专利名称：微型高速惯性摩擦焊机的制作方法
技术领域：
微型高速惯性摩擦焊机
一、 技术领域
本实用新型涉及一种焊机，尤其是涉及一种微型高速惯性摩擦焊机。
二、 背景技术
摩擦焊接技术作为一种先进的固态连接技术(其焊合区为锻造组织)，具有 优质、高效、节能、低耗、清洁等技术经济特征，通过与材料、计算机、知识 与信息处理、光机电一体化、软件、可靠性工程等高新技术的紧密结合，其本 身也正在以高新技术的面貌展现在人们面前，并在国防军工等高新技术产业及 传统产业技术升级中具有广阔的开发应用与产业化前景。
随着现代微机械及微细加工技术的发展，摩擦焊机的发展方向之一是实现 焊机的微型化与高速化。
国内摩擦焊机制造业于上世纪70年代开始起步，经过30多年的发展，通
用摩擦焊机的研发与生产已形成一定规模，在一定程度上满足了国内低端和部 分中端用户的需求，但与国外相比，国内摩擦焊接技术的整体水平和市场竞争 力至今仍差距甚大，远不能适应国内市场的迫切需求，迄今为止，国内外在微 型高速惯性摩擦焊机技术的开发、应用方面的报道还十分少见。
国外，仅有美国MTI公司和德国KUKA公司研发生产微型焊机的报道， MTI公司生产的40型微型高速惯性摩擦焊机釆用主轴驱动电机与主轴体同轴安页
装的结构方案，其主轴转速为45000-6000Qrpm，飞轮的最大转动惯量为0.00036 kg m2，最大焊接力为2.2KN，管型工件最大焊接面积为45.2 mm2; KUKA公 司生产的RS05E摩擦焊机的最大焊接力为5.0KN，焊件直径(低碳钢)为4>2-<1>8 mm。
三、实用新型内容-
本实用新型为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种微型高速惯性 摩擦焊机，其取消了所有中间传动环节，具有转速高、结构紧凑、易于平衡、 传动效率高以及重量轻、响应迅速、振动小、噪声低等优点，实现了惯性摩擦 焊机的微型化和高速化。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为
一种微型高速惯性摩擦焊机，其特殊之处在于包括安装在床身上的焊机 主轴，工作滑台与推力油缸连接，电主轴通过电磁离合器与焊机主轴以及安装 在焊机主轴上的飞轮相连，旋转夹具与焊机主轴连接，移动夹具安装在工作滑 台上，电主轴上连有变频器和传感器，变频器和传感器与控制器连接。
电主轴支撑采用角接触球轴承。
旋转夹具和移动夹具采用微型精密弹簧夹头。
工作滑台的导轨采用高导向精度的直线导轨。
电主轴的轴承和焊机主轴轴承与油雾器连接。
电磁离合器包括外套筒，端盖板与外套筒连接构成壳体，壳体内装有励磁 线圈，励磁线圈与线圈骨架连接，磁环采用稀土强永磁材料钕铁硼材料制成， 胶接于左、右两侧端盖板的环形凸台上，磁环端面上胶合有橡胶垫圈，左侧端
盖板中孔设有与电主轴轴体相连的外花键轴，右侧端盖板中孔设有与安装有飞 轮的焊机主轴轴体相连的另一外花键轴，外花键轴和另一外花键轴与磁环一侧 的内花键套采用花键连接，内花键套、端盖板、外套筒均采用导磁材料制成， 外花键轴和另一外花键轴采用非导磁材料制成，励磁线圈通过继电器与直流电 源连接，继电器上连有压敏电阻。
控制器为可编程控制器，人机界面与可编程控制器连接。 与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下
1、 本实用新型集成了高速切削加工技术中的电主轴单元技术，实现了焊机 主轴——飞轮与其驱动电机的同轴配置和直接驱动，取消了所有中间传动环节， 其传动链长度为零("零传动")，并具有转速高、结构紧凑、易于平衡、传动效 率高以及重量轻、响应迅速、振动小、噪声低等优点，从而实现了惯性摩擦焊 机的微型化和高速化。
2、 本实用新型通过焊机主轴及其轴系转动件结构的优化设计，使其固有的 转动惯量的下限值达到3.2X10—5 kgm2;同时，在焊机主轴转速高达50000 rpm 的超高转速条件下，焊机主轴及其轴系转动件的动平衡品质良好。
