用于搅拌摩擦焊接的主轴系统及搅拌摩擦焊接系统的制作方法

本实用新型涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体而言，涉及用于搅拌摩擦焊接的主轴系统及搅拌摩擦焊接系统。

背景技术：

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，在焊接低熔点金属时，具有焊接质量高，焊接变形小，无环境污染等显著优势，已成为各行业焊接铝、镁等合金的首选工艺。在加工制造业向着智能化快速发展的背景下，将搅拌摩擦焊与工业机器人相结合，开发智能化搅拌摩擦焊接机器人已成为未来发展的趋势。

然而，与常规搅拌摩擦焊接专机相比，搅拌摩擦焊接机器人刚度较低，在较大的焊接载荷下机械臂会发生弹性变形，导致搅拌头的实际压入深度发生变化，无法保证焊接的稳定性和接头质量。因此，通常在机器人搅拌摩擦焊接过程中采用恒压力控制的方式，即以保证焊接载荷不变为目标，通过对焊接压力的检测及反馈，实时调整机器人的下压位置，以消除机械臂弹性变形的影响。

但是，现有基于恒压力控制的机器人搅拌摩擦焊接方法还存在一定不足：(1)焊接压力只是能反应焊接质量的力学参量之一，单一的恒压力控制方式不能保证高质量焊接。(2)由于搅拌摩擦焊接过程可分为搅拌头下扎阶段及稳定焊接阶段，而以上两个阶段由于被焊材料塑化程度、搅拌头与被焊材料接触状态的不同，导致所需要的焊接压力、扭矩等力学指标有较大差异。如果采用统一的力学控制指标，将无法实现高质量焊接，这对整个焊接阶段均实现自动化控制带来了挑战。(3)在空间全位置焊接时，由于焊接姿态的不同，无论力学传感器安装至何位置，力学传感器和被焊工件之间的机构的自身重力均会对所测得的焊接压力带来影响，从而影响控制的准确性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于搅拌摩擦焊接的主轴系统，旨在测试搅拌头的压力、扭矩和前进阻力，提高焊接过程中力学信息测量的精确性。

本实用新型的另一目的在于提供一种搅拌摩擦焊接系统，其能够更加精确地对焊接的各阶段进行控制，有效保证良好焊缝的成形。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供了一种用于搅拌摩擦焊接的主轴系统，包括搅拌头、主轴组件、多维力传感器和用于与工业机器人末端轴相连的连接件，多维力传感器用于测量搅拌头的压力、前进阻力和扭矩；

主轴组件包括壳体和位于壳体内的转动轴，转动轴从壳体的端部伸出与搅拌头相连，以带动搅拌头转动；

多维力传感器的一端与壳体远离搅拌头的一端相连，另一端与连接件远离工业机器人末端轴的一端相连。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，多维力传感器的一端与连接件可拆卸连接，另一端与壳体可拆卸连接。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，多维力传感器和连接件均呈圆盘形，壳体远离搅拌头的一端设置有圆盘形的固定板，连接件和固定板均与多维力传感器的板面相贴合。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，多维力传感器上的边缘环设有多个第一螺纹通孔，连接件和固定板上均设置有与第一螺纹通孔相配合的第二螺纹通孔，连接件和固定板上的第二螺纹通孔的个数总和与第一螺纹通孔的个数相同。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，第一螺纹通孔的个数为10-14个，连接件和固定板上的第二螺纹通孔的个数均为5-7个。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，壳体内还安装有用于驱动转动轴转动的电机，电机的输出端与转动轴相连。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，主轴系统还包括刀柄，刀柄的一端与壳体内的转动轴相连，另一端与搅拌头相连。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，刀柄靠近搅拌头的一端设置有第一连接孔，搅拌头包括搅拌头主体和与搅拌头主体的一端相连的连接柱，连接柱的外径与第一连接孔相配合。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，刀柄包括刀柄柱和固定于刀柄柱柱面上的环形凸缘，第一连接孔位于刀柄柱的一端，转动轴的一端设置有第二连接孔，刀柄柱的外径与第二连接孔相配合。

