CN104741770B - 电模拟惯性摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电模拟惯性摩擦焊接方法，用于解决现有摩擦焊接方法采用不同的机械惯量难以控制的技术问题。技术方案是根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩，输出转速或转矩指令给直流调速器，通过改变直流电机的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转矩，控制主轴转速，使得主轴转速的变化规律与相同摩擦阻力矩和机械惯量条件下的转速变化规律相同。与现有技术相比，由于采用电惯量模拟机械惯量，代替现有惯性摩擦焊机采用飞轮盘组合得到不同机械惯量，消除了惯量级差，减少了惯性飞轮来回拆卸调整等带来的繁琐体力劳动，实现了惯量的无级连续可调。提高了焊接效率，降低了焊机成本。

Description

电模拟惯性摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦焊接方法，特别是涉及一种电模拟惯性摩擦焊接方法。
背景技术
惯性摩擦焊接是利用预先储存于旋转飞轮中的动能进行焊接的一种技术，传统惯性摩擦焊机普遍采用大小不同的飞轮盘组合以得到不同的机械惯量，见Spindler D.E.于1994年发表于《Welding Journal》第73卷第3期第37-42页“What industry needs toknow about friction welding”一文。焊接前首先要将需要的飞轮固定在旋转主轴上。飞轮一般有惯量不同的三组，不同组合可得到8组不同的惯量。焊接时，一侧工件与飞轮连接，另一侧工件的旋转自由度被拘束住。飞轮被加速到设定转速，储存够所需能量后，断开驱动电机。两侧工件在焊接压力作用下被压在一起，发生相互摩擦。储存在飞轮中的动能逐渐转变成热能，同时飞轮转速降低。停转前可施加更大焊接压力(顶锻压力)，并保持一段时间。上述方法存在以下固有缺点：提供的机械惯量存在级差，不能实现惯量的连续调整，对于等比排列的飞轮组，最小飞轮的惯量决定着级差大小；惯量精度的提高完全依靠增加飞轮的片数，过多的飞轮片数将导致主轴长度过长，设备体积庞大；调整惯量时，需要频繁的装卸飞轮盘，劳动强度大；大惯量高速主轴的旋转存在动平衡问题，要求加工精度高；另外，存在基本惯量，其值取决于主轴系统的惯量。
通过对电机电磁力矩或转速的控制，使其运动学特性与相同惯量下的纯机械运动特性相匹配的方法称为电模拟惯量方法,见李洪山等人于2009年6月发表在《制造业自动化》第31卷第6期第20-21页“电惯量模拟机械转动惯量方法的研究”一文。电动机作为电能和机械能的转换元件，输出电磁力矩和转速易于控制，可以考虑用电动机的电惯量模拟飞轮的机械惯量，使其与等惯量下纯机械惯量实际运转情况相符合，这种由电动机模拟的惯量称为电模拟惯量，这种技术称之为电模拟惯量技术。与机械模拟惯量相比，电模拟惯量具有在模拟范围内惯量连续、能够对阻力引起的惯量模拟误差进行补偿和精简设备结构等诸多优点。
国内外目前电模拟惯量技术是在恒定的制动力矩下模拟给定惯量，而摩擦焊接的阻力矩是一个随摩擦过程不断变化的力矩。截至目前，还没有在摩擦焊机上应用电模拟惯量技术的相关报道。
发明内容
为了克服现有摩擦焊接方法采用不同的机械惯量难以控制的不足，本发明提供一种电模拟惯性摩擦焊接方法。该方法在摩擦加热过程中，由采集板通过扭矩传感器实时检测摩擦焊缝的摩擦阻力矩，通过编码器采集主轴的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩，由计算机输出转速或转矩指令给直流调速器，直流调速器得到指令后，通过改变直流电机的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转矩，控制主轴转速。该过程在摩擦加热过程中反复进行，直到主轴转速由设定的初始转速降低到零。通过调节控制算法，使得主轴转速的变化规律与相同摩擦阻力矩和机械惯量条件下的转速变化规律相同。与现有技术相比，由于采用电惯量模拟机械惯量，代替传统惯性摩擦焊机采用飞轮盘组合得到不同机械惯量的方法，消除了惯量级差，减少了惯性飞轮来回拆卸调整等带来的繁琐体力劳动，实现了惯量的无级连续可调，能采用低于系统基本惯量的机械惯量。提高了焊接效率，降低了焊机成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电模拟惯性摩擦焊接方法，其特点是采用以下步骤：
