CN115338530B - 一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术领域,涉及一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，包括：搅拌摩擦焊接执行器、压力传感器、扭矩传感器、搅拌工具、控制系统、被焊接材料，搅拌摩擦焊接执行器上设有压力传感器、扭矩传感器，控制系统、压力传感器、扭矩传感器分别电相连，通过对焊接时轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值等过程参数的实时测量，一方面可以获得焊接过程中的实时数据，另一方面实时监测焊接过程中的异常情况并进行判别，搅拌工具断针后，实时做出反馈信息并终止焊接，避免后续无效焊接，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是利用带有特殊形状的硬质搅拌针的搅拌头高速旋转缓慢插入被焊工件，直到轴肩和母材表面接触，此时搅拌头与母材发生剧烈摩擦，通过搅拌摩擦过程中产生的摩擦热和对搅拌头周围金属的挤压，使接头金属处于塑性状态，搅拌针在旋转的同时沿着焊接方向向前移动，在热-机联合作用下形成致密的金属间结合，实现材料的连接。
自1991年英国焊接研究所(TWI)发明搅拌摩擦焊以来，该技术因焊接温度低，焊后残余应力小，不产生弧光、烟尘污染，不需要填丝材料等优点受到广泛关注，并很快被应用到航空航天、船舶、轨道列车、电子电力、汽车等生产领域，成为轻质合金特别是铝合金最佳的连接技术。
然而，搅拌摩擦焊技术虽然优点众多，但并非完美。搅拌摩擦焊设备通常由焊接机头、固定机构、控制系统和支撑机构等组成，焊接时作用在被焊材料的部件为搅拌头，如果搅拌头形状或焊接参数选择不合理会导致焊缝内部塑化金属发生紊流，产生孔洞、隧道等缺陷。在焊接过程中，搅拌工具会对待焊零件表面施加较大的顶锻力，通过作用力与反作用力原理可知，搅拌工具同时也会受到相同的反作用力，搅拌工具因选材、热处理工艺、焊接参数等问题，焊接过程中，受到很大的作用力，出现焊接时搅拌针断裂的现象，不仅造成焊接质量问题，还会降低工作效率，降低产品合格率。焊接过程中出现搅拌工具断针情况，很难进行实时判断此异常的发生，一般等到焊接结束，通过匙孔才能发现搅拌工具已经断针，且断针位置很难准确确定。
因此，需要一种实时监测搅拌针断针情况，从而进行精准控制的装置，来解决这一问题。
发明内容
本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，包括：搅拌摩擦焊接执行器、压力传感器、扭矩传感器、搅拌工具、控制系统、被焊接材料；
搅拌摩擦焊接执行器用于安装在机床式搅拌摩擦焊设备、并联或串联的六关节机器人上以旋转主轴执行搅拌摩擦焊；压力传感器用于测量搅拌工具焊接头部分的沿Z轴竖直向上的轴向压力负载；扭矩传感器用于测量搅拌工具焊接头部分的环Z轴扭矩负载；搅拌工具用于高速旋转缓慢插入被焊接材料的焊缝进行焊接；控制系统用于根据压力传感器与扭矩传感器实时反馈的负载变化、预先输入的焊接参数来判别并控制搅拌摩擦焊接执行器继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器脱离被焊接材料的焊接面；
搅拌工具固定连接在搅拌摩擦焊接执行器下端面的旋转夹持头上，压力传感器、扭矩传感器均分别电连接至搅拌摩擦焊接执行器、控制系统，控制系统电连接至搅拌摩擦焊接执行器；被焊接材料位于搅拌摩擦焊接执行器的正下方，搅拌工具正对着被焊接材料的焊缝。
优选的，所述搅拌摩擦焊接执行器上包括有：焊接主轴、主轴电机、Z向传动丝杠。
更优的，所述压力传感器安装于Z向传动丝杠上，实时监测焊接时的轴向压力负载；扭矩传感器与主轴电机相连，实时监测焊接时的环Z轴扭矩负载。
优选的，所述控制系统实时监测焊接时搅拌工具焊接头部分的Z轴位置变化。
优选的，所述控制系统5包括数控系统和伺服驱动电机，数控系统和伺服驱动电机电相连，伺服驱动电机和搅拌摩擦焊接执行器电相连。
本发明还公开一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测方法，所述方法用于上述的基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，包括如下步骤：
步骤一：在控制系统上输入初始参数，控制系统控制搅拌摩擦焊接执行器对被焊接材料进行焊接，初始参数包括轴向压力负载、Z轴位置、环Z轴扭矩负载的基准值；
步骤二：焊接开始后，通过压力传感器实时监测焊接过程中的轴向压力负载变化，通过控制系统实时监测焊接过程中Z轴位置的变化；通过扭矩传感器3实时监测焊接过程中的环Z轴扭矩负载变化；
步骤三：在单位时间内采集一系列轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值，并对轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值分别求平均值后与所述基准值相比较；
