專利名稱：一種電弧螺柱焊槍及其焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電弧螺柱焊接裝置及焊接方法，特別涉及一種電弧螺柱焊槍及其焊接方法。
背景技術：
電弧螺柱焊是一種高效、高質量的螺柱焊接方法。焊接電源、焊接控制器和電弧螺柱焊槍是一個完整的電弧螺柱焊系統(tǒng)所必須具備的。其中電弧螺柱焊槍是焊接過程的直接執(zhí)行機構，起著調(diào)節(jié)部分焊接參數(shù)、完成焊接過程的作用，焊槍性能的優(yōu)劣對于焊接質量有很大的影響。通過不斷的改進和創(chuàng)新，電弧螺柱焊設備也幾經(jīng)更新?lián)Q代，在性能及外觀方面也得到了很大的改善。但是焊槍的主要結構保持了原有的設計原理，電磁式電弧螺柱焊槍仍舊是工程應用中的主流產(chǎn)品，其焊接過程的實現(xiàn)主要是由線圈的通斷電和彈簧的壓縮和伸展來完成的。在實際的焊接操作過程中，焊槍的運動可分為預壓送進、提升引弧、定時保持、斷電送進四個過程。其中對焊接質量影響最大的就是螺柱的斷電送進過程。為了能獲得優(yōu)良的焊接接頭，普通螺柱焊槍都會在送進結束保留一定的頂鍛力，即送進壓力予設量。該力量對焊縫的成型及焊縫的組織結構影響很大。現(xiàn)有的電弧螺柱焊槍其送進壓力的大小由預壓時采用彈簧的壓縮量來決定，實際焊接過程中對該值的設定完全依靠操作者的經(jīng)驗。在螺柱或工件表面燒損嚴重或在工件表面有壓型板的情況下，則可能會出現(xiàn)由于預壓量設置的不足造成下送深度的不夠，從而使原先預期得到的送進壓力減小，導致焊縫質量的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有螺柱焊槍在送進過程中螺柱送進壓力不能檢測，進而造成螺柱運動無法控制的缺陷，提供了一種傳感器測力的螺柱焊槍以及采用該焊槍的一種送進壓力可控的焊接方法，可顯著提高螺柱焊的焊接質量。
為達到以上目的，本發(fā)明是采用如下技術方案予以實現(xiàn)的一種電弧螺柱焊槍，包括一個螺柱夾具、豎直安裝板，安裝板一面上部固定一個電機，中部設置一個轉動機構，該轉動機構與電機的轉軸相連接，所述轉動機構與安裝板下部之間設有一個直線運動機構，其特征是，所述轉動機構通過一個設有電阻應變片的壓力傳感器與螺柱夾具連接，所述螺柱夾具與壓力傳感器連接處設有絕緣塊，所述電阻應變片的壓力信號輸出至計算機的數(shù)據(jù)采集單元；所述電機與一個運動控制器電連接，運動控制器與主計算機的運動控制單元信號連接。
上述方案中，所述的壓力傳感器包括一個與轉動機構連接的壓蓋和屏蔽外殼，屏蔽外殼內(nèi)設置有一個應變體，應變體的上端焊接固定在壓蓋上，應變體的下端通過所述絕緣塊與螺柱夾具連接，電阻應變片安裝在應變體的水平懸臂上、下兩側并靠近應變體上端與水平懸臂連接處的位置；該電阻應變片為惠斯通應變橋。
一種采用上述電弧螺柱焊槍的焊接方法，包括下述順序的步驟預壓送進過程，提升引弧過程，定時保持過程，焊接送進過程；其特征是，所述預壓送進和提升引弧過程中，當螺柱運動到與工件接觸，接觸力通過一個壓力傳感器中的電阻應變片傳到主控計算機中的數(shù)據(jù)采集卡，該壓力傳感器連接在焊槍的轉動機構與螺柱夾具之間，當壓力傳感器檢測到螺柱與工件的接觸力達到預先設定的預壓力時，接通連接螺柱夾具的焊接電流，與電機電連接的運動控制器反轉電機，并按照預先設置的提升速度提升螺柱實現(xiàn)電弧引燃；所述最后焊接送進過程中，先關閉焊接電流，運動控制器驅動電機轉動，使螺柱按一定的送進速度向工件作送進運動，其運動控制過程與所述預壓送進過程基本一致，當壓力傳感器檢測到螺柱與工件的送進壓力為預先設定的焊接頂鍛力時，停止電機轉動。
上述技術方案中，所述的焊接送進過程中的的送進速度為23毫米/秒；焊接頂鍛力預先設定為60牛頓。
