CN109623134A - 位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置以及摩擦焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置以及摩擦焊接工艺，由主轴工件10、尾座工件9、主轴系统11、滑台行走机构8、床身13、轴向加载机构5、液压油源6、控制系统1、伺服控制器2、液压伺服阀3、压力传感器4、压力传感器7、位移传感器12构成，能够实现轴向摩擦焊接功能。本发明针对轴向摩擦焊接过程中对焊接力和位移的控制要求，基于伺服控制器2、液压伺服阀3、压力传感器4、压力传感器7、位移传感器12等，将力控制模式和位置控制模式应用于摩擦焊接准备过程和摩擦焊接过程中，极大提高了加载到焊接工件上的焊接力精度，以及焊接工件之间的相对位置精度，实现高精度焊接力和高精度位移控制的轴向摩擦焊接过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置以及摩擦焊接工艺。
背景技术
轴向摩擦焊是固相焊接装置的一种，具有优质、高效、绿色、适用于异质材料焊接的装置优势，在航空航天、汽车、船舶、石油化工、工程机械等领域具有广泛的应用。轴向摩擦焊机作为一种重载设备，一般以液压驱动方式提供轴向焊接力，目前国内现有装置生产的轴向摩擦焊机主要采用以下三种方式向顶锻轴向加载机构供油：
(1)三级减压阀供油方式：液压系统油源向三级减压阀的进油口供油，通过三级减压阀为顶锻轴向加载机构提供三个级别的焊接压力，实现摩擦焊接过程。
(2)多路调压阀供油方式：液压油源向各路调压阀同时供油，各路调压阀根据焊接工艺过程要求，在控制系统的作用下分别向顶锻焊接油缸前进腔供油，为轴向摩擦焊接过程提供轴向焊接力。
(3)液压比例阀供油方式：与三级减压阀供油方式相比，液压比例阀和液压油源、顶锻焊接油缸、液压系统回油的连接方式是相同的，但在油压调整的方式及由此导致的焊接过程控制方式这两方面存在差别。液压比例阀通过焊机控制系统输出的电信号控制输出的油压大小，进而控制顶锻轴向加载机构输出的焊接力。
基于三级减压阀和多路调压阀供油方式生产的摩擦焊机，在焊接过程中调整油路压力或改变油缸动作时，阀芯的换向动作会使油路及顶锻油缸内的油压油油压产生波动，使作用在工件上的焊接力产生大的波动，导致在摩擦焊接过程中很难对顶锻焊接力进行精确控制；基于液压比例阀构成的顶锻焊接加载系统，由于液压比例阀针对液压油油压进行控制，对焊接过程中顶锻焊接油缸的位移控制通过外部位移传感器实现，很难对顶锻油缸的位移进行精确控制；由于焊机自身阻力等因素的作用，导致基于以上三种方式生产的轴向摩擦焊机，其施加到工件上的力很难精确控制。综上所述，上述方式构成的轴向摩擦焊接顶锻加载系统，很难实现对工件轴向受力和焊接变形量的精确控制。
发明内容：
本发明所要解决的装置问题是提供一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置，实现高精度焊接力和高精度位移控制的轴向摩擦焊接过程。本发明采用如下的装置方案：
一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置，由液压伺服控制器2、液压伺服阀3、轴向加载机构5、压力传感器4、压力传感器7、位移传感器12构成的位置-力控制模式的液压伺服焊接加载系统。
主轴系统11固定安装在床身13上，滑台行走机构8下表面安装移动滑块，床身13上表面安装直线导轨，滑台行走机构8通过移动滑块与直线导轨构间接与床身13相连；轴向加载机构5固定安装在床身13上；轴向加载机构5上安装了液压油缸，液压油缸活塞杆与移动滑台行走机构8固定连接；主轴工件10由主轴系统11上的工装夹具夹持，尾座工件9由滑台行走机构8上的工装夹具夹持；液压油源6与液压伺服阀3通过液压管路进行连接，液压伺服阀3与轴向加载机构5上的液压油缸通过液压管路连接，并通过液压管路向液压油缸的前腔和后腔提供液压油；控制系统1采用通讯电缆与液压伺服控制器2相连，实现控制系统1与液压伺服控制器2之间的数据及控制指令传输，液压伺服控制器2与液压伺服阀3通过控制电缆进行连接，并对液压伺服阀3进行控制；位移传感器12采用光栅尺，光栅尺的标尺光栅固定安装在床身13上，光栅读数头固定安装在滑台行走机构8上，位移传感器12的信号电缆与液压伺服控制器2相连，位移传感器12采集到的位移数据将反馈给液压伺服控制器2；压力传感器4安装在轴向加载机构5上的液压油缸的前进腔油路，检测液压油缸前进腔内油压大小；压力传感器7安装在轴向加载机构5上液压油缸的后退腔油路，检测液压油缸后退腔内油压大小；压力传感器4和压力传感器7的信号电缆均与液压伺服控制器2相连，将液压油缸的前进腔和后退腔内的油压反馈给液压伺服控制器2。
