CN115741102A - 一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，包括底座、工作台、龙门架、纵向位移机构、第一横向位移机构、第一竖向位移机构、焊接修复机构和控制器；与现有技术相比较，本发明独立完成的工步功能增多，减少其他机器的使用、生产成本和工位占用面积。本发明主轴加工组件兼具平面修整、去除飞边毛刺和补焊的功能，可通过调整高度实现砂轮与搅拌头的切换，进而实现表面修整和补焊功能的切换，一机多用，提高了生产效率和加工质量；簸箕式吸尘盒和两侧吸尘管吸附收集加工产生的碎屑粉尘，提高了工作环境洁净度。龙门架立柱内设有可实现工件翻转夹紧升降功能装置，实现夹取待加工壳体并移到工作台，翻转待加工壳体实现多面加工功能。

Description

一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊后缺陷修复设备，特别涉及一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备。

背景技术

随着搅拌摩擦焊技术的进步，相较于其他焊接方法，搅拌摩擦焊采用固相焊接，具有绿色环保、成本低、焊接强度高的优点。目前搅拌摩擦焊需要借助多器械(机械手)配合实现夹取、翻转，但同工位多器械配合易造成误差；夹紧定位通常为固定夹具，灵活度低、适应工件形状有限、不能保证夹紧时翻转升降的精度。更重要的是，焊接过程中经常出现飞边、孔洞、未焊透等缺陷，对于焊接缺陷需要及时打磨、修复以及补焊，才能保证焊接质量，避免发生安全事故或质量隐患；目前，常用的修复过程包括对于飞边、毛刺的打磨，以及对于焊接缺陷进行补焊，而打磨修复和补焊过程中还需要多工位配合，增加装卸次数，影响定位精度、耗时耗力。为解决上述问题，亟需一种具有自动夹取升降换面的多功能摩擦焊及缺陷修复设备，减少其他机器配合，“一机多用”的同时具有消除多种搅拌摩擦焊缺陷的能力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，包括底座、工作台、龙门架、纵向位移机构、第一横向位移机构、第一竖向位移机构、焊接修复机构和控制器；所述的工作台设在底座上；底座的两侧分别设有纵向位移机构，龙门架两侧立柱的下端分别与纵向位移机构的纵向位移连接板相连；所述的第一横向位移机构设在龙门架上部的横梁上，第一竖向位移机构与第一横向位移机构的横向位移连接架相连；所述的焊接修复机构设在第一竖向位移机构的下端；

所述的龙门架两侧立柱的下部分别设有翻转夹持机构，所述的翻转夹持机构包括第二竖向位移机构、滑动连接架、第二横向位移机构、夹持头、夹持头转轴、夹持头连接座、夹持头驱动电机；所述的第二竖向位移机构设在龙门架立柱的下部，滑动连接架与第二竖向位移机构滑动连接；第二横向位移机构设在滑动连接架上部，夹持头连接座与第二横向位移机构滑动连接；夹持头设在夹持头转轴前端，夹持头转轴通过轴承座与夹持头连接座枢接；夹持头驱动电机设在夹持头连接座上方，夹持头驱动电机的输出轴与夹持头转轴通过齿轮啮合驱动夹持头转轴转动；龙门架两侧的翻转夹持机构相对设置；

所述的焊接修复机构包括电机固定板、电机升降缸、主轴电机、砂轮电机、吸尘盒，所述的电机固定板设在第一竖向位移机构的下端，电机升降缸上端与电机固定板固连，电机升降缸下端的伸缩杆与主轴电机上端相连；电机固定板下部设有电机固定环，电机固定环与电机固定板固连，电机固定环套设在主轴电机下部，主轴电机下端输出端与三坐标测量头或搅拌头相连；砂轮电机设在电机固定环一侧；砂轮电机下端输出轴连接有砂轮；所述的吸尘盒设在电机固定环下方；

所述的控制器设在底座上，分别与纵向位移机构、第一横向位移机构、第一竖向位移机构、焊接修复机构中的主轴电机以及翻转夹持机构中的第二竖向位移机构、第二横向位移机构、夹持头驱动电机相连，并采集和输出控制信号。

所述的纵向位移机构包括纵向滑轨、纵向驱动电机、纵向位移连接板和光栅尺和光栅尺导轨；所述的纵向滑轨沿底座的纵向设置，纵向滑轨两端设有防撞减震器；纵向驱动电机设在一端，输出轴与纵向丝杠螺杆相连，纵向丝杠螺杆与纵向滑轨平行，纵向丝杠螺杆的另一端与底座通过轴承座连接；纵向位移连接板通过滑块与纵向滑轨滑动连接；纵向位移连接板底部设有纵向丝杠螺母，纵向丝杠螺杆与纵向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；所述的光栅尺导轨与纵向滑轨平行设置，光栅尺通过光栅尺连接板固定在纵向位移连接板下部，一端与光栅尺导轨相连；

