蜂窩結(jié)構(gòu)的焊點位置控制方法研究

（中國航空制造技術(shù)研究院航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024）

蜂窩結(jié)構(gòu)是科研人員根據(jù)仿生學(xué)原理，觀察蜂巢組合而研究出的一種正六邊形結(jié)構(gòu)，通過相同規(guī)格的正六邊形組合，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)強度高、重量輕，在300℃以上高溫環(huán)境長期工作[1]，同時兼具密封性能好等特點[1-4]。由于這些優(yōu)越性能，蜂窩結(jié)構(gòu)在飛機及發(fā)動機類結(jié)構(gòu)研制生產(chǎn)中得到廣泛運用[5-6]：

對于單個芯體較大的蜂窩，通過在蜂窩層兩側(cè)焊接薄板，形成的蜂窩壁板具有高強度、低重量的特點，主要應(yīng)用在各類壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計中；對于單個芯體較小的蜂窩，通過在發(fā)動機相關(guān)部件的封嚴環(huán)表面釬焊蜂窩封嚴環(huán)，與轉(zhuǎn)子或葉冠上的篦齒構(gòu)成封嚴結(jié)構(gòu)，可控制盤間腔空氣泄露，改善漏氣性能，提高發(fā)動機效率。在汽輪機、內(nèi)燃機等領(lǐng)域，蜂窩封嚴技術(shù)也得到廣泛運用[7-9]。

成型法加工蜂窩芯體的方法最早見于20世紀70年代，后由國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)引進吸收。目前除相關(guān)科研院所外，部分民企也進行該技術(shù)的生產(chǎn)和推廣工作。在目前可查閱到的文獻中，對該方法的介紹更多側(cè)重于原理性的綜述性介紹，或者是對蜂窩芯體及其產(chǎn)品性能的分析工作，對于自動化生產(chǎn)過程這個問題，未見涉及。然而，對于利用該法加工的蜂窩芯體而言，手工拼接勞動強度大，無法滿足日益增長的各種需求。因此，蜂窩芯體加工的自動化是提高產(chǎn)品產(chǎn)能的唯一措施。研究這個問題，以及過程中的精度控制這個關(guān)鍵問題，顯得較為迫切。

1 工藝及控制系統(tǒng)的選型

蜂窩的制造方法有成型法、拉伸法、熔融沉積法以及粉末擠壓燒結(jié)法[4,10-11]等。成型法是先將材料壓成波紋狀，再疊合連接；拉伸法是先將材料連接疊合，再將材料拉伸而成。兩種方法中的材料疊合，可以通過膠接，也可通過熱源的點焊進行連接。成型法生產(chǎn)中采用激光作為熱源進行點焊，本文針對該工藝的關(guān)鍵問題進行分析。

（1）較高精度定位的控制。蜂窩芯體的結(jié)構(gòu)大小不一，可焊接區(qū)域最小僅有0.45mm左右，如果運動軸及配套機械裝置的定位精度不夠，稍有偏差就會導(dǎo)致蜂窩的錯格，影響后續(xù)蜂窩的焊接。因此，焊接過程中需要實現(xiàn)較高定位精度的控制。

（2）焊點的分布與軸運動的聯(lián)動控制。蜂窩拼焊采用的是激光位置不變而蜂窩波紋帶運動的方式，舊有控制方式采用設(shè)定焊接頻率與觸發(fā)間隔的方式控制激光器的觸發(fā)，運算復(fù)雜、控制較困難。而不同規(guī)格的蜂窩，又對焊點的位置分布提出較高要求，激光點觸發(fā)時間的早晚、位置分布不均都有可能導(dǎo)致焊接不牢、焊接穿孔等問題，從而導(dǎo)致蜂窩報廢，帶來經(jīng)濟損失。因此，控制中需要考慮激光焊接的觸發(fā)時間與軸的運動邏輯之間的問題。