3、 本实用新型中电磁离合器采用小惯量、推挽式、花键齿结构，能保证电 磁离合器在高达数万转的超高转速下频繁、快速和可靠的离合和传递较大的摩 擦峰值扭矩，具有结构紧凑、外形尺寸小、转动惯量小、响应速度快等优点， 并实现了电磁离合器的小型化。
4、 本实用新型所能焊接的工件尺寸的下限可细至01.5mm (棒材)。
图1为本实用新型的结构示意图2为本实用新型中电主轴的结构示意图3为本实用新型中电主轴的电气连接图4为本实用新型中电磁离合器分离时的结构示意图5为本实用新型中电磁离合器接合时的结构示意图6为本实用新型中电磁离合器励磁线圈的电源接线图7为本实用新型中液压系统原理图8为本实用新型中计算机测控系统的接线图9为计算机测控系统中控制器的接线图10为计算机控制流程图。
图中，卜电主轴，2-电磁离合器，3-焊机主轴，4-飞轮，5-旋转夹具，6-旋转侧工件，7-移动侧工件，8-移动夹具，9-推力油缸，10-床身，11-直线导 轨，12-工作滑台，13-转子轴，14-前防尘罩，15-前螺母，16-前小盖，17-前 轴承，18-前外隔垫，19-前内隔垫，20-前外套，21-前轴承座，22-定子，23-壳体和水套，24-后轴承，25-后内隔垫，26-后外隔垫，27-滚珠保持架，28-后 轴承座，29-后螺母，30-调整垫，31-弹簧座和弹簧，32-后盖，33-进水嘴，34-进油嘴，35-接线座，36-出油嘴，37-进水嘴，38-顶丝，39-出水嘴，40-进油 嘴，41-出油嘴，42-进水嘴，43-油雾发生器，44-压力继电器，45-变频器，46-外花键轴，47-磁环，48-内花键套，49-外套筒，50-励磁线圈，51-线圈骨架， 52-橡胶垫圈，53-端盖板，54-外花键轴，55-继电器，56-继电器，57-励磁线 圈，58-压敏电阻，59-油箱，60-吸油滤油器，61-液压泵，62-电动机，63-线 隙式滤油器，64-压力表，65-压力表，66-压力表，67-基板，68-减压阀，69- 流量控制阀，70-电磁换向阀，71-减压阀，72-流量控制阀，73-电磁换向阀， 74-电磁溢流阀，75-单向阀，76-三位四通电磁换向阀，77-冷却器，78-推力油 缸，79-软管总成，80-软管总成，81-压力继电器，82-照明灯，83-液压启动灯， 84-液压停止灯，85-离合器，86-离合器，87-液压泵电机，88-主轴变频器，89-电主轴，90-焊接开始按钮，91-焊接停止按钮，92-急停按钮，93-滑台原位行 程开关，94-滑台快进行程开关，95-滑台远端限位，96-焊件接触压力开关，97-水压开关，98-水雾气压开关，99-油雾器液位，100-油雾器液位，101-变频预 设速度到达，102-液压泵起动，103-液压泵停止，104-位移传感器，105-速度 设定。106-液压建立，107-滑台快进，108-滑台工进，109-顶锻，110-滑台快 进，lll-离合器合，112-液压油泵电机，113-焊接开始指示，114-焊接停止指 示。
五具体实施方式
本实用新型主要由主机机械系统、液压系统、传感与传感器系统、计算机 测控系统组成，各分系统的构造特征如下
1、主机机械系统
参见图l，主机机械系统的主要配置见图1，它主要由高速电主轴l、电磁 离合器2、焊机主轴3、飞轮4、旋转夹具5、移动夹具8、推力油缸9，以及床
身10、箱体、支架等支撑件(大件)组成。其中电主轴l (内藏电机式主轴)
是焊机机械系统的动力源，它通过电磁离合器2与焊机主轴3和安装其上的飞 轮4相连，其支撑选用7204C (C级精度，两个)及7203C (C级精度， 一个) 型角接触球轴承；飞轮4的作用是主要靠其释放的转动动能提供给悍接工件所 需的能量(主要转换为摩擦加热功率)，以使电主轴1内藏电机功率大为减小；
旋转夹具5和移动夹具8均釆用微型精密弹簧夹头，旋转夹具5与焊机主轴3 相连，移动夹具8安装在工作滑台12上，工作滑台12进给由推力油缸9驱动， 其导轨选用高导向精度的直线导轨11;在结构设计时，还综合考虑了各支撑件 (大件)的自身刚度、局部刚度和接触刚度。
