CN114643403A - 一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，属于超声波焊接设备技术领域，包括机器人连接端、焊枪进给装置、焊件预压装置、冷却保压装置和焊枪，机器人连接端将焊枪进给装置与工业机器人机械手相连，焊枪进给装置带动焊枪做进给运动，焊件预压装置和冷却保压装置安装于焊枪两侧，该焊件预压装置和冷却保压装置末端均实现对焊接表面的按压和滚动。本发明不仅适用于目前的超声波单点、三维空间多点焊接，还可实现三维空间的连续直线、曲线焊接，同时可设置相关焊接参数并连续完成预压过程、焊接过程以及冷却保压过程，并自动补偿由于焊接表面不规则而造成的焊接压力误差。

Description

一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置

技术领域

本发明属于超声波焊接设备技术领域，尤其是涉及一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置。

背景技术

焊接技术装备的发展趋势是通过信息技术、计算机控制技术及监测诊断技术实现机械化、自动化和机器人焊接。而超声波焊接由于其焊接速度快，强度高，无需其余介质且易于控制的特点，可有效替代传统的焊接、粘接工艺，具有良好的应用前景。

适用于用工业机器人作超声波焊接的产品有减震器、汽车前后车身部件、马达室封装、通风管道和电缆管道、座位靠背、仪表板以及车体内衬等，可见焊接机器人具有巨大的市场需求，

但由于汽车内饰焊接工作量大，生产节拍要求高，所以机器人使用较少。然而，随着小批量多品种汽车内饰件生产情况的出现，部分厂家也开始采用机器人进行汽车内饰件的超声波焊接作业，但这种机器人作业单元只能进行单点和三维空间的多点焊接，无法实现三维空间的连续直线、曲线焊接。

同时，传统的超声波点焊工艺中，焊接的预压阶段、焊接阶段、冷却保压阶段均由焊头在焊接表面持续施压完成。而在连续焊接过程中焊头相对工件移动不做停留，若使用传统的超声波电焊机完成连续焊接工作，焊接表面无法得到足够的预压力和冷却保压的时间，此时需要独立的焊件预压装置和冷却保压装置辅助焊接。

此外，传统的超声波点焊工艺中，焊点位置固定，定位简单，通常使用气缸作为焊枪进给装置，而在连续焊接过程中，焊接表面平整度，粗糙度，倾斜度等误差都会引起连续焊接过程中的焊接压力变化，影响焊接质量和焊头寿命。而传统的超声波点焊机无法在连续运动中精准应对焊接表面的变化。

因此解决上述问题便可在大尺寸三维空间形状金属或复合材料预制件产品的加工中大大提高加工效率和焊接质量。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种适用于工业机器人的超声波焊接末端执行机构，不仅适用于目前的超声波单点、三维空间多点焊接，还可实现三维空间的连续直线、曲线焊接，同时可设置相关焊接参数并连续完成预压过程、焊接过程以及冷却保压过程，并自动补偿由于焊接表面不规则而造成的焊接压力误差。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，包括机器人连接端、焊枪进给装置、焊件预压装置、冷却保压装置和焊枪，所述机器人连接端将焊枪进给装置与工业机器人机械手相连，所述焊枪进给装置带动焊枪做进给运动，所述焊件预压装置和冷却保压装置安装于焊枪两侧，该焊件预压装置和冷却保压装置末端均实现对焊接表面的按压和滚动。

优选地，所述机器人连接端包括法兰，所述法兰通过两个法兰连接板与安装立板连接固定。

优选地，所述焊枪进给装置包括上固定板和线性模组，所述线性模组和上固定板安装于安装立板上，使上固定板通孔与线性模组同轴；电机输出端穿过上固定板通孔与线性模组相连。

优选地，所述焊件预压装置包括预压装置安装板，所述预压装置安装板固定在安装立板右侧，箱式直线轴承Ⅰ固定在预压装置安装板上，导轨Ⅰ上端穿过箱式直线轴承Ⅰ安装，下端穿过预压连接板安装，该导轨Ⅰ上安装有压缩弹簧Ⅰ，所述预压连接板下方安装有预压端轴承座，所述预压端轴承座内安装有深沟球轴承Ⅰ，所述深沟球轴承Ⅰ上方设置有导向限位孔，预压杆顶部限位凸起插入导向限位孔延导向限位孔移动，该预压杆的转轴通过深沟球轴承Ⅰ与预压端轴承座形成转动连接，位移传感器安装在预压端轴承座上靠近焊枪一侧，按压滚动装置安装于预压杆底端。

