一种三维柔性焊接装置的制作方法

[0001]
本发明涉及柔性焊接技术领域，尤其涉及一种三维柔性焊接装置。


背景技术：

[0002]
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，激光焊接的焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，可用于焊接薄壁材料或小型精密零件，目前常与三维柔性技术相结合，三维柔性技术顾名思义是一种三维立体式焊接技术，并在焊接过程中将焊接参数设定柔性化，即激光焊接参数上升和下降成抛物线型，实现焊接起弧收弧缓慢，从而提高焊接质量；
[0003]
现在使用的三维柔性焊接装置是一个大型操作台平面，操作台面上包含各种固定架组合，用于对各种加工工件进行固定，调整固定架组合可实现对加工工件的形状进行三维调整，之后再配合外部的柔性焊接设备完成对加工工件立体式焊接；
[0004]
现有三维柔性焊接装置中需要在焊接过程中对加工工件进行实时位置调整，以配合柔性焊接设备，导致焊接过程需要实时停顿，焊接效率较低，并且需要人员参与在焊接过程中，会对人员造成身体损害，如烧伤、吸入有毒气体或者视力损坏等，而且由于人员的参与也导致生产成本加高。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种三维柔性焊接装置，以解决现有技术中需要在焊接过程人员参与调整加工工件位置，焊接效率较低，生产成本加高的技术问题。
[0006]
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0007]
一种三维柔性焊接装置，包括三维焊接轨道、设置在所述三维焊接轨道内部的夹持结构，以及活动连接在所述三维焊接轨道上的激光焊接机构，所述夹持结构用于夹持待焊接的工件材料，所述激光焊接机构对所述工件材料进行激光辐射焊接，所述激光焊接机构在所述三维焊接轨道的行进轨迹与所述夹持结构的三维环绕方位相匹配；
[0008]
所述三维焊接轨道包括横向环形轨道和纵向环形轨道，所述横向环形轨道和所述纵向环形轨道二者所在平面呈垂直相交，所述纵向环形轨道环绕在横向环形轨道的外部，并且横向环形轨道和纵向环形轨道相交处为十字交叉结构，在与横向环形轨道相交处的所述纵向环形轨道下方向外凸起有与横向环形轨道形状相匹配的拱弧，所述纵向环形轨道的上方设有环状排布的轨道齿轮；
[0009]
所述夹持结构包括夹持台、设置在夹持台上方的夹持架，以及设置在夹持台底部的旋转驱动装置，所述旋转驱动装置的驱动轴与夹持台中心点传动连接，所述夹持台与所述旋转驱动装置的驱动轴保持同步运动状态，所述夹持架用于夹持并拼接待焊接的工件材料。
[0010]
作为本发明的一种优选方案所述夹持台为圆盘结构，所述圆盘结构内嵌在所述横
向环形轨道内部，并且所述圆盘结构的外壁与所述横向环形轨道的内壁固定连接，所述横向环形轨道和所述圆盘结构保持同步运动状态。
[0011]
作为本发明的一种优选方案所述夹持架包括垂直在夹持台两侧相互平行的两条主杆、在两条所述主杆的上方均设有拼接杆，以及用于将所述工件材料进行位置固定的限位机构；两条所述拼接杆位于同一水平线上，所述拼接杆内部开设有与所述工件材料形状相匹配的容置腔，两条所述主杆的所述容置腔之间留有焊接空间。
[0012]
作为本发明的一种优选方案所述限位机构包括分别设置在容置腔上的固定限位块和活动限位块，所述固定限位块和所述活动限位块内表面均向内凹陷有与工件材料底部相匹配限位槽，所述固定限位块内部的限位槽中心朝活动限位块方向延伸有定位条，所述定位条横跨在两所述容置腔腔体内部，所述定位条外壁和所述容置腔内壁之间的距离与所述工件材料的管壁厚度相同，在所述定位条外壁和所述容置腔内壁之间安装有波浪形夹持簧板；所述工件材料在外力作用下被推入定位条外壁和所述波浪形夹持簧板之间，或从定位条外壁和所述波浪形夹持簧板之间被拉出。
[0013]
作为本发明的一种优选方案所述活动限位块与所述容置腔采用弹性铰链连接，所述活动限位块在外力的作用下与所述容置腔相分离或在弹性铰链的弹力作用下与所述容置腔相连接。
[0014]