所述的第一横向位移机构包括第一横向滑轨、第一横向驱动电机、第一横向丝杠螺杆、横向位移连接架、第一横向丝杠螺母，第一横向滑轨设在龙门架上部的横梁上，第一横向驱动电机设在横梁一端，输出轴与第一横向丝杠螺杆相连，第一横向丝杠螺杆与第一横向滑轨平行设置，第一横向丝杠螺杆的另一端与龙门架横梁通过轴承座连接；横向位移连接架通过滑块与第一横向滑轨滑动连接；横向位移连接架底部设有第一横向丝杠螺母，第一横向丝杠螺杆与第一横向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；

所述的第一竖向位移机构包括固定架、第一竖向滑轨、第一竖向驱动电机、第一竖向丝杠螺杆、第一竖向丝杠螺母，所述的固定架固定在横向位移连接架的侧面；第一竖向滑轨上端与第一竖向驱动电机相连，下端与焊接修复机构相连；固定架通过滑块与第一竖向滑轨滑动连接；第一竖向丝杠螺母固定在固定架内，第一竖向驱动电机的输出轴与第一竖向丝杠螺杆上端相连，第一竖向丝杠螺杆的下端穿过第一竖向丝杠螺母并与焊接修复机构相连；

所述的纵向驱动电机、第一横向驱动电机和第一竖向驱动电机分别与控制器相连，受控制器控制。纵向位移机构、第一横向位移机构、第一竖向位移机构外部均设有风琴罩，用于防尘。

所述的第二竖向位移机构包括第二竖向滑轨、第二竖向驱动电机、第二竖向丝杠螺杆、第二竖向丝杠螺母，所述的第二竖向滑轨设在滑动连接架的两侧，与龙门架的立柱固定连接；滑动连接架通过滑块与第二竖向滑轨滑动连接；第二竖向驱动电机设在滑动连接架的一侧，与龙门架的立柱固定连接；第二竖向驱动电机的输出轴与第二竖向丝杠螺杆相连，第二竖向丝杠螺杆的另一端与滑动连接架通过轴承座连接；第二竖向丝杠螺母设在滑动连接架的一侧，第二竖向丝杠螺杆与第二竖向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；

所述的第二横向位移机构包括第二横向滑轨、第二横向驱动电机、第二横向丝杠螺杆、第二横向丝杠螺母，所述的第二横向滑轨设在滑动连接架的顶部，夹持头连接座通过滑块与第二横向滑轨滑动连接；第二横向驱动电机固定在滑动连接架顶部的外端，第二横向驱动电机的输出轴与第二横向丝杠螺杆相连，第二横向丝杠螺杆的另一端与滑动连接架通过轴承座连接；第二横向丝杠螺母设在夹持头连接座底部，第二横向丝杠螺杆与第二横向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；

所述的第二竖向驱动电机和第二横向驱动电机分别与控制器相连，受控制器控制。

所述的夹持头为凸台型夹持头，表面设有仿形凹槽。

所述的工作台一端设有举升压紧机构，另一端设有固定压紧机构；所述的举升压紧机构包括举升滑轨支架、举升滑轨、举升缸、举升辅助台、举升板、第一压紧气缸和第一压紧杠杆，所述的举升滑轨支架设在工作台底部，举升滑轨竖向设在举升滑轨支架侧壁；举升缸设在工作台下方，固定在底座上；举升缸推杆顶端与举升辅助台相连，举升辅助台一端通过滑块与举升滑轨滑动连接，举升板设在举升辅助台上；第一压紧气缸设在举升辅助台上，第一压紧气缸的推杆与第一压紧杠杆下端铰接；第一压紧杠杆中部与举升板外侧铰接；

所述的固定压紧机构包括第二压紧气缸、第二压紧杠杆和固定挡块，所述的第二压紧气缸设在工作台底部，第二压紧气缸的推杆与第二压紧杠杆下端铰接；第二压紧杠杆中部与工作台外侧铰接；固定挡块设在工作台外侧上部；

所述的举升缸、第一压紧气缸和第二压紧气缸分别与控制器相连，受控制器控制。

所述的工作台后部设有刀架，刀架上端设有刀柄夹拖板，刀柄夹拖板前部设有数个刀柄夹拖部，用于夹持备用搅拌头或三坐标测量头；刀柄夹拖板上设有滑动刀架保护罩。

所述的吸尘盒通过弹簧与电机固定环相连，吸尘盒中部、位于焊接前进方向的一侧设有凹口，搅拌头垂直方向正对凹口处；吸尘盒内部为空腔，并通过吸尘管与吸尘器相连。

本发明的工作原理及控制方法：

纵向位移机构带动龙门架纵向向前移动，到达待加工壳体工件处，龙门架两侧立柱下部的翻转夹持机构中，先通过第二竖向位移机构带动滑动连接架到达指定高度，再通过第二横向位移机构带动，使两侧的夹持头连接座相向运动，使两侧的夹持头夹持住待加工壳体工件两侧；第二竖向位移机构使滑动连接架上升到指定高度；最后纵向位移机构带动龙门架纵向向后移动，使待加工壳体工件到达工作台上方。

进行搅拌摩擦焊接或焊接修复时，夹持头在夹持头驱动电机的驱动下，使待加工壳体工件旋转到合适角度；第二竖向位移机构使滑动连接架下降到指定高度，待加工壳体工件落在工作台上，一端抵在工作台的固定挡块上；工作台一端的固定压紧机构的第二压紧气缸推动第二压紧杠杆绕铰接轴转动至上端压住待加工壳体工件，工作台另一端的举升压紧机构中，举升缸推动举升辅助台在举升滑轨上滑动，带动举升板托举待加工壳体工件进行找平，之后第一压紧气缸推动第一压紧杠杆绕铰接轴转动至上端压住待加工壳体工件，共同完成对待加工壳体工件的固定压紧。

