回填式摩擦搅拌点焊工具和末端执行器的制作方法

回填式摩擦搅拌点焊工具和末端执行器
发明背景
发明领域
1.本发明涉及回填式摩擦搅拌点焊装置，具体涉及机器人回填式摩擦搅拌点焊工具和末端执行器。相关技术的说明
2.回填式摩擦搅拌点焊是一种固态连接工艺。其可以用于焊接两个或更多个重叠的金属工件。在回填式摩擦搅拌点焊中，套筒和套筒内的销压靠在工件之一上并旋转以加热工件。工件材料通过热量和压力而达到塑性状态。套筒被推入工件中，同时销从工件缩回，这使得套筒内的塑性工件材料移位。然后，套筒和销返回到其初始齐平状态，将移位的材料向工件推动，从而形成大致齐平的点焊。回填式摩擦搅拌点焊装置可以安装到用于自动点焊的机械臂(例如，6轴机械臂)和龙门式焊接台、以及还有基座式机器。
3.随着时间的推移，回填式摩擦搅拌点焊工具可能堵塞、磨损等，使得需要定期更换。更换回填式摩擦搅拌点焊工具通常是费力且耗时的，因而可能费用较高并且导致不期望的停机时间。期望使回填式摩擦搅拌点焊装置中的回填式摩擦搅拌点焊工具所需的更换时间降到最短。


技术实现要素：

4.下面的发明内容呈现了简化的概述，以提供对本文所讨论的装置、系统和/或方法的一些方面的基本理解。本发明内容不是对本文所讨论的装置、系统和/或方法的广泛综述。并不旨在指出关键的元件或划定这类装置、系统和/或方法的范围。唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细说明的序言。
5.根据本发明的一个方面，提供了一种快速连接回填式摩擦搅拌点焊工具。所述工具包括夹具，夹具包括第一径向突出安装突起，第一径向突出安装突起被构造用于接合回填式摩擦搅拌点焊焊头中的第一安装槽。摩擦套筒同轴地位于夹具内并且包括第二径向突出安装突起，第二径向突出安装突起被构造用于接合回填式摩擦搅拌点焊焊头中的第二安装槽。第二径向突出安装突起被定位成沿工具的轴线高于第一径向突出安装突起，并且在第一径向突出安装突起的径向内侧。摩擦销同轴地位于夹具和摩擦套筒内。通过所述夹具旋转不到360度，夹具能够与回填式摩擦搅拌点焊焊头附接和分离。通过摩擦套筒旋转不到360度，摩擦套筒能够与回填式摩擦搅拌点焊焊头附接和分离。
6.根据本发明的另一方面，提供了一种快速连接机器人回填式摩擦搅拌点焊工具。该工具包括夹具，夹具包括多个第一径向突出安装突起，多个第一径向突出安装突起被构造用于接合回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的夹具接纳器中的夹具安装槽。摩擦套筒同轴地位于夹具内，并且包括多个第二径向突出安装突起，多个第二径向突出安装突起被构造用于接合回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的主轴中的摩擦套筒安装槽。多个第二径向突出安装突起沿工具的轴线位于与多个第一径向突出安装突起不同的轴向位置处，并且在多个
第一径向突出安装突起的径向内侧。摩擦销同轴地位于夹具和摩擦套筒内，并且包括能够由回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的主轴接纳的体育场形安装头。通过夹具相对于夹具接纳器旋转不到180度，夹具能够与回填式摩擦搅拌点焊末端执行器附接和分离。通过摩擦套筒和摩擦销相对于主轴旋转不到180度，摩擦套筒和摩擦销能够与回填式摩擦搅拌点焊末端执行器附接和分离。
