電模擬慣性摩擦焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種摩擦焊接方法，特別是涉及一種電模擬慣性摩擦焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性摩擦焊接是利用預(yù)先儲存于旋轉(zhuǎn)飛輪中的動能進(jìn)行焊接的一種技術(shù)，傳統(tǒng)慣性摩擦焊機(jī)普遍采用大小不同的飛輪盤組合以得到不同的機(jī)械慣量，見Spindler D.E.于1994 年發(fā)表于《Welding Journal))第 73 卷第 3 期第 37-42 頁 “What industry needs toknow about frict1n welding”一文。焊接前首先要將需要的飛輪固定在旋轉(zhuǎn)主軸上。飛輪一般有慣量不同的三組，不同組合可得到8組不同的慣量。焊接時(shí)，一側(cè)工件與飛輪連接，另一側(cè)工件的旋轉(zhuǎn)自由度被拘束住。飛輪被加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，儲存夠所需能量后，斷開驅(qū)動電機(jī)。兩側(cè)工件在焊接壓力作用下被壓在一起，發(fā)生相互摩擦。儲存在飛輪中的動能逐漸轉(zhuǎn)變成熱能，同時(shí)飛輪轉(zhuǎn)速降低。停轉(zhuǎn)前可施加更大焊接壓力(頂鍛壓力)，并保持一段時(shí)間。上述方法存在以下固有缺點(diǎn):提供的機(jī)械慣量存在級差，不能實(shí)現(xiàn)慣量的連續(xù)調(diào)整，對于等比排列的飛輪組，最小飛輪的慣量決定著級差大??；慣量精度的提高完全依靠增加飛輪的片數(shù)，過多的飛輪片數(shù)將導(dǎo)致主軸長度過長，設(shè)備體積龐大；調(diào)整慣量時(shí)，需要頻繁的裝卸飛輪盤，勞動強(qiáng)度大；大慣量高速主軸的旋轉(zhuǎn)存在動平衡問題，要求加工精度高；另外，存在基本慣量，其值取決于主軸系統(tǒng)的慣量。
[0003]通過對電機(jī)電磁力矩或轉(zhuǎn)速的控制，使其運(yùn)動學(xué)特性與相同慣量下的純機(jī)械運(yùn)動特性相匹配的方法稱為電模擬慣量方法，見李洪山等人于2009年6月發(fā)表在《制造業(yè)自動化》第31卷第6期第20-21頁“電慣量模擬機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量方法的研宄” 一文。電動機(jī)作為電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換元件，輸出電磁力矩和轉(zhuǎn)速易于控制，可以考慮用電動機(jī)的電慣量模擬飛輪的機(jī)械慣量，使其與等慣量下純機(jī)械慣量實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況相符合，這種由電動機(jī)模擬的慣量稱為電模擬慣量，這種技術(shù)稱之為電模擬慣量技術(shù)。與機(jī)械模擬慣量相比，電模擬慣量具有在模擬范圍內(nèi)慣量連續(xù)、能夠?qū)ψ枇σ鸬膽T量模擬誤差進(jìn)行補(bǔ)償和精簡設(shè)備結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0004]國內(nèi)外目前電模擬慣量技術(shù)是在恒定的制動力矩下模擬給定慣量，而摩擦焊接的阻力矩是一個(gè)隨摩擦過程不斷變化的力矩。截至目前，還沒有在摩擦焊機(jī)上應(yīng)用電模擬慣量技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有摩擦焊接方法采用不同的機(jī)械慣量難以控制的不足，本發(fā)明提供一種電模擬慣性摩擦焊接方法。該方法在摩擦加熱過程中，由采集板通過扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測摩擦焊縫的摩擦阻力矩，通過編碼器采集主軸的速度和角加速度，根據(jù)焊接所需慣量及采集到的速度和角加速度，計(jì)算輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，由計(jì)算機(jī)輸出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩指令給直流調(diào)速器，直流調(diào)速器得到指令后，通過改變直流電機(jī)的電樞電壓和電樞電流來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，控制主軸轉(zhuǎn)速。該過程在摩擦加熱過程中反復(fù)進(jìn)行，直到主軸轉(zhuǎn)速由設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速降低到零。通過調(diào)節(jié)控制算法，使得主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與相同摩擦阻力矩和機(jī)械慣量條件下的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用電慣量模擬機(jī)械慣量，代替?zhèn)鹘y(tǒng)慣性摩擦焊機(jī)采用飛輪盤組合得到不同機(jī)械慣量的方法，消除了慣量級差，減少了慣性飛輪來回拆卸調(diào)整等帶來的繁瑣體力勞動，實(shí)現(xiàn)了慣量的無級連續(xù)可調(diào)，能采用低于系統(tǒng)基本慣量的機(jī)械慣量。提高了焊接效率，降低了焊機(jī)成本。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種電模擬慣性摩擦焊接方法，其特點(diǎn)是采用以下步驟:
