多参数反馈的搅拌摩擦焊具的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多参数反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳，设置于焊机外壳中的主电机和扭矩传感器，延伸至焊机外壳中并与扭矩传感器连接的中空中心轴，套设于中心轴内的搅拌针，以及可使搅拌针沿中心轴轴向移动的搅拌针回抽装置。通过回抽装置能够顺利实现搅拌针高速旋转时的回抽，打破了传统焊具回抽装置无法回抽高速旋转的搅拌针的局限，成功解决了焊缝尾部的“匙孔”问题，改善焊接质量。
【专利说明】
多参数反馈的搅拌摩擦焊具
技术领域
[0001]本发明涉及有色金属焊接加工技术，尤其是一种多参数反馈的搅拌摩擦焊具。
【背景技术】
[0002]自英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，经常会有焊缝缺陷以及焊缝尾部出现“匙孔”。
[0003]随着焊接技术的辅助手段快速发展，机器人技术发展日趋成熟，但现有搅拌摩擦焊接设备没有测量控制系统，无法对焊接过程的位移、压力、搅拌针扭矩和搅拌摩擦焊焊机振动进行合适的控制与检测，例如现有PID压力控制方案会造成压力过大，引发飞边过多，同时存在较大的时滞，效果不佳；同时，现有搅拌摩擦焊接的装备体积和重量普遍较大，难以直接安装于机器人手臂的末端。
【发明内容】
[0004]发明目的:提供一种多参数反馈的搅拌摩擦焊具，以解决现有技术存在的上述问题。
[0005]本发明的技术方案为:一种多参数反馈的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳，设置于焊机外壳中的主电机和扭矩传感器，延伸至焊机外壳中并与扭矩传感器连接的中空中心轴，套设于中心轴内的搅拌针，以及可使搅拌针沿中心轴轴向移动的搅拌针回抽装置。
[0006]优选的，所述搅拌针回抽装置包括回抽电机、与回抽电机输出轴固定连接的回抽滑块、以及位于回抽滑块内侧并通过第一支撑轴承与回抽滑块连接的回转套;所述回转套和回抽滑块的侧部对应设置有固定孔。所述焊机外壳的内侧固定连接有第一支撑板和第二支撑板，焊机外壳的开口端固定连接有第三支撑板，第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板将焊机外壳分成三个容置空间，主电机安装于第一支撑板上，扭矩传感器位于第二支撑板的上方并与主电机固定连接。所述回抽电机固定于第三支撑板上，所述第三支撑板上固定来接有姿态传感器。
[0007]优选的，所述中心轴的侧壁开有轴向延伸的通孔，该通孔的位置与回转套和回抽滑块上的通孔位置对应。
[0008]在进一步的实施例中，所述焊具还包括支撑室外壳和位于支撑室外壳内的压力传感系统，所述压力传感系统包括套设于中心轴扩展段内的中空内轴，设置于中空内轴端部的压力传感器，通过套筒固定于中心轴外侧的汇流环，中心轴和支撑室外壳之间通过第一支撑轴承转动连接。
[0009]优选的，所述中心轴的边缘向外延伸，形成环形凸台，所述中空内轴的一端向外延伸，形成凸起部，一套接有弹簧的导轨穿过凸起部上的通孔后固连于凸台。所述支撑室内设置有环形挡圈。
[0010]相比现有技术的优点是:通过回抽装置能够顺利实现搅拌针高速旋转时的回抽，打破了传统焊具回抽装置无法回抽高速旋转的搅拌针的局限，成功解决了焊缝尾部的“匙孔”问题，改善焊接质量。此外，本发明能够在焊接过程中实时检测扭矩、轴向压力和焊具倾角状态并向外界输出信号，最终实现焊接过程关键参数的检测与控制，最大程度地改善焊接质量。
【附图说明】
[0011 ]图1是本发明的结构示意图。
[0012]图2是回抽装置的结构示意图。
[0013]图3为支撑室的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]
【申请人】对现有专利及论文进行了研究分析。例如，现有技术I提出了一个搅拌摩擦焊装置，但没有对如何实时测量搅拌头下压深度以及搅拌头倾角提出具体方法。现有技术2提出了一种搅拌摩擦焊接装置，力矩电机定子固定安装在主轴的内孔中，使得整个装置体积偏大，另外对于焊接的过程中对焊接参数的调整没有提出具体的依据。而采用PID算法的技术方案存在较大的时滞和超调量，会出现很多问题。另外，现有的各方案均没有涉及到一个重要问题，即压力、振动和扭矩测量值与真实值存在偏差的问题，因此也没有给出解决方案。
[0015]基于上述认识，