7.根据本发明的另一方面，提供了一种用于机械臂的回填式摩擦搅拌点焊末端执行器。末端执行器包括主轴和与主轴同轴安装的夹具接纳器。末端执行器包括夹具，夹具包括接合夹具接纳器中的夹具安装槽的第一径向突出安装突起。摩擦套筒位于夹具内，并且包括接合主轴中的摩擦套筒安装槽的第二径向突出安装突起。第二径向突出安装突起沿主轴的旋转轴线位于与第一径向突出安装突起不同的轴向位置处，并且在第一径向突出安装突起的径向内侧。摩擦销位于摩擦套筒内并附接到主轴。砧座臂支撑沿主轴的旋转轴线与夹具、摩擦套筒和摩擦销对准的砧座。摩擦套筒和摩擦销可操作地联接到主轴以通过主轴旋转。在回填式摩擦搅拌点焊操作期间，摩擦套筒和摩擦销能够沿主轴的旋转轴线独立地线性移动。通过夹具相对于夹具接纳器旋转不到180度，夹具能够与夹具接纳器附接和分离，以及通过摩擦套筒和摩擦销相对于主轴旋转不到180度，摩擦套筒和摩擦销能够与主轴附接和分离。
8.根据本发明的另一个方面，提供了一种用于快速连接回填式摩擦搅拌点焊工具的套件。套件包括夹具，夹具包括第一径向突出安装突起，第一径向突出安装突起被构造用于接合回填式摩擦搅拌点焊焊头中的第一安装槽。套件包括摩擦套筒，摩擦套筒被构造用于同轴地置于夹具内并且包括第二径向突出安装突起，第二径向突出安装突起被构造用于接合回填式摩擦搅拌点焊焊头中的第二安装槽。当摩擦套筒被置于夹具内时，第二径向突出安装突起沿工具的轴线能够位于与第一径向突出安装突起不同的轴向位置处，并且在第一径向突出安装突起的径向内侧。套件包括摩擦销，摩擦销被构造用于同轴地置于夹具和摩擦套筒内。通过所述夹具旋转不到360度，夹具能够与回填式摩擦搅拌点焊焊头附接和分离，并且通过摩擦套筒旋转不到360度，摩擦套筒能够与回填式摩擦搅拌点焊焊头附接和分离。
附图说明
9.在参考附图阅读以下描述后，本发明所涉及的领域的技术人员将明白本发明的上述和其他方面，在附图中：
10.图1展示了示例性回填式摩擦搅拌点焊过程；
11.图2示出了具有回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的机械臂；
12.图3示出了回填式摩擦搅拌点焊工具；
13.图4示出了回填式摩擦搅拌点焊工具；
14.图5示出了回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的一部分；
15.图6示出了回填式摩擦搅拌点焊工具的夹具；
16.图7示出了回填式摩擦搅拌点焊工具的摩擦套筒；
17.图8示出了回填式摩擦搅拌点焊工具的摩擦销；
18.图9示出了回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的一部分；以及
19.图10示出了回填式摩擦搅拌点焊末端执行器的一部分。
具体实施方式
20.本发明涉及回填式摩擦搅拌点焊装置，比如机器人回填式摩擦搅拌点焊工具和末端执行器。现在将参照附图描述本发明，其中全文中相同的附图标记用来指代相同的要素。将理解的是，这些不同附图不必以彼此按比例的方式来绘制，在给定的附图内也同样是这样，并且特别地，部件的尺寸是任意绘制的，以便于对附图的理解。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了多个具体的细节以便提供对本发明的全面理解。然而，可能明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。此外，本发明的其他实施例是可能的并且能够以除了如所描述的方式之外的方式来实践和实施本发明。在描述本发明时使用的术语和短语是出于促进对本发明的理解的目的采用的，并且不应该被认为是限制性的。
