CN115815783A - 一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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、焊接机构、夹紧固定机构和控制器；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，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；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。本发明通过对焊接机构搅拌头位移的精准控制，结合一轴多用能力，焊接机构更换三坐标测量头实现焊接区域定位、检测，工业相机安装在焊接机构上俯视监测工件表面加工质量，监测更直观，以便控制器控制焊接机构达到更好焊接质量，大大提高了焊接的效率。

Description

一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊设备领域，涉及一种兼具自动定位检测质量的摩擦焊设备，特别涉及一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备。

背景技术

随着制造业飞速发展，对连接技术的要求逐渐增高，焊接作为连接的重要方法，在质量与效率方面也被提出更高要求。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。从问世以来，国内外对其展开了各项优化研究设计，正向着高质量、高效率、高精度、多功能方向发展。目前搅拌摩擦焊需要借助其他器械(机械手)配合实现夹取、翻转，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，监测相机位置通常在侧面，离主轴较远、没有从主轴俯视观察表面加工质量清晰；定位、检测通常要单独设立工位进行，多工位增加装卸次数影响精度、耗时耗力。随着工业4.0的提出，亟需一种多功能、“一机多用”、“一轴多用”的搅拌摩擦焊设备，以减少其他机器配合、降低成本、提高效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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、焊接机构、夹紧固定机构和控制器；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；

所述的焊接机构包括主轴电机、相机驱动电机和工业相机，所述的主轴电机设在焊接机构下端，主轴电机输出端与三坐标测量头或搅拌头相连；所述的相机驱动电机设在主轴电机的侧边，工业相机与相机驱动电机的输出轴相连；

所述的夹紧固定机构设在工作台的横向两侧；

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、焊接机构中的主轴电机、相机驱动电机和工业相机、夹紧固定机构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。

所述的夹紧固定机构包括固定支架，所述的固定支架分别设在工作台的横向两侧，固定支架上分别设有杠杆缸，两侧的杠杆缸相对设置；其中一侧的固定支架上还设有固定挡块，另一侧的固定支架上设有压紧气缸，压紧气缸输出端设有移动挡块；所述的杠杆缸和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，在刀柄夹拖板未升起时，刀架从底面托住刀柄夹拖板，刀架固连竖直的电动推杆，电动推杆的推杆顶部与刀柄夹拖板尾端固连；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。

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；夹紧固定机构一侧的压紧气缸推动移动挡块向另一侧移动，与另一侧的固定挡块共同作用夹紧待加工壳体工件；两侧的杠杆缸转动杠杆缸夹紧臂将待加工壳体工件在工作台上夹紧固定。

第一横向位移机构和第一竖向位移机构联合运动，使焊接机构到达待焊接区域，焊接机构的三坐标测量头对待加工壳体工件表面和焊接机构间的垂直度和焊缝参数进行测量，检测完后焊接机构至刀架处更换搅拌头进行焊接加工；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机构间的相对于标准垂直的偏差角小于±5″，自动移动焊接机构至焊接起点，移动满足如下关系：

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

j→i齐次坐标变换矩阵：

其中

焊接机构沿X轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Y轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Z轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Z轴位移变换矩阵；

焊接机构沿Y轴位移变换矩阵；

焊接机构沿X轴位移变换矩阵；

当需要对待加工壳体工件进行翻转焊接加工时，利用两侧的夹持头夹起待加工壳体工件，在夹持头驱动电机的驱动下，使待加工壳体工件旋转；一边旋转，一边通过焊接机构对其进行焊接加工。

实现“一轴多用”自动定位、检测焊接区域各项参数后焊接，提高焊接质量，焊接机构侧面的工业相机(CCD)用于实时监测。

进一步的，本发明确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业相机镜头的焦距(f)，对工业相机和镜头进行选型，计算方法如下：

其中，H代表CCD靶面水平宽度，V代表CCD靶面垂直高度。

进一步的，本发明搅拌头工作时轴肩和搅拌针在焊接温度约为母材熔点80％时最优；

本发明搅拌摩擦焊接总热输入如下：

轴肩与母材摩擦产生热量：

搅拌针与母材摩擦产生热量：

搅拌针端面母材摩擦产生热量：

搅拌摩擦焊接总热输入：Q＝Q1+Q2+Q3；

因此

其中，R1为轴肩半径；R2为搅拌头根部半径；R3为搅拌头端部半径；σ_v为铝合金屈服强度；τ_v为屈服剪切应力；n为搅拌头转速；α为锥角；β为轴肩内凹角；

搅拌头端部搅拌针的长度为焊件厚度的70％～80％时，成形质量最好；搅拌头轴肩的作用是限制塑变金属从成形区溢出，同时产生一定的热输入；轴肩尺寸过大，热输入量增加，将导致热影响区尺寸增大，焊件易产生变形；肩部尺寸过小，需通过增大旋转速度或降低焊速保证热输入量，因而成形效率较低，本发明中，当搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径之比为3：1时效果最好。