【申请人】认为设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能，同时能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌头及其使用方法，还可以实时检测客观参数的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。
[0016]如图1所示，本发明提出的多参数反馈的搅拌摩擦焊具的主要零件/构件/机构为:动力室外壳1、回抽室外壳2、支撑室外壳3、搅拌针4、中心轴5、弹簧6、搅拌头轴肩7、内轴8、圆形导轨9、汇流环10、压力传感器11、圆形挡圈12、回抽滑块13、安装孔14、姿态传感器15、旋转电机16、动态扭矩传感器17和主电机18。
[0017]其中，焊机外壳(动力室外壳)为中空的，其内部设置有第一支撑板la、第二支撑板lb，外壳的开口端与第三支撑板Ic固定连接。焊机外壳的侧壁开有通孔或螺纹孔，第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板的端部或侧部开有螺纹孔，通过螺钉将各支撑板与侧壁固定连接。主电机固定于第一支撑板上，扭转传感器位于第二支撑板上，扭转传感器与主电机的输出轴固定连接。旋转电机(回抽电机)和姿态传感器安装于第三支撑板上，姿态传感器用于实时检测焊接过程中焊具的倾斜状况并向外界输出该倾角大小。
[0018]接着描述回抽室外壳及回抽装置的结构。回抽室外壳与动力室外壳同轴固定连接。回抽装置设置于回抽室的壳体内。如图1的中部和图2所示。回抽装置由回抽滑块、第一支撑轴承20、同步回转套22组成；中心轴从空心腔19穿过，同步回转套22套在中心轴上，通过第一支撑轴承20与回抽滑块相连；回抽滑块与旋转电机轴25采用螺栓紧固；旋转电机轴25的旋转动作可调节回抽滑块在轴向的位移，从而带动搅拌针相对于中心轴的位置。回转滑块和同步回转套上设置有径向螺孔21。在该实施例中，中心轴具有一轴向延伸一段距离的通孔，以供搅拌针的移动。在安装时，用径向的紧固螺钉穿过支撑室外壳、回抽滑块、同步回转套和中心轴上的通孔，固定搅拌针的位置。紧固螺钉的末端位于同步回转套中，当主电机转动时，中心轴带动搅拌针、回转套等元件转动，由于回转套与回抽滑块之间设置有轴承，则回转套和回抽滑块之间可以相对转动。同时，当需要回抽搅拌针时，回抽电机(旋转电机)启动，带动回抽滑块上下移动。
[0019]如图1的下方和图3所示，详细描述支撑室和压力检测系统的结构。支撑室主要包括支撑室外壳、搅拌针、中心轴、弹簧、搅拌头轴肩、内轴、圆形导轨、汇流环、压力传感器、圆形挡圈、第二支撑轴承和套筒。轴向压检测装置由压力传感器和汇流环组成，其中压力传感器中心具有圆孔，该圆孔用于穿过搅拌针;压力传感器安装于支撑室外壳内，在轴向被中心轴与内轴顶紧;汇流环套在中心轴上;姿态传感器水平安装于动力室底部。压力传感器位于支撑室的中心轴内，焊接时随中心轴一起高速旋转，并通过汇流环向外输出焊接过程中工件对搅拌头轴肩的轴向反作用力信号。
[0020]中心轴套在内轴外，两轴底部采用圆形导轨和弹簧固定，两轴之间的空隙安装有压力传感器;搅拌针从上到下贯穿内轴、中心轴和底部的搅拌头轴肩；汇流环套在中心轴上，上下两端分别由套筒24和第二支撑轴承23固定;第二支撑轴承的顶部由圆形挡圈固定在支撑室外壳上。上述部件中，弹簧有以下作用:支撑内轴和压力传感器的自重，使内轴能够将压力传感器顶紧，使之不在轴向松动;针对焊接过程中的振动现象，利用弹簧的缓冲作用，对轴向力输出信号起一定程度的平滑作用。
[0021]上述部件中，弹簧可选用普通弹簧钢制成，动力室外壳、回抽室外壳、支撑室外壳、中心轴、内轴、圆形导轨、圆形挡圈和回抽滑块均可以采用普碳钢制成；主电机可采用市面上常用的高转速电机;动态扭矩传感器也可以采用市面上常用的产品；压力传感器则可采用市面上的圆环式压力传感器;搅拌头轴肩则可以选用高温合金钢制成。
[0022]上述实施例为优选实施例，还可以采用其他方式，虽然这些方式可能存在一些缺点，但亦可以实现本发明的功能。例如，中心轴为两端独立的空心管体，圆形钢筋焊接或螺接固定，在连接的部位留出一段沿轴向延伸的空间即可。或者两端中心轴分别与同步回转套的上下两端固定连接，两端中心轴之间的空间可供搅拌针及回抽机构的移动。同样，支撑室外壳、回抽滑块和螺旋回转套上的通孔或螺孔亦可以替换，比如采用镂空结构，不仅可以减轻重量，还可以实现同样的功能，回抽滑块和螺旋回转套之间架设防尘组件即可。同样，上述实施例中其它构件的形状、连接方式和位置也根据实际情况调整，并仅限于采用上述结构或构造。
