CN109676239A - 焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置及其摩擦焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置及其摩擦焊接工艺，能够实现压力开环及压力闭环控制交互作用的轴向摩擦焊接功能。本发明针对基于电液伺服阀9构成的顶锻摩擦焊接加载系统，在焊前准备过程、三级摩擦焊接过程和焊后辅助过程中，通过电液伺服阀9以压力开环和压力闭环控制交互作用向顶锻油缸7供油，完成轴向摩擦焊接过程。压力开环控制解决移动滑台5空载前进过程中顶锻油缸7前进腔油压过高问题，压力闭环控制模式使三级焊接压力精确可控。通过两种控制模式的交互作用有效保证焊接质量，提高设备使用寿命。
Description
技术领域：
本发明涉及一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置及其摩擦焊接工艺。
背景技术：
轴向摩擦焊机主要包括焊接工件夹紧机构、动力系统、主轴系统、传动机构以及顶锻加载机构等。其中顶锻焊接加载系统作为轴向摩擦焊接关键执行机构，其加载特性对摩擦焊接质量及焊机使用寿命具有直接影响。轴向焊接加载力以液压驱动力作为主要加载方式，目前液压比例阀或液压伺服阀在轴向摩擦焊机中具有广泛应用，其提供液压驱动力的方式如下：
(1)液压比例阀供油方式：液压油源输出的液压油进入液压比例阀，液压油油压经过调整后通过换向阀输出给顶锻油缸，并根据焊接过程需要，换向阀将液压油输出给顶锻油缸的前进腔或后退腔，压力传感器采集顶锻油缸前进腔的油压信号。在焊接过程中，焊机控制系统输出的电信号控制液压比例阀输出的油压大小，进而控制顶锻焊接加载系统输出的焊接力。采用液压比例阀能够实现焊接压力在线、无级调整。
(2)液压伺服阀供油方式：在由液压伺服阀构成的顶锻焊接加载系统中，液压系统油源、液压伺服阀和顶锻油缸构成顶锻焊接加载系统的液压加载回路，压力传感器采集顶锻油缸的前进腔和后退腔的油压信号。液压系统的油源向液压伺服阀供油，液压伺服阀在电信号的控制下对输出油压进行调整，为顶锻焊接加载系统提供所需的焊接力。与液压比例阀供油方式相比，液压伺服阀供油方式除了能够实现对输出的液压油油压进行在线调整，还能够调整液压油的方向，进而控制顶锻油缸的运动方向。
综上所述，基于以上两种供油方式的轴向摩擦焊机，顶锻焊接加载过程具有以下装置特性：
(1)液压油油压在控制系统的控制下，可提供焊接过程所需的焊接压力，在系统油压范围内，可实现顶锻焊接油路油压无级调压；
(2)能够实现油压的稳定输出；
基于这两种供油方式生产的轴向摩擦焊机具有如下装置不足：
(1)当油压系统油源压力较高，液压比例阀输出某一设定值力驱动移动滑台空载前进时，由于移动滑台空载前进负载小，顶锻油缸建立不起压力，致使压力传感器检测到的油压值低于比例阀设定值，将使液压比例阀扩大其开度，加大液压油的输出量及压力，进而导致在顶锻油缸空载前进时，油缸前进腔具有较高的油压。在顶锻油缸后退时，由于压力传感器采集的是油缸前进腔的油压信号，在油缸后退时，压力传感器反馈给控制系统的压力信号很小，这将导致控制器提高输出信号大小，加大油压比例阀的开度，提高顶锻油缸后退腔的油压。
(2)采用液压伺服阀向顶锻焊接加载系统供油，与油压比例阀同样存在滑台空载运行时顶锻油缸前进腔油压过高的问题。
在移动滑台空载前进过程中，顶锻油缸前进腔油压过高将对主轴系统正常运行造成影响，甚至导致设备故障，具体原因如下：为了保证主轴系统的轴向承载力，主轴系统安装推力轴承1和推力轴承2两列推力轴承共同承载焊接过程中的轴向力，其中推力轴承1固定安装在主轴系统内，推力轴承2浮动安装，由主轴系统内的平衡油缸提供承载力。平衡油缸与顶锻油缸的前进腔相通，平衡油缸根据顶锻油缸提供的油压，给推力轴承2提供承载力，在平衡油缸的作用下，使推力轴承1和推力轴承2协调作用，满足主轴系统对轴向焊接力的承载要求。当顶锻油缸油路采用液压比例阀或液压伺服阀时，移动滑台空载前进使顶锻油缸前进腔即平衡油缸油压过高的情况时，且两被焊工件尚未接触，推力轴承1尚未受力，主轴在平衡油缸的作用下将发生轴向窜动，如图1所示，使主轴系统内的辅助轴承的推力轴承3承受过高的轴向力，超出轴承3的承载力范围，使轴承烧毁，导致设备故障。
发明内容
本发明所要解决的装置问题是提供一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置，以克服现有装置存在的不足。本发明的技术方案为：一种轴向摩擦焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置，由传动装置1、主轴系统2、主轴夹具3、尾座夹具4、移动滑台5、滑块5.1、床身6、直线导轨6.1、顶锻油缸7、液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10和压力传感器11构成；主轴系统2固定安装在床身6上，顶锻油缸7固定安装在主轴系统2上，顶锻油缸7的活塞杆与移动滑台5通过螺母连接，移动滑台5通过螺栓固定安装滑块5.1上，移动滑台5通过直线导轨6.1和配装的滑块5.1组成的直线运动副与床身6相连，顶锻油缸7与移动滑台5通过螺纹螺母连接，移动滑台5沿床身6做直线往复运动；尾座夹具4安装在移动滑台5上，尾座工件安装在尾座夹具4内，主轴夹具3安装在主轴系统2上，传动装置1输出端连接主轴系统2，主轴系统2输出端连接主轴夹具3，主轴工件安装在主轴夹具3内，电液伺服阀9安装在液压油源8上，液压油源8输出液压油通过液压阀连接电液伺服阀9，电液伺服阀9的出油口A与顶锻油缸7的前进腔相通，电液伺服阀9的出油口A与主轴系统1内部的平衡油缸进油腔相通，电液伺服阀9的回油口B与顶锻油缸7的后退腔相通，电液伺服阀9出油口A油路上安装有压力传感器11。
