馬捷中，李曉磊，郭陽明

(西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安 710072)

線性摩擦焊接(Linear Friction Welding)技術(shù)是一種利用被焊工件接觸面在壓力作用下相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量，從而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)連接方法［1－2］，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非軸對(duì)稱復(fù)雜截面的摩擦焊接，可獲得接近或與母材等強(qiáng)的固相連接接頭，還可用于空心葉片與輪盤或異種材料葉盤的連接，被認(rèn)為是整體葉盤制造與修復(fù)最為理想的焊接方法［2－3］。由于其具有適用范圍廣、可以焊接不規(guī)則的構(gòu)件、焊接過程中材料不熔化、焊接接頭質(zhì)量高、焊接過程可靠、尺寸精度較高、低耗和清潔等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為全球制造業(yè)，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中一項(xiàng)關(guān)鍵的制造和維修技術(shù)，應(yīng)用前景非常廣闊［2，4］。

線性摩擦焊接過程由線性摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)控制完成。因此，控制系統(tǒng)對(duì)保證焊接質(zhì)量及焊接精度起著重要作用。本文通過深入分析線性摩擦焊機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于Labview［5－6］的線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用時(shí)間控制方式和變形量控制方式相結(jié)合的復(fù)合控制方式，克服了已有系統(tǒng)控制方式單一的不足。

1 線性摩擦焊機(jī)的工作原理

線性摩擦焊機(jī)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由振動(dòng)系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、回位機(jī)構(gòu)和床身等組成。其中，振動(dòng)系統(tǒng)的作用是使一個(gè)焊件能振動(dòng)起來，從而使兩個(gè)焊件可以產(chǎn)生摩擦;加壓系統(tǒng)的作用是在焊接過程中保證焊件的夾緊、給滑臺(tái)加力驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)、給滑臺(tái)施加摩擦壓力和頂鍛壓力;回位機(jī)構(gòu)用于確保左、右焊件在焊接結(jié)束時(shí)能夠精確對(duì)中。焊接過程描述如下［7－9］:

(1)焊接時(shí)，兩個(gè)焊件分別安裝在固定夾具8和振動(dòng)夾具10中，并由夾緊油缸夾緊;(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)23通過皮帶帶動(dòng)偏心軸22高速旋轉(zhuǎn)，偏心軸22再通過連桿21帶動(dòng)導(dǎo)軌18，導(dǎo)軌通過連桿13帶動(dòng)線性導(dǎo)軌11作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng);(3)壓力油缸1推動(dòng)滑臺(tái)4沿導(dǎo)軸5滑動(dòng)，可給焊件施加摩擦壓力及頂鍛壓力;(4)當(dāng)焊件摩擦加熱到適合溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停，同時(shí)回位油缸17動(dòng)作，推動(dòng)連桿回到零點(diǎn)位置，使兩焊件對(duì)中，同時(shí)施加頂鍛壓力完成焊接。

圖1 線性摩擦焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

以上焊接過程均是在線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成。因此，線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于焊接過程來說至關(guān)重要，合理的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)高精度焊接的關(guān)鍵［9］。

2 線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)采取的控制器的不同，線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)分為可編程控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［10－12］。目前，工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)摩擦焊接過程的時(shí)序控制，還能對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)、保護(hù)及恢復(fù)，對(duì)硬件系統(tǒng)可進(jìn)行故障分析診斷，對(duì)焊接過程外部輸入信號(hào)可實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和顯示，已經(jīng)成為高性能摩擦焊機(jī)的控制主流［13－15］。

2.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

線性摩擦焊接測(cè)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖

圖2中，測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡完成焊接過程的自動(dòng)控制及基本變量，如電壓、電流、壓力、位移及溫度信號(hào)的采集工作;工控機(jī)作為控制系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出控制信號(hào)然后數(shù)據(jù)采集卡將這些信號(hào)發(fā)送給某些設(shè)備。行程開關(guān)則主要用于檢測(cè)焊機(jī)是否回位，壓力繼電器主要用來檢測(cè)壓力是否施加到位，二者均為開關(guān)量與數(shù)據(jù)采集卡D/I芯片相連;測(cè)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡的D/O芯片控制變頻器和電磁閥的開關(guān)，從而達(dá)到控制焊接過程的目的。為此，系統(tǒng)主要硬件設(shè)備的選擇如下:

(1)工控機(jī)采用存儲(chǔ)量大、運(yùn)算速度快、抗干擾能力、故障率低強(qiáng)的研華工控機(jī)。

(2)數(shù)據(jù)采集卡的選擇考慮以下五個(gè)指標(biāo):測(cè)試通道個(gè)數(shù)及類型、信號(hào)輸入的形式(單端或差分)、采樣速度、分辨率和軟件與硬件的兼容性。根據(jù)實(shí)際的需求，選用研華公司生產(chǎn)的PCI－1710HGU、PCI－1720U 和 PCI－1762。