[0023]从上述实施例可知:本发明采用同心式设计，即各主要部件均在同一轴线上，主要部件安装于动力室、回抽室、支撑室组成;动力室上盖平整，可用于与机器人手臂的末端法兰相连;各主要部件包括主电机、回抽装置、支撑装置、扭矩检测装置、弹簧式缓冲式轴向压力检测装置、焊具姿态检测装置和搅拌头。
[0024]上述焊具，其焊前工作流程:
Stepl:将整个焊具安装于焊机的机头；
Step2:调整弹簧的松紧程度，使压力传感器获得初始空载压力； Step3:将搅拌头轴肩安装于内轴上；
Step4:启动旋转电机，调整搅拌针的伸出长度；
Step5:启动主电机，开始焊接。
[0025]总之，在本发明中，该焊具由动力室、回抽室和支撑室等组成，动力室上盖可用于与机器人手臂的末端法兰相连;各装置如弹簧缓冲式轴向压力检测装置、主电机、回抽装置、支撑装置、扭矩检测装置和搅拌头均采用同心式设计，即均沿着焊具轴线安装;该焊具可检测搅拌头的空间姿态，且能实时检测焊接扭矩、搅拌头所受轴向压力。
[0026]回抽滑块与同步回转套同步移动，探针沿着中心轴上的通孔上下移动，从而实现探针的回抽和移出。回抽装置位于回抽室中，通过回抽滑块连接旋转电机和中心轴，使中心轴带动搅拌针作轴向位移运动，用于调整搅拌针的轴向位移。
[0027]该焊具结构简单，实用性强;其主电机、回抽装置、支撑装置、扭矩检测装置、轴向压力检测装置和搅拌头采用同心式设计，均沿着焊具轴线安装，克服现有搅拌摩擦焊接装置体积和重量普遍较大且存在重心不在中心轴线上，难以直接安装于机器人手臂末端的难题。
[0028]如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【主权项】
1.一种多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，包括中空的焊机外壳，设置于焊机外壳中的主电机和扭矩传感器，延伸至焊机外壳中并与扭矩传感器连接的中空中心轴，套设于中心轴内的搅拌针，以及可使搅拌针沿中心轴轴向移动的搅拌针回抽装置。2.根据权利要求1所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述搅拌针回抽装置包括回抽电机、与回抽电机输出轴固定连接的回抽滑块、以及位于回抽滑块内侧并通过第一支撑轴承与回抽滑块连接的回转套;所述回转套和回抽滑块的侧部对应设置有固定孔。3.根据权利要求2所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述焊机外壳的内侧固定连接有第一支撑板和第二支撑板，焊机外壳的开口端固定连接有第三支撑板，第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板将焊机外壳分成三个容置空间，主电机安装于第一支撑板上，扭矩传感器位于第二支撑板的上方并与主电机固定连接。4.根据权利要求3所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述回抽电机固定于第三支撑板上，所述第三支撑板上固定来接有姿态传感器。5.根据权利要求2至4任一项所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴的侧壁开有轴向延伸的通孔，该通孔的位置与回转套和回抽滑块上的通孔位置对应。6.根据权利要求5所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，还包括支撑室外壳和位于支撑室外壳内的压力传感系统，所述压力传感系统包括套设于中心轴扩展段内的中空内轴，设置于中空内轴端部的压力传感器，通过套筒固定于中心轴外侧的汇流环，中心轴和支撑室外壳之间通过第一支撑轴承转动连接。7.根据权利要求6所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴的边缘向外延伸，形成环形凸台，所述中空内轴的一端向外延伸，形成凸起部，一套接有弹簧的导轨穿过凸起部上的通孔后固连于凸台。8.根据权利要求6所述的多参数反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述支撑室内设置有环形挡圈。
【文档编号】B23K20/12GK106001898SQ201610439334
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】陈书锦
【申请人】南京索菲智能装备有限公司