CN119407304A - 一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，包括夹具底座、夹持组件、测温组件、超声波辅助组件和控制器；夹持组件包括数个竖向按压组件和数个水平推压组件，测温组件包括测温器和旋转控制台，超声波辅助组件包括超声波换能器和三轴位移台，本发明用于搅拌摩擦焊。本发明利用液压缸、挡块、压块和压盘结合的方式对被焊件进行固定定位，配合以测温装置、滚珠丝杠模组、舵机、传感器等，有效提高了本发明夹具的自动化水平，使本发明夹具的适应性更加广泛；由于超声震动的引入降低了材料的变形抗力，提高了材料的塑形流动性，降低了焊接阻力，使得搅拌摩擦焊可以在更高的焊接速度下进行，从而提高焊接效率。

Description

一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊夹具，特别涉及一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固态焊接技术，将被焊件固定在搅拌摩擦焊夹具上，通过旋转工具的摩擦产生的热量来塑性变形和接合材料。传统的搅拌摩擦焊焊接技术存在一定的不足之处，例如，焊接过程中的热输入和材料的塑性变形分布可能不均匀，导致焊接接头的质量和强度不稳定；传统的搅拌摩擦焊依赖于较高的摩擦热输入，可能导致长时间的焊接过程，降低了生产效率；不仅如此，焊接表面可能存在氧化层或其他污染物，这会影响焊接的界面质量和强度；此外，在某些情况下，焊接工具与被焊件之间的接触力和摩擦力不均匀，可能引起局部的震动，导致焊接质量问题。现有的搅拌摩擦焊夹具无法解决上述技术问题，并且现有的搅拌摩擦焊夹具的夹持方式比较单一，无法提供多向性的有效夹持，容易造成被焊件的微小位移影响焊接精准度；现有的搅拌摩擦焊夹具由于其支撑结构的设计限制，导致只能夹持固定形状或大小的被焊件，适用范围小；此外，现有的搅拌摩擦焊夹具自动化程度比较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，包括夹具底座、夹持组件、测温组件、超声波辅助组件和控制器；所述的夹具底座包括上下两层，所述的夹具底座的上层设有中空凸台，中空凸台的周圈设有卡槽，中空凸台上设有数个支撑板，支撑板的两端卡接在卡槽内，并能够在卡槽内滑动和/或固定，至少有一对相邻支撑板之间预留有一定距离的间隔；所述的夹持组件固定在夹具底座的上层，包括数个竖向按压组件和数个水平推压组件，竖向按压组件和水平推压组件围绕中空凸台布置；所述的测温组件包括测温器和旋转控制台，测温器设在旋转控制台上，旋转控制台固定在夹具底座的上层；所述的超声波辅助组件包括超声波换能器和三轴位移台，超声波换能器设在三轴位移台上，三轴位移台固定在夹具底座的下层；所述的控制器设在夹具底座上，夹持组件、测温组件和超声波辅助组件分别与控制器相连。

所述夹具底座的中空凸台的顶部设有定位板，定位板呈环形结构，与中空凸台之间的间隙形成卡槽；定位板包括固定定位板和活动定位板，固定定位板与中空凸台固定连接，活动定位板能够拆卸及与中空凸台固定；定位板上设有数个并列设置的定位连接孔；所述的支撑板为条形，两端设有插接头，插接头上设有连接孔，中间设有凸起支撑部，凸起支撑部的上表面设有减震凸起点；支撑板通过插接头插接在中空凸台的卡槽内，使用螺栓通过定位板上的定位连接孔与支撑板上插接头的连接孔进行拧紧固定。

所述的竖向按压组件包括按压液压缸、压杆、连杆；所述的按压液压缸固定在夹具底座的上层，按压液压缸竖向设置，压杆的一端与按压液压缸的液压杆枢轴连接，压杆的另一端设有按压部，按压部包括压块和压盘；所述连杆的一端与按压液压缸的缸体枢轴连接，连杆的另一端与压杆枢轴连接，与压杆的连接部位位于按压液压缸和按压部之间，使压杆形成杠杆结构；按压液压缸与控制器相连，受控制器控制。

进一步的，所述的压块的上端与压杆的端部固定连接，压块的下表面设有减震凸起点。所述的压盘包括减震压盘和长距压盘；所述的减震压盘的上部与压杆的端部固定连接，减震压盘的下表面设有安装槽，安装槽上设有减震压块，减震压块嵌入式安装在安装槽内；所述的减震压块的内部设有上下贯通的螺旋形通孔；所述的减震压盘上设有与安装槽连通的散热通孔，散热通孔的外部设有散热器；所述的长距压盘的上部与压杆的端部固定连接，长距压盘上设有数个上下贯通的螺纹通孔，螺纹通孔上螺接有螺纹压杆，螺纹压杆的下端设有减震凸起，螺纹压杆能够上下调节伸出长度。

