CN109623121A - 一种4自由度电磁感应式铜管焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4自由度电磁感应式铜管焊接装置，包括移动、加热焊接及冷却三大模块。移动模块通过四个电机分别控制x、y、z及ω方向四个维度可实现多自由度的运转；焊接模块采用电磁感应原理，加热迅速且焊接均匀；冷却模块为水冷方式，在焊接的同时控制装置温度不会过高，从而确保了使用的安全性及可靠性。本发明主要针对于散热器管件等进行焊接，焊接速率快，大大节省工作量及时间，且操作简单易学，无需再雇佣专门的高水平焊接工人，可提高加工效率并削减成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动焊接装置，具体涉及一种电磁感应式铜管焊接装置，属于焊接机械臂领域。
背景技术
散热器的加工环节包括焊接弯管等部件，传统的方式为工人手动操作焊枪进行焊接，不仅焊接速度迟缓不利于规模化生产，且受焊工水平等因素影响易出现焊接不牢或焊穿等问题。同时焊接过程中发出的强光、异味等易对人体造成危害；随着科技的不断进步，现如今感应加热技术由于其加热迅速及安全节能等优点受到人们的欢迎，在众多领域得到广泛应用。然而，当下的中小型感应加热设备多为箱式结构，如授权公告号为CN207720454U的一种感应加热设备利用伸出的线圈头对工件进行加热，降低了焊接操作的难度，一定程度上解放了人力。但其加热线圈仅能实现竖直方向的上下移动，若工件在水平等方向位置有偏差仍需人工操作来将待加热工件移动至合适位置进行焊接，显然该方式有较大局限性，不利于批量化的生产加工。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种电磁感应加热式且带有冷却装置并可实现x、y、z三个方向移动及x-y平面转动，从而提高焊接品质、保障加工效率的新型自动焊接机械臂。
技术方案：本发明的带有冷却器的多自由度自动焊接装置，包括底座、设置在所述底座上的y方向运动机构、设置在所述y方向运动机构上的x方向运动机构、与所述x方向运动机构一端连接的z方向运动机构、安装在所述z方向运动机构上的线圈转动机构；所述y方向运动机构包括y方向底盘、设置在所述y方向底盘上的y方向电机、与所述y方向电机连接的y方向丝杆、安装在所述y方向丝杆上的y方向活灵、设置在y方向丝杆两个端部的y方向限位块、平行设置在所述y方向丝杆两侧的两根y方向导轨、安装在所述y方向导轨上的y方向滑块、通过y方向滑块安装在y方向导轨上的y方向导座，y方向导座与y方向活灵连接。x方向运动机构包括x方向导座、设置在所述x方向导座下侧的x方向电机、与所述x方向电机连接的x方向丝杆、平行设置在所述x方向丝杆两侧的两根x方向导轨、设置在x方向丝杆两个端部的x方向限位块、固定于所述y方向导座上侧的x方向滑块和x方向活灵，所述x方向滑块安装在x方向导轨上，x方向活灵安装在x方向丝杆上。z方向运动机构包括z方向基座、设置在所述z方向基座下侧的z方向电机、与所述z方向电机连接的z方向丝杆、安装在z方向丝杆上的z方向活灵、设置在z方向丝杆两个端部的z方向限位块，组成一个丝杆运动机构。线圈转动机构包括安装基座、设置在所述安装基座上的旋转电机、与所述旋转电机连接的旋转丝杆、安装在所述旋转丝杆上的主动轮、通过齿形皮带与主动轮传动连接的从动轮、由从动轮驱动的转柱、安装在所述转柱上的加热线圈，所述加热线圈包括连接在转柱底端的两根竖向中空管、与所述竖向中空管连通的两根过渡管、与所述过渡管连接的绕制线圈，所述绕制线圈由中空金属管绕制而成，一根过渡管与绕制线圈上的第一端口连通，另一根过渡管与绕制线圈上的第二端口连通，所述过渡管和绕制线圈均水平设置且位于同一平面，过渡管与竖向中空管的夹角大于90°。
进一步的，本发明装置中，绕制线圈由单根中空金属管绕制而成。
