CN111250880B - 一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位装置及方法，包括床身，床身上沿X向设有若干个用于带筋壁板定位的定位工装，定位工装的数量根据带筋壁板的尺寸和形状进行适应性调整，定位工装包括滑动设在床身上的用于X向移动的移动箱体，移动箱体上设有用于Y向和Z向移动的伸缩定位杆，伸缩定位杆顶端设有用于固定带筋壁板的真空吸盘；移动箱体上设有用于带筋壁板支撑的支撑机构，本发明能够实现多种形面多种尺寸的带筋壁板焊接，提升焊接过程稳定性，有效控制焊接变形，提高了装配效率和自动化程度。

Description

一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位装置及方法。

背景技术

带筋壁板是飞机结构中运用广泛的承力部件，一般由刚度较小、具有特殊曲面构型的薄壁蒙皮和长直桁条加工而成。激光焊接具有焊接速度高、焊后变形小、焊缝质量好以及易于实现自动化等优点。T型接头双光束激光焊接工艺代替传统的铆接用于带筋壁板的制造，可大幅降低结构重量系数，实现机体的轻量化；蒙皮背面非穿透的接头形式可以满足飞机整体气动外形的准确、流线光滑以及表面无缺陷等要求。

飞机带筋壁板具有品种多，批量小等特点，其传统生产模式采用固定实体的专用模具贴合蒙皮定位，再进行桁条的装配和焊接。这些固定实体模具尺寸规格大，存放占用场地大，利用率低，一旦飞机外形设计改动，就要对现有模具进行修换，增加了设备成本和零件研制周期；此外固定实体模具的装配需要设置大量固定点位，所需夹具的复杂程度和占用空间成倍增加，容易造成空间结构的干涉。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位装置及方法，能够实现多种形面多种尺寸的带筋壁板焊接，提升焊接过程稳定性，有效控制焊接变形，提高了装配效率和自动化程度。

第一方面，本发明的实施例提出了一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位装置，包括床身，床身上沿X向设有若干个用于带筋壁板定位的定位工装，定位工装包括滑动设在床身上的用于沿X向移动的移动箱体，移动箱体上设有用于Y向和Z向移动的伸缩定位杆，伸缩定位杆顶端设有用于固定带筋壁板的真空吸盘，移动箱体上设有用于带筋壁板支撑的支撑机构，支撑机构包括由下至上依次设置的用于支撑机构移动的平移单元、用于支撑机构高度调节的升降单元和用于支撑机构角度调节的转动单元，平移单元包括沿移动箱体长度方向设置的两条滑轨且两条滑轨平行设置，两条滑轨之间设有平移滑台，平移滑台下方设置丝杆螺母，丝杆螺母中部穿设有丝杆，丝杆一端通过第一联轴器连接有第一电机；升降单元包括竖直设在平移滑台上端面中央的电动推杆，平移滑台上端面还设有为电动推杆提供动力的第二电机；转动单元包括与电动推杆顶部固定连接的升降平台，升降平台上端面设有两个第二轴承座，两个第二轴承座之间设有转轴且转轴轴线与丝杆轴线相垂直，转轴中部设有蜗轮，蜗轮正下方设有与蜗轮啮合的蜗杆，蜗杆通过第二联轴器连接有第三电机，蜗杆转轴两侧均固定设有挂耳，挂耳上设有用于带筋壁板支撑的支撑板，第一电机、第二电机和第三电机均与控制器电性连接。

进一步地，所述真空吸盘与伸缩定位杆之间通过万向节连接。

进一步地，所述丝杆两端通过第一轴承座支撑在移动箱体上。

进一步地，所述第一电机通过第一连接板固定在移动箱体上端面，第三电机通过第二连接板固定在升降平台上。

进一步地，所述升降单元还包括竖直设在平移滑台上端面四角的导向伸缩杆。

进一步地，所述支撑板上端面开设有沟槽，沟槽内安装有铜条。

第二方面，本发明的实施例提出了一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位方法，利用第一方面所述的定位装置，包括如下步骤：

