二維摩擦焊接設備傾角補償算法在西門子840D數控系統中的實現

蔡智亮

(1.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240;2.上海航天設備制造總廠，上海 200245)

二維摩擦焊接設備傾角補償算法在西門子840D數控系統中的實現

蔡智亮1,2

(1.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240;2.上海航天設備制造總廠，上海 200245)

摩擦焊接設備由于工藝傾角的要求在焊接平面二維曲線或者在焊接過程中改變焊接方向時會產生非線性偏差.這種非線性誤差導致數控編程費時費力，效率低下。為了簡化計算過程采用更為簡單易操作的方式來解決該問題，文章對傾角焊接的工作方式進行分析并研究制定了補償算法。利用西門子840D數控系統完成了該項功能的集成，實現了二維曲線的焊接。通過實踐證明這種補償算法極大的提高了工作效率。

西門子840D；傾角補償；摩擦焊

0 引言

攪拌摩擦焊接是一種固相焊接技術，它可以用于大部分鋁合金的焊接，具有焊接質量高、焊接變形小并且在焊接過程中沒有煙塵、弧光，是一種綠色焊接。

目前二維摩擦焊設備在焊接過程中由于工藝傾角的原因使得加工程序和運算變得復雜。為了簡化數控加工程序的編制、提高工作效率、便于加工操作，需要對工藝傾角的投影進行長度補償，也可稱其為攪拌頭長度補償。本文依據三維幾何變化矩陣的基礎，建立補償算法公式，得出二維摩擦焊設備攪拌頭(焊接中心(x′,y′,z′)與擺心(編程點：x,y,z))之間的空間位置補償即攪拌頭長度補償的方法。該方法通過西門子840D數控系統的同步運動指令來完成在插補周期內的運動位置補償疊加。攪拌頭長度補償功能使用方便、穩定、可靠，對攪拌摩擦焊加工技術具有較好的應用價值[1]。

1 攪拌摩擦焊接原理及其傾角補償模型

1.1 摩擦焊焊接原理

攪拌摩擦焊接原理如圖1所示。攪拌摩擦焊接過程中，通過非損耗的帶軸肩和攪拌針的一個柱形攪拌工具旋轉著插入被焊兩個零件中間，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產生了摩擦熱，使攪拌頭臨近區域的材料熱塑化；然后沿著零件對接面移動，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉移；攪拌工具對材料的摩擦、鍛壓、攪動，在熱-機共同作用下使零件達到分子間結合的一種焊接方法[2,4]。

攪拌頭(Pin tool)：攪拌摩擦焊的施焊工具；

攪拌頭軸肩(Tool Shoulder)：攪拌頭與工件表面接觸的肩臺部分；

攪拌針(Tool Pin)：攪拌頭插入工件的部分；

前進側(Advanced Side)：焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉方向一致的焊縫側面；

回轉側(Retreating Side)：焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉方向相反的焊縫側面；

軸向壓力(Down or Axial Force)：向攪拌頭施加的使攪拌針插入工件和保持攪拌頭軸肩與工件表面接觸的壓力。

圖1 攪拌摩擦焊原理

1.2 傾角補償模型

二維摩擦焊設備一般有5個進給軸和一個主軸組成，其中包括三個直線軸X軸、Y軸、Z軸是基于迪卡爾坐標系，兩個旋轉軸C軸、A軸。其中A軸在工作中不參與聯動即定軸。主要結構形式見圖2所示。

圖2 龍門式二維攪拌摩擦焊接設備結構圖

二維摩擦焊設備在焊接過程中，攪拌頭與焊接材料接觸，通過攪拌頭的旋轉實現焊接，但是由于A軸傾角的存在就與普通的三軸數控機床結構有所區別。目前二維摩擦焊主要應用于在X-Y平面內的各種曲線的焊接。由于焊接工藝需要存在傾角所以在焊接過程中其傾角的方向要求以工作軌跡的運行情況而不斷跟隨著變化。如圖3所示這種情況會導致攪拌頭(焊接點(x′,y′z′))坐標值和擺心點(編程點(x,y,z))坐標值發生變化，產生非線性誤差。因此這種誤差會對加大數控程序編寫的難度，而且其補償形式與傳統數控系統中廣泛采用的刀具補償也有很大的區別，因此需要根據其結構形式制定出一種實用的補償方法[5,6]。