[0007]在摩擦焊接前，先將慣性摩擦焊接所需初始轉(zhuǎn)速為800?2000r/min、慣量為5?50kg.ηι2、摩擦壓力為2?1Mpa和頂鍛壓力為4?20MPa存儲于計(jì)算機(jī)I中。放入摩擦焊接毛坯后，啟動自動焊接裝置，夾具夾緊焊接毛坯，移動端8在液壓缸9推動下快進(jìn)、工進(jìn)、預(yù)頂、后退一段距離后靜止。主軸5在直流調(diào)速器2控制下由直流電機(jī)3驅(qū)動加速，當(dāng)主軸5的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速值800?2000r/min后，以初始轉(zhuǎn)速值恒速轉(zhuǎn)動。此時(shí)滑臺又開始工進(jìn)，當(dāng)待焊接的兩側(cè)工件接觸后，在摩擦界面6上就會產(chǎn)生摩擦阻力矩。由采集板10通過扭矩傳感器7實(shí)時(shí)檢測摩擦界面6的摩擦阻力矩，通過編碼器4采集主軸5的速度和角加速度，根據(jù)焊接所需慣量及采集到的速度和角加速度，計(jì)算輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并將信號輸入給直流調(diào)速器2，直流調(diào)速器2再控制直流電機(jī)3的電樞電流與電樞電壓，調(diào)節(jié)控制主軸轉(zhuǎn)速。該過程在摩擦加熱過程中反復(fù)進(jìn)行，直到主軸轉(zhuǎn)速由設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速降低到零，完成摩擦加熱。為保證模擬精度，實(shí)時(shí)檢測和控制的循環(huán)時(shí)間應(yīng)在5ms以內(nèi)。通過調(diào)節(jié)控制算法，使得主軸5轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與相同摩擦阻力矩和機(jī)械慣量條件下的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同。在該階段摩擦壓力維持不變。當(dāng)摩擦加熱結(jié)束時(shí)，根據(jù)工藝需要施加頂鍛壓力4?20MPa，或保持2?1Mpa的摩擦壓力3?10s。
[0008]計(jì)算機(jī)I實(shí)時(shí)檢測摩擦界面6的摩擦阻力矩和主軸5的速度和角加速度，根據(jù)焊接所需慣量及采集到的速度和角加速度，計(jì)算輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩后，由計(jì)算機(jī)I輸出轉(zhuǎn)速指令給直流調(diào)速器2，直流調(diào)速器2通過內(nèi)部的轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)運(yùn)算后，改變直流電機(jī)3的電樞電壓和電樞電流來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，改變主軸5轉(zhuǎn)速；或者由計(jì)算機(jī)I輸出轉(zhuǎn)矩指令給直流調(diào)速器2，直流調(diào)速器2直接通過內(nèi)部的電流環(huán)運(yùn)算后，改變直流電機(jī)3的電樞電壓和電樞電流來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，改變主軸5轉(zhuǎn)速。
[0009]焊接過程中摩擦界面6的摩擦阻力矩由計(jì)算機(jī)I的采集板10通過扭矩傳感器7實(shí)時(shí)檢測，或者先將直流調(diào)速器2檢測的功率和轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩信號后再由計(jì)算機(jī)I的米集板10實(shí)時(shí)檢測。
[0010]所需慣量設(shè)定成大于系統(tǒng)基本慣量，或者設(shè)定成等于或低于系統(tǒng)基本慣量。
[0011]通過控制算法，補(bǔ)償主軸系統(tǒng)的機(jī)械摩擦對慣性摩擦焊接能量轉(zhuǎn)化的影響。
[0012]驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)采用交流電機(jī)和交流調(diào)速器，或者采用液壓馬達(dá)和伺服控制器。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:該方法在摩擦加熱過程中，由采集板通過扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測摩擦焊縫的摩擦阻力矩，通過編碼器采集主軸的速度和角加速度，根據(jù)焊接所需慣量及采集到的速度和角加速度，計(jì)算輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，由計(jì)算機(jī)輸出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩指令給直流調(diào)速器，直流調(diào)速器得到指令后，通過改變直流電機(jī)的電樞電壓和電樞電流來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，控制主軸轉(zhuǎn)速。該過程在摩擦加熱過程中反復(fù)進(jìn)行，直到主軸轉(zhuǎn)速由設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速降低到零。通過調(diào)節(jié)控制算法，使得主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與相同摩擦阻力矩和機(jī)械慣量條件下的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律相同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用電慣量模擬機(jī)械慣量，代替?zhèn)鹘y(tǒng)慣性摩擦焊機(jī)采用飛輪盤組合得到不同機(jī)械慣量的方法，消除了慣量級差，減少了慣性飛輪來回拆卸調(diào)整等帶來的繁瑣體力勞動，實(shí)現(xiàn)了慣量的無級連續(xù)可調(diào)，能采用低于系統(tǒng)基本慣量的機(jī)械慣量。提高了焊接效率，降低了焊機(jī)成本。
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明電模擬慣性摩擦焊接方法所用裝置示意圖。
[0016]圖中，1-計(jì)算機(jī)，2-直流調(diào)速器，3-直流電