单面结合机器的制作方法

本发明涉及一种单面结合机器设计。

背景技术：

本节的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可并不构成现有技术。

摩擦插入紧固或摩擦搅拌紧固是用于利用旋转紧固件来结合部件的过程。具体地说，驱动地装配由带有槽或其它构造的扩大头部的温度稳定材料制成的紧固件与安装工具的单独可旋转驱动件，以适应工具的扭矩以及轴向负载。该紧固件进一步包括柄部部分，该柄部部分从头部轴向地悬下，以摩擦地接合并且逐渐地加热并钻入到正结合的部件中。摩擦热量在旋转紧固件物理地作用于部件的材料时产生，以在围绕旋转柄部的交迭部中产生材料塑化区域。在紧固件旋转且摩擦加热终止时，部件的软化或塑化材料围绕紧固件柄部冷却并固化，由此结合部件。在一些情形中，当铆钉的接口的塑化点和所连接部件的塑化点在冶金上可兼容时，在紧固件柄部和结合材料的外表面之间可发生扩散结合。

技术实现要素：

结合机器包括机器人臂、工具以及补偿装置，该机器人臂具有远端，该工具配置成驱动紧固件进入工件，而该补偿装置安装在机器人臂的远端和工具的第一端部。补偿装置配置成使得工具沿线性和旋转方向的至少一个运动，从而当驱动紧固件进入工件时补偿机器人臂的偏转。

单面结合机器包括机器人臂、摩擦搅拌紧固工具以及补偿装置，该机器人臂具有远端，该摩擦搅拌紧固工具配置成驱动紧固件进入工件，而该补偿装置具有板，该板可枢转地固定于机器人臂的远端并且固定地固定于摩擦搅拌紧固工具的上表面。板可枢转地朝向和远离机器人臂的远端运动，以在驱动紧固件进入工件时补偿机器人臂的偏转。

单面结合机器包括机器人臂、摩擦搅拌紧固工具以及补偿装置，该机器人臂具有远端，该摩擦搅拌紧固工具配置成用于驱动紧固件进入到工件中，而该补偿装置具有板，该板固定地固定于机器人臂的远端。摩擦搅拌紧固工具能沿着板线性地运动，以在驱动紧固件进入工件时补偿机器人臂的偏转。

从本说明书中所提供的描述中可以得知其它可应用领域。应理解的是，描述和特定示例仅仅旨在说明的目的，且并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

这里描述的附图仅仅用于说明的目的，且并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

图1是根据本发明的具有补偿装置的示例性结合机器的示意图；

图2A是在紧固过程之前的传统结合机器的示意图；

图2B是在紧固过程期间的图2A所示传统结合机器的示意图；

图2C是在紧固过程之后的图2A所示传统结合机器的示意图；

图3A是在紧固过程之前具有补偿装置的示例性结合机器的示意图；

图3B是在紧固过程期间具有补偿装置的示例性结合机器的示意图；

图3C是在紧固过程之后的具有补偿装置的示例性结合机器的示意图；

图4是根据本发明的具有单个自由度补偿装置的另一示例性结合机器的示意图；

图5是根据本发明的具有单个自由度补偿装置的另一示例性结合机器的示意图；

图6是根据本发明的具有单个自由度补偿装置的另一示例性结合机器的示意图；

图7是根据本发明的具有两个自由度补偿装置的另一示例性结合机器的示意图；

图8是根据本发明的具有两个自由度补偿装置的另一示例性结合机器的示意图；以及

图9是根据本发明的具有两个自由度补偿装置的另一示例性结合机器的示意图。

具体实施方式

以下的描述在性质上仅是示例性的，不旨在限制本发明、应用或者使用。应该理解，在整个附图中，对应的附图标记指代类似或对应的部件及特征。此外，诸如“顶部”、“侧部”、“后部”、“下方”以及“上部的方向用于解释的目的并且并不旨在要求明确的定向，除非另有陈述。这些方向仅仅作为相对于所提供示例的参照系提供，但在替代的应用可以不同。

本发明描述一种示例性单面结合机器，该单面结合机器适合于使用摩擦搅拌紧固过程形成焊接接头。参照附图，其中类似的附图标记指代类似的部件，示例性单面结合机器10包括摩擦搅拌工具12，该摩擦搅拌工具固定于工具定位系统14。本发明的摩擦搅拌工具可用于各种类型的点焊装置(例如，C焊枪类型、X焊枪类型、弹簧类型)。如图1中所示，单面结合机器10能用于将第一和第二工件16、18与紧固件20结合。紧固件20配置成当经受例如可由作用在紧固件20上的摩擦搅拌工具12实现的旋转驱动力时、机械地紧固第一和第二工件16、18。第一和第二工件16、18可设置在套件22上，用以在结合过程期间进行支持。然而，在一些实施例中，第一和第二工件16、18可具有足够的固有强度以支持过程，而无需套件22。紧固件20的高速旋转在工件16、18处产生热量，以允许紧固件20的柄部能在摩擦搅拌工具12的力下穿透工件16、18。此外，柄部配置成变形以产生机械接头。整个过程无需工件16、18中用于紧固件20的引导孔。

