钣金件直缝焊接和打磨装置的制作方法

1.本实用新型涉及焊接技术领域，尤其涉及一种钣金件直缝焊接和打磨装置。


背景技术：

2.钣金焊接一般环境比较恶劣，对人体健康影响较大。随着自动化技术的普及和发展，可以采用自动化焊接技术解决生产上环境差以及焊接人员不足的难题。目前主要是依靠焊接机器人替代人工的做法，但焊接机器人的成本较高，一般小型企业难以承受，此外有一些比较特殊的场合并不是所有的机器人都能够解决的，比如对于不锈钢钣金件制成的折弯工件7，如图1所示，该工件是由一整块不锈钢板材将边缘弯曲而成，焊接时需要对两条相邻折弯的边70的交汇处a进行焊接，这种焊接量不大，因工件形状特殊不好固定等因素，导致用工业焊接机器人成本高，难度大。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型提供了一种钣金件直缝焊接和打磨装置，包括控制单元、焊接工作台、三轴联动机构；
4.所述焊接工作台的顶部为平整的工作面，用于放置待加工的工件，焊接工作台的侧面固定设置有所述三轴联动机构；
5.所述三轴联动机构为能够沿着x、y、z三个方向做直线运动的机构，所述三轴联动机构上设置有加工器具，所述加工器具用于对工件进行焊接或者打磨；
6.所述焊接工作台上固定设置有工件定位块；
7.所述焊接工作台上固定设置有工件夹紧装置，工件夹紧装置与所述工件定位块相互对应，用于夹紧所述工件以便于焊接或打磨；
8.所述控制单元与所述三轴联动机构以及工件夹紧装置的执行器电连接，用于控制整个装置的协调动作。
9.优选地，所述工作面为矩形结构，该矩形结构中的一个角上固定设置有所述工件定位块，所述工件定位块为矩形结构，工件定位块与工作面的一个内角相互对应；
10.所述工件夹紧装置包括遮挡柱，所述遮挡柱至少设置有两根，分别竖直固定设置在所述工作面的其中一个角的两边上，该遮挡柱的内侧边缘与所述工件定位块之间构成工件槽；工件槽用于放置工件被焊接的一面。
11.两根所述遮挡柱之间焊接有横梁，所述横梁上固定设置有垂直气动装置；垂直气动装置悬空并位于工件定位块的上方，用于压紧工件防止工件因变形不规则而无法完全夹紧。
12.所述工作面的其中一个角的两边上还固定设置有水平气动夹紧装置。水平气动夹紧装置与工作面平行设置，用于配合工件定位块对工件的两个侧边进行固定。
13.优选地，所述焊接工作台的上面固定设置有可内部走线缆的支撑管，支撑管的顶部固定设置有所述控制单元。
14.优选地，所述控制单元包括控制盒，控制盒内设置有控制器，控制盒上设置有焊接按钮、停止按钮、钨针调整按钮以及显示单元，所述控制器分别与焊接按钮、停止按钮、钨针调整按钮以及显示单元电连接。
15.优选地，所述工件定位块的相邻两面的下方均开设有工件弯折容纳槽，工件弯折容纳槽的上面为工件焊接定位面，该工件焊接定位面为一向内倾斜的斜面；工件定位块的底部开设有固定螺纹孔，用于将工件定位块固定到焊接工作台上。此外，面向焊接方向的工件焊接定位面的顶角进行边倒角处理，使得该处的角被销掉一部分形成焊接平面，以防止焊接时，该定位面与工件直缝的接触过于接近而可能溶于一起。工件弯折容纳槽用于容纳工件边缘上的折弯，防止其影响焊接或者打磨加工。
16.所述水平气动夹紧装置包括气缸本体、气缸推杆以及推送块，所述气缸推杆可伸缩设置在气缸本体内，气缸推杆的一端与所述推送块固定连接；
17.所述推送块非对称设置在所述气缸推杆上；
18.所述推送块远离气缸推杆的一面为斜面，其与所述工件焊接定位面相互对应匹配。
19.优选地，所述工件焊接定位面为与竖直方向构成一个4
°
夹角的面。该工件焊接定位面使得整个工件定位块呈下大上小的结构。同样的，推送块也是下大上小的结构，其远离气缸推杆的一面也与竖直方向构成一个4
°
夹角。这样的结构目的是保证从上往下焊接时直缝的下面一直在压紧状态，上面部分因推送块和焊接定位面都是下大上小的原因，工件的上部会因未压紧而受热膨胀，下部却因压紧只能向直缝边缘膨胀，间接使焊缝对边耦合紧密性较好。
20.优选地，所述三轴联动机构包括高度调节直线模组、前后调节直线模组以及左右调节直线模组；
21.所述高度调节直线模组的滑块上固定设置有所述前后调节直线模组；
