摩擦螺柱与摩擦搅拌双方法机器人复合热源焊接系统

摘要

本发明提供一种摩擦螺柱与摩擦搅拌双方法机器人复合热源焊接系统。该系统包括执行机构与控制系统；其中，执行机构包括机器人手臂、焊接机头；焊接机头包括承载架、主轴电机、自动夹具装置、电磁加压装置、感应加热装置；该系统将摩擦搅拌和摩擦螺柱焊接集成，有利于提升焊接效率和焊接质量，且节约设备成本；该系统能够通过选择感应加热装置加热和电磁加压装置施压，实现焊接较大直径的螺柱。通过设置的控制系统由控制焊接系统的各个工序的动作，从而实现焊接过程以及功能切换的自动化，且利用液压回转油缸控制弹簧夹头，可以自动装夹松开螺柱和搅拌针的功能，能够完全自动化焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及智能化焊接领域，具体涉及摩擦螺柱与摩擦搅拌双方法机器人复合热源 焊接系统。

背景技术

现有的工业机器人应用中多为轻载机器人，一般负载不会超过500KG，而对于摩擦 螺柱焊接技术来说，对机器人的负载能力要求较高，要求机器人能够提供15KN以上的 力，而现阶段最大机器人只能承载1.3吨的负载，无法满足摩擦螺柱焊接的需求。

搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接都是先进摩擦焊技术，它们都是利用摩擦热与塑性变形热 作为焊接热源，不同之处在于搅拌摩擦焊接过程是由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸 入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的 材料温度升高软化进而进行搅拌，完成材料焊接的目的。而摩擦螺柱焊接是把搅拌针换 成了螺柱，通过螺柱旋转与钢板发生摩擦，从而产生热量将螺柱和钢板加热到热塑性状 态，然后螺柱立即停止转动，对螺柱进行顶锻将螺柱牢固的焊在钢板上。

申请号为CN102728947A的专利公开了一种现搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接主要是通过 龙门式搅拌摩擦焊接设备，申请号为CN101952077A的公开了一种卧式摩擦焊接设备。 但上述设备应用范围相对较小，无法满足智能化、柔性化制造的要求，例如龙门式搅拌 摩擦焊接设备只能完成板和板对接焊缝焊接，卧式摩擦螺柱焊接设备只能完成螺柱和螺 柱或者螺柱对小板的焊接，且无法完成对于要求焊接空间曲线轨迹的搅拌摩擦焊或螺柱 对车体等大型件的空间全位置焊接。

发明内容

本发明目的为了克服上述设备系统的不足，提供一种摩擦搅拌和摩擦螺柱双方法机 器人复合热源焊接系统。

本发明为一种摩擦搅拌和摩擦螺柱双方法机器人复合热源焊接系统的技术方案：包 括执行机构与控制系统；其中，执行机构包括机器人手臂、焊接机头；

焊接机头包括承载架、主轴电机、自动夹具装置、电磁加压装置、感应加热装置；

承载架的上端与机器手臂端部连接；承载架的下端与主轴电机连接，且主轴电机与 承载架同轴；自动夹具装置穿过主轴电机，通过连接法兰和支撑导套与主轴电机连接， 且自动夹具装置与主轴电机同轴；电磁加压装置包括两块电磁铁，对称于主轴电机的轴 心设置，与承载架下端两侧连接；感应加热装置通过其上液压油缸的导杆穿过承载架与 线圈固定块相连，将感应加热装置固定在承载架的下端；

控制系统通过控制工控机控制柜与机器人控制柜之间相互通信以协调机器人手臂 和摩擦螺柱焊接机头动作，发送指令给主轴电机、液压站、感应电源控制柜、电磁加压 控制柜，实现主轴电机带动螺柱旋转，液压站为回转油缸和液压油缸提供油压，感应电 源控制柜控制感应线圈电流通断和调节电流大小，电磁加压控制柜控制电磁铁通断和调 节磁力大小。

进一步的，上述的自动夹具装置具体包括：依次设置的回转油缸、连接法兰、上拉 杆、下拉杆、垫块、支撑块、定位圈、支撑导套弹簧夹头；其中，回转油缸与上拉杆、 上拉杆和下拉杆、下拉杆与弹簧夹头之间均采用螺纹连接；垫块、支撑块、定位圈、支 撑导套与下拉杆之间均采用间隙配合。