所述的减震凸起点为减震材料，包括橡胶材料、ACF材料等。

所述的水平推压组件包括推压液压缸、推板，所述的推压液压缸通过液压缸安装座固定在夹具底座的上层，推压液压缸水平设置，推板与推压液压缸的液压杆固定连接；推压液压缸与控制器相连，受控制器控制。

进一步的，所述的中空凸台上还设有第一挡板和第二挡板；第一挡板和第二挡板分别设在中空凸台的两相邻边的定位板上；水平推压组件分别设在第一挡板和第二挡板相对的另外两侧；水平推压组件的推板与第一挡板和第二挡板的高度相同，水平相对设置；所述的竖向按压组件分为两组，相对设于中空凸台的两侧。

所述测温组件的旋转控制台包括舵机支架、第一舵机、转盘、第二舵机、测温器连接架，所述的舵机支架固定在夹具底座的上层，第一舵机固定在舵机支架内，第一舵机的旋转轴竖直穿过舵机支架的上板，与转盘相连；第二舵机设在转盘上，第二舵机的旋转轴水平设置；测温器连接架的下端与第二舵机的旋转轴固定连接，第二舵机带动测温器连接架上下摆动；测温器固定在测温器连接架上部；第一舵机、第二舵机和测温器分别与控制器相连，受控制器控制，并与控制器进行数据传输。

所述超声波辅助组件的三轴位移台包括位移台底座、导轨、连接板、滑块、电机连接板、滚珠丝杠模组、齿轮齿条模组、电动推杆、舵机底座、第三舵机、换能器连接架；所述的位移台底座固定在夹具底座的下层，导轨设置在位移台底座上，连接板下端通过滑块与导轨滑动连接；电机连接板设在位移台底座的一端；滚珠丝杠模组设在位移台底座上，与导轨平行设置；滚珠丝杠模组的电机固定在电机连接板上，滚珠丝杠模组的丝杠螺母与连接板的底部固定连接；齿轮齿条模组设在连接板上，齿轮齿条模组的运动方向与滚珠丝杠模组的运动方向在水平方向上垂直；电动推杆的外壳下端固定在齿轮齿条模组的位移板上，电动推杆的推杆竖直向上设置；舵机底座与电动推杆的推杆顶端固定连接，第三舵机设在舵机底座上，第三舵机的旋转轴水平设置；换能器连接架的下端与第三舵机的旋转轴固定连接，第三舵机带动换能器连接架上下摆动；超声波换能器固定在换能器连接架上部；换能器连接架上还设有位置传感器；夹具底座上层中空凸台上的支撑板上还设有数个等间隔并列设置的震动传感器；滚珠丝杠模组、齿轮齿条模组、电动推杆、第三舵机、超声波换能器、位置传感器、震动传感器分别与控制器相连，受控制器控制，并与控制器进行数据传输。

本发明的工作原理：

本发明提供的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，用于搅拌摩擦焊。

所述夹具底座上层的中空凸台用于放置被焊件，中空凸台的周圈所设置的卡槽用于卡接支撑板，相邻两支撑板之间预留有一定距离的间隔，被焊件放置于支撑板上，焊缝对应在支撑板之间的间隔处。支撑板在卡槽内能够滑动调整位置，定位后通过螺栓固定防止位移。所述的夹持组件中的数个竖向按压组件用于对被焊件提供竖向按压作用，数个水平推压组件用于对被焊件提供水平按压作用，竖向按压组件和水平推压组件围绕中空凸台布置，共同对被焊件进行定位；所述的测温组件的测温器在旋转控制台的带动下能够旋转摆动和俯仰摆动，使测温器的探头能够覆盖中空凸台的全部位置，测量被焊件焊缝位置的温度。所述的超声波辅助组件中的超声波换能器能够在三轴位移台的带动下进行水平方向的横纵移动以及竖直方向的上下移动，超声波换能器发出高频超声波使被焊件产生高频震动，清除焊接表面可能存在的氧化层或颗粒污染物，并且降低材料的变形抗力，提高材料的塑形流动性，降低焊接阻力；所述的控制器用于控制夹持组件、测温组件和超声波辅助组件的启停及数据传输，提高设备的自动化程度。

所述的竖向按压组件的按压液压缸竖向伸缩液压杆，使压杆以连杆为支点形成杠杆结构，压杆另一端通过按压部对被焊件进行按压。控制器控制按压液压缸的工作。

所述的压块的下表面设置的减震凸起点在与被焊件接触时能起到减震防滑的作用。

所述的减震压盘下部的减震压块在与被焊件接触时能起到减震防滑的作用，同时减震压块的内部的上下贯通的螺旋形通孔增强减震压块的吸能与减震效果、改善减震压块的力学性能、提高减震压块弹性和恢复性，并且还增加空气流通性、散热能力和耐磨性，起到减震和散热通风的作用；减震压盘上的散热器通过散热通孔与减震压块的螺旋形通孔连通，在焊接过程中帮助被焊件进行散热。