圖3 傾角結構及運行軌跡示意圖

2 摩擦焊接傾角補償原理

基于X-Y平面內的攪拌頭投影運行軌跡分析：參照如圖4所示，焊接起點的和擺心起點之間為傾角投影的長度，攪拌頭沿著圖形所示箭頭方向前進。按圖所示焊接點和擺心點的之間的運行軌跡會產生偏差，此時投影的長度保持不變，但焊接點與擺心點(編程點)的運行軌跡截然不同。因此在沒有傾角補償的情況下(參見圖4左圖)擺心點運動的軌跡需要通過作圖計算才能確定。由于存在這種特殊情況，所以給數控程序的編制增加了工作量。

圖4 攪拌頭投影軌跡運行示意圖

如圖5所示曲線A點到B點，傾角對于X-Y平面的投影為L，經過不同的位置對X-Y平面的投影坐標就會不同，在這一過程中焊接點與擺心點的狀態如(參見圖2)。

圖5 X-Y平面內攪拌頭投影補償分析

根據三維幾何變化矩陣(參見圖2)得出焊接點與擺心點坐標之間的關系：

(1)

(2)

其中“X軸上一個插補周期的ΔX”可以用數控系統的固有全局變量放入公式(2)，由于每個數控系統的變量形式會有所不同在此只介紹西門子數控系統的用法。

3 在840D系統中傾角補償的實現

西門子840D數控系統具有強大及靈活的編程法則。針對傾角補償的特殊性及便于程序簡明易懂、操作實用方便，我們采用主程序加上子程序的模式來實現該傾角補償的功能。

首先主程序中主要放置切向控制程序和零件加工程序。子程序中主要放置補償控制程序。由圖2所知，投影的大小與擺長和θA有關，并且擺長和θA根據焊接不同的焊接材料和板材厚度會有不同的工藝參數。為此這兩個參數必須設置為開放式可調整的變量。這里就要引入西門子數控系統的R參數，它屬于地址標識符，在數控程序中可以作為全局變量來使用。840D系統最多可以設置1000個全局變量讓用戶自由選擇。

其次需要了解數控系統的插補方法及如何在軸運行時如何同步疊加其運動量。為此需要明確數控系統的機床參數配置：

N36750 ＄MA_AA_OFF_MODE ；同步動作軸疊加運動功能的類型[7]

Bit0 = 0: ＄AA_OFF絕對方式

Bit0 = 1: ＄AA_OFF增量方式

愛美之心人皆有之。在當今社會中，越來越多的青少年喜歡使用唇膏、指甲油、粉底液、眉筆等化妝品來打扮自己。卻不知道，化妝品作為一種日用品，含有多種添加劑，可導致青少年性早熟、身材矮小等多種內分泌疾病。

Bit1 = 0: ＄AA_OFF復位取消

Bit1 = 1: ＄AA_OFF 復位保持

Bit2 = 0: JOG下沒有軸疊加運動

Bit2 = 1: JOG下有軸疊加運動

根據先前設備的結構形式選擇Bit0 = 0: ＄AA_OFF絕對方式。

由于φC會根據實際焊接軌跡的切向不斷修正，因此其在X-Y平面上的投影的ΔX和ΔY也不斷變化，為了達到良好的跟隨性必須采用數控系統的同步指令的模式來不斷的修正其變化量，實現同步補償[8]。具體方式如下：

