CN104245218A - 用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在摩擦搅拌操作期间使用有源控制器(610)的多级嵌套式控制回路(图15)对来自主轴驱动器(710)的输出作用力进行调节从而向摩擦搅拌区提供恒定功率的系统(图6A或图6B)和方法。假设恒定功率有利于所述摩擦搅拌区内的温度控制，从而改善所述操作，诸如焊接的结果。

Description

用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制

相关申请

本发明本申请要求授予Kenneth Alec Ross和Carl D.Sorensen的提交于2012年3月30日的标题为“TORQUE MODULATION FORPROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING”(用于摩擦搅拌操作的过程控制的力矩调制)的美国临时申请61/618,266和授予Kenneth A.Ross等人的提交于2013年2月27日的标题为“EFFORTMODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIRPROCESSING”(用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制)的美国临时申请61/769,920的优先权。上述申请中的每一个全文以引用方式并入本文中。

背景技术

技术领域：本发明整体涉及摩擦搅拌操作，诸如摩擦搅拌焊接(FSW)、摩擦搅拌处理(FSP)、摩擦搅拌混合(FSM)、摩擦堆焊、摩擦液柱成形、摩擦搅拌成型、摩擦挤出和摩擦搅拌点焊(FSSW)(在下文中统称为“摩擦搅拌操作”)。更具体地讲，本发明涉及控制算法的使用，该算法利用对作用力(例如，力矩)的控制来改善对摩擦搅拌操作的控制。

相关领域说明：摩擦搅拌焊接是已经开发出的用于焊接金属和金属合金的技术。FSW处理通常涉及通过旋转搅拌销轴在接头的任一侧接合两个邻接工件的材料。施加力以迫使销轴和工件在一起，并且由销轴、肩部和工件之间的相互作用而产生的摩擦热导致接头任一侧的材料的塑化。销轴和肩部的组合或“FSW顶端”沿着接头横越，在其前进时使材料塑化，并且留在前进的FSW顶端的尾迹中的塑化材料冷却以形成焊缝。FSW顶端也可以是没有销轴而只有肩部的工具，用于通过FSP来处理另一种材料。

图1为正在用于摩擦搅拌焊接的工具的透视图，其特征在于，大致圆柱形工具10具有柄部8、肩部12和从肩部向外延伸的销轴14。销轴14紧靠工件16旋转，直至产生足够的热，此时工具的销轴插入塑化的工件材料中。通常，销轴14插入工件16中，直至到达肩部12，肩部12防止进一步穿入工件中。工件16通常为在接合线18处对接在一起的两个片材或板材。在这个例子中，销轴14在接合线18处插入工件16中。

图2为典型工具10的剖视图，但不应被视为限制性的。轴环32被示出为紧握柄部8和FSW顶端24，其中FSW顶端包括肩部12和销轴14。当工具10旋转时，将力矩(即，作用力)从旋转的柄部8传递至轴环22，然后传递至FSW顶端24。

参见图1，由销轴14紧靠工件材料16的旋转运动产生的摩擦热使得工件材料在未达到熔点的情况下就被软化。工具10沿着接合线18横向移动，从而在塑化材料围绕销轴14从前缘流至后缘时形成焊缝。与使用其他常规技术的焊缝相比，结果是在接合线18处产生通常与工件材料16本身难以区分的固相粘结20。由于发生了混合，固相粘结20还可能优于初始工件材料16。另外，如果工件材料由不同的材料组成，则所得的混合材料也可优于两种初始工件材料中的任一种。

可以观察到，当肩部12接触工件的表面时，其旋转产生另外的摩擦热，该摩擦热使插入的销轴14周围的较大圆柱形柱材塑化。肩部12提供了锻造力，其包括由旋转的工具销轴14形成的向上的金属流。

在摩擦搅拌焊接过程中，待焊接的区域和工具10相对于彼此移动，使得工具横越期望的焊缝长度。旋转的摩擦搅拌焊接工具10提供连续的热加工作用，在它沿着工件材料16横向移动时使窄区内的金属塑化，同时将金属从销轴14的前缘传送至它的后缘。焊接区冷却时，由于在工具10通过时不产生液体，所以通常不存在固化。通常，所得的焊缝是在焊接区域内形成的无缺陷的、再结晶的细晶粒的微观结构，但不总是这样。

