LFW系統頂鍛方向位置與壓力轉換無擾控制原理的分析及試驗

黎明，關大力，李輝，江樂天，于音,趙峰

(中國航空制造技術研究院，北京 100024)

0 前言

線性摩擦焊接(Linear Friction Welding,LFW)是近年來快速發展的一種焊接技術，主要應用于發動機整體葉盤和飛機框梁類零件的制造，其焊接原理如圖1所示[1]。

圖1 線性摩擦焊示意

左側工件在垂直方向上高頻振動，右側工件在水平方向頂鍛力的作用下和左側工件端面接觸，在接觸面上發生高頻摩擦產生熱量，隨著溫度升高，接觸面材料軟化、變形，當變形達到一定程度時，左側工件快速停止振動，保證2個工件振動方向對齊，并使頂鍛力保持一段時間，2個工件就連接為一體，完成焊接[2]。

1 轉換控制原理分析

目前，在現有的線性摩擦焊設備上采用的頂鍛方向縮短量控制方式是壓力控制，即焊接過程中頂鍛方向從始至終保持一定的頂鍛力，并在頂鍛方向預置縮短量s處發出振動停止信號，使得激振油缸停止振動。

在焊接過程中，頂鍛方向縮短量s誤差主要產生在振動停止變形段，由于固定的振動停止激發點(頂鍛方向預置縮短量s0處)發出振動停止信號后，始終保持壓力控制，但頂鍛位置不受控制，導致頂鍛方向縮短量s重復精度差。這導致在相同材料、相同焊接工藝參數的條件下，一批工件的縮短量s有約為±0.3 mm的誤差，無法實現某些精度要求較高的工件焊接[3-4]。

為實現LFW系統頂鍛方向位置與壓力轉換無擾控制，本文作者分別建立如圖2和圖3所示的壓力及位置控制傳遞函數并進行分析，以找到頂鍛方向位置與壓力轉換的控制方法，從而實現精確控制[5]。

圖2 壓力控制傳遞函數框圖

圖3 位置控制傳遞函數框圖

其中：us為設定值；KAm為液壓伺服放大器增益；Ksv為液壓伺服閥閥芯位移增益;Gsv(s)為液壓伺服閥傳遞函數;Xv為液壓伺服閥閥芯位移;Kq為液壓伺服閥流量增益;Kce為液壓伺服閥壓力流量系數;V為液壓缸容缸的總體積;βe為油液綜合體積彈性模量;Ap為液壓缸等效作用面積;BL為液壓缸阻尼系數;Ks為負載彈性系數;KF為力反饋增益;KX為位移反饋增益。

由圖2、圖3可以看出：位置反饋信號取自液壓伺服缸的位移，負載FL是擾動量，液壓伺服缸輸出力隨著負載的改變而改變，系統的運動特性主要由液壓伺服缸的固有特性決定。控制力時，由于結構設計的原因，常常用控制壓力代替，檢測信號取自液壓缸2個腔的壓力。位置環是開環的，系統的輸出特性主要由液壓伺服缸2個腔的容腔體積決定。另外，液壓壓力靠負載來建立，所以壓力控制過程是在執行機構接觸到施力構件之后開始進行的。在接觸之前，執行器主要受到系統慣性力和系統摩擦阻力作用。

液壓伺服系統中的壓力可以通過在容積一定的系統中添加油液載荷力或向定向系統添加油液而產生。文中忽略熱膨脹的影響，則壓力變化的基本公式為

(1)

由公式(1)可知，壓力隨著液壓缸容量及體積彈性模量βe的改變而改變，而體積彈性模量反映了液體的壓縮性。比如，油的體積彈性模量大約為1.379 MPa，而水的體積彈性模量則大約為2.151 2 MPa。這意味著如果容量減少0.1%(-0.001)，油壓將增加1.379 MPa，而水壓將增加2.151 2 MPa，即水比油更難壓縮。

任意時刻壓力和力的變化率分別如下所示：

(2)

(3)

假設面積和體積彈性模量為常量，則在已知速度、流量和當前容量的前提下，可以計算出任意時刻壓力和力的變化率。

在完成LFW系統頂鍛方向位置與壓力分析后，應用RMCTools軟件，在閉環壓力系統中取用一些初始和保守的PID及前饋增益后，通過軟件自帶的調節導向工具的命令控制軸的壓力，使它在指定的時間內漸變到指定壓力。在所有增益設置為0的情況下，先使執行機構達到極限位置，然后僅對PID輸入設定值和一個比例增益，通過以下公式進行估算：

(4)

其中：Kp壓力和Kp力分別為壓力調整值和力調整值。通過反復調節PID的相關參數以及力變化率的前饋增益，不斷優化調節[6]。當壓力調整值確定后，需要調節位置控制和力控制的邊界閾值界限，以進行過渡轉換。在進行過渡轉換的過程中，當接近閾值界限時，需要降低系統的運行速度，以達到期望的效果。

2 試驗驗證

根據以下公式進行“預置縮短量S01”設置。i、j為批量焊接次數。i=1時，將系統“預置縮短量S01”設定值設置為s0；i≥2時，將系統“預置縮短量S01” 設定值設置為s0(i)；系統頂鍛壓力設定值設置為p0(j)。

整個加工過程如圖4所示，控制頂鍛油缸的頂鍛壓力p并推動頂鍛方向焊件向振動方向焊件移動進行焊接，當焊件在頂鍛方向的位置達到頂鍛方向預置縮短量s時，激振油缸停止振動，并在頂鍛壓力發生最大波動時記錄此時頂鍛方向的位置信息，標記為縮短量LS。預置縮短量為8 mm時,實測縮短量(LS00～LS09)如表1所示，最終縮短量平均值為8.35 mm，最終縮短量誤差約為±0.16 mm。

圖4 壓力與位置轉換控制LFW焊接過程

表1 實測縮短量

3 結論

本文作者提出了線性摩擦焊頂鍛方向的精度控制方法，通過試驗驗證了該方法的可行性。利用該方法，可在保持頂鍛方向壓力控制的同時，實現頂鍛方向位置的同步控制，以保證“頂鍛方向預置縮短量”與“頂鍛方向縮短量”重復一致性，從而提高了頂鍛方向縮短量的精度。