优选地，当焊接表面为曲面时，所述冷却保压装置结构与焊件预压装置相同。

优选地，当焊接表面为平面时，所述冷却保压装置包括保压装置安装板，所述保压装置安装板固定在安装立板左侧，箱式直线轴承Ⅱ固定在保压装置安装板上，导轨Ⅱ上端穿过箱式直线轴承Ⅱ安装，下端穿过保压连接板安装，该导轨Ⅱ上安装有压缩弹簧Ⅱ，所述保压连接板下方安装有保压端轴承座，所述保压端轴承座底部通过深沟球轴承Ⅱ与连杆相连，所述连杆两端分别安装有按压滚动装置。

优选地，所述焊枪包括连接超声波振动子和焊头，焊枪背板固定在线性模组的滑块上，焊枪上固定板和焊枪背板呈L型连接，力传感器安装于焊枪上固定板上，另一端连接超声波振动子，可监测并控制焊接压力，所述焊头安装在超声波振动子底端变幅杆末端，测量板固定在超声波振动子底端。

优选地，所述按压滚动装置为圆柱滚子轴承。

本发明的有益效果为：

本发明将焊件预压装置与冷却保压装置分别安装于焊枪的两侧，通过焊件预压装置和冷却保压装置末端的圆柱滚子轴承在焊接表面滚动实现连续的预压阶段和冷却保压阶段，使得焊机可以在移动中连续依次完成预压、焊接及冷却保压三个阶段，为超声波连续焊接工艺提供足够的焊接预压力和冷却保压时间，有效提高焊接效率和焊接质量。

本发明焊件预压装置的预压杆转轴为轴心，顶部的限位凸起插入导向限位孔延导向限位孔移动，可以使预压杆除上下运动外还可左右摆动，焊接表面不平整时也能顺利移动。

本发明将使用电机和线性模组代替气缸作为焊枪进给装置，进给精度更高且便于定位和控制，将位移传感器安装在焊件预压装置上，监测焊枪处测量板的距离从而监测位置，使焊件预压装置同时起到焊接表面探测的作用，通过位移传感器监测焊接表面变化并反馈到电机，控制焊枪进行重复定位，结合力传感器实现力补偿和恒力焊接，减少焊件表面误差对连续焊接质量的影响。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1是本发明在焊接表面为平面时的立体结构示意图

图2是本发明在焊接表面为平面时的主视图

图3是本发明图2的A-A剖视图

图4是本发明图2的B-B局部剖视图

图5是本发明图2的C-C局部剖视图

图6是本发明图2的工作状态示意图

图7是本发明在焊接表面为曲面时的立体结构示意图

图8是本发明在焊接表面为曲面时的主视图

图中：

1、机器人连接端，2、焊枪进给装置，3、焊件预压装置，4、冷却保压装置，5、焊枪，6、力传感器，7、位移传感器，8、外壳，9、测量板；

11、安装立板，12、法兰连接板，13、法兰；

21、电机，22、上固定板，23、焊枪上固定板，24、焊枪侧板，25、焊枪背板，26、线性模组；

31、预压装置安装板，32、箱式直线轴承Ⅰ，33、导轨Ⅰ，34、压缩弹簧Ⅰ，35、预压连接板，36、预压端轴承座，37、深沟球轴承Ⅰ，38、预压杆，39、圆柱滚子轴承Ⅰ，310、导向限位孔，311、限位凸起

41、保压装置安装板，42、箱式直线轴承Ⅱ，43、导轨Ⅱ，44、压缩弹簧Ⅱ，45、保压连接板，46、保压端轴承座，47、连杆，48、深沟球轴承Ⅱ，49、圆柱滚子轴承Ⅱ；