进一步的，本发明装置中，绕制线圈由两根中空金属管组成的双绞股绕制而成，两根中空金属管中冷却介质的流动方向相反。
进一步的，本发明装置中，绕制线圈为中空金属管绕制成的U型结构。具体构型如图5(a)所示。
进一步的，本发明装置中，加热线圈的中空金属管通过冷却水管与冷却水箱、冷却水泵连接，形成冷却水循环通路，中空金属管上的第一端口为进水口，第二端口为出水口。
进一步的，本发明装置中，加热线圈外套有热塑管，所述冷却水管为耐高温软管。
进一步的，本发明装置中，x方向导座由上下两块金属板螺丝固定连接而成。
进一步的，本发明装置中，x方向电机、y方向电机、z方向电机、旋转电机均为伺服电机。
进一步的，本发明装置中，x方向丝杆、y方向丝杆、z方向丝杆、旋转丝杆均为滚珠丝杆。
进一步的，本发明中，所述移动模块共4个自由度，分别可控制x、y、z方向移动及x-y平面转动。
进一步的，本发明中，所述焊接部分为感应加热方式，工作时通入高频交流电。
进一步的，本发明中，所述绕制线圈可根据不同工件特点制成相应形状。
进一步的，本发明中，所述感应线圈套有热塑管，内部通入冷却水，保证了焊接过程安全性。
进一步的，本发明中，所述绕制线圈由截面直径为D的中空金属管绕制成，与绕制线圈连接的过渡管L长度为6.8-9.3倍D。
进一步的，本发明中，所述绕制线圈由两根截面直径为D的中空金属管加以绞合，绞合节距H长度为6.8-14倍D。
进一步的，本发明中，所述感应线圈中冷却水从相反方向通入两根中空金属管，即一根金属管内冷却水自下而上通过，另一根金属管内冷却水自上而下通过。
进一步的，本发明中，所述冷却水管为耐高温软管，可承受线圈的热量而不变形，且不会影响焊接头的运转。
进一步的，本发明中，所述冷却模块中包含风冷方式，实现部件为一轴流风扇，工作时开动为电路元器件板散热。
进一步的，本发明中，所述冷却模块还包含水冷方式，通过冷却水在冷却水泵、冷却水管及冷却水箱及加热线圈间的循环流动为线圈提供冷却。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明含4自由度移动装置，根据编程写入的坐标智能控制，可实现x方向、y方向、z方向及x-y平面转动，不仅节省人工操作，且利于精准控制焊点位置。
本发明采用伺服电机搭配滚珠丝杆及线性直线导轨等驱动，走丝精准且省电节能，有利于缩减加工生产成本。
本发明另附有几种备用线圈自由拆卸更换，以适用于不同形状、不同加热时间的工件，灵活度高，增强了实用性。
本发明的线圈外均套有热塑管，避免感应线圈与工件碰触打火或线圈匝之间打火，确保了焊接过程的安全性。
本发明带有完善的冷却***，可在工作中对加热电路及线圈分别进行散热降温，从而保障了装置的安全性及可靠性。
本发明中加热线圈带有过渡管，减少中空金属管对焊接工件传递热量，有利于工件受热均匀，有效地提高了工件的焊接质量。
本发明中冷却水从相反方向通入两根绞合中空金属管进行冷却，阻碍热梯度形成，控制整个加热线圈的温度更加均匀，使得工件受热也更加均匀，且增强了冷却效果。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图
图2为本发明x、y方向导座位置示意图
图3(a)为本发明下层y方向导座及其上部件示意图
图3(b)为本发明中间y方向导座及其上部件示意图
图3(c)与本发明上层x方向导座及其上部件示意图
图4为本发明感应加热原理简单示意图
图5(a)为本发明适用于直管加热的感应线圈形状示意图
图5(b)为本发明适用于对两管“T”形结合部位加热的感应线圈形状示意图
图5(c)为本发明适用于弯管的焊接的感应线圈形状示意图
图6为本发明一种双管反向进出水线圈示意图
图7为本发明竖向中空管与过渡管夹角示意图
图8为本发明绕制线圈绞合节距示意图
