CN111347151A - 一种用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，包括搅拌摩擦焊接主轴和固定架，固定架与搅拌摩擦焊接主轴之间连接有中间支链；中间支链包括导向杆、中间虎克铰链和滑块，导向杆的一端与搅拌摩擦焊接主轴固接，滑块与导向杆固定，滑块与中间虎克铰链的内环形成滑动副连接，中间虎克铰链的外环与固定架转动连接；导向杆的另一端与固定架之间连接有三个结构相同的可伸缩支链；每个可伸缩支链的一端均分别通过支链上虎克铰链与导向杆连接，每个可伸缩支链的另一端均分别通过两自由度转动副与固定架连接；本发明采用并联机构实现搅拌摩擦焊接主轴的两自由摆动和平动，三个可伸缩支链只受拉压负荷，结构简单紧凑，增大了机构的承载能力。

Description

一种用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种用于搅拌摩擦焊接的三自由度并联机头。
背景技术
与传统焊接技术相比，搅拌摩擦焊接技术具有低应力、变形小、低能耗、绿色生产等优点，因而得到广泛应用。
针对复杂曲面零件的焊接作业，现有的搅拌摩擦焊接设备多采用串联形式，使其具有五轴联动能力。特别是大型复杂零件的焊接，常采用龙门机床串接两自由度转头形式。
由于搅拌摩擦焊接工艺特性，焊接过程中承载较大。常规的两自由度转头多用于切削加工，承载能力有限，不适用于搅拌摩擦焊接设备。专利CN105215537A提出一种用于搅拌摩擦焊接的双摆头，采用AC轴结构形式，并通过蜗轮蜗杆、液压锁紧等方式，提高摆头承载能力。上述机构的局限性在于：摆头结构采用串联结构刚度较低，同时包含液压锁紧装置和蜗轮蜗杆减速器，运动部件质量较多，难以实现精确控制。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种用于搅拌摩擦焊接的三自由度并联机头。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，包括搅拌摩擦焊接主轴和固定架，所述固定架与所述搅拌摩擦焊接主轴之间连接有中间支链；所述中间支链包括导向杆、中间虎克铰链和滑块，所述导向杆的一端与所述搅拌摩擦焊接主轴固接，所述滑块与所述导向杆固定，所述滑块与所述中间虎克铰链的内环形成滑动副连接，所述中间虎克铰链的外环与所述固定架通过转动副连接；所述导向杆的另一端与所述固定架之间连接有三个结构相同的可伸缩支链；每个可伸缩支链的一端均分别通过支链上虎克铰链与所述导向杆连接，每个可伸缩支链的另一端均分别通过两自由度转动副与所述固定架连接；三个可伸缩支链运动时，所述搅拌摩擦焊接主轴在沿轴向移动的同时还进行二维方向的摆动。
进一步讲，本发明所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其中，所述固定架的中间位置设有用于安装中间虎克铰链的通孔，所述中间虎克铰链的外环与所述固定架通过转动副连接。
所述可伸缩支链的另一端与所述固定架之间的两自由度转动副为虎克铰链或是球销副。
所述可伸缩支链的另一端与所述固定架之间的两自由度转动副为虎克铰链，所述虎克铰包括虎克铰横轴和虎克铰近架圈，所述虎克铰横轴与所述虎克铰近架圈通过转动副连接，所述虎克铰近架圈与所述固定架之间为转动连接。
本发明中的所述可伸缩支链的结构有下述两种情形之一：
1)该可伸缩支链包括丝杠、螺母、电机、主动带轮、被动带轮和传动带；所述电机与所述虎克铰横轴固接，所述螺母与所述丝杠构成螺旋副，所述螺母与所述虎克铰横轴通过转动副连接，所述主动带轮固定在所述电机的输出轴上，所述被动带轮与所述螺母同轴固接，所述传动带连接所述主动带轮与所述被动带轮；
2)该可伸缩支链包括电机、丝杠、螺母和圆锥齿轮副；所述电机和与所述虎克铰横轴固接，所述丝杠与所述螺母构成螺旋副，所述螺母与所述虎克铰横轴通过转动副连接，所述圆锥齿轮副的主动轮固定在所述电机的输出轴上，所述圆锥齿轮副的被动轮与所述螺母固定；
驱动所述电机并通过控制所述电机的转向以调节所述螺母在所述丝杠上的位置，从而所述搅拌摩擦焊接主轴的运动具有以下三种情形之一：
1)沿轴向移动；
2)实现二维方向的摆动；
3)沿轴向移动的同时进行二维方向的摆动。
