CN114535572A - 用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置及方法，该装置包括随行齿轮传动系统和压电锤击头；随行齿轮传动系统包括内齿轮、机座、空心固定轴系统、电机、输入轴系统和行星架系统；机座用于支撑电机；电机与输入轴系统连接；输入轴系统将运动传递给空心固定轴系统；空心固定轴系统与行星架系统连接；行星架系统与所述内齿轮通过齿轮啮合连接；压电锤击头系统垂直连接于所述行星架系统的下方且正对焊缝，压电锤击头系统在随行星架系统转动时实现绕焊枪的整圈转动。本发明能够实现压电锤击头绕固定空心轴的整圈位置控制，并且具有锤击力控制精确、锤击频率高、结构尺寸小的优点。

Description

用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置及方法。

背景技术

金属零件电弧增材制造是增材制造领域的一个重要方向。金属零件电弧增材制造往往会出现组织晶粒粗大，内部缺陷萌生，残余应力较大，力学性能弱化等问题，为了提高金属增材零件的力学性能，传统的电弧焊接采用随焊锤击、碾压、超声冲击等方法进行性能优化。虽然传统方法可以提升力学性能，但不足之处在于：1)锤击设备较大，不便安装，无法实现较高的锤击效率；2)劳动强度大，随意性大，不适合大批量生产；3)由于结构限制，可调节的锤击频率和锤击力范围较小；4)无法实现锤击头绕焊枪的整圈位置控制。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置及方法。本发明能够实现压电锤击头绕固定空心轴(焊枪)的整圈位置控制，并且具有锤击力控制精确、锤击频率高、结构尺寸小的优点。

本发明的目的之一在于为了提供一种用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，包括随行齿轮传动系统和压电锤击头；

所述随行齿轮传动系统包括内齿轮、机座、空心固定轴系统、电机、输入轴系统和行星架系统；所述机座用于支撑所述电机；所述电机与所述输入轴系统连接；所述输入轴系统通过齿轮啮合，将运动传递给空心固定轴系统；所述空心固定轴系统通过齿轮啮合与行星架系统连接；所述内齿轮可拆卸连接于所述机座下方，且所述行星架系统位于内齿轮的内侧并齿轮啮合；从而所述电机通过驱动输入轴系统上的齿轮转动，进而依次带动所述空心固定轴系统、行星架系统的转动；

所述压电锤击头系统垂直连接于所述行星架系统的下方且正对焊缝，压电锤击头系统在随行星架系统转动时实现绕焊枪的整圈转动。

作为优选的技术方案，所述空心固定轴系统包括双联齿轮和第三轴承，所述双联齿轮内侧通过第一轴承和第二轴承与空心轴连接；所述空心轴套在焊枪上，与焊枪连接为一体；所述第一轴承和第二轴承之间布置有第二套筒，所述第一轴承内圈与第一套筒接触，所述第三轴承上端设有第三套筒，所述第三套筒与空心轴的轴肩接触，所述第三轴承下端设有第四套筒；所述第一套筒上方设有第一螺母，第一螺母与空心轴的上螺纹段连接；所述第四套筒下方设有第二螺母，所述第二螺母与空心轴的下螺纹段连接。

作为优选的技术方案，所述电机通过电机架固定在所述机座上；所述机座上螺纹连接有轴承端盖，输入轴系统的上端穿过轴承端盖并通过联轴器与电机的输出轴连接，进而电机可带动输入轴系统运转。

作为优选的技术方案，所述输入轴系统包括悬臂布置的输入轴、第五套筒、第六套筒和齿轮；第五套筒两端外表面分别连接有第四轴承和第五轴承，所述第四轴承设在轴承端盖内侧；所述齿轮与输入轴外侧键连接；所述齿轮下端设有第六套筒，所述输入轴底部螺纹连接有第三螺母，所述第六套筒通过第三螺母紧固于输入轴上。

作为优选的技术方案，所述行星架系统包括行星架、套环和行星轮；所述套环固连在行星架的一端，并且套在第三轴承上；所述行星轮通过第六轴承连接在行星架上，所述第六轴承上方设有第四螺母，所述第四螺母通过螺纹连接在行星架上，所述行星轮与双联齿轮的下齿轮以及内齿轮啮合。

