混联式重载搅拌摩擦焊接机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，包括底座、回转台、升降装置、转接平台、并联工作臂、两自由度调姿机构和搅拌摩擦焊接机头。回转台、升降装置分别用于调节搅拌摩擦焊接机头中搅拌头的回转角度和高度，并联工作臂可调节搅拌头的前后伸缩位移和俯仰角度，两自由度调姿机构可调节搅拌头的左右摆动角度和俯仰角度，底座还可安装在水平导轨上实现水平横向移动。本发明专利技术具有六个运动自由度，不仅运动自由度多，且具有工作空间大、工作负载大、精度高和能耗低等显著特点，可满足大尺寸空间复杂曲面构件的搅拌摩擦焊接工作需要。本发明专利技术还具有结构紧凑，设备占用空间小、成本低、安全性高、操作维护简便等优点。

Hybrid Heavy-duty Friction Stir Welding Robot

The invention discloses a hybrid heavy-duty friction stir welding robot, which comprises a base, a turntable, a lifting device, a transfer platform, a parallel working arm, a two-degree-of-freedom attitude adjustment mechanism and a friction stir welding head. The rotary table and lifting device are used to adjust the rotation angle and height of the stirring head in friction stir welding machine head respectively. The parallel arm can adjust the front and back expansion displacement and pitch angle of the stirring head. The two-degree-of-freedom adjusting mechanism can adjust the left and right swing angle and pitch angle of the stirring head. The base can also be installed on the horizontal guide rail to realize horizontal lateral movement. The invention has six degrees of freedom of motion, not only has many degrees of freedom of motion, but also has the remarkable characteristics of large workspace, large workload, high precision and low energy consumption, which can meet the needs of friction stir welding of large-scale space complex surface components. The invention also has the advantages of compact structure, small occupied space, low cost, high safety, simple operation and maintenance, etc.

【技术实现步骤摘要】
混联式重载搅拌摩擦焊接机器人
本专利技术属于自动焊接设备
，特别涉及一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人。
技术介绍
搅拌摩擦焊接技术是英国焊接所于1991年专利技术的一种固相连接技术，与传统熔化焊相比具有接头缺陷少、质量高、变形小，以及焊接过程绿色无污染等显著优点，在航空航天、船舶、核工业、交通运输等工业制造领域具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊机器人系统能够屏蔽人为干涉，有效提高搅拌摩擦焊接的智能化程度、生产效率和质量稳定性。目前搅拌摩擦焊设备广泛采用的主要有龙门式、悬臂式和C型搅拌摩擦焊接设备，主要满足直线或平面二维焊接要求，加工范围十分有限，不能适用于大型空间复杂曲面结构件的搅拌摩擦焊。因此，需改变传统搅拌摩擦焊设备的结构，使其在保持承载能力和精度要求下增大工作空间。基于搅拌摩擦焊的特点，焊接设备在焊接过程中主要承受焊接顶锻力和前进抗力，因此要求搅拌摩擦设备具有刚性高、承载扭矩大的特点。目前，机器人搅拌摩擦焊仍局限于在传统串联式机器人上加装搅拌摩擦焊末端执行器的形式，然而其刚性较低，在搅拌摩擦焊的焊接作用力下，串联式机器人缺乏稳定性，导致机器人搅拌摩擦焊的可焊厚度与焊接精度受到限制，因此限制了其工业应用。此外，虽然并联搅拌摩擦焊机器人的刚度和精度高，但灵活性较低，且工作空间小，无法满足大型复杂结构的焊接需要。对于大尺寸、大厚度、复杂结构件的搅拌摩擦焊接，串联式机器人或并联机器人均不能够理想地满足焊接工作需求。大型空间复杂曲面结构件，尤其是较厚工件的搅拌摩擦焊要求焊接设备具有高刚性、高承载能力、高精度、高灵活性和工作空间大等特点。现有的机器人结构均无法满足搅拌摩擦焊接工作的需要，限制了搅拌摩擦焊技术在大型空间复杂曲面结构件上的应用，因而迫切需要研制同时具有串联式机器人与并联机器人结构优点的新型混联结构的搅拌摩擦焊接机器人。