本实用新型焊机主轴或飞轮的转速可高达50000 rpm，由于微细工件施焊时 所需之焊接能量甚小，故在设计焊机机械传动系统时，必须最大限度地减小焊 机主轴及其轴系传动件(不包括飞轮)的固有转动惯量，以使焊机所能焊接的 工件尺寸的下限尽可能降低。经计算，焊机主轴轴系转动件的固有转动惯量为 3.2X10—5 kgm2，其最大输出功率为0.058 KW。为满足焊接不同材质及尺寸工件 的要求，飞轮转动惯量分级为三级，即3.7X10—3 kgm2、 1.56X10-3 kgm2、 4.83 X10-4 kgm2。
参见图2和图3，高速电主轴单元的功能是驱动焊机主轴及安装在主轴上的 飞轮等轴系转动件，其结构见图2。电主轴最大转速为60000 rpm,输出功率为 2. 0 KW;前轴承17和后轴承24分别选用B7003C/P4X 1和B7002C/ P4X1型角 接触球轴承，前者极限转速为60000 rpm，后者极限转速为75000 rpm;电主轴 采用油雾润滑，兼有润滑和冷却双重作用，其方法是以压縮空气为动力，通过 油雾发生器43将油液雾化并混入空气流中，然后输送到需要润滑的部位。当电 主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成弹性润滑油膜。油雾润滑属持续润 滑，油雾经过油路源源不断进入轴承，油、气混合装置的油路及气路连接图见 图3。
高速电主轴选用丹麦Danfuss公司生产的VCT2840型变频调速器(1000Hz) 进行无级调速。该变频调速器具有仏/fFConst比例控制调速、网络电压补偿、
电机转速PID调节、电机加速启动与刹车快停控制等转速控制功能，以及过流、 过压、过热、缺相等保护功能，故其安全可靠性较高。
参见图4和图5，电磁离合器采用小惯量、推挽式、花键齿结构，以花键齿 机械嵌合副作为接合元件。参见图4，包括外套筒49，端盖板53与外套筒49 连接构成壳体，壳体内装有励磁线圈50，励磁线圈50密绕于线圈骨架51上， 左侧端盖板53中孔设有与电主轴轴体相连的外花键轴46，右侧端盖板53中孔 设有与安装有飞轮的焊机主轴轴体相连的外花键轴54，外花键轴46和外花键轴 54与磁环47—侧的内花键套48采用花键连接。根据磁路设计的要求，磁环47 采用稀土强永磁材料钕铁硼材料制成，并将其胶接于左、右两侧端盖板53的环 形凸台上，为防止内花键套48与磁环47吸合时产生冲击，在磁环47端面上胶 合了一定厚度的橡胶垫圈52;内花键套48、端盖板53、外套筒49均采用导磁 材料电工纯铁DT4A制成，外花键轴釆用非导磁材料1Crl8Ni9Ti不锈钢制成。 电磁离合器的励磁线圈50在其线圈骨架51上密绕而成，铜线有效线径为0. 55 mm，绕线层数为31层，每层匝数为61匝，励磁电流为1.03A。计算结果表明， 电磁离合器产生的最大吸力或斥力为4.5 kg，传递的最大扭矩为0. 045 kgm。
参见图6，电磁离合器的励磁线圈57由直流电源(24VDC)供电，励磁线圈 57通过继电器55和继电器56与直流电源连接，继电器上连有压敏电阻58，励 磁电流的方向由图中继电器55或继电器56控制，压敏电阻58的作用是用来保 护继电器触头，防止在频繁通断电路时触头间产生电弧而损坏触头。
参见图4，当电磁离合器处于分离状态时，内花键套48仅与外花键轴46嵌
合；参见图5，当继电器得电时，励磁线圈50中通过正向励磁电流，内花键套 48在左侧磁环产生的斥力和右侧磁环产生的吸力的共同作用下，加速沿轴向向
右移动，其花键齿处于同时与外花键轴46、外花键轴54嵌合的状态，即电主轴 l轴体与焊机主轴3接合，电磁离合器处于接合状态；反之，当继电器55得电 (继电器56失电)时，励磁线圈50中通过反向励磁电流，内花键套48在右侧 磁环产生的斥力和左侧磁环产生的吸力的共同作用下，加速沿轴向向左移动， 其花键齿与外花键轴46嵌合，而与外花键轴54脱离，即焊机主轴3与其动力 源分离，电磁离合器处于分离状态，只要通过焊机计算机测控系统交替地改变 励磁线圈中励磁电流的方向，即可交替地控制电磁离合器的接合或分离。