第一横向位移机构和第一竖向位移机构联合运动，使焊接修复机构到达待焊接修复区域，电机升降缸带动主轴电机上升至搅拌头高于砂轮，启动砂轮电机，驱动砂轮旋转对需要修复处进行打磨，打磨过程中产生的碎屑被吸尘盒吸收，防止污染工作环境；打磨后焊接修复机构重回焊接起点，电机升降缸带动主轴电机下降至搅拌头低于砂轮，开始对打磨后需要补焊处进行焊接，焊接过程中产生的碎屑被吸尘盒吸收，防止污染工作环境。

焊接修复机构的三坐标测量头对待加工壳体工件表面和焊接修复机构间的垂直度和焊缝参数进行测量，检测完后焊接修复机构对焊缝进行打磨或移动至刀架处更换搅拌头进行修补焊接加工；三坐标测量头对参数进行测量后，收集到的数据通过控制器调节偏差角度，使待加工壳体工件表面和焊接修复机构间的相对于标准垂直的偏差角小于±5″，自动移动焊接修复机构至焊缝起点，移动满足如下关系：

焊接修复机构包括平移运动和倾斜，x、y、z为焊接修复机构沿X、Y、Z轴位移，α、β、γ为焊接修复机构沿X、Y、Z轴倾斜角度：

j→i齐次坐标变换矩阵：

其中

焊接修复机构沿X轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构沿Y轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构沿Z轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构沿Z轴位移变换矩阵；

焊接修复机构沿Y轴位移变换矩阵；

焊接修复机构沿X轴位移变换矩阵；

搅拌摩擦焊运动轨迹为直线，起点终点位置分别为P1、P2，补偿量后搅拌头实际位置P，k为误差补偿系数：

P＝P₁+k(P₂-P₁)k∈[0,1]

修正后起点终点位置分别为P_1c、P_2c：

P_c＝P_1c+k(P_2c-P_1c)k∈[0,1]

P_c＝P_d-E(P_d)

其中，P_c为修正后引入补偿量后搅拌头实际位置，P_d为期望搅拌头位置，E(P_d)为三维位置误差；

其中，T_yx为XY轴间垂直度误差，T_zx为ZX轴间垂直度误差，

为X轴位移误差，

为Y轴位移误差，

为Z轴位移误差，E为累积误差；

三个方向位移和转角误差近似表示为：

其中，i表示X.Y.Z坐标轴；下标x.y.z表示沿X.Y.Z轴的移动或绕X.Y.Z轴的转动；δ表示转角；△表示位移。

本发明的有益效果：

与现有技术相比较，本发明独立完成的工步功能增多，减少其他机器的使用、生产成本和工位占用面积。本发明主轴加工组件兼具平面修整、去除飞边毛刺和补焊的功能，可通过调整高度实现砂轮与搅拌头的切换，进而实现表面修整和补焊功能的切换，一机多用，提高了生产效率和加工质量；簸箕式吸尘盒和两侧吸尘管吸附收集加工产生的碎屑粉尘，提高了工作环境洁净度。本发明龙门架立柱内设有可实现工件翻转夹紧升降功能装置，结构紧凑，实现夹取待加工壳体并移到工作台，翻转待加工壳体实现多面加工功能，同时夹紧头上设有仿形凹槽，卡到待加工件两侧中心处预设的凸起上，保证受力均匀，翻转升降的同时定位精准、保证同轴度。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明工作台结构示意图；

图3为本发明纵向位移机构结构示意图；

图4为本发明第一横向位移机构结构示意图；

图5为本发明第一竖向位移机构结构示意图；

图6为本发明焊接修复机构结构示意图；

图7为本发明翻转夹持机构结构示意图；

图8为本发明刀架结构示意图；

1、底座；

2、工作台 201、举升滑轨支架 202、举升滑轨 203、举升缸 204、举升辅助台 205、举升板 206、第一压紧气缸 207、第一压紧杠杆 208、第二压紧气缸 209、第二压紧杠杆210、固定挡块；

3、龙门架；

4、纵向位移机构 401、纵向滑轨 402、纵向驱动电机 403、纵向位移连接板 404、防撞减震器；

5、第一横向位移机构 501、第一横向滑轨 502、第一横向驱动电机 503、第一横向丝杠螺杆 504、横向位移连接架；

6、第一竖向位移机构 601、固定架 602、第一竖向滑轨 603、第一竖向驱动电机604、第一竖向丝杠螺杆 605、第一竖向丝杠螺母；

7、焊接修复机构 701、电机固定板 702、电机升降缸 703、主轴电机 704、砂轮电机 705、吸尘盒 706、电机固定环 707、搅拌头 708、砂轮 709、弹簧 710、吸尘管；

