CN108890116A - 用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，它包括工作台、加工机构、支撑机构和结构件夹持机构，其中：加工机构和支撑机构分别固定设置于工作台的两端，结构件夹持机构固定设置于工作台上且位于混联加工机构和混联支撑机构之间。本发明采用加工机构和支撑机构相互配合对工件进行点对点支撑和焊接，克服了传统搅拌摩擦焊应用于大型复杂结构件的障碍，无需制作靠模，减小了工件装夹和焊接时的变形，有效避免了焊接缺陷，提高了加工质量，具有布置紧凑、控制简单、承载性好、加工精度高、刚度好等优点。

Description

用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备

技术领域

本发明设计一种双机加工装备，具体是用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备。

背景技术

大型高强度整体式焊接成型构件是运载火箭贮箱、载人航天器舱体、空间站实 验舱等航天运载及在轨运行装备的典型结构，其焊接成型方式广泛采用搅拌摩擦焊。 搅拌摩擦焊不需要坡口制备、填充金属及保护气体，焊接接头质量及力学性能优良， 焊接变形小、缺陷水平低、容易实现自动化、生产效率高等，具有高质量、高可靠、 高效率、低能耗、无烟尘飞溅等优点。在大型复杂结构件的搅拌摩擦焊过程中，由 于大型复杂结构件形位误差较大，工件与靠模难以完全贴胎，焊接时工件容易产生 焊接变形和缺陷；而且由于工件长厚比较大、具有弱刚性，工件装夹后易变形，影 响加工质量。

针对现有技术的文献检索发现，公开号为CN105397277A的中国专利申请公开 了“一种底部施加超声振动的搅拌摩擦焊接装置及方法”，它将超声从底部施加在搅 拌针周围的被焊工件上，利用超声振动降低金属的变形抗力促进焊缝根部金属的流 动，降低弱连接倾向，从而达到提高焊接质量的目的。但是，该装置需要在工作台(或 靠模)沿焊接方向加工出矩形槽以安装超声振动装置，使得焊接工艺更为复杂且降低 了加工效率，难以应用于大型复杂结构件的搅拌摩擦焊。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种保证加工部位有足够刚度、 较小或消除颤振、从而实现精准控制的用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，包括分别通过左侧的基座和右侧的基座面对面固定在工作台的左右两端的加工机器人和支撑机器人，所述的加工机 器人和支撑机器人拓扑结构相同；结构件夹持机构固定在工作台上且位于加工机器 人和支撑机器人之间，所述的加工机器人末端安装有电主轴，在所述的电主轴上旋 转地安装有搅拌针，在所述的支撑机器人末端均固定有机器人法兰盘，所述的搅拌 针和支撑装置面对面布置，沿所述支撑装置轴向从远离待加工结构件方向朝向待加 工结构件方向依次首尾相接开有环形槽、缩颈锥形槽以及柱形槽，在所述的环形槽 的槽口处的支撑装置外壁上设置有支撑装置法兰盘，所述的机器人法兰盘与支撑装 置法兰盘固定相连，一个超声振动装置的顶端插在柱形槽内并且两者固定相连，所 述超声振动装置与支撑装置二者同轴设置，在所述的支撑装置与待加工的结构件接 触面的中间开有凹槽，使得搅拌针穿透结构件但与支撑装置的凹槽保持间隙，所述 的搅拌针的轴线和支撑装置的轴线关于结构件对称，搅拌针在结构件上的加工处和 支撑装置在结构件上的支撑处关于结构件对称。

本发明所取得的有益效果：

与现有技术相比，本发明将双机加工技术和混联机构结合起来，加工机构和支 撑机构可实现五自由度运动，两者相互配合对工件进行点对点支撑和搅拌摩擦焊。 双机加工技术保证加工处和支撑处始终关于加工构件镜面对称，不仅提高了设备的 加工效率，使加工件的受力更均匀，减小其弹性变形和振动，而且提高了加工精度。 混联加工装备具有刚度好、动态性能好、加工精度高，以实现装备模块化，可重构 等优点。本发明布置紧凑、控制简单、承载性好、加工精度高、刚度好。

与现有技术相比，本发明将加工件焊穿，有效避免了根部缺陷，提高了加工质 量；本发明采用点对点支撑和焊接，无需制作靠模，简化了工艺，提高了加工效率； 本发明加工机构和支撑机构可实现装备模块化，具有较高的灵活性和生产适应性。