本实用新型还提供了一种搅拌摩擦焊接系统，包括：检测系统、控制系统和上述主轴系统；

其中，检测系统，用于对搅拌头的压力、前进阻力和扭矩中的至少一种进行检测；

控制系统，其用于根据实测压力pz和/或实测前进阻力fz分别对搅拌头压力和/或搅拌头前进阻力进行校准以获取搅拌头的实际压力p和/或实际前进阻力f，以及对搅拌头执行的搅拌摩擦焊接进行控制；搅拌摩擦焊接包括焊接扎入阶段和稳定焊接阶段，焊接扎入阶段执行以预设压力p0进行的恒定压力控制，稳定焊接阶段执行以预设压力p1进行的恒定压力控制、以预设前进阻力f1进行的恒定前进阻力控制和以预设扭矩t1进行的恒定扭矩控制中的至少一种。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过上述设计得到的用于搅拌摩擦焊接的主轴系统，其采用能够测量搅拌头的压力、前进阻力和扭矩的多维力传感器，通过将多维力传感器安装于连接板和主轴之间，通过主轴带动搅拌头转动，通过多维力传感器对搅拌头的力学参数进行检测。本实用新型结构紧凑、集成化程度高，能够使焊接过程中力学信息的测量更加精确。

本实用新型还提供一种搅拌摩擦焊接系统，包括检测系统、控制系统和上述主轴系统，同样能够对搅拌头的多种力学参数进行检测、校准，使焊接过程中的控制更加精确，有效保证焊缝的成形。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施方式提供的主轴系统的爆炸图；

图2是图1中主轴系统安装后的结构示意图；

图3是图1中主轴系统处于焊前定位阶段的示意图；

图4是图1中主轴系统处于焊接扎入阶段的示意图；

图5是图1中主轴系统处于接保压阶段的示意图；

图6是图1中主轴系统处于稳定焊接阶段的示意图。

图标：100-主轴系统；101-第二螺纹通孔；102-第一螺栓；103-第二螺栓；110-搅拌头；111-搅拌头主体；112-连接柱；120-主轴组件；121-壳体；122-转动轴；123-固定板；124-第二连接孔；130-多维力传感器；131-第一螺纹通孔；140-连接件；150-刀柄；151-第一连接孔；152-刀柄柱；153-环形凸缘。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参照图1和图2，本实用新型实施例提供了一种用于搅拌摩擦焊接的主轴系统100，包括搅拌头110、主轴组件120、多维力传感器130和用于与工业机器人末端轴相连的连接件140，多维力传感器130用于测量搅拌头110的压力、前进阻力和扭矩。

具体地，主轴组件120包括壳体121和位于壳体121内的转动轴122，转动轴122从壳体121的端部伸出与搅拌头110相连，以带动搅拌头110转动；多维力传感器130的一端与壳体121远离搅拌头110的一端相连，另一端与连接件140远离工业机器人末端轴的一端相连。通过主轴组件120内置的转动轴122带动搅拌头110进行转动，进而对工件进行搅拌摩擦焊接，在焊接的不同阶段通过多维力传感器130对搅拌头110的所受压力、前进阻力以及扭矩进行测量。

需要说明的是，多维力传感器130为市购装置，如lorenz扭矩与测力一体化传感器(m-1902、m-2230型)，如interface-at103型传感器。为了更好的适应测量要求，需要对多维力传感器130的具体参数进行限定，下压力测量范围：0-5t；扭矩测量范围：0-50nm；前进阻力测量范围：0-2t。

需要说明的是，工业机器人为现有的用于搅拌摩擦焊接的成品装置，其具体结构和工作原理不做过多阐述。此外，多维力传感器130需要和工业机器人通信连接，将多维力传感器130检测的数据传输至工业机器人中进行再次计算，以控制电机驱动转动轴122运动。

在本实用新型较佳的实施例中，多维力传感器130的一端与连接件140可拆卸连接，另一端与壳体121可拆卸连接。通过将三者设置为可拆卸连接的方式，便于组装和拆卸，以使多维力传感器130的型号适应测量要求。可拆卸连接的方式不限于附图中的螺栓的方式，可以根据需要选择其他可拆卸方式。