本发明另一目的是提供一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，液压油缸输出的轴向焊接力进行闭环控制，控制不同焊接加载阶段焊接力阶跃的超调量、阶跃响应时间及焊接力稳定后的精度。
一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下调整开度大小，开度大小从0到100％，液压伺服阀3通过油路与向轴向加载机构5连接，并向轴向加载机构5上的顶锻油缸打入液压油；压力传感器4和压力传感器7分别采集顶锻油缸前进腔和后退腔的油压信号，并将油压数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据轴向加载机构上的油缸前进腔和后退腔的液压油压差、油缸面积计算出液压油缸提供的轴向力，核减轴向加载机构5空载运行阻力，即为轴向焊接轴向加载机构5施加到焊接工件上的力；当执行位置控制模式时，液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下向顶锻油缸的油腔打油，驱动滑台行走机构8移动，位移传感器12实时采集滑台行走机构8和床身13的相对位移，并将位移数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据位移传感器12反馈的位移数据实时调整液压伺服阀3的开度，在液压伺服位置闭环控制模式下，使滑台行走机构8的位置不断趋于目标值；当执行力控制模式时，控制系统1向伺服控制器2传递控制指令及焊接力等相关数据，伺服控制器2及液压伺服阀3进入力控制模式，伺服控制器2根据力数据大小，调整液压伺服阀的开度大小，控制液压伺服阀3向轴向加载机构5上的油缸前进腔供油，轴向加载机构5在液压油的驱动下，有两种加载选择：一种情况是尾座工件9和主轴工件未接触，液压伺服阀3向轴向加载机构5供油，驱动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向运动，空载驱动力小于控制系统设置的焊接力；另外一种选择是：尾座工件9和主轴工件10接触，伺服控制器2控制液压伺服阀3的开度，向轴向加载机构5打油，使轴向加载机构5输出的力趋于控制系统1设置的目标值。
在摩擦焊接准备过程中，当主轴工件10和尾座工件9装夹完成后，伺服控制器2控制液压伺服阀3进入力控制模式，液压伺服阀3向轴向加载机构5上的顶锻油缸前进腔供油，轴向加载机构5在液压油的驱动下，以一定数值的推力推动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向运动，直至主轴工件10和尾座工件9接触，主轴工件10和尾座工件9在轴向压力的作用下顶紧保压一定时间，此过程为轴向加载机构5在力控制模式下推动滑台行走机构8向前运动并进行顶紧保压；在顶紧保压的同时，位移传感器12采集此时移动滑台行走机构8和床身13的相对位移数据，位移传感器12将位置数据反馈给伺服控制器2，由伺服控制器2记录此位置数据并传送给控制系统1，当顶紧保压结束后，在位置控制模式下，控制系统1将尾座工件9向后移动的距离传送给伺服控制器2，伺服控制器2根据控制系统1的指令控制液压伺服阀3动作，液压伺服阀3向轴向加载机构5上的液压油缸供油，油缸活塞杆拖动滑台行走机构8移动，同时位移传感器12实时采集滑台行走机构8的位置数据，压力传感器4及压力传感器7采集液压油缸的前进腔及后退腔的油压，位移数据和液压油缸前后腔的油压数据实时反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