步骤四：当采集的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值突然产生大于或小于基准值的变化时，控制系统开始执行数据反馈功能，此时控制系统判断搅拌工具出现断针，进行数据反馈；
步骤五：控制系统根据数据反馈判别并控制搅拌摩擦焊接执行器继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器脱离被焊接材料的焊接面；
步骤六：重复步骤二至步骤五，若采集的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值无突发变化，处于正常基准值范围内，焊接正常执行，直至被焊接材料焊接完成。
优选的，所述步骤一中的基准值包括一个数据带，数据带设有数据区上限和数据区下限。
更优的，所述基准值包括压力传感器、扭矩传感器、控制系统采集到的模拟量传送到控制系统并存储成的一个数据带。
优选的，所述步骤三中的单位时间包括20ms、50ms、100ms、150ms、200ms、500ms，所述一系列轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值包括5个点、10个点、20个点、50个点的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值。
优选的，所述步骤四中轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值突然产生大于或小于基准值的变化包括：轴向压力负载值突发波动，突然增大后减小，再加大，大于基准值；Z轴位置值突发波动，突然减小后增大，再加大，大于基准值；环Z轴扭矩负载值突发波动，突然增大，后骤减，小于基准值。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对焊接时轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值等过程参数的实时测量，一方面可以获得焊接过程中的实时数据，另一方面实时监测焊接过程中的异常情况并进行判别，搅拌工具断针后，实时做出反馈信息并终止焊接，避免后续无效焊接，提高工作效率；
2、本发明提出的方法，在保证焊接质量的同时，实现了智能制造，减少人为因素对断针的误判漏判，操作简单，适宜推广。
附图说明
图1是一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置的示意图；
图2是断针监测方法的流程图；
图3是基准值数据带示意图。
图中：1、搅拌摩擦焊接执行器；2、压力传感器；3、扭矩传感器；4、搅拌工具；5、控制系统；6、被焊接材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1-3，一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，包括：搅拌摩擦焊接执行器1、压力传感器2、扭矩传感器3、搅拌工具4、控制系统5、被焊接材料6；
搅拌摩擦焊接执行器1用于安装在机床式搅拌摩擦焊设备、并联或串联的六关节机器人上以旋转主轴执行搅拌摩擦焊；压力传感器2用于测量搅拌工具4焊接头部分的沿Z轴竖直向上的轴向压力负载；扭矩传感器3用于测量搅拌工具4焊接头部分的环Z轴扭矩负载；搅拌工具4用于高速旋转缓慢插入被焊接材料6的焊缝进行焊接；控制系统5用于根据压力传感器2与扭矩传感器3实时反馈的负载变化、预先输入的焊接参数来判别并控制搅拌摩擦焊接执行器1继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器1脱离被焊接材料6的焊接面；
搅拌工具4固定连接在搅拌摩擦焊接执行器1下端面的旋转夹持头上，压力传感器2、扭矩传感器3均分别电连接至搅拌摩擦焊接执行器1、控制系统5，控制系统5电连接至搅拌摩擦焊接执行器1；被焊接材料6位于搅拌摩擦焊接执行器1的正下方，搅拌工具4正对着被焊接材料6的焊缝。
进一步的，所述搅拌摩擦焊接执行器1上包括有：焊接主轴、主轴电机、Z向传动丝杠。
更进一步的，所述压力传感器2安装于Z向传动丝杠上，实时监测焊接时的轴向压力负载；扭矩传感器3与主轴电机相连，实时监测焊接时的环Z轴扭矩负载。
进一步的，所述控制系统5实时监测焊接时搅拌工具4焊接头部分的Z轴位置变化。
进一步的，所述控制系统5包括数控系统和伺服驱动电机，数控系统和伺服驱动电机电相连，伺服驱动电机和搅拌摩擦焊接执行器1电相连。
本发明还公开一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测方法，所述方法用于上述的基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，包括如下步骤：
步骤一：在控制系统5上输入初始参数，控制系统5控制搅拌摩擦焊接执行器1对被焊接材料6进行焊接，初始参数包括轴向压力负载、Z轴位置、环Z轴扭矩负载的基准值；
步骤二：焊接开始后，通过压力传感器2实时监测焊接过程中的轴向压力负载变化，通过控制系统5实时监测焊接过程中Z轴位置的变化；通过扭矩传感器3实时监测焊接过程中的环Z轴扭矩负载变化；
