基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法，该焊具包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板的中心安装有主电机，主电机的电机轴穿过第二支撑板，在第二支撑板上设有移动装置和激光测距装置，滑块位于回抽室外壳内，滑块通过第一轴承与同步回转套连接，同步回转套紧套在搅拌针上，搅拌针的头部的侧面设有凸台，主电机的电机轴末端设有圆孔，圆孔内设有滑槽，搅拌针外套有中心轴，中心轴外紧套有轴承套，轴承套外套有第二轴承。本发明能够在焊接过程中实时检测搅拌针相对工件的下压量和焊具的倾斜状态，保证焊具在焊接过程中与被焊工件完美贴合，提高了焊接过程的稳定性。
【专利说明】
基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法
技术领域
[0001]本发明涉及基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法，属于焊接领域。
【背景技术】
[0002]自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，经常会有焊缝缺陷以及焊缝尾部出现“匙孔”。随着焊接技术的辅助手段快速发展，机器人技术发展日趋成熟，但目前的搅拌摩擦焊接的装备体积和重量普遍较大，难以直接安装于机器人手臂的末端;此外现有搅拌摩擦焊接设备没有测量控制系统，无法对焊接过程的扭矩、轴向力和焊具姿态进行合适的检测与控制。
[0003]专利(CN 104139240A)提出了一个可回抽双轴肩搅拌针，但没有对如何回抽高速旋转的搅拌针提出具体方法;专利(CN 104475965A)提出了一种搅拌摩擦焊接装置，力矩电机定子固定安装在主轴的内孔中，使得整个装置体积偏大，此外回抽电机和减速机没有与力矩电机同轴安装，回抽装置采用皮带进行力矩传输，使整个装置的重心不在中心轴线上，影响在焊接机械手臂上的应用；如果采用的是液压伺服控制，则更存在着维护困难、易泄漏、过载能力低、噪声大等不足。因此设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能、又能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌针及其使用方法，又能够安装于机器人手臂上进行焊接的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法，能够在焊接过程中实时检测搅拌针相对工件的下压量和焊具的倾斜状态，保证焊具在焊接过程中与被焊工件完美贴合，提高了焊接过程的稳定性。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板的中心安装有主电机，主电机的电机轴穿过第二支撑板，第一支撑板上还安装有若干个姿态传感器，在第二支撑板上绕电机轴轴向圆周均布有若干个带动滑块上下移动的移动装置和若干个激光测距装置，滑块位于回抽室外壳内，滑块通过第一轴承与同步回转套连接，第一轴承通过圆形挡圈固定在支撑室壳体内，同步回转套紧套在搅拌针上，搅拌针的头部的侧面设有凸台，主电机的电机轴末端设有圆孔，圆孔内设有滑槽，凸台沿滑槽上下移动，搅拌针外套有中心轴，中心轴外紧套有轴承套，轴承套外套有第二轴承，第二轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳与回抽室外壳固定连接，回抽室外壳与动力室外壳固定连接。
[0006]作为优选，所述移动装置为旋转电机，旋转电机的旋转轴通过螺纹与滑块连接，第一支撑板上设有穿入滑块内的导杆，通过旋转轴的转动带动滑块的上下移动。
[0007]作为优选，所述移动装置为直线电机，直线电机的电机轴与滑块连接，通过直线电机的运动带动滑块的上下移动。
[0008]作为优选，所述轴承套上安装有一对圆形导轨，圆心导轨穿过轴承套，圆形导轨上套有弹簧，弹簧的一端顶住轴承套。
[0009]作为优选，所述同步回转套通过螺钉与搅拌针固定连接。
[0010]作为优选，所述激光测距装置有四个，姿态传感器有四个。
[0011]—种上述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具的倾角调节方法，包括以下步骤:
[0012](I)调整四个激光测距装置中相对的一对的激光光斑，使两个激光测距装置发射的激光光斑位于待焊焊缝中心线上；
[0013](2)调整焊具垂直于工件表面，即每个激光测距装置所测得的值相等，为焊具与工件初始距离的设定值S;