图9为本发明焊接换热器工作示意图
附图中标记含义如下：1-底座，2-x方向运动机构，21-x方向导座，22-x方向电机，23-x方向限位块，24-x方向丝杆，25-x方向滑块，26-x方向活灵，27-x方向导轨，3-y方向运动机构，31-y方向底座，32-y方向滑块，33-y方向限位块，34-y方向导座，35-y方向电机，36-y方向导轨，37-y方向丝杆，4-z方向运动机构，41-z方向电机，42-z方向基座，43-z方向限位块，44-z方向丝杆，45-z方向活灵，5-线圈旋转机构，51-旋转电机，52-安装基座，53-旋转丝杆，54-主动轮，55-从动轮，56-齿形皮带，57-转柱，6-冷却模块，61-冷却水箱，62-冷却水泵，63-冷却水管，7-轴流风扇，8-加热线圈，81-竖向中空管，82-过渡管，83-绕制线圈，91-感应加热电源，92-磁感线，94-待加热工件。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
如图1、2所示，本实施例中该装置包括底座1、设置在所述底座1上的y方向运动机构3、设置在所述y方向运动机构3上的x方向运动机构2、与所述x方向运动机构2一端连接的z方向运动机构4、安装在所述z方向运动机构4上的线圈转动机构5；所述y方向运动机构3包括y方向底盘31、设置在所述y方向底盘31上的y方向电机35、与所述y方向电机35连接的y方向丝杆37、安装在所述y方向丝杆37上的y方向活灵38、设置在y方向丝杆37两个端部的y方向限位块33、平行设置在所述y方向丝杆37两侧的两根y方向导轨36、安装在所述y方向导轨36上的y方向滑块32、通过y方向滑块32安装在y方向导轨36上的y方向导座34，y方向导座34与y方向活灵38连接；
所述x方向运动机构2包括x方向导座21、设置在所述x方向导座21下侧的x方向电机22、与所述x方向电机22连接的x方向丝杆24、平行设置在所述x方向丝杆24两侧的两根x方向导轨27、设置在x方向丝杆24两个端部的x方向限位块23、固定于所述y方向导座34上侧的x方向滑块25和x方向活灵26，所述x方向滑块25安装在x方向导轨27上，x方向活灵安装在x方向丝杆24上；
所述z方向运动机构4包括z方向基座42、设置在所述z方向基座42下侧的z方向电机41、与所述z方向电机41连接的z方向丝杆44、安装在z方向丝杆44上的z方向活灵45、设置在z方向丝杆44两个端部的z方向限位块43，组成一个丝杆运动机构；
所述线圈转动机构5包括安装基座52、设置在所述安装基座52上的旋转电机51、与所述旋转电机51连接的旋转丝杆53、安装在所述旋转丝杆53上的主动轮54、通过齿形皮带56与主动轮54传动连接的从动轮55、由从动轮55驱动的转柱57、安装在所述转柱57上的加热线圈8，所述加热线圈8包括连接在转柱57底端的两根竖向中空管81、与所述竖向中空管81连通的两根过渡管82、与所述过渡管82连接的绕制线圈83，所述绕制线圈由中空金属管绕制而成，一根过渡管82与绕制线圈83上的第一端口连通，另一根过渡管与绕制线圈83上的第二端口连通，所述过渡管82和绕制线圈83均水平设置且位于同一平面，过渡管82与竖向中空管81的夹角大于90°。
以主视图为例，x方向表示导座左右移动，y方向表示导座前后移动，z方向表示导座上下移动，旋转方向表示在x-y平面转动。移动模块运转的动力来源于伺服电机。x方向电机22驱使x方向丝杆24转动，套在该丝杆上的x方向活灵26跟着转动，进而带动固定在活灵上的x方向导座21沿着x方向导轨27移动，两端x方向限位块22限制了x方向移动的最大和最小距离；y、z两方向的移动原理与x方向相同。x-y平面的转动通过旋转电机51实现，旋转电机51驱使主动轮54转动，通过齿形皮带56将动力传递给从动轮56，进而带动转柱57及下侧的焊接区转动。
