CN1166804A - 柱栓焊接装置 - Google Patents

Abstract

柱栓焊接装置，带有一沿轴向可移动的调节器件(3，17)，用于从一前方位置移动到一后部位置，并回返过来，装置中一磁场和一线圈(15)相互作用的方式是，当线圈(15)连接于一可控制的电流源(41)时，就会产生一种轴向力，以便移动调节器件(3，17)，其动作传递到一柱栓夹持器(2)，其特征在于，线圈(15)刚性地配置在一中空主体(14)上面，此主体连接于调节器件(3，17)并沿轴向可活动地设置在一可磁化的芯体(8)与一可磁化的壳罩(10)的气隙(13)之中，磁场经由至少一个连接芯体(8)和壳罩(10)的轭体(9)而被传输，同时沿径向穿过线圈(15)，线圈在调节器件(3，17)上施加一个在电源控制期间依赖于电流方向的、只在一个方向上作用的轴向力。

Description

柱栓焊接装置

本发明涉及一种柱栓焊接装置，带有一沿轴向可移动的调节器件，用于从一前方位置移动到一后部位置，并回返过来，其中一磁场和一线圈相互作用的方式是，当线圈连接于一可控制的电流源时，就会产生一种轴向力，以便移动调节器件，其动作可传递到一柱栓夹持器。

已知美国专利5321226中有一种这类柱栓焊接装置。这一装置所依据的操作原理示于图5之中。在此装置中，一设计成一磁棒的永久磁铁沿轴向被推来推去，以形成一调节器件，在它的上面设置一个柱栓夹持器，以便一固定在柱栓夹持器之中的柱栓可在调节器件移动期间被沿轴向移动。这种移动随后以通常方式被用于起弧和把柱栓焊接于工件。所施加的用于移动磁棒的作用力源自两个以相反的缠绕方向一个接一个地沿轴向设置的线圈，它们在电流流动期间形成具有相反极性的两个电磁铁，磁棒可沿着线圈轴线作轴向移动，更特殊地，可移动到各线圈的两个相应外端处的一个止动件处。

当两个线圈因电流的流动而被激励时，受到各止动件的阻止而不能向外移动的磁棒一定要在由于它所产生的磁场方向而在起初受其排斥的另一线圈的方向上移动。这一排斥力必须要由起初包含各磁棒的线圈予以克服，所以磁棒就从这一线圈中移出而进入另一空着的线圈，直到它达到在其另一端部处的相应止动件为止。为了磁棒的回返运动，电流流动的极性则必须经由串联的两个线圈而予以反转。这一磁性装置显然取决于各相互作用的磁场的特殊均衡，结果是，在永久磁铁的继续运动期间，作用在它上面的力在相当大的程度上发生变化。一当起初出自空出的线圈的排斥力已经得到克服，则磁棒一进入空出的线圈就会被不断增大力的吸进空出的线圈。对于调节器件在柱栓相应的各个位置处以一特定速度作受控的运动来说，这是一种问题，特别是如果要防止柱栓以过高速度沉入由电弧造成的熔体之中的话。

本发明的目的是，在采用开头所提及的磁学原理的同时，以如下方式设计柱(螺)栓焊接装置：在激励线圈的一给定电流强度下，由磁场作用在调节器件上的轴向力与位置无关地基本上保持不变。

按照本发明可实现这一目的，原因是：线圈刚性地配置在一中空主体上面，此主体连接于调节器件并沿轴向可活动地设置一可磁化的芯体与一可磁化的壳罩之间的气隙之中，磁场经由至少一个连接芯体和壳罩的轭体而被传输，同时沿径向穿过线圈，线圈在调节器件上施加一个在电流控制期间依赖于电流方向的、只在一个方向上作用的轴向力。

