本发明涉及工装夹具技术领域，尤其涉及一种自动调节角度的焊接角度定位器。
背景技术：
在生产过程中，存在有许多不同连接角度的支撑件、连接管件等焊件需要手工焊接，工人通常使用焊接角度定位器来定位这些焊件，辅助自己工作，以达到最好的焊接效果。
目前市场上存在的用于手工焊接的焊接定位装置主要有两种：
第一种是多角度直角焊接定位器，适用的固定角度为30°、45°、60°、75°和90°；
第二种是可调焊接定位装置，其适用的角度可以通过手动调节，但分度值为5°，精度不足。
在实际手工焊接过程中，焊接角度十分重要且灵活多变，上述第一种定位器显然不能满足任意变化的焊接角度的需求，而上述第二种定位器虽然可以调节角度，但是每次使用时均需要人工测量并手动固定定位角度，不仅过于繁琐，严重影响了工作效率，人工调节还会具有很大的误差。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要提供一种自动调节角度的焊接角度定位器，用以解决现有技术中的焊接角度定位器无法自动调节、误差大的问题。
本发明提供一种自动调节角度的焊接角度定位器，用于至少两个焊件的焊接，包括：
定位模块，定位模块包括至少两个固定臂、至少两个调节臂和至少两个固定部，其中固定臂具有一个首端和一个尾端，固定臂的首端均可转动地连接在一起；调节臂同样具有一个首端和一个尾端，调节臂的首端均可转动地连接在一起，调节臂的尾端分别一一对应地铰接于固定臂的尾端；固定部分别一一对应地安装于固定臂，固定部用于固定焊件；
调整模块，调整模块包括滑杆、滑套和驱动器，其中滑杆的一端连接于固定臂的首端；滑套可滑动地套设于滑杆，滑套连接于调节臂的首端；驱动器用于驱动滑套在滑杆上移动；
控制模块，控制模块包括微控制器和距离传感器，微控制器电性连接驱动器；距离传感器安装于滑套，距离传感器和微控制器电性连接，距离传感器用于检测固定壁的首端和调节臂的首端之间的间距。
可选的，滑杆为丝杆，滑套为滚珠螺母。
可选的，驱动器包括步进电机和步进电机驱动板，其中步进电机的输出端同轴固定连接滑杆背离定位模块的一端，步进电机驱动板电性连接步进电机，步进电机驱动板电性连接微控制器。
可选的，固定臂和调节臂的长度均为100mm，丝杆的螺距为4mm，步进电机的步距角为1.8°。
可选的，固定部为磁铁。
可选的，固定部为钕磁铁，钕磁铁表面通过环氧树脂涂层密封。
可选的，定位模块共有两个，每个定位模块均包括两个固定臂、两个调节臂和两个固定部，每个定位模块中的两个固定臂和两个调节臂均位于同一平面内，两个定位模块中的固定臂所在的平面相互平行。
可选的，固定部均位于两个定位模块的内侧，一个定位模块中的固定部与另一个定位模块中的固定部沿固定臂的转轴方向的投影重合，一个定位模块中的固定部与另一个定位模块中对应的固定部之间具有间隔。
可选的，距离传感器为激光传感器，距离传感器安装于滑套，距离传感器的探测端朝向固定臂的首端。
可选的，还包括显示器，显示器为触控屏幕，显示器电性连接微控制器，微控制器为单片机。
本发明提供的一种自动调节角度的焊接角度定位器，通过定位模块中的任意两个固定部固定待焊接的焊件，通过调整滑套在滑杆上的位置以改变固定臂的首端和调节臂的首端之间的距离，从而改变两个固定臂之间的夹角，进而实现定位角度的调节。驱动器、微控制器和距离传感器则实现了定位角度的自动调节，操作者仅需通过上位机或其他输入设备输入目标角度，微控制器便可以向驱动器发出指令，以控制滑套在滑杆上移动，距离传感器将实际的距离信息反馈给微控制器或其他输入设备，对驱动器的运行进行修正。相比于现有的焊接角度定位器，本发明除了实现自动调节角度的功能外，还具有如下优点：
(1)巧妙地将角度控制转化为直线控制，在实际实施时，角度控制结构不仅不易计算设计，像角度传感器这种部件难以找到合适的位置安装，且角度控制结构已损坏，抗干扰能力差，而直线控制则相对简单灵活，稳定性高且互换性好。最重要的是，因保证直线运动的精度更加容易，所以本发明在保证精度的同时可以具有更低的成本；
(2)通过距离传感器可以实现反馈调节，能有效低抑制焊接现场的噪音、震动等干扰对信号传输时的影响，同时也可以弥补掉因零件磨碎等情况产生的误差，进一步地地套了控制精度；
(3)控制模块远离焊接部分，降低焊件时产生的热量、火花损坏脆弱的控制模块的概率，提高使用寿命，增强了抗干扰性，保证运行稳定性；