[0014](3)保持已调整过的一对激光测距装置的输出值不变，改变另一对激光测距装置的输出值，同时根据姿态传感器的输出al、a2、a3、a4，计算焊具倾角的平均值，当焊具倾角达到设定值为止。
[0015]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0016](I)这是一种新式的激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，能够在焊接过程中实时检测搅拌针相对工件的下压量和焊具的倾斜状态，保证焊具在焊接过程中与被焊工件完美贴合，提高了焊接过程的稳定性。
[0017](2)该焊具结构简单，实用性强，其主要部件均采用了同心式的设计，使得装置的重心稳定在中心轴线上，很大程度上简化了焊具结构，减小了焊具的体积，这对于焊接机械手臂上的应用具有重要的现实意义。
[0018](3)该焊具的回抽装置通过回抽滑块连接旋转电机和中心轴，使中心轴带动搅拌针作轴向位移运动，用于调整搅拌针的轴向位移，可以解决传统搅拌摩擦焊带来的“匙孔”问题。
[0019](4)该焊具通过激光测距装置和焊具姿态检测装置可以实现搅拌摩擦焊接机械手臂的快速定位，同时可以很好的控制搅拌针相对工件的压入深度，这对搅拌摩擦焊的自动化焊接有重要的现实应用意义。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构示意图。
[0021]图2为图1中回抽装置的结构示意图。
[0022]图3为图1中激光测距装置的分布示意图。
[0023]图4为图1中姿态传感器的分布示意图。
【具体实施方式】
[0024]如图1至图4所示，本发明的一种基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳I，所述动力室外壳I内依次设有第一支撑板3和第二支撑板6，所述第一支撑板3的中心安装有主电机20，主电机20的电机轴穿过第二支撑板6，第一支撑板3上还安装有四个姿态传感器2，在第二支撑板6上绕电机轴轴向圆周均布有四个带动滑块17上下移动的移动装置和四个激光测距装置4，滑块17位于回抽室外壳7内，滑块17通过第一轴承22与同步回转套24连接，所述同步回转套24设有径向螺纹孔21，径向螺纹孔21旋入螺钉与搅拌针13固定连接，同步回转套24紧套在搅拌针13上，搅拌针13的头部的侧面设有凸台，主电机20的电机轴末端设有圆孔，圆孔内设有滑槽，凸台沿滑槽上下移动，搅拌针13外套有中心轴11，中心轴11外紧套有轴承套10，轴承套10外套有第二轴承16，第二轴承16位于支撑室外壳9内，支撑室外壳9与回抽室外壳7固定连接，回抽室外壳7与动力室外壳I固定连接。
[0025]在本发明中，所述移动装置为旋转电机19，旋转电机19的旋转轴通过螺纹与滑块17连接，第一支撑板3上设有穿入滑块17内的导杆，通过旋转轴的转动带动滑块17的上下移动，如图2所示。移动装置也可以为直线电机，直线电机的电机轴与滑块17连接，通过直线电机的运动带动滑块17的上下移动。
[0026]在本发明中，所述轴承套10上安装有一对圆形导轨15，圆心导轨穿过轴承套10，圆形导轨15上套有弹簧14，弹簧14的一端顶住轴承套10。
[0027]在本发明中，动力室外壳1、第一支撑板3、第二支撑板6、回抽室外壳7、圆形挡圈8、支撑室外壳9、轴承套10、中心轴、圆形导轨15、回抽滑块17均可采用普通碳钢制成;弹簧14可选用普通弹簧14钢制成；主电机20可采用市面上常用的高转速电机;搅拌针13可以选用高温合金钢制成。
[0028]在本发明中，四个激光测距装置4-1、4-2、4-3、4_4用来测量第二支撑板6与工件表面之间的距离，分别是S1、S2、S3、S4。四个激光测距装置通过底下的激光测距孔5发射与接收激光信号。四个姿态传感器2-1、2-2、2-3、2-4用来检测当前焊具各部位的倾斜状态，其测得的倾角大小分别为al、a2、a3、a4。19-1、19-2、19-3、19-4为旋转电机，主要用于带动搅拌针做轴向位移运动。
[0029]在本发明中，回抽室外壳7侧面设有安装孔，方便本装置与焊接手臂连接。同步回转套24设有空心腔23，用于中心轴和旋转电机轴25穿过。
[0030]当S1、S2、S3、S4不等时，说明焊具不垂直于工件表面，此时无法得出搅拌针13与被焊工件的相对位置。通过调节焊具的倾角al、a2、a3、a4，可以快速调整焊具的空间姿态;如需要调整焊具与工件的初始距离为S，此时焊具垂直于工件表面，使S1、S2、S3、S4保持一致为S即可。由于第二支撑板6与搅拌针13之间的有一个轴向距离Z，所以可以得到搅拌针13与被焊工件之间的相对距离H = S-Z。当H = O时，搅拌针13刚好下压到工件表面；当H<0时，搅拌针13压入工件，此时的H值便是搅拌针13的压入深度。