采用这种设计时，中空主体连同由它托持的线圈构成了一相对较轻的部件。至少在焊接过程期间的运动范围之内作轴向移动时，它基本上处在沿径向展开的磁场之内，所以，当经由线圈流动的电流不变时。线圈在轴向移动期间处于一基本上稳定的轴向力作用之下。作用在线圈上，因而是中空主体连同调节器件上的轴向力因而可以针对在线圈的调节路径之内的每一位置精确地计算出来。这样可带来显著地超过那些在先前技术中沿轴向移动的磁棒的优点，即对于产生轴向力是决定性的那些部件，即线圈和托持它的中空主体，可以在结构上相对地重量较小。比如，中空主体可以由一种轻质塑料构成。另一方面，按照先前技术的磁棒，如果它要产生一个具有很大强度的磁场，就要有相当大的质量。这一质量可抵消为调节器件的调节动作所需要的，而当时必须由通过串联的两个线圈的适当高电流来产生的加速度。另一方面，采用符合本发明的结构时，由于其相对较小的质量，可以容易地实现加速和减速。

以如下方式设计装置可以提高调节器件的调节精度：一弹簧，把调节器件推压到一由一作用在调节器件上的止动件限定的终止位置。如果弹簧抵抗由线圈施加的轴向力，轴向力就必须克服弹簧力，以使调节器件从其止动件处抬起。所需的轴向力可以通过调节一经由线圈流动的相应电流而非常精确地予以调节，而弹簧的弹簧力在弹簧压缩期间不断增大也可予以考虑。相反，有可能借助于一适当的轴向力确保，如果弹簧力大于轴向力，调节器件可以移动而返回止动件。

为产生轴向力所需的磁场可由一永久磁铁提供，但为此目的也可以设置一电磁铁。

如果使用一永久磁铁，最好是结合在柱栓焊接装置的外壳中。如果使用一电磁铁，可以安放在芯体与轭件的连接部分之中。

如果调节器件要按照一预定的运动模式移动，柱栓焊接装置最好是设计成：配置一直线位移测定装置，从中可生成一位移讯号，它对应于外壳和调节器件的相应的相对位置并且，作为一实际值讯号，在一比较器中以步进方式与一来自一以步进方式从一存储器中读入的关于柱栓夹持器运动的预定位移-时间图线的预定值进行对比，比较器的对比讯号控制用于供给线圈的一电流源的电流强度。

通过使用位移测定装置和比较器使实际讯号与储存起来的所需讯号对比来实现一种控制过程，这一控制过程可确保，从位移测定装置产生的位移讯号总是对应于出自位移-时间图线的相应数据，以致在调节器件运动期间可以以很大的精度保持对应于位移-时间图线的动作序列。特别是，这样造成一种具有适当的时间间隔的迅速的柱栓抬起动作和一种相应迅速的柱栓回返，而以利于材料在焊接部位处的熔融，另外还可能把柱栓在最后进入熔体的回返动作设计成：焊接柱栓以一适当的速度沉入熔体，特别是可防止熔融的材料在焊接柱栓冲撞时飞溅开来，当一弹簧被单独使用以产生一焊接柱栓的回返力时，经常会出现这种情况。

在存储器中储存位移-时间图线也使得可能按照每一情况下有待焊接的工件来提供各种不同的位移-时间图线，这些位移-时间图线在操作柱栓焊接装置时可以任由选择地予以提取。

包括柱栓夹持器的调节器件最好是由弹簧推压而进入其相对于柱栓焊接装置的前方位置。在由柱栓夹持器夹持一只柱栓施用于一工件期间，调节器件从这一位置被移动到一参照位置，此位置由位移测定装置作为一参照讯号被提供给比较器，从此参照位置导出预定的位移-时间图线。由于这种参照位置，它在柱栓施用在一工件上面时自动地产生，分别预定的位移-时间图线就可以在不对柱栓相对于柱栓焊接装置从事定位而产生出来，分别采取的参照位置则自动地构成柱栓运动的起始位置。在施用柱栓时，柱栓焊接装置将柱栓相对于工件的高度自动定位，而为此目的勿需一种专门的处理。

在通常的一些柱栓焊接机中，诸如那些使用螺线管来控制焊枪从一收回的位置到一操作的位置(在此位置柱栓与它将要焊于其上的金属件相接近)的往返运动的焊接机，还有另一问题，即需要针对每一不同类型的焊接予以调节。由于通常的驱动器的行程往往很短，由于必须对之实施焊接的工件的位置在一大于行程的范围内变动，以及由于柱栓从焊接头“伸出”的多少是变化的，所以，难于在一种平稳的高速操作中包容这些变化因素。采用具有长行程的一种致动器能提高焊接机的可靠性和降低其费用。一般，一适宜的长行程大约是10毫米。