本发明另一发明目的为提供一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接工艺，有效避免了基于电液伺服阀控制的摩擦焊接过程出现的辅助轴承过载问题，控制液压油产热问题，并有效提高轴向摩擦焊接质量。本发明技术方案是：一种轴向摩擦焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置，采集电液伺服阀9出油口及顶锻油缸7前进腔的压力，并将压力信号反馈给控制系统10，为顶锻油缸7油压控制提供反馈信号；在传动装置1、主轴系统2和主轴夹具3的驱动下，主轴工件实现旋转；在液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10、压力传感器11、顶锻油缸7、移动滑台5和移动滑台夹具4的控制及驱动下，尾座工件相对床身6实现直线相对运动，旋转的主轴工件和直线运动的尾座工件在顶锻油缸7提供的轴向焊接压力作用下，相互摩擦并实现轴向摩擦焊接；实现轴向摩擦焊接过程包括以下3个阶段：
1)焊接前，移动滑台5退至床身6的尾部，将主轴工件和尾座工件分别装夹在主轴夹具3和尾座夹具4内；焊接工件装夹完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下拖动移动滑台5及尾座工件向前运动，控制系统10向电液伺服阀9传送开环控制命令和开环压力数据，开环压力数据为电压信号，开环压力数据与电液伺服阀9的开度相对应，在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据给定的压力信号大小确定一定的开度，使一定压力值的液压油进入顶锻油缸7的前进腔，驱动移动滑台5前进，在移动滑台5空载前进过程中，由于电液伺服阀9的开度固定，顶锻油缸7提供的液压驱动力控制在一定值之内，在压力开环控制模式下，顶锻油缸7一直驱动移动滑台5前进，直到主轴工件和尾座工件相接触，在开环压力控制下，主轴工件和尾座工件顶紧保压一定时间，确保主轴工件和尾座工件装夹到位，在移动滑台5空载前进和顶紧保压阶段，压力传感器11采集的油压信号不参与压力控制；焊接工件顶紧保压完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据控制系统10设定的压力开环控制信号开启，让液压油进入顶锻油缸7的后退腔，推动移动滑台5后退，后退到设定位置时，移动滑台5后退停止；移动滑台5后退停止后，传动装置1将带动主轴系统2、主轴夹具3和主轴工件旋转，当主轴转速到达设定转速后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下驱动移动滑台5及尾座工件前进，在主轴工件和尾座工件未接触前，即滑台空载前进过程中，顶锻油缸前进腔油压保持某一固定值，即主轴系统2内的平衡油缸的进油腔保持某一固定值；当主轴工件和尾座工件在压力开环控制模式作用下接触；
2)进入三级摩擦焊接过程；三级摩擦焊接过程中，顶锻油缸7由压力开环控制进入压力闭环控制模式，主轴工件和尾座工件接触后，进入一级摩擦焊接过程，控制系统10根据焊接工艺要求向电液伺服阀9传输一级焊接压力控制命令和一级焊接压力数据，电液伺服阀9根据一级压力数据大小，调整电液伺服阀9开度大小，让液压油进入顶锻焊接油缸7的前进腔，同时压力传感器11将实时采集到的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据压力传感器11采集的压力数据对电液伺服阀9的开度进行实时调整，一方面保证顶锻油缸7的前进腔压力尽快达到一级焊接压力设定值，另一方面使压力趋于平稳，一级摩擦焊接过程采用时间控制，当一级摩擦焊接时间到时，焊接过程进入二级摩擦焊接过程，控制系统10向电液伺服阀9传输二级焊接压力控制命令和二级焊接压力数据，电液伺服阀9根据二级焊接压力大小调整开度，使进入顶锻焊接油缸7的液压油油压升高，压力传感器11将采集到的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据压力传感器11反馈回来的压力数据以及电液伺服阀9的开度、液压油速度等参数，进行闭环压力控制，使顶锻油缸7提供的压力迅速趋近二级焊接压力，并保持二级焊接压力值稳定，二级焊接过程采用位移控制方式，当二级焊接位移即二级焊接变形量达到设定值后，传动装置1停止对主轴系统2的能量输入，顶锻油缸7继续驱动移动滑台5前进，焊接压力由二级焊接压力提高至顶锻焊接压力，程序进入顶锻焊接过程；当程序进入顶锻焊接过程后，控制系统10向电液伺服阀9传输顶锻压力控制命令和控制数据，电液伺服阀9根据当前自身的开度、压力传感器11反馈回来的压力大小、顶锻压力大小进行调整，使二级焊接压力阶跃为顶锻焊接压力；顶锻焊接过程为时间控制，当顶锻保压时间到，顶锻焊接过程结束，即三级摩擦焊接过程结束；