PCI－1710HGU提供了16路單端或8路差分模擬量輸入的功能，能夠?qū)崟r(shí)采集變頻器電壓、電流，滑臺(tái)的位移、速度和壓力等信號(hào)，可以滿足系統(tǒng)的需要。PCI－1720是一款PCI總線的4路12位隔離數(shù)字量到模擬量的輸出卡，主要用來調(diào)節(jié)溢流閥和比例閥的壓力。PCI－1762是一款PCI總線的繼電器輸出及隔離數(shù)字量輸入卡，它提供16路光隔離數(shù)字量輸入，完全可以滿足系統(tǒng)開關(guān)量的輸入。

(3)傳感器是構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)重要的硬件之一，選配合適的傳感器關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和控制精度。該系統(tǒng)主要用到的傳感器有霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、位移傳感器、速度傳感器和壓力傳感器等。電壓、電流傳感器用來獲取變頻器的電壓和電流，位移、速度和壓力傳感器用來獲取滑臺(tái)的位移、速度和壓力。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件系統(tǒng)功能模塊

軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率并且決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和層次化思想，根據(jù)系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，將系統(tǒng)劃分為初始化模塊、焊接控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等功能模塊及其子模塊。這樣分層次模塊化程序結(jié)構(gòu)不但增加了程序的可維護(hù)性，也增加了程序的可讀性，使程序流程圖更加清晰明了，同時(shí)也避免了大量的重復(fù)編程工作?；贚abview的線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)軟件部分功能模塊框圖，如圖3所示。

(1)初始化模塊的設(shè)計(jì)

圖3 控制系統(tǒng)的軟件功能框圖

初始化模塊主要的功能是自動(dòng)載入上一次的焊接參數(shù)，初始化開關(guān)量和指示燈狀態(tài)。由于每次焊接后都應(yīng)該保存前面板上輸入控件的當(dāng)前值，這樣在下次焊接時(shí)只要直接加載上次的焊接參數(shù)，然后再根據(jù)需要修改特定的參數(shù)就行。因此，可以通過LabVIEW的節(jié)點(diǎn)屬性來實(shí)現(xiàn)這一功能［16］。圖4是用來在軟件系統(tǒng)關(guān)閉后自動(dòng)保存各控件當(dāng)前數(shù)值的程序設(shè)計(jì)框圖。首先用“打開/創(chuàng)建/替換”VI打開需要保存參數(shù)的文件，然后利用“寫入文件”VI把獲取到的控件值連同控件名寫入到相應(yīng)的文件。這樣就將所有輸入控件的參數(shù)自動(dòng)保存起來了。

圖4 參數(shù)自動(dòng)保存程序設(shè)計(jì)框圖

將控件的當(dāng)前參數(shù)保存下來后，在軟件下一次啟動(dòng)時(shí)，只需讀取保存文件，并把其中各個(gè)控件的數(shù)值設(shè)置為控件當(dāng)前值即可。參數(shù)加載過程的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 參數(shù)自動(dòng)加載程序框圖

(2)焊接控制模塊設(shè)計(jì)

焊接控制模塊包括焊接狀態(tài)指示、手動(dòng)調(diào)整焊機(jī)和自動(dòng)焊接等模塊。手動(dòng)調(diào)試焊機(jī)是指焊前對(duì)焊機(jī)的“滑臺(tái)共進(jìn)”、“滑臺(tái)快進(jìn)”、“滑臺(tái)快退”、“滑臺(tái)慢退”和“頂緞”等動(dòng)作進(jìn)行調(diào)試，為自動(dòng)焊接做準(zhǔn)備;自動(dòng)焊接讓焊接過程按照預(yù)先設(shè)定好的程序順序執(zhí)行。

“滑臺(tái)共進(jìn)”、“滑臺(tái)快進(jìn)”、“滑臺(tái)快退”、“滑臺(tái)慢退”和“頂緞”五個(gè)按鈕本質(zhì)上是對(duì)PCI－1720卡的AO0－AO3端口進(jìn)行輸入操作。用來調(diào)節(jié)溢流閥和比例閥的壓力，從而調(diào)節(jié)滑臺(tái)的壓力和速度。盤加緊、盤松開、葉片加緊、葉片松開控制加緊油缸加緊和松開。焊機(jī)手動(dòng)調(diào)試和狀態(tài)指示程序框圖如圖6所示。