步骤三：在单位时间内采集一系列轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值，并对轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值分别求平均值后与所述基准值相比较；
步骤四：当采集的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值突然产生大于或小于基准值的变化时，控制系统5开始执行数据反馈功能，此时控制系统5判断搅拌工具4出现断针，进行数据反馈；
步骤五：控制系统5根据数据反馈判别并控制搅拌摩擦焊接执行器1继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器1脱离被焊接材料6的焊接面；
步骤六：重复步骤二至步骤五，若采集的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值无突发变化，处于正常基准值范围内，焊接正常执行，直至被焊接材料6焊接完成。
进一步的，所述步骤一中的基准值包括一个数据带，数据带设有数据区上限和数据区下限。
更进一步的，所述基准值包括压力传感器2、扭矩传感器3、控制系统5采集到的模拟量传送到控制系统5并存储成的一个数据带。
进一步的，所述步骤三中的单位时间包括20ms、50ms、100ms、150ms、200ms、500ms，所述一系列轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值包括5个点、10个点、20个点、50个点的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值。
进一步的，所述步骤四中轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值突然产生大于或小于基准值的变化包括：轴向压力负载值突发波动，突然增大后减小，再加大，大于基准值；Z轴位置值突发波动，突然减小后增大，再加大，大于基准值；环Z轴扭矩负载值突发波动，突然增大，后骤减，小于基准值。
实施例
本实施例中，搅拌摩擦焊为固态焊接，在焊接过程中，搅拌工具对被焊材料施加旋转摩擦产热，同时施加顶锻力以确保形成致密的焊缝，通过压力传感器2、扭矩传感器3、控制系统5对轴向压力负载、Z轴位置、环Z轴扭矩负载，三个过程参数实时监测，当压力传感器2反馈的数值出现较大的变化，用基准值与该突变值进行比较，亦即当突变值大于基准值时，判定该点可能为搅拌工具4断针的界面，同时对比扭矩和Z轴位置，找到这样的突变点，并确定这个突变点是否为断针位置，获得以上数据后，建立“时间-空间位置”的文件，需要指出的是，该文件中的时间是以系统时间为基准，空间位置以系统坐标为基准，即时间和空间位置的基准均唯一。将该文件发送到控制系统5，按照文件中的焊缝的位置对搅拌工具4的运动进行判断，到达下一个新的位置后，上述步骤重复操作，从而实现搅拌工具4的断针监测。
断针监测包括以下步骤：
S1，控制系统5控制搅拌摩擦焊接执行器1对被焊接材料6进行焊接；
S2，焊接时，通过压力传感器2监测焊接过程中的轴向压力负载变化；
同时的，通过控制系统5实时监测焊接过程中Z轴位置的变化；
同时的，通过扭矩传感器3实时监测焊接过程中的环Z轴扭矩负载变化；
S3，在100ms的单位时间内采集5个点的一系列轴向压力负载值，求平均值后与基准值相比较；
同时的，采集5个点的一系列Z轴位置值，求平均值后与基准值相比较；
同时的，采集5个点的一系列环Z轴扭矩负载值，求平均值后与基准值相比较；
S4，基准值是一个数据带，当采集的轴向压力负载、Z轴位置、环Z轴扭矩负载的基准值突然大于或小于数据带的变化时，开始执行数据反馈功能，如压力突发波动，突然增大后减小，再加大，大于基准值；位置突发波动，突然减小后增大，再加大，大于基准值；扭矩突发波动，突然增大，后骤减，小于基准值，此时判断搅拌工具4焊接头部分出现断针，进行数据反馈；其中，基准值为传感器采集到的模拟量传送到控制系统并存储成一个数据带；
S5，控制系统5根据数据反馈判别并控制搅拌摩擦焊接执行器1继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器1脱离被焊接材料6的焊接面；
S6，重复步骤S2至S5，若采集值无突发变化，处于正常基准值中，焊接正常执行，直至被焊接材料6焊接完成。
综上所述，本发明提供了一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置及断针监测方法，通过对焊接时轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值等过程参数的实时测量，一方面可以获得焊接过程中的实时数据，另一方面实时监测焊接过程中的异常情况并进行判别，搅拌工具断针后，实时做出反馈信息并终止焊接，避免后续无效焊接，提高工作效率，另外，本发明在保证焊接质量的同时，实现了智能制造，减少人为因素对断针的误判漏判，操作简单，适宜推广；因此本发明拥有广泛的应用前景。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，包括：搅拌摩擦焊接执行器（1）、压力传感器（2）、扭矩传感器（3）、搅拌工具（4）、控制系统（5）、被焊接材料（6）；