3)进入焊后辅助过程；顶锻保压结束后，主轴夹具3在液压驱动力作用下松开，顶锻油缸7由压力闭环控制模式转变为压力开环控制模式，控制系统10将压力开环控制命令和控制数据传输给电液伺服阀9，电液伺服阀9执行压力开环控制模式，并根据控制数据大小调整开度大小，并向顶锻油缸7的后退腔输出某一压力值的液压油，驱动移动滑台5后退，直至到达机床零点为止，后退过程结束，尾座夹具4松开，取出焊接工件，焊接过程结束；在摩擦焊接过程准备阶段、三级摩擦焊接阶段和焊接结束移动滑台5后退三个不同阶段，顶锻油缸7处于由控制系统10、电液伺服阀9、压力传感器11构成的压力开环控制和压力闭环控制模式的交互作用下；在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据控制系统10的控制命令和控制数据，打开固定的开度，向顶锻油缸7输出某一固定压力的液压油，压力传感器11不参与开环控制，压力开环控制模式作用在移动滑台空载前进、顶紧和空载后退过程，在移动滑台5空载前进和空载后退过程中，顶锻油缸7前进腔或后退腔内的液压油油压控制在这一固定压力范围内；与压力开环控制模式相比，在压力闭环控制模式下，控制系统10向电液伺服阀9传输闭环控制命令及压力控制数据，电液伺服阀9根据压力数据实时调整其开度大小，使输出的液压油压力趋于压力设定值，同时压力传感器11实时将顶锻油缸7的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据顶锻油缸7前进腔实时压力大小，调整电液伺服阀9的开度，压力闭环控制作用于三级摩擦焊接过程。
本发明工作原理
本发明由传动装置1、主轴系统2、主轴夹具3、尾座夹具4、移动滑台5、床身6、顶锻油缸7、液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10和压力传感器11构成，能够实现轴向摩擦焊接功能。
1.主轴系统2固定安装在床身6上，顶锻油缸7固定安装在主轴系统上，顶锻油缸7的活塞杆与移动滑台5通过螺母连接，移动滑台5通过直线导轨和滑块组成的直线运动副与床身6相连，顶锻油缸7在液压油的驱动下，拖动移动滑台5沿床身6做直线往复运动。
2.尾座夹具4安装在移动滑台5上，当顶锻油缸7拖动移动滑台5运动时，即拖动尾座夹具4沿床身6做直线相对运动。轴向摩擦焊接时，尾座工件安装在尾座夹具4内，在顶锻油缸7的拖动下可沿床身6做直线往复运动。
3.主轴夹具3安装在主轴系统2上，传动装置1传递电机动能，带动主轴系统2旋转，进而带动主轴夹具3旋转，主轴工件安装在主轴夹具3内，在传动装置1、主轴系统2和主轴夹具3的共同作用下把电机动能传递过来，带动主轴工件旋转。
4.电液伺服阀9安装在液压油源8上，液压油源8输出的液压油通过液压阀调压、调速后输送给电液伺服阀9，电液伺服阀9的出油口A与顶锻油缸7的前进腔以及主轴系统1内部的平衡油缸进油腔相通，电液伺服阀9的回油口B与顶锻油缸7的后退退腔相通，电液伺服阀9根据控制系统10的要求，将液压油打到顶锻油缸7前进腔或后退腔里，控制顶锻油缸7的活塞杆的动作。
5.控制系统10根据焊接工艺要求，向电液伺服阀9发送控制命令和控制数据，控制电液伺服阀9动作，使电液伺服阀9向顶锻油缸7输出液压油，电液伺服阀9出油口A油路上安装有压力传感器11，可以实时采集电液伺服阀9出油口及顶锻油缸7前进腔的压力，并将压力信号反馈给控制系统10，为顶锻油缸7油压控制提供反馈信号。
6.在传动装置1、主轴系统2和主轴夹具3的驱动下，主轴工件实现旋转；在液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10、压力传感器11、顶锻油缸7、移动滑台5和移动滑台夹具4的控制及驱动下，尾座工件相对床身6实现直线相对运动；旋转的主轴工件和直线运动的尾座工件在顶锻油缸7提供的轴向焊接压力作用下，相互摩擦，可实现轴向摩擦焊接。
7.实现轴向摩擦焊接过程包括以下几个阶段：
1)主轴工件装夹和尾座工件装夹：焊接前，移动滑台5退至床身6的尾部(为主轴工件和尾座工件装夹留出安装空间)，将主轴工件和尾座工件分别装夹在主轴夹具3和尾座夹具4内。
2)焊接工件装夹完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下拖动移动滑台5及尾座工件向前运动，具体工作原理如下：操作人员在控制系统10上设定压力开环控制信号大小，开环控制信号为电压信号，其大小为一固定范围值，并与电液伺服阀9的开度相对应，例如控制信号的范围为0-10V，对应电液伺服阀9的开度为0-100％。在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据给定的控制信号大小确定一定的开度，使一定压力的液压油进入顶锻油缸7的前进腔，驱动移动滑台5前进。在移动滑台5空载前进过程中，由于电液伺服阀9的开度固定，顶锻油缸7提供的液压驱动力为某一固定值，不会出现背景装置中提到的移动滑台5空载前进出现的油压升高问题。在压力开环控制模式下，顶锻油缸7一直驱动移动滑台5前进，直到主轴工件和尾座工件相接触，在开环压力控制下，主轴工件和尾座工件顶紧保压一定时间，确保主轴工件和尾座工件装夹到位，在移动滑台5空载前进和顶紧保压阶段，压力传感器11采集的油压信号不参与压力控制。