[0031]在实际调整过程中，往往需要焊具具有一定的倾角。调整焊具与工件初始距离和焊具倾角的步骤如下:
[0032]Stepl:调整激光测距装置发射的激光光斑，使激光测距装置4-1、激光测距装置4-3发射的激光光斑位于待焊焊缝中心线上；
[0033]3丨叩2:首先调整焊具垂直于工件表面，8卩31、32、33、34的值相等，为焊具与工件初始距离的设定值S;
[0034]Step3:保持激光测距装置4-1、激光测距装置4-3的输出值不变，改变激光测距装置4-2、激光测距装置4-4的输出值，同时根据姿态传感器2-1、2-2、2-3、2-4的输出al、a2、a3、a4，计算焊具倾角的平均值，这个平均值就是焊具倾角，当焊具倾角达到设定值为止。
[0035]一种多参数反馈的的搅拌摩擦焊具，其焊前工作流程:
[0036]Stepl:将整个焊具安装于焊机的机头；
[0037]Step2:调整弹簧14的松紧程度；
[0038]Step3:将搅拌针轴肩丨2安装于中心轴11上；
[0039]Step4:打开激光测距装置4和焊具姿态检测装置2，调整焊具空间位置；
[0040]Step5:调整焊具距离工件的初始距离S和倾角；
[0041 ] Step6:下降焊具，使搅拌针轴肩12下部的搅拌针与工件接触；
[0042]Step7:启动主电机18，开始焊接；
[0043]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于:包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板的中心安装有主电机，主电机的电机轴穿过第二支撑板，第一支撑板上还安装有若干个姿态传感器，在第二支撑板上绕电机轴轴向圆周均布有若干个带动滑块上下移动的移动装置和若干个激光测距装置，滑块位于回抽室外壳内，滑块通过第一轴承与同步回转套连接，同步回转套紧套在搅拌针上，搅拌针的头部的侧面设有凸台，主电机的电机轴末端设有圆孔，圆孔内设有滑槽，凸台沿滑槽上下移动，搅拌针外套有中心轴，中心轴外紧套有轴承套，轴承套外套有第二轴承，第二轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳与回抽室外壳固定连接，回抽室外壳与动力室外壳固定连接。2.根据权利要求1所述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述移动装置为旋转电机，旋转电机的旋转轴通过螺纹与滑块连接，第一支撑板上设有穿入滑块内的导杆，通过旋转轴的转动带动滑块的上下移动。3.根据权利要求1所述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述移动装置为直线电机，直线电机的电机轴与滑块连接，通过直线电机的运动带动滑块的上下移动。4.根据权利要求2或3所述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述轴承套上安装有一对圆形导轨，圆心导轨穿过轴承套，圆形导轨上套有弹簧，弹簧的一端顶住轴承套。5.根据权利要求2或3所述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述同步回转套通过螺钉与搅拌针固定连接。6.根据权利I所述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具，其特征在于:所述激光测距装置有四个，姿态传感器有四个。7.—种如权利要求6所述的基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具的倾角调节方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)调整四个激光测距装置中相对的一对的激光光斑，使两个激光测距装置发射的激光光斑位于待焊焊缝中心线上； (2)调整焊具垂直于工件表面，即每个激光测距装置所测得的值相等，为焊具与工件初始距离的设定值S; (3)保持已调整过的一对激光测距装置的输出值不变，改变另一对激光测距装置的输出值，同时根据姿态传感器的输出al、a2、a3、a4，计算焊具倾角的平均值，当焊具倾角达到设定值为止。
【文档编号】B23K20/12GK106077940SQ201610440923
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】陈书锦, 倪瑞洋, 周洋, 夏晶宇, 王鹏浩
【申请人】江苏科技大学