优选地，多维力传感器130和连接件140均呈圆盘形，壳体121远离搅拌头110的一端设置有圆盘形的固定板123，连接件140和固定板123均与多维力传感器130的板面相贴合。采用圆盘形的结构能够使结构更加紧凑，集成度高，对焊接过程的力学信息测量更加精确。

进一步地，多维力传感器130上的边缘环设有多个第一螺纹通孔131，连接件140和固定板123上均设置有与第一螺纹通孔131相配合的第二螺纹通孔101，连接件140和固定板123上的第二螺纹通孔101的个数总和与第一螺纹通孔131的个数相同。

具体地，连接件140和固定板123上的第二螺纹通孔101交错设置，每个第二螺纹通孔101分别对应一个多维力传感器130上的第一螺纹通孔131。这样，可以利用第一螺栓102将固定板123和多维力传感器130连接，利用第二螺栓103将连接件140和多维力传感器130连接。

在本实用新型较佳的实施例中，第一螺纹通孔131的个数为10-14个，如12个；连接件140和固定板123上的第二螺纹通孔的个数均为5-7个，如6个。

进一步地，壳体121内还安装有用于驱动转动轴122转动的电机(图未示)，电机的输出端与转动轴122相连。通过安装于壳体121内的电机带动转动轴122转动，进而带动搅拌头110转动。

为了使转动轴122和搅拌头110的连接更加稳定，主轴系统100还包括刀柄150，刀柄150的一端与壳体121内的转动轴122相连，另一端与搅拌头110相连。刀柄150起到过渡作用，分别连接周径不同的转动轴122和搅拌头110，连接的稳固性高。

进一步地，刀柄150靠近搅拌头110的一端设置有第一连接孔151，搅拌头110包括搅拌头主体111和与搅拌头主体111的一端相连的连接柱112，连接柱112的外径与第一连接孔151相配合。搅拌头110的搅拌端直径很小，能够很好的伸入工件进行搅拌焊接，连接柱112与搅拌头主体111的连接端存在直径差，以使连接柱112伸入至第一连接孔151后利用厚度差起到卡固的效果。

具体地，第一连接孔151内设置有顶丝等连接件便于与连接柱112进行固定。

进一步地，刀柄150包括刀柄柱152和固定于刀柄柱152柱面上的环形凸缘153，第一连接孔151位于刀柄柱152的一端，转动轴122的一端设置有第二连接孔124，刀柄柱152的外径与第二连接孔124相配合。刀柄柱152远离搅拌头110的一端伸入至第二连接孔124中，与转动轴122进行连接，环形凸缘153起到卡固定位的效果，利用转动轴122带动刀柄150进而带动搅拌头110转动。

本实用新型还提供了一种搅拌摩擦焊接系统，包括：主轴系统、检测系统和控制系统。主轴系统，用于进行焊接(参照上述介绍)；检测系统，其用于对搅拌头的压力、前进阻力和扭矩中的至少一种进行检测。控制系统，其用于根据实测压力pz和/或实测前进阻力fz分别对搅拌头压力和/或搅拌头前进阻力进行校准以获取搅拌头的实际压力p和/或实际前进阻力f，以及对搅拌头执行的搅拌摩擦焊接进行控制；搅拌摩擦焊接包括焊接扎入阶段和稳定焊接阶段，焊接扎入阶段执行以预设压力p0进行的恒定压力控制，稳定焊接阶段执行以预设压力p1进行的恒定压力控制、以预设前进阻力f1进行的恒定前进阻力控制和以预设扭矩t1进行的恒定扭矩控制中的至少一种。

需要指出的是，控制系统中包含集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的控制器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器；处理器也可以是任何常规的处理器等。于本实施例中，优选地，该控制器可以是stm32系列的处理器，例如stm32f103c8t6、stm32f103vet6等型号。