上述感应加热装置包括保护气管道、液压油缸、线圈固定块、感应线圈；其中，保 护气管道、感应线圈与线圈固定块固定连接。感应加热装置还设有设有惰性气体保护管 道，管道为蛇形管，管道前端设计成扁平口。

优选的，电磁加压装置在摩擦螺柱焊时提供摩擦压力和顶锻压力的范围为0-20KN。 自动装夹装置实现自动夹紧和松开螺柱或搅拌针所装夹的螺柱或搅拌针的直径范围 8-20mm。该装置的主轴电机速度范围在400-3000r/min。

优选的，感应加热装置中的感应线圈，形状为盘绕饼状，且感应线圈外直径为50-150 mm、中心孔直径为15-45mm

本发明与现有焊接设备相比其显著优点在于：1、本发明提供的系统将摩擦搅拌和 摩擦螺柱焊接集成，实现搅拌摩擦和摩擦螺柱一体化，与机器人的结合可以进行空间曲 线搅拌摩擦焊接和空间全位置摩擦螺柱焊接，有利于提升焊接效率和焊接质量，且节约 设备成本。2、该系统能够通过选择感应加热装置加热和电磁加压装置施压，实现焊接 较大直径的螺柱。3、该装置通过设置的控制系统由控制焊接系统的各个工序的动作， 从而实现焊接过程以及功能切换的自动化，且利用液压回转油缸控制弹簧夹头，可以自 动装夹松开螺柱和搅拌针的功能，能够完全自动化焊接。

附图说明

图1是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的示意图。

图2是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的焊接机头的结 构示意图。

图3是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的自动夹具装置 的结构示意图。

图4是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的摩擦螺柱焊接 机构的动作图和感应线圈位置示意图。

图5是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的摩擦螺柱焊接 过程示意图。

图6是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的搅拌摩擦焊接 预热过程示意图。

图7是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的搅拌摩擦焊接 压入工件对接缝示意图。

图8是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的搅拌摩擦焊接 沿工件对接缝行走示意图。

图9是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的搅拌摩擦焊接 焊接缝尾部示意图

图10是本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统的控制关系示 意图。

其中，1—机器人手臂；2—摩擦螺柱焊接机头；3—承载架；4—主轴电机； 5—自动夹具装置；6—电磁加压装置；7—感应加热装置；8—回转油缸；9—连接法兰； 10—上拉杆；11—下拉杆；12—垫块；13—支撑块；14—定位圈；15—支撑导套；16— 弹簧夹头；17—保护气管；18—液压油缸；19—线圈固定块；20—感应线圈；21—液压 站；22—感应电源控制柜；23—电磁加压控制柜；24—工控机控制柜；25—机器人控制 柜。

具体实施方式

以下结合实例与附图对本发明做进一步说明：

本发明机器人复合热源搅拌摩擦和摩擦螺柱焊接多功能系统采用如下装置：

如图1、2所示，包括执行机构与控制系统；其中，执行机构包括机器人手臂1、焊 接机头2；

焊接机头2包括承载架3、主轴电机4、自动夹具装置5、电磁加压装置6、感应加 热装置7；

承载架3的上端与机器手臂1端部连接；承载架3的下端与主轴电机4连接，且主 轴电机4与承载架3同轴；自动夹具装置5穿过主轴电机4，通过连接法兰9和支撑导 套15与主轴电机4连接，且自动夹具装置5与主轴电机4同轴；电磁加压装置6包括 两块电磁铁，对称于主轴电机的轴心设置，与承载架3下端两侧连接；感应加热装置7 通过其上液压油缸18的导杆穿过承载架3与线圈固定块19相连，将感应加热装置7固 定在承载架3的下端；

自动夹具装置5包括：依次设置的回转油缸8、连接法兰9、上拉杆10、下拉杆11、 垫块12、支撑块13、定位圈14、支撑导套15弹簧夹头16；其中，回转油缸8与上拉 杆10、上拉杆10和下拉杆11、下拉杆11与弹簧夹头16之间均采用螺纹连接；垫块12、 支撑块13、定位圈14、支撑导套15与下拉杆11之间均采用间隙配合。