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；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。本发明通过对焊接机构搅拌头位移的精准控制，结合一轴多用能力，焊接机构更换三坐标测量头实现焊接区域定位、检测，工业相机安装在焊接机构上俯视监测工件表面加工质量，监测更直观，以便控制器控制焊接机构达到更好焊接质量，大大提高了焊接的效率。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明纵向位移机构结构示意图；

图3为本发明第一横向位移机构结构示意图；

图4为本发明第一竖向位移机构结构示意图；

图5为本发明夹紧固定机构结构示意图；

图6为本发明翻转夹持机构结构示意图；

图7为本发明刀架结构示意图；

1、底座2、工作台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、光栅尺405、光栅尺导轨406、纵向丝杠螺杆407、纵向丝杠螺母；

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、焊接机构701、主轴电机702、相机驱动电机703、工业相机704、三坐标测量头705、搅拌头；

8、夹紧固定机构801、固定支架802、杠杆缸803、固定挡块804、压紧气缸805、移动挡块

9、控制器 10、翻转夹持机构；

11、第二竖向位移机构 1101、第二竖向滑轨 1102、第二竖向驱动电机；

12、滑动连接架；

13、第二横向位移机构1301、第二横向滑轨1302、第二横向驱动电机1303、第二横向丝杠螺杆；

14、夹持头1401、仿形凹槽；

15、夹持头转轴16、夹持头连接座17、夹持头驱动电机；

18、刀架1801、刀柄夹拖板1802、电动推杆1803、刀柄夹拖部。

具体实施方式

参阅图1-7所示：

本发明提供的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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、焊接机构7、夹紧固定机构8和控制器9；所述的底座1为工字型铸钢一体成型底座，工作台2设在底座1的横梁中部；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10，所述的翻转夹持机构10包括第二竖向位移机构11、滑动连接架12、第二横向位移机构13、夹持头14、夹持头转轴15、夹持头连接座16、夹持头驱动电机17；所述的第二竖向位移机构11设在龙门架3立柱的下部，滑动连接架12与第二竖向位移机构11滑动连接；第二横向位移机构13设在滑动连接架12上部，夹持头连接座16与第二横向位移机构13滑动连接；夹持头14设在夹持头转轴15前端，夹持头转轴15后端通过轴承座与夹持头连接座16枢接；夹持头14伸出到龙门架3之外；夹持头驱动电机17设在夹持头连接座16上方，夹持头驱动电机17的输出轴与夹持头转轴15通过齿轮啮合驱动夹持头转轴15转动；龙门架3两侧的翻转夹持机构10相对设置；

所述的焊接机构7包括主轴电机701、相机驱动电机702和工业相机703，所述的主轴电机701设在焊接机构7下端，主轴电机701输出端与三坐标测量头704或搅拌头705相连；所述的相机驱动电机702设在主轴电机701的侧边，工业相机703与相机驱动电机702的输出轴相连；

所述的夹紧固定机构8设在工作台2的横向两侧；

所述的控制器9设在底座1上，控制器9包括数据采集器、数据处理器、PLC控制器、显示器、按键等模块，均为现有设备，用于实现数据采集、处理、输出控制信号、人机交互等功能；控制器9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、焊接机构7中的主轴电机701、相机驱动电机702和工业相机703、夹紧固定机构8以及翻转夹持机构10中的第二竖向位移机构11、第二横向位移机构13、夹持头驱动电机17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、光栅尺404和光栅尺导轨405；所述的纵向滑轨401沿底座1两侧纵向设置，纵向驱动电机402设在一端，输出轴与纵向丝杠螺杆406相连，纵向丝杠螺杆406与纵向滑轨401平行，纵向丝杠螺杆406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407，纵向丝杠螺杆406与纵向丝杠螺母407连接配合形成丝杠副，纵向驱动电机402通过正向或反向驱动纵向丝杠螺杆406旋转，由纵向丝杠螺母407转化为纵向位移连接板403的前后纵向平移运动，进而带动龙门架3整体前后纵向平移运动；所述的光栅尺导轨405与纵向滑轨401平行设置，光栅尺404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405相连，用于测量纵向位移连接板403的精确位移距离；

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设在龙门架3上部的横梁上，沿横梁方向设置；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9相连，受控制器9控制。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外部均设有风琴罩，用于防尘。

所述的第二竖向位移机构11包括第二竖向滑轨1101、第二竖向驱动电机1102、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1101至少为四个，两个一组分别设在滑动连接架12的两侧，与龙门架3的立柱内壁固定连接；滑动连接架12通过滑块与第二竖向滑轨1101滑动连接；第二竖向驱动电机1102设在滑动连接架12的一侧，与龙门架3的立柱固定连接；第二竖向驱动电机1102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12通过轴承座连接；第二竖向丝杠螺母设在滑动连接架12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1102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12的上下位移运动；