作为优选的技术方案，所述行星架上开有长槽。

作为优选的技术方案，所述锤击头系统包括从上至下依次同心设置的螺母、预紧端盖、压力传感器、压电陶瓷、柔性连接机构和滚动机构；所述预紧端盖上端竖轴穿过长槽，并通过连接螺母和行星架连接；所述预紧端盖的内侧下端面与压力传感器接触，所述压力传感器与压电陶瓷接触，所述压电陶瓷下端面与所述柔性连接机构的半球形凸台接触；所述柔性连接机构下端通过螺纹连接滚动机构，通过控制输入电信号使所述压电陶瓷输出位移和压力，从而使所述滚动机构作用在焊缝上。

作为优选的技术方案，所述柔性连接机构上设有四个板簧型柔性铰链，同一层的两个板簧铰链对称布置，不同层柔性铰链正交布置。

作为优选的技术方案，所述预紧端盖的外侧通过螺纹连接隔热罩，隔热罩上下分别布置进气孔和出气孔。

本发明的另一目的在于提供上述用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置的工作方法，包括如下步骤：

S1、启动电机，电机通过联轴器驱动输入轴系统，输入轴系统的齿轮通过与双联齿轮的上齿轮啮合，从而带动双联齿轮绕空心轴转动，双联齿轮的下齿轮与行星架系统的行星轮啮合，同时行星轮与内齿轮啮合，从而行星轮带动行星架绕空心轴转动；由于行星架通过连接螺母和预紧端盖与压电锤击头系统连接，因此在行星架转动过程中，能够实现压电锤击头系统绕焊枪的整圈转动；

S2、启动压力传感器，通过调节柔性连接机构旋入预紧端盖的距离，并读取压力传感器的数值来调整预紧力大小；

S3、启动压电陶瓷，输入工作电压，使滚动机构与焊缝接触并锤击。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明的压电致动式随行锤击强化装置通过随行齿轮传动系统，可以实现压电锤击头系统绕固定空心轴(即焊枪所在位置)的整圈位置控制，保证锤击头始终跟随焊枪；

2、采用压电致动与柔性支撑机构的锤击头可以有效提高锤击频率，并且实现锤击力的精确控制；

3、通过行星架上的长距离槽，可以实现焊枪和锤击头距离的大范围调节；

4、预紧端盖与柔性支撑机构外侧设有的隔热罩与进气孔、出气孔，有效避免压电陶瓷工作环境温度过高；

5、锤击头的滚动机构与柔性支撑机构通过螺纹连接，可以随时更换滚动机构；

6、采用不同类型的滚动机构可以实现锤击头和焊缝的不同接触方式，当采用牛眼万向轮时，可以实现点接触，当采用圆柱形滚轮时，可以实现线接触。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置中锤击头系统的爆炸图；

图3为本发明装置中空心固定轴系统的爆炸图；

图4为本发明装置中输入轴系统的爆炸图；

图5为本发明装置中行星架系统的爆炸图。

图中：1、内齿轮，2、机座，3、电机架，4、锤击头系统，5、螺栓，6、空心固定轴系统，7、联轴器，8、电机，9、输入轴系统，10、行星架系统，11、轴承端盖；41、连接螺母，42、预紧端盖，43、压力传感器，44、压电陶瓷，45、柔性连接机构，46、板簧型柔性铰链，47、隔热罩，48、半球形凸台，49、出气孔，410、滚动机构；61、第一螺母，62、第一套筒，63、双联齿轮，64、第一轴承，65、第二套筒，66、第二轴承，67、空心轴，68、第三套筒，69、第三轴承，610、第四套筒，611、第二螺母；91、阶梯轴，92、第四轴承，93、第五套筒，94、第五轴承，95、平键，96、齿轮，97、第六套筒，98、第三螺母；101、第四螺母，102、第六轴承，103、行星轮，104、行星架，105、长槽，106、套环。

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：

请参阅图1～图5，一种用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，包括随行齿轮传动系统和压电锤击头系统；

所述随行齿轮传动系统包括内齿轮1、机座2、空心固定轴系统6、电机8、输入轴系统9和行星架系统10；所述机座2用于支撑所述电机8；所述电机8与所述输入轴系统9连接；所述输入轴系统9通过齿轮啮合，将运动传递给空心固定轴系统6；所述空心固定轴系统通过齿轮啮合与行星架系统10连接；所述内齿轮1可拆卸连接于所述机座2的下方，且所述行星架系统10位于内齿轮1的内侧并齿轮啮合；从而所述电机8通过驱动输入轴系统9上的齿轮转动，进而依次带动所述空心固定轴系统6、行星架系统10的转动；

