陳書錦，胡曉晴，蘆 笙，高延敏，王 宇

（江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

摩擦焊接實(shí)驗(yàn)是焊接技術(shù)與工程專業(yè)、材料成型專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)。目前關(guān)于摩擦焊實(shí)驗(yàn)裝置有：連續(xù)驅(qū)動摩擦焊、慣性摩擦焊、常規(guī)單軸肩攪拌摩擦焊等［1－5］，而作為最新發(fā)展的雙軸肩（bobbin tool），也有稱為SRPT（self reactive pin tool）攪拌摩擦焊接技術(shù)，目前高校實(shí)驗(yàn)室鮮有相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備［6－7］。如果在常規(guī)攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行改裝，則只能做一些工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)，無法有效揭示焊接過程中的參數(shù)變化規(guī)律，滿足不了當(dāng)前專業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。當(dāng)前，市面上很難購買合乎要求的雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)，因此本研究基于數(shù)字化控制技術(shù)，研制了雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［8］。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用工控機(jī)、可編程邏輯控制器為核心，基于專用運(yùn)動控制模塊、單片機(jī)控制板構(gòu)成曲線焊接控制系統(tǒng)，以完成學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；以溫度測量、攪拌頭受力測量裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了焊接數(shù)據(jù)測控平臺，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力［9－11］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 雙軸肩攪拌摩擦焊接原理

雙軸肩攪拌摩擦焊接技術(shù)是一種新型的焊接方法［12］，與常規(guī)單軸肩攪拌摩擦焊接相比，由于取消了墊板并且上下軸肩同時對工件摩擦生熱，所以能夠消除未焊透等缺陷，這一改進(jìn)大大降低了焊接過程中的鍛壓力，提高了狹小空腔及筒體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接的可操作性，同時節(jié)省了制造剛性裝置的成本，因而備受國內(nèi)外關(guān)注。雙軸肩攪拌摩擦焊接原理如圖1所示。

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊接原理

圖1所示，在雙軸肩攪拌摩擦頭中，由一個共用的攪拌針連接上、下軸肩，這2個軸肩分別與被焊工件的上下表面接觸，由于上下軸肩的距離略小于工件厚度，因此當(dāng)攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的同時沿著焊縫方向行進(jìn)時，所產(chǎn)生的熱量使被焊工件塑化，在攪拌針和上下軸肩的同時作用下不斷被攪拌、擠壓成形，最后形成焊縫。

1.2 雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

如圖2所示，雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)主要由機(jī)械本體、攪拌摩擦頭、電機(jī)驅(qū)動及其控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成。機(jī)械本體包括工作臺、機(jī)頭、焊接工裝等部分；攪拌摩擦頭則用于直接作用于工件，電機(jī)驅(qū)動及控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦頭旋轉(zhuǎn)、工作臺的平面移動等焊接動作。

整個焊接裝置安裝在機(jī)頭上，機(jī)頭輸出軸通過齒輪將動力傳遞給從動齒輪，為攪拌頭旋轉(zhuǎn)提供動力。攪拌針與中心軸連接，中心軸由上而下，穿過壓力傳感器、平面軸承、上軸肩，在電機(jī)和燕尾槽滑動機(jī)構(gòu)的作用下，中心軸可產(chǎn)生軸向位移；中心軸與上軸肩之間采用鍵和鍵槽連接，它們之間只能產(chǎn)生相對軸向位移。