作为本发明的一种优选方案所述激光焊接机构包括与所述轨道齿轮相啮合的驱动齿轮、用于为驱动齿轮提供动力的驱动装置，以及激光发射器；所述激光发射器安装在驱动装置的上方，所述激光发射器的运行轨迹与所述三维焊接轨道上的轨迹相一致，所述激光发射器的激光发射范围在焊接空间内部。
[0015]
作为本发明的一种优选方案，所述拱弧和所述横向环形轨道之间设置有锁紧机构，所述锁紧机构包括设在所述拱弧内壁表面的电磁装置和在设所述横向环形轨道外壁表面与通电的所述电磁装置相互吸引的永磁体，所述电磁装置和所述永磁体之间存在间隙，所述拱弧和所述横向环形轨道于所述间隙内发生相对移动。
[0016]
本发明还提供了一种用于所述的三维柔性焊接装置的三维焊接方法，包括以下步骤：
[0017]
s100、将活动限位块用外力与容置腔分离开，将需要拼接的两个工件材料依次沿定位条向固定限位块推入，两个工件材料呈串行拼接被定位条外壁和容置腔内壁表面上的波浪形夹持簧板进行夹持固定，再将活动限位块释放掉让其与容置腔相连，将两个工件材料组成的拼接端进行压紧，两个工件材料组成的拼接端外露在焊接空间中；
[0018]
s200、根据两个工件材料组成的拼接端形状，控制激光焊接机构在三维焊接轨道上的运行轨迹，使激光焊接机构中的激光发射器发射出的辐射激光焊接轨迹与拼接端形状保持一致，从而实现对拼接端的焊接，完成对两个工件材料的拼接操作；
[0019]
s300、两个工件材料完成焊接后拼接成一体结构，再次用外力将活动限位块从容置腔上分离开，在用外力将一体结构从定位条外壁和容置腔内壁表面上的所述波浪形夹持簧板之间被拉出，获得焊接成品。
[0020]
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
[0021]
本发明中的夹持结构既包含有用于夹持工件材料的容置腔，又包含有用于焊接拼接端的立体焊接空间，在焊接过程中只需要将焊接工件推入容置腔中进行焊接位置的拼接
和限位固定让拼接端位于焊接空间中，焊接完成后再将焊接工件拉出容置腔即可，置料和取料过程简单快捷，激光焊接机构在三维焊接轨道行动轨迹呈三维方式，可以使激光焊接机构行动轨迹按拼接端形状进行一体成型焊接，焊接过程中不需要人员手动调整工件位置，整个焊接过程除了置料取料需要人员参与，其余时间不需要人员参与，避免焊接过程出现停顿或人员出现损伤，因而可以提高效率，降低生产成本。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0023]
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0024]
图1为本发明实施例提供的三维柔性焊接装置结构示意图；
[0025]
图2为本发明实施例提供的三维柔性焊接装置的夹持结构示意图；
[0026]
图3为本发明实施例提供的横向环形轨道和纵向环形轨道相交处结构示意图；
[0027]
图4为本发明实施例提供的驱动齿轮与轨道齿轮啮合结构示意图；
[0028]
图5为本发明实施例提供的只存在横线或纵线状的重合的工件材料夹持结构示意图；
[0029]
图6为本发明实施例提供的倾斜线状重合的工件材料夹持结构示意图。
[0030]
图中的标号分别表示如下：
[0031]
1-三维焊接轨道；2-夹持结构；3-激光焊接机构；4-锁紧机构；5-工件材料；
[0032]
101-横向环形轨道；102-纵向环形轨道；103-拱弧；104-轨道齿轮；
[0033]
201-夹持台；202-夹持架；203-旋转驱动装置；
[0034]
2021-主杆；2022-拼接杆；2023-限位机构；2024-容置腔；
[0035]
2023a-固定限位块；2023b-活动限位块；2023c-限位槽；2023d-定位条；2023e-波浪形夹持簧板；
[0036]
301-驱动齿轮；302-驱动装置；303-激光发射器；
[0037]
401-电磁装置；402-永磁体。
具体实施方式
[0038]
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