针对现有搅拌摩擦焊接设备存在的一些技术难题，部分研究者提出了一些解决方案。申请号为201710859622.3的中国专利技术专利公开了一种重载搅拌摩擦焊机器人，是由两个以上并联结构机器人逐级串联在一起，形成同时具有串联和并联特征的混联机器人。该技术方案中的混联机器人虽兼具串联机器人灵活性高、工作空间大以及并联机器人刚度高、精度高、承载能力强、稳定性好的优点，但其结构过于复杂，控制困难，且能耗与成本较高。申请号为201810059766.5中国专利技术专利公开了一种搅拌摩擦焊接装置，包括机架、动平台和由三个分支机构组成的并联机构，其并联机构为3PRS结构，并联机构再串联安装到水平布置的滑轨上，使得其具有空间两个平移两个转动共四个运动自由度，主要适用于大型火箭燃料贮箱筒段环缝焊接。申请号为201810515617.5的中国专利技术专利公开了一种刚柔协作搅拌摩擦焊装置，包括焊接机器人、设置在焊接机器人底部的搅拌头、工作平台以及呈120°角度均匀设置在工作平台的周围的三组柔索机构，通过调整柔索机构实现焊接机器人位置的调整，具有较高的刚度和加工精度，无法满足重载作业的要求，且其控制需要依赖三组柔索机构，降低了焊接作业的灵活性，作业空间也受到限制。申请号为201810090007.5的中国专利技术专利提出了一种大型板材的搅拌摩擦焊装置，包括基准机构、左右纵架、左右压紧机构、纵移架、升降架和搅拌摩擦焊头等，通过基准板对工件进行定位，仅适合于大型板材的搅拌摩擦焊接，无法满足其它复杂结构件的焊接需要。燕山大学的邹成、郑魁敬等设计了一种2UPR-UPS结构的三自由度并联搅拌摩擦焊接机器人，具有空间两个移动一个转动共三个运动自由度，解决了焊接设备结构刚度差和精度低的问题，但其运动自由度少，工作空间小，应用场合受限。采用搅拌摩擦焊接厚结构件时，焊接过程中由于搅拌头与焊接材料之间的摩擦力产生较大的力矩，而传统串联式机器人结构刚度不够，在焊接过程中会产生弹性变形，从而影响焊接轨迹精度。单纯地增加串联式机器人的刚度，必然要提高机器人的吨位，导致整个焊接系统的重量大大增加。同时，传统串联机器人结构会使各个运动副的误差累计，且误差不可消除，也会影响焊接机器人的焊接精度。单纯采用现有并联机构也因其工作空间受限而无法直接使用。因此，需要根据搅拌摩擦焊接的实际需要研制一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，能够适应大型空间复杂曲面结构件，尤其是较厚工件的搅拌摩擦焊要求，具备较好的稳定性，又符合较小空间对设备灵活性的要求，提高搅拌摩擦焊接的精度和可靠性，降低设备制造与使用成本，可克服现有技术的缺陷。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，包括底座、回转台、升降装置、转接平台、并联工作臂、两自由度调姿机构和搅拌摩擦焊接机头。其中，所述的回转台的底部固定安装在底座上，所述的升降装置的底部固定安装在回转台的顶部，所述的升降装置的顶部与转接平台的底部固连，所述的并联工作臂的后端固定安装在转接平台上，所述的两自由度调姿机构固定安装在并联工作臂的前端，所述的搅拌摩擦焊接机头通过两自由度调姿机构与并联工作臂相连接。所述的回转台用于实现升降装置、转接平台、并联工作臂的回转运动，所述的回转台包括回转座、回转体、内齿圈、驱动齿轮和回转电机。其中，所述的回转座的底部通过螺钉固定安装在底座的顶部，用于安装、支撑回转体和回转电机；所述的回转体用于固定安装升降装置并将回转台的回转运动输出，所述的回转体与回转座之间通过止推轴承、径向轴承相连接；所述的内齿圈通过螺钉固定安装在回转体的内部，且内齿圈与驱动齿轮保持内啮合，用于将驱动齿轮和回转电机的转动传递给回转体；所述的回转电机通过螺钉固定安装在回转座内，为回转体的转动提供动力；所述的驱动齿轮固定安装在回转电机的输出轴上，且与回转电机的输出轴通过平键相连接。所述的升降装置用于驱动转接平台与并联工作臂升降，进而调节搅拌摩擦焊接机头的工作高度。所述的升降装置包括第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱和中连板。其中，第一升降立柱与第二升降立柱为升降装置的升降运动驱动元件，用于驱动转接平台升降；第一导向柱与第二导向柱为非驱动元件，仅起提高升降装置的结构刚度与稳定性的作用；第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱对称布置在回转体的顶部，且其底部均通过螺钉与回转体相连接；所述的中连板固定安装在第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱的中部，且与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱均通过螺钉相连接。所述的第一导向柱包括导套和导杆，所述的导杆与导套通过圆柱副相连接；第二导向柱与第一导向柱的结构完全相同。第一升降立柱、第二升降立柱采用双作用伺服液压缸或直流伺服电动推杆。所述的转接平台包括水平安装座、倾斜安装座和U型梁，用于支撑、安装并联工作臂。在所述的水平安装座的底部设有四个对称布置的筒形连接座，在所述的水平安装座的底部后方还设有两个对称布置的下耳座，在所述的倾斜安装座的顶部设有两个对称布置的上耳座，所述的U型梁位于倾斜安装座的顶部，且与倾斜安装座的上耳座之间通过螺钉相连接。四个筒形连接座分别与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱的顶部固连。