21.如本文所使用的，“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”为在操作中既是合取性又是析取性的开放式表达。例如，表达“a、b和c中的至少一者”、“a、b或c中的至少一者”、“a、b和c中的一者或多者”、“a、b或c中的一者或多者”以及“a、b和/或c”中的每一者是指单独a、单独b、单独c、a和b一起、a和c一起、b和c一起、或a、b和c一起。给出两个或更多个替代性术语的任何析取性词语和/或短语，无论是在实施例、权利要求还是附图的描述中，都应理解为涵盖以下可能性：包括这些术语中的一者、这些术语中的任一者、或全部术语。例如，短语“a或b”应理解为包括以下可能性：“a”、或“b”、或“a和b”。
22.图1示意性地示出了回填式摩擦搅拌点焊过程。回填式摩擦搅拌点焊是一种固态连接工艺。工件10、12在焊接期间不熔化，而是被加热到塑性状态。执行点焊的工具14包括非旋转夹具16、旋转摩擦套筒18和旋转摩擦销20。要被点焊的工件10、12被夹紧在工具14与支撑底座或砧座22之间。压力施加到被夹紧的工件10、12上，并且通过摩擦套筒18和摩擦销20在夹具16内旋转来局部加热工件。联接到摩擦套筒18和摩擦销20的主轴23使套筒和销绕主轴的旋转轴线r旋转。工具14将工件10、12局部加热到塑性状态。然后，将摩擦套筒18推入工件10、12中至下部工件12内的期望深度，同时摩擦销20从工件缩回。主轴23具有驱动摩擦套筒18和摩擦销20旋转和轴向平移的单独的可轴向移动部分。来自工件10、12的材料向上移位到由摩擦套筒18和摩擦销20的移动产生的体积中。来自工件10、12的塑性材料被搅拌在一起，摩擦套筒18和摩擦销20返回到其初始齐平状态，将移位的塑性材料向工件推回，从而形成大致齐平的焊点24。然后，工具14和砧座22分离，同时工件10、12通过焊点24保持连接。回填式摩擦搅拌点焊过程很快，例如不到2秒(取决于工件的厚度)。尽管摩擦套筒18被示出为被推入工件10、12中而摩擦销20缩回，但是应当认识到，在回填式摩擦搅拌点焊过程中，替代性地，可以是摩擦销被推入工件中而摩擦套筒缩回。
23.如上所述，随着时间的推移，回填式摩擦搅拌点焊工具可能堵塞、磨损等，并且必须更换。更换回填式摩擦搅拌点焊工具是费力且耗时的，因而可能费用较高并且可能导致不期望的停机时间。传统的回填式摩擦搅拌点焊工具通过各种单独的紧固件(例如，螺栓、联管螺母等)固持在适当位置，为了更换工具，须移除和重新安装这些紧固件。更换传统的回填式摩擦搅拌点焊工具通常需要长达20分钟的时间。
24.图2示出了回填式摩擦搅拌点焊末端执行器26安装到的机械臂24。末端执行器26包括回填式摩擦搅拌点焊工具14。工具14附接到末端执行器26上的焊头27，该末端执行器
包括用于驱动工具的主轴。回填式摩擦搅拌点焊工具14具有以下所讨论的快速连接附接结构，以允许将工具快速换下或更换，比如在两分钟内而非20分钟。
25.末端执行器26可以包括固持砧座22的砧座臂28。砧座臂28支撑砧座22，使得砧座沿工具14的旋转轴线r(图1)与工具的夹具16、摩擦套筒和摩擦销对准。砧座臂28可以具有弯曲形状并且形成末端执行器26的下钳，使得末端执行器具有大致c形的外观。在某些实施例中，砧座22不附接到末端执行器26，而是与焊头分离。例如，在龙门式机器中，回填式摩擦搅拌点焊工具可以安装到附接到龙门的焊头上，以便水平和竖直移动，并且砧座可以附接到可移动工作台或其他下部夹具工装上。基座式机器也可以具有安装到与焊头分离的下部夹具工装上的砧座。