3)焊接工件顶紧保压完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下，驱动移动滑台5向后运动一定距离后停止，具体原理为：电液伺服阀9根据控制系统10设定的压力开环控制信号，打开一定的开度，让液压油进入顶锻油缸7的后退腔，推动移动滑台5后退，后退到设定位置时，移动滑台5后退停止。
4)移动滑台5后退停止后，传动装置1将带动主轴系统2、主轴夹具3和主轴工件旋转，当主轴转速到达设定转速后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下驱动移动滑台5及尾座工件前进，在主轴工件和尾座工件未接触前，即滑台空载前进过程中，顶锻油缸前进腔油压保持某一固定值，即主轴系统2内的平衡油缸的进油腔保持某一固定值。当主轴工件和尾座工件在压力开环控制模式作用下接触后，进入三级摩擦焊接过程。
5)三级摩擦焊接过程中，顶锻油缸7由压力开环控制进入压力闭环控制模式，驱动移动滑台5前进，具体工作原理如下：主轴工件和尾座工件接触后，进入一级摩擦焊接过程，控制系统10根据焊接工艺要求向电液伺服阀9传输一级焊接压力控制命令和一级焊接压力数据，电液伺服阀9根据一级压力数据大小，调整开度大小，让液压油进入顶锻焊接油缸7的前进腔，同时压力传感器11将实时采集到的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据压力传感器11采集的压力数据对电液伺服阀9的开度进行实时调整，一方面保证顶锻油缸7的前进腔压力尽快达到一级焊接压力设定值，另一方面使压力趋于平稳。一级摩擦焊接过程采用时间控制，当一级摩擦焊接时间到时，焊接过程进入二级摩擦焊接过程，控制系统10向电液伺服阀9传输二级焊接压力控制命令和二级焊接压力数据，电液伺服阀9根据二级焊接压力大小调整开度，使进入顶锻焊接油缸7的液压油油压升高，压力传感器11将采集到的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据压力传感器11反馈回来的压力数据以及电液伺服阀9的开度、液压油速度等参数，进行闭环压力控制，使顶锻油缸7提供的压力迅速趋近二级焊接压力，并保持二级焊接压力值稳定。二级焊接过程采用位移控制方式，当二级焊接位移即二级焊接变形量达到设定值后，传动装置1停止对主轴系统2的能量输入，顶锻油缸7继续驱动移动滑台5前进，焊接压力由二级焊接压力提高至顶锻焊接压力，程序进入顶锻焊接过程。当程序进入顶锻焊接过程后，控制系统10向电液伺服阀9传输顶锻压力控制命令和控制数据，电液伺服阀9根据当前自身的输出参数(如开度、液压油流速等)、压力传感器11反馈回来的压力大小、顶锻压力大小进行调整，使二级焊接压力阶跃为顶锻焊接压力。顶锻焊接过程为时间控制，当顶锻保压时间到，顶锻焊接过程结束，即三级摩擦焊接过程结束，进入焊后辅助过程。
6)顶锻保压结束后，主轴夹具3在液压驱动力作用下松开，顶锻油缸7由压力闭环控制模式转变为压力开环控制模式，驱动移动滑台5后退，具体过程如下：控制系统10将压力开环控制命令和控制数据传输给电液伺服阀9，电液伺服阀9执行压力开环控制模式，并根据控制数据大小调整开度大小，并向顶锻油缸7的后退腔输出某一压力值的液压油，驱动移动滑台5后退，直至到达机床零点为止，后退过程结束，尾座夹具4松开，取出焊接工件，焊接过程装置。
在摩擦焊接过程准备阶段、三级摩擦焊接阶段和焊接结束移动滑台5后退三个不同阶段，顶锻油缸7处于由控制系统10、电液伺服阀9、压力传感器11构成的压力开环控制和压力闭环控制模式的交互作用下。在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据控制系统10的控制命令和控制数据，打开固定的开度，向顶锻油缸7输出某一固定压力的液压油，压力传感器11不参与开环控制，压力开环控制模式作用在移动滑台空载前进、顶紧和空载后退过程，在移动滑台5空载前进和空载后退过程中，顶锻油缸7前进腔或后退腔内的液压油油压控制在这一固定压力范围内；与压力开环控制模式相比，在压力闭环控制模式下，控制系统10向电液伺服阀9传输闭环控制命令及压力控制数据，电液伺服阀9根据压力数据实时调整其开度大小，使输出的液压油压力趋于压力设定值，同时压力传感器11实时将顶锻油缸7的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据顶锻油缸7前进腔实时压力大小，调整电液伺服阀9的开度，压力闭环控制作用于三级摩擦焊接过程。
本发明技术效果
采用上述装置方案，将压力闭环控制模式及开环控制模式交互作用应用于轴向摩擦焊接过程中，将实现如下装置效果：
一、针对基于电液伺服阀9构成的顶锻摩擦焊接加载系统以及图1所示的轴向摩擦焊机主轴系统，解决轴向摩擦焊接过程移动滑台5空载前进过程中顶锻油缸7前进腔(即平衡油缸进油腔)油压过高问题。通过有效控制空载前进过程中顶锻油缸7前进腔油压，有效防止移动滑台5在空载前进过程中主轴发生轴向窜动，进而保证主轴系统内的辅助轴承不发生过载受力情况，保证轴承的寿命，降低设备的故障率。
