CN104259650A - 一种搅拌摩擦焊接压力控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊接压力控制系统。该系统包括压力测量系统，测量和采集焊接过程中的压力值；压力伺服控制系统，根据实际压力值和指令压力值的偏差，由集成在数控系统内的控制算法计算下压量的修正值；执行系统，按照下压量的修正值驱动机床主轴运动，控制压力。该系统通过实时调整搅拌针的下压量控制焊接压力，能够将搅拌摩擦焊接过程中的压力维持在指令值，无稳态误差，响应速度快，超调量极小，能有效降低时滞问题对控制效果的影响，可应用于数控搅拌摩擦焊接机床。

Description

一种搅拌摩擦焊接压力控制系统
技术领域
本发明涉及机械数控加工技术领域，具体是一种搅拌摩擦焊接压力控制系统。 
背景技术
研究表明，在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针施予工件的压力对焊接质量有重要影响。没有压力控制功能的搅拌摩擦焊接存在一些问题：（1）当焊接压力过小时，焊接接头无法形成致密的组织，导致接头强度降低；（2）当焊接压力过大时，搅拌针与工件摩擦产热过高，易在接头内部形成孔洞、隧道等缺陷；（3）若工件表面不平整，焊接时搅拌针与工件的接触情况不断变化，导致压力波动，造成焊接质量不稳定。因此，压力控制功能对于保证搅拌摩擦焊接质量有重要意义。但是国内现有的搅拌摩擦焊机床上都没有相关功能，无法有效控制焊接过程中的压力。 
通常将搅拌针轴肩垂直压入工件表面的深度定义为下压量，研究表明下压量是影响压力大小的主要因素，对搅拌摩擦焊压力的控制主要通过对下压量的控制实现。目前关于搅拌摩擦焊压力控制的解决方法还比较少。一种方法是通过PID控制器控制焊接压力，这种方法存在超调量，造成实际压力过大，引发飞边过多、试件过热等问题，严重时可能使搅拌针与工件背部的垫板碰撞，损坏搅拌针。另外，控制系统发出指令与执行系统实际运动之间存在较大时滞，而PID控制器对大时滞系统控制效果不佳。另一种方法是通过极点配置法设计多项式控制器，并通过Smith预估器补偿时滞，这种方法同样存在超调量，且设计过程复杂，不适于工程实际应用，另外Smith预估器会影响控制器的控制效果。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种响应速度快、超调量极小搅拌摩擦焊接压力控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。 
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：搅拌摩擦焊接压力控制系统，包括压力测量系统、压力伺服控制系统和执行系统。所述的压力测量系统是通过测力台实时测量焊接过程中的压力，用数据采集卡采集测力台输出的电压信号，并转换为数控系统可识别的形式，最后传给压力伺服控制系统；所述的压力伺服控制系统为是通过集成在数控系统中的控制算法，根据压力测量系统采集的实时压力值，计算下压量的修正值；所述的执行系统是运动控制卡根据数控系统计算的下压量修正值驱动机床主轴运动。 
作为本发明进一步的方案：所述的控制算法是通过实验和系统辨识获得执行系统的动态模型，并确定控制系统发出指令与执行系统实际运动之间时滞周期的个数。将系统的动态模型表示为状态空间下含时滞项的矩阵形式。通过Artstein转化方法将系统转换为不含时滞项的等效系统。将实际压力值与指令压力值间的偏差输入内模控制器以消除稳态误差。将内模控制器和执行系统合并为一个增广系统，根据线性二次型最优状态反馈理论计算各状态量的反馈系数，保证系统有良好的响应特性。用状态观测器估计系统中无法直接测量的状态量。 
作为本发明进一步的方案：所述的Artstein转化方法是通过变量代换，将原系统转换为不含时滞项的一般系统。 
作为本发明再进一步的方案：所述的反馈系数是将系统的每个状态量分别乘以各自的反馈系数，然后求和，所得结果即为下压量的修正值。 
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：该系统无稳态误差，响应速度快，超调量极小，能有效降低时滞问题对控制效果的影响，可应用于数控搅拌摩擦焊接机床。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 