据位置数据及油缸两腔的油压数据，实时调整液压伺服阀3的开度，控制进入液压油缸前进腔和后退腔的液压油量及油压，最终将液压油缸的活塞杆停止在控制系统1设定的位置，使主轴工件10和尾座工件9之间为规定尺寸，在滑台行走机构8向后运动过程停止后，依然受到液压伺服系统位置控制模式的控制，液压伺服阀3对液压油缸前后腔的液压流量和压力进行实时调整，实现对主轴工件10和尾座工件9之间的间距进行精确控制；在摩擦焊接过程中，当尾座工件9后退到设定位置后，焊接准备过程结束，进入摩擦焊接过程，主轴系统11带动主轴工件10旋转，同时轴向加载机构5拖动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向移动，轴向加载机构5为每个焊接阶段提供相应的焊接力，即控制系统1根据焊接工艺要求，将每个加载阶段需要的焊接力数据传输给伺服控制器2，伺服控制器2采用力模式控制液压伺服阀3输出的液压油流量及油压，并将滑台行走机构8空载运行的轴向阻力核减掉，使轴向加载机构5上的液压油缸提供的焊接力最大限度的与设定值接近，通过油缸前进腔压力传感器4和后退腔压力传感器7反馈的数据，对液压油缸输出的轴向焊接力进行闭环控制，控制不同焊接加载阶段焊接力阶跃的超调量、阶跃响应时间及焊接力稳定后的精度，液压伺服系统采用力模式提供的焊接力作于整个摩擦焊接过程直至顶锻焊接保压过程结束。
本发明的工作原理：
1.主轴系统11固定安装在床身13上，主轴系统11能够在电动机的拖动下高速旋转；滑台行走机构8下表面安装移动滑块，床身13上表面安装直线导轨，移动滑块与直线导轨构成移动副，滑台行走机构8能够在轴向加载机构5的作用下与床身13作相对运动；轴向加载机构5固定安装在床身上，轴向加载机构5上安装了液压油缸，液压油缸活塞杆与移动滑台行走机构8固定连接，液压油缸活塞杆的直线往复运动将拖动滑台行走机构8沿直线导轨在床身13上进行相对移动。
2.主轴工件10由主轴系统11上的工装夹具夹持，并在主轴系统11的拖动下高速旋转。尾座工件9由滑台行走机构8上的工装夹具夹持，能够与滑台行走机构8一起沿直线导轨在水平方向上与床身13进行相对运动。
3.液压油源6与液压伺服阀3通过液压管路进行连接，液压油源6为液压伺服阀3提供一定压力和流量的液压油；液压伺服阀3与轴向加载机构5上的液压油缸通过液压管路连接，并通过液压管路向液压油缸的前腔和后腔提供液压油，为液压油缸运动提供驱动力。
4.控制系统1采用通讯电缆与液压伺服控制器2相连，实现控制系统1与液压伺服控制器2之间的数据及控制指令传输。液压伺服控制器2与液压伺服阀3通过控制电缆进行连接，并对液压伺服阀3进行控制。
5.位移传感器12采用光栅尺，光栅尺的标尺光栅固定安装在床身13上，光栅读数头固定安装在滑台行走机构8上。当滑台行走机构8与床身13发生相对移动时，位移传感器12将记录下滑台行走机构8和床身13相对运动位移。位移传感器12的信号电缆与液压伺服控制器2相连，位移传感器12采集到的位移数据将反馈给液压伺服控制器2。
6.压力传感器4安装在轴向加载机构5上的液压油缸的前进腔油路，检测液压油缸前进腔内油压大小；压力传感器7安装在轴向加载机构5上液压油缸的后退腔油路，检测液压油缸后退腔内油压大小；压力传感器4和压力传感器7的信号电缆均与液压伺服控制器2相连，将液压油缸的前进腔和后退腔内的油压反馈给液压伺服控制器2。
7.轴向摩擦焊接分为准备过程和摩擦焊接过程两个阶段。由液压伺服控制器2、液压伺服阀3、轴向加载机构5上的顶锻油缸、压力传感器4、压力传感器7、位移传感器12构成的位置-力控制模式的液压伺服焊接加载系统，将液压伺服控制器设置为力-位置控制模式：
当执行力控制指令时，执行力控制模式，原理如下：液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下，调整液压伺服阀3的开度大小，向顶锻油缸打入液压油，压力传感器4和压力传感器7采集顶锻油缸前进腔和后退腔的油压信号，并将油压数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据顶锻油缸前后腔的液压油压差、油缸面积计算出液压油缸提供的轴向力。在空载条件下，伺服控制器2控制液压伺服阀3驱动轴向加载机构5前进或后退，得到滑台行走机构8空载运行的阻力大小。在轴向摩擦焊过程中，总的轴向焊接力核减滑台行走机构8空载运行阻力，即为轴向轴向加载机构5施加到焊接工件上的力。
