CN109175668B - 一种曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法 - Google Patents

一种曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法，包括：在主轴上等高安装三个或三个以上测距传感器；焊接时测量测距传感器与工件的相对高度，计算各传感器相对工件高度的差值，将差值换算为主轴的当前倾角值；将所述当前倾角作为控制器的输入量，以恒倾角为控制目标对主轴的姿态进行闭环反馈控制。本发明能在曲面曲线焊缝焊接中控制主轴倾角恒定，提高焊接质量，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的固相连接以及异种金属连接过程。

Description

一种曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种基于激光测距传感的恒倾角控制曲线搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊具有焊接变形小、焊接缺陷少、力学性能好、质量高等优点，作为一种新型固相连接技术，已在航空航天领域获得了广泛应用。该方法在焊接平直焊缝及平面曲线焊缝时质量易于保证，并且已经实现了成熟的应用。但是，在焊接曲面曲线焊缝时难度大，易于产生焊接缺陷。特别是在焊接曲面零件表面焊缝时，由于材料受热变形、原材料尺寸公差等因素导致实际焊接曲线倾角变化导致焊接成形不良的问题。实际应用中，曲线焊缝应用需求巨大，且钣金件居多，对于钣金件原材料来说，曲线焊缝处尺寸公差，圆度偏差，导致了搅拌摩擦焊曲线焊缝对接状态会有少许偏差。特别在焊接过程中，由于搅拌摩擦焊接的非对称性，以及焊接工具前后工件翘曲变形将导致主轴焊接倾角发生变化。
目前，搅拌摩擦焊过程大多无反馈控制，仅通过操作人员看到飞边的大小及工件翘曲变形量，调节手轮，对压入量进行调节，该方法对操作人员的依赖大，焊接质量不够稳定，焊接一致性有待提高。搅拌摩擦焊过程中，焊接温度、压入量、倾角、顶锻力都是非常重要的过程控制参数，目前，少数闭环控制搅拌摩擦焊接方法中有安装测温传感器对温度进行监测控制，或对压力进行监测控制，进而控制压入量，但对于主轴倾角尚无有效的在线反馈控制方法。因此，开发一种基于激光测距传感的恒倾角控制搅拌摩擦焊方法具有重要的意义，可以有效控制搅拌摩擦焊接过程主轴倾角，提升曲面曲线焊缝搅拌摩擦焊接过程自动化程度，提高焊接适应性，为大型曲面曲线焊缝的高质量搅拌摩擦焊接过程提供一种理想的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有曲面曲线焊缝搅拌摩擦焊的由于材料受热变形、原材料尺寸公差等因素导致实际焊接曲线倾角变化的问题，提供一种基于激光测距传感的恒倾角控制曲线搅拌摩擦焊方法。
本发明的技术方案是：
一种恒曲线搅拌摩擦焊的倾角控制方法，其特征在于包括：
在主轴上等高安装三个或三个以上测距传感器；
焊接时测量测距传感器与工件的相对高度，计算各传感器相对工件高度的差值，将差值换算为主轴的当前倾角值；
将所述当前倾角作为控制器的输入量，以恒倾角为控制目标对主轴的姿态进行闭环反馈控制。
在主轴上安装三个测距传感器，相互间距120°，其中一个测距传感器的投影位于待焊焊缝的中心线上作为中心传感器。
中心传感器与其他传感器相对工件高度的差值d与主轴当前倾角值θ的换算公式为：
Figure BDA0001802339300000021
其中R为工件曲线焊缝的半径，Rs为测距传感器安装位置所在圆周的半径，α为测距传感器之间的夹角，当等角度安装三个传感器时，α为120°。
采用PID控制，利用比例积分微分计算出控制量控制主轴倾角，以末端搅拌工具坐标系的球坐标值为输出量，对主轴的姿态进行控制。
测距传感器为激光测距传感器。
工件为铝合金、镁合金或铜合金，也可以是异种材料。
本发明的原理是：焊接时，将三个(或三个以上)高精度激光测距传感器以(三个传感器时为相距120°)等角度安装在设备主轴上，搅拌工具对待焊工件铝合金板来实施搅拌摩擦焊接，搅拌轴肩具有内聚材料的花纹，以有效的转移材料。首先，将三个激光测距传感器与搅拌工具轴肩的相对位置进行标定，并计算传感器所在圆的半径Rs。焊接时，根据激光测距传感器5、6、7测得的工件与搅拌针轴肩位置在高度方向的相对位置信息，并进行差值计算，将其差值换算为主轴倾角值。将该倾角值作为控制器的输入量，闭环反馈，采用PID控制，利用比例积分微分计算出控制量，即控制主轴倾角，以末端工具坐标系的球坐标值为输出量，对焊接机器人位姿进行控制，焊接同时检测、计算并控制倾角值，实现闭环，从而进行恒定倾角控制。
本发明的有益效果：
基于激光测距传感的恒倾角控制搅拌摩擦焊方法适用材料范围广泛，能在曲面曲线焊缝焊接中控制主轴倾角恒定，提高焊接质量，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的固相连接以及异种金属连接过程。同时该方法成本较低，在现有设备基础上扩展加装，易于实现推广，解决了传统搅拌摩擦焊设备恒倾角控制及焊接过程稳定性问题，具有重要的工程应用价值。
附图说明：
图1为本发明的基于激光测距传感的恒倾角控制搅拌摩擦焊方法安装结构图，其中1为设备主轴，2为搅拌摩擦焊工具，3为待焊工件铝合金板，4为搅拌工具，5、6、7为高精度激光测距传感器。
图2为本发明的恒倾角焊接时传感器与工件相对位置简化关系图，其中，θ为主轴倾角，Rs为传感器安装位置所在圆周的半径，R为工件曲面曲线焊缝半径，d为传感器5和传感器7到工件表面距离的差值，O为工件表面圆弧圆心，O1为三个传感器所在位置圆环圆心。
图3为本发明的三个激光测距传感器与位置关系平面相对位置示意图。其中，α为三个传感器在圆环上的位置均布角度，为120°，FA为传感器5和传感器7到工件表面距离的差值d。
图4为本发明的主轴倾角在线检测闭环控制算法流程图。
具体实施方式
实施例1：
在主轴上等高安装三个或三个以上测距传感器；
焊接时测量测距传感器与工件的相对高度，计算各传感器相对工件高度的差值，将差值换算为主轴的当前倾角值；
将所述当前倾角作为控制器的输入量，以恒倾角为控制目标对主轴的姿态进行闭环反馈控制。
图1为本焊接控制方法的安装结构。图2所示为恒倾角焊接时传感器与工件相对位置简化关系图，展示了各传感器相对于焊接工件的安装位置关系。进一步的，图3所示为三个激光测距传感器与位置关系平面相对位置示意图。可根据上述两图中的传感器与工件位置关系换算测量距离差与主轴倾角之间的数学关系。图4为主轴倾角在线检测闭环控制算法流程图。
图1所示为本发明的基于激光测距传感的恒倾角控制搅拌摩擦焊方法安装结构图，焊接时，采用搅拌摩擦焊工具2装卡在设备主轴1上，将高精度激光测距传感器5、6、7以相距120°等角度安装在设备主轴1上(如商用激光测距传感器可选用40-60mm量程，精度21μm)，搅拌工具4对待焊工件铝合金板3来实施搅拌摩擦焊接，搅拌轴肩4具有内聚材料的辅助花纹。首先，将激光测距传感器5、6、7与搅拌工具轴肩4的相对位置进行标定，并计算传感器所在圆的半径Rs。焊接时，主轴1带动搅拌工具2以旋转速度ω旋转，并以焊接速度v移动进行搅拌摩擦焊接，根据激光测距传感器5、6、7测得的工件与搅拌针轴肩位置在高度方向的相对位置信息，并进行差值计算，将其差值换算为主轴倾角值。
图2所示为恒倾角焊接时传感器与工件相对位置简化关系图，展示了各传感器相对于焊接工件的安装位置关系。进一步的，图3所示为三个激光测距传感器与位置关系平面相对位置示意图。可根据上述两图中的传感器与工件位置关系换算测量距离差与主轴倾角之间的数学关系。具体计算过程如下：
在△JOK中有
OK＝Rsinθ (1)
在圆O1中有：
LM＝Rs-Rs·cos(180°-α)＝Rs-Rs·cos60° (2)
而CH＝LM，
OC＝OK-CK＝Rsinθ-Rs (3)
OH＝OC+CH＝Rsinθ-Rs+Rs-Rs·cos60°＝Rsinθ-Rs·cos60° (4)
在△GOH中有
Figure BDA0001802339300000051
在△AOD中有
Figure BDA0001802339300000052
因此，
图4为主轴倾角在线检测闭环控制算法流程图。将通过传感器测量距离计算得出的主轴倾角值作为控制器的输入量，闭环反馈，采用PID控制，利用比例积分微分计算出控制量，即控制主轴倾角，以末端工具坐标系的球坐标值为输出量，对焊接机器人位姿进行控制，焊接同时检测、计算并控制倾角值，实现闭环，从而进行恒定倾角控制，在机械搅拌作用和热作用(摩擦热和塑性变形产热)的综合影响下，使焊缝区域金属达到塑性状态，以实现稳定焊接。
进一步限定，本实施方式中待焊工件还可以采用其他材料，如镁合金以及铜合金等。
进一步限定，本实施方式中待焊工件还可以采用异种材料进行，如铝合金和铝基复合材料。
进一步限定，本实施方式中焊接过程可以是采用机器人或机床等可编程式的搅拌摩擦焊设备的焊接过程。