圖6 焊機(jī)手動(dòng)調(diào)試和狀態(tài)指示

線性摩擦焊機(jī)有三種焊接方式:時(shí)間控制方式、變形量控制方式和摩擦功率峰值控制方式［7，9，12］。在時(shí)間控制方式的設(shè)計(jì)中，控制的是摩擦?xí)r間(指從開始摩擦到回位的時(shí)間)。在變形量控制方式中，主要控制的是摩擦變形量。本系統(tǒng)采用時(shí)間控制和變形量控制相結(jié)合的方式。實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)使用時(shí)間控制方式時(shí)就把“接頭縮短量的值”設(shè)置成正常值得1.1～1.2倍，焊接時(shí)首先檢查時(shí)間是否達(dá)到了設(shè)定的摩擦?xí)r間，如果沒有達(dá)到則要繼續(xù)檢查焊件的接頭縮短量是否達(dá)到了設(shè)定值，無論摩擦?xí)r間達(dá)到了設(shè)定值還是接頭縮短量達(dá)到了設(shè)定值，都要立刻停止摩擦，進(jìn)入下一個(gè)動(dòng)作。這樣不但可以保證使用時(shí)間控制方式而且當(dāng)時(shí)間控制出錯(cuò)時(shí)，變形量控制可以起到保護(hù)作用。同樣，當(dāng)需要使用變形量控制時(shí)把“摩擦?xí)r間”設(shè)置成正常時(shí)間的1.2～1.32倍。

當(dāng)設(shè)置好焊接參數(shù)，手動(dòng)調(diào)整好焊機(jī)后，就可以進(jìn)行自動(dòng)焊接了，自動(dòng)焊接流程圖如圖7所示。

(3)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)回放四個(gè)子模塊。數(shù)據(jù)采集子模塊中將需要檢測(cè)的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)按指定采集頻率進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示子模塊采用實(shí)時(shí)顯示方式，即采到一點(diǎn)就顯示一點(diǎn)，動(dòng)態(tài)顯示采集到的信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊主要是將采集到的數(shù)據(jù)保存起來，方便日后查詢及打印。歷史數(shù)據(jù)回放子模塊是將存儲(chǔ)在文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，顯示歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)的程序框圖如圖8所示。

本設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置為10 ms，采集到的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行顯示，變頻器的電壓電流用圖標(biāo)的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，使用圖標(biāo)顯示數(shù)據(jù)之前先要把圖標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)清空，以防它顯示以前的緩沖數(shù)據(jù)。每次采集到的數(shù)據(jù)加個(gè)編號(hào)存儲(chǔ)在電子表格的一行。當(dāng)每次焊接完成后會(huì)讓用戶決定是否保存此次的焊接過程數(shù)據(jù)，如果需要保存則把該文件保存下來，不需要保存時(shí)就不做任何操作，下次運(yùn)行程序時(shí)就直接把該文件替換掉了。

圖7 自動(dòng)焊接流程圖

歷史數(shù)據(jù)回放功能將上述存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件按指定格式讀取并進(jìn)行顯示，其設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9中，通過數(shù)據(jù)回放按鈕觸發(fā)歷史數(shù)據(jù)回放相應(yīng)程序，找到需要回放的歷史數(shù)據(jù)文件，通過讀取電子表格文件函數(shù)將文件中的數(shù)據(jù)讀取出來并進(jìn)行轉(zhuǎn)置，之后通過索引數(shù)組函數(shù)將數(shù)據(jù)拆分成10組再將后9組分別與第1組進(jìn)行綁定，再組合成一個(gè)數(shù)組與XY曲線圖顯示控件輸入端連接完成歷史數(shù)據(jù)的顯示。

2.2.2 軟件系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

圖8 數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)

圖9 歷史數(shù)據(jù)回放

圖10 測(cè)控系統(tǒng)的軟件主界面

軟件系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)潔便于操作。圖10即為線性摩擦焊控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主界面。左上方區(qū)域是焊接參數(shù)設(shè)定區(qū)域;左下方區(qū)域主要用來對(duì)焊機(jī)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，這些按鈕都是點(diǎn)動(dòng)的，只有持續(xù)按住按鈕焊機(jī)才會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作，松開按鈕則焊機(jī)停止動(dòng)作;右上方區(qū)域用來顯示一些開關(guān)量的輸入狀態(tài)和進(jìn)行焊接控制;右下方區(qū)域用來實(shí)時(shí)顯示焊接過程中一些變量值，從而可以監(jiān)測(cè)焊接過程，后臺(tái)數(shù)據(jù)主要是用XY圖顯示焊接過程參數(shù)。

3 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用表明，基于工控機(jī)構(gòu)建的線性摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)和功能可行，人機(jī)操作界面良好，自動(dòng)化程度高，焊機(jī)保護(hù)功能完善。軟件采用模塊化編程，易于系統(tǒng)的功能升級(jí)改造。采用時(shí)間和變形量相結(jié)合的復(fù)合控制方式實(shí)現(xiàn)焊接過程的實(shí)時(shí)控制，能滿足線性摩擦焊接的誤差要求。

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