一种搅拌摩擦焊装置的制作方法

1.本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊装置。


背景技术：

2.焊接，也称作熔接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。现代焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。其中搅拌摩擦焊是一种比较特殊的焊接方式，搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。
3.搅拌摩擦焊是依靠搅拌头的旋转和移动来实现板材焊接的，因此，搅拌头的转速、焊接压力、板材移动速度是其关键的工艺参数，但是目前现有的搅拌摩擦焊焊接压力控制精度低，而且大小未知，当压紧力不足时，焊缝易形成孔洞或未焊透等现象。当压紧力过大时，轴肩与焊件表面摩擦力增大，摩擦热使轴肩发生“粘头”现象，使焊缝表面出现飞边、毛刺等缺陷。另外，现有的搅拌摩擦焊在焊接过程中，焊缝路径容易发生偏差，从而影响焊接质量。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种搅拌摩擦焊装置，以解决背景技术中所提出的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：一种搅拌摩擦焊装置，包括支撑台、压力控制系统及焊缝偏差检测系统，所述支撑台的顶端一侧设置有l型柱，所述l型柱的竖直部位设置有可上下滑动的驱动箱，所述驱动箱的底部转动连接有主轴，所述主轴的底部设置有搅拌头，所述支撑台上设置有工作平台，所述压力控制系统用于精确控制搅拌头的压紧力，所述焊缝偏差检测系统用于实时获取检测点工件表面在传感器坐标系下的三维坐标，获得焊缝所在平面的高度信息。
6.优选的，所述工作平台可在x方向及y方向自由移动。
7.优选的，所述驱动箱内设置有用于驱动主轴转动的电机，且所述主轴通过轴承与驱动箱转动连接。
8.优选的，所述压力控制系统包括设置于l型柱顶端的液压缸，所述支撑台一侧设置有用于对液压缸供油的油箱，所述液压缸垂直安装于l型柱的顶端，且所述液压缸的活塞杆底部贯穿l型柱的水平部位并与驱动箱的顶端固定连接，所述主轴有上连接轴及下连接轴构成，所述上连接轴的底部与下连接轴的顶端之间存在有间距，且所述上连接轴的底部中间部位设置有压力传感器，所述下连接轴的顶端设置有与压力传感器对应分布的触动块，且所述上连接轴与下连接轴之间通过四个呈圆周阵列分布的弹性限位组件连接。
9.优选的，所述弹性限位组件包括滑杆，所述滑杆的底部与下连接轴的顶端固定连
接，所述上连接轴的底部设置有与滑杆上下滑动连接的滑孔，且所述滑杆上套设有弹簧，所述弹簧的上下两端分别与上连接轴的底部及下连接轴的顶端连接。
10.优选的，所述滑孔的两侧内壁设置有上下两端封闭的限位槽，所述滑杆的顶端两侧均设置有与限位槽滑动连接的限位块。
11.优选的，所述焊缝偏差检测系统包括套设于下连接轴外侧的外壳，所述外壳内转动连接有环形板，所述环形板的侧壁安装有激光测距传感器，且所述外壳上设置有用于驱动环形板转动的驱动组件。
12.优选的，所述外壳与下连接轴固定连接，且所述外壳为底部开口的圆柱形结构，所述外壳的内腔中间部位设置有包裹于下连接轴外侧的凸环板。
13.优选的，所述驱动组件包括安装于外壳外侧壁上的伺服电机，所述伺服电机的轴部连接有齿轮，所述凸环板的外侧通过轴承转动连接有齿圈，所述齿轮延伸至外壳内腔并与齿圈转动连接，且所述齿圈与齿轮相互啮合，所述齿圈的底部与环形板的顶端固定连接，且所述环形板的内径大于凸环板的外径。
14.优选的，所述外壳的侧壁设置有活动口，所述齿轮通过活动口延伸至外壳内腔。
15.本发明的一种搅拌摩擦焊装置具有以下优点：
16.1.该一种搅拌摩擦焊装置，通过压力控制系统备能够实现搅拌摩擦焊时所需的压紧力控制，并能实时调定和观察压紧力的大小，采用液压驱动，运动平稳，易于过载保护，便于控制，能够提高焊接质量，且成本低，使用灵活、方便。
17.2.该一种搅拌摩擦焊装置，通过焊缝偏差检测系统的激光测距传感器和编码器，实时地将激光检测点工件表面在传感器坐标系下的三维坐标，把数据通过无线传输模块传输至工控机，工控机处理脉冲信息和测量距离数值，得到检测点的三维坐标，还原工件表面的三维形貌，用于提取出需要的焊接参数，从而实时获取焊缝偏差参数，可以有效提高焊接质量。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本发明的整体结构示意图；
20.图2为本发明中主轴的结构示意图；
21.图3为图2的右视图；
22.图4为本发明中上连接轴与下连接轴的分解图；
23.图5为图4中a的放大图；
24.图6为本发明中下连接轴的结构示意图；