于是，本发明的目的是，提供一种经过改进的磁力驱动的柱栓焊接装置，它能够在一长行程路径上作平稳的高速运作。此目的是靠本发明的结构予以实现的。

本发明此后将参照示于各附图中的一特定实施例而予以详细说明，附图中

图1表明配备一永久磁铁的柱栓焊枪，柱栓夹持器处于其前方位置；

图2是图1的装置沿着直线II-II的剖面；

图3表示图1的柱栓焊枪的磁性部分，但是具有电磁铁，调节件则示于一后方位置；以及

图4是一位移-时间图线，它描绘出一个运动范围，当考虑一给定的工件时，焊接柱栓的运动必需在此范围内。

图1表明一柱栓焊接装置，具有一外壳1、一柱栓夹持器2、一轴向可移动的调节件3和一磁铁装置4。有待焊接于一工件(未画出)上的一焊接柱栓5固紧于柱栓夹持器2之中。外壳1封围着柱栓夹持器2、调节器3和磁铁装置4，并且在其远离柱栓夹持器2的端部处由后部壁板6予以封闭。

负责柱栓夹持器2的移动的磁铁装置4包括永久磁铁7、芯体8，以及连接芯体8并闭合出自永久磁铁7的磁通量的轭体9。永久磁铁的材料是钐钴或钕铁硼，与通常的材料相比，可响应一给定的磁化力而提供一较大的磁场。在其外部，永久磁铁7由壳罩10围绕，此壳罩10由导磁材料构成并经由轭体9把磁通量传导到永久磁铁的后部。在永久磁铁7的内表面11与芯体8的外表面12之间存在气隙13，其中沿轴向可移动地设置带有其上缠绕线圈15的套筒14。跨越气隙13的磁场因而穿过线圈15，以致线圈15在电流流过线圈15时会受到一轴向力的作用。这一轴向力一方面取决于磁场的强度，另一方面取决于流过线圈15的电流的强度，可导致在计及与线圈15相连的各部件的惯性时，在电流流动期间，线圈15并因而套筒14发生一相应的轴向位移。套筒由非导磁材料构成，比如由一种刚性塑料构成，所以它不会影响穿过线圈15的磁场。

延伸段16在焊接柱栓5的方向上邻接套筒14，并继续伸进形成调节件3的一部分的管段17。延伸段16借助于穿过延伸段16和管段17这两个零件的销子18连接于管段17。以这种方式经由延伸段16可形成套筒14对管段17，因而是调节件3的非刚性连接，柱栓夹持器2即固紧于调节件3。由于线圈15与套筒14之间的刚性连接，因磁场而出自线圈15的轴向力直接作用在套筒14上，使得线圈15的轴向运动完全传递到焊接柱栓5。

可移动的调节件3由示于49、50的衬套支承。衬套49、50最好是由氟利隆制成，它是一种包含聚四氟乙烯化合物的复合轴承材料，洛克佛德太平洋轴承密封公司(Pacific Bearing Seal Co.of Rockford，IL)有售，而且已经证实可以承受大量磨蚀性颗粒和离子的作用，它们出现在焊接环境之中并导致大多数已知材料在很短的时间内失效。氟利隆与调节器件3所形成的摩擦出乎意料地低，并且即使在焊枪的极端不利的环境下所具有的寿命也出乎意料地长。

管段17托住螺旋弹簧19，弹簧一端座放在外壳1的一个内部凸台20上面，而另一端座放在调节器件3的一个台肩21上面。螺旋弹簧19压紧调节器件3，以其前表面22顶住外壳1的内部台肩23，内部台肩23形成一止动件，调节器件3抵达这里时即采取其前端位置。

逆着螺旋弹簧19的张力，调节器件3以及所有其他连接于它的零件可以沿轴向移动到一后端位置，此位置由端面24触及壳罩10的前部壁板25而予以限定。为了把管段17以及焊接柱栓5和线圈15引向这一后端位置，一相应的大电流必须供向线圈15，以便产生一可克服螺旋弹簧19的反抗力的轴向力。调节件3/17的调节范围对应于距离D。