图1恒压力控制系统整体架构。 
图2压力伺服控制算法的整体架构。 
图3压力伺服控制算法的传递函数框图。 
图3中：G-执行系统；C-内模控制器；W-状态观测器；K1-内模控制器对应的反馈系数；K2-执行系统对应的反馈系数；k-当前周期数；r-指令压力值；y-执行系统的输出量，即实际压力值；e-r与y之间的偏差；x’-状态观测器估计的系统状态量；u-执行系统的输入量，即下压量的修正值。 
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 
请参阅图1，本发明实施例中，一种搅拌摩擦焊接压力控制系统，包括压力测量系统，压力伺服控制系统和执行系统。其中压力测量系统包括测力台和数据采集卡，数据采集卡采集测力台实时测得的压力，并转换为数控系统可识别的形式，最后传给压力伺服控制系统。压力伺服控制系统包括人机交互界面和数控系统，压力伺服控制系统根据实际压力值和指令压力值间的偏差，按照集成在数控系统内的控制算法，计算出修正的下压量并传递给执行系统。执行系统包括运动控制卡、伺服电机和机床主轴，按照修正的下压量驱动机床主轴运动，使得压力达到指令值。 
如图2和图3所示，设计压力伺服控制系统的控制算法。通过实验和系统辨识，建立执行系统的动态模型，通过Artstein转化方法将系统转换为不含时滞项的等效系统。将实际压力值y与指令压力r值间的偏差e输入内模控制器C以消除稳态误差。将内模控制器C和执行系统G合并为一个增广系统后，通过状态调节器保证系统有良好的响应特性，状态调节器的计算方法主要基于线性二次型最优控制理论。内模控制器C的输出结果K1和执行系统G的输出结果K2相加即为下压量的修正值u。用状态观测W器估计系统中无法直接测量的状态量x’。 
本发明该系统无稳态误差，响应速度快，超调量极小，能有效降低时滞问题对控制效果的影响，可应用于数控搅拌摩擦焊接机床。 
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊接压力控制系统，包括压力测量系统、压力伺服控制系统和执行系统，其特征在于，所述的压力测量系统是通过测力台实时测量焊接过程中的压力，用数据采集卡采集测力台输出的电压信号，并转换为数控系统可识别的形式，最后传给压力伺服控制系统；所述的压力伺服控制系统是通过集成在数控系统中的控制算法，根据压力测量系统采集的实时压力值，计算下压量的修正值，所述的执行系统是运动控制卡根据数控系统计算的下压量修正值驱动机床主轴运动。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接压力控制系统，其特征在于，所述的控制算法是通过实验和系统辨识获得执行系统的动态模型，并确定控制系统发出指令与执行系统实际运动之间时滞周期的个数，将系统的动态模型表示为状态空间下含时滞项的矩阵形式，通过Artstein转化方法将系统转换为不含时滞项的等效系统，将实际压力值（y）与指令压力（r）值间的偏差（e）输入内模控制器（C）以消除稳态误差，将内模控制器（C）和执行系统（G）合并为一个增广系统后，通过状态调节器保证系统有良好的响应特性，状态调节器的计算方法主要基于线性二次型最优控制理论，内模控制器（C）的输出结果（K1）和执行系统（G）的输出结果（K2）相加即为下压量的修正值（u），用状态观测W器估计系统中无法直接测量的状态量（x’）。
3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接压力控制系统，其特征在于，所述的Artstein转化方法是通过变量代换，将原系统转换为不含时滞项的一般系统。
4.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接压力控制系统，其特征在于，所述的反馈系数是将系统的每个状态量分别乘以各自的反馈系数，然后求和，所得结果即为下压量的修正值。
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