感应加热装置7包括保护气管道17、液压油缸18、线圈固定块19、感应线圈20； 所述的保护气管道17、感应线圈20与线圈固定块19固定连接。

感应加热装置7还设有设有惰性气体保护管道17，管道为蛇形管，管道前端设计成 扁平口。

本发明中的承载架可以采用上法兰、下法兰通过支撑柱连接的结构。

如图10所示，本发明的控制系统控制方式为：工控机控制柜24一方面与机器人控 制柜25之间相互通信以协调机器人手臂1和摩擦螺柱焊接机头2动作，另一方面发送 指令给主轴电机4、液压站21、感应电源控制柜22)、电磁加压控制柜23。其中工控机 控制柜24包括工控机、PLC、变频器、电阻制动器用于实现该发明系统总控制；机器 人控制柜25主要负责机器人手臂1执行油缸18提高液压分别实现自动装夹螺柱和感应 加热装置的运动功能；感应电源控制柜22控制感应线圈20电流通断和调节电流大小； 电磁加压控制柜23用于控制电磁铁通断和调节磁力大小。

当进行摩擦螺柱焊接时，将螺柱放进弹簧夹头内，回转油缸通过液压向上抽拉弹簧 夹头夹紧螺柱，然后电机旋转，机器手臂将焊接机头运送到焊接点可控电磁铁通电吸引 加压，螺柱与板件摩擦发热，螺柱和板件加热到流塑性状态，然后机器手臂加压顶锻螺 柱，将螺柱牢固的焊接在钢板上，弹簧夹头松开，螺柱留在板件上；

当进行搅拌摩擦焊时，将搅拌针放进弹簧夹头内，和上面一样自动将搅拌针夹紧， 然后电机旋转，机器手臂将搅拌针压到铝板内，进行摩擦搅拌，机器手臂按照试教轨迹 行走将两对接板焊在一起，焊完时程序设定好弹簧夹头不会松开搅拌针，搅拌针和焊接 机头一起离开板件，焊接完成。

在焊接过程中感应电源对钢板进行预热并与螺柱摩擦钢板时产生的热进行复合，从 而使钢板和螺柱同时达到热塑性状态，这样有助于减小焊接过程中机器手臂负担。

实施例1

第一步，如图3所示，机器手臂将弹簧夹头16运送到螺柱上，预先设好的程序通 过工控机控制柜24分发信号到液压站21，液压站21从而控制回转油缸8向上拉弹簧夹 头16，从而自动夹紧螺柱，完成第一步。

第二步，机器手臂1带动螺柱运动到焊接点，此时感应线圈20如图3所示位置， 工控机控制柜24发送信号给液压站21控制感应线圈20运动机构的液压油缸18，从而 带动感应线圈20运动到螺柱的前端如图4位置。

第三步，感应线圈20通电对工件和螺柱预热一定时间，主轴电机4得电按照设定 好的速度旋转，同时电磁加压装置6得电吸引钢板施加摩擦压力，螺柱旋转和工件摩擦 加热和感应加热复合，经过一段时间，主轴电机4急停，电磁加压装置6施加顶锻压力， 保压一段时间，具体如图5所示。

第四步，弹簧夹头16松开螺柱，螺柱焊接在钢板上，机器手臂1运送焊接机头拿 下一个螺柱，从而完成螺柱与钢板摩擦螺柱焊接。

实施例2

第一步焊接机头夹紧搅拌针，并带动搅拌针和感应线圈20运动到焊接点，此时感 应线圈20如图6所示位置，对工件进行预热一定时间，在预热过程中通过保护气管17 通保护气。

第二步，主轴电机4按照设定好的速度带动搅拌针旋转，在机械手臂1的压力下压 进工件对接缝内如图7所示，沿着对接缝进行搅拌摩擦焊接，同时感应线圈20对未焊 接对接缝进行预热，具体如图8所示。

第三步，如图9所示搅拌摩擦焊接完成，搅拌针离开焊缝，感应线圈20和保护气 管17保护气关闭，焊接完成。