本发明采用电磁感应加热，线圈通入高频交流电后产生交变磁场，工件置于磁场内切割磁力线，从而在内部产生涡流，涡流使得工件内原子高速无规则运动，进而相互碰撞摩擦使得工件迅速升温至可焊接的温度。
结合图5(a)、图5(b)、图5(c)对线圈形状及功能作进一步的说明，本发明的感应线圈8可自由拆卸更换以适用不同需要。其中图5(a)形状线圈适用于直管进行加热，图5(b)形状线圈适用于对两管“T”形结合部位进行加热，图5(c)形状线圈适用于弯管的焊接。图7即为各形状线圈焊接换热器工作示意图。另外，线圈还可适当增加或减少匝数来控制加热时间的长短。
一种实施例中，过渡管与竖向中空管的夹角a大于90°，使得线圈在下降的过程中更易到达指定位置而不触碰到待焊件的其他部分，线圈四周与铜管保持相等间距，使得加热更为均匀。
一种实施例中，截面直径为D的中空金属管绕制成线圈，绕制线圈与过渡管连接，过渡管长度H为6.8-9.3倍D。由于感应线圈自身发热，金属管带有一定热量。对比设置有过渡管与无过渡管的线圈在通入相同大小、频率的电流，无冷却介质通入的情况时的温度分布，无过渡管的线圈温度分布不均匀，在连接处出现局部过热点，设置有过渡管的线圈温度分布连续一致。为防止接头处金属管所带热量影响工作过程中焊接温度的均匀，本发明在绕制线圈与竖向中空管之间设置过渡管，减少金属管对焊接工件传递热量，有利于工件受热均匀，有效地提高了工件的焊接质量。
一种实施例中，线圈中间向下凹陷，更好地贴合铜管的弧形外轮廓，与铜管接近的相对面积增大，不仅使加热更为均匀充分，且减少了加热时间，降低了电能损耗。
由于输入频率较高，感应线圈自身会发热；另外，焊接工件的热量也会传递给线圈，温度升高使得感应线圈内电阻升高，产热也不断增加，从而导致线圈温度越来越高，造成恶性循环，导致额外的电能损耗。一种实施例中，将两根截面直径为D的中空金属管加以绞合，绞合节距L长度为6.8-14倍D，适用于所需加热面积较大的铜管。对比单匝绕制线圈与双绞股绕制线圈在通入相同大小、频率的电流，通入相等温度、流量的冷却介质的情况时的温度分布，对于单匝线圈或具有一定长度的线圈，会沿冷却介质流动方向形成热梯度，温度分布不均匀，双绞股绕制线圈温度分布则较为均匀。本发明中，冷却水从相反方向通入两根中空金属管，即一根金属管内冷却水自下而上通过，另一根金属管内冷却水自上而下通过。这样设置目的在于，冷却水从两端相对进入中空金属管进行冷却，阻碍热梯度形成，控制整个加热线圈的温度更加均匀，使得工件受热也更加均匀，且增强了冷却效果。
本发明的具体工作流程为：
1.将待焊件放于焊接区下方合适位置，在控制电脑上写入具体坐标；
2.电脑控制该装置移动模块运转，根据待焊件坐标将焊接头(线圈)移至指定位置；
3.加热电源打开，风扇开始转动以确保电路板不会过热，水泵运行将冷却水从冷却水箱抽取送入线圈冷却后再回到水箱，不断循环。
4.一定时间后焊料熔化与待焊件粘结在一块，完成一个焊接过程，线圈升起，再通过电脑控制移至下一个待焊工件，如此往复，实现批量化生产加工。
上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，该装置包括底座(1)、设置在所述底座(1)上的y方向运动机构(3)、设置在所述y方向运动机构(3)上的x方向运动机构(2)、与所述x方向运动机构(2)一端连接的z方向运动机构(4)、安装在所述z方向运动机构(4)上的线圈转动机构(5)；所述y方向运动机构(3)包括y方向底盘(31)、设置在所述y方向底盘(31)上的y方向电机(35)、与所述y方向电机(35)连接的y方向丝杆(37)、安装在所述y方向丝杆(37)上的y方向活灵(38)、设置在y方向丝杆(37)两个端部的y方向限位块(33)、平行设置在所述y方向丝杆(37)两侧的两根y方向导轨(36)、安装在所述y方向导轨(36)上的y方向滑块(32)、通过y方向滑块(32)安装在y方向导轨(36)上的y方向导座(34)，y方向导座(34)与y方向活灵(38)连接；
