隋峻浩 宋淼杉 黃玥婧 琚恭偉 徐 博

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

攪拌摩擦焊(Fricition Stir Welding)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型焊接方法，與傳統(tǒng)的焊接方法相比具有焊接變形小，焊縫強(qiáng)度高，可以焊接異種金屬等諸多優(yōu)點(diǎn)。在焊接的過程中，攪拌頭與工件之間產(chǎn)生的三向力會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。而在這些力當(dāng)中，頂鍛力對(duì)焊接質(zhì)量的作用尤為關(guān)鍵。目前國內(nèi)的測(cè)力裝置大部分作用于機(jī)床的下方，這些裝置有著諸如移動(dòng)不方便、受工件變形量較大影響等缺點(diǎn)，且不能隨著機(jī)床主軸的移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力的變化，在準(zhǔn)確性和靈活性上具有一定缺陷，因此本課題研發(fā)了一種新型的無線測(cè)力裝置。該攪拌摩擦焊的無線跟蹤測(cè)力裝置通過直接安裝在機(jī)床主軸上，使得測(cè)力裝置可以跟隨攪拌摩擦焊頭進(jìn)行移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊力的全行程動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)，為改善攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量、建立焊接的閉環(huán)控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

1 裝置的總體設(shè)計(jì)

本套裝置主要由刀柄，連接裝置，信號(hào)傳輸系統(tǒng)，攪拌摩擦焊頭以及用于接收信號(hào)的Android智能終端組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，連接裝置包括用于與刀柄連接的連接件，DYLF-102輪輻式拉壓力傳感器以及連接盤。信號(hào)傳輸系統(tǒng)包括24 V直流電池、降壓板、電壓放大器、電壓無線采集模塊、無線發(fā)射模塊。

通過連接裝置，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸，刀柄，傳感器以及攪拌摩擦焊頭的連接。連接裝置中搭載著信號(hào)傳輸系統(tǒng)，信號(hào)傳輸系統(tǒng)可以接收壓力傳感器的壓力信號(hào)并將信號(hào)傳輸?shù)紸ndroid智能終端上，實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 攪拌摩擦焊力的檢測(cè)裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器的選型

電阻式應(yīng)變傳感器是通過力對(duì)傳感器的電阻的改變測(cè)量力的大小?？紤]到傳感器需要在主軸上旋轉(zhuǎn)，電阻式傳感器的外形是輪轂式的，在結(jié)構(gòu)上比較合適。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，焊接5 mm鋁合金板所需的攪拌頭軸向壓力不大于4 kN，因此選用DYLF-102輪輻式拉壓力傳感器，傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2.2 連接裝置的設(shè)計(jì)

該部分裝置主要由電阻式應(yīng)變傳感器、用于與刀柄連接的連接件以及連接盤組成。刀柄通過氣壓與機(jī)床的拉刀裝置連接，刀柄的下端與連接件相連接。本裝置所采用的傳感器為DYLF-102輪輻式拉壓力傳感器，該種傳感器的外圈是圓周分布的8個(gè)沉頭孔，上部連接件的外圈等距環(huán)形分布著8個(gè)通孔，連接盤上同樣等距分布著8個(gè)通孔，傳感器與上部連接件和連接盤采用螺栓連接。連接盤是一個(gè)有58通孔的塑料材質(zhì)的圓盤，可以用扎帶固定信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的電池、降壓板、電壓放大器以及無線采集模塊，防止旋轉(zhuǎn)過程中元件發(fā)生松動(dòng)。傳感器的中心孔帶有螺紋，與攪拌摩擦焊頭上部的螺紋進(jìn)行配合，完成傳感器與焊頭的連接。各部分的連接如圖2所示。

為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要力完全施加在傳感器上，因此，在攪拌摩擦焊焊頭與傳感器上均設(shè)置凸臺(tái)，保證二者之間的緊密配合。

2.3 信號(hào)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信號(hào)傳輸系統(tǒng)由無線傳輸模塊和供電系統(tǒng)兩部分組成。電阻式傳感器采集的信號(hào)通過電壓放大器放大，然后由電壓無線采集模塊和無線發(fā)射模塊通過藍(lán)牙傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收顯示系統(tǒng)。由于整套裝置在機(jī)床的旋轉(zhuǎn)主軸上，因此設(shè)計(jì)了電池供電系統(tǒng)給無線傳輸系統(tǒng)供電。

2.3.1信號(hào)傳輸系統(tǒng)無線傳輸模塊的設(shè)計(jì)

電阻式應(yīng)變傳感器是以彈性體為中介，通過力作用在貼傳感器兩邊的電阻應(yīng)片使它的阻值發(fā)生變化，再經(jīng)過相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換為電的信號(hào)，最后測(cè)得壓力值。由于壓力傳感器的輸出電壓極小，在mV量級(jí)，所以需要在壓力傳感器與無線采集模塊之間連接一個(gè)電壓放大模塊。這樣，便可以將壓力傳感器輸出的電壓經(jīng)過電壓模塊放大后傳輸給電壓采集模塊進(jìn)行采集，然后將采集到的電壓值通過藍(lán)牙無線通信技術(shù)傳輸出去，并使用支持藍(lán)牙通信的Android智能終端接收無線傳輸信號(hào)，將接收到的采樣信號(hào)還原成電壓值在終端顯示屏上顯示出來，以便得到實(shí)時(shí)的跟蹤數(shù)據(jù)，從而對(duì)焊接力進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。

