CN104827179A - 一种摩擦焊控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于摩擦焊的技术领域。为了解决使用爆炸焊工艺焊接阳极导电装置时焊接过程工序繁琐，人工成本高，而且焊接得到的阳极导电装置在应用于电解铝生产时接触电阻大，导致电解铝生产耗能大的问题，本发明提出一种摩擦焊控制系统，该系统包括控制单元、调速单元、主轴电机、软启动器和动力单元；所述调速单元分别与所述控制单元和所述主轴电机连接，所述调速单元用于接收所述控制单元发送的调速指令，并根据该调速指令控制所述主轴电机的转速；所述软启动器分别与所述控制单元和动力单元连接，所述软启动器用于接收控制单元发送的启动指令，并根据该启动指令启动动力单元。使用本发明焊接的阳极导电装置能够明显降低电解铝生产过程中的耗能。

Description

一种摩擦焊控制系统

技术领域

本发明属于摩擦焊的技术领域，具体涉及一种摩擦焊控制系统。

背景技术

如图1所示，预焙铝电解槽阳极导电装置10包括钢爪11和铝导杆12，当铝导杆12横截面尺寸为130mm×130mm时，铝导杆12的质量为147Kg，对应钢爪11的质量为298Kg。目前，钢爪11和铝导杆12通常通过爆炸焊工艺焊接，在爆炸焊过程中需要使用复合爆炸焊片，需要工人将铝导杆12与爆炸焊片的铝端手工焊和，再将钢爪11与爆炸焊片的钢端手工焊合，整个焊接过程工序繁琐，需要较多工人，人工成本高，且工人劳动强度大，并且采用爆炸焊工艺焊接得到的阳极导电装置10在应用于电解铝生产时接触电阻大，增大了电解铝生产过程中的耗能。

发明内容

为了解决使用爆炸焊工艺焊接阳极导电装置时焊接过程工序繁琐，人工成本高，而且焊接得到的阳极导电装置在应用于电解铝生产时存在接触电阻大，进而导致电解铝生产耗能大的问题，本发明提出一种摩擦焊控制系统，以简化焊接过程，降低人工成本，同时可以降低电解铝生产过程中的耗能。

本发明摩擦焊控制系统包括控制单元、调速单元、主轴电机、软启动器和动力单元；所述调速单元分别与所述控制单元和所述主轴电机连接，所述调速单元用于接收所述控制单元发送的调速指令，并根据该调速指令控制所述主轴电机的转速；所述软启动器分别与所述控制单元和所述动力单元连接，所述软启动器用于接收所述控制单元发送的启动指令，并根据该启动指令启动所述动力单元。

该系统还包括钢爪信息单元，该钢爪信息单元分别与所述控制单元和所述主轴电机减速器后端连接，用于采集与所述主轴电机连接的钢爪的位置及速度信息，并将该信息发送给所述控制单元，以使所述控制单元确定钢爪的位置及速度。

所述钢爪信息单元为绝对值编码器。

所述控制单元连接有铝导杆信息单元，该铝导杆信息单元用于采集铝导杆的位移及速度信息，并将该信息发送给控制单元。

所述铝导杆信息单元为拉线位移传感器。

所述调速单元连接有定位位置单元，该定位位置单元周期性地向所述调速单元反馈信号；钢爪夹具的圆盘上12点钟方向设置有圆柱金属凸块；所述调速单元接收到定位指令后，根据所述定位位置单元反馈信号之前的时间信息、结合之前调速单元输出的转矩和转速信号，控制钢爪夹具主轴电机后续周期的转矩和转速，最终使经过若干个周期后圆柱金属凸块旋转到所述定位位置单元处时，钢爪夹具主轴电机转速降为零，实现钢爪的相位控制。

所述控制单元为可编程逻辑控制器；所述调速单元为变频器。

该系统还包括速度反馈单元，该速度反馈单元分别与所述调速单元和所述主轴电机减速器前端连接，用于采集所述调速单元的实际输出转速，并把该转速信息发送给所述调速单元，用以提高调速单元的输出速度精度,进而辅助提高相位控制精度。