(4)固定臂和调节臂的结构设计可以有效地降低焊接时所受的应力，防止出现固定点断裂的情况，保证工作时的安全。
附图说明
图1为本发明提供的实施例一中的自动调节角度的焊接角度定位器的结构示意图；
图2为本发明提供的实施例一中的自动调节角度的焊接角度定位器的俯视图；
图3为本发明提供的实施例一中的自动调节角度的焊接角度定位器的侧视图；
图4为本发明提供的实施例一中的控制模块部分的连接关系图；
图5为本发明提供的实施例一中的自动调节角度的焊接角度定位器30°工作条件下的应力仿真结果；
图6为本发明提供的实施例一中的自动调节角度的焊接角度定位器150°工作条件下的应力仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
结合图1～3所示，本发明实施例提供的一种自动调节角度的焊接角度定位器，包括定位模块1、调整模块2和控制模块3。其中定位模块1包括至少两个固定臂11、至少两个调节臂12和至少两个固定部13，其中固定臂11具有一个首端和一个尾端，固定臂11的首端均可转动地连接在一起；调节臂12同样具有一个首端和一个尾端，调节臂12的首端均可转动地连接在一起，调节臂12的尾端分别一一对应地铰接于固定臂11的尾端；固定部13分别一一对应地安装于固定臂11上，固定部13用于固定焊件。调整模块2包括滑杆21、滑套22和驱动器23，其中滑杆21的一端连接于固定臂11的首端；滑套22可滑动地套设于滑杆21，滑套22连接于调节臂12的首端；驱动器23用于驱动滑套22在滑杆21上移动；控制模块3包括微控制器31和距离传感器32，微控制器31电性连接驱动器23；距离传感器32安装于滑套22，距离传感器32和微控制器31电性连接，距离传感器32用于检测固定壁的首端和调节臂12的首端之间的间距。
本发明实施例通过定位模块1中的两个固定部13固定待焊接的焊件，通过调整滑套22在滑杆21上的位置以改变固定臂11的首端和调节臂12的首端之间的距离，从而改变两个固定臂11之间的夹角，进而实现定位角度的调节。驱动器23、微控制器31和距离传感器32则实现了定位角度的自动调节，操作者仅需通过上位机或其他输入设备输入目标角度，微控制器31便可以向驱动器23发出指令，以控制滑套22在滑杆21上移动，距离传感器32将实际的距离信息反馈给微控制器31或其他输入设备，对驱动器23的运行进行修正。
进一步地，本实施例中的滑杆21为丝杆，滑套22为滚珠螺母。滚珠丝杠机构为高精度的传动装置，它采用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。可以理解的是，在本实施例中的丝杆和滚珠螺母仅仅作为一个优选的实施方式，实际实施时滑杆21和滑套22可以为常规的滑动杆和套环、螺纹丝杠等其他的滑动副。
进一步地，本实施例中的驱动器23包括步进电机231和步进电机驱动板232，其中步进电机231的输出端同轴固定连接滑杆21背离定位模块1的一端，步进电机驱动板232电性连接步进电机231，步进电机驱动板232电性连接微控制器31，本实施例中步进电机驱动板232和步进电机231的转动模块集成在一起。步进电机231可以接收数字控制信号并转化成与之相对应的角位移，并且可以采用pid控制策略，使整个自动调节角度的焊接角度定位器具有鲁棒性强、可靠性高等优点。
进一步地，本实施例中步进电机231的规格为28×40mm，其输入电流为0.7a，步距角为1.8°，保持扭矩为90mnm，工作转速为15mm/s；本实施例中的丝杆长度为200mm，其螺纹规格为tr5，螺距为4mm，丝杆和步进电机231为一体集成的零件，此外，本实施例中固定臂11和调节臂12的长度均为100mm。在实际的手工焊接过程中，定位夹角一般在30°～150°的范围内，角度过大或过小都会导致连接处的结构不合理且无法焊接，而此时定位器精度达到0.5°便可以很好满足手工焊接要求，达到比现有的定位方式更精确的目的。而实施例采用上述规格的零部件则可以轻松地达到该精度，具体推导过程为：
记固定臂11与调节臂12的长度为d，固定臂11的首端到调节臂12的首端之间的间距为l，两个固定臂11之间的夹角为θ，则可以得到如下关系式：
此时对夹角θ取间隔为0.5°的离散数值，则可以得到表1中的数据：
表1-固定臂11之间的夹角与固定臂11首端和调节臂12首端的间距对照
