CN107813045A - 大型曲面五轴搅拌摩擦焊接压力测量装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置及标定方法，包括测量装置和焊接主轴；所述测量装置集成于所述焊接主轴上，所述测量装置包括滑块、导轨以及多个压力传感器，所述压力传感器沿焊接主轴的周向均匀安装在主轴轴芯上，所述压力传感器的压头压在焊接主轴的主轴外壳上；所述滑块安装在所述主轴外壳上；所述导轨安装在所述主轴轴芯上。本发明通过集成于所述主轴上的压力测量装置实现对焊接下压力的实时调整；本发明提高了大型曲面五轴搅拌摩擦焊焊接压力的测量与控制精度。

Description

大型曲面五轴搅拌摩擦焊接压力测量装置及标定方法

技术领域

本发明涉及焊接工程领域，具体的，涉及一种大型椭球面工件的五轴搅拌摩擦焊焊接压力测量装置以及标定方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年10月提出的发明专利。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，TWI进行了较多的研究。

搅拌摩擦焊接技术为一种固相焊接技术，热输入量低，高效、节能、可靠性高等优点，被广泛应用在航空航天领域，但是针对大型曲面工件的拼焊时，会出现拼接错隙、工件表面不平整等问题导致搅拌头压入工件过深或者过浅，直接影响焊缝的焊接质量，因此要在焊接过程中需要对搅拌针实时进行控制调整，使其始终保持合适的压入量，从而保证焊接质量。

本发明设计了一套集成于主轴的大型曲面五轴搅拌摩擦焊焊接压力测量装置，并提出了针对该套测量装置的标定方法，能准确测量五轴搅拌摩擦焊接过程中搅拌头的焊接下压力，并通过调整搅拌针压入量来控制焊接下压力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大型曲面五轴搅拌摩擦焊接压力测量装置及标定方法。

根据本发明提供的一种大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置，包括测量装置和焊接主轴；所述测量装置集成于所述焊接主轴上，所述测量装置包括滑块、导轨以及多个压力传感器，所述压力传感器沿焊接主轴的周向均匀安装在主轴轴芯上，所述压力传感器的压头压在焊接主轴的主轴外壳上；所述滑块安装在所述主轴外壳上；所述导轨安装在所述主轴轴芯上。

优选地，所述主轴轴芯和所述主轴外壳之间设置有预紧螺钉，所述预紧螺钉用于调节压力传感器上的预紧力。

优选地，焊接主轴焊接时，焊接压力通过主轴轴芯传递到压力传感器再传递到主轴外壳上。

优选地，焊接主轴焊接时，所述多个压力传感器输出的合值为焊接压力数值。

根据本发明提供的一种基于大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设计有专用的标定工装，在标定工装上开有不同角度的标定传感器安装槽，标定时将标定传感器安装在安装槽内，用焊接主轴垂直于标定传感器；

步骤2：使用传统力循环标定方法，对不同角度下的测量系统进行标定，得到实际压力y与测量系统输出x和主轴倾角θ之间的关系；

步骤3:借助MATLAB软件拟合得到函数y＝f(x，θ)，从而对测量系统进行调整，提高测量精度。

优选地，所述标定工装为八分之一个球体，在球体表面沿经线方向均匀开有若干个标定传感器安装槽。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过集成于所述主轴上的压力测量装置实现对焊接下压力的实时调整；

2、本发明提高了大型曲面五轴搅拌摩擦焊焊接压力的测量与控制精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为集成了压力测量装置的主轴示意图；

图2为拆去了主轴外壳的主轴示意图；

图3为专用标定工装示意图。

图中示出：

主轴外壳 1

压力传感器 2

主轴轴芯 3

滑块 4

导轨 5

标定工装 6

传感器安装槽 7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，根据本发明提供的根据本发明提供的一种大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置，包括测量装置和焊接主轴；所述测量装置集成于所述焊接主轴上，所述测量装置包括滑块、导轨以及多8个压力传感器，所述8个压力传感器沿焊接主轴的周向均匀安装在主轴轴芯上，所述压力传感器的压头压在焊接主轴的主轴外壳上；所述滑块安装在所述主轴外壳上，所述导轨安装在所述主轴轴芯上。焊接时主轴轴芯3会承受较大的径向力，滑块与导轨大幅度减少主轴外壳与主轴轴芯之间的轴向摩擦力，并且焊接时径向力的变化对主轴外壳与主轴轴芯轴向摩擦力的影响也会大幅度减少。

