攪拌摩擦焊接過(guò)程中主軸下壓力控制研究

肖 波，王慶霞，楊建國(guó)，張華德

1 引言

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的熔化焊接技術(shù)相比，可以有效避免熱裂紋，氣孔等焊接缺陷，具有接頭力學(xué)性能較好，變形小、低污染、低能耗等優(yōu)點(diǎn)[2]。

下壓量、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速與主軸下壓力有一定的關(guān)系，下壓力基本恒定是保證焊縫質(zhì)量穩(wěn)定的有效方法之一[3]。文獻(xiàn)[4]提出了機(jī)器人FSW下壓力控制，同時(shí)探討了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和下壓量對(duì)下壓力的影響。文獻(xiàn)[5]的研究表明由于機(jī)器人存在定位誤差導(dǎo)致下壓量很難預(yù)測(cè)，主軸下壓力控制應(yīng)用在機(jī)器人焊接系統(tǒng)上存在很大的振蕩。由于機(jī)器人有限的負(fù)載能力及其柔順性，焊接過(guò)程中難以保證下壓力達(dá)到期望值。因此，文獻(xiàn)[6]攪拌摩擦焊下壓力監(jiān)測(cè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制焊接進(jìn)給速度控制下壓力提高焊接質(zhì)量，下文中主軸下壓力簡(jiǎn)稱下壓力。

2 攪拌摩擦焊監(jiān)測(cè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

攪拌摩擦焊下壓力監(jiān)控系統(tǒng)主要由下壓力監(jiān)測(cè)平臺(tái)和下壓力監(jiān)控軟件兩大部分組成，如圖1所示。下壓力監(jiān)測(cè)平臺(tái)中力感應(yīng)模塊以壓電石英作為敏感元件，在下壓力作用下產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將力值信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)；供電模塊采用無(wú)線供電技術(shù)為下壓力采集和信號(hào)傳輸模塊提供直流穩(wěn)壓電源；信號(hào)處理模塊包括信號(hào)放大、信號(hào)調(diào)理及數(shù)模轉(zhuǎn)換；信號(hào)傳輸模塊采用無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)。下壓力監(jiān)控軟件包括監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊、分析模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)力值信號(hào)的顯示、保存、控制等功能。選擇以Nrf24le1內(nèi)置增強(qiáng)型51Flash高速單片機(jī)作為控制核心，首先是下壓力監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和讀取，然后控制信號(hào)傳輸模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖1 攪拌摩擦焊下壓力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Axial Force Monitoring System for FSW

2.2 下壓力監(jiān)測(cè)模塊

下壓力監(jiān)測(cè)模塊包括力感應(yīng)模塊、信號(hào)傳輸模塊、信號(hào)處理模塊、監(jiān)測(cè)模塊，以壓電式力感應(yīng)器作為敏感元件，通過(guò)信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)放大、調(diào)理及數(shù)模轉(zhuǎn)換，其中信號(hào)放大有采集并初步放大傳感器原始信號(hào)的作用，信號(hào)調(diào)理主要包括阻抗匹配、限幅、調(diào)零、隔離、濾波（低通、工頻及GSM陷波）等功能；然后采用無(wú)線信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行信號(hào)的傳輸，通過(guò)無(wú)線供電方式供電。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無(wú)線發(fā)送模塊和無(wú)線接收模塊，無(wú)線傳輸模塊采用Nrf24le1模塊。Nrf24le1采用了Nordic最新的無(wú)線數(shù)字射頻和超低功耗技術(shù)，集成了2.4GHz無(wú)線射頻收發(fā)，增強(qiáng)型51Flash高速單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器等豐富外設(shè)及接口等的單片F(xiàn)lash芯片。功耗低，以6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9mA，同時(shí)可采用Enhanced ShockBurst TM模式，比普通模式多了一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)，解決了數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，提高了整套監(jiān)測(cè)平臺(tái)的穩(wěn)定性及精度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)字射頻技術(shù)是通過(guò)內(nèi)部的固件程序?qū)?shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)字射頻收發(fā)模塊進(jìn)行設(shè)置、驅(qū)動(dòng)，按通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、校驗(yàn)、發(fā)送。傳感器基本性能參數(shù)，如表1所示。

表1 下壓力監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical Index of Pressure Monitoring Sensor

無(wú)線供電模塊基于電感耦合原理，包括感應(yīng)線圈（初級(jí)線圈、次級(jí)線圈）、半橋整流、直流斬波、濾波、阻抗匹配等，對(duì)傳感器內(nèi)部各功能模塊進(jìn)行供電，由于監(jiān)測(cè)部分不是研究重點(diǎn)在此不做贅述。