下面结合图3-图6对焊接的过程进行介绍：

本实用新型实施例还提供一种搅拌摩擦焊接方法，结合图3-6，包括如下步骤：

s1、搅拌头压力校准

采用力学传感器检测搅拌头的压力值pz，搅拌头实际所受压力值p＝pz-g×sinθ；其中，g表示力学传感器与被焊工件之间的装置自身重力；θ为搅拌头轴线与水平面的夹角，被焊工件位于搅拌头上方时0＜θ＜π，被焊工件位于搅拌头下方时π＜θ＜2π，垂直立焊时θ＝0或π。

实用新型人通过在实践中不断总结经验，对于压力值的测量存在的误差主要是由于力学传感器与被焊工件之间的装置自身重力，搅拌头处于不同状态时自身重力的影响是不同的。实用新型人创造性地利用公式进行校准，可以将检测信号传输至机器人的控制器上，利用内置程序进行换算。

需要指出的是，若采用本实用新型实施例提供的主轴系统，力学传感器与被焊工件之间的装置自身重力是指主轴、刀柄及搅拌头的重力总和。

s2、前进阻力校准

在进行焊前定位及路径规划之前，进行搅拌头前进阻力校准；采用多维力传感器检测搅拌头焊接前进方向所受阻力值fx，搅拌头实际所受阻力值f＝fx+g×cosθ；其中，g表示多维力传感器与被焊工件之间的装置自身重力，θ为搅拌头轴线与水平面的夹角；被焊工件位于搅拌头上方且从上向下焊接时，0＜θ＜1/2π；被焊工件位于搅拌头上方且从下向上焊接时，1/2π＜θ＜π；被焊工件位于搅拌头下方且从下向上焊接时，π＜θ＜3/2π；被焊工件位于搅拌头下方且从上向下焊接时，3/2π＜θ＜2π；垂直立向下焊时，θ＝0；垂直立向上焊时，θ＝π。

同样，阻力的测试也需要考虑自身重量的影响，否则无法精确进行控制。实用新型人通过考虑不同状态使重力对阻力的影响，优化了校准公式。一般工件处于倾斜状态，会出现从上向下焊接的状态，若垂直立焊则无需考虑焊接方向的问题。

需要补充的是，针对点焊时无需测试阻力的影响，因此此步骤可以根据需要进行，如进行点焊则无需进行阻力校准。

s3、焊前定位及路径规划

在搅拌头达到焊接起始位置之前进行路径规划，一般在达到焊接起始位置几厘米或几毫米的时候进行路径规划。路径规划的方式可以通过机器人的配合采用现有的规划方式，如离线编程或试教法，具体的工作原理在此不做过多赘述。

s4、焊接扎入阶段

将搅拌头扎入被焊工件的焊接起始点，设定焊接压力目标值p0；当搅拌头所受实际压力p＜p0时继续向被焊工件扎入，直至p＝p0停止扎入。

需要说明的是，p0是根据扎入的深度综合考虑工件自身的形变量进行设定，是操作人员根据经验设定，一般p0为0-10吨，较为常用的是1-3吨。

s5、焊接保压阶段

保持搅拌头位置和转速不变，在此过程中主要是通过搅拌头的高速转动对工件进行磨热，达到搅拌摩擦焊接的目的。若为点焊则保压阶段后焊接结束，无需进行稳定焊接阶段。

优选地，在焊接保压阶段中，保持时间为0-30s，更优选为2-10s，具体根据工件的材质和焊接要求设定保持时间。

s6、稳定焊接阶段

搅拌摩擦焊接方法还包括在焊接保压阶段之后进行的稳定焊接阶段，力学传感器为用于检测搅拌头所受压力、前景阻力和扭矩的多维力传感器；其中，稳定焊接阶段是搅拌头以设定转速和前进速度沿焊接路径进行焊接，稳定焊接阶段中所采用的控制策略选自恒压力控制、恒前进阻力控制和恒扭矩控制中的任意一种、两种或三种。

实用新型人创造性地将恒前进阻力控制和恒扭矩控制的策略考虑进来，并根据具体工件和焊接情况的要求选择合适的控制方式。(1)单独实施恒压力控制策略，适用于焊接工艺成熟，焊接路径复杂的工件。(2)单独实施恒前进阻力控制策略，适用于焊接路径简单，对焊接速度敏感的工件。(3)单独实施恒扭矩控制策略，适用于焊接路径简单，对搅拌头转速敏感的工件。(4)恒压力及恒前进阻力控制策略，适用于焊接路径复杂，对焊接速度敏感的工件。(5)恒压力及恒扭矩控制策略，适用于焊接路径复杂，对搅拌头转速敏感的工件。(6)恒前进阻力及恒扭矩控制策略，适用于焊接路径简单，对焊接速度及搅拌头转速敏感的工件。

