专利名称：大功率激光齿轮焊接机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光焊接技术领域，特别是涉及一种大功率激光齿轮焊接机，适 用于大功率激光焊接。
背景技术：
齿轮和齿轮轴在机械等很多行业都有非常广泛的应用。齿轮与齿轮，齿轮与轴的 焊接技术也广泛应用于汽车变速箱、机床传动等领域。原有的齿轮焊接技术大都是基于传 统的焊接技术。传统的电弧焊等焊接技术有焊后零件热变形大、人工焊接质量难保障、容易 出现焊接缺陷、生产效率不高等问题。也有少量生产单位采用电子束焊接或者大功率(X)2 激光焊接的方法。电子束焊接由于其有先天的缺陷很多情况不适合使用。而CO2激光器需 要靠外光路系统来传导激光，因此，在每次设备开始使用前，CO2激光器都要进行光路调整。 CO2激光器的外光路系统在使用过程中较容易受到外界振动和冲击的影响。比较而言，光纤 激光器靠整根光纤来传导激光，对于激光器放置环境条件要求不高，而且应用灵活。(X)2激 光器使用的激光气体、厂房成本、维护和保养、电能消耗、零部件更换、激光器成本等消耗比 较高。对于光束质量和材料对激光的吸收，光纤激光也有非常大的优势。同时，在机床系统 及工装夹具方面，大部分的装夹都单纯使用三爪卡盘、频繁更换工装而不能适用多种零件， 生产率也较低。
实用新型内容针对上述存在的技术问题，本实用新型提供一种大功率全光纤激光齿轮焊接机， 其焊接性能好，适合齿轮及齿轮轴的焊接。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下本实用新型包括激光器、机床及防护间，激光器固定在机床上，并置于防护间内， 所述的激光器为全光纤激光器，其上连接垂直移动线性单元，所述垂直移动线性单元通过 水平移动线性单元固定在机床的悬臂上。所述的机床包括支撑框架、底座、悬臂、立柱、送料装置、支撑台板、工件台板、夹 具、夹具传动机构、第一气缸及导轨支撑架，所述立柱、送料装置和导轨支撑架分别固定在 底座上，支撑台板固定在立柱上，带有激光头的悬臂安装于立柱上，与夹具一端连接的夹具 传动机构滑动安装在导轨支撑架的导轨上，并与第一气缸连接，送料装置一端通过转台支 撑架安装在底座上，另一端与工件台板连接，工件台板和支撑台板上分别设有长轴件工位 和普通件工位。所述的夹具传动机构包括第二气缸、动力轴、连接调整件、传动箱及滚动花键母夹 具，所述第二气缸通过连接调整件连接动力轴，动力轴另一端连接夹具，传动箱通过导轨滑 动安装在导轨支撑架上，且与第一气缸连接，滚动花键母套装在动力轴上，其内圈法兰与传 动箱的传动件连接，外圈与传动箱连接。所述的传动箱包括电机、减速机及皮带和两带轮构 成的传动件，电机连接减速机，两带轮分别安装在减速机的输出轴和动力轴上。[0008]所述的连接调整件包括连接轴、轴承座、轴端挡圈、轴承压盖及轴承，轴承座一端 和连接轴连接，另一端连接轴承压盖，在轴承与连接轴间设有轴承挡圈，轴承置于轴承座 内，与动力轴连接，连接轴与第二气缸连接。所述的夹具包括三爪卡盘、工件托盘、转动支撑件、滑动压盖、支架及弹簧，所述工 件托盘置于工件台板的放件工位上，转动支撑件安装在支撑台板上相对工件托盘的一侧， 在另一侧通过锁紧螺母安装有支架，套装有弹簧的滑动压盖安装在支架上，另一端伸出转 动支撑件。所述的转动支撑件包括本体、压盖和推力轴承，所述本体为带有外翻边沿的筒形 结构，其外翻边沿内设有推力轴承，通过推力轴承与支撑台板连接，在带有外翻边沿的一侧 设置有带内孔的压盖，其内孔与滑动压盖伸出端配合。所述的工件托盘上设有与工件内孔 配合的定位凸台。所述的送料装置包括凸轮分度转台和转台支撑架，所述分度转台通过转台支撑架 安装在底座上，另一端与工件台板连接。在所述机床的普通件工位、长轴件工位、转动支撑件的压盖、滑动压盖及工件托盘 上均设有光电传感器。本实用新型的有益效果是1.