所述速度反馈单元为增量编码器。

所述控制单元连接有红外测温仪，该红外测温仪用于检测铝导杆和钢爪焊接接头位置的温度，辅助所述摩擦焊控制系统实施摩擦焊工艺，并为分析摩擦焊加工过程及接头质量提供参考。

本发明摩擦焊控制系统具有如下的有益效果：

1.使用本发明摩擦焊控制系统焊接预焙铝电解槽阳极导电装置，本发明的主轴电机带动钢爪旋转，控制单元和调速单元用于控制主轴电机转速，在摩擦焊过程中，前期操作人员根据需求输入相应工艺参数，之后在摩擦焊自动加工过程中，控制单元会根据工艺参数准确控制铝导杆和钢爪的速度及位置；同时动力单元推动铝导杆移动，使铝导杆与钢爪接触并在接触面产生摩擦，直至接触面达到塑性状态，然后动力单元继续推动铝导杆，使铝导杆与钢爪接触面压力增大，最终将钢爪与铝导杆焊接在一起。本发明摩擦焊控制系统使用摩擦焊的工艺将钢爪与铝导杆焊接在一起，通过对比实验得出，采用本发明摩擦焊控制系统焊接的阳极导电装置比使用爆炸焊工艺的阳极导电装置在实际应用过程中平均每根可降低压降7.8mV(铝导杆横截面尺寸为130mm×130mm)左右，具有明显的节电优势，降低了电解铝生产过程中的耗能。使用本发明摩擦焊控制系统焊接预焙铝电解槽阳极导电装置，省去了工人将铝导杆与爆炸焊片的铝端手工焊和，将钢爪与爆炸焊片的钢端手工焊合的步骤，简化了焊接过程，减少了需要的工人数量，降低了人工成本。

2.钢爪信息单元采集钢爪的位置及速度信息，控制单元根据该信息计算出钢爪的转动圈数及钢爪所在当前圈的具体角度，这样控制单元在向调速单元发送定位指令前，首先检测钢爪的位置及速度，以保证每次发送定位指令前，钢爪处于相同的位置，以提高钢爪与铝导杆接头质量的稳定性及铝导杆缩短量值的稳定性。

3.铝导杆信息单元用于采集铝导杆的位移及速度信息，并将该信息发送给控制单元，这样铝导杆信息单元与控制单元构建位置和速度控制闭环，再结合控制铝导杆移动的动力装置的输出，最终达到提高焊接接头强度及稳定缩短量的目的。

4.速度反馈单元用于采集钢爪夹具主轴电机减速机前的转速(同时也是定位单元的输出转速)并把该转速信息反馈给调速单元，这样速度反馈单元与调速单元构建速度反馈闭环，可以提高调速单元的输出精度，进而提高最后的相位控制精度。

附图说明

图1为预焙铝电解槽阳极导电装置的结构示意图；

图2a为本发明的钢爪夹具、钢爪和铝导杆加工时连接的主视示意图；

图2b为图2a的A向示意图；

图3为本发明摩擦焊控制系统的实施例一的结构示意图；

图4为图3所示的摩擦焊控制系统的工作流程图；

图5为本发明摩擦焊控制系统的实施例二的结构示意图；

图6为图5所示的摩擦焊控制系统对预焙铝电解槽阳极导电装置进行定位的工作流程图；

图7为本发明摩擦焊控制系统的实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明摩擦焊控制系统。

实施例一

如图3所示，摩擦焊控制系统包括控制单元20、调速单元22、主轴电机21、软启动器24和动力单元23。调速单元22分别与控制单元20和主轴电机21连接，调速单元22用于接收控制单元20发送的调速指令，并根据该调速指令对主轴电机的转速进行调节。软启动器24分别与控制单元20和动力单元23连接，软启动器24用于接收控制单元20发送的启动指令，并根据该启动指令启动动力单元23。其中，控制单元20为可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，以下简称PLC)，调速单元22为变频器。