所述的第二横向位移机构13包括第二横向滑轨1301、第二横向驱动电机1302、第二横向丝杠螺杆1303、第二横向丝杠螺母，所述的第二横向滑轨1301设在滑动连接架12的顶部，夹持头连接座16通过滑块与第二横向滑轨1301滑动连接；第二横向驱动电机1302固定在滑动连接架12顶部的外端，第二横向驱动电机1302的输出轴与第二横向丝杠螺杆1303相连，第二横向丝杠螺杆1303的另一端与滑动连接架12通过轴承座连接；第二横向丝杠螺母设在夹持头连接座16底部，第二横向丝杠螺杆1303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1302通过正向或反向驱动第二横向丝杠螺杆1303旋转，由第二横向丝杠螺母转化为夹持头连接座16的左右横向平移运动；龙门架3两侧的翻转夹持机构10同步对称式运动，即两侧的夹持头连接座16在第二横向位移机构13的驱动下，相向运动，或相反运动。

所述的第二竖向驱动电机1102和第二横向驱动电机1302分别与控制器9相连，受控制器9控制。

所述的夹持头14为凸台型夹持头14，表面设有仿形凹槽1401，对称分布在夹持头14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。

所述的夹紧固定机构8包括固定支架801，所述的固定支架801分别设在工作台2的横向两侧，每个固定支架801上分别设有至少两个杠杆缸802，所述的杠杆缸802为空压普通配管式杠杆缸，两侧固定支架801上的杠杆缸802相对设置；其中一侧的固定支架801上还设有固定挡块803，另一侧的固定支架801上设有压紧气缸804，压紧气缸804输出端设有移动挡块805；移动挡块805与固定挡块803相对设置，压紧气缸804输出端推动移动挡块805伸缩运动；所述的杠杆缸802和压紧气缸804分别与控制器9相连，受控制器9控制。

所述的工作台2后部设有刀架18，刀架18上端设有刀柄夹拖板1801，在刀柄夹拖板1801未升起时，刀架18从底面托住刀柄夹拖板1801，刀架18上设有竖直的电动推杆1802并与之固连，电动推杆1802的推杆顶部与刀柄夹拖板1801尾端固连，电动推杆1802用于顶升刀柄夹拖板1801；刀柄夹拖板1801前部设有数个刀柄夹拖部1803，用于夹持备用搅拌头705或三坐标测量头704；便于焊接机构7的主轴电机701更换三坐标测量头704或搅拌头705。

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10中，先通过第二竖向位移机构11带动滑动连接架12到达指定高度，再通过第二横向位移机构13带动，使两侧的夹持头连接座16相向运动，使两侧的夹持头14夹持住待加工壳体工件两侧；第二竖向位移机构11使滑动连接架12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。

进行搅拌摩擦焊接时，夹持头14在夹持头驱动电机17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11使滑动连接架12下降到指定高度，待加工壳体工件落在工作台2上；夹紧固定机构8一侧的压紧气缸804推动移动挡块805向另一侧移动，与另一侧的固定挡块803共同作用夹紧待加工壳体工件；两侧固定支架801的杠杆缸802转动杠杆缸夹紧臂将待加工壳体工件在工作台2上夹紧固定。

第一横向位移机构5和第一竖向位移机构6联合运动，使焊接机构7到达待焊接区域，焊接机构7的三坐标测量头704对待加工壳体工件表面和焊接机构7间的垂直度和焊缝参数进行测量，检测完后焊接机构7至刀架18处更换搅拌头705进行焊接加工；三坐标测量头704对参数进行测量后，收集到的数据通过控制器9调节偏差角度，使待加工壳体工件表面和焊接机构7间的相对于标准垂直的偏差角小于±5″，自动移动焊接机构7至焊接起点，移动满足如下关系：

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

j→i齐次坐标变换矩阵：

其中

焊接机构沿X轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Y轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Z轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Z轴位移变换矩阵；

焊接机构沿Y轴位移变换矩阵；

焊接机构沿X轴位移变换矩阵；

当需要对待加工壳体工件进行翻转焊接加工时，利用两侧的夹持头14夹起待加工壳体工件，在夹持头驱动电机17的驱动下，使待加工壳体工件旋转；一边旋转，一边通过焊接机构7对其进行焊接加工。

实现“一轴多用”自动定位、检测焊接区域各项参数后焊接，提高焊接质量，焊接机构7侧面的工业相机703(CCD)用于实时监测。

进一步的，本发明确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业相机703镜头的焦距(f)，对工业相机703和镜头进行选型，计算方法如下：

