佟 生,任宗金,張 軍,孟慶增

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連 116024)

0 引言

攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所于1991年提出,因其焊縫變形小,強(qiáng)度系數(shù)高[1-3],已成為重型運(yùn)載火箭燃料貯箱裝配的主要連接工藝。但單軸肩焊接時(shí)厚向溫差大,焊接質(zhì)量難以保證,因此很多學(xué)者提出了雙側(cè)復(fù)合攪拌摩擦焊的概念[4-5],即在焊件雙側(cè)各裝配攪拌頭同時(shí)進(jìn)行焊接。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),焊接過程中力信號與焊縫質(zhì)量緊密相關(guān),對其精確測量是改善焊件性能、優(yōu)化攪拌頭工藝參數(shù)的重要基礎(chǔ)[6-8]。

劉一川等[9]為測量18 mm厚2219鋁合金FSW焊接力,設(shè)計(jì)了一種平臺式四支點(diǎn)壓電測力儀,并對測力單元進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),其線性度誤差小于3%,向間干擾小于5%,性能良好,但測力儀被放置在工作臺上,不適用于雙側(cè)復(fù)合FSW焊接力的測量。王慶霞等[10]面向3 mm厚6061鋁合金,設(shè)計(jì)了一款置于主軸前端的壓電式焊接力監(jiān)測系統(tǒng),固有頻率大于25 kHz,但主向量程僅為10 kN,不能滿足18～30 mm貯箱焊裝過程中三向力的測量需求。

壓電式測力儀具有很高的精度和固有頻率[11-12],非常適用于動(dòng)態(tài)焊接力的測量。但傳統(tǒng)上測力儀被放置于工作臺上,產(chǎn)生的電荷信號需經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換放大及數(shù)據(jù)采集卡收集后才能顯示在終端,測試設(shè)備龐大、連線繁雜,不能完成雙側(cè)復(fù)合FSW長程焊接中焊接三向力的測量工作?；诖?本文設(shè)計(jì)了一款置于主軸前端的旋轉(zhuǎn)式壓電測力儀,并研制了一塊信號調(diào)理電路板內(nèi)嵌于測力儀中,實(shí)現(xiàn)了微弱電荷信號到放大模擬電壓信號的轉(zhuǎn)換,最后通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及實(shí)測等方式得到了信號調(diào)理電路板的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1 旋轉(zhuǎn)式壓電測力儀總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測力儀主體由主軸接口、力感應(yīng)模塊、電路板容倉、刀具接口部分組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主軸接口通過內(nèi)部拉釘與外圓錐面安裝在焊接設(shè)備主軸上,力感應(yīng)模塊包括上端、下端、壓電測力單元,通過螺栓連接,電路板容倉用于放置信號調(diào)理電路板,刀具接口下端帶有攪拌針,用來焊接焊件。在焊接過程中,刀具接口處攪拌針受到頂鍛力Fz、前進(jìn)抗力Fx、側(cè)向力Fy及軸向扭矩Mz四維力作用,并傳遞給力感應(yīng)模塊中壓電測力單元,產(chǎn)生的微弱電荷信號經(jīng)信號調(diào)理電路板轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。

圖1 旋轉(zhuǎn)式壓電測力儀整體結(jié)構(gòu)

2 測力儀仿真分析

2.1 靜力學(xué)仿真分析

測力儀所受四維力與4個(gè)測力單元輸出之間的關(guān)系如下:

(1)

式中R為4個(gè)測力單元等效分布圓半徑。

利用ANSYS中Static Structural模塊對測力儀進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。根據(jù)18 mm厚2219鋁合金板雙側(cè)復(fù)合攪拌摩擦焊焊接三向力仿真值,在攪拌針處施加四維力情況如下:前進(jìn)抗力Fx=10 kN、側(cè)向力Fy=5 kN、頂鍛力Fz=40 kN、軸向扭矩Mz=100 N·m,為避免測力單元受側(cè)向力產(chǎn)生滑動(dòng),經(jīng)計(jì)算后,對力感應(yīng)模塊中4個(gè)連接螺栓均施加預(yù)緊力Fp=30 kN,并對測力儀添加轉(zhuǎn)速450 rad/s,總體設(shè)置情況如圖2所示。