9、翻转夹持机构；

10、第二竖向位移机构 1001、第二竖向滑轨 1002、第二竖向驱动电机；

11、滑动连接架；

12、第二横向位移机构 1201、第二横向滑轨 1202、第二横向驱动电机 1203、第二横向丝杠螺杆；

13、夹持头 1301、仿形凹槽；

14、夹持头转轴 15、夹持头连接座 16、夹持头驱动电机；

17、刀架 18、刀柄夹拖板 19、刀柄夹拖部 20、滑动刀架保护罩。

具体实施方式

参阅图1-8所示：

本发明提供一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，包括底座1、工作台2、龙门架3、纵向位移机构4、第一横向位移机构5、第一竖向位移机构6、焊接修复机构7和控制器；所述的工作台2设在底座1上；底座1的两侧分别设有纵向位移机构4，龙门架3两侧立柱的下端分别与纵向位移机构4的纵向位移连接板403相连；所述的第一横向位移机构5设在龙门架3上部的横梁上，第一竖向位移机构6与第一横向位移机构5的横向位移连接架504相连；所述的焊接修复机构7设在第一竖向位移机构6的下端；

所述的龙门架3两侧立柱的下部分别设有翻转夹持机构9，所述的翻转夹持机构9包括第二竖向位移机构10、滑动连接架11、第二横向位移机构12、夹持头13、夹持头转轴14、夹持头连接座15、夹持头驱动电机16；所述的第二竖向位移机构10设在龙门架3立柱的下部，滑动连接架11与第二竖向位移机构10滑动连接；第二横向位移机构12设在滑动连接架11上部，夹持头连接座15与第二横向位移机构12滑动连接；夹持头13设在夹持头转轴14前端，夹持头转轴14通过轴承座与夹持头连接座15枢接；夹持头驱动电机16设在夹持头连接座15上方，夹持头驱动电机16的输出轴与夹持头转轴14通过齿轮啮合驱动夹持头转轴14转动；龙门架3两侧的翻转夹持机构9相对设置；

所述的焊接修复机构7包括电机固定板701、电机升降缸702、主轴电机703、砂轮708电机704、吸尘盒705，所述的电机固定板701设在第一竖向位移机构6的下端，电机升降缸702上端与电机固定板701固连，电机升降缸702下端的伸缩杆与主轴电机703上端相连；电机固定板701下部设有电机固定环706，电机固定环706与电机固定板701固连，主轴电机703下部穿过电机固定环706，电机固定环706的环直径略大于主轴电机703直径，保证主轴电机703能够在电机固定环706中轴向上下滑动，同时电机固定环706对主轴电机703起到径向固定作用；主轴电机703下端输出端与三坐标测量头或搅拌头707相连；砂轮708电机704设在电机固定环706一侧，位于焊接前进方向；砂轮708电机704下端输出轴连接有砂轮708；所述的吸尘盒705设在电机固定环706下方，吸尘盒705后部上方通过弹簧709与电机固定环706相连，焊接修复机构7下降进行焊接或打磨过程中，弹簧709压缩，使吸尘盒705贴紧待加工壳体工件表面；吸尘盒705中部、位于焊接前进方向的一侧设有凹口，搅拌头707垂直方向正对凹口处；吸尘盒705内部为空腔，并通过吸尘管710与吸尘器相连，将碎屑从吸尘盒705凹口处吸入，经吸尘管710吸入吸尘器中。

所述的控制器设在底座1上，分别与纵向位移机构4、第一横向位移机构5、第一竖向位移机构6、焊接修复机构7中的主轴电机703以及翻转夹持机构9中的第二竖向位移机构10、第二横向位移机构12、夹持头驱动电机16相连，并采集和输出控制信号。

所述的纵向位移机构4包括纵向滑轨401、纵向驱动电机402、纵向位移连接板403和光栅尺和光栅尺导轨；所述的纵向滑轨401沿底座1的纵向设置，纵向滑轨401两端设有防撞减震器404，起到减震防撞的作用，限制纵向位移连接板403移动区间，防止纵向位移连接板403滑动过度；纵向驱动电机402设在一端，输出轴与纵向丝杠螺杆相连，纵向丝杠螺杆与纵向滑轨401平行，纵向丝杠螺杆的另一端与底座1通过轴承座连接；纵向位移连接板403通过滑块与纵向滑轨401滑动连接；纵向位移连接板403底部设有纵向丝杠螺母，纵向丝杠螺杆与纵向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；所述的光栅尺导轨与纵向滑轨401平行设置，光栅尺通过光栅尺连接板固定在纵向位移连接板403下部，一端与光栅尺导轨相连，用于测量纵向位移连接板403的精确位移距离；纵向驱动电机402通过正向或反向驱动纵向丝杠螺杆，由纵向丝杠螺母转化为纵向位移连接板403的纵向前进或后退运动，进而带动龙门架3前进或后退。

所述的第一横向位移机构5包括第一横向滑轨501、第一横向驱动电机502、第一横向丝杠螺杆503、横向位移连接架504、第一横向丝杠螺母，第一横向滑轨501沿龙门架3横梁方向设在龙门架3上部的横梁上，第一横向驱动电机502设在横梁一端，输出轴与第一横向丝杠螺杆503相连，第一横向丝杠螺杆503与第一横向滑轨501平行设置，第一横向丝杠螺杆503的另一端与龙门架3横梁通过轴承座连接；横向位移连接架504通过滑块与第一横向滑轨501滑动连接；横向位移连接架504底部设有第一横向丝杠螺母，第一横向丝杠螺杆503与第一横向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；第一横向驱动电机502通过正向或反向驱动第一横向丝杠螺杆503旋转，由第一横向丝杠螺母转化为横向位移连接架504在龙门架3横梁上的左右横向平移运动；

