CN107443757A - 一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统及其控制方法，属于材料热成型技术领域，包括控制装置、压力传感器、位移传感装置、电液比例控制阀、电机控制器和人机交互装置，通过压力传感器、控制装置、调节电液比例控制阀实现液压装置的闭环控制，通过位移传感装置、控制装置、电机控制器实现进给装置和旋转搅拌头的位移的闭环控制，解决了现有技术中只能靠经验通过手动控制，而引起的参数设置不当，使热塑性材料出现焊缝中出现发现裂纹、表面犁沟的问题，并且通过闭环反馈避免外界环境变化而影响控制系统的控制精度，提高了系统的稳定性。

Description

一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及材料热成型技术领域，具体为一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统及其控制方法。

背景技术

热塑性材料制品常通过注塑压模成型，其尺寸及结构的复杂程度皆受模具限制。对于无法生产的大型或复杂的塑料零件，常将多个热塑性材料件进行连接。目前，热塑性复合材料的连接技术主要分为：机械连接、粘接、溶接和摩擦焊接。搅拌摩擦焊作为新型先进连接技术，因其具有高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点，因此备受重视，特别在薄板焊接方面有其他焊接方式无法比拟的优点。

目前，一般热塑性材料的搅拌摩擦焊机是通过铣床改装，包括旋转搅拌头01、工作台02、液压装置03、进给装置04和驱动电机系统05，旋转搅拌头01、进给装置04以及液压装置03均和工作台04连接，驱动电机系统05用于驱动旋转搅拌头01和进给装置04工作，液压装置03用于给旋转搅拌头01加压。在实际应用中，搅拌摩擦焊机的进给速度、轴向压力和搅拌头倾斜角均只能靠经验手动调整。热塑性材料的摩擦焊接存在一定难度，且尚在起步阶段，若参数调整不当，常会使热塑性材料出现焊缝中出现发现裂纹、表面犁沟等缺陷。并且当外界环境发生变化，如压力变化，机械振动，电磁干扰等，系统不能进行自动调节，使得控制精度降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统及其控制方法，能够实现对热塑性材料搅拌摩擦焊机自动控制，提高焊接质量和效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，包括控制装置、压力传感器、位移传感装置、电液比例控制阀、电机控制器和人机交互装置；

所述压力传感器和控制装置连接，压力传感器用于检测焊接时焊接工件所受到的压力，电液比例控制阀和控制装置连接，控制装置根据压力传感器反馈的压力，调节电液比例控制阀以调节液压装置的输出压力；

所述位移传感装置以及电机控制器分别和控制器装置连接，位移传感装置用于检测进给装置和旋转搅拌头的位移，控制装置根据位移传感装置反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统以调节进给装置的进给速度和搅拌头倾斜角；

所述人机交互装置和控制装置交互。

优选的，还包括温度传感器，所述温度传感器和控制装置连接，用于检测焊接部位的温度，控制装置根据温度传感器反馈的温度，通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以调节温度。

优选的，电机控制器包括变频器和编码器；

所述变频器的输入端和控制装置连接，输出端和驱动电机系统连接；

所述编码器的输入端和驱动电机系统连接，输出端和控制装置连接，编码器用于检测驱动电机系统的转速，并反馈给控制装置，控制装置通过调节变频器的频率调节驱动电机系统的转速。

优选的，所述控制装置为PLC。

优选的，所述人机交互装置包括显示器和键盘，显示器以及键盘分别和控制装置连接。

优选的，所述位移传感装置包括直线位移传感器和角位移传感器；

所述直线位移传感器和角位移传感器分别和控制装置连接，直线位移传感器用于检测进给装置的位移，角位移传感器用于检测旋转搅拌头的偏移角。

基于本发明提供的任一热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统的控制方法，包括：

通过压力传感器获取焊接工件所受到的压力，将该压力反馈给控制装置，控制装置根据反馈的压力，调节电液比例控制阀以控制液压装置的输出压力；

通过位移传感装置获取进给装置和旋转搅拌头的位移，将该位移反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统以控制进给装置和旋转搅拌头的位移。

优选的，还包括：通过温度传感器获取焊接部位的温度，将焊接部位的温度反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以控制焊接部位的温度。

优选的，所述通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以控制焊接部位的温度，包括：

根据温度传感器反馈的温度，通过编码器检测驱动电机系统的转速，并反馈给控制装置，控制装置调节变频器的频率以控制驱动电机系统的转速。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，通过压力传感器、控制装置、电液比例控制阀实现液压装置的闭环控制，通过位移传感装置、控制装置、电机控制器实现进给装置和旋转搅拌头的位移的闭环控制，解决了现有技术中只能靠经验通过手动控制，而引起的参数设置不当，使热塑性材料出现焊缝中出现发现裂纹、表面犁沟的问题，并且通过闭环反馈避免外界环境变化而影响控制系统的控制精度，提高了系统的稳定性。