[0040]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0041]
如图1所示，本发明提供了一种三维柔性焊接装置，包括三维焊接轨道1、设置在三维焊接轨道1内部的夹持结构2，以及活动连接在三维焊接轨道1上的激光焊接机构3，夹持结构2用于夹持待焊接的工件材料，激光焊接机构3用于对工件材料进行激光辐射焊接。激光焊接机构3在三维焊接轨道1的行进轨迹并与夹持结构2的三维环绕方位相匹配，即激光焊接机构3能够运行到夹持结构2外围任何一个方位上，做到对夹持结构2进行立体式运行包围。
[0042]
本实施例以薄壁圆管型焊接工件材料为例，将两个薄壁圆管型焊接工件材料从中间进行拼接端重合焊接成一体化成品，具体过程如下，首先将两个工件材料放置在夹持结构2中，让两个工件材料的拼接端重合在一起，然后根据拼接端的形状走向，调整激光焊接机构3在三维焊接轨道1上的行进轨迹，让激光焊接机构3发射出的辐射激光与拼接端的焊接轨迹走向一致，在拼接端处将工件材料进行热熔形成熔池，等待冷却后两个工件材料结合成一体结构，之后再将焊接成品工件从夹持结构2中取出。
[0043]
如图2所示，夹持结构2包括夹持台201、设置在夹持台201上方的夹持架202以及设置在夹持台201底部的旋转驱动装置203。夹持台201用于作为焊接操作平台。夹持台201与夹持架202之间一体成型，保证夹持架202为钢性支撑，避免在焊接过程中夹持架202在夹持台201上移动从而影响焊接精度。驱动装置302采用步进电机或其他具有同等动能的传动部件。旋转驱动装置203的驱动轴与夹持台201中心点传动连接，因此夹持台201与旋转驱动装置203的驱动轴保持同步旋转运动状态，夹持在夹持架202上的工件材料也与旋转驱动装置203保持相同的旋转运动状态，方便后续调节工件材料位置让激光焊接机构3的激光照射到工件材料的拼接端上。
[0044]
进一步，夹持架202包括垂直在夹持台201两侧相互平行的两条主杆2021和在两条主杆2021的上方均设有拼接杆2022。其中，两条拼接杆2022位于同一水平线上。拼接杆2022内部开设有与工件材料外管壁形状相匹配的容置腔2024，容置腔2024为条形空心管状结构，工件材料的外管壁的管径略小于或等于容置腔2024的管径，可以便于工件材料的容纳。因为两条拼接杆2022处于同一水平线上则容置腔2024也位于同一水平线上，则容置腔2024内部的管型腔体也处于同一直线上并保持横截面完全重合，进而可以保证在两个容置腔2024内部的两个工件材料在拼接位置处完全重合，提高拼接精度进而再次提高焊接精度。两个容置腔2024的前端之间存在间隔，该间隔用于将两个工件材料的拼接端暴露出来，供激光焊接机构3的激光照射到以完成焊接。
[0045]
为了保证在容置腔2024内部的两个工件材料拼接端重合在焊接过程中不发生相对位移，在夹持架202内部设有限位机构2023。限位机构2023具体包括分别设置在容置腔2024上的固定限位块2023a和活动限位块2023b，固定限位块2023a和活动限位块2023b内表面均向内凹陷有与工件材料底部相匹配限位槽2023c。工件材料的管壁接口端内嵌入限位槽2023c中，在固定限位块2023a和活动限位块2023b的阻挡下工件材料无法左右移动。在固
定限位块2023a内部的限位槽2023c中心朝活动限位块2023b方向延伸有定位条2023d，定位条2023d横跨在两条容置腔2024腔体内部，定位条2023d外壁和容置腔2024内壁之间的距离与工件材料的管壁厚度相同。定位条2023d外壁和容置腔2024内壁表面均安装有波浪形夹持簧板2023e，波浪形夹持簧板2023e固定于容置腔2024内壁表面上。波浪形夹持簧板2023e与容置腔2024长度相同，工件材料在外力作用下被推入定位条2023d外壁和波浪形夹持簧板2023e之间，或从定位条2023d外壁和波浪形夹持簧板2023e之间被拉出。工件材料推入到定位条2023d外壁和容置腔2024内壁表面上的波浪形夹持簧板2023e之间时，定位条2023d内嵌在两个工件材料内部用于进一步将两个工件材料限制在同一直线上，保持两个工件材料的拼接端之间无位移差，使两拼接端严丝合缝。定位条2023d外壁和容置腔2024内壁表面上的波浪形夹持簧板2023e，分别对工件材料的内壁和外壁产生挤压，从而使工件材料不会出现上下晃动，限位机构2023整体上在保证工件材料焊接稳定性的同时也保证了重合的精度。