柱栓焊接装置的上述各部件基本上是旋转对称体，如图2所示，此图是沿着图1中II-II直线的一个剖面。

图3基本上表示了按照图1的柱栓焊接装置的磁性部分，但在磁铁装置4中配置一电磁铁26，它由一绕组构成并施加用于必需的轴向运动所需的磁场。电磁铁26的绕组绕在芯体27上面，以致出自电磁铁26的磁场经由芯体27传到轭体28，由此再经由壳罩10和嵌入其中的衬套29传向线圈15。在按照图1的实施例中，线圈15绕在套筒14上面，套筒14则向左延续至延伸段16。壳罩10和衬套29由可磁化材料构成。在按照图1的实施例中，整个装置由外壳1封闭。连接在左面的各零件与按照图1的实施例中的各零件相同，所以就此可以参照关于图1的说明。

图3表明套筒14处于其后端位置。在此端部位置上，线圈15被保持在电磁铁26磁场的影响之下，电磁铁26的磁场跨接芯体27的外表面与衬套29的内表面之间的气隙13。一磁通量，沿径向穿过此气隙，而沿轴向可移动地设置在气隙13之中的线圈15处于其作用之下，因而如同在按照图1的实施例之中那样。

在使用示于图1和图3的柱栓焊接装置时，在全部焊接过程所需的高至1秒的时间以内，可以获得以精确保持的速度沿着封闭路径的运动。在运动期间，重要的是利用一种控制电流，在焊接柱栓接触工件时，此电流接通以点燃一控制电弧，此电弧由于焊接柱栓从工件挪开而控制电流已经接通而燃着，随后借助于在保持焊接柱栓处于一后端位置上时也是接通的焊接电弧在工件上产生一种熔体，此后焊接柱栓在工件方向上移动得超过先前采取的起始位置，而焊接柱栓则以其端面沉入接着会凝固的熔体。由于熔体的存在，焊接柱栓所采取的位置比起始位置稍微更前一些，并以一较低速度移至这一位置，以致由于焊接柱栓突然戳入熔体而引起的液态金属的喷溅得以防止。取决于各种焊接参数(工件强度、焊接柱栓的粗细、工件材料和其他)，关于这一系列动作具有各种各样的运动模式，为了获得最佳焊接，必须予以了解。

构成这样一种运动模式的一系列动作画成图4中的图线。焊接柱栓相对于一起始位置O的各个位置L画在图纸的横坐标上。纵坐标表示一代表逝去时间t的时间轴线。在图中，单独的各点因而表示焊接柱栓在一特定时刻tx的位置L。带阴影线的区域表示在此区域内展开的各运动模式的界限值。此区域从起始位置O开始，并行经直线30和31，达到端部位置L1和L2，此时焊接柱栓处于其在时刻t1与t2之间的位置上。直线30和31的倾斜位置表示焊接柱栓在其运动中的速度。在时刻t2之后，焊接柱栓沿着直线32和33移动而返回工件方向，于此，在经过确定起始位置的直线O之后，以一逐渐降低的速度沉入熔体。焊接柱栓穿过从直线O至直线L3的区域，一当达到直线L3，焊接柱栓即已经达到其返程动作的端部位置。如图所示，直线32和33以不断降低的斜度在位置O与L3之间的区域内伸展，表示逐渐降低的速度。

如果所了解的运动模式在此运动期间确切地处于符合图4的带阴影区域之中，则可以产生各个焊接柱栓的最佳焊接。

为了在结合图4所述的某种运动模式方面控制柱栓焊接装置，设置了示于图1的自动重新调定装置。这一重新调定装置依据的是对于调节器件3，因而是焊接柱栓5各个位置的绝对测量，这种测量要借助于线位移测量装置34，它扫描设置在调节器件3上面的一只标尺35，并根据所确定的调节器件3的位置产生一相应的位移讯号。此位移讯号经由导线36供向比较器37，比较器37也经由导线38分步地接收来自存储器39的各个位置讯号，这些讯号表示在存储器39中所包含的某种运动模式的焊接柱栓5所需的讯号。这种所需的讯号，作为一种真实讯号，与经由导线36传递的各个位移讯号相对比，对比的结果经由导线40传向控制器41，此控制器41调节经由导线42供向线圈15的电流的电流强度。导线42在画成一条管子的通道43之中延续，并连接于线圈15的各端。控制器41在其接线端44处接收一电压，此电压随后根据经由导线40供给的对比讯号予以调节。