所述的长距压盘上螺接的螺纹压杆能够上下调节，根据异形被焊件的表面高度差调节螺纹压杆的下端长度，以适应不同表面高度差的异形被焊件；螺纹压杆下端的减震凸起在与被焊件接触时能起到减震防滑的作用。

所述的水平推压组件的推压液压缸推动推板水平方向上移动，对被焊件提供水平方向上的压力。控制器控制推压液压缸的工作。

所述的中空凸台上的第一挡板和第二挡板与水平推压组件相对设置，配合水平推压组件提供对被焊件的水平方向的定位作用；所述的竖向按压组件分为两组相对设置，留出被焊件的焊缝位置，方便焊接及测温。

所述测温组件的旋转控制台中，第一舵机带动转盘旋转，驱动第二舵机在水平方向上摆动；第二舵机带动测温器连接架俯仰摆动，驱动测温器俯仰摆动，第一舵机和第二舵机共同作用驱动测温器运动，使其能够测量中空凸台的所有位置的温度。控制器控制第一舵机、第二舵机和测温器的工作，并进行数据传输。

所述超声波辅助组件的三轴位移台中，连接板在滚珠丝杠模组的驱动下，通过滑块沿导轨滑动，带动齿轮齿条模组移动；齿轮齿条模组的驱动下，带动电动推杆移动，齿轮齿条模组的运动方向与滚珠丝杠模组的运动方向在水平方向上垂直，使超声波换能器在水平方向横纵运动；电动推杆的竖向伸缩带动第三舵机及超声波换能器竖向上下运动。第三舵机带动换能器连接架在一定角度范围内俯仰摆动，增加超声波换能器的作用范围；位置传感器用于检测超声波换能器的空间位置。支撑板上设置的震动传感器用于检测被焊件的震动频率。控制器控制滚珠丝杠模组、齿轮齿条模组、电动推杆、第三舵机、超声波换能器、位置传感器和震动传感器的工作，并进行数据传输。

本发明的使用方法：

先根据被焊件的形状、结构选择数个合适尺寸宽度的支撑板，将支撑板插接在夹具底座的中空凸台上；支撑板与支撑板之间留有一定宽度的间隔，将被焊件放置在支撑板上，焊缝对准支撑板之间的间隔。

被焊件的两相邻边分别抵接在第一挡板和第二挡板上，通过控制器控制另外两边的水平推压组件水平伸出推板，在水平方向上推挤固定住被焊件；随后通过控制器控制竖向按压组件将被焊件竖向压紧固定。

全自动焊接控制方法如下：

首先在中空凸台的中空区域建立空间坐标系，确定被焊件及其焊缝的空间坐标；

将搅拌头、测温组件的测温器、超声波辅助组件的超声波换能器位置初始化，位置传感器和震动传感器数据初始化；并同步到同一坐标系，即中空凸台的空间坐标系；根据焊缝确定焊接路线；

焊缝的起点位置作为搅拌头和超声波换能器的起始位置，焊接路线作为搅拌头和超声波换能器的平面运动路径；焊缝的起点位置作为测温器的测温采集起始位置，焊接路线作为测温器的测温路径；

焊接开始前，测温器和超声波换能器同时启动，测温器测量出焊接前焊点的初始温度，并传输给控制器存储；超声波换能器发出预设的高频超声波，对焊缝进行清洁；

焊接开始后，搅拌头按照预设速率开始移动对焊缝进行焊接；测温器和超声波换能器随着搅拌头的运动位置开始移动；超声波换能器在三维移动过程中，还进行一定角度范围的俯仰摆动；

测温器实时采集焊点的温度值，并传输给控制器；将焊点的实时温度与控制器中预设的最高限制温度进行比对，如果实时温度高于最高限制温度，则控制器控制焊接过程停止并发出警报；

位置传感器实时采集超声波换能器的空间位置坐标，并传输给控制器；如果超声波换能器的空间位置坐标超出预定的焊接路线范围，则控制器控制焊接过程停止并发出警报；

震动传感器实时采集震动频率数据，并传输给控制器；将焊点的实时震动频率与控制器中预设的震动频率范围值进行比对，如果焊点的实时震动频率高于预设的震动频率范围最高值，则控制超声波换能器向下移动一定距离，使焊点的实时震动频率保持在预设的震动频率范围内；如果焊点的实时震动频率低于预设的震动频率范围最低值，则控制超声波换能器向上移动一定距离，使焊点的实时震动频率保持在预设的震动频率范围内；