当执行位置控制指令时，执行位置控制模式，原理如下：液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下，向顶锻油缸的油腔打油，驱动滑台行走机构8移动，位移传感器12实时采集滑台行走机构8和床身13的相对位移，并将位移数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据位移传感器12反馈的位移数据实时调整液压伺服阀3的开度，在液压伺服位置闭环控制模式下，使滑台行走机构8的位置不断趋于目标值。
针对摩擦焊接准备过程和焊接过程，基于液压伺服阀3构成的顶锻焊接加载系统，实现一种位置控制模式和力控制模式双重模式的摩擦焊接装置：
(1)准备过程：基于液压伺服阀构成的轴向焊接加载系统，准备过程运动过程及控制方式如下：当主轴工件10和尾座工件9装夹完成后，伺服控制器2控制液压伺服阀3进入力控制模式，向轴向加载机构5的液压油缸前进腔供油，轴向加载机构5在液压油的驱动下，以一定数值的推力推动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向运动，直至主轴工件10和尾座工件9接触，主轴工件10和尾座工件9在轴向压力的作用下顶紧保压一定时间，此过程为轴向加载机构5在力控制模式下，推动滑台行走机构8向前运动并进行顶紧保压。在顶紧保压的同时，位移传感器12采集此时移动滑台行走机构8和床身13的相对位移数据，位移传感器12将位置数据反馈给伺服控制器2，位置数据由伺服控制器2传送给控制系统1。顶紧保压结束后，将尾座工件9相对于当前位置向后移动一定距离，该距离由控制系统1设定，使主轴工件10的端面和尾座工件9的端面之间为某一固定尺寸。尾座工件9向后移动并在设定位置停止由液压伺服系统通过位置控制模式实现，其原理为：控制系统1将尾座工件9向后移动的距离传送给伺服控制器2，伺服控制器2根据控制系统1的指令控制液压伺服阀3动作，液压伺服阀3向轴向加载机构5上的液压油缸供油，油缸活塞杆拖动滑台行走机构8移动，同时位移传感器12实时采集滑台行走机构8的位置数据，液压油缸前进腔压力传感器4及后退腔压力传感器7采集液压油缸的前进腔及后退腔的油压，位移数据和液压油缸前后腔的油压数据实时反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据传感器反馈回来的位置数据及液压油缸两腔的压力数据，实时调整液压伺服阀3的开度，控制进入液压油缸前进腔和后退腔的液压油量及油压，最终将液压油缸的活塞杆停止在控制系统1设定的位置，使主轴工件10和尾座工件9之间为某一规定尺寸。由于伺服控制器2控制液压伺服阀3实时调整了液压油缸的液压油流量和压力，使的液压油缸在停止时具有很小的液压冲击，停止的位置精度高。在滑台行走机构8向后运动过程停止后，依然受到液压伺服系统位置控制模式的控制，液压伺服阀3对液压油缸前后腔的液压流量和压力进行实时调整，实现对主轴工件10和尾座工件9之间的间距进行精确控制。
(2)摩擦焊接过程：当尾座工件9后退到设定位置后，焊接准备过程结束，进入摩擦焊接过程：当尾座工件9后退停止后，主轴系统11带动主轴工件10旋转，同时轴向加载机构5拖动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向移动。摩擦焊接加载过程一般分为二至三个阶段，轴向加载机构5为每个焊接阶段提供相应的焊接力，具体原理为：控制系统1根据工艺要求，将每个加载阶段需要的焊接力数据传输给伺服控制器2，伺服控制器2采用力模式控制液压伺服阀3输出的液压油流量及油压，并将滑台行走机构8空载运行的轴向阻力核减掉，使轴向加载机构5上的液压油缸提供的焊接力最大限度的与设定值接近，通过油缸前进腔压力传感器4和后退腔压力传感器7反馈的数据，对液压油缸输出的轴向焊接力进行闭环控制，控制不同焊接加载阶段焊接力阶跃的超调量、阶跃响应时间及焊接力稳定后的精度。液压伺服系统采用力模式提供的焊接力作于整个摩擦焊接过程直至顶锻焊接保压过程结束。