实施例一的摩擦焊控制系统的工作流程如图4所示，具体如下：

步骤S1：控制单元20与调速单元22建立通信连接，控制单元20与调速单元22可以通过现场总线的方式通信，控制单元20向调速单元22发送调速指令，调速单元22接收该调速指令，同时调速单元22将自身的运行状态发送给控制单元20，以实现控制单元20对调速单元22运行状态的监控。

步骤S2：调速单元22接收到控制单元20发送的调速指令后，根据该调速指令控制主轴电机21的转速。焊接钢爪11与铝导杆12时，主轴电机21带动钢爪11旋转，通过对主轴电机21转速的控制实现了对钢爪11转速的控制。在摩擦焊过程中，前期操作人员根据需求输入相应工艺参数，之后在摩擦焊自动加工过程中，控制单元20会根据工艺参数准确控制钢爪11和铝导杆12的速度及位置。

在步骤S3，控制单元20向软启动器24发送启动指令；控制单元20可以通过端子方式向软启动器24发送启动指令。

在步骤S4，软启动器24根据控制单元20发送的启动指令启动动力单元23。动力单元23推动铝导杆12移动，使铝导杆12与钢爪11接触，钢爪11的旋转使铝导杆12与钢爪11在接触面产生摩擦，直至接触面达到塑性状态，然后动力单元23继续推动铝导杆，使铝导杆12与钢爪11接触面压力增大，最终将钢爪11与铝导杆12焊接在一起。

实施例二

如图5所示，与实施例一不同的是实施例二的摩擦焊控制系统还包括定位位置单元27，该定位位置单元27与调速单元22连接，定位位置单元27为接近开关。如图2a和图2b所示，钢爪夹具17包括夹持口13和圆盘14，夹持口13与圆盘14固定连接，夹持口13夹持钢爪11，定位位置单元27安装于基座16上，在摩擦焊过程中，圆盘14与夹持口13在主轴电机21带动下同步旋转，圆盘14上12点钟方向设置有圆柱金属凸块15，在圆盘14旋转过程中，圆柱金属凸块15每经过定位位置单元27一次，即钢爪11每旋转一圈，定位位置单元27向调速单元22反馈一次信号。定位位置单元27的作用是作为相位控制的终点，也就是相位控制开始后，最终圆柱金属凸块15旋转到定位位置单元27位置时，主轴电机21停止旋转，同时钢爪11停止旋转完成相位控制。

实施例二的摩擦焊控制系统对预焙铝电解槽阳极导电装置进行定位的工作流程图如图6所示，具体如下：

步骤T1：控制单元20与调速单元22建立通信连接，控制单元20与调速单元22之间可以通过现场总线进行通信；控制单元20能够给调速单元22发送指令；调速单元22能够将自身运行状态发送给控制单元20，以使控制单元20能够监控调速单元22的运行状态。

步骤T2：摩擦焊过程中需要定位时，控制单元20给调速单元22发送定位指令，调速单元22接收控制单元20发送的定位指令。

步骤T3：利用钢爪11每旋转一圈，定位位置单元27向调速单元22反馈一次信号的信息，调速单元22根据所述定位位置单元27反馈信号之前的时间信息、结合之前定位单元输出的转矩和转速信号，控制钢爪夹具主轴电机后续周期的转矩和转速。调速单元22判断下一次接收到定位位置单元27的信号时，主轴电机21的转速是否能够降为零，如果主轴电机21的转速能够降为零，则逐渐缩小输出转速，同时控制输出转矩，使圆柱金属凸块15旋转到定位位置单元27处时，主轴电机21转速降为零，同时钢爪11转速降为零完成相位控制；如果下一次接收到定位位置单元27的信号时，主轴电机21的转速不能够降为零，则继续降低主轴电机21的转速并重新进行本步骤，直至能够通过逐渐缩小输出转速，同时控制输出转矩，使圆柱金属凸块15旋转到定位位置单元27处时，钢爪11转速降为零完成相位控制。其中，开始定位后，通常圆柱金属凸块15经过定位位置单元27二到三次，钢爪11的转速就能够降为零。

