混联式重载搅拌摩擦焊接机器人的制作方法

本发明属于自动焊接设备技术领域，特别涉及一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人。

背景技术：

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接所于1991年发明的一种固相连接技术，与传统熔化焊相比具有接头缺陷少、质量高、变形小，以及焊接过程绿色无污染等显著优点，在航空航天、船舶、核工业、交通运输等工业制造领域具有广阔的应用前景。

搅拌摩擦焊机器人系统能够屏蔽人为干涉，有效提高搅拌摩擦焊接的智能化程度、生产效率和质量稳定性。目前搅拌摩擦焊设备广泛采用的主要有龙门式、悬臂式和c型搅拌摩擦焊接设备，主要满足直线或平面二维焊接要求，加工范围十分有限，不能适用于大型空间复杂曲面结构件的搅拌摩擦焊。因此，需改变传统搅拌摩擦焊设备的结构，使其在保持承载能力和精度要求下增大工作空间。

基于搅拌摩擦焊的特点，焊接设备在焊接过程中主要承受焊接顶锻力和前进抗力，因此要求搅拌摩擦设备具有刚性高、承载扭矩大的特点。目前，机器人搅拌摩擦焊仍局限于在传统串联式机器人上加装搅拌摩擦焊末端执行器的形式，然而其刚性较低，在搅拌摩擦焊的焊接作用力下，串联式机器人缺乏稳定性，导致机器人搅拌摩擦焊的可焊厚度与焊接精度受到限制，因此限制了其工业应用。此外，虽然并联搅拌摩擦焊机器人的刚度和精度高，但灵活性较低，且工作空间小，无法满足大型复杂结构的焊接需要。对于大尺寸、大厚度、复杂结构件的搅拌摩擦焊接，串联式机器人或并联机器人均不能够理想地满足焊接工作需求。

大型空间复杂曲面结构件，尤其是较厚工件的搅拌摩擦焊要求焊接设备具有高刚性、高承载能力、高精度、高灵活性和工作空间大等特点。现有的机器人结构均无法满足搅拌摩擦焊接工作的需要，限制了搅拌摩擦焊技术在大型空间复杂曲面结构件上的应用，因而迫切需要研制同时具有串联式机器人与并联机器人结构优点的新型混联结构的搅拌摩擦焊接机器人。

针对现有搅拌摩擦焊接设备存在的一些技术难题，部分研究者提出了一些解决方案。申请号为201710859622.3的中国发明专利公开了一种重载搅拌摩擦焊机器人，是由两个以上并联结构机器人逐级串联在一起，形成同时具有串联和并联特征的混联机器人。该技术方案中的混联机器人虽兼具串联机器人灵活性高、工作空间大以及并联机器人刚度高、精度高、承载能力强、稳定性好的优点，但其结构过于复杂，控制困难，且能耗与成本较高。申请号为201810059766.5中国发明专利公开了一种搅拌摩擦焊接装置，包括机架、动平台和由三个分支机构组成的并联机构，其并联机构为3prs结构，并联机构再串联安装到水平布置的滑轨上，使得其具有空间两个平移两个转动共四个运动自由度，主要适用于大型火箭燃料贮箱筒段环缝焊接。申请号为201810515617.5的中国发明专利公开了一种刚柔协作搅拌摩擦焊装置，包括焊接机器人、设置在焊接机器人底部的搅拌头、工作平台以及呈120°角度均匀设置在工作平台的周围的三组柔索机构，通过调整柔索机构实现焊接机器人位置的调整，具有较高的刚度和加工精度，无法满足重载作业的要求，且其控制需要依赖三组柔索机构，降低了焊接作业的灵活性，作业空间也受到限制。申请号为201810090007.5的中国发明专利提出了一种大型板材的搅拌摩擦焊装置，包括基准机构、左右纵架、左右压紧机构、纵移架、升降架和搅拌摩擦焊头等，通过基准板对工件进行定位，仅适合于大型板材的搅拌摩擦焊接，无法满足其它复杂结构件的焊接需要。燕山大学的邹成、郑魁敬等设计了一种2upr-ups结构的三自由度并联搅拌摩擦焊接机器人，具有空间两个移动一个转动共三个运动自由度，解决了焊接设备结构刚度差和精度低的问题，但其运动自由度少，工作空间小，应用场合受限。