[0046]
定位条2023d采用熔点导热性差的大理石材料或石墨材料制成，可以在外部工件材料被激光辐射熔化时保持分子稳定性，即维持现状不发生熔化、燃烧等意外。
[0047]
活动限位块2023b与容置腔2024采用弹性铰链连接，活动限位块2023b在外力的作用下与容置腔2024相分离或在弹性铰链的弹力作用下与容置腔2024相连接。两个工件材料进行夹持拼接和取出成品的具体过程如下：
[0048]
夹持拼接过程：将活动限位块2023b用外力与容置腔2024分离开，将需要拼接的两个工件材料依次沿定位条2023d向固定限位块2023a方向推入，两个工件材料呈串行拼接被定位条2023d外壁和容置腔2024内壁表面上的波浪形夹持簧板2023e进行夹持固定，两个工件材料组成的拼接端外露在焊接空间中，旋转调节外露在焊接空间中的工件材料至拼接端完全重合，再将活动限位块2023b释放掉让其与容置腔2024相连，将两个工件材料组成的拼接端进行压紧。
[0049]
取出成品的过程：用外力将活动限位块2023b从容置腔2024上分离开，抓持焊接空间处外露的工件材料外壁向活动限位块2023b一侧进行移动，再用外力抓持住从活动限位块2023b一侧露出的工件成品的一端，用力将工件从定位条2023d外壁和容置腔2024内壁表面上的波浪形夹持簧板2023e之间被拉出。
[0050]
如图1和3所示，为了省去焊接过程中对工件材料焊接位置的调整，将激光焊接机构3的走向轨道使用三维焊接轨道1，三维焊接轨道1具体包括横向环形轨道101和纵向环形轨道102，横向环形轨道101可以使激光焊接机构3相对于工件材料位置进行横向360
°
循环旋转，纵向环形轨道102可以使激光焊接机构3相对于工件位置进行纵向360
°
旋转，并且横向环形轨道101和纵向环形轨道102二者所在平面呈垂直相交，纵向环形轨道102环绕在横向环形轨道101的外部，并且横向环形轨道101和纵向环形轨道102相交处为十字交叉结构，则激光焊接机构3在横向环形轨道101和纵向环形轨道102的相互配合下相对于工件材料位置实现球形立体式移动。与横向环形轨道101相交处的纵向环形轨道102下方向外凸起有与横向环形轨道101形状相匹配的拱弧103，纵向环形轨道102的上方设有环状排布的轨道齿轮104。
[0051]
如图1和4所示，激光焊接机构3包括设置在底部与轨道齿轮104相啮合的驱动齿轮301、用于为驱动齿轮301提供动力的驱动装置302，以及激光发射器303。激光发射器303安
装在驱动装置302的上方，驱动装置302采用步进电机或其他具有同等动能的传动部件，驱动装置302的驱动轴与驱动齿轮301中心点相连，驱动装置302用于带动驱动齿轮301在纵向环形轨道102表面的轨道齿轮104上啮合滚动，从而使激光发射器303沿纵向环形轨道102轨进行运动。运动轨迹设定的准则为要让激光发射器303的激光发射范围始终在焊接空间内部的两个工件材料拼接端上。
[0052]
上述激光发射器303在驱动装置302的带动下只能在两个工件材料拼接端的纵向上进行移动，因此将夹持台201制成圆盘结构，再将圆盘结构的夹持台201内嵌在横向环形轨道101内部，并且圆盘结构的外壁与横向环形轨道101的内壁固定连接，从而使横向环形轨道101和夹持台201保持同步运动状态，进而横向环形轨道101的旋转运动状态与夹持台201上的工件材料保持一致。横向环形轨道101进行转动时工件材料会伴随一起横向运转，从而相对于在纵向环形轨道102上的激光发射器303而言发生了横向移动轨迹，也可以看成激光发射器303两个工件材料的拼接端上进行横向移动，这种将横向转动和纵向转动两种转动方式拆分为两个独立的机制，互不干扰，可以单独运行也可以同时运行，单独运行可以进行横线竖线状的拼接端的焊接，同时运行可以进行倾斜线状的拼接端的拼接，实现三维立体式焊接。
[0053]