Claims (4)

1.一种曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法，其特征在于包括：
在主轴上等高安装三个或三个以上测距传感器；
焊接时测量测距传感器与工件的相对高度，计算各传感器相对工件高度的差值，将差值换算为主轴的当前倾角值；
将当前倾角作为控制器的输入量，以恒倾角为控制目标对主轴的姿态进行闭环反馈控制；
在主轴上安装三个测距传感器，相互间距120°，其中一个测距传感器的投影位于待焊焊缝的中心线上作为中心传感器；
中心传感器与其他传感器相对工件高度的差值d与主轴当前倾角值θ的换算公式为：
其中R为工件曲线焊缝的半径，Rs为测距传感器安装位置所在圆周的半径，α为测距传感器之间的夹角，当等角度安装三个传感器时α为120°。
2.根据权利要求1所述曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法，其特征在于：采用PID控制，利用比例积分微分计算出控制量控制主轴倾角，以末端搅拌工具坐标系的球坐标值为输出量，对主轴的姿态进行控制。
3.根据权利要求1-2任一项所述曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法，其特征在于：测距传感器为激光测距传感器。
4.根据权利要求1-2任一项所述曲线搅拌摩擦焊的恒倾角控制方法，其特征在于：工件为铝合金、镁合金、铜合金或异种材料。
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