摩擦搅拌工具的行进速度取决于正在进行的摩擦搅拌操作的具体类型、应用和正在处理的材料。行进速度的一些例子为1m/min以上，其中旋转速率为200至3000rpm。这些速率仅是示例性的，并且不应被视为限制本发明的操作。达到的温度通常接近但低于固相线温度。摩擦搅拌焊接参数为材料的热性能、高温流动应力和穿透深度的函数。

与熔焊相比，摩擦搅拌焊接具有若干优点，因为1)不存在填充金属，2)过程可以完全自动化，从而对操作者的技术水平的要求较低，3)因为加热全部发生在工具/工件的界面处，所以能量输入是高效的，4)由于FSW的固态性质和极大的可重复性，所以只需要最少的焊后检测，5)FSW允许存在界面间隙，并因此所要求的焊前准备很少，6)通常不存在要移除的焊接飞溅，7)焊后表面光洁度可格外平滑，几乎没有闪光，8)通常不存在气孔和氧污染，9)周围材料畸变很小或不畸变，10)因为不存在有害排放物，所以不需要对操作者进行保护，以及11)通常改善了焊接特性。在本文中，摩擦搅拌操作将被视为包括可以用摩擦搅拌工具进行的所有过程，包括但不限于摩擦搅拌焊接、摩擦搅拌处理、摩擦搅拌点焊和摩擦搅拌混合。

在摩擦搅拌焊接中，处理区或摩擦搅拌区的温度影响所得的焊缝的特性，并对工具寿命具有很大影响，诸如PCBN(多晶立方氮化硼)工具。该工具例子不应被视为限制性的。所需的是改变工艺参数以控制焊接温度的有源控制系统。

控制整个焊接长度上的焊接温度是重要的保证，因为焊接特性(诸如断裂韧性和耐腐蚀性)随焊接温度而变化。如果在整个焊接过程中需要特定特性，则焊接温度必须是可调的并且在整个焊接长度上是可控制的。

PCBN工具的短使用寿命限制了摩擦搅拌处理(FSP)在钢和其他高软化温度(或高熔融温度)材料中的应用。控制工具温度应增加PCBN工具的工具寿命，因为一些温度问题会造成损坏。例如，如果温度过低，工具会因随工具温度降低而增大的力而受力过度。相比之下，如果工具温度过高，PCBN工具会因为化学磨损而很快失效。高温还会导致锁定轴环中的蠕变，从而允许PCBN插入物旋转。然后在冷却时在插入物的拐角处可能存在点应力，这会导致破裂和失效。

控制焊接温度的第一作用力使用无源控制技术。研究人员考虑到，焊接温度与焊接间距(主轴速度)/(行进速度)或为主轴速度和行进速度的函数的各个“伪热指数”成比例。无源控制技术假设该过程已经达到了自限制平衡条件。

无源控制技术不适合温度控制，因为沿着焊接长度可能不存在平衡条件。温度沿着焊接长度改变的原因包括：工具或垫板冷却不足；热边界条件改变；以及达到平衡的时间不足。无源控制技术不是通用的，因为它们不能针对过程扰动进行调节。

图3为摩擦搅拌焊接机的有源控制系统的框图。摩擦搅拌焊接机包括联接到主轴上的摩擦搅拌焊接工具，主轴继而联接到主轴电机上。摩擦搅拌焊接机还包括用于夹紧或支承待摩擦搅拌焊接的工件的表面。可以通过有源控制系统来控制摩擦搅拌焊接机，从而进行摩擦搅拌焊接。

图4示出了现有技术也提出两级控制模式，所述两级控制模式包括控制主轴速度以保持功率恒定的内回路和用于根据焊接温度设置所需的功率的外回路。图4为示出图3的内回路的特写的框图。