25.图7为本发明中外壳与齿圈的分解图；
26.图8为本发明中压力控制系统的原理图；
27.图中标记说明：1、支撑台；2、l型柱；3、工作平台；4、液压缸；5、驱动箱；6、油箱；7、外壳；8、搅拌头；9、上连接轴；10、下连接轴；11、触动块；12、环形板；13、激光测距传感器；
14、伺服电机；15、齿轮；16、齿圈；17、压力传感器；18、滑孔；19、滑杆；20、弹簧；21、限位块；22、限位槽；23、凸环板；24、活动口。
具体实施方式
28.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
29.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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实施例和简化描述，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实施例的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
32.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明实施例的不同结构。为了简化本发明实施例的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明实施例。此外，本发明实施例可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
33.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种搅拌摩擦焊装置做进一步详细的描述。
34.如图1-7所示，本发明的一种搅拌摩擦焊装置，包括支撑台1、压力控制系统及焊缝偏差检测系统，支撑台1的顶端一侧设置有l型柱2，l型柱2的竖直部位设置有可上下滑动的驱动箱5，驱动箱5的底部转动连接有主轴，主轴的底部设置有搅拌头8，驱动箱5内设置有用于驱动主轴转动的电机，且主轴通过轴承与驱动箱5转动连接，电机驱动主轴转动，从而使得搅拌头8转动，支撑台1上设置有工作平台3，工作平台3可在x方向及y方向自由移动，该实现工作平台3做x方向及y方移动的结构为现有成熟技术，在此不做详细阐述，压力控制系统用于精确控制搅拌头8的压紧力，压力控制系统包括设置于l型柱2顶端的液压缸4，支撑台1一侧设置有用于对液压缸4供油的油箱6，液压缸4垂直安装于l型柱2的顶端，且液压缸4的活塞杆底部贯穿l型柱2的水平部位并与驱动箱5的顶端固定连接，主轴有上连接轴9及下连接轴10构成，上连接轴9的底部与下连接轴10的顶端之间存在有间距，且上连接轴9的底部中间部位设置有压力传感器17，下连接轴10的顶端设置有与压力传感器17对应分布的触动块11，且上连接轴9与下连接轴10之间通过四个呈圆周阵列分布的弹性限位组件连接，当液
压缸4推动驱动箱5下移时，会使得搅拌头8的底部与工件的表面接触，从而实现对工件的焊接，在液压缸4推动搅拌头8下移的过程中，在弹性限位组件的作用下，使得触动块11的上表面与压力传感器17接触，如图8所示，当电磁铁一dt得电时，进油路油液经过油箱
→
过滤器
→
液压泵
→
电磁换向阀右腔
→
液压缸上腔；回油路油液经过液压缸下腔
→
单向顺序阀
→
电磁换向阀右腔
→
油箱。此时液压缸伸出，带动搅拌头下降，当搅拌头到达工件表面时，压紧力由溢流阀调定，并能通过压力表二、压力表三实时观察到液压缸两腔油液压力的大小，所以搅拌摩擦焊时的压紧力可由公式(1)计算得出:
[0035][0036]
式中：f为搅拌摩擦焊时的压紧力(n)；p1为液压缸9上腔油液压(mpa)；p2为液压缸9下腔油液压力(mpa)；d为液压缸活塞直径(mm)；d为液压缸活塞杆直径(mm)；g为钻铣床主轴箱的重力(n)。
[0037]
当电磁铁二dt得电时，进油路油液经过油箱
→
过滤器
→
液压泵
→
电磁换向阀左腔
→
单向顺序阀
→
液压缸下腔；回油路油液经过液压缸上腔
→
电磁换向阀左腔
→
油箱。此时液压缸缩回，带动搅拌头上升，使搅拌头离开焊接工件。由此可见，该压力控制系统能够实现搅拌头的下降、压紧和上升动作，并且能实时调节和观察压紧力的大小，采用液压驱动，运动平稳，易于过载保护，便于控制。
[0038]
在搅拌头转速和焊接速度一定时，随着压紧力的增加，搅拌头与材料表面相互摩擦剧烈程度增大，摩擦产生的热量增加。当压紧力较低时，搅拌头与材料摩擦程度较弱，产生的热量较低，焊缝金属塑化程度较弱，流动不充分，使得焊缝表面较粗糙，容易出现未焊透现象；当压紧力较高时，搅拌头与材料摩擦程度较强，产生的热量也较多，焊缝金属塑化程度较高，流动充分，焊缝表面较为光滑；当压紧力进一步升高时，摩擦产生的热量进一步增大，焊缝金属塑化程度增强，对搅拌头刚性抗力减小，塑性金属在轴肩作用下被挤出的量大，出现飞边、毛刺现象。通过压力控制系统备能够实现搅拌摩擦焊时所需的压紧力控制，并能实时调定和观察压紧力的大小，采用液压驱动，运动平稳，易于过载保护，便于控制，能够提高焊接质量。