22.所述前后调节直线模组的滑块上固定设置有所述左右调节直线模组；
23.所述左右调节直线模组的滑块上固定设置有所述加工器具。
24.优选地，所述高度调节直线模组、前后调节直线模组、左右调节直线模组均为采用步进电机带动丝杆转动实现滑块移动的结构。
25.优选地，所述加工器具为焊枪和打磨工具。与焊枪在同一滑块的下方固定设置有电动打磨装置，该打磨装置由一个24dc的小型直流电机带动一个圆柱型砂轮，由控制单元控制打磨装置的启动转动，从而实现对工件的抛光打磨。
26.本实用新型通过三轴联动初步调整焊枪的高度及距离焊件的位置，再通过焊接工作台上的工件焊接定位块和气动装置，精准调整焊件和焊枪、打磨柱之间的距离，然后通过控制器的输入高度参数，实现焊件直缝的上下游走焊接和打磨，此技术操作简单，满足小型钣金加工企业人员操作的要求，极大的提高了生产效率和正品率。
附图说明
27.图1是常见的需要加工的钣金工件示意图；
28.图2是本实用新型提供的实施例总体结构示意图；
29.图3是本实用新型提供的实施例主视图；
30.图4是本实用新型提供的实施例左视图；
31.图5是本实用新型提供的实施例俯视图；
32.图6是本实用新型提供的实施例另一个视角的结构示意图；
33.图7是本实用新型提供的实施例中三轴联动机构的结构示意图；
34.图8是拆除三轴联动机构后的焊接工作台结构示意图；
35.图9是拆除三轴联动机构后的焊接工作台另一个视角的示意图；
36.图10是本实用新型提供的实施例中工件定位块的结构示意图；
37.图11是本实用新型提供的实施例中工件定位块的细节展示图；
38.图12是本实用新型提供的实施例中水平气动夹紧装置的主视图；
39.图13是本实用新型提供的实施例中水平气动夹紧装置的左视图。
具体实施方式
40.为使本技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的图1~13，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施方式。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
43.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.如图2~9所示，一种钣金件直缝焊接和打磨装置，包括控制单元1、焊接工作台2、三
轴联动机构3。
45.焊接工作台2的顶部为平整的工作面，用于放置待加工的工件7，焊接工作台2的侧面固定设置有三轴联动机构3。本实施例中的焊接工作台2采用箱体式结构。这里的工作面为矩形结构，该矩形结构中的一个角上固定设置有工件定位块6，工件定位块6为矩形结构，工件定位块6与工作面的一个内角相互对应。
46.焊接工作台2上固定设置有工件夹紧装置5，工件夹紧装置5与工件定位块6相互对应，用于夹紧工件7以便于焊接或打磨。
47.其中，工件夹紧装置5包括遮挡柱50，遮挡柱50至少设置有两根，分别竖直固定设置在工作面的其中一个角的两边上，该遮挡柱50的内侧边缘与工件定位块6之间构成工件槽。工件槽用于放置工件被焊接的一面。
48.两根遮挡柱50之间焊接有横梁51，横梁51上固定设置有垂直气动装置52。垂直气动装置52悬空并位于工件定位块6的上方，用于压紧工件7防止其向上移动或者因变形不规则而无法完全夹紧。
49.工作面的其中一个角的两边上还固定设置有水平气动夹紧装置53。水平气动夹紧装置53与工作面平行设置，用于配合工件定位块6对工件7的两个侧边进行固定。
50.如图7所示，三轴联动机构3为能够沿着x、y、z三个方向做直线运动的机构，三轴联动机构3上设置有加工器具4，加工器具4用于对工件进行焊接和打磨。加工器具4为焊枪和电动打磨装置。与焊枪在同一滑块的下方固定设置有电动打磨装置40，该打磨装置由一个24dc的小型直流电机带动一个圆柱型砂轮，由控制单元控制打磨装置的启动转动，从而实现对工件的抛光打磨。