当搅拌头走完全部焊接路线后停止搅拌，超声波换能器停止工作；测温器沿着焊接路线循环往复测量焊缝温度，直到整条焊缝的温度全部冷却至低于安全温度值后，控制器才能允许水平推压组件和竖向按压组件释放压力，完成焊接过程。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，通过上下分层的结构设计，可以实现在上层夹持被焊件，在下层进行超声波辅助；同时本发明采用支撑板式的支撑方式，可以根据需求来改变支撑板形状和尺寸，不仅可以有效夹持被焊件，还可以在被焊件底面进行不同位置上的超声波辅助；本发明所采用的带有螺旋通孔的减震压块，可以有效减少由于超声波震动带给夹具整体的影响，散热器也可以更好地将减震压块保持在一个合适的温度；本发明利用液压缸、挡块、压块和压盘结合的方式对被焊件进行固定定位，避免了因压紧力不足而导致的焊接失败现象，再配合以测温装置、滚珠丝杠模组、舵机、传感器等，有效提高了本发明夹具的自动化水平，使本发明夹具的适应性更加广泛；由于超声震动的引入降低了材料的变形抗力，提高了材料的塑形流动性，降低了焊接阻力，使得搅拌摩擦焊可以在更高的焊接速度下进行，从而提高焊接效率。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图一；

图2为本发明整体结构示意图二；

图3为本发明夹具底座结构示意图；

图4为本发明侧视结构示意图；

图5为本发明竖向按压组件结构示意图一；

图6为本发明压盘结构示意图；

图7为本发明竖向按压组件结构示意图二；

图8为本发明竖向按压组件结构示意图三；

图9为本发明超声波辅助组件结构示意图；

1、夹具底座101、中空凸台102、卡槽103、支撑板104、固定定位板105、活动定位板106、定位连接孔107、减震凸起点108、第一挡板109、第二挡板；

2、夹持组件201、竖向按压组件202、水平推压组件203、按压液压缸204、压杆205、连杆206、压块207、压盘208、安装槽209、减震压块210、螺旋形通孔211、散热通孔212、散热器213、螺纹压杆214、推压液压缸215、推板216、液压缸安装座；

3、测温组件301、测温器302、旋转控制台303、舵机支架304、第一舵机305、转盘306、第二舵机307、测温器连接架；

4、超声波辅助组件401、超声波换能器403、位移台底座404、导轨405、连接板406、滑块407、电机连接板408、滚珠丝杠模组409、齿轮齿条模组410、电动推杆411、舵机底座412、第三舵机413、换能器连接架。

具体实施方式

参阅图1-4所示：本发明提供的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，包括夹具底座1、夹持组件2、测温组件3、超声波辅助组件4和控制器；所述的夹具底座1包括上下两层，所述的夹具底座1的上层设有中空凸台101，中空凸台101的周圈设有卡槽102，中空凸台101上设有数个支撑板103，支撑板103的两端卡接在卡槽102内，并能够在卡槽102内滑动和/或固定，至少有一对相邻支撑板103之间预留有一定距离的间隔，为超声波辅助组件4提供超声波作用空间；所述的夹持组件2固定在夹具底座1的上层，本实施例中包括六组竖向按压组件201和四组水平推压组件202，竖向按压组件201和水平推压组件202围绕中空凸台101布置；其中竖向按压组件201分为两组，相对设于中空凸台101的两侧。所述的测温组件3包括测温器301和旋转控制台302，测温器301设在旋转控制台302上，旋转控制台302固定在夹具底座1的上层；所述的超声波辅助组件4包括超声波换能器401和三轴位移台，超声波换能器401设在三轴位移台上，三轴位移台固定在夹具底座1的下层；所述的控制器设在夹具底座1上，夹持组件2、测温组件3和超声波辅助组件4分别与控制器相连。

所述夹具底座1的中空凸台101的顶部设有定位板，中空凸台101为矩形，定位板同样呈矩形结构，与中空凸台101之间的间隙形成卡槽102；定位板包括固定定位板104和活动定位板105，本实施例中固定定位板104包括一条长边和两条相邻的短边，固定定位板104的长边与中空凸台101固定连接，活动定位板105能够拆卸及与中空凸台101固定，目的是便于安装支撑板103；定位板上设有数个并列设置的定位连接孔106；所述的支撑板103为条形，两端设有插接头，插接头上设有连接孔，中间设有凸起支撑部，凸起支撑部的上表面设有数个等间隔阵列设置的减震凸起点107；支撑板103通过插接头插接在中空凸台101的卡槽102内，使用螺栓通过定位板上的定位连接孔106与支撑板103上插接头的连接孔进行拧紧固定。

所述的竖向按压组件201包括按压液压缸203、压杆204、连杆205；所述的按压液压缸203固定在夹具底座1的上层，按压液压缸203竖向设置，压杆204的一端与按压液压缸203的液压杆枢轴连接，压杆204的另一端设有按压部，按压部包括压块206和压盘207；所述连杆205的一端与按压液压缸203的缸体枢轴连接，连杆205的另一端与压杆204枢轴连接，与压杆204的连接部位位于按压液压缸203和按压部之间，使压杆204形成杠杆结构；按压液压缸203与控制器相连，受控制器控制。

