全方位焊接一体化机床及其焊接方法与流程

本发明涉及机械领域，尤其涉及一种全方位焊接一体化机床。

背景技术：

市场上现有的焊接工具一般为焊枪，焊接方式也多种多样，如电焊、气焊等。一些企业工厂还保留着传统电烙铁工艺，使用时需配合焊丝，有时还需加入助溶剂，如松香等。焊接时一般采用单人人工操作，过程繁琐。市面上各种焊接设备层出不穷，焊接方式各异，焊接器具体型大多笨重，价格昂贵。

市场上现有的焊枪规格较小，大型加工材料难以操作。人们需要长时间手握焊枪或者电烙铁，焊丝进行焊接操作，容易引起身体不适，并且人工操作过程中误操作较多，工作时存在极大的安全隐患。在执行一些特殊焊接操作时，例如对于一些弧线曲面式的焊接工作，人工操作也难以独立完成，给实际生产制造带来诸多不便。而且人工操作过程中，焊接操作没有相对固定的平台，又由于焊接器件不稳定，操作时工件容易发生偏离，损坏焊接件造成巨大的人力物力损失。工厂中大部分焊接工作需要人们花大量时间完成，生产方式相对落后，生产效率较低。

机械制造出现跨越式发展，各种生产工艺水平也需要紧跟发展势头。一体式机床在机械生产中具有巨大优势，机械加工机床广泛应用于各大工厂。单纯的电子焊接这种较为精细复杂的制造加工技术，一直延续较为传统的工艺水平，仍然采用人工操作，生产方式落后，生产效率低下，工人操作时也具有一定的风险，从而在技术层面上难以实现机械化、批量化。机械化生产遇到瓶颈，生产效率亟需提高。企业工厂中迫切需要一种全方位电子焊接的一体式机床来满足焊接加工需求，将这类技术机械化，实现焊接的批量化，满足流水线设计。

技术实现要素：

本技术方案以现有的各类机床为基础，将传统的普通焊枪改造为机械化的焊枪一体化机床。优化设计的夹具能保证焊接件在操作时保持一种稳定的状态，多方位移动和小角度旋转的特性能保证焊接件能以适合的角度进行焊接。焊枪与机械臂连接，操作时可进行全方位转动，使用灵活。焊接操作在一体化机床上完成，最大程度上避免了误操作的发生，并且降低了废品率，提高了稳定性，保证了操作工自身的安全，加快了机械生产制造一体化的进程。

一种全方位焊接一体化机床，包括：

底座；

机床夹具，安装在底座顶面的操作区域，机床夹具包括夹紧工件装置、x轴移动装置、y轴移动装置，x轴移动装置安装在y轴移动装置上，夹紧工件装置安装在x轴移动装置上，夹紧工件装置的基座上设有y轴向的第一丝杠以及与第一丝杠通过螺纹配合的夹具，x轴移动装置框架中部设有x轴向的第二丝杠，夹紧工件装置基座放置在x轴移动装置框架上方，y轴移动装置框架设有y轴向的第三丝杠，x轴向移动装置在y轴移动装置框架上方；

支撑架，竖直安装在底座顶面操作区域的一侧，支撑架靠近操作区域一侧设置有可升降横架；

焊枪装置，安装在可升降横架上且位于操作区域正上方，焊枪装置包括顶部的固定在可升降横架上的固定座，固定座下方设置有至少3个关节臂，固定座内部设有与关节臂数量相同的且独立工作的伺服电机，各伺服电机分别与各关节臂转动连接，各关节臂的底端均与一焊枪相连；

送丝装置，固定在底座上，送丝装置上缠绕有焊丝，焊丝的一端与焊枪相连；

plc控制台，与机床夹具、焊枪装置和送丝装置相连。

进一步的，各关节臂均设有悬臂以及支架，悬臂的一端与固定座内的伺服电机转动连接，另一端与支架的顶端转动连接，且支架的底端与焊枪转动连接；

其中，每个支架均设有2根平行设置的细杆。

进一步的，可升降横架靠近支撑架一端固定有升降装置，升降装置包括与支撑架贴合的转动轮以及安装在转动轮上的升降手轮。

进一步的，第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠的一端分别固定有第一手轮、第二手轮和第三手轮。