在摩擦焊接前，先将惯性摩擦焊接所需初始转速为800～2000r/min、惯量为5～50kg·m2、摩擦压力为2～10Mpa和顶锻压力为4～20MPa存储于计算机1中。放入摩擦焊接毛坯后，启动自动焊接装置，夹具夹紧焊接毛坯，移动端8在液压缸9推动下快进、工进、预顶、后退一段距离后静止。主轴5在直流调速器2控制下由直流电机3驱动加速，当主轴5的转速达到设定的初始转速值800～2000r/min后，以初始转速值恒速转动。此时滑台又开始工进，当待焊接的两侧工件接触后，在摩擦界面6上就会产生摩擦阻力矩。由采集板10通过扭矩传感器7实时检测摩擦界面6的摩擦阻力矩，通过编码器4采集主轴5的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩，并将信号输入给直流调速器2，直流调速器2再控制直流电机3的电枢电流与电枢电压，调节控制主轴转速。该过程在摩擦加热过程中反复进行，直到主轴转速由设定的初始转速降低到零，完成摩擦加热。为保证模拟精度，实时检测和控制的循环时间应在5ms以内。通过调节控制算法，使得主轴5转速的变化规律与相同摩擦阻力矩和机械惯量条件下的转速变化规律相同。在该阶段摩擦压力维持不变。当摩擦加热结束时，根据工艺需要施加顶锻压力4～20MPa，或保持2～10Mpa的摩擦压力3～10s。
计算机1实时检测摩擦界面6的摩擦阻力矩和主轴5的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩后，由计算机1输出转速指令给直流调速器2，直流调速器2通过内部的转速环和电流环运算后，改变直流电机3的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转速，改变主轴5转速；或者由计算机1输出转矩指令给直流调速器2，直流调速器2直接通过内部的电流环运算后，改变直流电机3的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转矩，改变主轴5转速。
焊接过程中摩擦界面6的摩擦阻力矩由计算机1的采集板10通过扭矩传感器7实时检测，或者先将直流调速器2检测的功率和转速信号转换为转矩信号后再由计算机1的采集板10实时检测。
所需惯量设定成大于系统基本惯量，或者设定成等于或低于系统基本惯量。
通过控制算法，补偿主轴系统的机械摩擦对惯性摩擦焊接能量转化的影响。
驱动主轴旋转采用交流电机和交流调速器，或者采用液压马达和伺服控制器。
本发明的有益效果是：该方法在摩擦加热过程中，由采集板通过扭矩传感器实时检测摩擦焊缝的摩擦阻力矩，通过编码器采集主轴的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩，由计算机输出转速或转矩指令给直流调速器，直流调速器得到指令后，通过改变直流电机的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转矩，控制主轴转速。该过程在摩擦加热过程中反复进行，直到主轴转速由设定的初始转速降低到零。通过调节控制算法，使得主轴转速的变化规律与相同摩擦阻力矩和机械惯量条件下的转速变化规律相同。与现有技术相比，由于采用电惯量模拟机械惯量，代替传统惯性摩擦焊机采用飞轮盘组合得到不同机械惯量的方法，消除了惯量级差，减少了惯性飞轮来回拆卸调整等带来的繁琐体力劳动，实现了惯量的无级连续可调，能采用低于系统基本惯量的机械惯量。提高了焊接效率，降低了焊机成本。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明电模拟惯性摩擦焊接方法所用装置示意图。
图中，1-计算机，2-直流调速器，3-直流电机，4-编码器，5-主轴，6-摩擦界面，7-扭矩传感器，8-移动端，9-液压缸，10-采集板。
具体实施方式
参照图1。本发明电模拟惯性摩擦焊接方法具体步骤如下：
在摩擦焊接前，先将惯性摩擦焊接参数，如初始转速、所需惯量、摩擦压力、顶锻压力等，存储于计算机1中。其中初始转速为800～2000r/min、所需惯量为5～50kg·m2、摩擦压力为2～10MPa、顶锻压力为4～20MPa。放入摩擦焊接毛坯后，启动自动焊接过程，夹具夹紧焊接毛坯，移动端8在液压缸9推动下快进、工进、预顶、后退一段距离后静止。主轴5在直流调速器2控制下由直流电机3驱动加速，当主轴5的转速达到设定的初始转速值800～2000r/min后，以初始转速值恒速转动。此时滑台又开始工进，当待焊接的两侧工件接触后，在摩擦界面6上就会产生摩擦阻力矩。计算机1由采集板10通过扭矩传感器7实时检测摩擦界面6的摩擦阻力矩，通过编码器4采集主轴5的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩，并将信号输入给直流调速器2，直流调速器2再控制直流电机3的电枢电流与电枢电压，调节控制主轴转速。该过程在摩擦加热过程中反复进行，直到主轴转速由设定的初始转速降低到零，完成摩擦加热。为保证模拟精度，实时检测和控制的循环时间应在5ms以内。通过调节控制算法，使得主轴5转速的变化规律与相同摩擦阻力矩和机械惯量条件下的转速变化规律相同。在该阶段摩擦压力维持不变。当摩擦加热结束时，可以根据工艺需要施加顶锻压力4～20MPa，或保持摩擦压力2～10MPa一段时间3～10s。松开夹具，滑台后退到原位，取出焊接件，整个电模拟惯性摩擦焊接过程结束。