二、通过压力开环控制模式及闭环控制模式的交互作用，使摩擦焊接辅助过程(移动滑台前进、后退)和三级摩擦焊接过程顺利进行，能够有效降低移动滑台空载前进、后退过程中液压油温升问题，提高电液伺服阀9及液压密封原件的使用寿命。
三、通过压力闭环控制模式用于三级摩擦焊接过程，使三级焊接压力精确可控，一方面使顶锻油缸7提供的轴向焊接力迅速阶跃至三级摩擦焊接压力目标值，另一方面使压力迅速趋于稳定，有效保证焊接质量。
本申请装置效果实现体现在摩擦焊接焊前、焊后辅助过程和焊接过程：
1)当主轴工件和尾座工件装夹完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下拖动移动滑台5及尾座工件向前运动，控制系统10向电液伺服阀9传送压力开环控制命令和压力数据，电液伺服阀9根据给定的压力数据大小打开固定大小的开度，使一定压力的液压油进入顶锻油缸7的前进腔，驱动移动滑台5前进。由于电液伺服阀9的开度固定，顶锻油缸7前进腔的液压油油压不会出现背景装置中提到的移动滑台5空载前进出现的油压升高问题，主轴系统内的平衡油缸进油腔的油压控制在一定范围内，不会是辅助轴承承受过高的轴向力，进而保证其寿命，由于输出油压低，降低油压油产热。
2)焊接工件顶紧保压完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下，驱动移动滑台5向后运动一定距离后停止，顶锻油缸7后退腔内的油压同样会控制在一定范围内，不会出现背景装置中提到的空载运动油压升高问题，电液伺服阀输出的低压力油压油，降低液压油产热。
3)移动滑台5后退停止后，传动装置1将带动主轴系统2、主轴夹具3和主轴工件旋转，当主轴转速到达设定转速后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下驱动移动滑台5及尾座工件前进，在主轴工件和尾座工件未接触前，即滑台空载前进过程中，顶锻油缸前进腔油压保持某一固定值，此过程中顶锻油缸7前进腔液压油压力始终控制在一定压力范围内，有效防止辅助轴承过载问题出现，保证辅助轴承的使用寿命。
4)三级摩擦焊接过程中，采用压力闭环控制，使三级焊接压力精确可控，一方面使顶锻油缸7提供的轴向焊接力迅速阶跃至三级摩擦焊接压力目标值，另一方面使压力迅速趋于稳定，有效保证焊接质量。
5)顶锻保压结束后，顶锻油缸7由压力闭环控制模式转变为压力开环控制模式，驱动移动滑台5后退，顶锻油缸7内液压油压力控制在一定值范围内，防止移动滑台5后退过程中出现油压攀升问题，有利于控制油压油产热。
在摩擦焊接过程准备阶段、三级摩擦焊接阶段和焊接结束移动滑台5后退三个不同阶段，顶锻油缸7处于由控制系统10、电液伺服阀9、压力传感器11构成的压力开环控制和压力闭环控制模式的交互作用下。在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据控制系统10的控制命令和控制数据，打开固定的开度，向顶锻油缸7输出某一固定压力的液压油，压力传感器11不参与开环控制，压力开环控制模式作用在移动滑台空载前进、顶紧和空载后退过程，在移动滑台5空载前进和空载后退过程中，顶锻油缸7前进腔或后退腔内的液压油油压控制在这一固定压力范围内；与压力开环控制模式相比，在压力闭环控制模式下，控制系统10向电液伺服阀9传输闭环控制命令及压力控制数据，电液伺服阀9根据压力数据实时调整其开度大小，使输出的液压油压力趋于压力设定值，同时压力传感器11实时将顶锻油缸7的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据顶锻油缸7前进腔实时压力大小，调整电液伺服阀9的开度，压力闭环控制作用于三级摩擦焊接过程。通过压力开环控制及压力闭环控制的交互作用，有效避免了基于电液伺服阀控制的摩擦焊接过程出现的辅助轴承过载问题，控制液压油产热问题，并有效提高轴向摩擦焊接质量。
附图说明
图1为现有技术摩擦焊机主轴系统示意图。
图2为本发明的原理图。
图3为本发明工艺原理图。
具体实施方式
如图2所示，本发明焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置由传动装置1、主轴系统2、主轴夹具3、尾座夹具4、移动滑台5、床身6、顶锻油缸7、液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10和压力传感器11构成，具体实施方式如下：
主轴系统2固定安装在床身6上，顶锻油缸7固定安装在主轴系统上，顶锻油缸7的活塞杆与移动滑台5通过螺母连接，移动滑台5通过直线导轨和滑块组成的直线运动副与床身6相连，顶锻油缸7在液压油的驱动下，拖动移动滑台5沿床身6做直线往复运动。
尾座夹具4安装在移动滑台5上，当顶锻油缸7拖动移动滑台5运动时，即拖动尾座夹具4沿床身6做直线相对运动。轴向摩擦焊接时，尾座工件安装在尾座夹具4内，在顶锻油缸7的拖动下可沿床身6做直线往复运动。
主轴夹具3安装在主轴系统2上，传动装置1传递电机动能，带动主轴系统2旋转，进而带动主轴夹具3旋转，主轴工件安装在主轴夹具3内，在传动装置1、主轴系统2和主轴夹具3的共同作用下把电机动能传递过来，带动主轴工件旋转。