参阅图5-8所示：所述的压块206的上端与压杆204的端部固定连接，压块206的下表面设有减震凸起点107。所述的压盘207包括减震压盘和长距压盘；所述的减震压盘的上部与压杆204的端部固定连接，减震压盘的下表面设有安装槽208，安装槽208上设有减震压块209，减震压块209嵌入式安装在安装槽208内；所述的减震压块209的内部设有上下贯通的螺旋形通孔210；所述的减震压盘上设有与安装槽208连通的散热通孔211，散热通孔211的外部设有散热器212；所述的长距压盘的上部与压杆204的端部固定连接，长距压盘上设有数个上下贯通的螺纹通孔，螺纹通孔上螺接有螺纹压杆213，螺纹压杆213的下端设有减震凸起点，螺纹压杆213能够上下调节伸出长度。

所述的减震凸起点107为减震材料，包括橡胶材料、ACF材料等。

所述的水平推压组件202包括推压液压缸214、推板215，所述的推压液压缸214通过液压缸安装座216固定在夹具底座1的上层，推压液压缸214水平设置，推板215与推压液压缸214的液压杆固定连接；推压液压缸214与控制器相连，受控制器控制。

所述的中空凸台101上还设有第一挡板108和第二挡板109；第一挡板108和第二挡板109通过螺栓分别设在中空凸台101的两相邻边的定位板上；水平推压组件202分别设在第一挡板108和第二挡板109相对的另外两侧；水平推压组件202的推板215与第一挡板108和第二挡板109的高度相同，水平相对设置。

所述测温组件3的旋转控制台302包括舵机支架303、第一舵机304、转盘305、第二舵机306、测温器连接架307，所述的舵机支架303固定在夹具底座1的上层，第一舵机304固定在舵机支架303内，第一舵机304的旋转轴竖直穿过舵机支架303的上板，与转盘305相连；第二舵机306设在转盘305上，第二舵机306的旋转轴水平设置；测温器连接架307的下端与第二舵机306的旋转轴固定连接，第二舵机306带动测温器连接架307上下摆动；测温器301固定在测温器连接架307上部；第一舵机304、第二舵机306和测温器301分别与控制器相连，受控制器控制，并与控制器进行数据传输。

参阅图9所示：所述超声波辅助组件4的三轴位移台包括位移台底座403、导轨404、连接板405、滑块406、电机连接板407、滚珠丝杠模组408、齿轮齿条模组409、电动推杆410、舵机底座411、第三舵机412、换能器连接架413；所述的位移台底座403固定在夹具底座1的下层，导轨404设置在位移台底座403上，连接板405下端通过滑块406与导轨404滑动连接；电机连接板407设在位移台底座403的一端；滚珠丝杠模组408设在位移台底座403上，与导轨404平行设置；滚珠丝杠模组408的电机固定在电机连接板407上，滚珠丝杠模组408的丝杠螺母与连接板405的底部固定连接；齿轮齿条模组409设在连接板405上，齿轮齿条模组409的运动方向与滚珠丝杠模组408的运动方向在水平方向上垂直；电动推杆410的外壳下端固定在齿轮齿条模组409的位移板上，电动推杆410的推杆竖直向上设置；舵机底座411与电动推杆410的推杆顶端固定连接，第三舵机412设在舵机底座411上，第三舵机412的旋转轴水平设置；换能器连接架413的下端与第三舵机412的旋转轴固定连接，第三舵机412带动换能器连接架413上下摆动；超声波换能器401固定在换能器连接架413上部；换能器连接架413上还设有位置传感器；夹具底座1上层中空凸台101上的支撑板103上还设有数个等间隔并列设置的震动传感器；滚珠丝杠模组408、齿轮齿条模组409、电动推杆410、第三舵机412、超声波换能器401、位置传感器、震动传感器分别与控制器相连，受控制器控制，并与控制器进行数据传输。

本发明的工作原理：

本发明提供的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，用于搅拌摩擦焊。

所述夹具底座1上层的中空凸台101用于放置被焊件，中空凸台101的周圈所设置的卡槽102用于卡接支撑板103，相邻两支撑板103之间预留有一定距离的间隔，被焊件放置于支撑板103上，焊缝对应在支撑板103之间的间隔处。支撑板103在卡槽102内能够滑动调整位置，定位后通过螺栓固定防止位移。所述的夹持组件2中的数个竖向按压组件201用于对被焊件提供竖向按压作用，数个水平推压组件202用于对被焊件提供水平按压作用，竖向按压组件201和水平推压组件202围绕中空凸台101布置，共同对被焊件进行定位；所述的测温组件3的测温器301在旋转控制台302的带动下能够旋转摆动和俯仰摆动，使测温器301的探头能够覆盖中空凸台101的全部位置，测量被焊件焊缝位置的温度。所述的超声波辅助组件4中的超声波换能器401能够在三轴位移台的带动下进行水平方向的横纵移动以及竖直方向的上下移动，超声波换能器401发出高频超声波使被焊件产生高频震动，清除焊接表面可能存在的氧化层或颗粒污染物，并且降低材料的变形抗力，提高材料的塑形流动性，降低焊接阻力；所述的控制器用于控制夹持组件2、测温组件3和超声波辅助组件4的启停及数据传输，提高设备的自动化程度。