ID=n關鍵字條件 DO 動作1 動作2 ID=n：

模態 有效同步動作，自動方式運行, 程序局部;n= 1... 255

關鍵字：

沒有關鍵字 動作執行不受條件制約。在每個插補節拍循環執行動作

關鍵字WHEN 一直檢查該條件，直至滿足；相關的動作執行一次。

關鍵字WHENEVER 循環檢查該條件。該條件一旦滿足，則循環執行相關動作。

關鍵字FROM 條件一次滿足以后，循環執行該動作，只要同步動作有效。

關鍵字EVERY 條件滿足后，動作觸發一次，并且當狀態從FALSE轉換到TRUE時再執行一次。循環檢查該條件。每次滿足條件均執行一次相關的動作。

條件：實時變量的連接邏輯，在IPO節拍中檢查該條件。

DO：在條件滿足后釋放動作。

具體補償程序如下：

子程序COMPENSATION

G90 G17

FGROUP(X,Y,Z,C)

F100

G01 C=DC(0)

C=R3

ID=1 When R1=1 DO ＄AA_OFF[X]=R2*(COS(R3)-COS(＄AA_IM[C]))

＄AA_OFF[Y]=R2*(SIN(R3)-SIN(＄AA_IM[C]))

M02

注：R3表示C軸的實際角度，R2表示傾角的投影距離，R1表示觸發的條件

4 結論

針對攪拌摩擦焊設備具有焊接傾角的特點通過對其補償控制分析并在西門子840D數控系統完成了二維攪拌摩擦焊設備傾角補償功能的計算，達到了控制精確補償定位，有效的提高了數控編程的效率，實現帶傾角摩擦焊設備二維焊接的目的。該方法通過實際焊接加工達到預期的效果，為今后摩擦焊設備的研制和技術推廣奠定了理論和實踐基礎。

[1] 張華德，喬鳳斌，張松，等.平面二維攪拌摩擦焊設備的系統設計與分析[J].機床與液壓，2013，41(2):8-10.

[2] 關橋，欒國紅.攪拌摩擦焊的現狀與發展 第十一次全國焊接會議[D].上海，2005(1D)15-29.

[3] 周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機械工業出版社,2007.

[4] 欒國紅，柴鵬.攪拌摩擦焊技術應用現狀和發展趨勢[J].金屬加工，2008(24):19-22.

[5] 夏羅生.攪拌摩擦焊二維焊縫數控焊機設計及研究[D].長沙：中南大學，2010.

[6] 張香玲.五坐標數控系統刀具長度補償算法的研究與實現:[D].武漢:武漢理工大學，2008.

[7] 陳先鋒，何亞飛，朱弘峰. SIEMENS 數控技術應用工程師—SINUMERIK 840D/810D數控系統功能應用與維修調整教程[M].北京：人民郵電出版社版社，2010.

[8] 西門子840D數控系統高級編程手冊 2010.

(編輯 李秀敏)

Based on the Siemens 840D Numerical Control System of Two-dimensional Angle Compensation of the Friction Welding Equipment Research

CAI Zhi-liang1，2

(1.Department of Electrical Engineering of Shanghai，Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Aerospace Equipments Manufacture,Shanghai 200245,China)

The Friction welding equipment inclination due process requirements in the welding plane two-dimensional curve or change the direction of welding in the welding process produces a nonlinear deviation, this non-linear error led to NC programming time-consuming and inefficient. To simplify the calculation process simple and easy to operate using more ways to solve this problem, this paper dip soldering work to analyze and formulate a compensation algorithm. Using Siemens 840D CNC systems has completed the integration of functions to achieve the welding of two-dimensional curve. Practice has proved that such compensation algorithm greatly improves the work efficiency.

SINUMERIK840D；angle compensation；FSW

1001-2265(2014)07-0109-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.031

2013-12-02；

2014-01-06

蔡智亮(1980—)，男，上海人，上海交通大學碩士研究生，主要從事運動控制技術、數控技術、攪拌摩擦焊設備和非標設備的研發，(E-mail)caizhiliang@sina.com。

TH166;TG65

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