电液伺服阀9安装在液压油源8上，液压油源8输出的液压油通过液压阀调压、调速后输送给电液伺服阀9，电液伺服阀9的出油口A与顶锻油缸7的前进腔相通以及主轴系统1内部的平衡油缸进油腔相通，电液伺服阀的回油口B与顶锻油缸7的后退退腔相通，电液伺服阀9根据控制系统10的要求，将液压油打到顶锻油缸7前进腔或后退腔里，控制顶锻油缸7的活塞杆的动作。
控制系统10根据焊接工艺要求，向电液伺服阀9发送控制命令和控制数据，控制电液伺服阀9动作，使电液伺服阀9向顶锻油缸7输出液压油，电液伺服阀9出油口A油路上安装有压力传感器11，可以实时采集电液伺服阀9出油口及顶锻油缸7前进腔的压力，并将压力信号反馈给控制系统10，为顶锻油缸7油压控制提供反馈信号。
在传动装置1、主轴系统2和主轴夹具3的驱动下，主轴工件实现旋转；在液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10、压力传感器11、顶锻油缸7、移动滑台5和移动滑台夹具4的控制及驱动下，尾座工件相对床身6实现直线相对运动；旋转的主轴工件和直线运动的尾座工件在顶锻油缸7提供的轴向焊接压力作用下，相互摩擦，可实现轴向摩擦焊接。
一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置：由传动装置1、主轴系统2、主轴夹具3、尾座夹具4、移动滑台5、床身6、顶锻油缸7、液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10和压力传感器11构成；主轴系统2固定安装在床身6上，顶锻油缸7固定安装在主轴系统上，顶锻油缸7的活塞杆与移动滑台5通过螺母连接，移动滑台5通过螺栓固定安装滑块5.1上，通过直线导轨6.1和配装的滑块5.1组成的直线运动副与床身6相连，顶锻油缸7与移动滑台5通过螺纹螺母连接，移动滑台5沿床身6做直线往复运动；尾座夹具4安装在移动滑台5上，尾座工件安装在尾座夹具4内，主轴夹具3安装在主轴系统2上，传动装置1输出端连接主轴系统2，主轴系统2输出端连接主轴夹具3，主轴工件安装在主轴夹具3内，电液伺服阀9安装在液压油源8上，液压油源8输出液压油通过液压阀连接电液伺服阀9，电液伺服阀9的出油口A与顶锻油缸7的前进腔相通，电液伺服阀9的出油口A与主轴系统1内部的平衡油缸进油腔相通，电液伺服阀9的回油口B与顶锻油缸7的后退腔相通，电液伺服阀9出油口A油路上安装有压力传感器11。
一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接工艺：采集电液伺服阀9出油口及顶锻油缸7前进腔的压力，并将压力信号反馈给控制系统10，为顶锻油缸7油压控制提供反馈信号；在传动装置1、主轴系统2和主轴夹具3的驱动下，主轴工件实现旋转；在液压油源8、电液伺服阀9、控制系统10、压力传感器11、顶锻油缸7、移动滑台5和移动滑台夹具4的控制及驱动下，尾座工件相对床身6实现直线相对运动，旋转的主轴工件和直线运动的尾座工件在顶锻油缸7提供的轴向焊接压力作用下，相互摩擦并实现轴向摩擦焊接；实现轴向摩擦焊接过程包括以下3个阶段：
1)焊接前，移动滑台5退至床身6的尾部，将主轴工件和尾座工件分别装夹在主轴夹具3和尾座夹具4内；焊接工件装夹完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下拖动移动滑台5及尾座工件向前运动，控制系统10向电液伺服阀9传送开环控制命令和开环压力数据，开环压力数据为电压信号，其大小为一固定范围值，并与电液伺服阀9的开度相对应，在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据给定的压力信号大小确定一定的开度，使一定压力值的液压油进入顶锻油缸7的前进腔，驱动移动滑台5前进，在移动滑台5空载前进过程中，由于电液伺服阀9的开度固定，顶锻油缸7提供的液压驱动力控制在一定值之内，在压力开环控制模式下，顶锻油缸7一直驱动移动滑台5前进，直到主轴工件和尾座工件相接触，在开环压力控制下，主轴工件和尾座工件顶紧保压一定时间，确保主轴工件和尾座工件装夹到位，在移动滑台5空载前进和顶紧保压阶段，压力传感器11采集的油压信号不参与压力控制；焊接工件顶紧保压完成后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据控制系统10设定的压力开环控制信号开启，让液压油进入顶锻油缸7的后退腔，推动移动滑台5后退，后退到设定位置时，移动滑台5后退停止；移动滑台5后退停止后，传动装置1将带动主轴系统2、主轴夹具3和主轴工件旋转，当主轴转速到达设定转速后，顶锻油缸7在压力开环控制模式下驱动移动滑台5及尾座工件前进，在主轴工件和尾座工件未接触前，即滑台空载前进过程中，顶锻油缸前进腔油压保持某一固定值，即主轴系统2内的平衡油缸的进油腔保持某一固定值；当主轴工件和尾座工件在压力开环控制模式作用下接触；