实施例三

如图7所示，摩擦焊控制系统还包括钢爪信息单元25、铝导杆信息单元26和速度反馈单元28。

钢爪信息单元25分别与控制单元20和主轴电机21的减速器后端连接，钢爪信息单元25直接采集钢爪的位置及速度信息，并将该信息发送给控制单元20，控制单元20根据钢爪的位置及速度信息计算出钢爪的转动圈数及钢爪所在当前圈的具体角度，这样控制单元20在向调速单元22发送定位指令前，首先检测钢爪的位置及速度信息，以保证每次发送定位指令前，钢爪处于相同的位置，从而提高钢爪与铝导杆接头质量的稳定性及铝导杆缩短量值的稳定性。其中，钢爪信息单元25为绝对值编码器。

铝导杆信息单元26与控制单元20连接，用于采集铝导杆的位移及速度信息，并将该信息发送给控制单元20，这样铝导杆信息单元26与控制单元20构建位置和速度控制闭环，再结合控制铝导杆移动的动力单元23的输出，最终达到提高焊接接头强度及稳定缩短量的目的。其中，铝导杆信息单元26为拉线位移传感器。

速度反馈单元28分别与调速单元22、主轴电机21的减速器前端连接，速度反馈单元28用于采集调速单元22的实际输出转速，通过速度反馈单元28与调速单元22构建速度反馈闭环，在提高调速单元22的输出精度同时，辅助提高后续相位控制精度。其中，速度反馈单元28为增量编码器。

优选地，摩擦焊控制系统还包括红外测温仪(图中未示出)，该红外测温仪与控制单元20连接，用于检测铝导杆12和钢爪11焊接接头位置的温度，辅助实施摩擦焊控制工艺，并为分析摩擦焊加工过程及接头质量提供参考。

优选地，摩擦焊控制系统还包括人机交互单元(图中未示出)，该人机交互单元与控制单元20连接，用于操作人员通过图形化界面与控制单元20进行交互。

优选地，摩擦焊控制系统还包括记录单元(图中未示出)，该记录单元与控制单元20连接，用于记录摩擦焊过程工艺参数，为摩擦焊件的加工过程及产品质量分析提供指导。其中，记录单元可以是计算机或嵌入式系统。

使用本发明摩擦焊控制系统焊接的阳极导电装置与使用爆炸焊焊接的阳极导电装置的耗能对比试验：

1.实验对象为：使用本发明摩擦焊控制系统焊接的阳极导电装置24根，以下简称A组阳极导电装置；使用爆炸焊焊接的阳极导电装置24根，以下简称B组阳极导电装置。A组阳极导电装置被分别安装在24个电解槽内，进行正常电解生产工作24小时后开始测试，以保证各阳极导电装置通电达到稳定状态；B组阳极导电装置与A组阳极导电装置位于同一电解槽内且位置相邻。

2.测试仪器：具有毫伏级测量档位的高精度万用表和等距压降测量叉。

3.测试步骤：

(1)如图1所示，选取要测试的阳极导电装置，首先使用等距压降测量叉测出铝导杆上的等距离电压降，记为U1。

(2)如图1所示，将等距压降测量叉的两极分别接触固定在阳极导电装置的铝端和钢端，待数值稳定后读取焊接接头的电压降，记为U2。

(3)实验中通过测量得到每根阳极导电装置的U1、U2值，已知130mm×130mm的铝导杆电解环境下电阻率为2.13×10^-8Ω/cm，压降测量叉测量间距为14cm，可得测量间距内铝导杆电阻值R1＝2.982×10^-7Ω。因导杆内部电流一致，可得各阳极导杆铝钢焊接接头部位阻值：

