集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统及焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统及焊接方法，包括五轴机床平台、焊接主轴、激光系统、力学传感器、位移传感器及控制系统，其中，力学传感器安装在焊接主轴上，位移传感器安装在五轴机床平台上的导轨附近，激光系统安装在五轴机床平台上，所述控制系统分别与五轴机床平台、激光系统、力学传感器、位移传感器相连接，并用于控制五轴机床平台、激光系统、力学传感器及位移传感器的调整。本发明完成0.2-1mm厚度的超薄铝板、铜板以及其他适合搅拌焊接的金属的对接和搭接焊接，实现了力学、位移双控运动制以及激光定位、参数微调等功能，可以用于微型芯片的管脚、超薄件的焊接。
【专利说明】集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统及焊接方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明专利涉及一种可以实现超薄轻质合金金属、铜等搅拌摩擦焊接的微型搅拌焊接系统，具体是一种集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统及焊接方法。
【背景技术】
[0002]铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀、易成形等优点受到众多工业制造的青睐，随着这种材料的性能的不断提高如新型牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空航天、高速列车、高速舰船等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。但是传统的焊接方法焊接变形大是困扰其发展的一个重要问题。搅拌摩擦焊接现今有两个方向，一个是超大、超厚板的焊接，一个是微型超薄板的焊接。自从TWI提出微型搅拌摩擦焊接以来，该技术得到广泛的关注和深入的研究，特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发，并且在诸多工业制造领域得到了成功应用。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统及焊接方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的。
[0005]一种集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，包括五轴机床平台、焊接主轴、激光系统、力学传感器、位移传感器及控制系统，其中，力学传感器安装在焊接主轴上，位移传感器安装在五轴机床平台上的导轨附近，激光系统安装在五轴机床平台上，所述控制系统分别与五轴机床平台、激光系统、力学传感器、位移传感器相连接，并用于控制五轴机床平台、激光系统、力学传感器及位移传感器的调整。
[0006]所述五轴机床平台为串联五轴联动的双摆头机构，所述五轴包括X轴、Y轴、Z轴、C轴及S轴，其中，X轴、Y轴、Z轴为移动轴，C轴为旋转轴，S轴俯仰轴。
[0007]所述三个移动轴精度为0.0lmm,所述旋转轴与俯仰轴的精度为I弧份。
[0008]所述激光系统包括激光传感器，所述激光传感器安装在五轴机床平台的Z轴的托板上，通过控制X、Y轴的运动，实现对整个台面的工作覆盖，以便进行工件焊缝识别和运动控制。
[0009]所述焊接主轴的最高转速为8万转，其承受能力为200kg轴向力和150kg的径向力。
[0010]所述位移传感器为光栅尺。
[0011]一种集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统的焊接方法，包括以下步骤:
[0012]第一步，把需要焊接的器件放置在五轴机床平台上，安装固定后通过控制系统控制X、Y轴的运动进行运动，让激光系统中的激光传感器识别待焊接器件的焊缝起点；
[0013]第二步，激光系统自动识别器件的焊缝，然后把焊缝轨迹点参数保存到相应数据库文件内；[0014]第三步，工作人员在控制系统中编写加工程序，设定焊接工艺参数；
[0015]第四步，在上述三步工作完成后，按下控制系统中的焊接启动按钮，工作人员现场观察初始段焊接效果，并根据情况通过控制系统进行Z轴位移微调，待焊接稳定后，开启控制系统中的自动焊接开关，切换至恒压力位移控制，由控制系统自主控制余下焊缝的焊接;