51、超声波振动子，52、焊头。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，包括机器人连接端1、焊枪进给装置2、焊件预压装置3、冷却保压装置4和焊枪5，

所述机器人连接端1包括法兰13，所述法兰13通过两个法兰连接板12与安装立板11连接并用沉头螺栓固定；

所述焊枪进给装置2包括上固定板22和线性模组26，所述线性模组26和上固定板22安装于安装立板11上，使上固定板22通孔与线性模组26的联轴器同轴，并用沉头螺栓固定；电机21固定在上固定板22上，所述电机21输出端穿过上固定板22通孔插入线性模组26的联轴器；焊枪背板25固定在线性模组26的滑块上，焊枪上固定板23和焊枪背板25呈“L”型连接，并通过两个焊枪侧板24固定；

所述焊件预压装置3包括预压装置安装板31，所述预压装置安装板31固定在安装立板11右侧，两个箱式直线轴承Ⅰ32固定在预压装置安装板31上，两根导轨Ⅰ33分别从两个箱式直线轴承Ⅰ32上方穿过，两根压缩弹簧Ⅰ34分别从两个箱式直线轴承Ⅰ32下方套在导轨Ⅰ33上，所述导轨Ⅰ33下端穿过预压连接板35，使压缩弹簧Ⅰ34一端接触箱式直线轴承Ⅰ32，另一端接触预压连接板35；一对预压端轴承座36分别安装一个深沟球轴承Ⅰ37，所述深沟球轴承Ⅰ37上方设置有导向限位孔310，预压杆38顶部限位凸起311插入导向限位孔310延导向限位孔310移动，该预压杆38的转轴通过深沟球轴承Ⅰ37与预压端轴承座36形成转动连接，所述导轨Ⅰ33螺纹端穿过预压端轴承座36孔位并用螺母固定，另一定位孔用一组螺栓螺母固定防止预压端轴承座36绕导轨Ⅰ33旋转；位移传感器7安装在预压端轴承座36上，两个圆柱滚子轴承Ⅰ39通过一组螺栓螺母固定于预压杆38末端；

当焊接表面为平面时，所述冷却保压装置4包括保压装置安装板41，所述保压装置安装板41固定在安装立板11左侧，两个箱式直线轴承Ⅱ42固定在保压装置安装板41上，两根导轨Ⅱ43分别从两个箱式直线轴承Ⅱ42上方穿过，两根压缩弹簧Ⅱ44分别从两个箱式直线轴承Ⅱ42下方套在导轨Ⅱ43上，导轨Ⅱ43下端穿过保压连接板45并用螺母固定，使压缩弹簧Ⅱ44一端接触箱式直线轴承Ⅱ42，另一端接触保压连接板45，保压端轴承座46用沉头螺栓固定在保压连接板45上，所述保压端轴承座46底部通过深沟球轴承Ⅱ48与连杆47相连，连杆47两端分别安装有两对圆柱滚子轴承Ⅱ49，并通过两组螺栓螺母固定；

如图7和图8所示，当焊接表面为曲面时，冷却保压装置4替换为焊件预压装置3。

所述焊枪5包括连接超声波振动子51和焊头52，力传感器6安装于焊枪上固定板23上，另一端连接超声波振动子51，所述焊头52安装在超声波振动子51底端变幅杆末端，测量板9固定在超声波振动子51底端。

所述上固定板22上安装有外壳8。

本实例的工作过程：

初定位阶段：本发明由法兰13固定于机器人上，机器人控制机械手移动到焊头52与焊接表面垂直的位置，机器人控制装置下降使焊件预压装置3、冷却保压装置4先后与焊接表面接触，可摆动的预压杆38受力转动到极限位置，机器人继续垂直焊接表面向下移动，焊件预压装置3和冷却保压装置4受到焊接表面的反力沿导轨Ⅰ33和导轨Ⅱ43方向与机械手相对运动，压缩弹簧Ⅰ34和压缩弹簧Ⅱ44压缩。此时焊接表面受到焊件预压装置3和冷却保压装置4施加的压力且焊头52与焊接表面的距离在线性模组26的行程范围内。