图3示出了温度控制算法，其中T为温度，ω为主轴速度，M为力矩，并且P为功率。

图5为图3和图4的搅拌区的特写视图的框图。设备为主轴电机和搅拌区的组合。对于外回路而言，基准为所需的温度，受控变量为温度，并且操纵变量为功率。对于内回路而言，基准为所命令的功率，并且受控变量为功率。

图3中所示的现有技术提出了内回路调节主轴速度，以维持恒定功率。对于本发明而言，理解现有技术的这个方面是很重要的。内回路的目的是维持提供给搅拌区的所需功率。

功率与主轴速度之间的关系由下式给出：

P＝ωM    公式(1)

其中P为功率，ω为主轴速度(弧度/秒)，并且M为力矩。通过调节主轴速度进行的功率控制使用力矩反馈和公式(1)以解决产生所需功率所需的主轴速度。图4示出了通过调节主轴速度进行功率控制的框图，其中M(筛选的)为所报告的力矩的筛选值。该控制方案假设力矩在每个PLC时间步长期间是恒定的。转换限制限定主轴的最大加速度。转换限制用于防止系统由于力矩反馈中的噪声而变得不稳定。如果转换限制设定得过高，则系统将放大力矩反馈中的噪声并变得不稳定。

图6示出了通过调节主轴速度进行功率控制的结果，转换速率为0.83RPM/s。当启用功率控制时，力矩高，并且RPM低。当焊接继续进行时，板发热和软化，从而导致力矩减小。当力矩减小时，RPM增大，从而维持恒定的功率。如图所示，在整个焊接中功率都保持大的峰值。出现功率峰值是因为主轴电机尝试使主轴瞬间加速，以实现所命令的RPM。调节主轴速度以控制功率会导致整个焊接中的大的功率峰值。这些功率峰值的平均值为所需的功率值。

与现有技术相比，提供不使用主轴速度来控制功率的改善的有源控制系统将是有利的。

发明内容

本发明为用于对来自主轴驱动器的作用力进行调节以在摩擦搅拌操作过程中为摩擦搅拌区提供恒定功率并控制摩擦搅拌区内的温度，从而改善摩擦搅拌操作的焊接或其他结果的系统和方法。在某些实施例中，通过调制响应于流量变量反馈的作用力变量获得命令或要求的功率。可以测量或估计流量反馈变量。

另外，如本文所公开，用于控制在摩擦搅拌操作过程中提供给摩擦搅拌区的功率的摩擦搅拌系统可以包括摩擦搅拌工具、联接到摩擦搅拌工具上的主轴、联接到主轴上从而使摩擦搅拌工具旋转的主轴驱动器，以及用于控制摩擦搅拌工具的操作的有源控制器，其中有源控制器调节用于驱动摩擦搅拌工具的主轴驱动器的输出作用力，从而控制提供给摩擦搅拌区的功率。

用于在摩擦搅拌操作过程中使用有源控制器控制焊接温度的相应方法可以包括提供用于控制摩擦搅拌工具的操作的有源控制器，使用有源控制器控制摩擦搅拌工具向摩擦搅拌区的功率输入，以控制摩擦搅拌区的温度，其中通过对用于驱动摩擦搅拌工具的主轴驱动器的输出作用力进行调节来控制功率输入。