附图说明

图1为本发明用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备结构示意图；

图2为图1所示设备的俯视图；

图3为采用本发明设备进行搅拌摩擦焊过程的示意图。

1：工作台 2：五自由度混联加工机器人

3：五自由度混联支撑机器人 4：结构件夹持机构

21/31：从动支链； 22/32：第一主动支链；

23/33：第二主动支链； 24/34：第三主动支链；

25/35：基座； 26/36：固定架

27/37：动平台； 28/38：定位头

29：搅拌针 39：支撑装置

310：超声振动装置 41：结构件

42：固定框架 43：柔性夹持臂

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述 实施例。

如图1所示，本发明的用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，包括分别 通过左侧的基座25和右侧的基座35面对面固定在工作台1的左右两端的加工机器 人2和支撑机器人3，所述的加工机器人2和支撑机器人3拓扑结构相同；结构件 夹持机构4固定在工作台1上且位于加工机器人2和支撑机器人3之间。所述的结 构件夹持机构4采用现有结构即可。作为本发明的一种优选的实施方式，所述的结 构件夹持机构4包括固定在工作台1上的固定框架42，在所述固定框架42的矩形 方框的周边内壁上均匀连接(可以通过螺栓固定)有柔性夹持臂43，所述的柔性夹 持臂43用于装夹结构件41，所述的柔性夹持臂43市场有售。

所述的加工机器人2和支撑机器人3可以采用五自由度混联机器人、串联机器 人、数控机床等中的一种，其中五自由度混联机器人结构具体参见CN105058376A 专利公开的“一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人”，其结构可以参见 图1、2，所述的加工机器人2和支撑机器人3包括固定在基座25/35上的固定架26/36、 位于固定架26/36前方的动平台27/37，与所述动平台27/37和固定架26/36相连的 从动支链21/31、第一主动支链22/32、第二主动支链23/33和第三主动支链部件24/34， 以及固定在所述动平台末端的定位头28/38。所述的定位头28/38为具有两个自由度 的串联转头，串联转头的末端构件上可安装各种类型的末端执行器，以实现不同的 加工需求。

在加工机器人2的末端均固定有电主轴，在所述的电主轴上旋转地安装有搅拌针，在支撑机器人3的末端均固定有机器人法兰盘。所述的机器人法兰盘市场有售。 所述的搅拌针29为刀具，市场有售。

所述的搅拌针29和支撑装置39面对面布置，沿所述支撑装置39轴向从远离待 加工结构件方向朝向待加工结构件方向依次首尾相接开有环形槽、缩颈锥形槽以及 柱形槽，在所述的环形槽的槽口处的支撑装置外壁上设置有支撑装置法兰盘，所述 的机器人法兰盘与支撑装置法兰盘固定相连，一个超声振动装置310的顶端插在柱 形槽内并且两者固定相连，所述超声振动装置310与支撑装置39二者同轴设置，在 所述的支撑装置39与待加工的结构件接触面的中间开有凹槽，使得搅拌针穿透结构 件但与支撑装置的凹槽保持间隙。所述的搅拌针29的轴线和支撑装置39的轴线关 于结构件41对称，搅拌针29在结构件41上的加工处和支撑装置39在结构件41上 的支撑处关于结构件41对称。

优选的所述的支撑装置39的轴线与电主轴的轴线的夹角在0°-10°之间。既能 保证焊接的刚度要求，也能实现混联机器人的姿态能力，有助于扩大工作空间，实 现更大范围地加工。

如图1、2所示，所述的加工机器人2和支撑机器人3均采用五自由度混联机器 人，作为加工机器人2的五自由度混联机器人的末端为定位头28，在所述的定位头 28上安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地安装有搅拌针29。在作为支撑机器人 3的五自由度混联机器人的定位头38上安装有机器人法兰盘，所述的机器人法兰盘 与支撑装置39上的支撑装置法兰盘固定相连。

所述的加工机器人2和支撑机器人3均采用串联机器人，作为加工机器人2的 串联机器人的末端为手腕，在所述手腕上安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地 安装有搅拌针29。在作为支撑机器人3的串联机器人的手腕上安装有机器人法兰盘， 所述的机器人法兰盘与支撑装置39上的支撑装置法兰盘固定相连。

