CN212191695U - 一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，包括机器人、静轴肩焊接装置，机器人连接有人机交互操作系统，机器人的输出轴端连接有主机头，主机头的下端连接有连接套筒，连接套筒的下端连接有静轴肩焊接装置，静轴肩焊接装置包含静轴肩和搅拌针。本实用新型的有益效果是：通过测温装置可降低焊接过程中焊接工件对静轴肩焊接装置的阻力，提高静轴肩焊接装置的寿命，减少机器人的抖动，提高焊接过程的稳定性；连接套筒的排料孔可在不拆卸静轴肩的情况下，清除掉焊接过程中的累积材料，确保焊接的持续稳定运行；整个焊接过程全自动化操作，节省人力成本，焊接效率高，可实现复杂构件的焊接，焊接柔性好。

Description

一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置

技术领域

本实用新型涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体为一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置。

背景技术

搅拌摩擦焊，是英国焊接所在1991年发明的新型固相焊接方式，近二十多年来发展迅速，并成为铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用连接技术，已经在航空航天、轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，展示出显著的技术和经济效益。诸如根除了熔焊所固有的焊接缺陷（气孔、凝固裂纹等），提高了接头和结构的连接质量，降低了焊接变形。

静轴肩搅拌摩擦焊是在搅拌摩擦焊基础上发起来的新型焊接方法，搅拌针和轴肩采用分体结构，焊接时搅拌针在主轴的带动下旋转，并按照设定的进给速度直线运动，而轴肩只是按照设定的进给速度在被焊接试样的表面发生滑动。静轴肩搅拌摩擦焊有效解决了常规搅拌摩擦焊由于轴肩的转动带来的焊缝的飞边、减薄等问题、并且由于轴肩只是在焊缝上表面滑动，可以有效的消除由于旋转轴肩造成的焊缝上表面产热量大，焊缝厚度方向的温度梯度不均匀带来的焊后接头性能的恶化等不足。

工业机器人具有柔性化，智能化的特点。近年来随着我国劳动力成本的不断攀升和制造技术水平的突飞猛进，工业机器人的使用范围不断扩大。特别近几年，工业4.0概念的不断深入和我国创新驱动发展战略的实施，这些都极大的促进了工业机器人的发展和及其在各个工业领域的应用。

机器人和静轴肩搅拌摩擦焊技术的结合能够大大提升静轴肩搅拌摩擦焊这项新技术的使用范围。但需要注意的是，焊接过程中由于只有搅拌针产热，对被焊材料的软化效果相对较差，被焊接材料抵抗塑性变形的抗力较大，特别是行进阻力和对搅拌针扎入的抗力，这就需要焊接执行结构具有较好的刚性抵抗这些阻力。众所周知，机器人的柔性好，但是其刚性较差，这就限制了机器人静轴肩搅拌摩擦焊的应用范围；同时旋转的搅拌针和非旋转的轴肩之间存在一定的间隙，焊接过程中的被焊材料在搅拌针的旋转带动下填充进入这个间隙，并且随着焊接的不断进行，填充进入此间隙的材料越来越多，当到达一定程度时，如果不能及时进行清理，这些材料一方面会进入到主机头结构中，给焊接装置带来安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，包括机器人、静轴肩焊接装置，所述机器人连接有人机交互操作系统，所述机器人的输出轴端连接有主机头，所述主机头的下端连接有连接套筒，所述连接套筒的下端连接有静轴肩焊接装置，所述静轴肩焊接装置包含静轴肩和搅拌针，所述搅拌针贯穿连接套筒和静轴肩并安装于主机头的主轴刀柄内。

进一步优选，所述静轴肩的上方依次连接有压力传感器、扭矩传感器，所述压力传感器、扭矩传感器均设置于连接套筒内。

进一步优选，所述静轴肩的下端设有测温装置。

进一步优选，所述扭矩传感器、压力传感器、静轴肩均采用中空设置，所述静轴肩的下端设有多个通孔。

进一步优选，所述静轴肩的下端连接有加热线圈，所述搅拌针和加热线圈同轴度设计且贯穿加热线圈。

进一步优选，所述连接套筒上设有排料孔。

进一步优选，所述机器人为六自由度机器人，所述主机头安装于机器人的第六轴安装法兰上，且由高速电主轴和伺服电机组成，并连接有主机头控制系统。

进一步优选，所述人机交互操作系统通过以太网和机器人、主机头、静轴肩焊接装置连接。

有益效果

本实用新型的机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，通过加热线圈可降低焊接过程中焊接工件对静轴肩焊接装置的阻力，提高静轴肩焊接装置的寿命，减少机器人的抖动，提高焊接过程的稳定性；同时静轴肩上的通孔和连接套筒的排料孔可在不拆卸静轴肩的情况下，清除掉焊接过程中的累积材料，确保静轴肩焊接装置的持续稳定运行；整个焊接过程全自动化操作，节省人力成本，焊接效率高，重复定位精度高，可实现复杂构件的焊接，焊接柔性好。

附图说明

图1为本实用新型实施例所公开的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的静轴肩焊接装置的主视结构示意图；

图3为本实用新型实施例所公开的静轴肩焊接装置的轴侧结构示意图；

图4为本实用新型实施例所公开的静轴肩的轴侧结构示意图；

图5为本实用新型实施例所公开的搅拌针的主视结构示意图。

附图标记

1-人机交互操作系统，2-机器人，3-主机头，4-连接套筒，5-静轴肩焊接装置，51-扭矩传感器，52-压力传感器，53-静轴肩，531-测温装置，532-通孔，54-搅拌针，55-加热线圈。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例