3 下壓力控制在數(shù)控銑床上的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

下壓力閉環(huán)反饋控制由控制器、數(shù)控系統(tǒng)（Computer numerical controller，CNC）、進(jìn)給軸、力傳感器、濾波器組成。圖中Fr表示參考下壓力值，F(xiàn)表示實(shí)際下壓力值，在CNC外配置有一臺(tái)主計(jì)算機(jī)控制X軸，在計(jì)算機(jī)中設(shè)定參考的下壓力值，參考力值與實(shí)際力值作差得到力偏差值，如圖2所示。力偏差值信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器處理之后產(chǎn)生控制信號(hào)，得到需要調(diào)整的進(jìn)給倍率，無(wú)線發(fā)送到單片機(jī)信號(hào)接收端，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)而控制X軸電機(jī)產(chǎn)生所需的進(jìn)給速度，間接改變下壓力值從而達(dá)到焊接過(guò)程中期望的下壓力值。力傳感器獲得新的下壓力值經(jīng)過(guò)濾波反饋到主計(jì)算機(jī)中，再次與參考信號(hào)比較，形成閉環(huán)反饋控制回路。

圖2 進(jìn)給速度修調(diào)的主軸下壓力控制方框圖Fig.2 Control Diagram of Force Control Via Traverse Speed

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)中力傳感器安裝在主軸和攪拌頭之間，與自主設(shè)計(jì)的安裝接口裝配，組成一個(gè)整體。傳感器由機(jī)械本體和外部電路盒組成，使用壓電石英測(cè)量主軸受力產(chǎn)生的電壓，信號(hào)處理后無(wú)線發(fā)送給計(jì)算機(jī)。裝有力傳感器的設(shè)備，如圖3所示。

圖3 攪拌摩擦焊接監(jiān)控平臺(tái)實(shí)物圖Fig.3 The Physical Map of FSW Monitoring Platform

3.2 進(jìn)給速度自動(dòng)控制

控制數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給軸，以PC（Personal Computer）為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)X-Y兩軸電機(jī)聯(lián)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)[7]。通過(guò)調(diào)整倍率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工時(shí)的進(jìn)給速度的調(diào)整，機(jī)床倍率開(kāi)關(guān)每一個(gè)檔位都對(duì)應(yīng)一組二進(jìn)制編碼，如果能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)床的倍率開(kāi)關(guān)的輸入，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)加工時(shí)進(jìn)給速度的控制[7]。進(jìn)給速度控制的過(guò)程中，進(jìn)給倍率作為被控變量，實(shí)際進(jìn)給速度計(jì)算公式為：

式中：f—實(shí)際進(jìn)給速度；Vg—G代碼設(shè)定進(jìn)給速度；k—進(jìn)給倍率。

數(shù)控系統(tǒng)中的進(jìn)給倍率范圍為（0～150）%，分別是離散的數(shù)值變量，用相應(yīng)的二進(jìn)制Gray碼表示成29檔。根據(jù)機(jī)床進(jìn)給倍率的調(diào)控旋鈕，測(cè)出每個(gè)檔位所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼，使用單片機(jī)引腳控制三極管開(kāi)關(guān)電路，模擬每個(gè)檔位所輸出的二進(jìn)制編碼傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)置的4個(gè)引腳即為單片機(jī)模擬倍率開(kāi)關(guān)的輸出端。將單片機(jī)通過(guò)Nrf24le1無(wú)線收發(fā)芯片與上位機(jī)進(jìn)行通信，因此主軸下壓力控制實(shí)際輸出的是進(jìn)給倍率對(duì)應(yīng)的Gray碼，從而間接控制主軸下壓力。

每一個(gè)采樣周期開(kāi)始，力傳感器采集數(shù)據(jù)后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字量信號(hào)發(fā)送到Nrf24le1無(wú)線接收芯片。通過(guò)串口通信傳輸?shù)絃abview程序中無(wú)線接收模塊，再經(jīng)由裝在機(jī)床控制箱內(nèi)的接收端輸入STC89C52單片機(jī)，最終輸出后送入機(jī)床，完成對(duì)機(jī)床倍率的控制，模擬倍率開(kāi)關(guān)控制原理，如圖4所示。

圖4 模擬倍率開(kāi)關(guān)控制原理圖Fig.4 Principle Diagram of Analog Rate Switch Control

3.3 監(jiān)控軟件模塊

Labview是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能，主軸下壓力監(jiān)控軟件采用Labview開(kāi)發(fā)完成[8]。因?yàn)長(zhǎng)abview軟件本身不具備數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能，使用數(shù)據(jù)庫(kù)接口工具包Database Connectivity Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)[9]。建立Access焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，在上位機(jī)程序中的數(shù)據(jù)查詢上采用數(shù)據(jù)庫(kù)接口DBTools Open Connection VI，建立Labview與Access工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)系，可以實(shí)時(shí)查詢得到參考下壓力值。將需要查詢的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以偏差的最小值調(diào)取最優(yōu)參考力值。不同焊接參數(shù)對(duì)攪拌摩擦焊的影響是不同的，其中下壓量對(duì)下壓力的影響最大[10]，所以對(duì)不同的參數(shù)定了相應(yīng)的系數(shù)a、b、c。規(guī)定查詢結(jié)果使得值A(chǔ)擁有最小值，若存在多個(gè)結(jié)果，則在結(jié)果中取擁有最小的B值的數(shù)據(jù)，A、B值計(jì)算公式為：