本发明装置效果
采用上述装置方案，本发明由液压伺服控制器2、液压伺服阀3、轴向加载机构5、压力传感器4、压力传感器7、位移传感器12等构成的位置-力控制模式的液压伺服焊接加载系统，将液压伺服控制器设置为力-位置控制模式：
当执行力控制模式时，液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下，调整阀的开度大小，向顶锻油缸打入液压油，压力传感器4和压力传感器7采集顶锻油缸前进腔和后退腔的油压信号，并将油压数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据顶锻油缸前腔和后腔的液压油压差、油缸面积计算出顶锻油缸提供的轴向力。在空载条件下，伺服控制器2控制液压伺服阀3驱动轴向加载机构5前进或后退，得到滑台行走机构5空载运行的阻力大小。在轴向摩擦焊过程中，总的轴向焊接力核减滑台行走机构5空载运行阻力，即为轴向轴向加载机构5施加到焊接工件上的力。在摩擦焊接过程中采用力控制，可以精确控制加载到工件上的轴向焊接力精度。由于摩擦焊为固相热压焊，加载到工件表面的轴向焊接力对焊接接头性能、焊接变形量控制具有重要影响，因此通过力模式对加载到工件表面的轴向力进行精确控制，有利于保证摩擦焊接质量。
当执行位置控制模式，液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下，向顶锻油缸的油腔打油，驱动滑台行走机构8移动，位移传感器12实时采集滑台行走机构8和床身13的相对位移，并将位移数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据位移传感器12反馈的位移数据实时调整液压伺服阀3的开度，在液压伺服位置闭环控制模式下，使滑台行走机构8的位置不断趋于目标值。在摩擦焊接准备过程及摩擦焊接过程中，采用位置控制模式可以实现主轴工件10和尾座工件9之间的间距精确调整，在焊接过程中精确采集焊接位移数据，实现对焊接过程中位移数据的精确监测。
通过力控制模式和位置控制模式的，极大提高了焊接过程中加载到工件表面上的焊接力精度，以及准备过程中焊接工件之间的位置精度。根据摩擦焊接工艺过程特点，将轴向摩擦焊接加载力控制模式和位置控制模式恰当的应用于焊接过程的各个阶段中，实现高精度焊接力和高精度位移控制的轴向摩擦焊接过程。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
图2为本发明的工艺原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置，其特征是：由液压伺服控制器2、液压伺服阀3、轴向加载机构5、压力传感器4、压力传感器7、位移传感器12构成的位置-力控制模式的液压伺服焊接加载系统。
主轴系统11固定安装在床身13上，滑台行走机构8下表面安装移动滑块，床身13上表面安装直线导轨，滑台行走机构8通过移动滑块与直线导轨构间接与床身13相连；轴向加载机构5固定安装在床身13上；轴向加载机构5上安装了液压油缸，液压油缸活塞杆与移动滑台行走机构8固定连接；主轴工件10由主轴系统11上的工装夹具夹持，尾座工件9由滑台行走机构8上的工装夹具夹持；液压油源6与液压伺服阀3通过液压管路进行连接，液压伺服阀3与轴向加载机构5上的液压油缸通过液压管路连接，并通过液压管路向液压油缸的前腔和后腔提供液压油；控制系统1采用通讯电缆与液压伺服控制器2相连，实现控制系统1与液压伺服控制器2之间的数据及控制指令传输，液压伺服控制器2与液压伺服阀3通过控制电缆进行连接，并对液压伺服阀3进行控制；位移传感器12采用光栅尺，光栅尺的标尺光栅固定安装在床身13上，光栅读数头固定安装在滑台行走机构8上，位移传感器12的信号电缆与液压伺服控制器2相连，位移传感器12采集到的位移数据将反馈给液压伺服控制器2；压力传感器4安装在轴向加载机构5上的液压油缸的前进腔油路，检测液压油缸前进腔内油压大小；压力传感器7安装在轴向加载机构5上液压油缸的后退腔油路，检测液压油缸后退腔内油压大小；压力传感器4和压力传感器7的信号电缆均与液压伺服控制器2相连，将液压油缸的前进腔和后退腔内的油压反馈给液压伺服控制器2。