[0016]第五步，控制系统自主读取激光系统识别出来的焊缝轨迹，并完成焊接控制。
[0017]所述焊接工艺参数包括:焊接前进速度、转速、Z轴的位移上下限。
[0018]所述控制系统控制X、Y轴的运动包括自动控制和手动控制。
[0019]本发明可以完成平面二维的有倾角焊接，同时可以完成空间三维的曲面。
[0020]本发明集成了力学传感器和位移传感器，力学传感器可以测出三维的焊接力，同时综合位移传感器，系统完成恒压力与位移的双控制，在焊接过程中根据实时测控到数据，及时调整系统控制参数，以达到最优的焊接效果。
[0021]本发明集成了激光系统，焊接时激光系统对焊缝进行识别与实时跟踪，解决工件尺寸小、焊接人员手动定位速度慢，精度不高等问题，可以完成小尺寸工件焊缝轨迹的自动识别和实时焊缝跟踪与调整。
[0022]本发明解决了超薄铝合金(0.2-lmm)的搅拌摩擦焊接问题，同时解决了小型零部件加工中自动定位问题，创新性的提出了一种集成了激光、力学、位移等传感器的智能微型搅拌焊接系统，并阐述了其原理和实现方法。
[0023]本发明通过压力传感器和位移传感器实现焊接过程的恒压力位移控制。焊接时首先设定好需要控制的位移上下限(Z轴)。然后在焊接起始段采用手动控制并采集焊接力参数，取焊接稳定时力参数作为恒压力控制的力参数，剩余焊缝采用该力进行恒压力焊接控制。整个过程中，当位移处于设定好的位移上下限(Z轴)之间时，位移(Z轴)根据压力状况进行正负微调完成恒压力控制；同时为了控制工件的变形当恒压力控制微调到位移上下限(Z轴)时，采用位移控制(位移上限或者下限)。整个过程处于恒压力和位移交互控制状态，从而完成焊接系统的恒压力位移控制。
[0024]本发明通过对激光、力学等传感器的集成，采用先进恒压力位移控制方法，完美的实现了 0.2-lmm的超薄、微型铝合金、铜件的搅拌摩擦焊接加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明结构示意图；
[0026]图中，I为五轴机床平台，2为焊接主轴，3为激光系统，4为力学传感器，5为位移传感器。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示，本实施例包括:五轴机床平台1、焊接主轴2、激光系统3、力学传感器4、位移传感器5及控制系统，其中，力学传感器4安装在焊接主轴2上，位移传感器5安装在五轴机床平台I上的导轨附近，激光系统3安装在五轴机床平台I上，控制系统分别与五轴机床平台1、激光系统3、力学传感器4、位移传感器5相连接，并用于控制五轴机床平台
1、激光系统3、力学传感器4及位移传感器5的调整。
[0030]五轴机床平台I为串联五轴联动的双摆头机构，包括X轴、Y轴、Z轴、C轴及S轴，其中，X轴、Y轴、Z轴为移动轴，C轴为旋转轴，S轴俯仰轴，三个移动轴精度为0.0lmm,旋转轴与俯仰轴的精度为I弧份。
[0031]激光系统3包括激光传感器，激光传感器安装在五轴机床平台I的Z轴的托板上。通过控制X、Y轴的运动，实现对整个台面的工作覆盖，以便进行工件焊缝识别和运动控制。
[0032]焊接主轴2的最高转速为8万转，其承受能力为200kg轴向力和150kg的径向力。
[0033]位移传感器5为光栅尺。
[0034]上述实施例可以完成平面二维的有倾角焊接，同时可以完成空间三维的曲面。集成了力学传感器和位移传感器，力学传感器可以测出三维的焊接力，同时综合位移传感器，系统完成恒压力与位移的双控制，在焊接过程中根据实时测控到数据，及时调整系统控制参数，以达到最优的焊接效果。集成了激光系统，焊接时激光系统对焊缝进行识别与实时跟踪，解决工件尺寸小、焊接人员手动定位速度慢，精度不高等问题，可以完成小尺寸工件焊缝轨迹的自动识别和实时焊缝跟踪与调整。通过压力传感器和位移传感器实现焊接过程的恒压力位移控制。焊接时首先设定好需要控制的位移上下限(Z轴)。然后在焊接起始段采用手动控制并采集焊接力参数，取焊接稳定时力参数作为恒压力控制的力参数，剩余焊缝采用该力进行恒压力焊接控制。整个过程中，当位移处于设定好的位移上下限(Z轴)之间时，位移(Z轴)根据压力状况进行正负微调完成恒压力控制；同时为了控制工件的变形当恒压力控制微调到位移上下限(Z轴)时，采用位移控制(位移上限或者下限)。整个过程处于恒压力和位移交互控制状态，从而完成焊接系统的恒压力位移控制。
[0035]实施例2
[0036]实施例2为利用实施例1提供的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统的焊接方法。
[0037]本实施例包括以下步骤:
