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)
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]。
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。
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
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。