與傳統(tǒng)電弧螺柱焊相比，本發(fā)明的焊槍是一個位移精確可控的直線運動平臺，在焊槍轉動機構和螺柱夾具之間設置了一個自行設計的專用送進壓力傳感器，用于螺柱送進階段螺柱與工件之間壓力變化情況的實時檢測，其壓力信號通過焊接系統(tǒng)的主計算機數(shù)據(jù)處理，來確定送進過程是否已經(jīng)達到預先設定的值，再通過焊接系統(tǒng)主計算機的運動控制單元給出控制信號輸出至運動控制器以控制電機，實現(xiàn)了螺柱運動的可控，保證焊接送進結束后對螺柱施加一定的頂鍛力，從而獲得優(yōu)良的焊接接頭，提高焊接質量。


圖1是本發(fā)明螺柱焊槍的結構示意圖。
圖2為圖1的側視圖。
圖1和圖2中，1-安裝板；2-電機；3-連軸器；4-軸承；5-絲杠；6-絲杠螺母；7-連接器；8-壓力傳感器；9-絕緣塊；10-螺柱夾具；11-電機支架；12-直線運動機構。
圖3是圖1中的壓力傳感器剖面圖。其中20-壓蓋；21-外殼；22-連接件；23-電阻應變片；24-應變體；25水平懸臂。
圖4是采用本發(fā)明送進方法的焊接系統(tǒng)框圖。
圖5是兩種焊接過程的送進壓力變化對比圖。其中，圖5a是傳統(tǒng)焊槍壓力預設值不變情況下的焊接進程；圖5b是本發(fā)明送進壓力可控情況下的焊接進程。
圖6是兩種螺柱焊接過程的質量效果圖。其中圖6a是傳統(tǒng)焊槍壓力預設值不變情況下的焊接效果圖；圖6b是本發(fā)明送進壓力可控情況下的焊接效果圖。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖1、圖2所示，一種電弧螺柱焊槍，包括一個螺柱夾具10(電弧焊電極)、豎直安裝板1，安裝板1的一面上部由支架11固定一個電機2，中部設置滾珠絲杠副，即軸承4、絲杠5和與其螺紋配合的絲杠螺母6，絲杠5通過一個聯(lián)軸器3與電機2的轉軸相連接，滾珠絲杠副與安裝板1下部之間設有一個直線運動機構12，該直線運動機構12可以是導軌。絲杠螺母6與一個連接器7固定，并通過一個壓力傳感器8與螺柱夾具10連接，螺柱夾具10與壓力傳感器8連接處設有絕緣塊9。螺柱焊槍的運動由安裝板1、電機2、滾珠絲杠副和直線運動單元12來實現(xiàn)，它們構成了一個位移精確可控的直線運動平臺，用來響應計算機的控制信號(電機的驅動可通過與主計算機的運動控制單元信號連接的運動控制器來實現(xiàn))。
螺柱與工件之間的壓力通過螺柱夾具10傳給壓力傳感器8，實現(xiàn)對壓力的實時監(jiān)控。絕緣塊9的作用有兩個一個是防止直線運動單元12上的電機2受焊接時強電流的影響，另一個是防止壓力傳感器8中的傳感元件受焊接強電流的影響。
如圖3所示，壓力傳感器8包括一個與連接器7連接的壓蓋20和屏蔽外殼21，屏蔽外殼21內(nèi)設置一個應變體24，應變體24的上端焊接固定在壓蓋20上，應變體24的下端通過一個連接件22與所述絕緣塊9及螺柱夾具10連接，電阻應變片23安裝在應變體24水平懸臂25的上、下兩側，并靠近應變體24上端與水平懸臂25連接處位置，由于水平懸臂25在該位置受力后的應變效應最敏感。故將電阻應變片23設置在此位置效果最好，電阻應變片23可采用惠斯通應變橋，由5VDC恒壓供電，橋路阻抗120Ω；橋路形式惠斯通全橋。該應變橋可捕捉到水平懸臂25微弱的形變，并將檢測到的信號輸出至主計算機的數(shù)據(jù)采集單元。輸出電纜長度為2m四芯屏蔽電纜；輸出信號配合相配套的變送器為0～5V；綜合精度0.04％FS；重復測量誤差0.04％FS；零點輸出3％FS；靈敏度1.3mV/V；過載能力130％FS。屏蔽外殼2采用金屬材料制成，其可使應變片23產(chǎn)生的微弱信號免受外部強焊接電流干擾。