26.末端执行器26可以包括各种马达，比如伺服马达，以控制使摩擦套筒和摩擦销围绕旋转轴线r(图1)旋转的主轴的操作，并且控制套筒和销在焊接期间的轴向移动。例如，末端执行器26可以包括三个单独的伺服马达，这些单独的伺服马达分别驱动主轴的旋转以及摩擦套筒和摩擦销的独立线性轴向移动。从图2中可以看到，焊头27上的伺服马达30使主轴旋转，伺服马达32线性地(轴向地)驱动摩擦套筒。类似于用于摩擦套筒的伺服马达32的伺服马达可以位于末端执行器26的相对侧上，用于线性地(轴向地)驱动摩擦销。末端执行器26可以进一步包括伺服马达，该伺服马达打开和闭合末端执行器26的上下“钳”，以将工件夹紧在夹具16与砧座22之间。应当认识到，砧座22和砧座臂28可以被向上朝向夹具16驱动，或者夹具16和末端执行器26的上部结构可以被向下朝向砧座22驱动。
27.末端执行器26包括用于固持夹具16的夹具接纳器34。摩擦套筒和摩擦销直接附接到末端执行器26的主轴。主轴可以具有外部部分和内部部分，摩擦套筒和摩擦销分别附接到外部部分和内部部分。在回填式摩擦搅拌点焊过程中，主轴的外部部分和内部部分旋转，并且可以彼此独立地线性(轴向)移动。工具14、夹具接纳器34和主轴提供了下面讨论的快速连接附接结构，以允许将工具快速换下或更换。
28.图3和图4进一步详细地示出了回填式摩擦搅拌点焊工具14。夹具16可以具有包括下部夹具和上部夹具固持器36的两件式设计，夹具固持器附接到末端执行器上的夹具接纳器。如图所示，下部夹具可以螺栓连接到夹具固持器36，或者以另一种方式附接到夹具固持器(例如，螺丝连接到夹具固持器上)。如果下部夹具磨损或损坏，两件式设计可以允许更换下部夹具。替代性地，夹具16可以具有一件式设计，其中下部夹具和夹具固持器36整体形成。夹具固持器36可以包括表面特征，比如平面38，这些表面特征有利于夹具的处理和/或将夹具适当定位，比如定位在工具存放容器内。
29.在夹具固持器36的顶部有一系列径向突出安装突起40。径向突出安装突起40接合位于末端执行器上的夹具接纳器中的安装槽，以提供夹具16的快速连接/断开功能。在附图所示的实施例中，夹具固持器36具有围绕夹具固持器的圆周成90
°
间隔对称间隔开的四个径向突出安装突起40。然而，应当认识，夹具固持器36可以包括少于或多于四个径向突出安装突起40，并且安装突起不需要围绕夹具固持器对称间隔开。通过夹具16旋转不到360
°
，夹具可与末端执行器上的夹具接纳器附接和分离。例如，可以顺时针旋转夹具16不到360
°
以附接夹具，以及逆时针旋转不到360
°
以使夹具分离(反之亦然)。在某些实施例中，通过夹具16相对于夹具接纳器旋转不到180
°
，比如通过夹具旋转四分之一圈(90
°
)或更小，夹具可与夹具接纳器附接和分离。图6示出了与摩擦套筒18和摩擦销20分离的夹具16。
30.参照图3和图4，摩擦套筒18位于夹具16内并且与夹具同轴对准。摩擦套筒18还具有径向突出安装突起42。摩擦套筒18上的径向突出安装突起42接合末端执行器的主轴上的安装槽，以提供摩擦套筒的快速连接/断开功能。在附图所示的实施例中，摩擦套筒18具有围绕摩擦套筒的圆周成90
°