51.本实施例中的三轴联动机构3包括高度调节直线模组30、前后调节直线模组31以及左右调节直线模组32。高度调节直线模组30的滑块上固定设置有前后调节直线模组31。前后调节直线模组31的滑块上固定设置有左右调节直线模组32。左右调节直线模组32的滑块上固定设置有加工器具4。焊接工作台2上固定设置有工件定位块6。高度调节直线模组30、前后调节直线模组31、左右调节直线模组32均为采用步进电机带动丝杆转动实现滑块移动的结构。他们分别由高度调节电机、前后调节电机以及左右调节电机各自控制自己的丝杆和滑块（滑台）。
52.控制单元1与三轴联动机构3以及工件夹紧装置5的执行器电连接，用于控制整个装置的协调动作。控制单元1可以是独立的箱体结构，内置控制电路，通过电缆与各个控制器件连接。本实施例中，焊接工作台2的上面固定设置有支撑管10，支撑管10中空并可以穿设电缆，支撑管10的顶部固定设置有控制单元1。控制单元1包括控制盒，控制盒内设置有控制器，控制盒上设置有焊接按钮11、停止按钮12、钨针调整按钮13以及显示单元14，控制器分别与焊接按钮11、停止按钮12、钨针调整按钮13以及显示单元14电连接。
53.如图10和图11所示，工件定位块6的相邻两面的下方均开设有工件弯折容纳槽60，工件弯折容纳槽60的上面为工件焊接定位面64，该工件焊接定位面为一向内倾斜的斜面。工件定位块6的底部开设有固定螺纹孔61，用于将工件定位块6固定到焊接工作台2上。此外，相邻的两个工件焊接定位面64的顶角进行边倒角处理（面向焊接方向的工件焊接定位面的顶角），使得该处的角被销掉一部分形成焊接平面63，以防止焊接时，该定位面与工件直缝的接触过于接近而可能溶于一起。工件弯折容纳槽60用于容纳工件7边缘上的折弯71，
防止其影响焊接或者打磨加工。
54.如图12和图13所示，水平气动夹紧装置53包括气缸本体530、气缸推杆531以及推送块532，气缸推杆531可伸缩设置在气缸本体530内，气缸推杆531的一端与推送块532固定连接。推送块532非对称设置在气缸推杆531上。推送块532远离气缸推杆531的一面为斜面，其与工件焊接定位面64相互对应匹配。工件焊接定位面64为与竖直方向构成一个4
°
夹角的面。该工件焊接定位面64使得整个工件定位块6呈下大上小的结构。同样的，推送块532也是下大上小的结构，其远离气缸推杆531的一面也与竖直方向构成一个4
°
夹角。这样的结构目的是保证从上往下焊接时直缝的下面一直在压紧状态，上面部分因推送块和焊接定位面都是下大上小的原因，工件的上部会因未压紧而受热膨胀，下部却因压紧只能向直缝边缘膨胀，间接的使焊缝对边耦合紧密性较好。
55.该装置由焊接工作台、三轴联动焊枪位置调整装置、气动夹紧装置三部分组成，其中三轴联动焊枪位置调整装置分别由三个方向的电机拖动丝杆做上下（简称高度电机）、前后（简称焊接电机）、左右（简称左右调节电机）组成，通过数控系统控制高度电机的上下运动实现焊枪的上下移动到焊件底部位置，再通过焊接电机拖动丝杆做前后移动接近或焊接结束后的远离移动，最后由左右调节电机微调焊枪位置，以便更接近焊件的底部位置。
56.为了实现直缝更精确的位置焊接，当完成上述焊枪或打磨件位置调整后，置放在工作台的焊件要通过工件焊接定位块和三个气动装置夹紧，以便直缝正对焊枪的钨针针尖位置，且之间的缝隙在4~10mm,然后控制系统根据直缝的长度，从底部控制高度电机将焊枪移动到直缝的顶部，从上到下开始焊接操作，操作完毕后，焊接电机要回退一段距离，以便通过高度电机提升打磨柱的高度到焊缝的位置，再通过焊接电机移动靠近直缝，此时是打磨柱靠近直缝位置，然后通过左右调节电机的左右移动使得打磨柱对直缝的打磨完成。
57.控制单元1用于控制三轴联动机构3的调整和焊接打磨功能，控制系统装置有3个互锁按钮，分别为焊接按钮11、钨针调整按钮13、停止按钮12，焊接按钮11按下，控制单元1控制三轴联动焊枪及打磨装置运动到指定位置，完成连续焊接功能和打磨动作，更换工件后连续重复完成上述焊接和打磨功能。
58.钨针调整按钮13是针对焊枪的钨针长时间使用，针尖钝化后，需要取下磨尖后再装回焊枪时的操作过程，因工件安装位置到针尖需要一定空隙，不能接触，否则无法起弧，钨针调整按钮13按下后，系统按照焊接流程时的气动夹紧装置固定工件、焊枪移动到焊接指定位置时的状态调整装回焊枪的钨针到工件的空隙，保证有4