拱弧103和横向环形轨道101之间设置有锁紧机构4，锁紧机构4包括设在拱弧103内壁表面的电磁装置401和在设横向环形轨道101外壁表面与通电的电磁装置401相互吸引的永磁体402，电磁装置401和永磁体402之间存在有供拱弧103和横向环形轨道101发生相对移动的间隙，激光辐射将两个工件材料拼接端处的熔化成熔池时需要一定的时长。此时，将电磁装置401进行通电用与永磁体402相吸引，通电电磁装置401和永磁体402产生的吸引力阻止横向环向轨道和纵向环形轨道102发生相对移动，使横向环向轨道和纵向环形轨道102处于固定的稳定结构，从而避免激光发射器303在横向环向轨道和纵向环形轨道102发生相对移动时偏离出拼接端，在焊接完成后，断开电磁装置401的电源释放掉横向环向轨道和纵向环形轨道102的锁定，继续之后的焊接轨迹。
[0054]
旋转驱动装置203、驱动装置302、激光发射器303和电磁装置401属于电学部件，需要连接电源和控制部件。电学部件均具有可以外接设备的引线，而且控制部件控制驱动装置302、激光发射器303和电磁装置401的控制流程和功能用的计算机编程语言程序，以及实现激光发射器303柔性焊接的参数设置方法，为本领域技术人员所熟悉的技术。
[0055]
如图5和6所示，由于两个工件材料拼接端的形状各不相同，为了能够对拼接端进行焊接接合，焊接过程分为以下几种情况：
[0056]
情况一：拼接端只存在横线或纵线状的重合部分，对于横线状重合，将激光发射器303沿纵轴调节到与横线状重合同一水平线上，将激光发射器303位置进行固定，而后驱动装置302带动工件材料的横线状重合进行在激光发射器303的激光下横向移动，使横线状重合出现熔池而后冷凝接合；同理对于纵线状重合，旋转驱动装置203带动工件材料的纵线状重合横向转动到与纵向环形轨道102上的激光发射器303同一纵向上，将横向环形轨道101进行固定，将激光发射器303的激光沿纵向环形轨道102进行移动，使纵线状重合出现熔池而后冷凝接合。
[0057]
情况二：拼接端出现倾斜线状重合，横向环形轨道101横向转动的同时激光发射器303在纵向环形轨道102上移动，从而使激光发射器303相对于拼接端呈倾斜线状移动，激光
发射器303的激光辐射在拼接端倾斜线状重合上，使倾斜线状重合出现熔池而后冷凝接合。
[0058]
实施例2：
[0059]
基于以上三维柔性焊接装置的结构，本发明还提供了一种用于所述的三维柔性焊接装置的三维焊接方法，包括以下步骤：
[0060]
s100、将活动限位块用外力与容置腔分离开，将需要拼接的两个工件材料依次沿定位条向固定限位块方向推入，两个工件材料呈串行拼接被定位条外壁和容置腔内壁表面上的所述波浪形夹持簧板进行夹持固定，两个工件材料组成的拼接端外露在焊接空间中，旋转调节外露在焊接空间中的工件材料至拼接端完全重合，再将活动限位块释放掉让其与容置腔相连，将两个工件材料组成的拼接端进行压紧；
[0061]
s200、根据两个工件材料组成的拼接端形状，控制激光焊接机构在三维焊接轨道上的运行轨迹，使激光焊接机构中的激光发射器发射出的辐射激光焊接轨迹与拼接端形状保持一致，从而实现对拼接端的焊接，完成对两个工件材料的拼接操作；
[0062]
s300、用外力将活动限位块从容置腔上分离开，抓持焊接空间处外露的工件材料外壁向活动限位块一侧进行移动，再用外力抓持住从活动限位块一侧露出的工件成品的一端，用力将其从定位条外壁和容置腔内壁表面上的所述波浪形夹持簧板之间被拉出。
[0063]
本发明中的夹持结构既包含有用于夹持工件材料的容置腔，又包含有用于焊接拼接端的立体焊接空间，在焊接过程中只需要将焊接工件推入容置腔中进行焊接位置的拼接和限位固定让拼接端位于焊接空间中，焊接完成后再将焊接工件拉出容置腔即可，置料和取料过程简单快捷，激光焊接机构在三维焊接轨道行动轨迹呈三维方式，可以使激光焊接机构行动轨迹按拼接端形状进行一体成型焊接，焊接过程中不需要人员手动调整工件位置，整个焊接过程除了置料取料需要人员参与，其余时间不需要人员参与，避免焊接过程出现停顿或人员出现损伤，因而可以提高效率，降低生产成本。
[0064]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除