本实用新型采用的激光器为集成IPG 4000W多模掺镱光纤激光器，激光束模式 为多模，适合于金属焊接，具有高功率、高效率、高亮度的特点。防护间能防止可能发生的激 光辐射对工作人员造成的身体伤害。2.本例中机床采用悬臂结构，激光头通过两个线性移动单元固定在悬臂上，分别 完成χ、γ两个轴的线性运动，夹具传动机构完成Z轴的运动，实现三轴联动。机床上设有两 个工件工位，即可焊接普通齿轮或环形件，又可焊接长轴件。采用高精度凸轮分度转台对普 通件工位旋转来完成放置被加工件和拾取加工完的工件，方便、安全。当焊接长轴齿轮零件 时，由第一气缸控制夹具及其夹具传动机构平移到相应位置，及焊接后返回激光加工位置， 结构简单，安全可靠。3.本实用新型中夹具部分采用转动支撑件和滑动压盖压紧工件，在压紧工件的同 时，防止可能的焊接飞溅落入工件内部影响工件精度。其中滑动压盖上套装有弹簧，通过弹 簧控制其沿垂直方向滑动，以防止过定位工件。转动支撑件的推力轴承，保证旋转及承受轴 向载荷。4.传动机构中采用滚动花键母，其内圈与动力轴连接，外圈固定在传动箱上，能够 保证动力轴传递扭矩又能进行轴向运动的精度。连接调整件上部分随动力轴转动，下部分 与第二气缸连接，能够保证动力轴的扭矩不会传递给第二气缸，但又能传递第二气缸的双 向轴向力。5.本实用新型对齿轮、齿轮轴等环形件的焊接提供了 一种焊接效果优良的，并适 用于大规模批量生产的解决方案。
图1是本实用新型的外型结构示意图。图2是本实用新型的焊机内部结构布置图。图3是本实用新型的夹具部分剖视示意图。[0021]图4是图3中的I部放大示意图。图5是图3中转动支撑件的结构示意图。图6是本实用新型夹具传动的结构示意图。图7是图6中连接调整件的结构示意图。图中1.普通件工位，2.控制面板，3.长轴件工位，4.激光器，5.水冷机。6.支撑 框架，7.立柱，8.悬臂，9.垂直移动线性单元，10.激光头，11.支撑台板，12.凸轮分度转 台，13.转台支撑架，14.导轨支撑架，15.传动箱，16.第一气缸，17.工件，18.工件托盘， 19.滑动压盖支架，20.转动支撑件，21.滑动压盖，22.锁紧螺母，23.推力轴承，24.夹具， 25.动力轴，26.滚动花键母，27.皮带轮，28.减速机，29.电机，30.第二气缸，31.连接调整 件，32.防护间，33.水平移动线性单元，34.底座，35.工件台板，36.弹簧，37.压盖。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。实施例如图1、图2所示，本实用新型包括激光器4、机床及防护间32，激光器4固 定在机床上，并置于防护间32内，所述的激光器为全光纤激光器，其上连接垂直移动线性 单元9，所述垂直移动线性单元9通过水平移动线性单元33固定在机床的悬臂8上。本例 中采用的垂直移动线性单元9和水平移动线性单元33型为Rexroth公司的MFOl型线性单元。本例所述的机床包括支撑框架6、底座34、悬臂8、立柱7、送料装置、支撑台板11、 工件台板35、夹具、夹具传动机构、第一气缸16及导轨支撑架14，所述立柱7、送料装置和导 轨支撑架14分别固定在底座34上，支撑台板11固定在立柱7上，带有激光头10的悬臂8 安装于立柱7上，与夹具M —端连接的夹具传动机构滑动安装在导轨支撑架14的导轨上， 并与第一气缸16连接，送料装置一端通过转台支撑架13安装在底座34上，另一端与工件 台板35连接，所述工件台板35和支撑台板11上分别设有长轴件工位3和普通件工位1。所述的夹具传动机构包括第二气缸30、动力轴25、连接调整件31、传动箱15及滚 动花键母沈，所述第二气缸30通过连接调整件31连接动力轴25，动力轴25另一端连接夹 具，传动箱15通过导轨滑动安装在导轨支撑架14上，且与第一气缸16连接，滚动花键母沈 套装在动力轴25上，其内圈法兰与传动箱15的传动件连接，外圈与传动箱15连接。