如图2所示，一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下调整开度大小，开度大小从0到100％，液压伺服阀3通过油路与向轴向加载机构5连接，并向轴向加载机构5上的顶锻油缸打入液压油；压力传感器4和压力传感器7分别采集顶锻油缸前进腔和后退腔的油压信号，并将油压数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据轴向加载机构上的油缸前进腔和后退腔的液压油压差、油缸面积计算出液压油缸提供的轴向力，核减轴向加载机构5空载运行阻力，即为轴向焊接轴向加载机构5施加到焊接工件上的力；当执行位置控制模式时，液压伺服阀3在伺服控制器2的控制下向顶锻油缸的油腔打油，驱动滑台行走机构8移动，位移传感器12实时采集滑台行走机构8和床身13的相对位移，并将位移数据反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据位移传感器12反馈的位移数据实时调整液压伺服阀3的开度，在液压伺服位置闭环控制模式下，使滑台行走机构8的位置不断趋于目标值；当执行力控制模式时，控制系统1向伺服控制器2传递控制指令及焊接力等相关数据，伺服控制器2及液压伺服阀3进入力控制模式，伺服控制器2根据力数据大小，调整液压伺服阀的开度大小，控制液压伺服阀3向轴向加载机构5上的油缸前进腔供油，轴向加载机构5在液压油的驱动下，有两种加载选择：一种情况是尾座工件9和主轴工件未接触，液压伺服阀3向轴向加载机构5供油，驱动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向运动，空载驱动力小于控制系统设置的焊接力；另外一种选择是：尾座工件9和主轴工件10接触，伺服控制器2控制液压伺服阀3的开度，向轴向加载机构5打油，使轴向加载机构5输出的力趋于控制系统1设置的目标值。
一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，其特征是：在摩擦焊接准备过程中，当主轴工件10和尾座工件9装夹完成后，伺服控制器2控制液压伺服阀3进入力控制模式，液压伺服阀3向轴向加载机构5上的顶锻油缸前进腔供油，轴向加载机构5在液压油的驱动下，以一定数值的推力推动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向运动，直至主轴工件10和尾座工件9接触，主轴工件10和尾座工件9在轴向压力的作用下顶紧保压一定时间，此过程为轴向加载机构5在力控制模式下推动滑台行走机构8向前运动并进行顶紧保压；在顶紧保压的同时，位移传感器12采集此时移动滑台行走机构8和床身13的相对位移数据，位移传感器12将位置数据反馈给伺服控制器2，由伺服控制器2记录此位置数据并传送给控制系统1，当顶紧保压结束后，在位置控制模式下，控制系统1将尾座工件9向后移动的距离传送给伺服控制器2，伺服控制器2根据控制系统1的指令控制液压伺服阀3动作，液压伺服阀3向轴向加载机构5上的液压油缸供油，油缸活塞杆拖动滑台行走机构8移动，同时位移传感器12实时采集滑台行走机构8的位置数据，压力传感器4及压力传感器7采集液压油缸的前进腔及后退腔的油压，位移数据和液压油缸前后腔的油压数据实时反馈给伺服控制器2，伺服控制器2根据位置数据及油缸两腔的油压数据，实时调整液压伺服阀3的开度，控制进入液压油缸前进腔和后退腔的液压油量及油压，最终将液压油缸的活塞杆停止在控制系统1设定的位置，使主轴工件10和尾座工件9之间为规定尺寸，在滑台行走机构8向后运动过程停止后，依然受到液压伺服系统位置控制模式的控制，液压伺服阀3对液压油缸前后腔的液压流量和压力进行实时调整，实现对主轴工件10和尾座工件9之间的间距进行精确控制；在摩擦焊接过程中，当尾座工件9后退到设定位置后，焊接准备过程结束，进入摩擦焊接过程，主轴系统11带动主轴工件10旋转，同时轴向加载机构5拖动滑台行走机构8及尾座工件9向主轴工件10的