所述x方向运动机构(2)包括x方向导座(21)、设置在所述x方向导座(21)下侧的x方向电机(22)、与所述x方向电机(22)连接的x方向丝杆(24)、平行设置在所述x方向丝杆(24)两侧的两根x方向导轨(27)、设置在x方向丝杆(24)两个端部的x方向限位块(23)、固定于所述y方向导座(34)上侧的x方向滑块(25)和x方向活灵(26)，所述x方向滑块(25)安装在x方向导轨(27)上，x方向活灵安装在x方向丝杆(24)上；
所述z方向运动机构(4)包括z方向基座(42)、设置在所述z方向基座(42)下侧的z方向电机(41)、与所述z方向电机(41)连接的z方向丝杆(44)、安装在z方向丝杆(44)上的z方向活灵(45)、设置在z方向丝杆(44)两个端部的z方向限位块(43)，组成一个丝杆运动机构；
所述线圈转动机构(5)包括安装基座(52)、设置在所述安装基座(52)上的旋转电机(51)、与所述旋转电机(51)连接的旋转丝杆(53)、安装在所述旋转丝杆(53)上的主动轮(54)、通过齿形皮带(56)与主动轮(54)传动连接的从动轮(55)、由从动轮(55)驱动的转柱(57)、安装在所述转柱(57)上的加热线圈(8)，所述加热线圈(8)包括连接在转柱(57)底端的两根竖向中空管(81)、与所述竖向中空管(81)连通的两根过渡管(82)、与所述过渡管(82)连接的绕制线圈(83)，所述绕制线圈(83)由中空金属管绕制而成，一根过渡管(82)与绕制线圈(83)上的第一端口连通，另一根过渡管与绕制线圈(83)上的第二端口连通，所述过渡管(82)与竖向中空管(81)的夹角大于90°。
2.根据权利要求1所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述绕制线圈(83)由单根中空金属管绕制而成。
3.根据权利要求1所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述绕制线圈(83)由两根中空金属管组成的双绞股绕制而成，两根中空金属管中冷却介质的流动方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述绕制线圈(83)为中空金属管绕制成的U型结构。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述加热线圈(8)的中空金属管通过冷却水管(63)与冷却水箱(61)、冷却水泵(62)连接，形成冷却水循环通路，中空金属管上的第一端口为进水口，第二端口为出水口。
6.根据权利要求5所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述加热线圈(8)外套有热塑管，所述冷却水管(63)为耐高温软管。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述x方向导座(21)由上下两块金属板螺丝固定连接而成。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述x方向电机(22)、y方向电机(35)、z方向电机(41)、旋转电机(51)均为伺服电机。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种带有冷却器的多自由度自动焊接装置，其特征在于，所述x方向丝杆(24)、y方向丝杆(37)、z方向丝杆(44)、旋转丝杆(53)均为滚珠丝杆。
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