所述的竖向按压组件201的按压液压缸203竖向伸缩液压杆，使压杆204以连杆205为支点形成杠杆结构，压杆204另一端通过按压部对被焊件进行按压。控制器控制按压液压缸203的工作。

所述的压块206的下表面设置的减震凸起点107在与被焊件接触时能起到减震防滑的作用。

所述的减震压盘下部的减震压块209在与被焊件接触时能起到减震防滑的作用，同时减震压块209的内部的上下贯通的螺旋形通孔210增强减震压块209的吸能与减震效果、改善减震压块209的力学性能、提高减震压块209弹性和恢复性，并且还增加空气流通性、散热能力和耐磨性，起到减震和散热通风的作用；减震压盘上的散热器212通过散热通孔211与减震压块209的螺旋形通孔210连通，在焊接过程中帮助被焊件进行散热。

所述的长距压盘上螺接的螺纹压杆213能够上下调节，根据异形被焊件的表面高度差调节螺纹压杆213的下端长度，以适应不同表面高度差的异形被焊件；螺纹压杆213下端的减震凸起在与被焊件接触时能起到减震防滑的作用。

本实施例中，每一侧竖向按压组件201有三组，中间的为主竖向按压组件201，两边的为辅助竖向按压组件201，主竖向按压组件201压住被焊件重心，辅助竖向按压组件201配合压住被焊件；其中一侧的主竖向按压组件201的按压部为减震压盘，两边的辅助竖向按压组件201的按压部为长距压盘；另一侧的主竖向按压组件201的按压部为减震压盘，两边的辅助竖向按压组件201的按压部为压块206。

所述的水平推压组件202的推压液压缸214推动推板215水平方向上移动，对被焊件提供水平方向上的压力。控制器控制推压液压缸214的工作。

所述的中空凸台101上的第一挡板108和第二挡板109与水平推压组件202相对设置，配合水平推压组件202提供对被焊件的水平方向的定位作用；所述的竖向按压组件201分为两组相对设置，留出被焊件的焊缝位置，方便焊接及测温。

所述测温组件3的旋转控制台302中，第一舵机304带动转盘305旋转，驱动第二舵机306在水平方向上摆动；第二舵机306带动测温器连接架307俯仰摆动，驱动测温器301俯仰摆动，第一舵机304和第二舵机306共同作用驱动测温器301运动，使其能够测量中空凸台101的所有位置的温度。控制器控制第一舵机304、第二舵机306和测温器301的工作，并进行数据传输。根据控制器的控制，先第一舵机304旋转带动测温器301水平转动一定角度，使测温器301能够测量横向的目标，再第二舵机306旋转带动测温器301俯仰一定角度，使测温器301能够测量纵向的目标。第一舵机304和第二舵机306共同配合使测温器301能够测量中空凸台101的全部范围。

所述超声波辅助组件4的三轴位移台中，连接板405在滚珠丝杠模组408的驱动下，通过滑块406沿导轨404滑动，带动齿轮齿条模组409移动；齿轮齿条模组409的驱动下，带动电动推杆410移动，齿轮齿条模组409的运动方向与滚珠丝杠模组408的运动方向在水平方向上垂直，使超声波换能器401在水平方向横纵运动；电动推杆410的竖向伸缩带动第三舵机412及超声波换能器401竖向上下运动。第三舵机412带动换能器连接架413在一定角度范围内俯仰摆动，增加超声波换能器401的作用范围；位置传感器用于检测超声波换能器401的空间位置。支撑板103上设置的震动传感器用于检测被焊件的震动频率。控制器控制滚珠丝杠模组408、齿轮齿条模组409、电动推杆410、第三舵机412、超声波换能器401、位置传感器和震动传感器的工作，并进行数据传输。

本发明的使用方法：

先根据被焊件的形状、结构选择数个合适尺寸宽度的支撑板103，将支撑板103插接在夹具底座1的中空凸台101上；支撑板103与支撑板103之间留有一定宽度的间隔，将被焊件放置在支撑板103上，焊缝对准支撑板103之间的间隔。

被焊件的两相邻边分别抵接在第一挡板108和第二挡板109上，通过控制器控制另外两边的水平推压组件202水平伸出推板215，在水平方向上推挤固定住被焊件；随后通过控制器控制竖向按压组件201将被焊件竖向压紧固定。

全自动焊接控制方法如下：

首先在中空凸台101的中空区域建立空间坐标系，确定被焊件及其焊缝的空间坐标；

将搅拌头、测温组件3的测温器301、超声波辅助组件4的超声波换能器401位置初始化，位置传感器和震动传感器数据初始化；并同步到同一坐标系，即中空凸台101的空间坐标系；根据焊缝确定焊接路线；

焊缝的起点位置作为搅拌头和超声波换能器401的起始位置，焊接路线作为搅拌头和超声波换能器401的平面运动路径；焊缝的起点位置作为测温器301的测温采集起始位置，焊接路线作为测温器301的测温路径；