方向移动，轴向加载机构5为每个焊接阶段提供相应的焊接力，即控制系统1根据焊接工艺要求，将每个加载阶段需要的焊接力数据传输给伺服控制器2，伺服控制器2采用力模式控制液压伺服阀3输出的液压油流量及油压，并将滑台行走机构8空载运行的轴向阻力核减掉，使轴向加载机构5上的液压油缸提供的焊接力最大限度的与设定值接近，通过油缸前进腔压力传感器4和后退腔压力传感器7反馈的数据，对液压油缸输出的轴向焊接力进行闭环控制，控制不同焊接加载阶段焊接力阶跃的超调量、阶跃响应时间及焊接力稳定后的精度，液压伺服系统采用力模式提供的焊接力作于整个摩擦焊接过程直至顶锻焊接保压过程结束。
Claims (3)
1.一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置，其特征是：由液压伺服控制器(2)、液压伺服阀(3)、轴向加载机构(5)、压力传感器(4)、压力传感器(7)、位移传感器(12)构成的位置力控制模式的液压伺服焊接加载系统，主轴系统(11)固定安装在床身(13)上，滑台行走机构(8)下表面安装移动滑块，床身(13)上表面安装直线导轨，滑台行走机构(8)通过移动滑块与直线导轨构间接与床身(13)相连；轴向加载机构(5)固定安装在床身(13)上；轴向加载机构(5)上安装了液压油缸，液压油缸活塞杆与移动滑台行走机构(8)固定连接；主轴工件(10)由主轴系统(11)上的工装夹具夹持，尾座工件(9)由滑台行走机构(8)上的工装夹具夹持；液压油源(6)与液压伺服阀(3)通过液压管路进行连接，液压伺服阀(3)与轴向加载机构(5)上的液压油缸通过液压管路连接，并通过液压管路向液压油缸的前腔和后腔提供液压油；控制系统(1)采用通讯电缆与液压伺服控制器(2)相连，实现控制系统(1)与液压伺服控制器(2)之间的数据及控制指令传输，液压伺服控制器(2)与液压伺服阀(3)通过控制电缆进行连接，并对液压伺服阀(3)进行控制；位移传感器(12)采用光栅尺，光栅尺的标尺光栅固定安装在床身(13)上，光栅读数头固定安装在滑台行走机构(8)上，位移传感器(12)的信号电缆与液压伺服控制器(2)相连，位移传感器(12)采集到的位移数据将反馈给液压伺服控制器(2)；压力传感器(4)安装在轴向加载机构(5)上的液压油缸的前进腔油路，检测液压油缸前进腔内油压大小；压力传感器(7)安装在轴向加载机构(5)上液压油缸的后退腔油路，检测液压油缸后退腔内油压大小；压力传感器(4)和压力传感器(7)的信号电缆均与液压伺服控制器(2)相连，将液压油缸的前进腔和后退腔内的油压反馈给液压伺服控制器(2)。
2.一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，其特征是：液压伺服阀(3)在伺服控制器(2)的控制下调整开度大小，开度大小从0到100％，液压伺服阀(3)通过油路与向轴向加载机构(5)连接，并向轴向加载机构(5)上的顶锻油缸打入液压油；压力传感器(4)和压力传感器(7)分别采集顶锻油缸前进腔和后退腔的油压信号，并将油压数据反馈给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据轴向加载机构上的油缸前进腔和后退腔的液压油压差、油缸面积计算出液压油缸提供的轴向力，核减轴向加载机构(5)空载运行阻力，即为轴向焊接轴向加载机构(5)施加到焊接工件上的力；当执行位置控制模式时，液压伺服阀(3)在伺服控制器(2)的控制下向顶锻油缸的油腔打油，驱动滑台行走机构(8)移动，位移传感器(12)实时采集滑台行走机构(8)和床身(13)的相对位移，并将位移数据反馈给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据位移传感器(12)反馈的位移数据实时调整液压伺服阀(3)的开度，在液压伺服位置闭环控制模式下，使滑台行走机构(8)的位置不断趋于目标值；当执行力控制模式时，控制系统(1)向伺服控制器(2)传递控制指令及焊接力等相关数据，伺服控制器(2)及液压伺服阀(3)进入力控制模式，伺服控制器(2)根据力数据大小，调整液压伺服阀的开度大小，控制液