进一步的，通过温度传感器、控制装置和电机控制器实现焊接温度的闭环控制，保证了焊接时温度适合，并且受环境影响小。

进一步的，通过编码器检测驱动电机系统的转速，并反馈给控制装置，通过控制装置调节变频器的频率实现驱动电机系统的转速的控制。

本发明提供的一种基于热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统的控制方法，通过压力传感器获取焊接工件所受到的压力，将该压力反馈给控制装置，控制装置根据反馈的压力，调节电液比例控制阀以控制液压装置的输出压力；通过位移传感装置获取进给装置和旋转搅拌头的位移，将该位移反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统以控制进给装置和旋转搅拌头的位移；实现了对摩擦搅拌焊机的闭环控制，解决了现有技术中只能靠经验通过手动控制，而引起的参数设置不当，使热塑性材料出现焊缝中出现发现裂纹、表面犁沟的问题，并且避免外界环境变化而影响控制系统的控制精度，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为现有技术提供的一种摩擦搅拌焊机的结构示意图；

图2为本发明提供的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统框图。

图中：01.旋转搅拌头、02.工作台、03.液压装置、04.进给装置、05.驱动电机系统。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2所示，一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统包括控制装置、压力传感器、位移传感装置、电液比例控制阀、电机控制器、温度传感器和人机交互装置；

压力传感器和控制装置连接，压力传感器用于检测焊接时焊接工件所受到的压力，电液比例控制阀和控制装置连接，控制装置根据压力传感器反馈的压力，调节电液比例控制阀以调节液压装置03的输出压力；位移传感装置以及电机控制器分别和控制器装置连接，位移传感装置用于检测进给装置04和旋转搅拌头01的位移，控制装置根据位移传感装置反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统05以调节进给装置04的进给速度和搅拌头倾斜角；人机交互装置和控制装置交互；温度传感器和控制装置连接，用于检测焊接部位的温度，控制装置根据温度传感器反馈的温度，通过电机控制器调节旋转搅拌头01的转速以调节温度。

其中，压力传感器可以安装在工作台02上夹装焊接工件的位置，当焊接工件夹装在工作台02上时压力传感器位于焊接工件的下方，检测焊接工件受到的压力。温度传感器可以安装在旋转搅拌头01上，电液比例控制阀可以安装在液压装置03的进液口上。

电机控制器包括变频器和编码器；变频器的输入端和控制装置连接，输出端和驱动电机系统05连接；编码器的输入端和驱动电机系统05连接，输出端和控制装置连接，编码器用于检测驱动电机系统05的转速，并反馈给控制装置，控制装置通过调节变频器的频率调节驱动电机系统05的转速。人机交互装置包括显示器和键盘，显示器以及键盘分别和控制装置连接。控制装置可以是PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)。

位移传感装置包括直线位移传感器和角位移传感器；直线位移传感器和角位移传感器分别和控制装置连接，直线位移传感器用于检测进给装置04的位移，角位移传感器用于检测旋转搅拌头01的偏移角。直线位移传感器可以安装在进给装置04上，角位移传感器可以安装在旋转搅拌头01的轴上。

电机驱动系统中可以包括多个电机，分别给进给装置04和旋转搅拌头01提供动力，使用时通过变频器调节电机转速以控制进给装置04的位移和速度，以及控制旋转搅拌头01的转速和偏移角等。

值得说明的是，本发明提供的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统为闭环控制系统。在使用时，可以通过人机交互装置输入指定参数，指定参数为根据焊接工件的材料形状等因素确定的焊接参数，包括温度、压力、位移、速度等，控制装置控制温度传感器、压力传感器、位移传感器和编码器实时采集温度、压力、位移和电机转速等数据，将采集到的数据和指定参数进行比较，若采集到的数据和指定参数的偏差大于允许的值，控制系统可以通过调节电液比例控制阀调节压力，通过调节变频器调节电机转速，以调节旋转搅拌头01摩擦焊接工件所产生的热量，最终控制温度，同时也可以调节进给装置04的进给速度。

基于本发明提供的热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统的控制方法，包括：

通过压力传感器获取焊接工件所受到的压力，将该压力反馈给控制装置，控制装置根据反馈的压力，调节电液比例控制阀以控制液压装置03的输出压力；

通过位移传感装置获取进给装置04和旋转搅拌头01的位移，将该位移反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统05以控制进给装置04和旋转搅拌头01的位移。

通过温度传感器获取焊接部位的温度，将焊接部位的温度反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器调节旋转搅拌头01的转速以控制焊接部位的温度。

其中，通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以控制焊接部位的温度，包括：根据温度传感器反馈的温度，通过编码器检测驱动电机系统的转速，并反馈给控制装置，控制装置调节变频器的频率以控制驱动电机系统的转速。