详细地说，各项操作如下：一或几条位移-时间图线储存在存储器39之中，作为可以任由选择地予以提取的各种运动规则，所以焊接柱栓5在相关各时刻的各个位置可以经由导线38以步进方式馈给比较器37。比较器37把这些以步进方式提供的各个所需讯号与经由导线36供给的一些指明焊接柱栓5的实际位置的实际讯号作对比，在供给比较器37的这些讯号中存在某种偏差的情况下，比较器37发出一控制电压，经由导线40传递，而其数值和符号由控制器41以一种熟知的方式予以控制，其方式是，线圈被供以或强或弱的一股电流，使其能够尽可能靠近地达到焊接柱栓5的所需位置。这一过程是按照出自存储器39的运动模式的形状以步进方式发生的，线圈15，因而以及与它连接成为一体的装置，被强制推移。具体地说，有可能以在焊接工艺进程中相应阶段所需的方式调节线圈15的相应速度。特别是，在工件方向上从后端位置的返回运动因而可在焊接柱栓5浸入熔体期间予以延迟，为此目的，线圈15可能必须接受一股在与以前相反的方向上流动的电流，以便减缓线圈5的运动。

在这种配置之下，有利的是，有可能在柱栓焊接装置应用于一平直工件时自动地给予焊接柱栓5一个参照位置。这一点是依靠把按照图1的柱栓焊接装置压靠于一平直工件而实现的，伸出在点划连接线45以外的焊接柱栓5克服螺旋弹簧19的压力被压回来。点划线45代表一个连接外壳1的端面46和47的平面。当端面46和47施于一平直工件时，相对于焊接柱栓5产生一确定的位置，这一确定的位置，如前所述，给予焊接柱栓5其参照位置，这一参照位置借助于位移测定装置34从标尺35读入，并经由导线48作为一参照讯号传送给比较器37。比较器37因而在此参照讯号与从存储器39读入的所需讯号相比作为真实讯号的基础上开始运作，并必须在焊接过程的起始而焊接柱栓5保持在选用位置上时保持相等。运动模式随后以上述方式被控制，经由导线36供给比较器37的真实讯号以步进方式被计入。

工件并非必需具有平面外形。即使工件在焊接区域具有一些曲线段，仍然能够把焊接柱栓5推移到它的相应的参照位置上，在此位置，焊接柱栓接触工件。这正是以通常的方式施行焊接过程的参照位置。

采用一运动线圈而非一可动永久磁铁，并且选定磁铁材料为一种诸如钐钴或钕铁硼的稀土材料，可以获得高达800毫米/秒的速度和超过5毫米的线圈行程。高达10毫米的线圈行程已经获得过。这种长行程可使致动器的位置得以调节以补偿从一柱栓的端部到工件的距离上的变动。使用一具有的质量比永久磁铁小得多的运动线圈，可以实现线圈的较快反应和较为精确的位置控制。其次，活动永久磁铁由于其对附近金属的吸引而朝着一侧拉拽的趋势，称作离轴侧向加载，会导致轴承的过度磨损和过早失效。采用一种活动线圈可避免这样一种后果。

活动线圈的另一优点是，可避免出现在永磁致动器之中的磁滞现象。由于永久磁铁是由钢制零件围绕着的，在一给定位置上，移动永久磁铁所需的电流大小取决于它是从左面移动还是从右面移动。一活动线圈决不会发生这种效应。因而，活动线圈装置，与一活动永久磁铁和固定线圈装置相比，便于比较简单地和比较精确地控制位置。

因此，虽然本发明已经参照各例证性实施例作了说明，但这种说明并不企望被认作是具有限制意义的。这些例证性实施例，以及本发明的其他各项实施例的各种各样的改型，对于本技术领域中的熟练人员来说，参阅这一说明之后，就将是显而易见的了。因而，可以期望，所附各项权利要求将会概括任何纳入本发明实际范畴的这些改型或实施例。

Claims (19)