所述的并联工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，包括底座、回转台、升降装置、转接平台、并联工作臂、两自由度调姿机构和搅拌摩擦焊接机头，其特征在于：所述的回转台的底部固定安装在底座上，所述的升降装置的底部固定安装在回转台的顶部，所述的升降装置的顶部与转接平台的底部固连，所述的并联工作臂的后端固定安装在转接平台上，所述的两自由度调姿机构固定安装在并联工作臂的前端，所述的搅拌摩擦焊接机头通过两自由度调姿机构与并联工作臂相连接；所述的回转台包括回转座、回转体、内齿圈、驱动齿轮和回转电机，所述的回转座的底部通过螺钉固定安装在底座的顶部，所述的回转体与回转座之间通过止推轴承、径向轴承相连接，所述的内齿圈通过螺钉固定安装在回转体的内部，且内齿圈与驱动齿轮保持内啮合，所述的回转电机通过螺钉固定安装在回转座内，所述的驱动齿轮固定安装在回转电机的输出轴上，且与回转电机的输出轴通过平键相连接；所述的升降装置包括第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱和中连板，第一升降立柱与第二升降立柱为升降装置的升降运动驱动元件，第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱对称布置在回转体的顶部，且其底部均通过螺钉与回转体相连接，所述的中连板固定安装在第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱的中部，且与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱均通过螺钉相连接；所述的第一导向柱包括导套和导杆，所述的导杆与导套通过圆柱副相连接，第二导向柱与第一导向柱的结构完全相同；所述的转接平台包括水平安装座、倾斜安装座和U型梁，在所述的水平安装座的底部设有四个对称布置的筒形连接座，在所述的水平安装座底部后方还设有两个对称布置的下耳座，在所述的倾斜安装座的顶部设有两个对称布置的上耳座，所述的U型梁位于倾斜安装座的顶部，且与倾斜安装座的上耳座之间通过螺钉相连接；四个筒形连接座分别与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱的顶部固连；所述的两自由度调姿机构包括水平摆动电机、U型支架和俯仰推杆，所述的水平摆动电机通过螺钉固定安装在并联工作臂的末端动平台的后端面上；所述的U型支架的后端通过螺钉固定安装在水平摆动电机的输出法兰上，所述的搅拌摩擦焊接机头固定安装在U型支架的前端，且与U型支架通过第一末端铰链相连接；所述的俯仰推杆安装在U型支架内，所述的俯仰推杆的中部通过第二末端铰链与U型支架相连接，所述的俯仰推杆的上端通过第三末端铰链与搅拌摩擦焊接机头的后端相连接；所述的搅拌摩擦焊接机头包括高速电主轴和搅拌头，所述的高速电主轴的下端与U型支架通过第一末端铰链相连接，所述的高速电主轴的后端与俯仰推杆的上端通过第三末端铰链相连接；所述的搅拌头固定安装在高速电主轴的输出端。...

【技术特征摘要】
1.一种混联式重载搅拌摩擦焊接机器人，包括底座、回转台、升降装置、转接平台、并联工作臂、两自由度调姿机构和搅拌摩擦焊接机头，其特征在于：所述的回转台的底部固定安装在底座上，所述的升降装置的底部固定安装在回转台的顶部，所述的升降装置的顶部与转接平台的底部固连，所述的并联工作臂的后端固定安装在转接平台上，所述的两自由度调姿机构固定安装在并联工作臂的前端，所述的搅拌摩擦焊接机头通过两自由度调姿机构与并联工作臂相连接；所述的回转台包括回转座、回转体、内齿圈、驱动齿轮和回转电机，所述的回转座的底部通过螺钉固定安装在底座的顶部，所述的回转体与回转座之间通过止推轴承、径向轴承相连接，所述的内齿圈通过螺钉固定安装在回转体的内部，且内齿圈与驱动齿轮保持内啮合，所述的回转电机通过螺钉固定安装在回转座内，所述的驱动齿轮固定安装在回转电机的输出轴上，且与回转电机的输出轴通过平键相连接；所述的升降装置包括第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱和中连板，第一升降立柱与第二升降立柱为升降装置的升降运动驱动元件，第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱对称布置在回转体的顶部，且其底部均通过螺钉与回转体相连接，所述的中连板固定安装在第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱和第二导向柱的中部，且与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱均通过螺钉相连接；所述的第一导向柱包括导套和导杆，所述的导杆与导套通过圆柱副相连接，第二导向柱与第一导向柱的结构完全相同；所述的转接平台包括水平安装座、倾斜安装座和U型梁，在所述的水平安装座的底部设有四个对称布置的筒形连接座，在所述的水平安装座底部后方还设有两个对称布置的下耳座，在所述的倾斜安装座的顶部设有两个对称布置的上耳座，所述的U型梁位于倾斜安装座的顶部，且与倾斜安装座的上耳座之间通过螺钉相连接；四个筒形连接座分别与第一升降立柱、第一导向柱、第二升降立柱、第二导向柱的顶部固连；所述的两自由度调姿机构包括水平摆动电机、U型支架和俯仰推杆，所述的水平摆动电机通过螺钉固定安装在并联工作臂的末端动平台的后端面上；所述的U型支架的后端通过螺钉固定安装在水平摆动电机的输出法兰上，所述的搅拌摩擦焊接机头固定安装在U型支架的前端，且与U型支架通过第一末端铰链相连接；所述的俯仰推杆安装在U型支架内，所述的俯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成军，沈豫浙，茅卫东，黄绍服，汪跃中，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34