进一步的，第二丝杠、第三丝杠一端分别固定有第二从动轮和第三从动轮，x轴向移动装置、y轴向移动装置上分别安装有第二电机、第三电机，第二电机、第三电机的电机输出轴连接第二主动轮、第三主动轮，第二从动轮、第三从动轮各自由第二主动轮、第三主动轮通过带传动驱动；

同一根丝杠上的带轮和手轮连接部位的轴套上方分布有均匀的刻度。

进一步的，在支撑架上还安装有置图板。

进一步的，支撑架上设有焊丝传送导轨，送丝装置的焊丝经焊丝传送导轨输送至焊枪。

进一步的，底座侧壁开设有散热孔。

进一步的，plc控制台由第一控制区和第二控制区组成，第一控制区固定在底座一侧，第二控制区固定在可升降横架上；

第一控制区设有平动控制摇杆、转动控制开关、y轴移动开关、x轴移动开关、显示器、启动装置开关以及紧急停止开关，平动控制摇杆控制焊枪枪头的平动，转动控制开关控制焊枪枪头的转动，显示器用于显示焊枪的工作温度；

第二控制区设有焊枪控制开关、枪头锁紧开关、发热开关、自动送丝开关。

同时本发明还提供了一种采用上述全方位焊接一体化机床进行焊接的方法。

本发明专利有操作安全方便，整体机械一体化的优点，一改传统焊接的操作方法，使之能高效率高安全性的大批量生产，保证了操作过程稳定性的同时，也能降低了废品率，减少了安全隐患。前后，左右两个装置层叠式的安装设计能够使得焊件达到合适的焊接方位，便于焊接。两个方位装置在相应的开关控制下，有着一定的运动范围，能够在整个运动范围内完成焊件全方位的运动，配合多角度的焊枪能够完成各种焊接操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-3为本发明提供的一种全方位焊接一体化机床的立体图；

图4示出了x轴移动装置、y轴移动装置的放大图；

图5a、5b分别示出了焊枪装置在平动焊接和旋转焊接的工作原理图。

附图标记说明：

1夹具；2第一丝杠；3第一手轮；4第三手轮；5第三丝杠；6方形块一；7导轨一；8第三电机；9y轴移动装置框架；10第三主动轮；11第三从动轮；12导轨二；13x轴移动装置框架；14方形块二；15第二丝杠；16第二手轮；17第二电机；18紧急停止开关；19启动装置开关；20y轴移动开关；21x轴移动开关；22操作区域；23旋转轮；24支撑架；25升降手轮；26悬臂；27支架；28焊枪；29焊枪控制开关；30枪头锁紧开关；31发热开关；32自动送丝开关；33平动控制摇杆；34转动控制开关；35第一控制区；36第二控制区；37显示器；38温度传感器；39焊丝；40送丝装置；41焊丝传送导轨；42底座；43散热孔；44置图板；45可升降横架。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种全方位焊接一体化机床，包括底座42、支撑架24、机床夹具、焊枪装置、送丝装置40和plc控制台。

机床夹具安装在底座42顶面的操作区域22，机床夹具包括夹紧工件装置、x轴移动装置、y轴移动装置，x轴移动装置安装在y轴移动装置上，夹紧工件装置安装在x轴移动装置上，夹紧工件装置的基座上设有y轴向的第一丝杠2以及与第一丝杠2通过螺纹配合的夹具1，x轴移动装置框架上设有x轴向的第二丝杠15，夹紧工件装置基座放置在x轴移动装置框架上方，y轴移动装置框架设有y轴向的第三丝杠5，x轴向移动装置在y轴移动装置框架上方；

支撑架24竖直安装在底座42顶面操作区域22的一侧，支撑架24靠近操作区域一侧设置有可升降横架45；

焊枪装置安装在可升降横架45上且位于操作区域22正上方，焊枪装置包括顶部的固定在可升降横架45上的固定座，固定座下方设置有至少3个关节臂，固定座内部设有与关节臂数量相同的且独立工作的伺服电机，各伺服电机分别与各关节臂转动连接，各关节臂的底端均与一焊枪28相连；