攪拌頭設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是整個焊機(jī)的核心之一。本研究提出了一種分體式雙向可調(diào)節(jié)的雙軸肩攪拌摩擦頭，如圖3所示。攪拌針、上軸肩、下軸肩相互分體設(shè)計(jì)，攪拌針與上軸肩、攪拌針與下軸肩都通過緊定螺釘進(jìn)行固定以防止相對旋轉(zhuǎn)。攪拌針的上端伸出上軸肩的部分和下端伸出下軸肩的部分均具有螺紋，使用2個螺母即可阻止上下軸肩向攪拌針的兩端運(yùn)動，而松開緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)螺母即可雙向調(diào)節(jié)上下軸肩間距。本設(shè)計(jì)符合雙軸肩攪拌摩擦焊工藝要求，可以滿足不同厚度試板的雙軸肩攪拌摩擦焊，同時攪拌針與上下軸肩彼此獨(dú)立，拆裝方便，部分組件出現(xiàn)損壞可輕松替換，不會造成整體損失，從而節(jié)約材料。

圖2 雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 可調(diào)節(jié)雙軸肩攪拌摩擦頭

1.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖見圖4?？刂葡到y(tǒng)的核心控制部件是工控機(jī)（研華610L）和PLC（FX3U－48MT＋FX2N20GM），工控機(jī)用于控制算法運(yùn)行，PLC在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)工作臺x、y向電機(jī)驅(qū)動的控制和主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。輸入到主控制器的焊接參數(shù)有：焊接速度、主軸旋轉(zhuǎn)速度、軸向力、平面受力、前導(dǎo)區(qū)溫度等焊接參數(shù)。

圖4 雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

首先以MCGS觸摸屏為人機(jī)交互界面，以工控機(jī)為焊接參數(shù)采集、計(jì)算單元，A／D采集模塊采集x、y方向的阻力、攪拌針?biāo)惺艿妮S向力、焊接區(qū)域溫度，然后傳送至工控機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最后將動作指令傳送至PLC；PLC通過專用運(yùn)動模塊FX2N20GM，控制3臺驅(qū)動電機(jī)，從而控制工作臺x、y方向和機(jī)頭z方向的位移；同時通過串口與變頻器通信，間接控制主電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制攪拌頭的轉(zhuǎn)速，從而完成整個焊接過程。

2 焊接參數(shù)檢測與控制

焊接過程中，在專用拉桿的作用下，攪拌針、上軸肩、下軸肩同步高速旋轉(zhuǎn)，盡管實(shí)現(xiàn)了焊接，但是攪拌針承受了巨大、不均勻的拉力，同時在焊接方向上承受了行進(jìn)阻力，因此在雙軸肩攪拌摩擦焊接過程中，與常規(guī)攪拌摩擦焊相比需要增加參數(shù)測控。

2.1 攪拌針軸向力檢測

在焊接過程中，由于攪拌摩擦頭處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此難以采用傳統(tǒng)方法檢測軸向力，本研究采用無線傳輸?shù)姆椒ń鉀Q這個問題，如圖5所示。

圖5 軸向力信號檢測模塊結(jié)構(gòu)框圖

壓力傳感器安裝在墊片與平面軸承之間。為了提高檢測精確度和安裝方便，在軸心對稱放置了3個壓力傳感器，同時對3個傳感器進(jìn)行采樣。

壓力傳感器采用具有高彈性、抗沖擊和振動特性的CPS182陶瓷壓阻壓力傳感器，其響應(yīng)時間1ms，量程100kPa～60Mpa，線性度0.2～0.4%，外形尺寸18mm×5.25mm×8.05mm。壓力檢測及無線傳輸電路安裝在平面軸承上方的開放式空腔中。軸向力無線信號送入相應(yīng)的接收模塊后，最后通過串口送入工控機(jī)。圖6為測得的軸向力信號曲線。

圖6 軸向力信號曲線

2.2 攪拌摩擦頭平面受力檢測

由于在焊接過程中攪拌摩擦頭承受了很大的行進(jìn)阻力，如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，極有可能導(dǎo)致攪拌針斷裂，因此為了保證攪拌頭的安全，本系統(tǒng)中通過專用力傳感器采集攪拌針?biāo)艿钠矫媪Φ拇笮?，在被焊工件上的四周安放測力夾具，如圖7所示。通過檢測A、B、C、D、E、F、G、H這8個位置所受到的力，即可計(jì)算出攪拌針?biāo)艿降暮狭Α?/p>