[0039]
弹性限位组件包括滑杆19，滑杆19的底部与下连接轴10的顶端固定连接，上连接轴9的底部设置有与滑杆19上下滑动连接的滑孔18，且滑杆19上套设有弹簧20，弹簧20的上下两端分别与上连接轴9的底部及下连接轴10的顶端连接，通过滑杆19、滑孔18及弹簧20之间的配合，使得上连接轴9与下连接轴10可在压力的作用下相互靠近，在没有压力的作用下，相互远离。滑孔18的两侧内壁设置有上下两端封闭的限位槽22，滑杆19的顶端两侧均设置有与限位槽22滑动连接的限位块21，通过限位块21与限位槽22之间的配合，对滑杆19起到了限位作用，使得滑杆19只能进行上下移动。
[0040]
焊缝偏差检测系统用于实时获取检测点工件表面在传感器坐标系下的三维坐标，获得焊缝所在平面的高度信息，焊缝偏差检测系统包括套设于下连接轴10外侧的外壳7，外壳7内转动连接有环形板12，环形板12的侧壁安装有激光测距传感器13，且外壳7上设置有用于驱动环形板12转动的驱动组件，外壳7与下连接轴10固定连接，且外壳7为底部开口的圆柱形结构，外壳7的内腔中间部位设置有包裹于下连接轴10外侧的凸环板23，驱动组件包括安装于外壳7外侧壁上的伺服电机14，伺服电机14的轴部连接有齿轮15，凸环板23的外侧
通过轴承转动连接有齿圈16，齿轮15延伸至外壳7内腔并与齿圈16转动连接，且齿圈16与齿轮15相互啮合，齿圈16的底部与环形板12的顶端固定连接，且环形板12的内径大于凸环板23的外径，通过启动伺服电机14，使得齿轮15带动齿圈16转动，从而使得齿圈16带动环形板12转动，从而使得环形板12带动激光测距传感器13转动，且伺服电机14内置编码器器将电机转速、位置信息和旋转圈数检测采集，输出脉冲信息经由正交解码器发送到工控机。工控机处理接收的脉冲信息，用来计算检测点的二维位置信息，检测点是在工件表面的由传感器射出的激光束末端端点，通过让激光测距传感器13发射的线激光绕搅拌头旋转，获得焊缝所在平面的高度信息，在搅拌摩擦焊的过程中，为了让激光测距传感器以恒定的旋转速度绕主轴旋转，无法直接使用搅拌头为焊缝偏差检测系统提供动力，必须额外选择伺服电机提供额定转速，以保证激光检测点与检测点等距离，具备良好的检测精度，伺服电机通过脉冲信号定位，旋转对应的角度。另外，伺服电机内部的编码器，可以产生指代输入轴的位置的脉冲，与接收的驱动脉冲信号配合，保证了脉冲数量的可靠性，进而实现良好的定位功能和闭环控制。正交解码器接收电机编码器发送的脉冲信息，并处理为电机旋转的角度，用于在工控机计算检测点坐标。激光测距传感器内部的激光二极管射出激光脉冲，当激光照射到工件表面时向四周散射，传感器接收器负责收集部分散射的激光，接收器里设有将激光信号放大的光学传感器，可以分辨微小的光线，将光信号处理为光脉冲后，记录并处理激光往返所消耗的时间，进而求出发射点到测量点的距离。焊缝偏差检测系统的作用是通过激光测距传感器13和编码器，实时地将激光检测点工件表面在传感器坐标系下的三维坐标，传递至工控机。数据传递流程是，伺服电机编码器采集伺服电机内部编码器的脉冲信号，通过pci总线将脉冲信号传递至正交解码器，由工控机计算在传感器坐标系下的转角计算出xoy平面的坐标值(xs,ys)。激光测距传感器以20khz的频率检测激光束的长度值h，通过udp协议传输至无线发射模块，再通过蓝牙协议传输至工控机的无线接收模块上，随后在工控机上计算出zs。焊缝偏差检测系统由伺服电机14、电机驱动器、正交解码器、激光测距传感器13、无线传输模块构成。通过pci总线将伺服电机脉冲信号解码发送，通过udp协议将围绕主轴旋转的激光测距传感器13值传输至无线传输模块并发送，在工控机计算焊缝的三维坐标信息，并提取焊缝偏差参数。为了达到焊缝跟踪控制响应快、精度高的性能指标，焊缝偏差检测系统中激光测距传感器13需要较高的检测频率和检测精度。激光测距频率为20000hz，焊缝偏差检测周期200ms，检测频率为5hz。把数据通过无线传输模块传输至工控机，工控机处理脉冲信息和测量距离数值，得到检测点的三维坐标，还原工件表面的三维形貌，用于提取出需要的焊接参数。外壳7的侧壁设置有活动口24，齿轮15通过活动口24延伸至外壳7内腔，通过活动口24的设置，使得齿轮15可通过活动口24延伸至外壳7内腔。