2)进入三级摩擦焊接过程；三级摩擦焊接过程中，顶锻油缸7由压力开环控制进入压力闭环控制模式，主轴工件和尾座工件接触后，进入一级摩擦焊接过程，控制系统10根据焊接工艺要求向电液伺服阀9传输一级焊接压力控制命令和一级焊接压力数据，电液伺服阀9根据一级压力数据大小，调整电液伺服阀9开度大小，让液压油进入顶锻焊接油缸7的前进腔，同时压力传感器11将实时采集到的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据压力传感器11采集的压力数据对电液伺服阀9的开度进行实时调整，一方面保证顶锻油缸7的前进腔压力尽快达到一级焊接压力设定值，另一方面使压力趋于平稳，一级摩擦焊接过程采用时间控制，当一级摩擦焊接时间到时，焊接过程进入二级摩擦焊接过程，控制系统10向电液伺服阀9传输二级焊接压力控制命令和二级焊接压力数据，电液伺服阀9根据二级焊接压力大小调整开度，使进入顶锻焊接油缸7的液压油油压升高，压力传感器11将采集到的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据压力传感器11反馈回来的压力数据以及电液伺服阀9的开度、液压油速度等参数，进行闭环压力控制，使顶锻油缸7提供的压力迅速趋近二级焊接压力，并保持二级焊接压力值稳定，二级焊接过程采用位移控制方式，当二级焊接位移即二级焊接变形量达到设定值后，传动装置1停止对主轴系统2的能量输入，顶锻油缸7继续驱动移动滑台5前进，焊接压力由二级焊接压力提高至顶锻焊接压力，程序进入顶锻焊接过程；当程序进入顶锻焊接过程后，控制系统10向电液伺服阀9传输顶锻压力控制命令和控制数据，电液伺服阀9根据当前自身的开度、压力传感器11反馈回来的压力大小、顶锻压力大小进行调整，使二级焊接压力阶跃为顶锻焊接压力；顶锻焊接过程为时间控制，当顶锻保压时间到，顶锻焊接过程结束，即三级摩擦焊接过程结束；
3)进入焊后辅助过程；顶锻保压结束后，主轴夹具3在液压驱动力作用下松开，顶锻油缸7由压力闭环控制模式转变为压力开环控制模式，控制系统10将压力开环控制命令和控制数据传输给电液伺服阀9，电液伺服阀9执行压力开环控制模式，并根据控制数据大小调整开度大小，并向顶锻油缸7的后退腔输出某一压力值的液压油，驱动移动滑台5后退，直至到达机床零点为止，后退过程结束，尾座夹具4松开，取出焊接工件，焊接过程结束；在摩擦焊接过程准备阶段、三级摩擦焊接阶段和焊接结束移动滑台5后退三个不同阶段，顶锻油缸7处于由控制系统10、电液伺服阀9、压力传感器11构成的压力开环控制和压力闭环控制模式的交互作用下；在压力开环控制模式下，电液伺服阀9根据控制系统10的控制命令和控制数据，打开固定的开度，向顶锻油缸7输出某一固定压力的液压油，压力传感器11不参与开环控制，压力开环控制模式作用在移动滑台空载前进、顶紧和空载后退过程，在移动滑台5空载前进和空载后退过程中，顶锻油缸7前进腔或后退腔内的液压油油压控制在这一固定压力范围内；与压力开环控制模式相比，在压力闭环控制模式下，控制系统10向电液伺服阀9传输闭环控制命令及压力控制数据，电液伺服阀9根据压力数据实时调整其开度大小，使输出的液压油压力趋于压力设定值，同时压力传感器11实时将顶锻油缸7的压力数据反馈给控制系统10，控制系统10根据顶锻油缸7前进腔实时压力大小，调整电液伺服阀9的开度，压力闭环控制作用于三级摩擦焊接过程。
Claims (2)
1.一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接装置，其特征是：由传动装置(1)、主轴系统(2)、主轴夹具(3)、尾座夹具(4)、移动滑台(5)、滑块(5.1)、床身(6)、直线导轨(6.1)、顶锻油缸(7)、液压油源(8)、电液伺服阀(9)、控制系统(10)和压力传感器(11)构成；主轴系统(2)固定安装在床身(6)上，顶锻油缸(7)固定安装在主轴系统(2)上，顶锻油缸(7)的活塞杆与移动滑台(5)通过螺母连接，移动滑台(5)通过螺栓固定安装滑块(5.1)上，移动滑台(5)通过直线导轨(6.1)和配装的滑块(5.1)组成的直线运动副与床身(6)相连，顶锻油缸(7)与移动滑台(5)通过螺纹螺母连接，移动滑台(5)沿床身(6)做直线往复运动；尾座夹具(4)安装在移动滑台(5)上，尾座工件安装在尾座夹具(4)内，主轴夹具(3)安装在主轴系统(2)上，传动装置(1)输出端连接主轴系统(2)，主轴系统(2)输出端连接主轴夹具(3)，主轴工件安装在主轴夹具(3)内，电液伺服阀(9)安装在液压油源(8)上，液压油源(8)输出液压油通过液压阀连接电液伺服阀(9)，电液伺服阀(9)的出油口A与顶锻油缸(7)的前进腔相通，电液伺服阀(9)的出油口A与主轴系统(1)内部的平衡油缸进油腔相通，电液伺服阀(9)的回油口B与顶锻油缸(7)的后退腔相通，电液伺服阀(9)出油口A油路上安装有压力传感器(11)。
2.一种焊接力闭环控制及开环控制交互作用的摩擦焊接工艺，其特征是：采集电液伺服阀(9)出油口及顶锻油缸7前进腔的压力，并将压力信号反馈给控制系统(10)，为顶锻油缸7油压控制提供反馈信号；在传动装置(1)、主轴系统(2)和主轴夹具(3)的驱动下，主轴工件实现旋转；在液压油源(8)、电液伺服阀(9)、控制系统(10)、压力传感器(11)、顶锻油缸(7)、移动滑台(5)和移动滑台夹具(4)的控制及驱动下，尾座工件相对床身(6)实现直线相对运动，旋转的主轴工件和直线运动的尾座工件在顶锻油缸7提供的轴向焊接压力作用下，相互摩擦并实现轴向摩擦焊接；实现轴向摩擦焊接过程包括以下3个阶段：
