黎明，關(guān)大力，李輝，江樂(lè)天，于音,趙峰

(中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024)

0 前言

線性摩擦焊接(Linear Friction Welding,LFW)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種焊接技術(shù)，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)和飛機(jī)框梁類(lèi)零件的制造，其焊接原理如圖1所示[1]。

圖1 線性摩擦焊示意

左側(cè)工件在垂直方向上高頻振動(dòng)，右側(cè)工件在水平方向頂鍛力的作用下和左側(cè)工件端面接觸，在接觸面上發(fā)生高頻摩擦產(chǎn)生熱量，隨著溫度升高，接觸面材料軟化、變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，左側(cè)工件快速停止振動(dòng)，保證2個(gè)工件振動(dòng)方向?qū)R，并使頂鍛力保持一段時(shí)間，2個(gè)工件就連接為一體，完成焊接[2]。

1 轉(zhuǎn)換控制原理分析

目前，在現(xiàn)有的線性摩擦焊設(shè)備上采用的頂鍛方向縮短量控制方式是壓力控制，即焊接過(guò)程中頂鍛方向從始至終保持一定的頂鍛力，并在頂鍛方向預(yù)置縮短量s處發(fā)出振動(dòng)停止信號(hào)，使得激振油缸停止振動(dòng)。

在焊接過(guò)程中，頂鍛方向縮短量s誤差主要產(chǎn)生在振動(dòng)停止變形段，由于固定的振動(dòng)停止激發(fā)點(diǎn)(頂鍛方向預(yù)置縮短量s0處)發(fā)出振動(dòng)停止信號(hào)后，始終保持壓力控制，但頂鍛位置不受控制，導(dǎo)致頂鍛方向縮短量s重復(fù)精度差。這導(dǎo)致在相同材料、相同焊接工藝參數(shù)的條件下，一批工件的縮短量s有約為±0.3 mm的誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)某些精度要求較高的工件焊接[3-4]。

為實(shí)現(xiàn)LFW系統(tǒng)頂鍛方向位置與壓力轉(zhuǎn)換無(wú)擾控制，本文作者分別建立如圖2和圖3所示的壓力及位置控制傳遞函數(shù)并進(jìn)行分析，以找到頂鍛方向位置與壓力轉(zhuǎn)換的控制方法，從而實(shí)現(xiàn)精確控制[5]。

圖2 壓力控制傳遞函數(shù)框圖

圖3 位置控制傳遞函數(shù)框圖

其中：us為設(shè)定值；KAm為液壓伺服放大器增益；Ksv為液壓伺服閥閥芯位移增益;Gsv(s)為液壓伺服閥傳遞函數(shù);Xv為液壓伺服閥閥芯位移;Kq為液壓伺服閥流量增益;Kce為液壓伺服閥壓力流量系數(shù);V為液壓缸容缸的總體積;βe為油液綜合體積彈性模量;Ap為液壓缸等效作用面積;BL為液壓缸阻尼系數(shù);Ks為負(fù)載彈性系數(shù);KF為力反饋增益;KX為位移反饋增益。

由圖2、圖3可以看出：位置反饋信號(hào)取自液壓伺服缸的位移，負(fù)載FL是擾動(dòng)量，液壓伺服缸輸出力隨著負(fù)載的改變而改變，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性主要由液壓伺服缸的固有特性決定。控制力時(shí)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，常常用控制壓力代替，檢測(cè)信號(hào)取自液壓缸2個(gè)腔的壓力。位置環(huán)是開(kāi)環(huán)的，系統(tǒng)的輸出特性主要由液壓伺服缸2個(gè)腔的容腔體積決定。另外，液壓壓力靠負(fù)載來(lái)建立，所以壓力控制過(guò)程是在執(zhí)行機(jī)構(gòu)接觸到施力構(gòu)件之后開(kāi)始進(jìn)行的。在接觸之前，執(zhí)行器主要受到系統(tǒng)慣性力和系統(tǒng)摩擦阻力作用。