‑
10mm的距离。
59.停止按钮12是针对焊接、调针功能切换专用，因钨针调整按钮13、焊接按钮11为自锁特点，需要停止按钮12切换两种功能。
60.控制系统通过自带端口的输入输出设置定义动作类型，以低电平为有效动作。本控制系统定义输入1口为高度电机控制高度调节直线模组30的滑块回机械零点开关限位，输入2口为前后调节电机控制前后调节直线模组31的滑块回机械零点开关限位，输入3口为左右调节电机控制左右调节直线模组32的滑块回机械零点开关限位，输入4口为脚踏工作开关，输入5口为焊接打磨功能选择，输入6口为焊枪钨针调整功能选择。
61.输出1口为打磨功能开启选择，输出2口为垂直气动装置52动作控制口，输出3口为焊接开始功能，输出4口、输出5口为两个水平气动夹紧装置53动作控制口。
62.焊接工作台2用于水平摆放需焊接的门板，在焊接工作台2与三轴联动机构3连接
处，焊接有两片遮挡柱50，该遮挡柱50作用是限制水平工件过多伸出焊接工作台边沿，除此之外，该遮挡柱50还固定一个垂直气动装置52。
63.此外，焊接工作台2在与三轴联动机构3连接处，还有两个水平气动夹紧装置53、垂直气动装置52、工件焊接定位块102，垂直气动装置52针对工件有轻微变形影响工件摆放的情况下，轻微下压工件，使工件需焊接处水平对准焊枪，水平气动夹紧装置53则是将工件用顶杆前推到工件焊接定位块111对准焊枪的位置，使得焊针可以精确的对准焊缝的位置，由于自动焊接对直缝空隙要求严格，对不需要焊丝的对边直缝焊接，要求对边连接耦合紧密，不能留空隙，因此对工件焊接定位块102、水平气动夹紧装置53相关结构进行改进。
64.为了保证焊接质量，需要对工件的焊缝焊接用相关夹具如工件焊接定位块102进行改进处理，保证工件焊缝对边耦合紧密，且不留缝隙，为此将工件焊接定位块面对焊接方向的直角磨平，形成一个长方形的平面，也成为工件焊接定位面，目的是避免工件焊接定位块直角与工件焊缝焊接时，焊接连在一起，同时，延着焊接定位面的两边8mm边做上凸下凹的坡形结构设计，上下相差4
°
左右，和水平气动夹紧装置的推送块相互配合，使得焊接工件的焊接直缝底部对面耦合紧密，保证焊接质量
65.为保证水平气动夹紧装置53用推杆推送工件到固定位置的同时，还要挤压工件对边特别是底部的对边耦合紧密，连接无缝隙，原因是焊枪一般从上部开始焊接，热量一般会传导到下部，焊接时会因为过热造成材料膨胀，无法进行焊接，人工焊接时常预先把底部点焊连接上，这样焊接时不至于过热膨胀裂开，但机器自动焊接，需要有相关夹具配合处理，为了保证上述效果，还将水平气动夹紧装置53的推送块也进行了相关处理，如图3所示，为了保证挤压效果，水平气动夹紧装置上的推送块，采用的是非对称安装，目的是更靠近要焊接的直缝边缘，同时推送块采用的是坡形结构，即下凸，上凹方式，上下相差4
°
左右，目的是配合工件定位，可以推送工件到焊接位置的同时，可以挤压工件的下部焊接的位置对边耦合紧密。
66.三轴联动机构3是本系统的最重要组成部分。三轴联动焊枪位置调整装置分别由高度调节电机拖动丝杆做上下运动、前后调节电机拖动丝杆做前后运动、左右调节电机拖动丝杆做左右运动，通过数控系统控制高度电机的上下运动实现焊枪的上下移动到焊件底部位置，再通过焊接电机拖动丝杆做前后移动接近或焊接结束后的远离移动，最后由左右调节电机微调焊枪位置，以便更接近焊件的底部位置。
67.焊接或打磨系统实现方法，其包括以下步骤：
68.第1步、系统加工功能选择：根据输入5口焊接打磨功能)还是输入6口焊枪钨针调整功能)低电平选择。
69.第2步、根据步骤s1的选项执行相应的工作程序：输入5口焊接打磨功能)低电平，则进入第3步焊接打磨工作程序。否则判断输入6口焊枪钨针调整功能)低电平选择，转第19步进行焊枪钨针调整。重复第2步。
70.第3步、三轴联动机构3初始化：三轴联动机构3中的高度调节电机拖动丝杆正转带动其它两轴向下运动，直到有反馈信号停止，接着前后调节电机正转拖动丝杆做前运动直到有反馈信号停止，然后反转回退80mm，再其次左右调节电机正转拖动丝杆做右行运动直到有反馈信号停止，然后反转20.5mm，使焊枪和焊接位置在同一垂直直线上。