步骤1：将带筋壁板数字模型导入离线编程软件，获得每处待支撑位置的空间坐标，并根据空间坐标规划支撑机构的运动轨迹和伸缩定位杆的位置；

步骤2：按照步骤1中规划的伸缩定位杆位置调整好定位工装的位置，并将待焊接带筋壁板放置定位工装上，并通过真空吸盘固定待焊接带筋壁板；

步骤3：控制器将步骤1中的运动轨迹转化为电信号并传输至控制第一电机、第二电机和第三电机，并驱动支撑机构移动至待焊位置；

步骤4：利用外部的工业机器人抓取并装配桁条，完成该待焊位置的激光焊接；

步骤5：支撑机构按照步骤1中的运动轨迹重复步骤3和步骤4直至将所有桁条焊接完成。

步骤6：消除真空吸盘的真空吸力，取下焊接后的带筋壁板。

进一步地，所述的所述的步骤1中将待焊接带筋壁板中最低处待焊位置定义为初始支撑位且此处空间坐标为(X₀,Z₁)，将其他待焊位置定义为下一支撑位且此处空间坐标为(X₂,Z₃)，所述的支撑机构的运动包括如下分步骤：

步骤1.1：通过第一电机将支撑机构平移至下一支撑位的下方且此处空间坐标为(X₁,Z₁)；

步骤1.2：通过第三电机调整支撑机构的角度，旋转角度为a且此处空间坐标为(X₂,Z₂)；

步骤1.3：通过第二电机调整支撑机构的高度到达下一支撑位且此处空间坐标为(X₂,Z₃)，此时支撑板与带筋壁板的背面相切从而对带筋壁板进行支撑。

步骤1.4：待完成一处桁条的焊接后，支撑机构返回初始支撑位，重复步骤1.1至步骤1.3直至将所有桁条焊接完成。

进一步地，所述的步骤1.1中支撑机构对的平移距离X₁通过如下公式1推得，步骤1.3中支撑机构的提升高度为Z₃-Z₂通过如下公式2推得：

X₁＝X₂+Z₁sina 公式1

Z₃-Z₂＝Z₃-Z₁cosa 公式2。

进一步地，所述的旋转角度a的数值、sina和cosa的数字依据待焊位置带筋壁板背面切线的斜率tana推得。

综上，本发明通过定位工装实现多种形面、多种尺寸的带筋壁板的定位固定，通过支撑机构，在桁条与壁板焊接的过程中实现支撑，提升了焊接过程稳定性，有效控制了焊接变形，并且通过控制器实现了支撑机构的自动移动，可以满足不同位置桁条的焊接，提高了装配效率和自动化程度；通过设置铜条，能够在焊接时起到良好的导热作用，减小焊接接头受热变形，通过本发明中的定位方法，能够适用不同形面带筋壁板的支撑同时进一步提高了装配效率和自动化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明定位工装的结构示意图；

图2是激光焊接工艺示意图；

图3是本发明整体结构示意图；

图4是本发明中支撑机构结构示意图；

图5是图4中A区域的局部放大图；

图6是本发明中支撑机构移动示意图；

图7是本发明中支撑机构移动原理示意图。

图中：

1、床身2、移动箱体3、伸缩定位杆4、带筋壁板5、真空吸盘6、滑轨7、第一轴承座8、第一电机9、第一连接板10、第一联轴器11、平移滑台12、丝杆螺母13、丝杆14、电动推杆15、第二电机16、导向伸缩杆17、升降平台18、第二轴承座19、转轴20、蜗轮21、蜗杆22、第二联轴器23、第三电机24、第二连接板25、挂耳26、支撑板27、铜条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1至图7所示是本发明实施例的一种用于带筋壁板4激光焊接的支撑定位装置，包括床身1，床身1上沿X向设有若干个用于带筋壁板4定位的定位工装，定位工装包括滑动设在床身1上的用于沿X向移动的移动箱体2，移动箱体2上设有用于Y向和Z向移动的伸缩定位杆3，伸缩定位杆3顶端设有用于固定带筋壁板4的真空吸盘5；移动箱体2上设有用于带筋壁板4支撑的支撑机构，支撑机构包括由下至上依次设置的用于支撑机构移动的平移单元、用于支撑机构高度调节的升降单元和用于支撑机构角度调节的转动单元，平移单元包括沿移动箱体2长度方向设置的两条滑轨6且两条滑轨6平行设置，两条滑轨6之间设有平移滑台11，平移滑台11滑动设在滑轨6上，平移滑台11下方设置丝杆螺母12，丝杆螺母12中部穿设有丝杆13，丝杆13一端通过第一联轴器10连接有第一电机8；升降单元包括竖直设在平移滑台11上端面中央的电动推杆14，平移滑台11上端面还设有为电动推杆14提供动力的第二电机15；转动单元包括与电动推杆14顶部固定连接的升降平台17，升降平台17上端面设有两个第二轴承座18，两个第二轴承座18之间设有转轴19且转轴19轴线与丝杆轴线相垂直，转轴19中部设有蜗轮20，蜗轮20正下方设有与蜗轮20啮合的蜗杆21，蜗杆21通过第二联轴器22连接有第三电机23，蜗杆21转轴19两侧均固定设有挂耳25，挂耳25上设有用于带筋壁板4支撑的支撑板26，第一电机8、第二电机15和第三电机23均与控制器电性连接，本实施例中的控制器可以为PLC或单片机。