焊接开始前，测温器301和超声波换能器401同时启动，测温器301测量出焊接前焊点的初始温度，并传输给控制器存储；超声波换能器401发出预设的高频超声波，对焊缝进行清洁；

焊接开始后，搅拌头按照预设速率开始移动对焊缝进行焊接；测温器301和超声波换能器401随着搅拌头的运动位置开始移动；超声波换能器401在三维移动过程中，还进行一定角度范围的俯仰摆动；

测温器301实时采集焊点的温度值，并传输给控制器；将焊点的实时温度与控制器中预设的最高限制温度进行比对，如果实时温度高于最高限制温度，则控制器控制焊接过程停止并发出警报；

位置传感器实时采集超声波换能器401的空间位置坐标，并传输给控制器；如果超声波换能器401的空间位置坐标超出预定的焊接路线范围，则控制器控制焊接过程停止并发出警报；

震动传感器实时采集震动频率数据，并传输给控制器；将焊点的实时震动频率与控制器中预设的震动频率范围值进行比对，如果焊点的实时震动频率高于预设的震动频率范围最高值，则控制超声波换能器401向下移动一定距离，使焊点的实时震动频率保持在预设的震动频率范围内；如果焊点的实时震动频率低于预设的震动频率范围最低值，则控制超声波换能器401向上移动一定距离，使焊点的实时震动频率保持在预设的震动频率范围内；

当搅拌头走完全部焊接路线后停止搅拌，超声波换能器401停止工作；测温器301沿着焊接路线循环往复测量焊缝温度，直到整条焊缝的温度全部冷却至低于安全温度值后，控制器才能允许水平推压组件202和竖向按压组件201释放压力，完成焊接过程。

Claims (10)

1.一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：包括夹具底座、夹持组件、测温组件、超声波辅助组件和控制器；所述的夹具底座包括上下两层，所述的夹具底座的上层设有中空凸台，中空凸台的周圈设有卡槽，中空凸台上设有数个支撑板，支撑板的两端卡接在卡槽内，并能够在卡槽内滑动和/或固定，至少有一对相邻支撑板之间预留有一定距离的间隔；所述的夹持组件固定在夹具底座的上层，包括数个竖向按压组件和数个水平推压组件，竖向按压组件和水平推压组件围绕中空凸台布置；所述的测温组件包括测温器和旋转控制台，测温器设在旋转控制台上，旋转控制台固定在夹具底座的上层；所述的超声波辅助组件包括超声波换能器和三轴位移台，超声波换能器设在三轴位移台上，三轴位移台固定在夹具底座的下层；所述的控制器设在夹具底座上，夹持组件、测温组件和超声波辅助组件分别与控制器相连。

2.根据权利要求1所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述夹具底座的中空凸台的顶部设有定位板，定位板呈环形结构，与中空凸台之间的间隙形成卡槽；定位板包括固定定位板和活动定位板，固定定位板与中空凸台固定连接，活动定位板能够拆卸及与中空凸台固定；定位板上设有数个并列设置的定位连接孔；所述的支撑板为条形，两端设有插接头，插接头上设有连接孔，中间设有凸起支撑部，凸起支撑部的上表面设有减震凸起点；支撑板通过插接头插接在中空凸台的卡槽内，使用螺栓通过定位板上的定位连接孔与支撑板上插接头的连接孔进行拧紧固定。

3.根据权利要求1所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述的竖向按压组件包括按压液压缸、压杆、连杆；所述的按压液压缸固定在夹具底座的上层，按压液压缸竖向设置，压杆的一端与按压液压缸的液压杆枢轴连接，压杆的另一端设有按压部，按压部包括压块和压盘；所述连杆的一端与按压液压缸的缸体枢轴连接，连杆的另一端与压杆枢轴连接，与压杆的连接部位位于按压液压缸和按压部之间，使压杆形成杠杆结构；按压液压缸与控制器相连，受控制器控制。

4.根据权利要求3所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述的压块的上端与压杆的端部固定连接，压块的下表面设有减震凸起点。

5.根据权利要求3所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述的压盘包括减震压盘和长距压盘；所述的减震压盘的上部与压杆的端部固定连接，减震压盘的下表面设有安装槽，安装槽上设有减震压块，减震压块嵌入式安装在安装槽内；所述的减震压块的内部设有上下贯通的螺旋形通孔；所述的减震压盘上设有与安装槽连通的散热通孔，散热通孔的外部设有散热器；所述的长距压盘的上部与压杆的端部固定连接，长距压盘上设有数个上下贯通的螺纹通孔，螺纹通孔上螺接有螺纹压杆，螺纹压杆的下端设有减震凸起，螺纹压杆能够上下调节伸出长度。

6.根据权利要求1所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述的水平推压组件包括推压液压缸、推板，所述的推压液压缸通过液压缸安装座固定在夹具底座的上层，推压液压缸水平设置，推板与推压液压缸的液压杆固定连接；推压液压缸与控制器相连，受控制器控制。