圖2 靜力學(xué)仿真設(shè)置情況

得到4個(gè)測力單元的輸出情況,如表1所示。

表1 測力單元各向輸出力值 N

通過上述數(shù)據(jù)可知:測力儀三向輸出仿真值誤差小于1 N,可見測力儀具有良好的載荷傳遞規(guī)律。

2.2 模態(tài)仿真分析

為準(zhǔn)確測量焊接過程中的動(dòng)態(tài)載荷,要求測力儀具有較高的固有頻率,一般為被測信號頻率的3～5倍為宜。利用ANSYS中Modal模塊,得到測力儀前6階振型云圖如圖3所示。

(a)一階振型云圖

(b)二階振型云圖

(c)三階振型云圖

(d)四階振型云圖

(e)五階振型云圖

(f)六階振型云圖

繼而得到測力儀前6階固有頻率如表2所示。

表2 測力儀前6階固有頻率 Hz

通過上述數(shù)據(jù)可知:測力儀前6階固有頻率都在2 kHz以上,動(dòng)態(tài)特性良好。

3 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路由電荷放大電路、低通濾波電路、歸一化電路、輸出放大電路組成,其作用是將壓電傳感器產(chǎn)生的微弱電荷信號轉(zhuǎn)換為放大的模擬電壓信號,框圖如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路框圖

3.1 電荷放大電路設(shè)計(jì)

電荷放大電路可以看作是一個(gè)基于集成運(yùn)放的高輸入阻抗、高增益的電荷放大器,它是整個(gè)信號調(diào)理電路的核心。電路如圖5所示。

圖5 電荷放大電路原理圖

其中,Q為壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量,Ca為壓電傳感器等效電容,Ra為包含導(dǎo)線的傳感器絕緣電阻,Cc為連接電纜分布電容,Ci、Ri分別為集成運(yùn)放輸入電容和電阻,Cf、Rf為反饋電容和電阻,A表示集成運(yùn)放的放大倍數(shù)。對電路進(jìn)行簡化并忽略一些微小量后得到輸出電壓表達(dá)式如下:

(2)

選用2個(gè)參數(shù)相同的絕緣柵增強(qiáng)型P溝道場效應(yīng)管構(gòu)成差分放大電路作為電荷放大電路的輸入端,在Multisim中搭建仿真電路,如圖6所示。

圖6 電荷放大仿真電路

設(shè)置脈沖電流源參數(shù),使其產(chǎn)生460 pC的電荷量,取反饋電阻為1 TΩ,反饋電容為1 nF。對兩者分別進(jìn)行參數(shù)掃描,結(jié)果如圖7所示。

仿真結(jié)果顯示:輸出電壓隨反饋電阻增大而增大,隨反饋電容增大而減小,并滿足Uo≈Q/Cf關(guān)系,與式(2)理論分析結(jié)果相符。考慮到測力儀量程及采集卡工作電壓范圍,選用絕緣阻抗為1 TΩ、容值為10 nF的聚苯乙烯電容作為反饋電容。

(a)反饋電阻掃描結(jié)果

(b)反饋電容掃描結(jié)果

另外,電荷放大電路需具有較低的下限截止頻率,理論公式如下:

(3)

對其進(jìn)行頻率掃描,仿真電路如圖8所示。掃描結(jié)果如圖9所示。當(dāng)幅值L(w)從初始-20 dB下降3 dB時(shí),下限截止頻率約為1.58×10-5Hz,與理論值1.59×10-5Hz接近。經(jīng)上述分析知,電荷放大電路設(shè)計(jì)合理。

3.2 低通濾波電路設(shè)計(jì)

為屏蔽外界高頻信號對壓電信號的影響,需接入低通濾波電路。電路如圖10所示。

圖8 頻率掃描仿真電路

圖9 下限截止頻率掃描結(jié)果

圖10 低通濾波電路

低通濾波電路阻尼比ζ及上限截止頻率fH理論公式如下:

(4)

(5)

考慮到阻尼比的取值情況及電荷放大器工作上限截止頻率范圍,取R1=R2=50 Ω、C1=1 μF、C2=2 μF,理論上fH=2 250 Hz。仿真電路如圖11所示。仿真結(jié)果如圖12所示。

當(dāng)幅值L(w)從初始0 dB下降3 dB時(shí),對應(yīng)上限截止頻率仿真值約為2 228 Hz,與理論值十分接近。

3.3 歸一化電路設(shè)計(jì)