由表1可以看出，仅需保证固定臂11的首端和调节臂12的首端之间的距离l在0.1mm的范围内变化，即滚珠螺母在丝杆上的移动距离小于0.1mm，便可以实现固定臂11之间的夹角在0.5°以内变化。而本实施例中的丝杆螺距为4mm，而步进电机231的步距角为1.8°，则可以得出滚珠螺母在丝杆上一次移动的最小位移仅为0.02mm，显然可以满足精度要求。
进一步地，上述步进电机231、丝杆等零件的规格仅为本发明的一个优选的实施方案，在实际使用时，本发明还允许工程师方便、轻松地根据需要自行选定合适的参数，例如：
对上述关系式中对θ求关于l的导数，可以进一步地得到：
其中θ的导数即为固定臂11之间的夹角与滚珠螺母的位移关系，即期望的角度精度与丝杆精度的关系，再结合l与d的关系式，可得出θ的导数与d之间的关系，此时便可根据实际需要的精度，并结合可以选用的丝杆及步进电机231型号、需要的尺寸等信息方便地得出各个零件的规格。最重要的是，在设计过程中丝杆、步进电机231等零件均可以方便地选用已有的标准件，其采购方便，不需要为了精度而额外地设计零件并进行零件的工艺研究、打样测试等工作，可以极大地压缩生产设计周期，同时又具良好的互换性，方便后续维修替换。这些优势均是现有的角度定位器所不具有的。
进一步地，本实施例中的固定部13为磁铁，并通过子母铆钉与固定臂11连接。使用时可以直接通过磁铁直接吸附焊件，拆装时无需额外的固定、锁紧等操作，提高工作效率。由于焊缝层间的温度较高，靠近焊点处温度迅速升高会导致磁铁发生退磁现象，同时强磁铁本身质脆，并且其磁场可能会对电子元件的精密性产生影响，因此选择合适的磁铁十分重要。本实施例中选用钕磁铁作为磁铁的材料，同时利用环氧树脂封边工艺将磁铁封装起来。钕磁铁具有体积小、重量轻，磁力强等优点，同时比较容易加工成型，不需要用到模具，而本实施例中磁铁表面的环氧树脂图层则解决了钕磁铁质脆的缺点，其实具有优良的耐腐蚀性。需要说明的是，在实际实施时，磁铁的种类可以根据实际需求自行对不同种类的磁铁的优缺点进行取舍，如钐钴磁铁、铁氧体磁铁等，表2列出了上述各种磁铁的性质：
表2-不同种类的磁铁的性质
进一步地，本实施例中的定位模块1共有两个，每个定位模块中均包括两个固定臂11、两个调节臂12和两个固定部13，且每个定位模块中的两个调节臂12和两个固定臂11均位于同一平面内，两个定位模块1中的固定臂11所在的平面相互平行。即一个定位模块1中的固定臂11与另一个定位模块1中的固定臂11，一个定位模块1中的调节臂12与另一个定位模块1中的调节臂12一一对应，且动作相同，这样步进可以提高装置动作时的稳定性，还可以固定工件时的稳定性，并且增强本自动调节角度的焊接角度定位器的强度。
进一步地，本实施例中固定部13均位于两个定位模块1的内侧，一个定位模块1中的固定部13与另一个定位模块1中的固定部13沿固定臂11的转轴方向的投影重合，一个定位模块1中的固定部13与另一个定位模块1中对应的固定部13之间具有间隔。两个固定部13之间的间隔为一些横截面不规则的杆件或其它异形件提供了固定的空间，例如在固定圆形的管件时，不仅可以使用磁铁吸附住管件，同时还可以使圆管表面的凸起嵌入至两个固定部13之间，减少焊接时焊件的晃动程度，提高焊接效果。
进一步地，本实施例中的距离传感器32为激光传感器(图1～图3中未示出)，滑套22上方固定安装又一个安装板，该安装板与滑杆21垂直，距离传感器32安装于滑套22上的安装板，距离传感器32的探测端朝向固定臂11的首端。本实施例中选用zlds100r-4-39传感器，量程为2mm～250mm，分辨率为0.1mm。可以理解的是，实施本发明的过程中，也可以根据需要选中其他种类或型号的距离传感器32。同样地，也可以通过其他方式固定安装于滑套22上。
进一步地，本实施例还包括显示器4，显示器4为触控屏幕，显示器4电性连接微控制器31。显示器4作为人与机器的一个交互接口，用于接收人的目标角度信息并作为为驱动器23的输入，其可以是上位机的控制面板，也可以是集成在驱动电机上的一块显示屏幕。本实施例中采用2.8寸vlcdshmi电容触摸屏，带gpu，支持arduinoi2c接口，lcd模式为65ktft，模块由3.3v/5vttl电平供电。本实施例中的显示器4作为一个独立的设备，当需要使用时通过接口与微驱动器23连接发出指令。