为了实现真空吸盘5的360°转向，便于对多种形面壁板实现固定，本发明一具体实施例，所述真空吸盘5与伸缩定位杆3之间通过万向节连接。

本发明一具体实施例，所述丝杆两端通过第一轴承座7支撑在移动箱体2上。

为了使电机更加稳定的固定，本发明一具体实施例，所述第一电机8通过第一连接板9固定在移动箱体2上端面，第三电机23通过第二连接板24固定在升降平台17上。

为了提高升降平台17升降稳定性和准确性，本发明一具体实施例，所述升降单元还包括竖直设在平移滑台11上端面四角的导向伸缩杆16。

为了减小焊接接头受热变形，本发明一具体实施例，所述支撑板26上端面开设有沟槽，沟槽内安装有铜条27。

第二方面，本发明的实施例提出了一种用于带筋壁板4激光焊接的支撑定位方法，利用第一方面所述的定位装置，包括如下步骤：

步骤1：将带筋壁板4数字模型导入离线编程软件，获得每处待支撑位置的空间坐标，并根据空间坐标规划支撑机构的运动轨迹和伸缩定位杆3的位置；

步骤2：按照步骤1中规划的伸缩定位杆3位置调整好定位工装的位置，并将待焊接带筋壁板4放置定位工装上，并通过真空吸盘5固定待焊接带筋壁板4；

步骤3：控制器将步骤1中的运动轨迹转化为电信号并传输至控制第一电机8、第二电机15和第三电机23，并驱动支撑机构移动至待焊位置；

步骤4：利用外部的工业机器人抓取并装配桁条，完成该待焊位置的激光焊接；

步骤5：支撑机构按照步骤1中的运动轨迹重复步骤3和步骤4直至将所有桁条焊接完成。

步骤6：消除真空吸盘的真空吸力，取下焊接后的带筋壁板。

本发明一具体实施例，所述的步骤1中将待焊接带筋壁板中最低处待焊位置定义为初始支撑位且此处空间坐标为(X₀,Z₁)，将其他待焊位置定义为下一支撑位且此处空间坐标为(X₂,Z₃)，所述的支撑机构的运动包括如下分步骤：