所述的第一竖向位移机构6包括固定架601、第一竖向滑轨602、第一竖向驱动电机603、第一竖向丝杠螺杆604、第一竖向丝杠螺母605，所述的固定架601固定在横向位移连接架504的侧面；第一竖向滑轨602上端与第一竖向驱动电机603相连，下端穿过固定架601与焊接修复机构7相连；固定架601通过滑块与第一竖向滑轨602滑动连接；第一竖向丝杠螺母605固定在固定架601内，第一竖向驱动电机603的输出轴与第一竖向丝杠螺杆604上端相连，第一竖向丝杠螺杆604的下端穿过第一竖向丝杠螺母605并与焊接修复机构7相连，第一竖向驱动电机603通过正向或反向驱动第一竖向丝杠螺杆604旋转，由第一竖向丝杠螺母605转化为第一竖向驱动电机603与焊接修复机构7的同步上下移动；

所述的纵向驱动电机402、第一横向驱动电机502和第一竖向驱动电机603分别与控制器相连，受控制器控制。纵向位移机构4、第一横向位移机构5、第一竖向位移机构6外部均设有风琴罩，用于防尘。

所述的第二竖向位移机构10包括第二竖向滑轨1001、第二竖向驱动电机1002、第二竖向丝杠螺杆、第二竖向丝杠螺母，所述的第二竖向滑轨1001竖直设在滑动连接架11的两侧，每侧至少两个，第二竖向滑轨1001与龙门架3的立柱内壁固定连接；滑动连接架11通过滑块与第二竖向滑轨1001滑动连接；第二竖向驱动电机1002设在滑动连接架11的一侧，与龙门架3的立柱固定连接；第二竖向驱动电机1002的输出轴与第二竖向丝杠螺杆相连，第二竖向丝杠螺杆的另一端与滑动连接架11通过轴承座连接；第二竖向丝杠螺母设在滑动连接架11的一侧，第二竖向丝杠螺杆与第二竖向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；第二竖向驱动电机1002通过正向或反向驱动第二竖向丝杠螺杆旋转，由第二竖向丝杠螺母转化为滑动连接架11的上下位移运动；

所述的第二横向位移机构12包括第二横向滑轨1201、第二横向驱动电机1202、第二横向丝杠螺杆1203、第二横向丝杠螺母，所述的第二横向滑轨1201横向设在滑动连接架11的顶部，夹持头连接座15通过滑块与第二横向滑轨1201滑动连接；第二横向驱动电机1202固定在滑动连接架11顶部的外端，第二横向驱动电机1202的输出轴与第二横向丝杠螺杆1203相连，第二横向丝杠螺杆1203的另一端与滑动连接架11通过轴承座连接；第二横向丝杠螺母设在夹持头连接座15底部，第二横向丝杠螺杆1203与第二横向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；第二横向驱动电机1202通过正向或反向驱动第二横向丝杠螺杆1203旋转，由第二横向丝杠螺母转化为夹持头连接座15的左右横向平移运动；龙门架3两侧的翻转夹持机构9同步对称式运动，即两侧的夹持头连接座15在第二横向位移机构12的驱动下，相向运动，或相反运动。

所述的第二竖向驱动电机1002和第二横向驱动电机1202分别与控制器相连，受控制器控制。

所述的夹持头13为凸台型夹持头13，表面设有仿形凹槽1301，对称分布在夹持头13上提高同轴度、减小压强，卡到待加工件两侧中心处预设的凸起上，使夹持更牢。

所述的工作台2一端设有举升压紧机构，另一端设有固定压紧机构；所述的举升压紧机构包括举升滑轨支架201、举升滑轨202、举升缸203、举升辅助台204、举升板205、第一压紧气缸206和第一压紧杠杆207，所述的举升滑轨支架201设在工作台2底部，举升滑轨202竖向设在举升滑轨支架201侧壁；举升缸203设在工作台2下方，固定在底座1上；举升缸203推杆顶端与举升辅助台204相连，举升辅助台204一端通过滑块与举升滑轨202滑动连接，举升板205设在举升辅助台204上；第一压紧气缸206设在举升辅助台204上，第一压紧气缸206的推杆与第一压紧杠杆207下端铰接；第一压紧杠杆207中部与举升板205外侧铰接；

所述的固定压紧机构包括第二压紧气缸208、第二压紧杠杆209和固定挡块210，所述的第二压紧气缸208设在工作台2底部，第二压紧气缸208的推杆与第二压紧杠杆209下端铰接；第二压紧杠杆209中部与工作台2外侧铰接；固定挡块210设在工作台2端部；