所述 的传动箱15包括电机四、减速机观及皮带和两带轮27构成的传动件，电机四连接减速机 观，两带轮27分别安装在减速机观的输出轴和动力轴25上。如图7所示，所述的连接调 整件31包括连接轴42、轴承座45、轴端挡圈44、轴承压盖39及轴承40，轴承座45 —端和 连接轴42连接，另一端连接轴承压盖39，在轴承40与连接轴42间设有轴承挡圈44，轴承 40置于轴承座45内，与动力轴25连接，连接轴42与第二气缸30的活塞杆连接。如图3、图4所示，本例所述的夹具包括三爪卡盘M、工件托盘18、转动支撑件20、 滑动压盖21、支架19及弹簧36，所述工件托盘18置于工件台板35的普通件工位1上，转 动支撑件20安装在支撑台板11上相对工件托盘18的一侧，在另一侧通过锁紧螺母22安 装有支架19，套装有弹簧36的滑动压盖21安装在支架19上，另一端伸出转动支撑件20。 所述的转动支撑件20包括本体38、压盖37和推力轴承23，所述本体为带有外翻边沿的筒 形结构，其外翻边沿内设有推力轴承23，通过推力轴承23与支撑台板11连接，在带有外翻边沿的一侧设置有带内孔的压盖37，其内孔与滑动压盖21伸出端配合。本例所述的送料装置包括凸轮分度转台12和转台支撑架13，所述凸轮分度转台 12通过转台支撑架13安装在底座34上，另一端与工件台板35连接。所述的工件托盘18 上设有与工件17内孔配合的定位凸台，在放置工件17时，对工件进行垂直方向定位，使工 件托盘18不与工件17上的有齿面接触。在所述机床的普通件工位1、长轴件工位3、转动 支撑件20的压盖37、滑动压盖21及工件托盘18上均设有光电传感器。可测量零件相应的 外形及加工重要尺寸，及工装夹具型号，得出参数反馈控制系统判断是否匹配、是否需要更 换工艺装备及提示更换适应的工艺装备型号。如不匹配系统自动停止。如焊接环焊缝直径 大小及齿轮厚度，相差较大，可选择更换压盖、滑动压盖21、工件托盘18等工装零件。本实用新型的工作过程本实用新型是通过旋转工件，激光头10固定出光，来达到焊接环形焊缝目的。首 先根据焊接零件尺寸、焊缝直径设置激光器头10位置，之后系统会提示安装的夹具型号。 激光头10位置根据加工焊缝直径自动通过机床系统调整到正确位置。加工普通齿轮或环件时，如图1所示，人工把工件17放入普通件工位1处，工件托 盘18对工件17进行垂直方向定位，只定位工件17垂直方向自由度。在控制面板2处按下 启动按钮，凸轮分度转台12水平旋转180°，把工件17送入防护间32内部激光头10下。 通过光电传感器信号反馈，控制系统测量工件17达到正确位置后夹具M开始加紧。夹紧过 程如图3、图5所示，首先第二气缸30的活塞杆伸出顶起三爪卡盘M，三爪卡盘M的卡爪 端面顶起工件托盘18及工件17，然后胀紧卡爪对工件17定心，最后第二气缸30运行到第 2位置，带动工件17与转动支撑件20、滑动压盖21相接触，把工件17压到转动支撑件20、 滑动压盖21上压紧。压紧后，转动支撑件20和滑动压盖21的主要功能是防止可能的焊接 飞溅落入工件17内部影响工件精度。滑动压盖21是由弹簧36控制，使其可以沿垂直方向 滑动，以防止过定位工件17。最后夹紧状态如图4所示。工件17正常夹紧后，夹具传动机 构开始驱动工件17旋转，如图5所示，首先由电机四转动，带动减速机观及同步转动的同 步带传动组件运动，其皮带轮27带动连接的滚动花键母沈的轴承内圈运动，其轴承内圈与 动力轴25的花键部分连接，带动动力轴25转动，滚动花键母沈的外圈固定在传动箱15的 法兰上。能够保证动力轴25传递扭矩又能进行轴向运动的精度。第二气缸30和动力轴25 间连接的连接调整件31，其上部分随动力轴25转动，下部分与第二气缸30连接，能够保证 动力轴25的扭矩不会传递给第二气缸30，但又能传递第二气缸30的双向轴向力。如图3 所示，推力轴承23内圈同转动支撑件20连接，保证旋转及承受轴向载荷。