步骤1.1：通过第一电机将支撑机构平移至下一支撑位的下方且此处空间坐标为(X₁,Z₁)；

步骤1.2：通过第三电机调整支撑机构的角度，旋转角度为a且此处空间坐标为(X₂,Z₂)；

步骤1.3：通过第二电机调整支撑机构的高度到达下一支撑位且此处空间坐标为(X₂,Z₃)，此时支撑板与带筋壁板的背面相切从而对带筋壁板进行支撑。

步骤1.4：待完成一处桁条的焊接后，支撑机构返回初始支撑位，重复步骤1.1至步骤1.3直至将所有桁条焊接完成。

本发明一具体实施例，所述的步骤1.1中支撑机构对的平移距离X₁通过如下公式1推得，步骤1.3中支撑机构的提升高度为Z₃-Z₂通过如下公式2推得：

X₁＝X₂+Z₁sina 公式1

Z₃-Z₂＝Z₃-Z₁cosa 公式2。

本发明一具体实施例，所述的旋转角度a的数值、sina和cosa的数字依据待焊位置带筋壁板4背面切线的斜率tana推得。

具体实施例1：以支撑机构由最低处待焊位置即初始支撑位向邻近初始支撑位的待焊位置移动过程为例，该支撑位的空间坐标为(X₂,Z₃)，则平移位置的空间坐标为(X₁,Z₁)，旋转位置的空间坐标为(X₂,Z₂)，则支撑机构平移距离X₁＝X₂+Z₁sina，支撑机构提升高度Z₃-Z₂＝Z₃-Z₁cosa，由于带筋壁板4背面切线的斜率tana已知，则角度a的数值根据arctana得到，根据本领域的公知常识，角度a的数值小于360°，因此根据arctana得到的角度a的数值唯一。当角度a的数值得到后，sina和cosa的数值随即得出，从而得到平移距离和提升高度。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位方法，其特征在于，利用的定位装置包括床身，床身上沿X向设有若干个用于带筋壁板定位的定位工装，定位工装包括滑动设在床身上的用于沿X向移动的移动箱体，所述移动箱体上设有用于Y向和Z向移动的伸缩定位杆，所述伸缩定位杆顶端设有用于固定带筋壁板的真空吸盘，所述移动箱体上设有用于带筋壁板支撑的支撑机构，所述支撑机构包括由下至上依次设置的用于支撑机构移动的平移单元、用于支撑机构高度调节的升降单元和用于支撑机构角度调节的转动单元，平移单元包括沿移动箱体长度方向设置的两条滑轨且两条滑轨平行设置，两条滑轨之间设有平移滑台，平移滑台下方设置丝杆螺母，丝杆螺母中部穿设有丝杆，丝杆一端通过第一联轴器连接有第一电机；升降单元包括竖直设在平移滑台上端面中央的电动推杆，平移滑台上端面还设有为电动推杆提供动力的第二电机；转动单元包括与电动推杆顶部固定连接的升降平台，升降平台上端面设有两个第二轴承座，两个第二轴承座之间设有转轴且转轴轴线与丝杆轴线相垂直，转轴中部设有蜗轮，蜗轮正下方设有与蜗轮啮合的蜗杆，蜗杆通过第二联轴器连接有第三电机，蜗杆转轴两侧均固定设有挂耳，挂耳上设有用于带筋壁板支撑的支撑板，第一电机、第二电机和第三电机均与控制器电性连接；所述真空吸盘与伸缩定位杆之间通过万向节连接，所述丝杆两端通过第一轴承座支撑在移动箱体上，所述第一电机通过第一连接板固定在移动箱体上端面，第三电机通过第二连接板固定在升降平台上，所述升降单元还包括竖直设在平移滑台上端面四角的导向伸缩杆，所述支撑板上端面开设有沟槽，沟槽内安装有铜条，所述的支撑定位方法包括如下步骤：

步骤1：将带筋壁板数字模型导入离线编程软件，获得每处待支撑位置的空间坐标，并根据空间坐标规划支撑机构的运动轨迹和伸缩定位杆的位置；

步骤2：按照步骤1中规划的伸缩定位杆位置调整好定位工装的位置，并将待焊接带筋壁板放置定位工装上，并通过真空吸盘固定待焊接带筋壁板；

步骤3：控制器将步骤1中的运动轨迹转化为电信号并传输至控制第一电机、第二电机和第三电机，并驱动支撑机构移动至待焊位置；

步骤4：利用外部的工业机器人抓取并装配桁条，完成该待焊位置的激光焊接；

步骤5：支撑机构按照步骤1中的运动轨迹重复步骤3和步骤4直至将所有桁条焊接完成；

步骤6：消除真空吸盘的真空吸力，取下焊接后的带筋壁板。

2.根据权利要求1所述的一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位方法，其特征在于，所述的步骤1中将待焊接带筋壁板中最低处待焊位置定义为初始支撑位且此处空间坐标为(X₀,Z₁)，将其他待焊位置定义为下一支撑位且此处空间坐标为(X₂,Z₃)，所述的支撑机构的运动包括如下分步骤：

步骤1.1：通过第一电机将支撑机构平移至下一支撑位的下方且此处空间坐标为(X₁,Z₁)；

步骤1.2：通过第三电机调整支撑机构的角度，旋转角度为a且此处空间坐标为(X₂,Z₂)；

步骤1.3：通过第二电机调整支撑机构的高度到达下一支撑位且此处空间坐标为(X₂,Z₃)，此时支撑板与带筋壁板的背面相切从而对带筋壁板进行支撑；

步骤1.4：待完成一处桁条的焊接后，支撑机构返回初始支撑位，重复步骤1.1至步骤1.3直至将所有桁条焊接完成。

3.根据权利要求2所述的一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位方法，其特征在于，所述的步骤1.1中支撑机构对的平移距离X₁通过如下公式1推得，步骤1.3中支撑机构的提升高度为Z₃-Z₂通过如下公式2推得：

X₁＝X₂+Z₁sina 公式1

Z₃-Z₂＝Z₃-Z₁cosa 公式2。

4.根据权利要求3所述的一种用于带筋壁板激光焊接的支撑定位方法，其特征在于，所述的旋转角度a的数值、sina和cosa的数字依据待焊位置带筋壁板背面切线的斜率tana推得。

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