间隔对称间隔开的四个径向突出安装突起42。然而，应当认识到，摩擦套筒18可以包括少于或多于四个径向突出安装突起42，并且安装突起不需要围绕摩擦套筒对称间隔开。摩擦套筒18可以具有与夹具16相比不同数量的径向突出安装突起，并且摩擦套筒18上的安装突起42的形状和/或构造可以不同于夹具16上的安装突起40。通过摩擦套筒旋转不到360
°
，摩擦套筒18可与末端执行器上的主轴附接和分离。例如，可以顺时针旋转摩擦套筒18不到360
°
以附接摩擦套筒，以及逆时针旋转不到360
°
以使摩擦套筒分离(反之亦然)。在某些实施例中，通过摩擦套筒18相对于末端执行器上的主轴旋转不到180
°
，比如通过摩擦套筒旋转四分之一圈(90
°
)或更小，摩擦套筒可与主轴附接和分离。可以看出，摩擦套筒18上的径向突出安装突起42沿工具14的旋转轴线r位于与夹具16上的径向突出安装突起40不同的轴向位置。例如，摩擦套筒18上的径向突出安装突起42被定位成沿工具14的轴线r高于夹具16上的安装突起40。摩擦套筒18上的径向突出安装突起42还定位在夹具16上的安装突起40的径向内侧。
31.图7示出了与夹具16和摩擦销20分离的摩擦套筒18。摩擦套筒18可以具有包括下套筒44和上套筒固持器46的两件式设计。套筒固持器46包括径向突出安装突起42，并且将附接到末端执行器上的主轴。下套筒44可以螺纹连接到套筒固持器46中，或者以另一种方式附接到套筒固持器。如果下套筒44磨损或损坏，两件式设计可以允许更换套筒。替代性地，摩擦套筒18可以具有一件式设计，其中下套筒44和套筒固持器46一体成形。上套筒固持器46具有比下套筒44更大的直径。上套筒固持器46可以包括表面特征，比如平面48，这些表面特征有利于摩擦套筒18的处理和/或将摩擦套筒适当定位，例如定位在工具存放容器内。下套筒44还可以包括表面特征，比如平面50，当下套筒螺纹连接到上套筒固持器46中时，表面特征可以有助于工具夹持下套筒。
32.参照图3、图4和图8，摩擦销20位于摩擦套筒18内，从而位于夹具16内。摩擦销20沿工具14的旋转轴线r与夹具16和摩擦套筒18同轴地对准。在所示的实施例中，摩擦销20具有位于销的近端或顶端的体育场形或长圆形安装头52。例如，当沿着摩擦销20轴向观察时，安装头52的具有长边的中心部分是矩形的，而安装头的较短端部是半圆形的。安装头52的体育场形状匹配主轴的内部部分中的类似形状的开口或安装槽。体育场形安装头52通过短颈部54附接到摩擦销20的主体。摩擦销20通过颈部54被主轴的内部部分捕获，并且在夹紧/焊接工件之前，通过体育场形安装头52悬挂在主轴上。应当认识到，安装头52可以具有各种形状，比如矩形。
33.通过摩擦销20旋转不到360
°
，摩擦销可与末端执行器上的主轴附接和分离。例如，可以顺时针旋转摩擦销20不到360
°
以附接摩擦销，以及逆时针旋转不到360
°
以使摩擦销分离(反之亦然)。在某些实施例中，通过摩擦销20相对于主轴旋转不到180
°
，例如通过摩擦销旋转四分之一圈(90
°
)或更小，摩擦销可与主轴附接和分离。可以看出，摩擦销20上的体育场形安装头52沿工具14的旋转轴线r位于与夹具16和摩擦套筒18上的径向突出安装突起不同的轴向位置处。例如，体育场形安装头52被定位成沿工具14的轴线r高于夹具16和摩擦套筒18上的安装突起40、42。体育场形安装头52还定位在夹具16和摩擦套筒18上的安装突起
40、42的径向内侧。
34.在图3、图4以及图6至图8中可以看出，摩擦销20比摩擦套筒18长，并且摩擦套筒比夹具16长。在某些实施例中，回填式摩擦搅拌点焊工具14是水冷的。夹具固持器36可以包括用于输送从末端执行器接收的冷却水的密封水孔或配件58(图4)。