具体地，恒压力控制的策略包括：设定焊接压力目标值p1，校准后搅拌头所受实际压力p＜p1时，搅拌头沿工件表面法线方向扎入被焊工件直至p＝p1；搅拌头所受实际压力p＞p1时，搅拌头沿工件表面法线方向远离被焊工件直至p＝p1。一般扎入深度越深所受压力越大，根据校准后的实际压力的大小进行位置调整，以满足精确焊接的要求。其中，法线方向为垂直于工件表面的方向。焊接压力目标值p1是根据焊接的伸入综合考虑工件的形变的影响，较为常用的是1-3吨。

具体地，恒前进阻力控制的策略包括：设定焊接前进阻力目标值f1，校准后搅拌头所受实际阻力f＜f1时，提高焊接前进速度直至f＝f1；搅拌头所受实际阻力f＞f1时，降低焊接前进速度直至f＝f1。实际阻力f也为校准后的阻力，速度越快阻力越大，根据要求的行进速度v对应的阻力进行目标值的测定。

具体地，恒扭矩控制的策略包括：设定焊接扭矩目标值t1，采用多维力传感器测得搅拌头的扭矩t，t＜t1时降低搅拌头转速直至t＝t1，t＞t1时提高搅拌头转速直至t＝t1。搅拌头的转动速率越大扭矩越小，根据要求的转速w对应的扭矩进行目标值的测定。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：(1)本实用新型采用多维力学传感器，可同时对搅拌头所受到的压力、前进阻力以及扭矩进行测量，无需采用多种传感器，机构的结构更为紧凑，集成度高，提高焊接的可达性。同时，多维力学传感器形状为圆盘形，受力更为均匀，对焊接过程中的力学信息测量更为精确。(2)实用新型将搅拌头与水平面的夹角进行区域划分，采用公式对搅拌头实际所受的压力及前进阻力进行校准，无需专用校准工具，可实现空间全位置的力学校准。(3)在搅拌摩擦焊扎入阶段所需的压力值通常大于稳定焊接阶段所需的压力值。若采用统一的压力控制标准，将导致搅拌头扎入不到位或焊接深度过深，造成焊缝成形不良。针对上述问题，本实用新型对焊接扎入阶段及稳定焊接阶段采用分段的压力控制策略，满足不同阶段对压力的需求，可有效保证良好的焊缝成形。(4)本实用新型在焊接扎入阶段及稳定焊接阶段之间加入了焊接保压阶段，在此过程中，可使被焊材料充分塑化，搅拌头所受压力值逐渐降低并维持在稳定焊接阶段所需的压力水平，避免焊接扎入阶段和稳定焊接阶段压力控制切换过程中造成的搅拌头的位置的波动，从而提高焊接的稳定性。(5)本实用新型在焊接恒压力控制的同时，引入了恒前进阻力控制及恒扭矩控制策略，可对所有能够影响焊接质量的因素实时进行检测及反馈，对搅拌头转速及焊接速度进行实时优化，从而提高焊接质量。

综上所述，本实用新型提供的一种用于搅拌摩擦焊接的主轴系统，其采用能够测量搅拌头的压力、前进阻力和扭矩的多维力传感器，通过将多维力传感器安装于连接板和主轴之间，通过主轴带动搅拌头转动，通过多维力传感器对搅拌头的力学参数进行检测。结构紧凑、集成化程度高，能够使焊接过程中力学信息的测量更加精确。

本实用新型提供的一种搅拌摩擦焊接系统，包括工业化机器人和上述主轴系统，同样能够对搅拌头的多种力学参数(压力、前进阻力和扭矩)进行检测，使焊接过程中的控制更加精确，有效保证焊缝的成形。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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的保护范围之内。