采用搅拌摩擦焊接厚结构件时，焊接过程中由于搅拌头与焊接材料之间的摩擦力产生较大的力矩，而传统串联式机器人结构刚度不够，在焊接过程中会产生弹性变形，从而影响焊接轨迹精度。单纯地增加串联式机器人的刚度，必然要提高机器人的吨位，导致整个焊接系统的重量大大增加。同时，传统串联机器人结构会使各个运动副的误差累计，且误差不可消除，也会影响焊接机器人的焊接精度。单纯采用现有并联机构也因其工作空间受限而无法直接使用。因此，需要根据搅拌摩擦焊接的实际需要研制一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，能够适应大型空间复杂曲面结构件，尤其是较厚工件的搅拌摩擦焊要求，具备较好的稳定性，又符合较小空间对设备灵活性的要求，提高搅拌摩擦焊接的精度和可靠性，降低设备制造与使用成本，可克服现有技术的缺陷。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，包括底座、回转台、升降装置、转接平台、并联工作臂、两自由度调姿机构和搅拌摩擦焊接机头。其中，所述的回转台的底部固定安装在底座上，所述的升降装置的底部固定安装在回转台的顶部，所述的升降装置的顶部与转接平台的底部固连，所述的并联工作臂的后端固定安装在转接平台上，所述的两自由度调姿机构固定安装在并联工作臂的前端，所述的搅拌摩擦焊接机头通过两自由度调姿机构与并联工作臂相连接。

所述的回转台用于实现升降装置、转接平台、并联工作臂的回转运动，所述的回转台包括回转座、回转体、内齿圈、驱动齿轮和回转电机。其中，所述的回转座的底部通过螺钉固定安装在底座的顶部，用于安装、支撑回转体和回转电机；所述的回转体用于固定安装升降装置并将回转台的回转运动输出，所述的回转体与回转座之间通过止推轴承、径向轴承相连接；所述的内齿圈通过螺钉固定安装在回转体的内部，且内齿圈与驱动齿轮保持内啮合，用于将驱动齿轮和回转电机的转动传递给回转体；所述的回转电机通过螺钉固定安装在回转座内，为回转体的转动提供动力；所述的驱动齿轮固定安装在回转电机的输出轴上，且与回转电机的输出轴通过平键相连接。

所述的升降装置用于驱动转接平台与并联工作臂升降，进而调节搅拌摩擦焊接机头的工作高度。所述的升降装置包括第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱和中连板。其中，第一升降立柱与第二升降立柱为升降装置的升降运动驱动元件，用于驱动转接平台升降；第一导向柱与第二导向柱为非驱动元件，仅起提高升降装置的结构刚度与稳定性的作用；第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱对称布置在回转体的顶部，且其底部均通过螺钉与回转体相连接；所述的中连板固定安装在第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱的中部，且与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱均通过螺钉相连接。所述的第一导向柱包括导套和导杆，所述的导杆与导套通过圆柱副相连接；第二导向柱与第一导向柱的结构完全相同。第一升降立柱、第二升降立柱采用双作用伺服液压缸或直流伺服电动推杆。

所述的转接平台包括水平安装座、倾斜安装座和u型梁，用于支撑、安装并联工作臂。在所述的水平安装座的底部设有四个对称布置的筒形连接座，在所述的水平安装座的底部后方还设有两个对称布置的下耳座，在所述的倾斜安装座的顶部设有两个对称布置的上耳座，所述的u型梁位于倾斜安装座的顶部，且与倾斜安装座的上耳座之间通过螺钉相连接。四个筒形连接座分别与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱的顶部固连。

所述的并联工作臂为搅拌摩擦焊接机头的主要支撑机构，用于驱动搅拌摩擦焊接机头实现前后伸缩及俯仰摆动。所述的并联工作臂包括第一直线滑台、第二直线滑台、第三直线滑台、双联转动座、下转动座和末端动平台。其中，第一直线滑台、第二直线滑台位于第三直线滑台和下转动座的上方，第一直线滑台、第二直线滑台的前端与末端动平台分别通过第一前铰链、第二前铰链相连接，第一直线滑台的滑块、第二直线滑台的滑块与双联转动座分别通过第一后铰链、第二后铰链相连接；所述的第三直线滑台的前端与末端动平台通过第三前铰链相连接，所述的第三直线滑台的滑块与下转动座通过第三后铰链相连接；所述的双联转动座安装在倾斜安装座的顶部，且所述的双联转动座的两端与倾斜安装座的上耳座通过上摆动铰链相连接；所述的下转动座安装在水平安装座的下端，且所述的下转动座的两端与水平安装座的下耳座通过下摆动铰链相连接。第一前铰链、第二前铰链、第一后铰链、第二后铰链的轴线相互平行，且与上摆动铰链的轴线相垂直；第三前铰链、下摆动铰链的轴线相互平行，且与第三后铰链的轴线相垂直；第一前铰链的轴线垂直于第三前铰链的轴线。第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机分别固定安装在第一直线滑台、第二直线滑台和第三直线滑台的后端，分别为第一直线滑台、第二直线滑台和第三直线滑台的直线往复移动提供动力。