电机驱动系统中可以包括多个电机，分别给进给装置04和旋转搅拌头01提供动力，使用时通过变频器调节电机转速以控制进给装置04的位移和速度，以及控制旋转搅拌头01的转速和偏移角等。

需要说明的是，获取和反馈压力、温度、位移数据，以及控制装置的闭环调节都是实时进行的，在使用时，可以通过人机交互装置输入指定参数，指定参数为根据焊接工件的材料形状等因素确定的焊接参数，包括温度、压力、位移、速度等，控制装置控制温度传感器、压力传感器、位移传感器和编码器实时采集温度、压力、位移和电机转速等数据，将采集到的数据和指定参数进行比较，若采集到的数据和指定参数的偏差大于允许的值，控制系统可以通过调节电液比例控制阀调节压力，通过调节变频器调节电机转速，以调节旋转搅拌头01摩擦焊接工件所产生的热量，最终控制温度，同时也可以调节进给装置04的进给速度。

检测位移时，可以通过直线位移传感器检测进给装置04的位移，角位移传感器检测旋转搅拌头01的偏移角。

本发明提供的热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统的控制方法可以通过系统中压力传感器、温度传感器和位移传感器实时传递的数据对搅拌摩擦焊机的轴肩施加的正压力、旋转搅拌头01的转速和偏移角与摩擦焊机的行进速度进行调整，以达到热塑性材料的高质量焊接水平。

实现了摩擦焊机主轴电机转速、液压装置03顶锻压力的同步协调控制，对摩擦焊机主要工艺参数主轴进行优化，达到最佳的焊接效果。

具体包含压力控制、旋转搅拌头01的转速和偏角控制及焊接行进速度控制。

压力控制包括压力信号的检测、处理器控制信号的输出及液压比例阀等。液压系统的压力信号由压力传感器检测，实现实时压力数据采集，然后将压力数据送入处理器程序数据处理模块。控制装置监测数据进行分析处理，处理的结果由输出接口部分作用于液压装置03，实现对搅拌摩擦焊机正压力的控制。

摩擦焊机转速系统的转速信号和行进速度由编码器检测，经过信号变换及接口处理进入控制装置转速数据处理程序分析处理后，输出需要的转速和行进速度信号经输出接口电路处理传给变频器，由变频器实现对电机转速的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，其特征在于，包括控制装置、压力传感器、位移传感装置、电液比例控制阀、电机控制器和人机交互装置；

所述压力传感器和控制装置连接，压力传感器用于检测焊接时焊接工件所受到的压力，电液比例控制阀和控制装置连接，控制装置根据压力传感器反馈的压力，调节电液比例控制阀以调节液压装置的输出压力；

所述位移传感装置以及电机控制器分别和控制器装置连接，位移传感装置用于检测进给装置和旋转搅拌头的位移，控制装置根据位移传感装置反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统以调节进给装置的进给速度和搅拌头倾斜角；

所述人机交互装置和控制装置交互。

2.如权利要求1所述的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器和控制装置连接，用于检测焊接部位的温度，控制装置根据温度传感器反馈的温度，通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以控制焊接温度。

3.如权利要求2所述的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，其特征在于，电机控制器包括变频器和编码器；

所述变频器的输入端和控制装置连接，输出端和驱动电机系统连接；

所述编码器的输入端和驱动电机系统连接，输出端和控制装置连接，编码器用于检测驱动电机系统的转速，并反馈给控制装置，控制装置通过调节变频器的频率控制驱动电机系统的转速。

4.如权利要求1所述的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，其特征在于，所述控制装置为PLC。

5.如权利要求1所述的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，其特征在于，所述人机交互装置包括显示器和键盘，显示器以及键盘分别和控制装置连接。

6.如权利要求1所述的一种热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统，其特征在于，所述位移传感装置包括直线位移传感器和角位移传感器；

所述直线位移传感器和角位移传感器分别和控制装置连接，直线位移传感器用于检测进给装置的位移，角位移传感器用于检测旋转搅拌头的偏移角。

7.基于权利要求1至6所述任一热塑性材料搅拌摩擦焊控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

通过压力传感器获取焊接工件所受到的压力，将该压力反馈给控制装置，控制装置根据反馈的压力，调节电液比例控制阀以控制液压装置的输出压力；

通过位移传感装置获取进给装置和旋转搅拌头的位移，将该位移反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器控制驱动电机系统以控制进给装置和旋转搅拌头的位移。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：通过温度传感器获取焊接部位的温度，将焊接部位的温度反馈给控制装置，控制装置根据反馈的位移，通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以控制焊接部位的温度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过电机控制器调节旋转搅拌头的转速以控制焊接部位的温度，包括：

根据温度传感器反馈的温度，通过编码器检测驱动电机系统的转速，并反馈给控制装置，控制装置调节变频器的频率以控制驱动电机系统的转速。