当电机四带动 整个机构旋转时，控制系统控制激光器10出光，工件转动365°后电机四停止，激光器10 停止出光，完成焊接过程，之后凸轮分度转台12水平回转180°，转回普通件工位1位置，人 工拿下加工成品及放入下一工件17。当加工件为长轴零件时，如图1所示，调整好激光器4位置及安装好正确工装后， 水平移动气缸16驱动导轨机构平移到长轴件工位3处，第二气缸30顶起夹具24——三爪 卡盘，人工把长轴工件17放入三爪卡盘内孔，按下控制面板2的按钮，三爪卡盘夹紧，之后 第一气缸16驱动传动箱15，带动传动轴25、工件台板35及第二气缸30移动到激光加工位 置，夹具M夹紧，旋转焊接，焊接后第一气缸16推出工件台板35拿下工件17。本例中的激光器为集成IPG 4000W多模掺镱光纤激光器，激光束模式为多模，适合于金属焊接。IPG高功率光纤激光器是采用阵列若干个光纤激光器模块的模式，这些模 块输出的激光通过合束器合束，最终得到一束高功率的激光；并通过分时光间的控制，获得 不同芯径光纤进行激光输出的切换。光纤激光器模块中的泵浦源为单芯结半导体模块，它 具有高功率、高效率、高亮度的特点。在泵浦源正常使用范围内，激光器能保证输出到工件 表面的额定激光功率为4KW。激光器输入的电功率与激光器输出的激光功率之比> ；激 光器配备LaserNet控制软件，可自行控制激光器各种动作，并可对输出激光进行波形控 制。激光器配备以太网接口及Device Net接口，可实现激光器的远程控制，以实现系统的 集成控制。激光发生器严格密封，有严密的安全防护系统，能防止可能发生的激光辐射对工 作人员造成的身体伤害。在激光器显眼位置标识有激光辐射标记，工作人员可以方便识别。 激光加工中心的水冷机5采用4KW的IPG光纤激光器的标配水冷机。该水冷机5主要为激 光器的运行提供循环冷却水，另外还为激光加工头提供循环冷却水。本例中机床采用悬臂结构，激光头10固定在悬臂8上，悬臂8上采用集成先进 REXR0TH生产的两个线性移动单元代替传统的导轨丝杠结构，分别完成X、Y两个轴的线性 运动，夹具传动机构完成Z轴的运动，实现三轴联动。各轴的驱动电机选用西门子生产的高 精度伺服电机进行伺服控制，达到控制精度。机床上设有两个工件工位，正面普通件工位1 为放置普通齿轮或环件工位，侧面为长轴件工位3，用于长轴类齿轮放置口。焊接工作时， 激光器10、工件17由防护玻璃隔离在防护间32内。系统采用高精度凸轮分度转台12对 普通件工位1旋转来完成放置被加工件和拾取加工完的工件。送料后夹具M进行夹紧，旋 转。夹具及其夹具传动机构固定在一高精度滚动导轨上，当焊接长轴齿轮零件时，由气缸控 制夹具及其夹具传动机构平移到侧面长轴件工位3放置之后返回激光加工位置。本例中防护间32能绝对屏蔽和防止激光泄漏，可以保证激光加工安全的进行，实 现清洁的激光加工环境。操作人员可以在安全房外操作设备运转，大大提高了操作人员的 安全性。激光防护间四周的罩板均可设计成可拆卸罩板，并设有安全防护门，使设备的维护 等更加方便；罩板上配有安全防护视窗，可使透过防护视窗的激光辐照量低于人眼最大允 许照射量限值，不仅可以隔离对人眼有害的激光辐射，还能使工作人员在外部观测激光加 工过程。
权利要求1.一种大功率激光齿轮焊接机，包括激光器、机床及防护间，激光器固定在机床上，并 置于防护间内，其特征在于所述的激光器为全光纤激光器，其上连接垂直移动线性单元， 所述垂直移动线性单元通过水平移动线性单元固定在机床的悬臂上。
2.根据权利要求1所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的机床包括支撑 框架、底座、悬臂、立柱、送料装置、支撑台板、工件台板、夹具、夹具传动机构、第一气缸及导 轨支撑架，所述立柱、送料装置和导轨支撑架分别固定在底座上，支撑台板固定在立柱上， 带有激光头的悬臂安装于立柱上，与夹具一端连接的夹具传动机构滑动安装在导轨支撑架 的导轨上，并与第一气缸连接，送料装置一端通过转台支撑架安装在底座上，另一端与工件 台板连接，工件台板和支撑台板上分别设有长轴件工位和普通件工位。