所述压电锤击头系统连接于所述行星架系统10的下方且正对焊缝，压电锤击头能够实现锤击头绕焊枪的整圈转动，提供改善焊缝组织的压力和振动。

具体的，所述电机8通过电机架3固定在所述机座2上；所述机座2上螺纹连接有轴承端盖11，输入轴系统9的上端穿过轴承端盖11并通过联轴器7与电机8的输出轴连接，进而电机8可带动输入轴系统9运转。

所述空心固定轴系统6包括双联齿轮63、空心轴67和第三轴承69，所述双联齿轮内侧通过第一轴承64和第二轴承66与空心轴67连接；所述空心轴67套在焊枪上，与焊枪连接为一体；所述第一轴承64和第二轴承66之间布置有第二套筒65，所述第一轴承64内圈与第一套筒62接触，所述第三轴承69上端设有与第三套筒68，所述第三套筒68与空心轴67的轴肩接触，所述第三轴承69下端设有第四套筒610；所述第一套筒62上方设有第一螺母61，第一螺母61与空心轴67的上螺纹段连接；所述第四套筒610下方设有第二螺母611，所述第二螺母611与空心轴67的下螺纹段连接。

所述输入轴系统9包括悬臂布置的输入轴91、第五套筒93、第六套筒97和齿轮96；第五套筒93两端外表面分别连接有第四轴承92和第五轴承94，所述第四轴承92设在所述轴承端盖11内侧；所述齿轮96通过键95连接在输入轴91外侧；所述齿轮96下方设有第六套筒97，所述输入轴91底部螺纹连接有第三螺母98，所述第六套筒97通过第三螺母98紧固于输入轴上。

所述行星架系统10包括行星架104、套环106和行星轮103；所述套环106固连在行星架104的一端，并且套在第三轴承69上；所述行星轮103通过第六轴承102连接在行星架104上，所述第六轴承102上端设有第四螺母101，所述第四螺母101通过螺纹连接在行星架104上，所述行星轮103与双联齿轮63的下齿轮以及内齿轮1啮合；所述行星架104上开有长槽105。

在所述行星架系统上垂直连接有锤击头系统4，所述锤击头系统4与焊缝接触，所述锤击头系统4包括从上至下依次同心的螺母41、预紧端盖42、压力传感器43、压电陶瓷44、柔性连接机构45和滚动机构410；所述预紧端盖42上端竖轴穿过长槽105，并通过连接螺母41和行星架104连接；所述预紧端盖42的内侧下端面与压力传感器43接触，所述压力传感器43与压电陶瓷44接触，所述压电陶瓷44下端面与所述柔性连接机构45的半球形凸台48接触；所述柔性连接机构45上设有四个板簧型柔性铰链46，同一层的两个板簧铰链对称布置，不同层柔性铰链46正交布置，所述柔性连接机构45下端通过螺纹连接滚动机构410；所述预紧端盖42的外侧通过螺纹连接隔热罩47，隔热罩47上下分别布置进气孔和出气孔49。通过控制输入电信号使所述压电陶瓷43输出位移和压力，从而使所述滚动机构410作用在焊缝上，提供改善焊缝组织的压力和振动。

优选的，可采用不同类型的所述滚动机构410实现锤击头和焊缝的不同接触方式，当采用牛眼万向轮时，可以实现点接触，当采用圆柱形滚轮时，可以实现线接触。

上述压电致动式随行锤击强化装置的工作方法包括如下步骤：

S1、启动电机8，电机8通过联轴器7驱动输入轴系统9，输入轴系统9的齿轮96通过与双联齿轮63的上齿轮啮合，从而带动双联齿轮绕空心轴67转动，双联齿轮63的下齿轮与行星架系统10的行星轮103啮合，同时行星轮103与内齿轮1啮合，从而行星轮103带动行星架104绕空心轴67转动；由于行星架104通过连接螺母41和预紧端盖42与压电锤击头系统4连接，因此在行星架104转动过程中，能够实现压电锤击头系统4绕焊枪的整圈转动；

S2、启动压力传感器43，通过调节柔性连接机构45旋入预紧端盖42的距离，并读取压力传感器43的数值来调整预紧力大小；

S3、启动压电陶瓷44，输入工作电压，使滚动机构410与焊缝接触并锤击。

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，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：包括随行齿轮传动系统和压电锤击头；