定位阶段：电机21工作，焊枪进给装置2控制超声波振动子51向焊接表面移动，使焊头52与焊接表面接触并持续受力。连接焊枪上固定板23和超声波振动子51的力传感器6监测焊接压力，当力传感器6监测受力达到预设焊接压力时控制电机21停止工作。位移传感器7记录此时与测量板9之间的距离。

焊接阶段：焊枪5开始工作并由机器人控制机械手沿指定路径移动，使焊件预压装置3，焊头52和冷却保压装置4先后通过待焊接表面完成超声波焊接的预压阶段，焊接阶段和冷却保压阶段。

焊头调整阶段：如图6所示，由于焊件的制造、加工、安装和搭接等误差使焊接表面与机器人预设路径存在误差，当焊件预压装置3移动到高度与焊接表面Ⅰ存在偏差的焊接表面Ⅱ时，位移传感器7检测到测量板9的距离与记录距离偏差超过预设的允许偏差范围时将信号传递给焊枪进给装置2，在焊头52经过焊接表面Ⅱ时控制焊头52向偏差方向移动偏差距离，减少焊件表面误差对连续焊接质量的影响。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：包括机器人连接端、焊枪进给装置、焊件预压装置、冷却保压装置和焊枪，所述机器人连接端将焊枪进给装置与工业机器人机械手相连，所述焊枪进给装置带动焊枪做进给运动，所述焊件预压装置和冷却保压装置安装于焊枪两侧，该焊件预压装置和冷却保压装置末端均实现对焊接表面的按压和滚动。

2.根据权利要求1所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：所述机器人连接端包括法兰，所述法兰与安装立板连接固定。

3.根据权利要求2所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：所述焊枪进给装置包括上固定板和线性模组，所述线性模组和上固定板安装于安装立板上，电机输出端穿过上固定板通孔与线性模组相连。

4.根据权利要求3所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：所述焊件预压装置包括预压装置安装板，所述预压装置安装板固定在安装立板右侧，箱式直线轴承Ⅰ固定在预压装置安装板上，导轨Ⅰ上端穿过箱式直线轴承Ⅰ安装，下端穿过预压连接板安装，该导轨Ⅰ上安装有压缩弹簧Ⅰ，所述预压连接板下方安装有预压端轴承座，所述预压端轴承座内安装有深沟球轴承Ⅰ，所述深沟球轴承Ⅰ上方设置有导向限位孔，预压杆顶部限位凸起插入导向限位孔延导向限位孔移动，该预压杆的转轴通过深沟球轴承Ⅰ与预压端轴承座形成转动连接，位移传感器安装在预压端轴承座上靠近焊枪一侧，按压滚动装置安装于预压杆底端。

5.根据权利要求4所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：当焊接表面为曲面时，所述冷却保压装置结构与焊件预压装置相同。

6.根据权利要求4所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：当焊接表面为平面时，所述冷却保压装置包括保压装置安装板，所述保压装置安装板固定在安装立板左侧，箱式直线轴承Ⅱ固定在保压装置安装板上，导轨Ⅱ上端穿过箱式直线轴承Ⅱ安装，下端穿过保压连接板安装，该导轨Ⅱ上安装有压缩弹簧Ⅱ，所述保压连接板下方安装有保压端轴承座，所述保压端轴承座底部通过深沟球轴承Ⅱ与连杆相连，所述连杆两端分别安装有按压滚动装置。

7.根据权利要求4所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：所述焊枪包括超声波振动子和焊头，焊枪背板固定在线性模组的滑块上，焊枪上固定板和焊枪背板呈L型连接，力传感器安装于焊枪上固定板上，另一端连接超声波振动子，可监测并控制焊接压力，所述焊头安装在超声波振动子底端变幅杆末端，测量板固定在超声波振动子底端。

8.根据权利要求5或6所述的超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，其特征在于：所述按压滚动装置为圆柱滚子轴承。

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