所述的两自由度调姿机构是具有空间两维转动的两自由度串联机构，可驱动搅拌摩擦焊接机头实现绕水平轴线的转动和俯仰摆动。所述的两自由度调姿机构包括水平摆动电机、u型支架和俯仰推杆。其中，所述的水平摆动电机通过螺钉固定安装在末端动平台的后端面上，为u型支架及搅拌摩擦焊接机头绕水平轴线的转动提供动力；所述的u型支架的后端通过螺钉固定安装在水平摆动电机的输出法兰上，用于支撑、安装搅拌摩擦焊接机头和俯仰推杆；所述的搅拌摩擦焊接机头固定安装在u型支架的前端，且与u型支架通过第一末端铰链相连接；所述的俯仰推杆安装在u型支架内，用于驱动搅拌摩擦焊接机头实现俯仰摆动，所述的俯仰推杆的中部通过第二末端铰链与u型支架相连接，所述的俯仰推杆的上端通过第三末端铰链与搅拌摩擦焊接机头的后端相连接。

所述的搅拌摩擦焊接机头是搅拌摩擦焊接机器人执行搅拌摩擦焊接任务的末端执行装置，所述的搅拌摩擦焊接机头包括高速电主轴和搅拌头。其中，所述的高速电主轴的下端与u型支架通过第一末端铰链相连接，高速电主轴的后端与俯仰推杆的上端通过第三末端铰链相连接；所述的搅拌头固定安装在高速电主轴的输出端。

更优地，当被焊接工件上焊缝的水平尺寸较大时，可将本发明的底座安装在水平导轨上，并在底座内安装水平驱动电机及齿轮齿条机构，水平驱动电机通过齿轮齿条机构驱动底座沿水平导轨的往复移动，使本发明具有横向长距离移动的功能，以满足水平方向长焊缝焊接的需要。

从机构学的角度看，本发明的并联工作臂与转接平台构成一个3upr结构的并联机构，具有前后移动和俯仰摆动两个运动自由度。本发明的并联工作臂与3ups或2upr-ups结构的并联机构相比，其结构刚度更大，稳定性好，更适合于大负载搅拌摩擦焊接工作的需要。并联结构的并联工作臂与回转台、升降装置、两自由度调姿机构及水平导轨串联后一起构成一个具有冗余自由度的六自由度混联机构，冗余自由度主要是搅拌头的俯仰摆动，其目的是增加搅拌头工作时的灵活度。

使用时，先将被焊接工件固定好，然后根据被焊接工件的横向焊缝的尺寸选择是否需要驱动底座在水平导轨上往复移动；根据被焊接工件的高度尺寸调节转接平台的高度，并通过调节第一升降立柱、第二升降立柱的伸缩量调节转接平台的高度；根据被焊接工件的前后方向焊缝的尺寸调节并联工作臂中的姿态，通过驱动第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机实现末端动平台姿态的调整。通过两自由度调姿机构中的水平摆动电机调节搅拌摩擦焊接机头的左右摆动角度，通过俯仰推杆调节搅拌头的倾斜角度。并联工作臂及搅拌摩擦焊接机头的整体角度可通过回转台进行调节。回转台、升降装置、并联工作臂与两自由度调姿机构协同调节确定搅拌头的最终姿态。

本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明的搅拌头不仅运动自由度多，具有空间六个运动自由度，且工作空间大，可满足大尺寸空间复杂曲面构件的搅拌摩擦焊接工作需要；与传统串联结构的搅拌摩擦焊接设备相比，还具有工作负载大、精度高和能耗低等显著特点。此外，本发明还具有结构节凑，设备占用空间小、成本低、安全性高、操作维护简便等优点，可克服现有技术的缺陷。