所述随行齿轮传动系统包括内齿轮、机座、空心固定轴系统、电机、输入轴系统和行星架系统；所述机座用于支撑所述电机；所述电机与所述输入轴系统连接；所述输入轴系统通过齿轮啮合，将运动传递给空心固定轴系统；所述空心固定轴系统通过齿轮啮合与行星架系统连接；所述内齿轮可拆卸连接于所述机座下方，且所述行星架系统位于内齿轮的内侧并齿轮啮合；从而所述电机通过驱动输入轴系统上的齿轮转动，进而依次带动所述空心固定轴系统、行星架系统的转动；

所述压电锤击头系统垂直连接于所述行星架系统的下方且正对焊缝，压电锤击头系统在随行星架系统转动时实现绕焊枪的整圈转动。

2.如权利要求1所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述空心固定轴系统包括双联齿轮和第三轴承，所述双联齿轮内侧通过第一轴承和第二轴承与空心轴连接；所述空心轴套在焊枪上，与焊枪连接为一体；所述第一轴承和第二轴承之间布置有第二套筒，所述第一轴承内圈与第一套筒接触，所述第三轴承上端设有第三套筒，所述第三套筒与空心轴的轴肩接触，所述第三轴承下端设有第四套筒；所述第一套筒上方设有第一螺母，第一螺母与空心轴的上螺纹段连接；所述第四套筒下方设有第二螺母，所述第二螺母与空心轴的下螺纹段连接。

3.如权利要求1所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述电机通过电机架固定在所述机座上；所述机座上螺纹连接有轴承端盖，输入轴系统的上端穿过轴承端盖并通过联轴器与电机的输出轴连接，进而电机可带动输入轴系统运转。

4.如权利要求3所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述输入轴系统包括悬臂布置的输入轴、第五套筒、第六套筒和齿轮；第五套筒两端外表面分别连接有第四轴承和第五轴承，所述第四轴承设在轴承端盖内侧；所述齿轮与输入轴外侧键连接；所述齿轮下端设有第六套筒，所述输入轴底部螺纹连接有第三螺母，所述第六套筒通过第三螺母紧固于输入轴上。

5.如权利要求2所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述行星架系统包括行星架、套环和行星轮；所述套环固连在行星架的一端，并且套在第三轴承上；所述行星轮通过第六轴承连接在行星架上，所述第六轴承上端设有第四螺母，所述第四螺母通过螺纹连接在行星架上，所述行星轮与双联齿轮的下齿轮以及内齿轮啮合。

6.如权利要求5所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述行星架上开有长槽。

7.如权利要求5所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述锤击头系统包括从上至下依次同心设置的螺母、预紧端盖、压力传感器、压电陶瓷、柔性连接机构和滚动机构；所述预紧端盖上端竖轴穿过长槽，并通过连接螺母和行星架连接；所述预紧端盖的内侧下端面与压力传感器接触，所述压力传感器与压电陶瓷接触，所述压电陶瓷下端面与所述柔性连接机构的半球形凸台接触；所述柔性连接机构下端通过螺纹连接滚动机构，通过控制输入电信号使所述压电陶瓷输出位移和压力，从而使所述滚动机构作用在焊缝上。

8.如权利要求7所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述柔性连接机构上设有四个板簧型柔性铰链，同一层的两个板簧铰链对称布置，不同层柔性铰链正交布置。

9.如权利要求7所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置，其特征在于：所述预紧端盖的外侧通过螺纹连接隔热罩，隔热罩上下分别布置进气孔和出气孔。

10.如权利要求9所述的用于电弧增材制造的压电致动式随行锤击强化装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、启动电机，电机通过联轴器驱动输入轴系统，输入轴系统的齿轮通过与双联齿轮的上齿轮啮合，从而带动双联齿轮绕空心轴转动，双联齿轮的下齿轮与行星架系统的行星轮啮合，同时行星轮与内齿轮啮合，从而行星轮带动行星架绕空心轴转动；由于行星架通过连接螺母和预紧端盖与压电锤击头系统连接，因此在行星架转动过程中，能够实现压电锤击头系统绕焊枪的整圈转动；

S2、启动压力传感器，通过调节柔性连接机构旋入预紧端盖的距离，并读取压力传感器的数值来调整预紧力大小；

S3、启动压电陶瓷，输入工作电压，使滚动机构与焊缝接触并锤击。

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