壓力傳感器8不但要承擔測力功能，即檢測螺柱送進過程中螺柱端頭與工件之間的作用力，以實現(xiàn)對送進壓力的實時監(jiān)控，而且還要承擔轉動機構與螺柱夾具10的剛性連接功能，即壓力傳送功能，使其在檢測螺柱送進壓力的同時，將滾珠絲杠副的直線運動傳給螺柱夾具10(焊槍電極)。
壓力傳感器8的應變片23的水平懸臂結構，可使惠斯通應變橋能靈敏的捕捉到螺柱與工件接觸的壓力變化，通過計算機系統(tǒng)傳送給電機的運動控制系統(tǒng)，從而解決了最后影響焊接質量的送進步驟的頂鍛壓力可控的技術問題，同時，該特殊結構的傳感器，測力精度也很高。應變體24可采用TC4鈦合金線切割加工以減少加工應力。
如圖4所示，本發(fā)明配套設備由通用主計算機和程序系統(tǒng)兩部分組成。程序系統(tǒng)由人機交互程序、運動控制程序以及數(shù)據(jù)處理程序組成。焊接操作時，操作者首先將焊槍運動的實驗參數(shù)如焊槍提升高度、提升速度等參數(shù)通過主控計算的人機交互設備輸入，主計算機的數(shù)據(jù)計算存儲設備，根據(jù)得到的參數(shù)和數(shù)據(jù)采集卡采集到的焊槍壓力傳感器狀態(tài)通過運動控制單元來輸出控制信號，控制螺柱焊槍電機2的轉速，進而控制螺柱的運動，完成螺柱焊接的整個過程。
上述電弧螺柱焊槍的焊接方法，具體包括下述步驟(1)預壓送進過程，首先由主控計算機的控制單元向運動控制器發(fā)送送進指令，運動控制器控制電機2旋轉從而帶動絲杠-螺母運動副5、6和壓力傳感器8直線運動，使得與傳感器8連接的螺柱夾具10帶動螺柱向工件表面移動。同時，主控計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡會不斷的檢測壓力傳感器8的信號。一開始螺柱并未與工件接觸，傳感器8并無信號輸出，當螺柱運動到與工件接觸，接觸力通過螺柱夾具10、絕緣塊9、連接件22所構成的剛性連接結構傳到傳感器8內(nèi)的應變體24上。應變體24的懸臂25在壓力的作用下產(chǎn)生應變，使其上的電阻應變片23產(chǎn)生信號輸出，主控計算機中的數(shù)據(jù)采集卡通過檢測該信號的大小來判斷螺柱與工件的接觸情況。隨著送進位移的增加，送進力也隨之增大，當達到預先期望得到的預壓力時預壓送進過程結束，預壓力可設定為螺柱與工件緊密接觸時的壓力即可。
(2)提升引弧過程，接通連接螺柱夾具10的焊接電流，反轉電機2并按照20毫米/秒提升速度提升螺柱實現(xiàn)電弧引燃。
(3)定時保持過程，當螺柱被提升到設定高度，如4毫米時，停止電機2轉動并穩(wěn)定焊接電流形成一定的熔池。此過程中由于螺柱與工件并未接觸，傳感器應變體24沒有受力，因此采集系統(tǒng)檢測為無壓力狀態(tài)，定時保持時間為1200毫秒。
(4)焊接送進過程，關閉焊接電流，再次反轉電機2實現(xiàn)螺柱的下送運動，送進速度為23毫米/秒，送進頂鍛力預先設定為60牛頓。當壓力傳感器8檢測到該頂鍛力時，運動控制器停止電機2轉動，整個送進過程由計算機運動模塊控制電機2旋轉來實現(xiàn)。
本發(fā)明上述實施例的焊接效果可參見圖6b。
圖5和圖6示出了本發(fā)明與傳統(tǒng)焊接過程送進壓力對比及實際焊接效果對比。圖5a為預設壓力值不變情況下的焊接過程中焊槍螺柱端面與工件之間接觸力變化情況。從圖5a中可以看到，在焊接過程開始階段螺柱端頭與工件之間存在一定的預壓力，保證引弧時二者之間的緊密接觸，同時對于普通螺柱焊接，該力也是螺柱送進過程中送進壓力的來源；接下來是螺柱運動停止進行焊接保持階段，此階段電弧持續(xù)燃燒；最后是螺柱焊送進階段，隨著螺柱不斷地送進，端頭與工件之間的壓力也在不斷增大。普通螺柱焊不具備該力的檢測控制手段，送進的距離是通過最初設定的彈簧預壓值來實現(xiàn)，因此，在焊接的過程中該壓力大小及送進距離不能自動地判斷進行調(diào)整，在對直徑16mm螺柱焊接時，由于送進力不足而無法形成可靠的接頭，因此焊接效果較差(見圖6a)。圖5b為采用本發(fā)明螺柱焊槍及焊接方法的控制原理，就是通過自制的壓力傳感器8檢測該壓力的變化來判斷螺柱送進過程中螺柱端頭是否已和工件緊密接觸，即壓力的大小是否已經(jīng)達到設定值，通過該力來控制螺柱的送進運動。設定值的選取則來源于實際焊接的效果評定。從圖5b的圖形可看出，當壓力達到預設值時，如上述實施例的60牛頓，焊槍將迅速響應而停止送進。從圖6b可以看到，在對直徑16mm螺柱焊接時，通過對送進力的逐步增大使焊接接頭的質量明顯提高，