包括工具定位系统14的示例性单面结合机器10根据紧固或焊接规程使得摩擦搅拌工具12沿邻近于工件16、18的上表面24的方向运动。为了执行该运动，工具定位系统14进一步包括具有端部执行器28的机器人臂26。机器人臂26可分成多个部段，以允许更大的范围和角向位置来用于工具定位系统14。由于机器人臂26和端部执行器28包括串联设置的多个铰接接头，因而存在顺应性和定位公差。这些顺应性和定位公差在紧固操作期间初始时更难以维持，并且会导致摩擦搅拌工具12偏转。机器人臂26使得端部执行器28和摩擦搅拌工具12运动得距工具定位系统14的质量中心越远，则变得越难以维持紧固件20的初始精确包络线。

参照图2A，机器人臂26和摩擦搅拌工具12示意地示作处于工件16、18的上表面24的预定位置处，该预定位置代表用于紧固件20的插入点。在紧固件20开始插入之前，摩擦搅拌工具12接近垂直于工件16、18的上表面24。

在图2B中，摩擦搅拌工具12开始旋转紧固件20并且将其朝向工件16、18的上表面24进给。然而，上表面24处的材料硬化并致使机器人臂26沿箭头30的方向旋转地偏转。机器人臂26的垂直偏转可由公式(1)限定，且机器人臂26的水平运动(例如，行走)能由公式(2)限定：

其中，

Px是在机器人臂x的端部处的负载

Lx是机器人臂x的长度

Ex是机器人臂x的弹性模量

Ix是机器人臂x绕其中性轴线的惯性量

θx是机器人臂x的由Denavit-Hartenberg公约限定的旋转角

在机器人臂26偏转时，摩擦搅拌工具12类似地远离上表面24角向地运动，如箭头32所示。所经历的偏转导致紧固件20中产生大于所需的加热区域。加热区域的增大尺寸进而可导致较长循环时间和较高的工具使用率(例如，大于最佳情形的工具磨损)。在一个示例中，评估具有4.76mm直径的紧固件具有2.4mm的水平运动(即，侧向行走)，其中，垂直偏转是4mm。

在工件16、18的材料软化时，紧固件20冲入通过上表面24且机器人臂26回弹，例如在图2C中最佳地示出。机器人臂26(例如，由箭头34表示)和摩擦搅拌工具12经历的回弹在紧固件20穿透工件16、18时(例如，由箭头36所表示)在该紧固件处引起振动运动。应理解的是，紧固件20的末端由于所描述偏转而经历的主要运动的特征可在于侧向运动(即，水平的)，而紧固件20的末端经历的次要运动的特征可在于远离其进给方向的旋转运动。

参照图3A、3B和3C，示出具有补偿装置138的示例性单面结合机器110的示意图。补偿装置138可减小或完全地消除安装结构在钻孔操作期间的变形，这将在下文更详细地描述。单面结合机器110的初始操作基本上类似于单面结合机器10的操作，但除了紧固件进给速率的定时以外。

具体地说并且参照图3A，摩擦搅拌工具112由机器人臂126运动至邻近于待结合的一对工件116、118的上表面124的预定位置，该预定位置代表用于紧固件120的插入点。补偿装置138可具有任何构造，但在一个示例中呈现为板140，该板在机器人臂126的远端142处铰接地固定于该机器人臂。板140还可固定于摩擦搅拌工具112的上表面144，以使得机器人臂126可沿第一方向(例如，图3B中示出的旋转箭头130的方向)旋转，且摩擦搅拌工具112可同时沿第二相反方向(例如，图3B中示出的旋转箭头142的方向)旋转。在紧固件120开始进给之前，摩擦搅拌工具112保持与垂直于工件116、118的上表面124相接触。摩擦搅拌工具112开始旋转而不会行进到上表面124中，由此允许材料能在由紧固件120的柄部所限定的预定区域中软化。由于紧固件120的末端和上表面124之间存在最小压力，因而可仅仅产生最少热量。

现参照图3B，补偿装置138的板140可开始旋转远离机器人臂126的远端142(例如，沿箭头146的方向)。这样，上表面124上的进给压力主要通过板140远离机器人臂126的枢转运动而呈现。同时，摩擦搅拌工具112可将紧固件120进给到工件材料116、118中。摩擦搅拌工具112的旋转动作连同补偿装置138的枢转运动和紧固件120的进给一起在工件116、118的上表面124上引起摩擦。在上文描述的示例性实施例中(例如，当垂直偏转或进给是4mm时，4.76mm直径的紧固件具有2.4mm的水平运动)，且假定是340mm杆件，紧固件120由于补偿装置138的板140的旋转导致的进入工件材料的运动会是1.2mm，同时紧固件进给是2.8mm，以消除水平运动。虽然机器人臂126的远端142仍沿箭头132所示的方向偏转，但该偏转并不在紧固件120处导致任何侧向运动(即，水平的)。