本发明中，所述支链上虎克铰连接在所述丝杠的上端与导向杆之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可伸缩支链只受拉压负荷，结构简单紧凑，增大了机构的承载能力。
附图说明
图1是本发明的高刚度三自由度并联机头的整体结构示意图；
图2是图1所示高刚度三自由度并联机头的仰视图；
图3是图2中A-A剖切位置全剖视图；
图4是图1中所示支链下虎克铰实施例1的局部结构示意图；
图5是本发明中具有另外一种支链下虎克铰结构的整体结构示意图。
图中：
1-固定架 2-搅拌摩擦焊接主轴 3-第一可伸缩支链
4-第二可伸缩支链 5-第三可伸缩支链 6-中间支链
7-中间虎克铰链的内环 8-滑块 9-导向杆
10-支链上虎克铰链 11-丝杠 12-螺母
13-主动带轮 13’-被动带轮 14-传动带
15-电机 16-虎克铰横轴 17-虎克铰近架圈
18-两自由度转动副 19-圆锥齿轮副 20-中间虎克铰链的外环
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明提出的一种用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，包括搅拌摩擦焊接主轴2和固定架1，所述固定架1与所述搅拌摩擦焊接主轴2之间连接有中间支链6。
所述中间支链6包括导向杆9、中间虎克铰链和滑块8，所述导向杆9的一端与所述搅拌摩擦焊接主轴2固接，所述滑块8与所述导向杆9固定，所述滑块8与所述中间虎克铰链的内环7形成滑动副连接，所述中间虎克铰链的外环20与所述固定架1连接，即在所述固定架1的中间位置设有用于安装中间虎克铰链的通孔，所述中间虎克铰链的外环20与所述固定架通过转动副连接。所述导向杆9的另一端与所述固定架1之间连接有三个结构相同的可伸缩支链，本发明中，三个可伸缩支链分别记为第一可伸缩支链3、第二可伸缩支链4和第三可伸缩支链5。三个可伸缩支链3、4、5与固定架1之间的连接点可以布置在所述固定架1的边缘，如图2所示。每个可伸缩支链的一端均分别通过支链上虎克铰链10与所述导向杆9连接，每个可伸缩支链的另一端均分别通过两自由度转动副18与所述固定架1连接，如图1和图3所示。
所述两自由度转动副18为虎克铰链或是球销副，如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中，所述两自由度转动副18为虎克铰链，如图4所示，所述虎克铰包括虎克铰横轴16和虎克铰近架圈17，所述虎克铰横轴16与所述虎克铰近架圈17通过转动副连接，所述虎克铰近架圈17与所述固定架1之间为转动连接。
所述可伸缩支链包括丝杠11、螺母12、电机15、主动带轮13、被动带轮13’和传动带14；所述电机15与所述虎克铰横轴16固接，所述螺母12与所述丝杠11构成螺旋副，所述螺母12与所述虎克铰横轴16通过转动副连接，所述主动带轮13固定在所述电机15的输出轴上，所述被动带轮13’与所述螺母12同轴固接，所述传动带14连接所述主动带轮13与所述被动带轮13’；如图3所示，所述支链上虎克铰10连接在所述丝杠11的上端与导向杆9之间。驱动所述电机15，电机15将动力依次传递给主动带轮13——传动带14——被动带轮13’——螺母12。本发明中，所述可伸缩支链中的带传动机构，即主动带轮13、被动带轮13’和传动带14可以用圆锥齿轮副19来替代，如图5所示，所述圆锥齿轮副19的主动轮固定在所述电机15的输出轴上，所述圆锥齿轮副19的被动轮与所述螺母12固定；驱动所述电机15，电机15将动力依次传递给圆锥齿轮副19的主动轮——圆锥齿轮副19的被动轮——螺母12。
本发明中，控制所述电机15的转向可以调节所述螺母12在所述丝杠11上的位置，即可伸缩支链实现伸缩运行，所述三个可伸缩支链3、4、5实现伸缩运动时，可带动所述导向杆9沿其轴线方向移动，也可带动所述导向杆9实现二维方向摆动，进而带动所述搅拌摩擦焊接主轴2运动，使所述搅拌摩擦焊接主轴2实现工艺所需动作。