所述的加工机器人2和支撑机器人3均采用数控机床，作为加工机器人2的数 控机床的末端为主轴箱，在所述主轴箱上安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地 安装有搅拌针29。在作为支撑机器人3的数控机床的主轴箱上安装有机器人法兰盘， 所述的机器人法兰盘与支撑装置39上的支撑装置法兰盘固定相连。

采用本装置的加工过程为：

所述的柔性夹持臂43所固定的弧形结构件41圆心朝向五自由度混联加工机器 人2。

启动五自由度混联加工机器人和五自由度混联支撑机器人，通过控制CN105058376A专利所述主动支链的长度调节装置和定位头将五自由度混联加工机 器人和五自由度混联支撑机器人运动到加工位置，所述五自由度混联支撑机器人的 支撑装置在加工位置的后方支撑住弧形结构件，所述五自由度混联加工机器人的搅 拌针正对加工位置的前方；

设置焊接工艺参数，打开超声振动装置，超声振动装置将超声振动能量从后方 施加在结构件加工位置及周围，五自由度混联加工机器人上的搅拌针进行搅拌摩擦 焊，搅拌针穿透结构件但与支撑装置的凹槽保持间隙，来自轴向的压力主要由支撑 装置承受；

控制五自由度混联加工机器人和五自由度混联支撑机器人沿着加工轨迹运动且始终保持搅拌针和支撑装置的相对位置，进行搅拌摩擦焊。

焊接完成后关闭五自由度混联加工机器人、五自由度混联支撑机器人和超声振动装置。

尽管上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的；上述的五 自由度混联机构不是必须的，串联机器人、数控机床等均可实现本发明的功能，本 领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围 情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，其特征在于：包括分别通过左侧的基座和右侧的基座面对面固定在工作台的左右两端的加工机器人和支撑机器人，所述的加工机器人和支撑机器人拓扑结构相同；结构件夹持机构固定在工作台上且位于加工机器人和支撑机器人之间，所述的加工机器人末端安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地安装有搅拌针，在所述的支撑机器人末端均固定有机器人法兰盘，所述的搅拌针和支撑装置面对面布置，沿所述支撑装置轴向从远离待加工结构件方向朝向待加工结构件方向依次首尾相接开有环形槽、缩颈锥形槽以及柱形槽，在所述的环形槽的槽口处的支撑装置外壁上设置有支撑装置法兰盘，所述的机器人法兰盘与支撑装置法兰盘固定相连，一个超声振动装置的顶端插在柱形槽内并且两者固定相连，所述超声振动装置与支撑装置二者同轴设置，在所述的支撑装置与待加工的结构件接触面的中间开有凹槽，使得搅拌针穿透结构件但与支撑装置的凹槽保持间隙，所述的搅拌针的轴线和支撑装置的轴线关于结构件对称，搅拌针在结构件上的加工处和支撑装置在结构件上的支撑处关于结构件对称。

2.根据权利要求1所述的用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，其特征在于：所述的结构件夹持机构包括固定在工作台上的固定框架，在所述固定框架的矩形方框的周边内壁上均匀连接有柔性夹持臂，所述的柔性夹持臂用于装夹结构件。

3.根据权利要求1或者2所述的用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，其特征在于：所述的加工机器人和支撑机器人采用五自由度混联机器人，作为加工机器人的五自由度混联机器人的末端为定位头，在所述的定位头上安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地安装有搅拌针，在作为支撑机器人的五自由度混联机器人的定位头上安装有机器人法兰盘，所述的机器人法兰盘与支撑装置上的支撑装置法兰盘固定相连。

4.根据权利要求1或者2所述的用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，其特征在于：所述的加工机器人和支撑机器人均采用串联机器人，作为加工机器人的串联机器人的末端为手腕，在所述手腕上安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地安装有搅拌针，在作为支撑机器人的串联机器人的手腕上安装有机器人法兰盘，所述的机器人法兰盘与支撑装置上的支撑装置法兰盘固定相连。

5.根据权利要求1或者2所述的用于大型结构件搅拌摩擦焊的双机加工装备，其特征在于：所述的加工机器人和支撑机器人均采用数控机床，作为加工机器人的数控机床的末端为主轴箱，在所述主轴箱上安装有电主轴，在所述的电主轴上旋转地安装有搅拌针，在作为支撑机器人的数控机床的主轴箱上安装有机器人法兰盘，所述的机器人法兰盘与支撑装置上的支撑装置法兰盘固定相连。