所述的举升缸203、第一压紧气缸206和第二压紧气缸208分别与控制器相连，受控制器控制。

所述的工作台2后部设有刀架17，刀架17上端设有刀柄夹拖板18，刀柄夹拖板18前部设有数个刀柄夹拖部19，用于夹持备用搅拌头707或三坐标测量头；刀柄夹拖板18上设有滑动刀架保护罩20，防止碎屑污染搅拌头707或三坐标测量头。

本发明的工作原理及控制方法：

纵向位移机构4带动龙门架3纵向向前移动，到达待加工壳体工件处，龙门架3两侧立柱下部的翻转夹持机构9中，先通过第二竖向位移机构10带动滑动连接架11到达指定高度，再通过第二横向位移机构12带动，使两侧的夹持头连接座15相向运动，使两侧的夹持头13夹持住待加工壳体工件两侧；第二竖向位移机构10使滑动连接架11上升到指定高度；最后纵向位移机构4带动龙门架3纵向向后移动，使待加工壳体工件到达工作台2上方。

进行搅拌摩擦焊接或焊接修复时，夹持头13在夹持头驱动电机16的驱动下，使待加工壳体工件旋转到合适角度；第二竖向位移机构10使滑动连接架11下降到指定高度，待加工壳体工件落在工作台2上，一端抵在工作台2的固定挡块210上；工作台2一端的固定压紧机构的第二压紧气缸208推动第二压紧杠杆209绕铰接轴转动至上端压住待加工壳体工件，工作台2另一端的举升压紧机构中，举升缸203推动举升辅助台204在举升滑轨202上滑动，带动举升板205托举待加工壳体工件进行找平，之后第一压紧气缸206推动第一压紧杠杆207绕铰接轴转动至上端压住待加工壳体工件，共同完成对待加工壳体工件的固定压紧。

第一横向位移机构5和第一竖向位移机构6联合运动，使焊接修复机构7到达待焊接修复区域，电机升降缸702带动主轴电机703上升至搅拌头707高于砂轮708，启动砂轮708电机704，驱动砂轮708旋转对需要修复处进行打磨，打磨过程中产生的碎屑被吸尘盒705吸收，防止污染工作环境；打磨后焊接修复机构7重回焊接起点，电机升降缸702带动主轴电机703下降至搅拌头707低于砂轮708，开始对打磨后需要补焊处进行焊接，焊接过程中产生的碎屑被吸尘盒705吸收，防止污染工作环境。

焊接修复机构7的三坐标测量头对待加工壳体工件表面和焊接修复机构7间的垂直度和焊缝参数进行测量，检测完后焊接修复机构7对焊缝进行打磨或移动至刀架17处更换搅拌头707进行修补焊接加工；三坐标测量头对参数进行测量后，收集到的数据通过控制器调节偏差角度，使待加工壳体工件表面和焊接修复机构7间的相对于标准垂直的偏差角小于±5″，自动移动焊接修复机构7至焊缝起点，移动满足如下关系：

焊接修复机构7包括平移运动和倾斜，x、y、z为焊接修复机构7沿X、Y、Z轴位移，α、β、γ为焊接修复机构7沿X、Y、Z轴倾斜角度：

j→i齐次坐标变换矩阵：

其中

焊接修复机构7沿X轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构7沿Y轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构7沿Z轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构7沿Z轴位移变换矩阵；

焊接修复机构7沿Y轴位移变换矩阵；

焊接修复机构7沿X轴位移变换矩阵；

搅拌摩擦焊运动轨迹为直线，起点终点位置分别为P1、P2，补偿量后搅拌头707实际位置P，k为误差补偿系数：

P＝P₁+k(P₂-P₁)k∈[0,1]

修正后起点终点位置分别为P_1c、P_2c：

P_c＝P_1c+k(P_2c-P_1c)k∈[0,1]

P_c＝P_d-E(P_d)

其中，P_c为修正后引入补偿量后搅拌头707实际位置，P_d为期望搅拌头707位置，E(P_d)为三维位置误差；

其中，T_yx为XY轴间垂直度误差，T_zx为ZX轴间垂直度误差，

为X轴位移误差，

为Y轴位移误差，

为Z轴位移误差，E为累积误差；

三个方向位移和转角误差近似表示为：

其中，i表示X.Y.Z坐标轴；下标x.y.z表示沿X.Y.Z轴的移动或绕X.Y.Z轴的转动；δ表示转角；△表示位移。

Claims (9)

1.一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：包括底座、工作台、龙门架、纵向位移机构、第一横向位移机构、第一竖向位移机构、焊接修复机构和控制器；所述的工作台设在底座上；底座的两侧分别设有纵向位移机构，龙门架两侧立柱的下端分别与纵向位移机构的纵向位移连接板相连；所述的第一横向位移机构设在龙门架上部的横梁上，第一竖向位移机构与第一横向位移机构的横向位移连接架相连；所述的焊接修复机构设在第一竖向位移机构的下端；

所述的龙门架两侧立柱的下部分别设有翻转夹持机构，所述的翻转夹持机构包括第二竖向位移机构、滑动连接架、第二横向位移机构、夹持头、夹持头转轴、夹持头连接座、夹持头驱动电机；所述的第二竖向位移机构设在龙门架立柱的下部，滑动连接架与第二竖向位移机构滑动连接；第二横向位移机构设在滑动连接架上部，夹持头连接座与第二横向位移机构滑动连接；夹持头设在夹持头转轴前端，夹持头转轴通过轴承座与夹持头连接座枢接；夹持头驱动电机设在夹持头连接座上方，夹持头驱动电机的输出轴与夹持头转轴通过齿轮啮合驱动夹持头转轴转动；龙门架两侧的翻转夹持机构相对设置；