其中，H代表CCD靶面水平宽度，V代表CCD靶面垂直高度。

进一步的，本发明搅拌头705工作时轴肩和搅拌针在焊接温度约为母材熔点80％时最优；

本发明搅拌摩擦焊接总热输入如下：

轴肩与母材摩擦产生热量：

搅拌针与母材摩擦产生热量：

搅拌针端面母材摩擦产生热量：

搅拌摩擦焊接总热输入：Q＝Q1+Q2+Q3；

因此

其中，R1为轴肩半径；R2为搅拌头705根部半径；R3为搅拌头705端部半径；σ_v为铝合金屈服强度；τ_v为屈服剪切应力；n为搅拌头705转速；α为锥角；β为轴肩内凹角；

搅拌头705端部搅拌针的长度为焊件厚度的70％～80％时，成形质量最好；搅拌头705轴肩的作用是限制塑变金属从成形区溢出，同时产生一定的热输入；轴肩尺寸过大，热输入量增加，将导致热影响区尺寸增大，焊件易产生变形；肩部尺寸过小，需通过增大旋转速度或降低焊速保证热输入量，因而成形效率较低，本发明中，当搅拌头705的轴肩直径与搅拌针直径之比为3：1时效果最好。

进一步的，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705实际位置，P_d为期望搅拌头705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 (10)

1.一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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、焊接机构、夹紧固定机构和控制器；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；

所述的焊接机构包括主轴电机、相机驱动电机和工业相机，所述的主轴电机设在焊接机构下端，主轴电机输出端与三坐标测量头或搅拌头相连；所述的相机驱动电机设在主轴电机的侧边，工业相机与相机驱动电机的输出轴相连，工业相机进行实时监测；

所述的夹紧固定机构设在工作台的横向两侧；

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、焊接机构中的主轴电机、相机驱动电机和工业相机、夹紧固定机构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所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，其特征在于：所述的夹紧固定机构包括固定支架，所述的固定支架分别设在工作台的横向两侧，固定支架上分别设有杠杆缸，两侧的杠杆缸相对设置；其中一侧的固定支架上还设有固定挡块，另一侧的固定支架上设有压紧气缸，压紧气缸输出端设有移动挡块；所述的杠杆缸和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所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，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，在刀柄夹拖板未升起时，刀架从底面托住刀柄夹拖板，刀架固连竖直的电动推杆，电动推杆的推杆顶部与刀柄夹拖板尾端固连；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。

7.根据权利要求1所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，其特征在于：第一横向位移机构和第一竖向位移机构联合运动，使焊接机构到达待焊接区域，焊接机构的三坐标测量头对待加工壳体工件表面和焊接机构间的垂直度和焊缝参数进行测量，检测完后焊接机构至刀架处更换搅拌头进行焊接加工；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机构间的相对于标准垂直的偏差角小于±5″，自动移动焊接机构至焊接起点，移动满足如下关系：

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

j→i齐次坐标变换矩阵：

其中

焊接机构沿X轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Y轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Z轴倾斜角度变换矩阵；

焊接机构沿Z轴位移变换矩阵；

焊接机构沿Y轴位移变换矩阵；

焊接机构沿X轴位移变换矩阵；

当需要对待加工壳体工件进行翻转焊接加工时，利用两侧的夹持头夹起待加工壳体工件，在夹持头驱动电机的驱动下，使待加工壳体工件旋转；一边旋转，一边通过焊接机构对其进行焊接加工。

8.根据权利要求1所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，其特征在于：确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业相机镜头的焦距(f)，对工业相机和镜头进行选型，计算方法如下：

其中，H代表CCD靶面水平宽度，V代表CCD靶面垂直高度。

9.根据权利要求1所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，其特征在于：搅拌头工作时轴肩和搅拌针在焊接温度约为母材熔点80％时最优；

本发明搅拌摩擦焊接总热输入如下：

轴肩与母材摩擦产生热量：

搅拌针与母材摩擦产生热量：

搅拌针端面母材摩擦产生热量：

搅拌摩擦焊接总热输入：Q＝Q1+Q2+Q3；

因此

其中，R1为轴肩半径；R2为搅拌头根部半径；R3为搅拌头端部半径；σ_v为铝合金屈服强度；τ_v为屈服剪切应力；n为搅拌头转速；α为锥角；β为轴肩内凹角；

搅拌头端部搅拌针的长度为焊件厚度的70％～80％时，成形质量最好；搅拌头轴肩的作用是限制塑变金属从成形区溢出，同时产生一定的热输入；轴肩尺寸过大，热输入量增加，将导致热影响区尺寸增大，焊件易产生变形；肩部尺寸过小，需通过增大旋转速度或降低焊速保证热输入量，因而成形效率较低，本发明中，当搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径之比为3：1时效果最好。

10.根据权利要求1所述的一种自动定位检测夹取的动龙门式壳体搅拌摩擦焊设备，其特征在于：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。

Images