張詩晴，方泓樹

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

線性摩擦焊是從旋轉(zhuǎn)摩擦焊發(fā)展而來的，是80年代末出現(xiàn)的一種新型焊接方法，是一種十分先進的技術(shù)。這門技術(shù)融合了摩擦學(xué)、控制、焊接、機電等眾多學(xué)科內(nèi)容，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于航空航天、石油和汽車制造等領(lǐng)域。線性摩擦焊的工藝特性，使葉片與葉盤間的過渡區(qū)的晶粒組織變得非常精細(xì)，其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非焊接的機體材料。

線性摩擦焊的原理是兩個工件靠在一起做相對高頻往復(fù)運動，焊接接觸面在頂鍛正壓力作用下相互摩擦產(chǎn)生熱量，焊縫金屬發(fā)生塑性流動，再通過持續(xù)頂鍛使焊縫金屬相互擴散與再結(jié)晶，以此達到焊接的目的。

自1990年以來，第一臺線性摩擦焊機問世已近20年，但國內(nèi)外關(guān)于線性摩擦焊研究的報道都很少。近年來，隨著我國航空航天工業(yè)的飛速發(fā)展，線性摩擦焊技術(shù)越發(fā)受到科研工作者的重視，研究包括線性摩擦焊在內(nèi)的新型焊接技術(shù)對于提高我國航空航天工業(yè)的制造水平有著十分重要的意義。

本次研究課題來源為我所承接的項目-多功能高精度線性摩擦焊試驗設(shè)備研制，我所負(fù)責(zé)其中的電液伺服系統(tǒng)研制部分，這是線性摩擦焊設(shè)備中的關(guān)鍵內(nèi)容，十分重要。

1 系統(tǒng)硬件組成

圖1 頂鍛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

線性摩擦焊機主要由設(shè)備本體（包括機體、工作臺、框架及夾具等）、頂鍛部分、振動部分、檢測控制部分等組成。本次研究的重點在于頂鍛部分的電液伺服控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)任務(wù)為：推動頂鍛滑臺并為其定位；為焊接副提供工藝所要求的頂鍛正壓力，且能在要求的焊接縮短量下保壓。頂鍛伺服油缸的控制擬采用數(shù)字控制方案。

由于本項目摩擦焊頂鍛系統(tǒng)運動行程較長，因此經(jīng)過綜合考慮，頂鍛伺服系統(tǒng)最終采用長短兩個行程的油缸串聯(lián)的控制方式，長行程油缸采取位置控制，短行程油缸采取位置控制和力控制。長、短行程兩個油缸串聯(lián)連接，長行程油缸缸體固定于設(shè)備基座，活塞桿水平伸縮，用于初始大行程位置控制；短行程油缸活塞桿與長行程油缸活塞桿相連，當(dāng)長行程缸活塞桿到達設(shè)定目標(biāo)位置，短行程油缸活塞桿與長行程油缸活塞桿一同固定，短行程油缸缸筒帶動滑臺、夾具及工件水平移動，用于焊接期間的位置控制和力控制。焊接頂鍛伺服油缸的控制由位移控制和力控制兩種閉環(huán)控制方式構(gòu)成，它們分別完成滑臺定位和焊機頂鍛力的施加。頂鍛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

而控制系統(tǒng)流程圖則如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

2 仿真部分

2.1 系統(tǒng)建模

本次仿真采用軟件為AMESim，該程序為一建模仿真平臺，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域。AMESim用圖形化建模方法替代了數(shù)學(xué)建模，使用戶的設(shè)計過程更加便捷。簡化系統(tǒng)原理圖后，應(yīng)用AMESim軟件建立如圖3所示的液壓系統(tǒng)。

2.2 參數(shù)選定

對于閥控缸液壓系統(tǒng)有如下所示公式：

式中qLm為最大負(fù)載流量，qv為伺服閥的輸出流量；

Ps為油源的供油壓力；

Δp為壓降，qLs為伺服閥樣本所規(guī)定額定壓降下的流量。

圖3 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在PID環(huán)節(jié)中，需要確定三個重要參數(shù)，分別為：比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd。其中比例系數(shù)Kp主要控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Kp增大時系統(tǒng)能更快響應(yīng)，精度提高，但Kp過大時系統(tǒng)超調(diào)量也增大，亦有可能產(chǎn)生振蕩使系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分系數(shù)Ki主要控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但引入積分環(huán)節(jié)同時會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分系數(shù)Kd主要控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，Kp合適時可顯著提高系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)，大大提高穩(wěn)定性，但同時存在著抗干擾能力弱的問題。PID整定需要根據(jù)經(jīng)驗確定PID的初始參數(shù)，然后逐步調(diào)試。其中控制函數(shù)為u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD.de(t)/dt]，積分上下限是0和t。傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TI.s)+TD.s]。

最終決定應(yīng)用模式為PI，頂鍛長缸P=0.85，I=0.005；頂鍛短缸位移控制部分P=1.6，I=0.2，力控制部分P=0.00001，I=0.0001。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)所搭建的仿真模型對頂鍛系統(tǒng)進行仿真分析，結(jié)果如下。

頂鍛長缸位移圖像如圖4所示。

圖4 頂鍛長缸位移圖

頂鍛短缸位移圖像如圖5所示。

頂鍛短缸頂鍛力圖像如圖6所示。

4 結(jié)束語

本次研究采取了兩個油缸串聯(lián)控制的方式，頂鍛長缸采用位移控制，頂鍛短缸采用位移控制和力控制。由仿真圖像可知長行程油缸位移、短行程油缸位移、短行程油缸頂鍛力均符合要求，該方案可行，可以應(yīng)用。

圖5 頂鍛短缸位移圖

圖6 頂鍛短缸頂鍛力圖