现参照图3C，在工件116、118的材料软化时，紧固件120可逐渐地冲入通过上表面124。在机器人臂126回弹时，补偿装置138的板140可相对于机器人臂126的远端142(例如，沿箭头148的方向)朝向该板的初始位置逆时针旋转。此种运动导致减小或消除否则会被紧固件120经受的任何振动运动。

虽然补偿装置138描述为以计算的或预设角向运动操作，但还可设想的是，使用包括传感器和/或反馈控制件的闭环系统来提供合适的倾斜角。具体地说，传感器(例如，负载单元、红外线、基于视觉的)能增加至系统，以检测紧固件120的水平运动和紧固件120开始穿透工件116、118的上表面124的时间(例如，材料软化的时间)。补偿装置138的角向运动则能用于抵抗紧固件120的任何侧向运动(即，水平的)或旋转运动。

现参照图4，示出固定于摩擦搅拌工具212的上表面244的替代补偿装置238的示意图。补偿装置238包含单个自由度机构，以确切地去除紧固件220的主要侧向运动(即，水平的)。单面结合机器(未示出)的操作基本上类似于单面结合机器10的操作；然而，在操作期间，摩擦搅拌工具212可沿着补偿装置238的板240线性地(例如，沿箭头250的方向)运动，以抵消紧固件220的侧向运动(即，水平的)。

现参照图5，示出固定于摩擦搅拌工具312的上表面344的另一替代补偿装置338的示意图。补偿装置338基本上类似于补偿装置238，但除了补偿装置338的板340的曲率以外。通过将板340弯曲，补偿装置338包含单个自由度机构，用以去除紧固件320的主要侧向运动(即，水平的)以及还用于减小旋转运动。

现参照图6，示出固定于摩擦搅拌工具412的另一替代补偿装置438的示意图。类似于补偿装置338，补偿装置438包含单个自由度机构，用以去除紧固件420的主要侧向运动(即，水平的)以及减小旋转运动。然而，为了实现该目的，补偿装置438包含多个连接件452。连接件452可直接地安装于机器人臂(未示出)，以允许摩擦搅拌工具412沿角向和旋转方向两者运动。

现参照图7，示出固定于摩擦搅拌工具512的上表面544的又一替代补偿装置538的示意图。补偿装置538包含两个自由度机构，以对抗紧固件520的侧向运动(即，水平的)和/或旋转运动。单面结合机器(未示出)的操作基本上类似于单面结合机器10的操作；然而，摩擦搅拌工具512能运动通过棱柱型或回转接头(例如，PP、RP)，且串联地或并联地执行该运动。在操作期间，摩擦搅拌工具512可沿着板540水平地(例如，沿箭头554的方向)以及沿着板556垂直地(例如，沿箭头558的方向)运动，以对抗紧固件520的侧向运动(即，水平的)和旋转运动。

现参照图8，示出固定于摩擦搅拌工具612的另一替代补偿装置638的示意图。类似于补偿装置538，补偿装置638包含两个自由度机构，用以对抗紧固件620的侧向运动(即，水平的)和/或旋转运动。为了实现该目的，补偿装置638包含旋转板640(例如，能沿箭头648的方向旋转)。此外，摩擦搅拌工具612可沿着板640水平地运动(例如，沿箭头654的方向)，以对抗紧固件620的侧向运动(即，水平的)。

现参照图9，示出固定于摩擦搅拌工具712的另一替代补偿装置738的示意图。类似于补偿装置638，补偿装置738包含两个自由度机构，以去除紧固件720的主要侧向运动(即，水平的)和/或旋转运动。然而，为了实现该目的，补偿装置738包含多个连接件752，这些连接件旋转地固定于板740。连接件752可直接地安装于板740，以允许摩擦搅拌工具712沿角向和旋转方向两者运动。此外，摩擦搅拌工具712可沿着板740水平地(例如，沿箭头754的方向)运动，以对抗紧固件720的侧向运动(即，水平的)。

这里描述本发明的实施例。该描述在本质上仅仅是示例性的，且因此并不偏离本发明精神的变型旨在落在本发明的范围内。例如，补偿装置能通过各种装置、例如通过气动或液压装置或者通过直接驱动件、导引螺杆或连接件来实现。这些附图并非必须是按比例的；一些特征可放大或缩小以示出特定部件的细节。因此，这里公开的特定结构和功能细节并不被解释为限制，而是仅仅作为用于教示本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。本领域普通技术人员会理解的是，参照任何一个附图说明且描述的各种特征能与在一个或多个其它附图中说明的特征相组合，以产生并未明确说明或描述的实施例。所说明特征的组合提供用于各种应用的代表性实施例。然而，根据本发明教示的特征的各种组合和修改对于特定应用或实施方式会是期望的。