歸一化電路為一增益可調(diào)的運(yùn)算放大器,使被測力值與輸出電壓示值的有效數(shù)字一致,電路如圖13所示。

根據(jù)集成運(yùn)放虛短、虛斷特性可知增益為

(6)

取R3=10 Ω,設(shè)置輸入電壓值為0.2 V,對R2進(jìn)行參數(shù)掃描,仿真電路如圖14所示。

獲取了在R2不同取值情況下對應(yīng)的輸出電壓值,繪制成曲線如圖15所示。

圖11 低通濾波仿真電路

圖12 上限截止頻率掃描結(jié)果

圖13 歸一化電路

圖14 歸一化仿真電路

圖15 R2參數(shù)掃描結(jié)果

隨著R2的變化,對應(yīng)的輸出電壓與理論結(jié)果高度吻合。

3.4 輸出放大電路設(shè)計(jì)

電荷信號經(jīng)上述處理后已變?yōu)榭捎^測的模擬電壓信號,考慮到后續(xù)信號的傳輸問題,接入OCL電路,可使系統(tǒng)低頻響應(yīng)更加平滑,并輸出一定功率以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。電路如圖16所示。

圖16 輸出放大電路

增益表達(dá)式如下:

(7)

對其進(jìn)行瞬態(tài)分析,驗(yàn)證電路輸入輸出關(guān)系。取R1=R2,理論增益為-1。仿真電路如圖17所示。

圖17 輸出放大級仿真電路

得到了輸入、輸出電壓變化情況,繪制出曲線如圖18所示。

圖18 輸出電壓瞬態(tài)分析結(jié)果

選擇合適的電子元器件,利用Altium Designer設(shè)計(jì)出電路PCB圖并制成電路板如圖19所示。

圖19 信號調(diào)理電路板

4 電路板標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

對信號調(diào)理電路板進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),獲取其線性度誤差、準(zhǔn)確度誤差等指標(biāo)。將壓電傳感器接入信號調(diào)理電路板,外接DP831A直流電源箱提供±12 V直流電壓,輸出的電壓信號顯示在數(shù)字萬用表上,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖20所示。

圖20 信號調(diào)理電路標(biāo)定現(xiàn)場

利用液壓加載方式,使用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器在壓電測力單元主向依次施加0、5 000 、10 000 、15 000 、20 000、25 000 N的標(biāo)準(zhǔn)力,采集信號調(diào)理電路板的輸出電壓值。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,利用最小二乘法對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后,得到線性度誤差、準(zhǔn)確度誤差等指標(biāo)如表3所示。

表3 信號調(diào)理電路板標(biāo)定數(shù)據(jù)

通過上述數(shù)據(jù)可知:標(biāo)定實(shí)驗(yàn)重復(fù)性誤差為1.295%,輸入輸出線性度誤差為1.087%,準(zhǔn)確度誤差為1.591%,滿足壓電多維力測試精度要求。經(jīng)計(jì)算及實(shí)測,電路板上限截止頻率、下限截止頻率分別為1.58×10-5Hz、2 228 Hz,其最大輸入電荷量為105pC,絕緣阻抗為1014Ω,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了電荷放大器的性能要求。

5 結(jié)論

本文面向18 mm厚2219鋁合金雙側(cè)復(fù)合攪拌摩擦焊,設(shè)計(jì)了一款置于主軸前端的旋轉(zhuǎn)式多維動(dòng)態(tài)壓電測力儀,利用ANSYS對其進(jìn)行了靜力學(xué)及模態(tài)分析,結(jié)果顯示:測力儀三向力值輸出的仿真誤差在1 N之內(nèi),前6階固有頻率都在2 kHz以上,具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性。另外,考慮到電荷放大器、數(shù)字采集卡、上位機(jī)等后續(xù)壓電測試設(shè)備連線繁雜,在長程焊接中隨著測力儀的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生繞線等事故,設(shè)計(jì)了一塊信號調(diào)理電路板內(nèi)嵌于測力儀中,將微弱電荷信號轉(zhuǎn)換放大為可測量的模擬電壓信號。最后對電路板進(jìn)行了標(biāo)定,結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)重復(fù)性誤差為1.295%、輸入輸出線性度誤差、準(zhǔn)確度誤差分別為1.087%、1.591%,達(dá)到了焊接過程跨尺度壓電多維力測試精度要求。