[0038]第一步，把需要焊接的器件放置在五轴机床平台上，安装固定后通过控制系统控制X、Y轴的运动进行运动，让激光系统中的激光传感器识别待焊接器件的焊缝起点；
[0039]第二步，激光系统自动识别器件的焊缝，然后把焊缝轨迹点参数保存到相应数据库文件内；
[0040]第三步，工作人员在控制系统中编写加工程序，设定焊接工艺参数；
[0041]第四步，在上述三步工作完成后，按下控制系统中的焊接启动按钮，工作人员现场观察初始段焊接效果，并根据情况通过控制系统进行Z轴位移微调，待焊接稳定后，开启控制系统中的自动焊接开关，切换至恒压力位移控制，由控制系统自主控制余下焊缝的焊接;
[0042]第五步，控制系统自主读取激光系统识别出来的焊缝轨迹，并完成焊接控制。
[0043]上述解决了超薄铝合金(0.2-lmm)的搅拌摩擦焊接问题，同时解决了小型零部件加工中自动定位问题，创新性的提出了一种集成了激光、力学、位移等传感器的智能微型搅拌焊接系统，并阐述了其原理和实现方法。
[0044]上述实施例通过对激光、力学等传感器的集成，采用先进恒压力位移控制方法，完美的实现了 0.2-lmm的超薄、微型铝合金、铜件的搅拌摩擦焊接加工。
[0045]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，其特征在于，包括五轴机床平台、焊接主轴、激光系统、力学传感器、位移传感器及控制系统，其中，力学传感器安装在焊接主轴上，位移传感器安装在五轴机床平台上的导轨附近，激光系统安装在五轴机床平台上，所述控制系统分别与五轴机床平台、激光系统、力学传感器、位移传感器相连接，并用于控制五轴机床平台、激光系统、力学传感器及位移传感器的调整。
2.根据权利要求1所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，其特征在于，所述五轴机床平台为串联五轴联动的双摆头机构，包括X轴、Y轴、Z轴、C轴及S轴，其中，X轴、Y轴、Z轴为移动轴，C轴为旋转轴，S轴俯仰轴。
3.根据权利要求2所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，其特征在于，所述三个移动轴精度为0.01mm，所述旋转轴与俯仰轴的精度为I弧份。
4.根据权利要求1所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，其特征在于，所述激光系统包括激光传感器，所述激光传感器安装在五轴机床平台的Z轴的托板上。
5.根据权利要求1所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，其特征在于，所述焊接主轴的最高转速为8万转，其承受能力为200kg轴向力和150kg的径向力。
6.根据权利要求1所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统，其特征在于，所述位移传感器为光栅尺。
7.一种利用如权利要求1所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步，把需要焊接的器件放置在五轴机床平台上，安装固定后通过控制系统控制Χ、伽马轴的运动进行运动，让激光系统中的激光传感器识别待焊接器件的焊缝起点； 第二步，激光系统自动识别器件的焊缝，然后把焊缝轨迹点参数保存到相应数据库文件内； 第三步，工作人员在控制系统中编写加工程序，设定焊接工艺参数； 第四步，在上述三步工作完成后，按下控制系统中的焊接启动按钮，工作人员现场观察初始段焊接效果，并根据情况通过控制系统进行Z轴位移微调，待焊接稳定后，开启控制系统中的自动焊接开关，切换至恒压力位移控制，由控制系统自主控制余下焊缝的焊接； 第五步，控制系统自主读取激光系统识别出来的焊缝轨迹，并完成焊接控制。
8.根据权利要求7所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统的焊接方法，其特征在于，所述焊接工艺参数包括:焊接前进速度、转速、Z轴的位移上下限。
9.根据权利要求7所述的集成激光与力学双传感器的微型搅拌焊接系统的焊接方法，其特征在于，所述控制系统控制X、Y轴的运动包括自动控制和手动控制。
【文档编号】B23K20/26GK103464888SQ201210428500
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年10月31日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】赵维刚, 乔凤斌, 封小松, 范振昌 申请人:上海航天设备制造总厂