$R2=\frac{U2}{I}=\frac{U2}{U1}\×R1$

按目前生产中200KA型电解槽加强后每个电解槽所通总电流为220KA计算，电解槽内每根阳极导杆所通的标准电流I_标准＝220KA/28根＝7.86KA。而实际电解过程中每根阳极导杆上的电流并不一样，为了能直观的比较摩擦焊阳极导杆与爆炸焊阳极导杆的接头处压降，我们将电解槽内各导杆电流分布视为均匀分布。

则标准电流下铝钢接头部位等距压降(mV)为:

4.实验结果：

表1为阳极导电装置电解36小时后测量的结果：

表1

由表1的阳极导电装置电解36小时后的测量结果，根据标准电流下铝钢接头部位等距压降(mV)公式:

分别计算A组阳极导电装置和B组阳极导电装置在标准电流下铝钢接头部位等距压降，计算结果如表2所示：

表2

表3为阳极导电装置电解48小时后测量的结果：

表3

由表3的阳极导电装置电解48小时后的测量结果，根据标准电流下铝钢接头部位等距压降(mV)公式:

分别计算A组阳极导电装置和B组阳极导电装置在标准电流下铝钢接头部位等距压降，计算结果如表4所示：

表4

5.实验结论：

采用本发明摩擦焊控制系统焊接的阳极导电装置比使用爆炸焊焊接的阳极导电装置平均每根可降低压降(7.96mV+7.73mV)/2＝7.8mV左右，具有明显的节电优势。

Claims (10)

1.一种摩擦焊控制系统，其特征在于，包括控制单元、调速单元、主轴电机、软启动器和动力单元；所述调速单元分别与所述控制单元和所述主轴电机连接，所述调速单元用于接收所述控制单元发送的调速指令，并根据该调速指令控制所述主轴电机的转速；所述软启动器分别与所述控制单元和所述动力单元连接，所述软启动器用于接收所述控制单元发送的启动指令，并根据该启动指令启动所述动力单元。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，该系统还包括钢爪信息单元，该钢爪信息单元分别与所述控制单元和所述主轴电机减速器后端连接，用于采集与所述主轴电机连接的钢爪的位置及速度信息，并将该信息发送给所述控制单元，以使所述控制单元确定钢爪的位置及速度。

3.根据权利要求2所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述钢爪信息单元为绝对值编码器。

4.根据权利要求2所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述控制单元连接有铝导杆信息单元，该铝导杆信息单元用于采集铝导杆的位移及速度信息，并将该信息发送给控制单元。

5.根据权利要求4所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述铝导杆信息单元为拉线位移传感器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述调速单元连接有定位位置单元，该定位位置单元周期性地向所述调速单元反馈信号；钢爪夹具的圆盘上12点钟方向设置有圆柱金属凸块；所述调速单元接收到定位指令后，根据所述定位位置单元反馈信号之前的时间信息、结合之前调速单元输出的转矩和转速信号，控制钢爪夹具主轴电机后续周期的转矩和转速，最终使经过若干个周期后圆柱金属凸块旋转到所述定位位置单元处时，钢爪夹具主轴电机转速降为零，实现钢爪的相位控制。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述控制单元为可编程逻辑控制器；所述调速单元为变频器。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，该系统还包括速度反馈单元，该速度反馈单元分别与所述调速单元和所述主轴电机减速器前端连接，用于采集所述调速单元的实际输出转速，并把该转速信息发送给所述调速单元，用以提高调速单元的输出速度精度,进而辅助提高相位控制精度。

9.根据权利要求8所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述速度反馈单元为增量编码器。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的摩擦焊控制系统，其特征在于，所述控制单元连接有红外测温仪，该红外测温仪用于检测铝导杆和钢爪焊接接头位置的温度，辅助所述摩擦焊控制系统实施摩擦焊工艺，并为分析摩擦焊加工过程及接头质量提供参考。