所述搅拌摩擦焊接执行器（1）用于安装在机床式搅拌摩擦焊设备、并联或串联的六关节机器人上以旋转主轴执行搅拌摩擦焊；
所述压力传感器（2）用于测量所述搅拌工具（4）焊接头部分的沿Z轴竖直向上的轴向压力负载；
所述扭矩传感器（3）用于测量搅拌工具（4）焊接头部分的环Z轴扭矩负载；
所述搅拌工具（4）用于高速旋转缓慢插入被焊接材料（6）的焊缝进行焊接；
所述控制系统（5）用于根据压力传感器（2）与扭矩传感器（3）实时反馈的负载变化、预先输入的焊接参数来判别并控制搅拌摩擦焊接执行器（1）继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器（1）脱离被焊接材料（6）的焊接面；
所述搅拌工具（4）固定连接在搅拌摩擦焊接执行器（1）下端面的旋转夹持头上，所述压力传感器（2）、扭矩传感器（3）均分别电连接至搅拌摩擦焊接执行器（1）、控制系统（5），所述控制系统（5）电连接至搅拌摩擦焊接执行器（1）；
所述被焊接材料（6）位于搅拌摩擦焊接执行器（1）的正下方，所述搅拌工具（4）正对着被焊接材料（6）的焊缝；
所述搅拌摩擦焊接执行器（1）上包括有：焊接主轴、主轴电机、Z向传动丝杠；
所述压力传感器（2）安装于所述Z向传动丝杠上，实时监测焊接时的轴向压力负载；所述扭矩传感器（3）与所述主轴电机相连，实时监测焊接时的环Z轴扭矩负载；
所述搅拌工具断针监测装置的监测方法包括如下步骤：
步骤一：在控制系统（5）上输入初始参数，控制系统（5）控制搅拌摩擦焊接执行器（1）对被焊接材料（6）进行焊接，所述初始参数包括轴向压力负载、Z轴位置、环Z轴扭矩负载的基准值；
步骤二：焊接开始后，通过压力传感器（2）实时监测焊接过程中的轴向压力负载变化，通过控制系统（5）实时监测焊接过程中Z轴位置的变化；通过扭矩传感器（3）实时监测焊接过程中的环Z轴扭矩负载变化；
步骤三：在单位时间内采集一系列轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值，并对轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值分别求平均值后与所述基准值相比较；
步骤四：当采集的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值突然大于或小于基准值时，控制系统（5）开始执行数据反馈功能，此时控制系统（5）判断搅拌工具（4）出现断针，进行数据反馈；
步骤五：控制系统（5）根据数据反馈判别并控制搅拌摩擦焊接执行器（1）继续执行直至完成焊接或者终止焊接并向上抬起搅拌摩擦焊接执行器（1）脱离被焊接材料（6）的焊接面；
步骤六：重复步骤二至步骤五，若采集的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值无突发变化，处于正常基准值范围内，焊接正常执行，直至被焊接材料（6）焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，所述控制系统（5）实时监测焊接时搅拌工具（4）焊接头部分的Z轴位置变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，所述控制系统（5）包括数控系统和伺服驱动电机，所述数控系统和伺服驱动电机电相连，所述伺服驱动电机和搅拌摩擦焊接执行器（1）电相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，所述步骤一中的基准值包括一个数据带，所述数据带设有数据区上限和数据区下限。
5.根据权利要求1所述的一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，所述基准值包括压力传感器（2）、扭矩传感器（3）、控制系统（5）采集到的模拟量传送到控制系统（5）并存储成的一个数据带。
6.根据权利要求1所述的一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，所述步骤三中的单位时间包括20ms、50ms、100ms、150ms、200ms、500ms，所述一系列轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值包括5个点、10个点、20个点、50个点的轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值。
7.根据权利要求1所述的一种基于力位扭矩的搅拌工具断针监测装置，其特征在于，所述步骤四中轴向压力负载值、Z轴位置值、环Z轴扭矩负载值突然大于或小于基准值包括：轴向压力负载值突发波动，突然增大后减小，再加大，大于基准值；Z轴位置值突发波动，突然减小后增大，再加大，大于基准值；环Z轴扭矩负载值突发波动，突然增大，后骤减，小于基准值。
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