[0041]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：包括支撑台(1)、压力控制系统及焊缝偏差检测系统，所述支撑台(1)的顶端一侧设置有l型柱(2)，所述l型柱(2)的竖直部位设置有可上下滑动的驱动箱(5)，所述驱动箱(5)的底部转动连接有主轴，所述主轴的底部设置有搅拌头(8)，所述支撑台(1)上设置有工作平台(3)；其中，所述压力控制系统用于精确控制搅拌头(8)的压紧力；所述焊缝偏差检测系统用于实时获取检测点工件表面在传感器坐标系下的三维坐标，获得焊缝所在平面的高度信息。2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述工作平台(3)可在x方向及y方向自由移动。3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述驱动箱(5)内设置有用于驱动主轴转动的电机，且所述主轴通过轴承与驱动箱(5)转动连接。4.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述压力控制系统包括设置于l型柱(2)顶端的液压缸(4)，所述支撑台(1)一侧设置有用于对液压缸(4)供油的油箱(6)，所述液压缸(4)垂直安装于l型柱(2)的顶端，且所述液压缸(4)的活塞杆底部贯穿l型柱(2)的水平部位并与驱动箱(5)的顶端固定连接，所述主轴有上连接轴(9)及下连接轴(10)构成，所述上连接轴(9)的底部与下连接轴(10)的顶端之间存在有间距，且所述上连接轴(9)的底部中间部位设置有压力传感器(17)，所述下连接轴(10)的顶端设置有与压力传感器(17)对应分布的触动块(11)，且所述上连接轴(9)与下连接轴(10)之间通过四个呈圆周阵列分布的弹性限位组件连接。5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述弹性限位组件包括滑杆(19)，所述滑杆(19)的底部与下连接轴(10)的顶端固定连接，所述上连接轴(9)的底部设置有与滑杆(19)上下滑动连接的滑孔(18)，且所述滑杆(19)上套设有弹簧(20)，所述弹簧(20)的上下两端分别与上连接轴(9)的底部及下连接轴(10)的顶端连接。6.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述滑孔(18)的两侧内壁设置有上下两端封闭的限位槽(22)，所述滑杆(19)的顶端两侧均设置有与限位槽(22)滑动连接的限位块(21)。7.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述焊缝偏差检测系统包括套设于下连接轴(10)外侧的外壳(7)，所述外壳(7)内转动连接有环形板(12)，所述环形板(12)的侧壁安装有激光测距传感器(13)，且所述外壳(7)上设置有用于驱动环形板(12)转动的驱动组件。8.根据权利要求7所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述外壳(7)与下连接轴(10)固定连接，且所述外壳(7)为底部开口的圆柱形结构，所述外壳(7)的内腔中间部位设置有包裹于下连接轴(10)外侧的凸环板(23)。9.根据权利要求8所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述驱动组件包括安装于外壳(7)外侧壁上的伺服电机(14)，所述伺服电机(14)的轴部连接有齿轮(15)，所述凸环板(23)的外侧通过轴承转动连接有齿圈(16)，所述齿轮(15)延伸至外壳(7)内腔并与齿圈(16)转动连接，且所述齿圈(16)与齿轮(15)相互啮合，所述齿圈(16)的底部与环形板(12)的顶端固定连接，且所述环形板(12)的内径大于凸环板(23)的外径。10.根据权利要求9所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述外壳(7)的侧壁设置
有活动口(24)，所述齿轮(15)通过活动口(24)延伸至外壳(7)内腔。

技术总结
本发明公开了一种搅拌摩擦焊装置，包括支撑台、压力控制系统及焊缝偏差检测系统，所述支撑台的顶端一侧设置有L型柱，所述L型柱的竖直部位设置有可上下滑动的驱动箱，所述驱动箱的底部转动连接有主轴，所述主轴的底部设置有搅拌头，所述支撑台上设置有工作平台，所述压力控制系统用于精确控制搅拌头的压紧力。该一种搅拌摩擦焊装置，通过压力控制系统备能够实现搅拌摩擦焊时所需的压紧力控制，并能实时调定和观察压紧力的大小，采用液压驱动，运动平稳，易于过载保护，便于控制，能够提高焊接质量，且成本低，使用灵活、方便。方便。方便。


技术研发人员：李继忠 张标 刘建国
受保护的技术使用者：孚斯威科技（嘉善）股份有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/21