通过对下述结合附图描述的具体实施方式的理解，本发明的这些和其他目的、特征、优点和替代方面对于本领域的技术人员而言将变得显而易见的。

附图说明

图1为现有技术中提出的用于摩擦搅拌焊接的工具的透视图；

图2为现有技术的FSW顶端、锁定轴环和柄部的剖视图；

图3为现有技术中提出的用于温度控制的有源控制系统的简化框图；

图4为图3中提出的主轴速度功率控制系统的框图；

图5为用于现有技术的控制模型的设备的特写的框图；

图6A和图6B为系统框图，示出了通过作用力调制进行的功率控制；

图6C为曲线图，示出了通过调节主轴速度进行的功率控制；

图7示出了恒定的主轴速度焊接包含功率和温度的变化；

图8为有源控制器的内回路的框图；

图9为曲线图，示出了当调节力矩(即，作用力)以保持功率恒定时的结果；

图10为曲线图，示出了恒定的主轴速度焊接包含功率和温度的变化；

图11为温度响应的曲线图；

图12为曲线图，示出了未报告的力矩动力学中所报告的较差的力矩分辨率结果；

图13为曲线图，示出了用于比较主轴速度控制与力矩(即，作用力)控制的线性力矩-主轴速度假设；

图14a为曲线图，示出了调节主轴速度的功率的逐步增大；

图14b为曲线图，示出了调节力矩的功率的逐步增大；以及

图15为框图，示出了有源控制器的内回路和外回路。

具体实施方式

现在将参照附图，在附图中本发明的各个元件将被给予数字编号，并且其中将对本发明进行讨论，以使本领域的技术人员能够制备和使用本发明。应当了解的是，以下描述只是本发明原理的示例性描述，不应被视为使随后的权利要求的范围变窄。

如本文所公开，根据流量反馈调制摩擦搅拌系统的作用力。根据系统动力学的系统相似性原理，功率P被定义为流量f乘以作用力e。这一关系示于公式(2)中：

P＝e*f    (2)

例如，机械旋转域中的功率由力矩(作用力)乘以角速度(流量)来定义。各个功率域、作用力和流量的例子示于下表1中。

表1：功率域

域	作用力(e)	流量(f)
			机械的(平移)	力F[N]	速度v[m/s]
机械的(旋转)	力矩M[Nm]	角速度ω[rad/s]
			气动的	压力p[Pa]	体积流量Q[m3/s]
液压的	压力p[Pa]	体积流量Q[m3/s]
			电动的	电压u[V]	电流i[A]
磁力的	磁通势	通量率

调制主轴驱动器的输出作用力的一种方法包括调制主轴驱动器的输入流量或作用力。如果主轴驱动器为变压器，可通过调制输入作用力有效地调制输出作用力。如果主轴驱动器为回转器，可通过调制输入流量有效地调制输出作用力。例如，电动机驱动器为回转器。输入流量(例如，电流)可用于调制输出作用力(力矩)。

该具体实施方式公开了示出控制电动主轴电机的具体例子。电动机执行从电域穿过磁域到旋转机械域的转换。具体地讲，对于电动机而言，通过调节输入电流来控制输出力矩。将一个域中的作用力转换成另一个域中的流量(反之亦然)的装置称为回转器。提供主轴能量的许多装置为回转器。虽然电动主轴电机为代表性的实施例，但本发明并不限于此类实施例。例如，可通过监测任何形式的流量(包括表1中所示的那些)和调制任何形式的作用力(包括表1中所示的那些)来控制摩擦搅拌系统的功率。

如本文所用，摩擦搅拌区的“温度”是指任何直接测量或估计测量，并可以包括任何可用的测量或估计焊接(即，摩擦搅拌区)温度的方法。例如，摩擦搅拌区温度可以通过测量的工具温度或垫板温度来估计。也可以使用测量摩擦搅拌操作区的内部温度的方法，诸如超声波技术。

图6A和图6B示出了使用有源控制器610通过作用力的调制进行功率控制的系统图，其中P_cmd为命令功率，f_rep为报告流量，f_real为实际流量，并且e_cmd为命令作用力。重要的是应当注意，报告流量可以是测量值或估计值。图6A示出了为测量值的报告流量，而图6B示出了为估计值的报告流量。本领域的技术人员将会知道，存在多种提供报告流量的方法，并且图6A和图6B为仅供参考的例子。

本发明为改善的用于摩擦搅拌操作的控制系统。研究显示，提供给摩擦搅拌区的功率影响工具温度。由于与主轴相关的惯性，最好是通过命令力矩(即，作用力)，而不是主轴速度(即，流量)来实现功率控制，这将在下文中解释。

本文所公开的有源控制系统最初开发用于FSW的双回路控制系统，其中内回路维持恒定的功率，并且外回路调节功率以维持恒定的温度。虽然如本文所述的本发明的大部分操作是指用于控制焊接操作的双回路控制系统，但本发明并不限于双回路控制系统，也不限于焊接操作。