送丝装置40固定在底座42上，送丝装置40上缠绕有焊丝，焊丝的一端与焊枪28相连；

plc控制台与机床夹具、焊枪装置和送丝装置40相连。

本发明将现有的电子焊接技术与机床结合起来，构建出一种全方位的焊机，整个焊接过程操作简单，节省人力物力，提高了效率。整个装置结构简单，简化的框架设计减轻了重量，降低了制作成本，底座下方的散热孔能增加散热防止机床过热烧坏机床的情况出现。焊接操作在一体化机床上完成，最大程度上避免了误操作的发生，焊接件工作速度加快，并且废品率低，操作安全稳定，保证了操作工自身的安全，加快了机械生产制造一体化的进程。

在本发明一可选的实施例中，各关节臂均设有悬臂26以及支架27，悬臂26的一端与固定座内的伺服电机转动连接，另一端与支架27的顶端转动连接，且支架27的底端与焊枪28转动连接；其中，每个支架27均设有2根平行设置的细杆。

可选的，可升降横架45靠近支撑架24一端固定有升降装置，升降装置包括与支撑架24贴合的转动轮以及安装在转动轮上的升降手轮25。例如在一实施中，升降装置设有槽轮，槽轮的凹槽与支撑架24的侧壁紧密贴合，我们转动升降手轮25，槽轮转动进而带动可升降横架45上升或者下降。在另一实施例中，升降装置设有齿轮，相应的，支撑架24上设置有齿，齿轮与支撑架24上的齿啮合，我们转动升降手轮25，齿轮转动进而带动可升降横架45上升或者下降。

在本发明一可选的实施例中，第二丝杠15、第三丝杠5一端分别固定有第二从动轮和第三从动轮11，x轴向移动装置、y轴向移动装置上分别安装有第二电机17、第三电机8；第二电机17、第三电机8的电机输出轴连接第二主动轮、第三主动轮10，第二从动轮、第三从动轮11各自由第二主动轮、第三主动轮10通过带传动驱动。

在本发明一可选的实施例中，支撑架24上设有焊丝传送导轨41，送丝装置40的焊丝经焊丝传送导轨41输送至焊枪28。

在本发明一可选的实施例中，plc控制台由第一控制区35和第二控制区36组成，第一控制区35固定在底座42一侧，第二控制区36固定在可升降横架45上。其中，第一控制区35设有平动控制摇杆33、转动控制开关34、y轴移动开关20、x轴移动开关21、显示器37、启动装置开关19以及紧急停止开关18，平动控制摇杆33控制焊枪枪头的平动，转动控制开关34控制焊枪枪头的转动，显示器37用于显示焊枪的工作温度。第二控制区36设有焊枪控制开关29、枪头锁紧开关30、发热开关31、自动送丝开关32。

机床夹具包括夹紧工件装置、x轴移动装置、y轴移动装置。夹具1与第一丝杠2通过螺纹连接，第一丝杠2两端螺纹旋向相反，第一手轮3安装在第一丝杠2的一端，顺时针转动第一手轮3，第一手轮3带动第一丝杠2旋转，第一丝杠2带动夹具1夹紧工件，防止工件运动时焊件松动，逆时针转动第一手轮3，则将工件松开。夹具装置所处位置不适合焊接时，可以控制开关进行调整，也可以通过转动手轮来进行微小调整。