71.第4步、三轴联动机构3零点设置：三轴联动机构3中的高度调节电机拖动丝杆反转
带动其它两轴向上运动790mm，此时设置高度调节电机此位置为系统原点，左右调节电机此时位置为系统原点。
72.第5步、固定工件：将工件放置在指定区域后，控制单元1垂直气动装置52顶块向下伸出并轻压工件，保证工件不因局部变形影响后续工序，此后2个水平气动夹紧装置53从左右2个水平方向通过顶块推动工件移动到工件焊接定位块位置，并使焊缝位置底部和焊枪枪针在同一直线上。
73.第6步、前后调节直线模组31调零：设置前后调节电机系统零点，正转前后调节电机前进26.5mm,并设置焊接电机系统原点。
74.第7步、等待确认：等待连接控制单元1输入4口的脚踏工作开关为低电平，为低电平则执行下一步。
75.第8步、高度调节直线模组30调整：控制高度调节电机低速反转使其位于直缝的上方1mm左右。
76.第9步、等待开始焊接的信号：控制单元1输出3口为低电平打开焊机开始焊接。
77.第10步、由上往下点焊：高度调节电机高速正转，在直缝上间隔1mm进行一次点焊。
78.第11步、完成焊接：焊枪移动到直缝底部后，关闭控制单元1输出3口为高电平，关闭焊机。
79.第12步、打磨准备：高度调节电机反转将滑块提升50mm，打磨柱面向已焊接直缝。
80.第13步、打磨工具对准焊缝：前后调节电机正转5mm，以便打磨柱表面接触到已焊接直缝。
81.第14步、开始打磨：控制单元1输出1口为低电平打开中间继电器打磨功能，开始打磨。
82.第15步、打磨工具左右往复运动：左右调节电机左右3mm摆动，以便焊缝周围皆可打磨到，此过程持续6毫秒。
83.第16步、完成打磨，前后调节直线模组后退：焊接、打磨完成，前后调节电机反转后退26.5mm。
84.第17步、松开工件：控制单元1输出2口为高电平，使垂直气动装置52向上缩回已伸出
85.顶块。
86.第18步、松开水平压紧工件，并取下工件：控制单元1输出4口、输出5口为高电平，使两个水平气动夹紧装置110已伸出的顶块回缩，此时工件可以更换。至此完成一个工件的焊接和打磨操作，如果还需要进行，则进入第19步。
87.第19步、新工件固定：重复第5步过程，完成连续焊接打磨。
88.第20步、三轴联动机构3初始化：三轴联动机构3中的高度调节电机拖动丝杆正转带动其它两轴向下运动，直到有反馈信号停止，接着前后调节电机正转拖动丝杆做前运动直到有反馈信号停止，然后反转回退80mm，再其次左右调节电机正转拖动丝杆做右行运动直到有反馈信号停止，然后反转20.5mm，使焊枪和焊接位置在同一垂直直线上。
89.第21步、三轴联动机构3零点设置：三轴联动机构3中的高度调节电机拖动丝杆反转带动其它两轴向上运动790mm，此时设置高度调节电机此位置为系统原点，左右调节电机此时位置为系统原点。
90.第22步、固定工件：将工件放置在指定区域后，控制单元1垂直气动装置52顶块向下伸出并轻压工件，保证工件不因局部变形影响后续工序，此后2个水平气动夹紧装置53从左右2个水平方向通过顶块推动工件移动到工件焊接定位块位置，并使焊缝位置底部和焊枪枪针在同一直线上。
91.第23步、前后调节直线模组31调零：设置前后调节电机系统零点，正转前后调节电机前进26.5mm,并设置焊接电机系统原点。
92.第24步、调整焊针长度，使焊针离直缝距离4
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10mm可选；
93.第25步、停止：按控制单元1的停止按钮12，设置钨针调整按钮13为高电平。
94.第26步、等待连接控制单元1输入4口的脚踏工作开关为低电平，为低电平则执行下一步
95.第27步、重复第1步。
96.本实用新型通过三轴联动初步调整焊枪的高度及距离焊件的位置，再通过焊接工作台上的工件焊接定位块和气动装置，精准调整焊件和焊枪、打磨柱之间的距离，然后通过控制器的输入高度参数，实现焊件直缝的上下游走焊接和打磨，此技术操作简单，满足小型钣金加工企业人员操作的要求，极大的提高了生产效率和正品率。