提供的图7示出了与本发明的理解相关的摩擦搅拌焊接系统的硬件元件700。这些元件包括为摩擦搅拌焊接机(未示出)的一部分的主轴电机710。主轴电机710联接到主轴720上。主轴继而联接到用于以其所有变型形式对低熔融温度和高熔融温度材料两者进行摩擦搅拌焊接的摩擦搅拌焊接工具730上。摩擦搅拌焊接工具具有多种构型，并且本文件不应被视为限制可与本发明一起使用的种类。

本发明使用如公式(2)中表达的力矩(即，作用力)和功率之间的关系来控制FSW处理。在该第一实施例中，主轴电机(即，驱动器)710为变频交流感应电机。虽然示出了感应电机，但可以使用任何合适的驱动机构，包括机械驱动器、气动驱动器、液压驱动器、电动驱动器和磁力驱动器。在用感应电机控制力矩的情况下运行时，电机界面控制软件使用由有源控制器(未示出)指示的通量矢量控制命令和维持恒定的力矩。所需的力矩由主轴电机通过控制被送至感应电机的电流来获得。图8示出了该控制图。

应当指出的是，没有主轴速度(即，流量)反馈的力矩(即，作用力)控制是不稳定的。恒定的力矩只可维持较短的时间。只有在负载支承力矩时才可控制力矩。大于自然过程力矩的力矩会导致负载大大减小，从而使主轴速度指数级增大。这是因为，当主轴速度和力矩增大时，功率增大并且材料软化。相反地，如果力矩低于自然过程力矩，则主轴速度将随着材料冷却和硬化而指数级减小。过程变化使得命令力矩过低或过高而不能保持平衡，从而导致主轴快速减速直至停止，或者加速直至触发机器安全限制。

已确定的是，通过响应于主轴速度(即，流量)的变化调节力矩(即，作用力)来控制提供给摩擦搅拌区的功率是稳定过程。力矩响应于主轴速度的减小而增大，从而维持恒定的功率。力矩响应于主轴速度的增大而减小，从而维持恒定的功率。

图9示出了调节力矩(即，作用力)以维持恒定的功率的焊接的结果。当加热工件时，材料软化。力矩和RPM信号为彼此的镜像。材料软化时主轴速度增大。力矩(即，作用力)随主轴速度的增大而减小，从而维持恒定的功率。图9表明通过力矩控制实现的功率控制是稳定的过程。

图10表明恒定的主轴速度焊接包含功率和温度的变化。测量的功率包含在整个焊接中持续的功率峰值。筛选的功率值在整个焊接中响应于过程的变化而改变。

先前，图6C示出了通过调节主轴速度实现的功率控制导致恒定的平均功率。然而，实际功率包含整个焊接中的力矩峰值。温度响应表明，工具的温度逐渐升高，直到达到热平衡并且温度恒定。

图9示出，通过力矩(即，作用力)控制来维持恒定功率而实现的功率控制产生变化可以忽略不计的恒定功率。温度响应是线性的。这表明工具仍然在加热并将达到稳态温度。

对本发明的原理进行论证，结果示于图11中。通过调节力矩以保持功率恒定的功率控制焊接在AA7075中在2.238kW下运行406.4mm，然后在2.536kW下运行609.6mm(24英寸)。温度响应示于图11中。在命令功率改变之前，温度是恒定的。命令功率改变之后，温度对数地增加，直至达到新的稳态温度。这些结果表明，功率的变化导致温度的变化。

在现有技术中，当通过调节主轴速度以控制功率时，通过主轴控制器报告的力矩确定命令的主轴速度。当通过调节力矩以控制主轴速度时，向主轴控制器发送用于控制力矩的命令。报告力矩和命令力矩之间的分辨率差值影响功率控制回路的设计。

该实施例中使用的力矩测量值由主轴电机控制器报告。然而，报告力矩未能捕获力矩动态。图12示出了由控制器报告的力矩和响应于正弦力矩命令使用FSW机上的称重传感器计算的力矩。由于报告力矩的有限的分辨率，正弦曲线被报告为方波。