上述实施方式中，计算机1实时检测摩擦界面6的摩擦阻力矩和主轴5的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩后，可以由计算机1输出转速指令给直流调速器2，直流调速器2通过内部的转速环和电流环运算后，改变直流电机3的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转速，从而达到改变主轴5转速的目的；也可以由计算机1输出转矩指令给直流调速器2，直流调速器2直接通过内部的电流环运算后，改变直流电机3的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转矩，从而达到改变主轴5转速的目的。
上述实施方式中，焊接过程中摩擦界面6的摩擦阻力矩由计算机1的采集板10通过扭矩传感器7实时检测，也可以先将直流调速器2检测的功率和转速信号转换为转矩信号后再由计算机1的采集板10实时检测。
上述实施方式中，所需惯量可以设定成大于系统基本惯量(主轴系统、旋夹系统、主电机电枢系统、旋转工件等焊接过程中转动部件的转动惯量)，也可以设定成等于或低于系统基本惯量，这是采用机械惯量无法做到的。
上述实施方式中，可以通过控制算法，补偿主轴系统的机械摩擦对惯性摩擦焊接能量转化的影响，这也是采用机械惯量无法做到的。
上述实施方式中，驱动主轴旋转的直流电机3和直流调速器2可以用交流电机和交流调速器，或者液压马达和伺服控制器代替。

Claims (6)

1.一种电模拟惯性摩擦焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
在摩擦焊接前，先将惯性摩擦焊接所需初始转速为800～2000r/min、惯量为5～50kg·m2、摩擦压力为2～10Mpa和顶锻压力为4～20MPa存储于计算机(1)中；放入摩擦焊接毛坯后，启动自动焊接装置，夹具夹紧焊接毛坯，移动端(8)在液压缸(9)推动下快进、工进、预顶、后退一段距离后静止；主轴(5)在直流调速器(2)控制下由直流电机(3)驱动加速，当主轴(5)的转速达到设定的初始转速值800～2000r/min后，以初始转速值恒速转动；此时滑台又开始工进，当待焊接的两侧工件接触后，在摩擦界面(6)上就会产生摩擦阻力矩；由采集板(10)通过扭矩传感器(7)实时检测摩擦界面(6)的摩擦阻力矩，通过编码器(4)采集主轴(5)的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩，并将信号输入给直流调速器(2)，直流调速器(2)再控制直流电机(3)的电枢电流与电枢电压，调节控制主轴转速；调节控制主轴转速过程在摩擦加热过程中反复进行，直到主轴转速由设定的初始转速降低到零，完成摩擦加热；为保证模拟精度，实时检测和控制的循环时间应在5ms以内；通过调节控制算法，使得主轴(5)转速的变化规律与相同摩擦阻力矩和机械惯量条件下的转速变化规律相同；在摩擦加热阶段摩擦压力维持不变；当摩擦加热结束时，根据工艺需要施加顶锻压力4～20MPa，或保持2～10Mpa的摩擦压力3～10s。
2.根据权利要求1所述的电模拟惯性摩擦焊接方法，其特征在于：计算机(1)实时检测摩擦界面(6)的摩擦阻力矩和主轴(5)的速度和角加速度，根据焊接所需惯量及采集到的速度和角加速度，计算输出转速和转矩后，由计算机(1)输出转速指令给直流调速器(2)，直流调速器(2)通过内部的转速环和电流环运算后，改变直流电机(3)的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转速，改变主轴(5)转速；或者由计算机(1)输出转矩指令给直流调速器(2)，直流调速器(2)直接通过内部的电流环运算后，改变直流电机(3)的电枢电压和电枢电流来调节直流电机的输出转矩，改变主轴(5)转速。
3.根据权利要求1所述的电模拟惯性摩擦焊接方法，其特征在于：焊接过程中摩擦界面(6)的摩擦阻力矩由计算机(1)的采集板(10)通过扭矩传感器(7)实时检测，或者先将直流调速器(2)检测的功率和转速信号转换为转矩信号后再由计算机(1)的采集板(10)实时检测。
4.根据权利要求1所述的电模拟惯性摩擦焊接方法，其特征在于：所需惯量设定成大于系统基本惯量，或者设定成等于或低于系统基本惯量。
5.根据权利要求1所述的电模拟惯性摩擦焊接方法，其特征在于：通过控制算法，补偿主轴系统的机械摩擦对惯性摩擦焊接能量转化的影响。
6.根据权利要求1所述的电模拟惯性摩擦焊接方法，其特征在于：主轴(5)的驱动采用交流电机和交流调速器，或者采用液压马达和伺服控制器。
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