式中：ap—下壓量；f—進(jìn)給速度；n—主軸轉(zhuǎn)速；a′p、f′、n′—Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的工藝參數(shù)；ap、f、n—測(cè)量的工藝參數(shù)。

Labview的模糊邏輯工具箱（FuzzyLogicforGToolkit）用于設(shè)計(jì)基于規(guī)則的模糊控制器。系統(tǒng)控制程序采用二維模糊控制器，輸入實(shí)際力值與參考力值的偏差和偏差的變化率，經(jīng)模糊控制算法得到適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度變化量，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的控制，控制器的設(shè)計(jì)此處不予贅述。

3.4 焊接實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

選用厚度為6mm的6061-T6鋁合金板材作為焊接工件，攪拌工具為高速鋼材料，在立式VM1360立式銑床上開(kāi)展無(wú)下壓力控制和有下壓力控制對(duì)比的焊接實(shí)驗(yàn)，根據(jù)主軸前端式力傳感器監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的下壓力，選取的工藝參數(shù)數(shù)值，如表2所示。

表2 FSW工藝參數(shù)Tab.2 Process Parameters of FSW

在攪拌針插入的過(guò)程中，下壓力急劇上升到一個(gè)極大值，當(dāng)軸肩插入的時(shí)候，下壓力進(jìn)一步升高達(dá)到極大值。在下壓過(guò)程結(jié)束時(shí)，攪拌頭將停留1s后才開(kāi)始進(jìn)給，下壓力迅速減小。而在進(jìn)給開(kāi)始時(shí)，下壓力值再次上升，從焊接進(jìn)給開(kāi)始后進(jìn)入主軸下壓力控制區(qū)域，開(kāi)始進(jìn)給速度控制。圖5上面部分是由于缺乏下壓力控制產(chǎn)生的焊接缺陷，圖5下面的焊縫可以看出通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)進(jìn)給速度控制主軸下壓力，經(jīng)過(guò)控制后得到了更光滑、無(wú)毛刺、無(wú)孔洞的焊縫質(zhì)量，說(shuō)明該控制方式對(duì)進(jìn)給速度的控制能力滿足FSW的需求。

圖5 無(wú)下壓力控制的焊接缺陷圖和有下壓力控制的焊接質(zhì)量圖Fig.5 Weld Flaw without Axial Force Control and Welding Quality Under Axial Force Control

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖6中下壓力曲線與圖5中好的焊縫質(zhì)量對(duì)應(yīng)。根據(jù)焊接進(jìn)給階段的曲線分析可知，在攪拌頭沿著焊縫進(jìn)給的過(guò)程中，隨著進(jìn)給速度逐漸從100mm/min下降到50mm/min，下壓力也會(huì)降低。當(dāng)開(kāi)始進(jìn)給時(shí)，下壓力有比較大的波動(dòng)。工件裝夾在剛性平面上，因?yàn)閿嚢桀^移動(dòng)到了一個(gè)工件材料溫度較低的區(qū)域，焊接環(huán)境變差，從而產(chǎn)生了力值的變化。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，通過(guò)減小進(jìn)給速度，這樣在攪拌頭軸肩和工件接觸的局部區(qū)域就可以產(chǎn)生足夠的熱量，從而得到好的焊接質(zhì)量。從（36～63）s，開(kāi)啟控制程序，焊接過(guò)程中下壓力值變化相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)參考力為5000N，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)焊接過(guò)程時(shí)，立即將下壓力調(diào)整到5000N附近，調(diào)整過(guò)后無(wú)明顯振蕩。圖中兩條垂直虛線表示下壓力控制的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，這段時(shí)間下壓力的平均值為5062N，誤差分布區(qū)間為［-215，389］N，標(biāo)準(zhǔn)偏差 125.8N。

圖6 進(jìn)給速度修調(diào)的主軸下壓力控制焊接曲線Fig.6 Welding Curve of the Axial Force Control Via Traverse Speed

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用無(wú)線傳輸技術(shù)，解決了旋轉(zhuǎn)式主軸電壓信號(hào)線的連接問(wèn)題，采用無(wú)線供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)力裝置的穩(wěn)定供電需求，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)下壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（2）采用Labview軟件的G語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)的下壓力監(jiān)控軟件，具有數(shù)據(jù)保存、顯示、分析、回放和控制等功能，能夠?qū)αχ禂?shù)據(jù)進(jìn)行分析和調(diào)用。（3）監(jiān)控系統(tǒng)下壓力測(cè)量范圍為（0～20000）N，電壓分辨能力為1mv/3N，測(cè)量誤差為0.75%。進(jìn)給速度修調(diào)的FSW主軸下壓力控制基本穩(wěn)定，控制精度約為8%。（4）本套系統(tǒng)成本小，使用方便，通用性較高。研究表明，改變進(jìn)給速度控制主軸下壓力的方式為提高攪拌摩擦焊接質(zhì)量提供了重要的方法和理論依據(jù)，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。