第三手轮4、第三从动轮11安装在第三丝杠5的一端，第三手轮4外部有一圈刻度盘分布有均匀的刻度盘，转动时可根据刻度大小调整夹具位置，到达合适的焊接位置。第三丝杠5与固定在工作台上的方形块一6采用螺纹连接，前后移动板下方又固定着导轨一7。第三电机8固定在前后移动板9下方，电机一连接着第三主动轮10，第三主动轮10通过皮带连接第三从动轮11，第三电机8带动第三主动轮10旋转，第三主动轮10通过带连接控制第三从动轮11旋转，而第三从动轮11与第三丝杠5通过键连接，从而带动第三丝杠5旋转调整夹具的位置，到达合适的焊接位置。

y轴移动装置框架9上方固定着导轨二12，x轴移动装置框架13与导轨二12连接，y轴移动装置框架9与导轨一7连接。方形块二14连接着导轨二12两端，与丝杠5通过螺纹连接；方形块一6连接着导轨一7两端，与第二丝杠15通过螺纹连接。

第二手轮16、第二从动轮安装在第二丝杠15的一端，同样可以依据刻度盘的刻度来调整夹具的位置，也可以通过第二电机17控制左右移动板来调整位置，到达合适的焊接方位。实际焊接过程中，前后左右装置可根据需要焊接的方位，相互进行调整。需要焊接某一部位时，工人旋转紧急停止开关18，打开启动装置开关19，按下y轴移动开关20、x轴移动开关21带动夹具控制工件进行x、y轴(即前后左右方向)移动，也可以通过旋转第三手轮4、第二手轮16进行前后左右方向上的微小调整。前后、左右两个方位装置采用层叠式的安装设计，方便焊件到达适合的焊接位置，便于焊接。两个装置在相应的开关控制下，有着一定的运动轨迹，能够在整个运动范围内完成焊件全方位的移动，配合多角度的焊枪能够完成一些相较复杂的焊接工作，如曲面弧焊等。操作者可以根据工件大小以及形状，制定不同的焊接方案，在合适的加工条件下，进行适当的有效调整，选择合适的焊接方式完成焊接操作。

焊枪装置固定在可升降横架45上，可通过转动旋转轮23将焊枪装置固定在可升降横架45上，防止松动。可升降横架45可通过转动升降手轮25调整可升降横架45上下与升降，调整到合适的位置便于焊接。焊枪装置的固定座内部设有三个可控制的伺服电机，电机内部设置有以单片机为基础的控制单元模块，单片机控制模块可以控制三个电机的转动。三个电机与三个悬臂26相连，三个悬臂分别与支架27相连，支架相互连接于一点，三个支架连接处安装了焊枪枪头28。三个电机转动速率分别由单片机控制，悬臂与支架相连，悬臂又分别由三个电机控制。三只悬臂运转速率与运动方位不同，故三个支架转动形成的角度不同，所以末端连接的焊枪枪头能够进行全方位转动。

焊枪平动与转动：焊枪枪头平动时，其中的两个支架在悬臂控制下缓慢向下移动，单片机控制另外一支架缓慢向上移动，焊枪枪头就沿着向上移动支架的一端方向平动。焊枪枪头转动时，其中的两个支架在悬臂控制下缓慢向下运动，单片机控制剩下的一支悬臂保持不动，焊枪枪头就随着静止支架一端方向进行弧线转动。单片机控制三个电机，电机驱动悬臂，三只悬臂带动支架进行多方位的旋转，从而控制焊枪枪头进行多方位焊接，实现高效率，安全的焊接操作效果。

焊枪枪头位置装有温度传感器28，显示器37显示焊枪枪头工作时的温度。正常工作时显示器屏幕呈现绿色，温度过高时，屏幕会呈现红色，并且持续闪烁，控制区域内装有蜂鸣器，屏幕呈现红色时，蜂鸣器会持续鸣叫发出危险信号。平动控制摇杆33控制焊枪枪头的平动，转动控制开关34控制焊枪枪头的转动。开始进行焊接操作时，旋转紧急停止开关18，然后启动装置开关19。在进行实际工作过程中发生紧急事件时，可按下紧急停止开关18，从内部切断机床供电，让焊接机床断电停止工作，避免重大事故的发生，尽可能减小损失，保护操作人员的生命安全。