權利要求
1.一種電弧螺柱焊槍，包括一個螺柱夾具、豎直安裝板，安裝板一面上部固定一個電機，中部設置一個轉動機構，該轉動機構與電機的轉軸相連接，所述轉動機構與安裝板下部之間設有一個直線運動機構，其特征是，所述傳動機構通過一個設有電阻應變片的壓力傳感器與螺柱夾具連接，所述螺柱夾具與壓力傳感器連接處設有絕緣塊，所述電阻應變片的壓力信號輸出至計算機的數(shù)據(jù)采集單元；所述電機與一個運動控制器連接，運動控制器與主計算機的運動控制單元信號連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的電弧螺柱焊槍，其特征是，所述的壓力傳感器包括一個與傳動機構連接的壓蓋和屏蔽外殼，屏蔽外殼內(nèi)設置有一個應變體，應變體的上端焊接固定在壓蓋上，應變體的下端通過所述絕緣塊與螺柱夾具連接，電阻應變片安裝在應變體的水平懸臂上、下兩側并靠近應變體上端與水平懸臂連接處的位置。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電弧螺柱焊槍，其特征是，所述的電阻應變片為惠斯通應變橋。
4.一種權利要求1所述電弧螺柱焊槍的焊接方法，包括下述順序的步驟預壓送進過程，提升引弧過程，定時保持過程，焊接送進過程；其特征是，所述預壓送進和提升引弧過程中，當螺柱運動到與工件接觸，接觸力通過所述壓力傳感器中的電阻應變片傳到主控計算機中的數(shù)據(jù)采集卡，該壓力傳感器連接在焊槍的轉動機構與螺柱夾具之間；當壓力傳感器檢測到螺柱與工件的接觸力達到預先設定的預壓力時，接通連接螺柱夾具的焊接電流，與電機電連接的運動控制器反轉電機，并按照預先設置的提升速度提升螺柱實現(xiàn)電弧引燃；所述最后焊接送進過程中，先關閉焊接電流，運動控制器驅動電機轉動，使螺柱按一定的送進速度向工件作送進運動，當壓力傳感器檢測到螺柱與工件的送進壓力為預先設定的焊接頂鍛力時，停止電機轉動。
5.根據(jù)權利要求4所述電弧螺柱焊槍的焊接方法，其特征是，所述的焊接送進過程中的送進速度為23毫米/秒。
6.根據(jù)權利要求4或5所述電弧螺柱焊槍的焊接方法，其特征是，所述的焊接送進過程中的焊接頂鍛力預先設定為60牛頓。
全文摘要
本發(fā)明針對現(xiàn)有螺柱焊槍在送進過程中螺柱送進壓力不能檢測，進而造成螺柱運動無法控制的缺陷，公開了一種傳感器測力的螺柱焊槍及其焊接方法。焊接時，當螺柱運動到與工件接觸，接觸力通過一個壓力傳感器中的電阻應變片傳到主控計算機中的數(shù)據(jù)采集卡，該壓力傳感器連接在焊槍的轉動機構與螺柱夾具之間，當壓力傳感器檢測到螺柱與工件的接觸力達到預先設定的預壓力時，接通連接螺柱夾具的焊接電流，與電機電連接的運動控制器反轉電機，并提升螺柱實現(xiàn)電弧引燃；焊接送進過程中，先關閉焊接電流，運動控制器驅動電機轉動，使螺柱向工件作送進運動，當壓力傳感器檢測到螺柱與工件的送進壓力為預先設定的焊接頂鍛力時，停止電機轉動。
文檔編號B23K9/28GK101032779SQ20071001770
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權日2007年4月18日
發(fā)明者張建勛, 謝小東, 黃挺, 裴怡, 付繼飛, 池強 申請人:西安交通大學