液壓伺服系統(tǒng)中的壓力可以通過(guò)在容積一定的系統(tǒng)中添加油液載荷力或向定向系統(tǒng)添加油液而產(chǎn)生。文中忽略熱膨脹的影響，則壓力變化的基本公式為

(1)

由公式(1)可知，壓力隨著液壓缸容量及體積彈性模量βe的改變而改變，而體積彈性模量反映了液體的壓縮性。比如，油的體積彈性模量大約為1.379 MPa，而水的體積彈性模量則大約為2.151 2 MPa。這意味著如果容量減少0.1%(-0.001)，油壓將增加1.379 MPa，而水壓將增加2.151 2 MPa，即水比油更難壓縮。

任意時(shí)刻壓力和力的變化率分別如下所示：

(2)

(3)

假設(shè)面積和體積彈性模量為常量，則在已知速度、流量和當(dāng)前容量的前提下，可以計(jì)算出任意時(shí)刻壓力和力的變化率。

在完成LFW系統(tǒng)頂鍛方向位置與壓力分析后，應(yīng)用RMCTools軟件，在閉環(huán)壓力系統(tǒng)中取用一些初始和保守的PID及前饋增益后，通過(guò)軟件自帶的調(diào)節(jié)導(dǎo)向工具的命令控制軸的壓力，使它在指定的時(shí)間內(nèi)漸變到指定壓力。在所有增益設(shè)置為0的情況下，先使執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置，然后僅對(duì)PID輸入設(shè)定值和一個(gè)比例增益，通過(guò)以下公式進(jìn)行估算：

(4)

其中：Kp壓力和Kp力分別為壓力調(diào)整值和力調(diào)整值。通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)PID的相關(guān)參數(shù)以及力變化率的前饋增益，不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)[6]。當(dāng)壓力調(diào)整值確定后，需要調(diào)節(jié)位置控制和力控制的邊界閾值界限，以進(jìn)行過(guò)渡轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行過(guò)渡轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，當(dāng)接近閾值界限時(shí)，需要降低系統(tǒng)的運(yùn)行速度，以達(dá)到期望的效果。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以下公式進(jìn)行“預(yù)置縮短量S01”設(shè)置。i、j為批量焊接次數(shù)。i=1時(shí)，將系統(tǒng)“預(yù)置縮短量S01”設(shè)定值設(shè)置為s0；i≥2時(shí)，將系統(tǒng)“預(yù)置縮短量S01” 設(shè)定值設(shè)置為s0(i)；系統(tǒng)頂鍛壓力設(shè)定值設(shè)置為p0(j)。

整個(gè)加工過(guò)程如圖4所示，控制頂鍛油缸的頂鍛壓力p并推動(dòng)頂鍛方向焊件向振動(dòng)方向焊件移動(dòng)進(jìn)行焊接，當(dāng)焊件在頂鍛方向的位置達(dá)到頂鍛方向預(yù)置縮短量s時(shí)，激振油缸停止振動(dòng)，并在頂鍛壓力發(fā)生最大波動(dòng)時(shí)記錄此時(shí)頂鍛方向的位置信息，標(biāo)記為縮短量LS。預(yù)置縮短量為8 mm時(shí),實(shí)測(cè)縮短量(LS00～LS09)如表1所示，最終縮短量平均值為8.35 mm，最終縮短量誤差約為±0.16 mm。

圖4 壓力與位置轉(zhuǎn)換控制LFW焊接過(guò)程

表1 實(shí)測(cè)縮短量

3 結(jié)論

本文作者提出了線性摩擦焊頂鍛方向的精度控制方法，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。利用該方法，可在保持頂鍛方向壓力控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)頂鍛方向位置的同步控制，以保證“頂鍛方向預(yù)置縮短量”與“頂鍛方向縮短量”重復(fù)一致性，從而提高了頂鍛方向縮短量的精度。