本发明采用并联机构实现搅拌摩擦焊接主轴2的两自由摆动和平动，可伸缩支链3、4、5只受拉压负荷，结构简单紧凑，增大了机构的承载能力。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并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，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，包括搅拌摩擦焊接主轴(2)和固定架(1)，其特征在于，
所述固定架(1)与所述搅拌摩擦焊接主轴(2)之间连接有中间支链(6)；
所述中间支链(6)包括导向杆(9)、中间虎克铰链和滑块(8)，所述导向杆(9)的一端与所述搅拌摩擦焊接主轴(2)固接，所述滑块(8)与所述导向杆(9)固定，所述滑块(8)与所述中间虎克铰链的内环(7)形成滑动副连接，所述中间虎克铰链的外环(20)与所述固定架(1)连接；所述导向杆(9)的另一端与所述固定架(1)之间连接有三个结构相同的可伸缩支链；
每个可伸缩支链的一端均分别通过支链上虎克铰链(10)与所述导向杆(9)连接，每个可伸缩支链的另一端均分别通过两自由度转动副(18)与所述固定架(1)连接；
三个可伸缩支链运动时，所述搅拌摩擦焊接主轴(2)在沿轴向移动的同时还进行二维方向的摆动。
2.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其特征在于，所述固定架(1)的中间位置设有用于安装中间虎克铰链的通孔，所述中间虎克铰链的外环与所述固定架通过转动副连接。
3.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其特征在于，所述可伸缩支链的另一端与所述固定架(1)之间的两自由度转动副(18)为虎克铰链或是球销副。
4.根据权利要求3所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其特征在于，所述可伸缩支链的另一端与所述固定架(1)之间的两自由度转动副(18)为虎克铰链，所述虎克铰链包括虎克铰横轴(16)和虎克铰近架圈(17)，所述虎克铰横轴(16)与所述虎克铰近架圈(17)通过转动副连接，所述虎克铰近架圈(17)与所述固定架(1)之间为转动连接。
5.根据权利要求4所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其特征在于，所述可伸缩支链包括丝杠(11)、螺母(12)、电机(15)、主动带轮(13)、被动带轮(13’)和传动带(14)；所述电机(15)与所述虎克铰横轴(16)固接，所述螺母(12)与所述丝杠(11)构成螺旋副，所述螺母(12)与所述虎克铰横轴(16)通过转动副连接，所述主动带轮(13)固定在所述电机(15)的输出轴上，所述被动带轮(1’)与所述螺母(12)同轴固接，所述传动带(14)连接所述主动带轮(13)与所述被动带轮(13’)；驱动所述电机(15)并通过控制所述电机(15)的转向以调节所述螺母(12)在所述丝杠(11)上的位置，从而所述搅拌摩擦焊接主轴(2)的运动具有以下三种情形之一：
1)沿轴向移动；
2)实现二维方向的摆动；
3)沿轴向移动的同时进行二维方向的摆动。
6.根据权利要求4所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其特征在于，所述可伸缩支链包括电机(15)、丝杠(11)、螺母(12)和圆锥齿轮副(19)；所述电机(15)和与所述虎克铰横轴(16)固接，所述丝杠(11)与所述螺母(12)构成螺旋副，所述螺母(12)与所述虎克铰横轴(16)通过转动副连接，所述圆锥齿轮副(19)的主动轮固定在所述电机(15)的输出轴上，所述圆锥齿轮副(19)的被动轮与所述螺母(12)固定；驱动所述电机(15)并通过控制所述电机(15)的转向以调节所述螺母(12)在所述丝杠(11)上的位置，从而所述搅拌摩擦焊接主轴(2)的运动具有以下三种情形之一：
1)沿轴向移动；
2)实现二维方向的摆动；
3)沿轴向移动的同时进行二维方向的摆动。
7.根据权利要求5或6所述的用于搅拌摩擦焊接的高刚度三自由度并联机头，其特征在于，所述支链上虎克铰(10)连接在所述丝杠(11)的上端与导向杆(9)之间。
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