35.图5提供了朝向回填式摩擦搅拌点焊工具14的远端看到的末端执行器26的一部分的立体图。可以看出，摩擦套筒18和摩擦销20可以与夹具16的远端齐平。夹具固持器36通过夹具接纳器34上的安装槽60附接到末端执行器26上的夹具接纳器。
36.图9和图10示出了夹具接纳器34和末端执行器的焊头的主轴。主轴具有固持并驱动摩擦套筒的外部部分62、以及固持并驱动摩擦销的内部部分64。在回填式摩擦搅拌点焊期间，主轴的部分62、64沿相同方向旋转；然而，主轴的部分通过末端执行器上的伺服马达可沿着主轴的旋转轴线独立地来回线性运动。主轴的内部部分64具有用于接纳摩擦销的体育场形安装头的体育场形槽66。摩擦销的安装头插入体育场形槽66中，并且销围绕其颈部旋转并被捕获。主轴的外部部分62具有用于接纳摩擦套筒上的径向突出突起的安装槽68。安装槽68的数量与摩擦套筒上的安装突起的数量相等。安装槽68具有引向周向部分的轴向部分，使得摩擦套筒可以轴向插入到主轴的外部部分62中并相对于主轴旋转。在执行焊接操作之前，摩擦套筒通过其位于安装槽68的周向部分上的安装突起悬挂在主轴上。主轴沿一个方向旋转，用于将摩擦套筒和摩擦销保持在适当位置而不需要附加的锁定机构。然而，如果需要，可以提供设置锁定机构(例如，比如伸缩销等可选择性地展开的销)。槽68的周向部分可以包括机械止动件，用于限制摩擦套筒相对于主轴旋转。
37.夹具接纳器34还具有安装槽60，这些安装槽具有通向周向部分的轴向部分，使得夹具可以轴向插入夹具接纳器34并相对于夹具接纳器旋转。槽的周向部分可以是通过夹具的径向突出安装突起支撑夹具的支架的形式。槽60的周向部分可以包括机械止动件，用于限制夹具相对于夹具接纳器34旋转。安装槽60的数量与夹具上的安装突起的数量相等。夹具接纳器34不旋转。为了有助于将夹具锁定在适当位置，末端执行器可以包括锁定机构70(例如，伸缩销等可选择性地展开的销)，当处于适当位置，锁定机构防止夹具旋转或从安装槽60中退出。锁定机构70还可以有助于在焊头内旋转地定向夹具和/或摩擦套筒。
38.在某些实施例中，摩擦销、摩擦套筒和夹具可以作为套件一起提供，可以作为组装好的工具或者作为后续组装的单独部件提供。在某些实施例中，摩擦销、摩擦套筒和夹具可以同时安装在焊头上。摩擦销、摩擦套筒和夹具也可以一次安装一个，例如，摩擦套筒在已安装的摩擦销上滑动，然后夹具安装到摩擦套筒上。摩擦销、摩擦套筒和夹具可以手动安装或通过机械臂自动安装。尽管上面已经描述了突起与槽快速连接安装系统，但是应当理解，回填式摩擦搅拌点焊工具上可以采用其他快速连接安装系统。例如，可以设置球锁快速连接，以将摩擦销、摩擦套筒和/或夹具与末端执行器附接/分离。球锁快速连接可以包括在焊头内的偏置系留球，当部件相对于焊头轴向平移时，偏置系留球可径向移动以捕获回填式摩擦搅拌点焊工具的部件。例如，系留球可以接合工具部件上的凹形槽以将工具部件附接到焊头。
39.已在上述关于安装在机械臂上的末端执行器的上下文中详细讨论了快速连接回填式摩擦搅拌点焊工具。然而，应当认识到，快速连接工具也可以用于其他类型的再填充搅拌摩擦点机器，例如龙门式机器和基座式机器。
40.应该清楚的是，本披露内容是通过举例的方式，并且在不脱离本披露内容中所包含的传授内容的合理范围的情况下，可以通过添加、更改或去除细节来作出各种改变。因此，本发明不限于本披露内容的具体细节，除非所附权利要求被必要地如此限定。