进一步地，本实施例中的微控制器31采用stm32f103c8t6核心板，即stm23单片机。stm32f103c8t6是一款基于arm内核的32位mcu系列，具有高性能，低电压，低功耗等优点，支持串口，iis，gpios，蓝牙等接口。由于该设计作为焊接定位装置将来应用于手工焊接当中，故应选用性价比较高的嵌入式设备，既能高效运行训练好的嵌入式程序，又能满足价格低廉的要求，stm32f103c8t6核心板在功耗和集成度方面也均有不俗的表现。可以理解的是，微控制器31也可以采用其他种类，例如arduinouno或51单片机，其中arduinouno是基于atmega328p的单片机开发板。它有14个数字输入/输出引脚(其中6个可用作pwm输出)，6个模拟输入脚，16mhz晶振，usb连接，电源插孔，icsp接头和复位按钮。使用usb线将其连接到计算机，或者使用ac-to-dc适配器或电池为其供电即可开始使用，不过其性能中庸，效率低，代码冗余、运行不了系统，比不上stm32等产品。而51单片机虽然经典，上手快，运用广泛但运行速度过慢，保护能力很差，很容易烧坏芯片。实际应用时，设计者应根据具体情况对不同种类的微控制器31的优缺点进行取舍，以选择最合适的微控制器31的型号及种类。
结合图4所示，本实施例中的微控制器31和显示器4、距离传感器32之间均采用i2c接口连接。微控制器31与步进电机驱动板232之间电性连接，微控制器31向步进电机驱动板232发出控制步进电机231转速、行程和方向等信息的i/o信号。步进电机驱动板232和步进电机231之间的控制信号包含两个，其中一个是控制旋转方向的高低电平信号，其高电平对应正转，低电平对应反转，另一个信号为控制转速和转动角度的方波信号，其频率控制转速，方波个数控制转动的行程角度。采用上述连接方式可以实现一个闭环反馈控制，例如：显示器4向微控制器31发出目标角度信号，微控制器31将目标角度信号转化为目标距离信号，并结合距离传感器32的反馈计算得出实际的目标控制信号发送给驱动器23，实现精确、稳定的调节。容易理解的是，微控制器31和显示器4之间、微控制器31和距离传感器32之间、微控制器31和步进电机驱动板232之间以及步进电机驱动板232和步进电机231之间的总线种类与信号形式均可以根据实际的选型情况自行拟定，同理，反馈调节中的反馈环也可以位于其他位置。
更进一步地，本实施例中固定臂11、调节臂12均为片状，由碳板制造，两个定位模块1中的不同固定臂11通过螺栓螺母及铰接轴相连，焊接定位器手柄为碳纤维材料，比重轻且耐高温，螺栓螺母为304不锈钢材质，子母铆钉为铝合金。在实际手工焊接的过程中，定位器所受载荷主要来自焊件自身重力以及焊件晃动所产生的惯性力，若强度不足则会出现固定点断裂的情况，严重的会影响焊接安全。通过计算机模拟对本实施例施加沿垂直于固定臂11方向100n的压力，可以得到如图5及图6所示的仿真结果。从图中我们可以看出，当固定臂11以及调节臂12受到100n压力条件下，整个定位器受应力值分布最大处为13.98mpa，各紧固点在x、y、z三个方向上满足强度要求，因此本发明的结构设计满足30°～150°目标角度时的强度要求，即多数工况下的强度要求，避免发生安全事故。
更进一步地，本实施例还包括握持手柄5，该握持手柄5固定连接于步进电机231背离定位模块1的一端，握持手柄5垂直于滑杆21。握持手柄5即用于人手抓握住定位器进行操作，提高本实施例的实用性与便捷性。
本发明实施例通过定位模块1中的两个固定部13固定待焊接的焊件，通过调整滑套22在滑杆21上的位置以改变固定臂11的首端和调节臂12的首端之间的距离，从而改变两个固定臂11之间的夹角，进而实现定位角度的调节。驱动器23、微控制器31和距离传感器32则实现了定位角度的自动调节，操作者仅需通过上位机或其他输入设备输入目标角度，微控制器31便可以向驱动器23发出指令，以控制滑套22在滑杆21上移动，距离传感器32将实际的距离信息反馈给微控制器31或其他输入设备，对驱动器23的运行进行修正。相比于现有的焊接角度定位器，本发明除了实现自动调节角度的功能外，还具有如下优点：
(1)巧妙地将角度控制转化为直线控制，在实际实施时，角度控制结构不仅不易计算设计，像角度传感器这种部件难以找到合适的位置安装，且角度控制结构已损坏，抗干扰能力差，而直线控制则相对简单灵活，稳定性高且互换性好。最重要的是，因保证直线运动的精度更加容易，所以本发明在保证精度的同时可以具有更低的成本，例如本实施例中的丝杆、步进电机231等都是容易获取的零件，能极大地提高设计时的工作效率；