7.根据权利要求1所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述的中空凸台上还设有第一挡板和第二挡板；第一挡板和第二挡板分别设在中空凸台的两相邻边的定位板上；水平推压组件分别设在第一挡板和第二挡板相对的另外两侧；水平推压组件的推板与第一挡板和第二挡板的高度相同，水平相对设置；所述的竖向按压组件分为两组，相对设于中空凸台的两侧。

8.根据权利要求1所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述测温组件的旋转控制台包括舵机支架、第一舵机、转盘、第二舵机、测温器连接架，所述的舵机支架固定在夹具底座的上层，第一舵机固定在舵机支架内，第一舵机的旋转轴竖直穿过舵机支架的上板，与转盘相连；第二舵机设在转盘上，第二舵机的旋转轴水平设置；测温器连接架的下端与第二舵机的旋转轴固定连接，第二舵机带动测温器连接架上下摆动；测温器固定在测温器连接架上部；第一舵机、第二舵机和测温器分别与控制器相连，受控制器控制，并与控制器进行数据传输。

9.根据权利要求1所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：所述超声波辅助组件的三轴位移台包括位移台底座、导轨、连接板、滑块、电机连接板、滚珠丝杠模组、齿轮齿条模组、电动推杆、舵机底座、第三舵机、换能器连接架；所述的位移台底座固定在夹具底座的下层，导轨设置在位移台底座上，连接板下端通过滑块与导轨滑动连接；电机连接板设在位移台底座的一端；滚珠丝杠模组设在位移台底座上，与导轨平行设置；滚珠丝杠模组的电机固定在电机连接板上，滚珠丝杠模组的丝杠螺母与连接板的底部固定连接；齿轮齿条模组设在连接板上，齿轮齿条模组的运动方向与滚珠丝杠模组的运动方向在水平方向上垂直；电动推杆的外壳下端固定在齿轮齿条模组的位移板上，电动推杆的推杆竖直向上设置；舵机底座与电动推杆的推杆顶端固定连接，第三舵机设在舵机底座上，第三舵机的旋转轴水平设置；换能器连接架的下端与第三舵机的旋转轴固定连接，第三舵机带动换能器连接架上下摆动；超声波换能器固定在换能器连接架上部；换能器连接架上还设有位置传感器；夹具底座上层中空凸台上的支撑板上还设有数个等间隔并列设置的震动传感器；滚珠丝杠模组、齿轮齿条模组、电动推杆、第三舵机、超声波换能器、位置传感器、震动传感器分别与控制器相连，受控制器控制，并与控制器进行数据传输。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种可超声辅助的高适应性搅拌摩擦焊夹具，其特征在于：全自动焊接控制方法如下：

首先在中空凸台的中空区域建立空间坐标系，确定被焊件及其焊缝的空间坐标；

将搅拌头、测温组件的测温器、超声波辅助组件的超声波换能器位置初始化，位置传感器和震动传感器数据初始化；并同步到同一坐标系，即中空凸台的空间坐标系；根据焊缝确定焊接路线；

焊缝的起点位置作为搅拌头和超声波换能器的起始位置，焊接路线作为搅拌头和超声波换能器的平面运动路径；焊缝的起点位置作为测温器的测温采集起始位置，焊接路线作为测温器的测温路径；

焊接开始前，测温器和超声波换能器同时启动，测温器测量出焊接前焊点的初始温度，并传输给控制器存储；超声波换能器发出预设的高频超声波，对焊缝进行清洁；

焊接开始后，搅拌头按照预设速率开始移动对焊缝进行焊接；测温器和超声波换能器随着搅拌头的运动位置开始移动；超声波换能器在三维移动过程中，还进行一定角度范围的俯仰摆动；

测温器实时采集焊点的温度值，并传输给控制器；将焊点的实时温度与控制器中预设的最高限制温度进行比对，如果实时温度高于最高限制温度，则控制器控制焊接过程停止并发出警报；

位置传感器实时采集超声波换能器的空间位置坐标，并传输给控制器；如果超声波换能器的空间位置坐标超出预定的焊接路线范围，则控制器控制焊接过程停止并发出警报；

震动传感器实时采集震动频率数据，并传输给控制器；将焊点的实时震动频率与控制器中预设的震动频率范围值进行比对，如果焊点的实时震动频率高于预设的震动频率范围最高值，则控制超声波换能器向下移动一定距离，使焊点的实时震动频率保持在预设的震动频率范围内；如果焊点的实时震动频率低于预设的震动频率范围最低值，则控制超声波换能器向上移动一定距离，使焊点的实时震动频率保持在预设的震动频率范围内；

当搅拌头走完全部焊接路线后停止搅拌，超声波换能器停止工作；测温器沿着焊接路线循环往复测量焊缝温度，直到整条焊缝的温度全部冷却至低于安全温度值后，控制器才能允许水平推压组件和竖向按压组件释放压力，完成焊接过程。