2.3.2信號(hào)傳輸系統(tǒng)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器所需的電壓放大器要連接24 V直流電源供電，電壓無線采集模塊需要接4.8 V直流電源。由于整套裝置位于機(jī)床主軸且工作時(shí)跟隨主軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此可以選用電池對(duì)電路進(jìn)行供電。供電方案有如下兩種：

方案一：分別用24 V電池與4.8 V電池對(duì)電壓放大器和電壓無線采集模塊進(jìn)行供電。

方案二：選用24 V電池直接對(duì)電壓放大器供電并通過24 V電壓并聯(lián)降壓板將電壓降為4.8 V對(duì)無線傳輸裝置進(jìn)行供電。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，方案一的實(shí)驗(yàn)誤差顯著高于實(shí)驗(yàn)二的誤差。顯然，方案二的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)于方案一。經(jīng)分析認(rèn)為，由于電池的輸出電壓通常存在一定的波動(dòng)，如果使用兩個(gè)電池分別供電會(huì)增大測(cè)量誤差，而若是只使用一個(gè)電池，通過并聯(lián)降壓板的方法實(shí)現(xiàn)分別供電則可以使電壓放大器與電壓無線采集模塊的電源輸入電壓實(shí)現(xiàn)同步變化，從而減小所測(cè)得的誤差。無線傳輸系統(tǒng)的內(nèi)部電路示意圖如圖3所示。

2.4 藍(lán)牙無線通信技術(shù)

在此套裝置中，我們使用藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線通信。藍(lán)牙技術(shù)是采用全雙工分時(shí)傳輸信息的技術(shù)，信息以分組結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在傳輸過程中，各信息分組用不同的跳頻算法實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。本套裝置使用藍(lán)牙模塊和帶藍(lán)牙功能的Android系統(tǒng)建立連接，按照藍(lán)牙傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊與Android系統(tǒng)之間的無線通信。在本課題中使用的藍(lán)牙模塊型號(hào)為藍(lán)牙2.0，這個(gè)模塊可以采集一路單向電壓信號(hào)并可以無線傳輸?shù)紸ndroid設(shè)備中，最高采樣頻率為10 kHz，電壓分辨率為2 mV，工作電流為5 mA，工作溫度在-40 ℃～85 ℃之間，常溫下工作狀態(tài)穩(wěn)定，在空曠地帶無線傳輸距離可達(dá)10 m。接收信號(hào)的Android系統(tǒng)中預(yù)先安裝已開發(fā)的軟件，通過該軟件將藍(lán)牙技術(shù)無線傳輸接收到的數(shù)據(jù)增加一定的偏置和增益后在顯示屏中顯示。同時(shí)，預(yù)先調(diào)整電壓放大模塊的放大倍數(shù)，使之與開發(fā)軟件的偏置和增益值相匹配，便可在Android系統(tǒng)中得到實(shí)時(shí)的壓力值，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制出壓力的實(shí)時(shí)變化曲線。這一功能對(duì)后續(xù)機(jī)床的焊接力控制提供了可靠有效的數(shù)據(jù)支持。

3 攪拌摩擦焊無線測(cè)力裝置的有益效果

在實(shí)驗(yàn)室條件下，將無線傳輸系統(tǒng)固定在連接裝置上，并連接好無線傳輸系統(tǒng)的供電系統(tǒng)。給傳感器動(dòng)態(tài)施加壓力，可以看到Android智能終端上的數(shù)值隨著施加的壓力的變化動(dòng)態(tài)變化。

攪拌摩擦焊焊接過程中，下壓力的大小對(duì)焊接質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用，可以通過改變攪拌摩擦焊焊接頭的壓入深度來控制焊接力的大小。但是，受到機(jī)床的振動(dòng)、夾具裝夾時(shí)鋁合金板的變形以及鋁合金板受熱變形的影響，給定壓入深度會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致攪拌摩擦焊焊接過程中受力的變化而影響焊接質(zhì)量。因此，可以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)攪拌摩擦焊的焊接過程加以控制。利用此裝置，可以快速地獲取力的動(dòng)態(tài)變化數(shù)值。將測(cè)得的動(dòng)態(tài)變化的力輸入PLC的輸入端，PLC的輸出端連接機(jī)床主軸，控制主軸升降來控制壓入深度，從而可以將攪拌摩擦焊的焊接力控制在一個(gè)基本恒定的數(shù)值，保證攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量。

4 結(jié)語

本課題所研制的攪拌摩擦焊動(dòng)態(tài)測(cè)力裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出頂鍛力的大小，并且通過藍(lán)牙與智能終端的運(yùn)用，可以與不同攪拌摩擦焊設(shè)備連接，方便了使用者的使用。同時(shí)，這套裝置具有便于裝卸，應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高攪拌摩擦焊的焊接工藝與提高焊接質(zhì)量具有一定的推動(dòng)作用，有著廣闊的應(yīng)用空間。