(2)通过距离传感器32可以实现反馈调节，能有效低抑制焊接现场的噪音、震动等干扰对信号传输时的影响，同时也可以弥补掉因零件磨碎等情况产生的误差，进一步地地套了控制精度；
(3)控制模块3远离焊接部分，降低焊件时产生的热量、火花损坏脆弱的控制模块3的概率，提高使用寿命，增强了抗干扰性，保证运行稳定性；
(4)固定臂11和调节臂12的结构设计可以有效地降低焊接时所受的应力，防止出现固定点断裂的情况，保证工作时的安全。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种自动调节角度的焊接角度定位器，用于至少两个焊件的焊接，其特征在于，包括：
定位模块，所述定位模块包括至少两个固定臂、至少两个调节臂和至少两个固定部，其中所述固定臂具有一个首端和一个尾端，所述固定臂的首端均可转动地连接在一起；所述调节臂同样具有一个首端和一个尾端，所述调节臂的首端均可转动地连接在一起，所述调节臂的尾端分别一一对应地铰接于所述固定臂的尾端；所述固定部分别一一对应地安装于所述固定臂，所述固定部用于固定所述焊件；
调整模块，所述调整模块包括滑杆、滑套和驱动器，其中所述滑杆的一端连接于所述固定臂的首端；所述滑套可滑动地套设于所述滑杆，所述滑套连接于所述调节臂的首端；所述驱动器用于驱动所述滑套在所述滑杆上移动；
控制模块，所述控制模块包括微控制器和距离传感器，所述微控制器电性连接所述驱动器；所述距离传感器安装于所述滑套，所述距离传感器和所述微控制器电性连接，所述距离传感器用于检测所述固定壁的首端和所述调节臂的首端之间的间距。
2.根据权利要求1所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述滑杆为丝杆，所述滑套为滚珠螺母。
3.根据权利要求2所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述驱动器包括步进电机和步进电机驱动板，其中所述步进电机的输出端同轴固定连接所述滑杆背离所述定位模块的一端，所述步进电机驱动板电性连接所述步进电机，所述步进电机驱动板电性连接所述微控制器。
4.根据权利要求3所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述固定臂和所述调节臂的长度均为100mm，所述丝杆的螺距为4mm，所述步进电机的步距角为1.8°。
5.根据权利要求1～4任一项所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述固定部为磁铁。
6.根据权利要求5所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述固定部为钕磁铁，钕磁铁表面通过环氧树脂涂层密封。
7.根据权利要求5所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述定位模块共有两个，每个所述定位模块均包括两个所述固定臂、两个所述调节臂和两个所述固定部，每个所述定位模块中的两个所述固定臂和两个所述调节臂均位于同一平面内，两个所述定位模块中的所述固定臂所在的平面相互平行。
8.根据权利要求7所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述固定部均位于两个所述定位模块的内侧，一个所述定位模块中的所述固定部与另一个所述定位模块中的所述固定部沿所述固定臂的转轴方向的投影重合，一个所述定位模块中的所述固定部与另一个所述定位模块中对应的所述固定部之间具有间隔。
9.根据权利要求1～4任一项所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，所述距离传感器为激光传感器，所述距离传感器安装于所述滑套，所述距离传感器的探测端朝向所述固定臂的首端。
10.根据权利要求1～4任一项所述的自动调节角度的焊接角度定位器，其特征在于，还包括显示器，所述显示器为触控屏幕，所述显示器电性连接所述微控制器，所述微控制器为单片机。
技术总结