3.根据权利要求2所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的夹具传动机构 包括第二气缸、动力轴、连接调整件、传动箱及滚动花键母夹具，所述第二气缸通过连接调 整件连接动力轴，动力轴另一端连接夹具，传动箱通过导轨滑动安装在导轨支撑架上，且与 第一气缸连接，滚动花键母套装在动力轴上，其内圈法兰与传动箱的传动件连接，外圈与传 动箱连接。
4.根据权利要求3所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的传动箱包括电 机、减速机及皮带和两带轮构成的传动件，电机连接减速机，两带轮分别安装在减速机的输 出轴和动力轴上。
5.据权利要求3所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的连接调整件包括 连接轴、轴承座、轴端挡圈、轴承压盖及轴承，轴承座一端和连接轴连接，另一端连接轴承压 盖，在轴承与连接轴间设有轴承挡圈，轴承置于轴承座内，与动力轴连接，连接轴与第二气 缸连接。
6.根据权利要求2所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的夹具包括三爪 卡盘、工件托盘、转动支撑件、滑动压盖、支架及弹簧，所述工件托盘置于工件台板的放件工 位上，转动支撑件安装在支撑台板上相对工件托盘的一侧，在另一侧通过锁紧螺母安装有 支架，套装有弹簧的滑动压盖安装在支架上，另一端伸出转动支撑件。
7.根据权利要求6所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的转动支撑件包 括本体、压盖和推力轴承，所述本体为带有外翻边沿的筒形结构，其外翻边沿内设有推力轴 承，通过推力轴承与支撑台板连接，在带有外翻边沿的一侧设置有带内孔的压盖，其内孔与 滑动压盖伸出端配合。
8.根据权利要求6所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的工件托盘上设 有与工件内孔配合的定位凸台。
9.根据权利要求2所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于所述的送料装置包括 凸轮分度转台和转台支撑架，所述分度转台通过转台支撑架安装在底座上，另一端与工件 台板连接。
10.根据权利要求1所述的大功率激光齿轮焊接机，其特征在于在所述机床的普通件 工位、长轴件工位、转动支撑件的压盖、滑动压盖及工件托盘上均设有光电传感器。
专利摘要一种大功率激光齿轮焊接机，属于激光焊接技术领域。包括激光器、机床及防护间，激光器固定在机床上，并置于防护间内，所述的激光器为全光纤激光器，其上连接垂直移动线性单元，所述垂直移动线性单元通过水平移动线性单元固定在机床的悬臂上。本实用新型激光头通过两个线性移动单元固定在悬臂上，分别完成X、Y两个轴的线性运动，夹具传动机构完成Z轴的运动，实现三轴联动。机床上设有两个工件工位，即可焊接普通齿轮或环形件，又可焊接长轴件。采用凸轮分度转台对普通件工位旋转来完成放置被加工件和拾取加工完的工件；焊接长轴齿轮零件时，由第一气缸控制夹具及其夹具传动机构平移到相应位置，焊接后返回激光加工位置，结构简单，安全可靠。
文档编号B23K26/42GK201881050SQ201020610899
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者李峰, 杨松, 王璐, 范卫国, 范荣博 申请人:杭州中科新松光电有限公司