所述的焊接修复机构包括电机固定板、电机升降缸、主轴电机、砂轮电机、吸尘盒，所述的电机固定板设在第一竖向位移机构的下端，电机升降缸上端与电机固定板固连，电机升降缸下端的伸缩杆与主轴电机上端相连；电机固定板下部设有电机固定环，电机固定环与电机固定板固连，电机固定环套设在主轴电机下部，主轴电机下端输出端与三坐标测量头或搅拌头相连；砂轮电机设在电机固定环一侧，砂轮电机下端输出轴连接有砂轮；所述的吸尘盒设在电机固定环下方；

所述的控制器设在底座上，分别与纵向位移机构、第一横向位移机构、第一竖向位移机构、焊接修复机构中的主轴电机以及翻转夹持机构中的第二竖向位移机构、第二横向位移机构、夹持头驱动电机相连，并采集和输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：所述的纵向位移机构包括纵向滑轨、纵向驱动电机、纵向位移连接板和光栅尺和光栅尺导轨；所述的纵向滑轨沿底座的纵向设置，纵向滑轨两端设有防撞减震器；纵向驱动电机设在一端，输出轴与纵向丝杠螺杆相连，纵向丝杠螺杆与纵向滑轨平行，纵向丝杠螺杆的另一端与底座通过轴承座连接；纵向位移连接板通过滑块与纵向滑轨滑动连接；纵向位移连接板底部设有纵向丝杠螺母，纵向丝杠螺杆与纵向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；所述的光栅尺导轨与纵向滑轨平行设置，光栅尺通过光栅尺连接板固定在纵向位移连接板下部，一端与光栅尺导轨相连；

所述的第一横向位移机构包括第一横向滑轨、第一横向驱动电机、第一横向丝杠螺杆、横向位移连接架、第一横向丝杠螺母，第一横向滑轨设在龙门架上部的横梁上，第一横向驱动电机设在横梁一端，输出轴与第一横向丝杠螺杆相连，第一横向丝杠螺杆与第一横向滑轨平行设置，第一横向丝杠螺杆的另一端与龙门架横梁通过轴承座连接；横向位移连接架通过滑块与第一横向滑轨滑动连接；横向位移连接架底部设有第一横向丝杠螺母，第一横向丝杠螺杆与第一横向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；

所述的第一竖向位移机构包括固定架、第一竖向滑轨、第一竖向驱动电机、第一竖向丝杠螺杆、第一竖向丝杠螺母，所述的固定架固定在横向位移连接架的侧面；第一竖向滑轨上端与第一竖向驱动电机相连，下端与焊接修复机构相连；固定架通过滑块与第一竖向滑轨滑动连接；第一竖向丝杠螺母固定在固定架内，第一竖向驱动电机的输出轴与第一竖向丝杠螺杆上端相连，第一竖向丝杠螺杆的下端穿过第一竖向丝杠螺母并与焊接修复机构相连；

所述的纵向驱动电机、第一横向驱动电机和第一竖向驱动电机分别与控制器相连，受控制器控制。

3.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：所述的第二竖向位移机构包括第二竖向滑轨、第二竖向驱动电机、第二竖向丝杠螺杆、第二竖向丝杠螺母，所述的第二竖向滑轨设在滑动连接架的两侧，与龙门架的立柱固定连接；滑动连接架通过滑块与第二竖向滑轨滑动连接；第二竖向驱动电机设在滑动连接架的一侧，与龙门架的立柱固定连接；第二竖向驱动电机的输出轴与第二竖向丝杠螺杆相连，第二竖向丝杠螺杆的另一端与滑动连接架通过轴承座连接；第二竖向丝杠螺母设在滑动连接架的一侧，第二竖向丝杠螺杆与第二竖向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；

所述的第二横向位移机构包括第二横向滑轨、第二横向驱动电机、第二横向丝杠螺杆、第二横向丝杠螺母，所述的第二横向滑轨设在滑动连接架的顶部，夹持头连接座通过滑块与第二横向滑轨滑动连接；第二横向驱动电机固定在滑动连接架顶部的外端，第二横向驱动电机的输出轴与第二横向丝杠螺杆相连，第二横向丝杠螺杆的另一端与滑动连接架通过轴承座连接；第二横向丝杠螺母设在夹持头连接座底部，第二横向丝杠螺杆与第二横向丝杠螺母连接配合形成丝杠副；

所述的第二竖向驱动电机和第二横向驱动电机分别与控制器相连，受控制器控制。

4.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：所述的夹持头为凸台型夹持头，表面设有仿形凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：所述的工作台一端设有举升压紧机构，另一端设有固定压紧机构；所述的举升压紧机构包括举升滑轨支架、举升滑轨、举升缸、举升辅助台、举升板、第一压紧气缸和第一压紧杠杆，所述的举升滑轨支架设在工作台底部，举升滑轨竖向设在举升滑轨支架侧壁；举升缸设在工作台下方，固定在底座上；举升缸推杆顶端与举升辅助台相连，举升辅助台一端通过滑块与举升滑轨滑动连接，举升板设在举升辅助台上；第一压紧气缸设在举升辅助台上，第一压紧气缸的推杆与第一压紧杠杆下端铰接；第一压紧杠杆中部与举升板外侧铰接；