圖7 測力夾具

各點(diǎn)的受力信號通過放大線路后，送入數(shù)據(jù)采集卡，最后由工控機(jī)進(jìn)行存儲和顯示。平面力信號如圖8所示。

2.3 曲線雙軸肩攪拌摩擦焊接

雙軸肩攪拌摩擦焊接的優(yōu)勢在于可以焊接曲線構(gòu)件，為了體現(xiàn)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了曲線雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)。曲線焊接的關(guān)鍵執(zhí)行部件是定位模塊（FX2N20GM）和驅(qū)動裝置SGDV伺服單元，兩者之間的接線如圖9所示。

圖8 平面力信號曲線

以完成正弦曲線焊接為例，首先固定好焊材，確定平面坐標(biāo)系xoy及焊縫零點(diǎn)（起始點(diǎn)）；將待焊縫在x方向上平均分成若干份（可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定），在各個等分點(diǎn)繪制平行于y軸的虛線，得到交匯點(diǎn)，然后分別計(jì)算出各交匯點(diǎn)在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（0，0）、（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）……，如圖10所示；最后編寫程序，將上述獲得的各坐標(biāo)值寫給20GM定位模塊，并給定各圓弧段的半徑r，調(diào)用定位指令cod02（cw）或者cod03（ccw），由20GM 進(jìn)行連續(xù)圓弧插補(bǔ)，驅(qū)動x、y軸伺服電機(jī)，完成曲線焊縫的焊接。

圖9 定位模塊與伺服單元之間的接線圖

圖10 正弦曲線焊縫示意圖

2.4 前導(dǎo)區(qū)溫度閉環(huán)控制方法

在焊接過程中，攪拌摩擦頭前方的金屬塑化程度直接影響著焊接質(zhì)量，而溫度則是金屬塑化的重要標(biāo)志，因此對焊接前方區(qū)域溫度即前導(dǎo)區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。

選取前方某位置為目標(biāo)點(diǎn)，焊接過程中，以該點(diǎn)溫度為反饋，建立的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)見圖11。由于溫度是緩變量，因此必須采用滯后控制補(bǔ)償措施，以期將滯后部分影響控制在環(huán)路之外。

圖11 溫度控制框圖

如圖12所示，對前導(dǎo)區(qū)溫度進(jìn)行控制時，采用常規(guī)PID控制器與Smith預(yù)估器相結(jié)合的方法，用以避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)來表示焊接溫度模型，則預(yù)估器的輸出V′（k）可表示為

圖12 Smith預(yù)估器結(jié)構(gòu)

V′（k）＝aV′（k－1）＋b［v（k－1）－v（k－N－1）］

式中，a＝eT／Tf，b＝kf（1－eT／Tf），Tf為焊接溫度時間常數(shù)，kf為溫度模型放大系數(shù)，τ為純滯后時間。

通過設(shè)計(jì)PID控制器和預(yù)估器，可以實(shí)現(xiàn)焊接前導(dǎo)區(qū)溫度閉環(huán)反饋控制。

3 可進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理直觀清晰，可開設(shè)以下實(shí)驗(yàn)：

（1）雙軸肩攪拌摩擦焊常規(guī)實(shí)驗(yàn)；

（2）攪拌針的軸向受力檢測與分析；

（3）攪拌摩擦頭平面受力檢測與分析；

（4）雙軸肩攪拌摩擦焊曲線焊接實(shí)驗(yàn)；

（5）焊接前導(dǎo)區(qū)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

開展雙軸肩攪拌磨擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自制工作，促進(jìn)了我校攪拌摩擦焊接技術(shù)的新發(fā)展，促進(jìn)了我院本科、研究生教學(xué)和教師科研水平的提升。雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為更好地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)提供了平臺。針對本科生、研究生已開設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)選修課程。

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