第二控制区36上的焊枪控制开关29用于控制第二控制区36的启动，枪头锁紧开关30的作用是在焊接工作过程之前将焊枪装置锁紧，防止工人在使用机床执行实际焊接操作时，焊枪枪头发生偏移以至于剧烈抖动的情况发生，影响焊接精度，导致焊接工件的损坏。发热开关31为焊枪枪头发热开关，开始焊接时打开开关，加热装置开始对枪头进行预先加热，便于焊丝融化保证焊接能够顺利完成。自动送丝开关32能控制机床自动送丝，焊丝39缠绕在送丝装置40上，另一端通过焊丝传送导轨41中的导管一直延伸到焊枪枪头。温度感受器检测到焊丝融化时的温度信号，传递给控制系统，实时监测温度情况，避免出现意外情况。

底座42下方为电源接入区域，底座42内部安装有电机等动力原单位，以及各类连接线等。外壳开有长方形的散热孔43，能防止工作时温度过高引起内部元件的损坏，保证电源控制装置的正常运行和机床的安全。底座上方为控制台，夹具等工件，置图板44放置的是所焊接工件的二维图纸，便于工人了解所焊工件具体要求。机床后方为长方体简化支撑架24能最大程度上减轻机床重量，并且合理设计的焊接平台高度能够协调配合焊接工作有序的进行。机身装有电源控制转换装置，接通电源后，能将外部电流转换为机床内不同电机所需大小的电流，保证工作的稳定性。

焊接工件时，操作人员根据产品的形状大小进行初步判断，然后大致选择合适的角度与方位，旋转第一手轮3，夹具1夹紧需要焊接的工件。旋转紧急停止开关18，开启启动装置开关19，控制y轴移动开关20、x轴移动开关21进而控制前后、左右方位运动装置进行该方向上的调整，之后再操作第三手轮4、第二手轮16进行前后、左右位置的微调，使该位置能达到最佳的焊接效果。此时开启第二控制区36的焊枪控制开关29，枪头锁紧开关30将焊枪枪头固定。启动发热开关31开始加热焊枪头，按下自动送丝开关21控制装置自动送丝，此时焊枪枪头的温度感受器检测到温度，传递给显示器37。开始操作平动控制摇杆33控制悬臂带动支架开始针对于要焊接的工件进行平面焊接。操作转动控制开关34针对于焊件进行弧面焊接。当某一面焊接完之后，可以再通过调整手轮或者开关，控制前后，左右两个方位装置到达适合的焊接位置，然后继续操作摇杆进行焊接。方位运动装置采用层叠式的安装设计能够使得焊件便于调整完成焊接工作。显示器37显示焊接时的温度大小，操作者可观察温度大小调控焊接进程。温度太高时可操纵摇杆，控制枪头进行其他部位的焊接。温度太高而又疏于查看时，枪头温度传感器检测到高温则传递信号给蜂鸣器引起持续报警，防止温度过高引起焊接工件的破损，造成不必要的损失。焊接完成之后关闭控制台一上的启动装置开关19，按下紧急停止开关18，关闭机床，完成焊接操作。

综上所述，由于本发明采用了上述的技术方案，优点在于：

(1)机械控制的焊枪枪头全方位多角度的焊接能有效解决弧线曲面焊接的问题。它能实现多自由度的旋转，以及平移等运动。能对焊接件的各个方位实现焊接操作，加热装置加热焊丝，控制送丝机构能够保证焊接与送丝的同步进行，流程步骤减少，操作简单。

(2)优化设计的机床夹具在保证焊接件稳定工作。人们无需手拿焊枪或是电烙铁和焊丝进行操作，控制面板上的操作手柄能够控制焊接工件的移动，能保证焊接操作流畅性的同时减小了操作不当给人们带来危害的风险，操作与带轮连接的手轮顺时针逆时针转动能够调节夹具所处的前后位置，增强焊接效果。

(3)本技术方案以现有的各类机床为基础，将传统的普通焊枪改造为机械化的焊枪一体化机床。前后，左右两个装置层叠式的安装设计能够使得焊件达到适合的焊接方位进行焊接。两个方位装置在相应的开关控制下，有着一定的运动范围，能够在整个运动范围内完成焊件全方位的运动，配合多角度的焊枪能够完成各种焊接任务。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。