如图1-5所示，一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，包括机器人2、静轴肩焊接装置5，所述机器人2连接有人机交互操作系统1，所述机器人2的输出轴端连接有主机头3，所述主机头3的下端连接有连接套筒4，所述连接套筒4的下端连接有静轴肩焊接装置5，所述静轴肩焊接装置5包含静轴肩53和搅拌针54，所述搅拌针54贯穿连接套筒4和静轴肩53并安装于主机头3的主轴刀柄内。

优选的，所述静轴肩53的上方依次连接有压力传感器52、扭矩传感器51，所述压力传感器52、扭矩传感器51均设置于连接套筒4内，用来测量焊接过程中作用在连接套筒4上的X向、Y向、Z向的作用力和扭矩，测量数据通过信号器电缆与人机交互操作系统1连接。

优选的，所述静轴肩53的下端设有测温装置531，对焊接过程中焊接位置的加热温度的感应，然后调节加载在静轴肩的电流大小使预热温度和设定温度相同，实现恒温焊接。

优选的，所述扭矩传感器51、压力传感器52、静轴肩53均采用中空设置，所述静轴肩53的下端设有多个通孔532，焊接过程中搅拌针54和静轴肩53之间累积的被焊材料通过通孔532进入到静轴肩53、压力传感器52和扭矩传感器51的中空位置，从而进入到连接套筒4内。

优选的，所述静轴肩53的下端连接有加热线圈55，所述搅拌针54和加热线圈55同轴度设计且贯穿加热线圈55，通过调节电流可以实现加热线圈55对焊接位置的快速加热，并通过测温装置531可以实现加热温度的闭环控制。

优选的，所述连接套筒4上设有排料孔，将静轴肩焊接装置5内累积的被焊接材料排出。

优选的，在焊接过程中，所述主机头3驱动搅拌针54旋转，连接套筒4、扭矩传感器51、压力传感器52、静轴肩53、加热线圈55均不转动，随着机器人2的驱动而发生线性移动，从而实现静轴肩焊接。

优选的，所述机器人2为六自由度机器人，所述主机头3安装于机器人2的第六轴安装法兰上，且由高速电主轴和伺服电机组成，并连接有主机头控制系统。所述主机头控制系统采用控制器进行控制，驱动总线控制伺服驱动器，进而驱动伺服电机转动。所述控制器通过PLC进行逻辑控制，能够实现主机头控制系统对压力、位移、转角、温度等多种传感器的数据采集，并实现系统各种开关量的输入、输出。

同时，所述机器人2设有机器人运动控制系统，实现机器人在六个坐标轴上联动控制，从而控制主机头3的空间姿态，实现主机头3在任意位置的精确定位以及空间姿态的快速变化。

优选的，所述人机交互操作系统1通过以太网和机器人2、主机头3、静轴肩焊接装置5连接，避免机器人2、主机头3、静轴肩焊接装置5之间的相互干涉，并使主机头3到达加工位置后能及时进行焊接操作，确保工作效率。

本实施例中，所述的机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置的焊接方法，包括如下步骤：

1）在人机交互操作系统1的操作界面输入焊接工件的类型、状态、厚度等参数，人机交互操作系统1里的专家数据库给出推荐的焊接参数、加热的温度区间和电流等参数，并将相应的参数数据发送到相应的执行单元；

2）机器人2按照预先设定的运动参考坐标系，将主机头3移动至相应的焊接起始位置，设定好的电流通过加热线圈55，将焊接位置加热至相应的温度；

3）按下开始按钮，电机头3驱动静轴肩焊接装置5一起旋转，并按照设定的速度向下扎入焊接工件中直至设定的深度；

4）停留一段时间后，机器人2按照设定的轨迹驱动静轴肩焊接装置5按照设定的进给速度移动，直至完成焊接，而扭矩传感器51、压力传感器52测量整个焊接过程中的三个方向的作用力和扭矩，并将该数据进行记录和存储。

优选的，所述焊接工件的厚度为0.5～30毫米。

优选的，所述电机头3的旋转速度为0～9000转/分钟。

优选的，所述加热线圈55的加热温度为50～1000摄氏度，升温速度为10～100摄氏度/秒。

优选的，所述扭矩传感器51、压力传感器52的采样频率为10～50次/秒。

优选的，所述机器人2的进给速度为0～2000毫米/分钟。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型性的保护范围之内的实用新型内容。

Claims (8)

1.一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，包括机器人（2）、静轴肩焊接装置（5），其特征在于：所述机器人（2）连接有人机交互操作系统（1），所述机器人（2）的输出轴端连接有主机头（3），所述主机头（3）的下端连接有连接套筒（4），所述连接套筒（4）的下端连接有静轴肩焊接装置（5），所述静轴肩焊接装置（5）包含静轴肩（53）和搅拌针（54），所述搅拌针（54）贯穿连接套筒（4）和静轴肩（53）并安装于主机头（3）的主轴刀柄内。

2.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述静轴肩（53）的上方依次连接有压力传感器（52）、扭矩传感器（51），所述压力传感器（52）、扭矩传感器（51）均设置于连接套筒（4）内。

3.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述静轴肩（53）的下端设有测温装置（531）。

4.根据权利要求2所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述扭矩传感器（51）、压力传感器（52）、静轴肩（53）均采用中空设置，所述静轴肩（53）的下端设有多个通孔（532）。

5.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述静轴肩（53）的下端连接有加热线圈（55），所述搅拌针（54）和加热线圈（55）同轴度设计且贯穿加热线圈（55）。

6.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述连接套筒（4）上设有排料孔。

7.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述机器人（2）为六自由度机器人，所述主机头（3）安装于机器人（2）的第六轴安装法兰上，且由高速电主轴和伺服电机组成，并连接有主机头控制系统。

8.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述人机交互操作系统（1）通过以太网和机器人（2）、主机头（3）、静轴肩焊接装置（5）连接。

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