实际工作时，焊机主轴3及安装在它上面的飞轮4通过电磁离合器2中的 外花键轴46、内花键套48、外花键轴54与电主轴1相连。惯性摩擦焊接时， 待焊工件的旋转端夹持于旋转夹具5中，而其移动端夹持于工作滑台12上的移 动夹具8中，飞轮4首先被加速到预先设定的转速(电磁离合器处于接合状态)， 以转动动能的形式储存焊接所需的能量，随后焊机主轴3通过电磁离合器2与 电主轴l脱离(电磁离合器2处于分离状态)，飞轮4进入惯性运转；当移动夹 具8夹持的工件移动端在推力油缸9施加的轴向力的作用下，向旋转侧工件6 靠拢、接触、并压紧后，处于惯性运转的飞轮因受摩擦扭矩的阻尼作用，其转 速逐渐降低，储存在飞轮中的转动动能通过被焊工件表面间的高速摩擦，逐渐 将其大部分能量转化为热能，并快速加热摩擦表面及其近区金属，直至飞轮能 量耗尽而停止转动并保压一段时间后，焊接过程结束。
2、液压控制系统
参见图7，液压控制系统主要由液压泵61、推力油缸78以及液压控制阀组 等组成，其功能是对工件施加焊接力，并实现工作滑台的快进、工进、顶锻、 快退等工作程序的自动变换。液压控制系统的原理图见图7。
液压控制系统的工作原理简述如下-
系统建压与调压启动液压泵61的控制按钮，电磁铁1DT得电，系统建压。 系统压力通过电磁溢流阀74调节，当供油压力表64指示为5. 0 MPa时，表示 系统压力正常。
滑台快进油路启动快进控制按钮，电磁铁1DT、 2DT同时得电，压力油经 电磁换向阀76进入推力油缸78右腔；同时，推力油缸78左腔的压力油经单向 阀75流回油箱(卸荷)，工作滑台向左快进。
滑台工进油路当工作滑台移动至行程开关预先调定的位置时，电磁铁2DT 失电，3DT得电，压力油经减压阀71、流量控制阀72、电磁换向阀73流入推力 油缸右腔，转入工进状态；工进速度通过流量控制阀72调节，焊接压力通过减 压阀71调节，其值由压力表7显示。
顶锻油路当压力油达到压力继电器81预先调定的工作压力时，压力继电 器动作，3DT失电，4DT得电，转入快速顶锻状态；顶锻速度通过流量控制阀69 调节，顶锻压力通过减压阀68调节，其值由压力表66显示。
滑台快退油路当顶锻保压延时一定时间后，电磁铁4DT失电，5DT得电， 工作滑台快速后退、复位，并进入下一个工作循环。
为了保证液压控制系统工作的可靠性，供油过滤器选用高纳污能力(e》
200)、高过滤精度(10tO的过滤器。
液压控制系统的主要技术参数是额定压力，50 bar;工作压力调节范围， 35 50bar;系统额定流量，12 L/min;油箱有效容积，100 L;工作介质，VG32 或VG46高抗磨液压油；电动机功率，1.5 KW;电压，380 VAC;频率，50 Hz。
3、计算机测控系统
参见图8和图9，计算机测控系统主要由人机界面、可编程控制器(PLC)、 变频器88、传感器及低压电器等组成，其中PLC是系统的控制中心，系统的 顺序控制、互锁保护及各部分的功能协调均由它来完成；人机界面是人机对话 的窗口，用于焊机操作、参数设置与在线修改以及焊机运行状态显示等；变频 器用于焊机主轴的驱动及其转速的调速；传感器用于焊机主轴转速、工件轴向 縮短量和油雾发生器液位的实时检测以及工作滑台行程的限位；低压电器包括 空开、继电器、接触器等。图10所示为本实用新型的计算机控制流程图。
本实用新型PLC控制器选用日本三菱公司产品，配置的主要器件包括 FX1N-24MR-001型主机；FX2N-2AD型A/D模块(12位模拟量输入，1 5V); F930G0T-BWD-C型触摸显示器及FX-50DU-CABO型触摸显示屏电缆等。飞轮转速 由变频器实时检测，工件轴向变形量选用WDYC-10L型差动变压器式位移传感器 (12VDC供电，0 5VDC输出，量程10mm)实时检测。
实际工作时，计算机测控系统上电后，人机界面进行自检，自检完成后进 入"操作画面"；操作面板上设置有多个功能按钮，主要包括手动/自动操作 方式转换、液压泵启/停、液压建立/取消、滑台快进/工进/快退、离合器接合/ 分离、顶锻，以及焊机主轴旋转/停转等；为实施程序控制和电气互锁保护，还 配置了用于表征工件已处于接触状态的压力继电器、滑台限位行程开关，以及 用于工况监测的水压继电器、气压继电器、油雾器液位监测传感器等。
当人机界面上"手动/自动"按钮转换到手动方式时，可实现液压泵启/停、 液压建立/取消、滑台快进/工进/快退、离合器接合/分离、焊机主轴停止、顶 锻等操作；当转换到自动方式时，整个系统转换为自动操作，其控制流程见图 10。