在用称重传感器测得的力计算的力矩中可以看到正弦曲线。用称重传感器计算的力矩由于串扰而具有较差的信号质量。因为温度和功率控制过程中力矩的变化较小，所以将假设主轴力矩等于命令力矩。

在开发本发明时，进行动态分析以对调节主轴速度和调节力矩以维持恒定功率进行比较。返回图7，M(mtr)为电机力矩，M(spn)为主轴力矩，D(mtr)为电机皮带轮的直径，D(spn)为主轴皮带轮的直径，M(b)为由于轴承而损失的力矩，ω(spn)为主轴的旋转速度，并且J为与主轴相关的质量惯性矩。齿轮比率R由下式给定：

R＝D(spn)/D(mtr)    公式(3)

并具有2.5的值。

力矩与主轴速度之间的关系使用图7获得并由下式给定：

RM(mtr)＝M(spn)+M(b)+Jω(spn)  公式(4)

有效电机力矩M(mtr_eff)由下式给定：

M(mtr_eff)，＝RM(mtr)    公式(5)

实验数据中的报告力矩为M(mtr_eff)。将公式(4)代入公式(5)中获得：

M(mtr_eff)＝M(spn)+M(b)+Jω(spn)公式(6)

为了比较主轴速度控制和力矩控制的目的，假设ω(spn)和M(spn)具有线性关系，如图13中所示并由下式给定：

ω(spn)＝M(spn)/B    公式(7)

其中假设J、M(b)和B是恒定的。

因为主轴电机的最大力矩是有限的，所以在尝试将主轴瞬间加速至所需的旋转速度时，命令主轴速度的变化导致大的力矩峰值，如图14a所示。

发现响应于有效电机力矩的阶跃变化的主轴速度是指数级的。然而，响应于力矩变化的主轴速度不包含间断点。

主轴速度和力矩(即，作用力)的阶跃变化的实验结果证明，力矩(即，作用力)与主轴速度具有导数关系，并且主轴速度与力矩(即，作用力)具有积分关系。图14a示出了响应于RPM的阶跃变化的有效电机力矩。在对所需的主轴速度进行改变时，电机尝试使主轴瞬间加速，以便获得所需的主轴速度。这导致电机力矩中的大的峰值。

图14b示出了响应于功率的阶跃变化的主轴速度，其中通过调节力矩(即，作用力)实现功率控制。当命令功率改变时，力矩立刻稍微增大，以获得所需的功率值。由于功率增大，材料开始软化，从而导致主轴速度(即，流量)增大，并且电机力矩或作用力减小。响应于力矩的主轴速度不包含间断点。

图14a和图14b中所示的实验数据表明，较高的主轴速度对应于较低的力矩，而较低的主轴速度对应于较高的力矩。这些结果表明，图13中示出的斜率应是负的。

示出的控制方法假设M(mtr_eff)约等于M(spn)。力矩(即，作用力)与主轴速度(即，流量)具有导数关系。当命令RPM改变时，主轴电机尝试使主轴瞬间加速至新的RPM，从而产生电机力矩的峰值。主轴电机的近瞬间加速度会引起电机力矩与主轴力矩之间的大的差值。当命令RPM改变时，电机力矩不约等于主轴力矩。

实验数据显示，当调节力矩以保持功率恒定时，电机力矩与主轴力矩之间的差值比使用主轴速度以保持功率恒定时小得多。

当如图14a所示命令功率阶跃变化时，主轴峰值中的力矩误差为203.0Nm(149.7ft-lb)，其对应于高功率电平下406％的功率误差和低功率电平下565％的误差。相比之下，对于如图14b所示通过调节力矩进行的功率控制而言，与功率改变后的主轴加速度(其中加速度最大)有关的误差为7.4Nm(5.46ft-lb)，其对应于10％的功率误差。

因为报告力矩为较差的控制信号，所以通过调节主轴速度以保持功率恒定是不可取的。力矩峰值导致电机与主轴力矩之间的差值，其高达或甚至高于400％。报告力矩信号具有低分辨率，从而增大了误差。