1.一种柱栓焊接装置，带有一沿轴向可移动的调节器件(3，17)，用于从一前方位置移动到一后部位置，并回返过来，装置中一磁场和一线圈(15)相互作用的方式是，当线圈(15)连接于一可控制的电流源(41)时，就会产生一种轴向力，以便移动调节器件(3，17)，其动作传递到一柱栓夹持器(2)，其特征在于，线圈(15)刚性地配置在一中空主体(14)上面，此主体连接于调节器件(3，17)并沿轴向可活动地设置在一可磁化的芯体(8)与一可磁化的壳罩(10)的气隙(13)之中，磁场经由至少一个连接芯体(8)和壳罩(10)的轭体(9)而被传输，同时沿径向穿过线圈(15)，线圈在调节器件(3，17)上施加一个在电流控制期间依赖于电流方向的、只在一个方向上作用的轴向力。

2.按照权利要求1所述的柱栓焊接装置，其特征在于，一弹簧(19)作用在调节器件(3，17)上，把调节器件(3，17)压到一由止动件(23)所限定的端部位置。

3.按照权利要求1所述的柱栓焊接装置，其特征在于，磁场是由一永久磁铁(7)施加的。

4.按照权利要求3所述的柱栓焊接装置，其特征在于，永久磁铁(9)结合在壳罩(10)中。

5.按照权利要求1所述的柱栓焊接装置，其特征在于，磁场是由一电磁铁(26)施加的。

6.按照权利要求5所述的柱栓焊接装置，其特征在于，电磁铁(26)构成芯体(27)与轭件(28)之间的连接。

7.按照权利要求1所述的柱栓焊接装置，其特征在于，配置一直线位移测定装置(35)，从它可产生一对应于壳罩(10)和调节器件(3，17)的相应相对位置的位移讯号，这一位移讯号作为实际讯号，在一比较器(37)之中，以步进方式与从一用于柱栓夹持器(2)的运动的存储器(39)中以步进方式读入的一预定位移-时间图线(运动规则)的预定讯号进行对比，比较器(37)的对比讯号控制着一用于供给线圈(15)的电流源(41)的电流强度。

8.按照权利要求7所述的柱栓焊接装置，其特征在于，分配给有关各待焊接的工件的各种各样的位移-时间图线储存在存储器(39)之中。

9.按照权利要求2所述的柱栓焊接装置，其特征在于，调节器件(3，17)由弹簧(19)压到其前方位置，从此位置，在一由柱栓夹持器(2)夹持的柱栓(5)被施用一工件期间，它被移动到一参照位置，此位置是作为一参照讯号从一位移测定装置(35)供向一比较器(37)的，由比较器(37)生成预定的位移-时间图线。

10.一种柱栓焊接机，包括：

(a)一焊接头，具有一柱栓容纳和卡持装置，用于夹持一柱栓的一端朝向一工件；

(b)一直线致动器，具有一固定永久磁铁、一联接于一致动器柄部的可动线圈和联接于所述焊接头的所述致动器柄部；以及

(c)一控制器，联接于所述致动器线圈和所述焊接头，并发挥作用而把所述致动器线圈和焊接头从一收回的位置移动到一伸出的位置，并重新返回，以使焊接电流流进所述焊接头。

11.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，其中所述永久磁铁是一种稀土材料。

12.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，其中所述永久磁铁是从由钐钴和钕铁硼构成的一类中选出的。

13.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，其中所述线圈以一高达800毫米/秒的速度移动。

14.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，其中所述线圈的行程大于5毫米。

15.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，其中所述行程是10毫米。

16.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，包括一线性编码器，用于监测致动器柄部的位置。

17.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，包括一联接于所述控制器的主计算机，其中所述主计算机和控制器以程序控制所述致动器和焊接头，以致使电流在所述焊接头已经把一柱栓定位在一工件附近以及所述柱栓在所述柱栓的一端已经被递收之后迅速地被移动而接触工件之后流进所述焊接机。

18.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，其中所述致动器具有一由氟利隆制成的衬套。

19.按照权利要求10所述的柱栓焊接机，包括一具有一套合所述致动器的中心孔口以及由一支架锁定就位的外部支承部位的碟簧。

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