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)上的油缸前进腔供油，轴向加载机构(5)在液压油的驱动下，有两种加载选择：一种情况是尾座工件(9)和主轴工件未接触，液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)供油，驱动滑台行走机构(8)及尾座工件(9)向主轴工件(10)的方向运动，空载驱动力小于控制系统设置的焊接力；另外一种选择是：尾座工件(9)和主轴工件(10)接触，伺服控制器(2)控制液压伺服阀(3)的开度，向轴向加载机构(5)打油，使轴向加载机构(5)输出的力趋于控制系统(1)设置的目标值。
3.根据权利要求2所述的一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，其特征是：在摩擦焊接准备过程中，当主轴工件(10)和尾座工件(9)装夹完成后，伺服控制器(2)控制液压伺服阀(3)进入力控制模式，液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)上的顶锻油缸前进腔供油，轴向加载机构(5)在液压油的驱动下，以一定数值的推力推动滑台行走机构(8)及尾座工件(9)向主轴工件(10)的方向运动，直至主轴工件(10)和尾座工件(9)接触，主轴工件(10)和尾座工件(9)在轴向压力的作用下顶紧保压一定时间，此过程为轴向加载机构(5)在力控制模式下推动滑台行走机构(8)向前运动并进行顶紧保压；在顶紧保压的同时，位移传感器(12)采集此时移动滑台行走机构(8)和床身(13)的相对位移数据，位移传感器(12)将位置数据反馈给伺服控制器(2)，由伺服控制器(2)记录此位置数据并传送给控制系统(1)，当顶紧保压结束后，在位置控制模式下，控制系统(1)将尾座工件(9)向后移动的距离传送给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据控制系统(1)的指令控制液压伺服阀(3)动作，液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)上的液压油缸供油，油缸活塞杆拖动滑台行走机构(8)移动，同时位移传感器(12)实时采集滑台行走机构(8)的位置数据，压力传感器(4)及压力传感器(7)采集液压油缸的前进腔及后退腔的油压，位移数据和液压油缸前后腔的油压数据实时反馈给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据位置数据及油缸两腔的油压数据，实时调整液压伺服阀(3)的开度，控制进入液压油缸前进腔和后退腔的液压油量及油压，最终将液压油缸的活塞杆停止在控制系统(1)设定的位置，使主轴工件(10)和尾座工件(9)之间为规定尺寸，在滑台行走机构(8)向后运动过程停止后，依然受到液压伺服系统位置控制模式的控制，液压伺服阀(3)对液压油缸前后腔的液压流量和压力进行实时调整，实现对主轴工件(10)和尾座工件(9)之间的间距进行精确控制；在摩擦焊接过程中，当尾座工件(9)后退到设定位置后，焊接准备过程结束，进入摩擦焊接过程，主轴系统(11)带动主轴工件(10)旋转，同时轴向加载机构(5)拖动滑台行走机构(8)及尾座工件(9)向主轴工件(10)的方向移动，轴向加载机构(5)为每个焊接阶段提供相应的焊接力，即控制系统(1)根据焊接工艺要求，将每个加载阶段需要的焊接力数据传输给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)采用力模式控制液压伺服阀(3)输出的液压油流量及油压，并将滑台行走机构(8)空载运行的轴向阻力核减掉，使轴向加载机构(5)上的液压油缸提供的焊接力最大限度的与设定值接近，通过油缸前进腔压力传感器(4)和后退腔压力传感器(7)反馈的数据，对液压油缸输出的轴向焊接力进行闭环控制，控制不同焊接加载阶段焊接力阶跃的超调量、阶跃响应时间及焊接力稳定后的精度，液压伺服系统采用力模式提供的焊接力作于整个摩擦焊接过程直至顶锻焊接保压过程结束。
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