使用力矩控制功率的主要优点是避免了因尝试瞬间改变RPM而产生的人为力矩峰值。使用力矩控制来控制功率产生具有低不确定性的平滑功率信号。电机力矩与实际主轴力矩之间的差值与主轴的加速度成比例。存在低不确定性是因为在力矩控制下，功率和主轴速度以受控的方式改变。

已经解决了内部控制回路，现在将注意力转向外部控制回路。图15为框图，示出了本发明的第一实施例的内部和外部回路。比例-积分-导数(PID)控制器为最常用的闭合回路反馈控制器的类型。外回路使用PID控制调节功率，以维持命令的温度。图15中示出了外回路中PID控制的实施。P(init)为恒定的功率值。PID控制器提供添加至P(init)项上的功率变化。P(init)项为控制器从命令恒定主轴速度(即，流量)37切换至温度控制时的主轴功率。一旦启用温度控制，P(init)在温度控制断开前都是恒定的。

应当了解，上述布置方式只是对本发明原理应用的说明。本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以想出许多变型形式和替代性布置方式。所附的权利要求旨在涵盖此类变型形式和布置方式。

Claims (17)

1.一种用于使用有源控制器控制摩擦搅拌区的温度的方法，所述方法包括：

提供用于控制摩擦搅拌工具的操作的有源控制器；以及

使用所述有源控制器控制由所述摩擦搅拌工具提供给摩擦搅拌区的功率，以控制所述摩擦搅拌区的温度，其中通过对用于驱动所述摩擦搅拌工具的主轴驱动器的输出作用力进行调节来控制提供给所述摩擦搅拌区的所述功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中控制提供给所述摩擦搅拌区的所述功率还包括使用所述有源控制器维持所需的功率输入水平。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使用所述有源控制器维持对摩擦搅拌区的所述功率输入水平还包括实施多级嵌套式控制回路。

4.根据权利要求3所述的方法，其中实施所述多级嵌套式控制回路还包括：

1)实施内部控制回路，从而通过对所述主轴驱动器的输出作用力的控制来维持所述所需的功率输入水平；以及

2)实施调节所述所提供的功率的外部控制回路，从而维持所述摩擦搅拌区的所需温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中控制所述主轴驱动器的输出作用力还包括控制至所述主轴驱动器的输入流量。

6.根据权利要求4所述的方法，其中控制所述主轴驱动器的输出作用力还包括维持所需的作用力水平。

7.根据权利要求4所述的方法，其中控制所述主轴驱动器的输出作用力还包括稳定所述主轴驱动器的控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其中稳定所述主轴驱动器的控制还包括使用主轴流量反馈。

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过对所述主轴驱动器的输出作用力的控制维持所述所需的功率输入水平还包括响应于所述主轴流量的减小增加所述主轴驱动器的输出作用力。

10.根据权利要求8所述的方法，其中通过对所述主轴驱动器的输出作用力的控制维持所述所需的功率输入水平还包括响应于所述主轴流量的增大降低所述主轴驱动器的输出作用力。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述摩擦搅拌工具为焊接工具。

12.一种用于控制在摩擦搅拌操作期间提供给摩擦搅拌区的功率的摩擦搅拌系统，所述系统包括：

摩擦搅拌工具；

联接到所述摩擦搅拌工具上的主轴；

主轴驱动器，所述主轴驱动器联接到所述主轴上，从而使所述摩擦搅拌工具旋转；

用于控制所述摩擦搅拌工具的操作的有源控制器，其中所述有源控制器调节用于驱动所述摩擦搅拌工具的所述主轴驱动器的输出作用力，从而控制提供给摩擦搅拌区的功率。

13.根据权利要求12所述的摩擦搅拌焊接系统，其中所述有源控制器还包括用于接收主轴流量反馈的装置。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述有源控制器还被构造为达到和维持所述摩擦搅拌区的所需温度。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述有源控制器包括多级嵌套式控制回路。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述摩擦搅拌工具为焊接工具。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述多级嵌套式控制回路包括内部控制回路和外部控制回路，所述内部控制回路被构造为通过控制所述主轴驱动器作用力维持所需的功率输入水平，所述外部控制回路调节所提供的所述功率，从而维持所述摩擦搅拌区中的所需温度。