详细地，所述主轴轴芯和所述主轴外壳之间设置有8个预紧螺钉，所述8个预紧螺钉用于调节压力传感器上的预紧力，一般使预紧力选择压力传感器量程的1/5，各个压力传感器预紧力相差控制在0.5％以内。

焊接主轴焊接时，焊接压力通过主轴轴芯传递到压力传感器再传递到主轴外壳上。进而所述多个压力传感器输出的合值为焊接压力数值。

根据本发明提供的一种基于大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设计有专用的标定工装，在标定工装上开有不同角度的标定传感器安装槽，标定时将标定传感器安装在安装槽内，用焊接主轴垂直于标定传感器；

步骤2：使用传统力循环标定方法，对不同角度下的测量系统进行标定，得到实际压力y与测量系统输出x和主轴倾角θ之间的关系；

步骤3:借助MATLAB软件拟合得到函数y＝f(x，θ)，从而对测量系统进行调整，提高测量精度。

所述标定方法主要是消除五轴搅拌摩擦焊接时，主轴轴芯自重对测力的影响。在五轴搅拌摩擦焊接时，主轴位姿不断发生变化，主轴轴芯的自重在轴向方向的分力也不断发生变化，从而影响轴向下压力的测量。为消除该影响，设计了特制的工装，所述标定工装为八分之一个球体，在球体表面沿经线方向均匀开有若干个标定传感器安装槽(0-90°)，将标定传感器安装在标定传感器安装槽内，然后用焊接主轴沿着该点的法向方向压在标定传感器上，压到恒定数值，记录测量装置显示的压力值。记录不同角度下，测量装置对压力的测力结果，建立主轴角度与测力结果之间的函数关系，计算线性度、重复度、灵敏度与迟滞，若满足要求，则完成系统标定，若不满足要求，则提高拟合函数精度，重复所述标定过程直至满足要求。对测力结果进行补偿。

所述测量装置采用的控制策略是使用PID控制，根据测量装置的测力结果与参考值进行比较，输入到PID控制器中，输出量为搅拌焊主轴沿着轴向方向的调整量，调整搅拌头压入工件的深度，以达到保持焊接压力恒定的目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置，其特征在于，包括测量装置和焊接主轴；所述测量装置集成于所述焊接主轴上，所述测量装置包括滑块、导轨以及多个压力传感器，所述压力传感器沿焊接主轴的周向均匀安装在主轴轴芯上，所述压力传感器的压头压在焊接主轴的主轴外壳上；所述滑块安装在所述主轴外壳上；所述导轨安装在所述主轴轴芯上。

2.根据权利要求1所述的大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置，其特征在于，所述主轴轴芯和所述主轴外壳之间设置有预紧螺钉，所述预紧螺钉用于调节压力传感器上的预紧力。

3.根据权利要求1所述的大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置，其特征在于，焊接主轴焊接时，焊接压力通过主轴轴芯传递到压力传感器再传递到主轴外壳上。

4.根据权利要求1所述的大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置，其特征在于，焊接主轴焊接时，所述多个压力传感器输出的合值为焊接压力数值。

5.一种基于权利要求1所述的大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设计有专用的标定工装，在标定工装上开有不同角度的标定传感器安装槽，标定时将标定传感器安装在安装槽内，用焊接主轴垂直于标定传感器；

步骤2：使用传统力循环标定方法，对不同角度下的测量系统进行标定，得到实际压力y与测量系统输出x和主轴倾角θ之间的关系；

步骤3:借助MATLAB软件拟合得到函数y＝f(x，θ)，从而对测量系统进行调整，提高测量精度。

6.根据权利要求5所述的大型曲面五轴搅拌摩擦焊接恒压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述标定工装为八分之一个球体，在球体表面沿经线方向均匀开有若干个标定传感器安装槽。