附图说明

图1为本发明的总体结构(不含水平导轨)示意图；

图2为本发明的回转台的结构示意图；

图3为本发明的转接平台的结构示意图；

图4为本发明的并联工作臂的结构示意图；

图5为本发明的搅拌头与两自由度调姿机构装配关系示意图；

图6为本发明的工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1、图4和图6所示，一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，包括底座1、回转台2、升降装置3、转接平台4、并联工作臂5、两自由度调姿机构6和搅拌摩擦焊接机头7。其中，所述的回转台2的底部固定安装在底座1上，所述的升降装置3的底部固定安装在回转台2的顶部，所述的升降装置3的顶部与转接平台4的底部固连，所述的并联工作臂5的后端固定安装在转接平台4上，所述的两自由度调姿机构6固定安装在并联工作臂5的前端，所述的搅拌摩擦焊接机头7通过两自由度调姿机构6与并联工作臂5相连接。

如图1、图2和图6所示，所述的回转台2用于实现升降装置3、转接平台4、并联工作臂5的回转运动，所述的回转台2包括回转座21、回转体22、内齿圈25、驱动齿轮26和回转电机27。其中，所述的回转座21的底部通过螺钉固定安装在底座1的顶部，用于安装、支撑回转体22和回转电机27；所述的回转体22用于固定安装升降装置3并将回转台2的回转运动输出，所述的回转体22与回转座21之间通过止推轴承23、径向轴承24相连接；所述的内齿圈25通过螺钉固定安装在回转体22的内部，且内齿圈25与驱动齿轮26保持内啮合，用于将驱动齿轮26和回转电机27的转动传递给回转体22；所述的回转电机27通过螺钉固定安装在回转座21内，为回转体22的转动提供动力；所述的驱动齿轮26固定安装在回转电机27的输出轴上，且与回转电机27的输出轴通过平键相连接。

如图1和图6所示，所述的升降装置3用于驱动转接平台4与并联工作臂5升降，进而调节搅拌摩擦焊接机头7的工作高度。所述的升降装置3包括第一升降立柱31、第一导向柱32、第二升降立柱33、第二导向柱34和中连板35。其中，第一升降立柱31、第二升降立柱33为升降装置3的升降运动驱动元件，用于驱动转接平台4升降；第一导向柱32与第二导向柱34为非驱动元件，仅起提高升降装置3的结构刚度与稳定性的作用；第一升降立柱31、第一导向柱32、第二升降立柱33和第二导向柱34对称布置在回转体22的顶部，且其底部均通过螺钉与回转体22相连接；所述的中连板35固定安装在第一升降立柱31、第一导向柱32、第二升降立柱33和第二导向柱34的中部，且与第一升降立柱31、第一导向柱32、第二升降立柱33、第二导向柱34均通过螺钉相连接。所述的第一导向柱32包括导套321和导杆322，所述的导杆322与导套321通过圆柱副相连接；所述的第二导向柱34与第一导向柱32的结构完全相同。第一升降立柱31、第二升降立柱33均采用双作用伺服液压缸或直流伺服电动推杆。

如图1、图3和图6所示，所述的转接平台4包括水平安装座41、倾斜安装座42和u型梁43，用于支撑、安装并联工作臂5。在所述的水平安装座41的底部设有四个对称布置的筒形连接座411，在所述的水平安装座41的底部后方还设有两个对称布置的下耳座412，在所述的倾斜安装座42的顶部设有两个对称布置的上耳座421，所述的u型梁43位于倾斜安装座42的顶部，且与倾斜安装座42的上耳座421之间通过螺钉相连接。四个筒形连接座411分别与第一升降立柱31、第一导向柱32、第二升降立柱33、第二导向柱34的顶部固连。所述的倾斜安装座42与水平安装座41的夹角范围为30°-60°