1)焊接前，移动滑台(5)退至床身(6)的尾部，将主轴工件和尾座工件分别装夹在主轴夹具(3)和尾座夹具(4)内；焊接工件装夹完成后，顶锻油缸(7)在压力开环控制模式下拖动移动滑台(5)及尾座工件向前运动，控制系统(10)向电液伺服阀(9)传送开环控制命令和开环压力数据，开环压力数据为电压信号，开环压力数据与电液伺服阀(9)的开度相对应，在压力开环控制模式下，电液伺服阀(9)根据给定的压力信号大小确定一定的开度，使一定压力值的液压油进入顶锻油缸(7)的前进腔，驱动移动滑台(5)前进，在移动滑台(5)空载前进过程中，由于电液伺服阀(9)的开度固定，顶锻油缸(7)提供的液压驱动力控制在一定值之内，在压力开环控制模式下，顶锻油缸(7)一直驱动移动滑台(5)前进，直到主轴工件和尾座工件相接触，在开环压力控制下，主轴工件和尾座工件顶紧保压一定时间，确保主轴工件和尾座工件装夹到位，在移动滑台(5)空载前进和顶紧保压阶段，压力传感器(11)采集的油压信号不参与压力控制；焊接工件顶紧保压完成后，顶锻油缸(7)在压力开环控制模式下，电液伺服阀(9)根据控制系统(10)设定的压力开环控制信号开启，让液压油进入顶锻油缸(7)的后退腔，推动移动滑台(5)后退，后退到设定位置时，移动滑台(5)后退停止；移动滑台(5)后退停止后，传动装置(1)将带动主轴系统(2)、主轴夹具(3)和主轴工件旋转，当主轴转速到达设定转速后，顶锻油缸(7)在压力开环控制模式下驱动移动滑台(5)及尾座工件前进，在主轴工件和尾座工件未接触前，即滑台空载前进过程中，顶锻油缸前进腔油压保持某一固定值，即主轴系统(2)内的平衡油缸的进油腔保持某一固定值；当主轴工件和尾座工件在压力开环控制模式作用下接触；
2)进入三级摩擦焊接过程；三级摩擦焊接过程中，顶锻油缸(7)由压力开环控制进入压力闭环控制模式，主轴工件和尾座工件接触后，进入一级摩擦焊接过程，控制系统(10)根据焊接工艺要求向电液伺服阀(9)传输一级焊接压力控制命令和一级焊接压力数据，电液伺服阀(9)根据一级压力数据大小，调整电液伺服阀(9)开度大小，让液压油进入顶锻焊接油缸(7)的前进腔，同时压力传感器(11)将实时采集到的压力数据反馈给控制系统(10)，控制系统(10)根据压力传感器(11)采集的压力数据对电液伺服阀(9)的开度进行实时调整，一方面保证顶锻油缸(7)的前进腔压力尽快达到一级焊接压力设定值，另一方面使压力趋于平稳，一级摩擦焊接过程采用时间控制，当一级摩擦焊接时间到时，焊接过程进入二级摩擦焊接过程，控制系统(10)向电液伺服阀(9)传输二级焊接压力控制命令和二级焊接压力数据，电液伺服阀(9)根据二级焊接压力大小调整开度，使进入顶锻焊接油缸(7)的液压油油压升高，压力传感器(11)将采集到的压力数据反馈给控制系统(10)，控制系统(10)根据压力传感器(11)反馈回来的压力数据以及电液伺服阀(9)的开度、液压油速度等参数，进行闭环压力控制，使顶锻油缸(7)提供的压力迅速趋近二级焊接压力，并保持二级焊接压力值稳定，二级焊接过程采用位移控制方式，当二级焊接位移即二级焊接变形量达到设定值后，传动装置(1)停止对主轴系统(2)的能量输入，顶锻油缸(7)继续驱动移动滑台(5)前进，焊接压力由二级焊接压力提高至顶锻焊接压力，程序进入顶锻焊接过程；当程序进入顶锻焊接过程后，控制系统(10)向电液伺服阀(9)传输顶锻压力控制命令和控制数据，电液伺服阀(9)根据当前自身的开度、压力传感器(11)反馈回来的压力大小、顶锻压力大小进行调整，使二级焊接压力阶跃为顶锻焊接压力；顶锻焊接过程为时间控制，当顶锻保压时间到，顶锻焊接过程结束，即三级摩擦焊接过程结束；
3)进入焊后辅助过程；顶锻保压结束后，主轴夹具(3)在液压驱动力作用下松开，顶锻油缸(7)由压力闭环控制模式转变为压力开环控制模式，控制系统(10)将压力开环控制命令和控制数据传输给电液伺服阀(9)，电液伺服阀(9)执行压力开环控制模式，并根据控制数据大小调整开度大小，并向顶锻油缸7的后退腔输出某一压力值的液压油，驱动移动滑台(5)后退，直至到达机床零点为止，后退过程结束，尾座夹具(4)松开，取出焊接工件，焊接过程结束；在摩擦焊接过程准备阶段、三级摩擦焊接阶段和焊接结束移动滑台(5)后退三个不同阶段，顶锻油缸(7)处于由控制系统(10)、电液伺服阀(9)、压力传感器(11)构成的压力开环控制和压力闭环控制模式的交互作用下；在压力开环控制模式下，电液伺服阀(9)根据控制系统(10)的控制命令和控制数据，打开固定的开度，向顶锻油缸(7)输出某一固定压力的液压油，压力传感器(11)不参与开环控制，压力开环控制模式作用在移动滑台空载前进、顶紧和空载后退过程，在移动滑台(5)空载前进和空载后退过程中，顶锻油缸(7)前进腔或后退腔内的液压油油压控制在这一固定压力范围内；与压力开环控制模式相比，在压力闭环控制模式下，控制系统(10)向电液伺服阀(9)传输闭环控制命令及压力控制数据，电液伺服阀(9)根据压力数据实时调整其开度大小，使输出的液压油压力趋于压力设定值，同时压力传感器(11)实时将顶锻油缸(7)的压力数据反馈给控制系统(10)，控制系统(10)根据顶锻油缸(7)前进腔实时压力大小，调整电液伺服阀(9)的开度，压力闭环控制作用于三级摩擦焊接过程。
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