所述的固定压紧机构包括第二压紧气缸、第二压紧杠杆和固定挡块，所述的第二压紧气缸设在工作台底部，第二压紧气缸的推杆与第二压紧杠杆下端铰接；第二压紧杠杆中部与工作台外侧铰接；固定挡块设在工作台外侧上部；

所述的举升缸、第一压紧气缸和第二压紧气缸分别与控制器相连，受控制器控制。

6.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：所述的工作台后部设有刀架，刀架上端设有刀柄夹拖板，刀柄夹拖板前部设有数个刀柄夹拖部，用于夹持备用搅拌头或三坐标测量头；刀柄夹拖板上设有滑动刀架保护罩。

7.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：所述的吸尘盒通过弹簧与电机固定环相连，吸尘盒中部、位于焊接前进方向的一侧设有凹口，搅拌头垂直方向正对凹口处；吸尘盒内部为空腔，并通过吸尘管与吸尘器相连。

8.根据权利要求1所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：纵向位移机构带动龙门架纵向向前移动，到达待加工壳体工件处，龙门架两侧立柱下部的翻转夹持机构中，先通过第二竖向位移机构带动滑动连接架到达指定高度，再通过第二横向位移机构带动，使两侧的夹持头连接座相向运动，使两侧的夹持头夹持住待加工壳体工件两侧；第二竖向位移机构使滑动连接架上升到指定高度；最后纵向位移机构带动龙门架纵向向后移动，使待加工壳体工件到达工作台上方；

进行搅拌摩擦焊接或焊接修复时，夹持头在夹持头驱动电机的驱动下，使待加工壳体工件旋转到合适角度；第二竖向位移机构使滑动连接架下降到指定高度，待加工壳体工件落在工作台上，一端抵在工作台的固定挡块上；工作台一端的固定压紧机构的第二压紧气缸推动第二压紧杠杆绕铰接轴转动至上端压住待加工壳体工件，工作台另一端的举升压紧机构中，举升缸推动举升辅助台在举升滑轨上滑动，带动举升板托举待加工壳体工件进行找平，之后第一压紧气缸推动第一压紧杠杆绕铰接轴转动至上端压住待加工壳体工件，共同完成对待加工壳体工件的固定压紧；

第一横向位移机构和第一竖向位移机构联合运动，使焊接修复机构到达待焊接修复区域，电机升降缸带动主轴电机上升至搅拌头高于砂轮，启动砂轮电机，驱动砂轮旋转对需要修复处进行打磨，打磨过程中产生的碎屑被吸尘盒吸收，防止污染工作环境；打磨后焊接修复机构重回焊接起点，电机升降缸带动主轴电机下降至搅拌头低于砂轮，开始对打磨后需要补焊处进行焊接。

9.根据权利要求8所述的一种自动夹取动龙门式搅拌摩擦焊缺陷修复设备，其特征在于：焊接修复机构的三坐标测量头对待加工壳体工件表面和焊接修复机构间的垂直度和焊缝参数进行测量，检测完后焊接修复机构对焊缝进行打磨或移动至刀架处更换搅拌头进行修补焊接加工；三坐标测量头对参数进行测量后，收集到的数据通过控制器调节偏差角度，使待加工壳体工件表面和焊接修复机构间的相对于标准垂直的偏差角小于±5″，自动移动焊接修复机构至焊缝

起点，移动满足如下关系：

焊接修复机构包括平移运动和倾斜，x、y、z为焊接修复机构沿X、Y、Z轴位移，α、β、γ为焊接修复机构沿X、Y、Z轴倾斜角度：

j→i齐次坐标变换矩阵：

其中

焊接修复机构沿X轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构沿Y轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构沿Z轴倾斜角度变换矩阵；

焊接修复机构沿Z轴位移变换矩阵；

焊接修复机构沿Y轴位移变换矩阵；

焊接修复机构沿X轴位移变换矩阵；

搅拌摩擦焊运动轨迹为直线，起点终点位置分别为P1、P2，补偿量后搅拌头实际位置P，k为误差补偿系数：

P＝P₁+k(P₂-P₁)k∈[0,1]

修正后起点终点位置分别为P_1c、P_2c：

P_c＝P_1c+k(P_2c-P_1c)k∈[0,1]

P_c＝P_d-E(P_d)

其中，P_c为修正后引入补偿量后搅拌头实际位置，P_d为期望搅拌头位置，E(P_d)为三维位置误差；

其中，T_yx为XY轴间垂直度误差，T_zx为ZX轴间垂直度误差，

为X轴位移误差，

为Y轴位移误差，

为Z轴位移误差，E为累积误差；

三个方向位移和转角误差近似表示为：

其中，i表示X.Y.Z坐标轴；下标x.y.z表示沿X.Y.Z轴的移动或绕X.Y.Z轴的转动；δ表示转角；△表示位移。

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