焊机主轴转速、滑台工进时间、顶锻保压时间等参数均可在线设置与修改。 本实用新型微型高速惯性摩擦焊机的主要性能参数如下
① 主轴转速10000-50000 rpm (可调);
② 主轴最小转动惯量3.2X10-5kgm2;
③ 最大焊接力5.0 KN;
④ 焊件直径范围(棒材)cH. 5-4)5.0 mm;
⑤ 焊件长度旋转端，20-30mm;移动端，20-50 mm;
⑥ 焊机动态精度主轴径向跳动量《0.015 mm，轴向窜动量《0.020 mm;
⑦ 旋转夹具径向跳动量《0.035 mm;
⑧ 移动夹具轴线与主轴轴线同轴度偏差《0.05 mm。
权利要求1、一种微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于包括安装在床身(10)上的焊机主轴(3)，工作滑台(12)与推力油缸(9)连接，电主轴(1)通过电磁离合器(2)与焊机主轴(3)以及安装在焊机主轴(3)上的飞轮(4)相连，旋转夹具(5)与焊机主轴(3)连接，移动夹具(8)安装在工作滑台(12)上，电主轴(1)上连有变频器和传感器，变频器和传感器与控制器连接。
2、 根据权利要求1所述的微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于电主轴(1) 支撑采用角接触球轴承。
3、 根据权利要求2所述的微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于旋转夹具 (5)和移动夹具(8)采用微型精密弹簧夹头。
4、 .根据权利要求3所述的微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于工作滑台 (12)的导轨采用高导向精度的直线导轨。
5、 根据权利要求4所述的微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于电主轴(l) 的轴承和焊机主轴(3)轴承与油雾发生器(43)器连接。
6、 根据权利要求5所述的微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于电磁离合 器(2)包括外套筒(49)，端盖板(53)与外套筒(49)连接构成壳体，壳体 内装有励磁线圈(50)，励磁线圈(50)与线圈骨架(51)连接，磁环(47)采 用稀土强永磁材料钕铁硼材料制成，胶接于左、右两侧端盖板(53)的环形凸 台上，磁环(47)端面上胶合有橡胶垫圈(52)，左侧端盖板(53)中孔设有与 电主轴(1)轴体相连的外花键轴(46)，右侧端盖板(53)中孔设有与安装有 飞轮(4)的焊机主轴(3)轴体相连的外花键轴(54)，外花键轴(54)和外花键轴(46)与磁环(47) —侧的内花键套(48)采用花键连接，内花键套 (48)、端盖板(53)、外套筒(49)均采用导磁材料制成，外花键轴(46)和 外花键轴(54)釆用非导磁材料制成，励磁线圈(50)通过继电器与直流电源 连接，继电器上连有压敏电阻(58)。
7、根据权利要求6所述的微型高速惯性摩擦焊机，其特征在于控制器 为可编程控制器，人机界面与可编程控制器连接。
专利摘要本实用新型涉及一种微型高速惯性摩擦焊机，其取消了所有中间传动环节，具有转速高、结构紧凑、易于平衡、传动效率高以及重量轻、响应迅速、振动小、噪声低等优点，实现了惯性摩擦焊机的微型化和高速化。本实用新型包括安装在床身上的焊机主轴，工作滑台与推力油缸连接，电主轴通过电磁离合器与焊机主轴以及安装在焊机主轴上的飞轮相连，旋转夹具与焊机主轴连接，移动夹具安装在工作滑台上，电主轴上连有变频器和传感器，变频器和传感器与控制器连接。
文档编号F16D25/00GK201012430SQ20072003120
公开日2008年1月30日 申请日期2007年2月8日 优先权日2007年2月8日
发明者时渭清, 杜生辉, 杰 杨, 段立宇, 汤积成, 王文斌, 田俊辉, 畅智文 申请人:西安固本科技实业有限公司