如图1、图3、图4和图6所示，所述的并联工作臂5为搅拌摩擦焊接机头7的主要支撑机构，用于驱动搅拌摩擦焊接机头7实现前后伸缩及俯仰摆动。所述的并联工作臂5包括第一直线滑台51、第二直线滑台52、第三直线滑台53、双联转动座54、下转动座55和末端动平台56。其中，第一直线滑台51、第二直线滑台52位于第三直线滑台53和下转动座55的上方，第一直线滑台51、第二直线滑台52的前端与末端动平台56分别通过第一前铰链561、第二前铰链562相连接，第一直线滑台51的滑块、第二直线滑台52的滑块与双联转动座54分别通过第一后铰链541、第二后铰链542相连接；所述的第三直线滑台53的前端与末端动平台56通过第三前铰链563相连接，所述的第三直线滑台53的滑块与下转动座55通过第三后铰链551相连接；所述的双联转动座54安装在倾斜安装座42的顶部，且所述的双联转动座54的两端与倾斜安装座42的上耳座421通过上摆动铰链543相连接；所述的下转动座55安装在水平安装座41的下端，且所述的下转动座55的两端与水平安装座41的下耳座412通过下摆动铰链552相连接。第一前铰链561、第二前铰链562、第一后铰链541、第二后铰链542的轴线相互平行，且与上摆动铰链543的轴线相垂直；第三前铰链563、下摆动铰链552的轴线相互平行，且与第三后铰链551的轴线相垂直；第一前铰链561的轴线垂直于第三前铰链563的轴线。第一驱动电机511、第二驱动电机521和第三驱动电机531分别固定安装在第一直线滑台51、第二直线滑台52和第三直线滑台53的后端，分别为第一直线滑台51、第二直线滑台52和第三直线滑台53的直线往复移动提供动力。

如图1、图5和图6所示，所述的两自由度调姿机构6是具有空间两维转动的两自由度串联机构，可驱动搅拌摩擦焊接机头7实现绕水平轴线的转动和俯仰摆动。所述的两自由度调姿机构6包括水平摆动电机61、u型支架62和俯仰推杆63。其中，所述的水平摆动电机61通过螺钉固定安装在末端动平台56的后端面上，为u型支架62及搅拌摩擦焊接机头7绕水平轴线的转动提供动力；所述的u型支架62的后端通过螺钉固定安装在水平摆动电机61的输出法兰上，用于支撑、安装搅拌摩擦焊接机头7和俯仰推杆63；所述的搅拌摩擦焊接机头7固定安装在u型支架62的前端，且与u型支架62通过第一末端铰链761相连接；所述的俯仰推杆63安装在u型支架62内，用于驱动搅拌摩擦焊接机头7实现俯仰摆动，所述的俯仰推杆63的中部通过第二末端铰链631与u型支架62相连接，所述的俯仰推杆63的上端通过第三末端铰链632与搅拌摩擦焊接机头7的后端相连接。

如图1、图5和图6所示，所述的搅拌摩擦焊接机头7是搅拌摩擦焊接机器人执行搅拌摩擦焊接任务的末端执行装置，所述的搅拌摩擦焊接机头7包括高速电主轴71和搅拌头72。其中，所述的高速电主轴71的下端与u型支架62通过第一末端铰链761相连接，所述的高速电主轴71的后端与俯仰推杆63的上端通过第三末端铰链632相连接；所述的搅拌头72固定安装在高速电主轴71的输出端。

如图6所示，更进一步地，当被焊接工件上焊缝的水平尺寸较大时，可将本发明的底座1安装在水平导轨8上，并在底座1内安装水平驱动电机及齿轮齿条机构，水平驱动电机通过齿轮齿条机构驱动底座1沿水平导轨8的往复移动，使本发明具有横向长距离移动的功能，以满足水平方向长焊缝焊接的需要。

回转电机27、水平摆动电机61采用伺服减速电机；第一驱动电机511、第二驱动电机521和第三驱动电机531均采用直流伺服电机；所述的俯仰推杆63采用伺服电动推杆。

使用时，先将被焊接工件固定好，然后根据被焊接工件的横向焊缝的尺寸选择是否需要驱动底座1在水平导轨8上往复移动；根据被焊接工件的高度尺寸调节转接平台4的高度，并通过调节升降装置3中第一升降立柱31、第二升降立柱33的伸缩量调节转接平台4的高度；根据被焊接工件的前后方向焊缝的尺寸调节并联工作臂5中的姿态，通过驱动第一驱动电机511、第二驱动电机521和第三驱动电机531实现末端动平台56姿态的调整。通过两自由度调姿机构6中的水平摆动电机61调节搅拌摩擦焊接机头7的左右摆动角度，通过俯仰推杆63调节搅拌头72的倾斜角度。并联工作臂5及搅拌摩擦焊接机头7的整体角度可通过回转台2进行调节。回转台2、升降装置3、并联工作臂5与两自由度调姿机构6协同调节确定搅拌头72的最终姿态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”“顶”、“底”、“内”、“外”、“横向”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。