5mm，导程S为1.5mm，将R和S的具体数值代入上述公式中，再通过绘图可得图14-17。从图14中可看出，开度Q随着气阀轴201上升而减小，当气阀轴201上升高度为0mm时，开度最大，达到将近38mm²,当气阀20上升高度为7mm时，开度最小，为0mm²；从图15可看出，开度Q相对于气阀轴201上升高度的变化率由大变小再变大。从图16中可看出，开度Q随着电机所转圈数的增加而减小，当电机所转圈数为0时，开度最大，达到将近38mm²，当电机所转圈数为4-5圈时，开度最小，为0mm²。从图17可看出，开度Q随着电机所转角度的增加而减小，当电机所转角度为0时，开度最大，达到将近38mm²，当电机所转度数为1700°左右时，开度最小，为0mm²。图14-17表明了，当气阀轴上升高度为0mm，当电机轴所转圈数为0圈也就是电机轴所转角度为0°时，气阀20的开度最大，达到将近38mm²。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于，包括：

编码器(1)，所述编码器(1)固定在编码器固定板(2)上；编码器固定支架(4)一端与编码器固定板(2)连接，另一端与双轴步进电机(10)连接；

单膜联轴器Ⅰ(8)，所述单膜联轴器Ⅰ(8)一端与双轴步进电机(10)的一端短轴(101)相连，另一端与编码器(1)的输出轴相连；

双轴步进电机(10)；

单膜联轴器Ⅱ(16)，所述单膜联轴器Ⅱ(16)一端与双轴步进电机(10)的另一端长轴(103)相连，另一端与气阀(20)的气阀轴(201)相连；

气阀(20)，所述气阀(20)与气阀固定板(12)连接；所述气阀固定板(12)固定在双轴步进电机(10)上，支撑板(11)固定在双轴步进电机(10)上，其中所述气阀(20)中有两个第二通孔(202)，所述气阀固定板(12)有两排滑槽(121)，通过螺栓(18)、螺母(19)、第二通孔(202)及滑槽(121)将阀体(204)与所述气阀固定板(12)装配在一起，气阀固定板(12)的滑槽(121)保证了在双轴步进电机(10)带动气阀轴(201)转动调节气阀(20)开度时，阀体(204)仅可以沿着滑槽(121)方向直线运动，但不会发生相对转动；

所述气阀(20)的开度Q与气阀轴(201)上升的高度h满足如下关系：

对开度Q进行求导，可以得到气阀开度Q相对于上升高度h的变化率满足下式：

式中，Q为气阀(20)的开度，h为气阀轴(201)上升的高度，R为气阀(20)内通气孔的半径，Q'为气阀(20)开度Q相对于气阀轴(201)上升高度h的变化率。

2.根据权利要求1所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：编码器(1)自身有三个第一螺纹孔(1-1)，所述编码器固定板(2)有三个沉头孔(2-1)，在第一螺纹孔(1-1)和沉头孔(2-1)的配合下通过第一螺钉(3)进行连接，把编码器(1)固定在编码器固定板(2)上；所述编码器固定板(2)上还有四个第一通孔(2-2)用于与所述编码器固定支架(4)进行连接；

所述编码器固定支架(4)上部和下部各有两个通孔，其下部通孔与所述编码器固定板(2)的第一通孔(2-2)进行配合，再通过第二螺钉(5)进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：单膜联轴器Ⅰ(8)中有两个第二螺纹孔(81)，在第一紧定螺钉(7)的作用下使所述编码器(1)的输出轴与单膜联轴器Ⅰ(8)固定在一起，在第二紧定螺钉(9)的作用下使所述双轴步进电机(10)的短轴(101)与单膜联轴器Ⅰ(8)固定在一起。

4.根据权利要求1所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：所述双轴步进电机(10)在四个边角处有四个螺纹通孔(102)，双轴步进电机(10)的短轴(101)一端的螺纹通孔(102)利用第三螺钉(6)使所述编码器固定支架(4)与双轴步进电机(10)固定在一起，双轴步进电机(10)的长轴(103)一端的螺纹通孔(102)利用第四螺钉(13)使所述气阀固定板(12)与双轴步进电机(10)固定在一起，再利用第五螺钉(14)将所述支撑板(11)与双轴步进电机(10)固定在一起，支撑板(11)的作用是使得整个装置在工作平面上可以保持平稳运行。

5.根据权利要求1所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：所述单膜联轴器Ⅱ(16)中有两个第三螺纹孔(161)，在第四紧定螺钉(17)的作用下使所述气阀(20)的气阀轴(201)与单膜联轴器Ⅱ(16)固定在一起，在第三紧定螺钉(15)的作用下使所述双轴步进电机(10)的长轴(103)与单膜联轴器Ⅱ(16)固定在一起。

6.根据权利要求1所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：所述双轴步进电机(10)的短轴(101)和长轴(103)是同步转动，因此，在通过气阀(20)调节气体流量的同时，利用所述编码器(1)实时检测到所述气阀(20)的气阀轴(201)的转速及转过的角度，从而间接得到气体流量调节后的大小，形成一个闭环控制系统。

7.根据权利要求1所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：气阀轴(201)上升的高度h和电机轴转动圈数N、导程S有h＝N·S的关系，将该关系代入权利要求1 中的公式中，可得气阀(20)的开度与电机所转圈数满足如下关系：

式中，Q为气阀(20)的开度，R为气阀(20)内通气孔的半径，N为电机轴转动圈数，S为导程。

8.根据权利要求7所述的一种用于自动调节焊接保护气体流量的装置，其特征在于：双轴步进电机(10)的工作方式是以脉冲控制转动角度，所以电机轴转动角度θ与电机轴转动圈数N有N＝θ/360°的关系，将该关系代入权利要求7 的公式中，可得气阀(20)的开度Q与电机轴转动角度θ满足如下关系：

式中，Q为气阀(20)的开度，R为气阀(20)内通气孔的半径，S为导程，θ为电机轴转动角度。

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