綜合分析以上問題，機床新控制系統(tǒng)選用了運動控制器+伺服電機的運動控制方式，運動控制器選用了PARKERHANNIFIN的 ACR9000系列多軸運動控制器，伺服電機選用了三菱自動化的HG-KR系列伺服電機，配套驅(qū)動器為MR-J4驅(qū)動器。主要技術(shù)指標如表1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題處理

根據(jù)蜂窩拼焊的工藝需求和機床自身情況，為了保證焊點位置，需要著重解決以下兩個問題。

2.1 運動軸的定位精度

機床定位精度是保證焊接精度的基礎(chǔ)，工藝要求定位精度為0.05mm，首先對機床的機械組成提出了較高要求。

根據(jù)精度控制的一般要求，為了滿足設(shè)計精度指標，控制系統(tǒng)的精度指標大約要為設(shè)備精度指標的10倍，因此需先按照這一標準進行設(shè)計選型。經(jīng)過分析比較，在選擇了扭矩與螺距合適的絲杠及減速器后，電機側(cè)每旋轉(zhuǎn)1圈，負載端將前進2mm。同時，通過驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置，將伺服電機每轉(zhuǎn)編碼器線數(shù)設(shè)為10000PLS/R。這樣，負載每前進1mm，控制器端發(fā)出脈沖數(shù)為5000PLS，即1個脈沖對應(yīng)運行單位為D=0.0002mm，控制系統(tǒng)精度遠高于理論精度要求。

由理論計算可知，所選用的伺服電機自帶編碼器組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)即可滿足機床精度要求，負載端無須另裝位置反饋元件。裝配完成后，由于裝配等產(chǎn)生的誤差不可避免，仍需通過螺距誤差補償?shù)氖侄芜M行補償，使軸定位精度滿足設(shè)計要求。

表1 控制部件主要技術(shù)參數(shù)

2.2 激光點的位置精度控制方法

現(xiàn)有激光器在焊接時，在保證焊接質(zhì)量的前提下，最小光斑直徑約為0.3mm，該光斑直徑在焊接較大芯格蜂窩時，即使稍有偏差，也不會對芯格質(zhì)量產(chǎn)生大的影響。然而，焊接小芯格蜂窩（如焊接區(qū)域為0.45mm）時，即使將光斑調(diào)至最小值，稍有偏差光斑就會偏至兩側(cè)，導(dǎo)致蜂窩斜邊穿孔，當穿孔達到一定數(shù)目時，本條產(chǎn)品即告報廢，給生產(chǎn)帶來損失。

因此，在實際焊接中，在已經(jīng)保證機床軸運行運動同步后，還必須保證激光發(fā)射頻率與軸運動速度一致，這樣才能避免過多穿孔現(xiàn)象的發(fā)生。保證同步的方式有兩種：一種是速度同步；一種是位置同步。

速度同步是將激光器與軸運動分別控制，僅需激光器頻率與軸速度保持一致即可，通過同一控制信號啟動二者啟停。該方法的弊端在于，軸運動中有加減速的過程，而激光器發(fā)光頻率在考慮加減速時間等參數(shù)影響后，可以設(shè)定一個最優(yōu)匹配的參數(shù)使系統(tǒng)運行。但是加工速度發(fā)生改變時，由于是分開控制，無法使激光器發(fā)射頻率隨著軸運動改變而自由調(diào)節(jié)，導(dǎo)致焊接失敗。

位置同步是將激光看成一個具有激光焊接功能的運動模塊，與各運動軸作為一個整體來進行控制。這樣就不需要通過時間變量來控制激光的發(fā)射間隔，而是根據(jù)運行的位置來控制激光器的工作，然后通過程序或者硬件電路將激光器的運動與軸的運動進行同步，實現(xiàn)焊點位置的保證。

在本控制系統(tǒng)的研制中，通過兩種位置同步的方式，對激光點發(fā)射與軸同步運行的工作進行了研究。

2.2.1 基于軸編碼器數(shù)據(jù)的位置控制

現(xiàn)有電機運行控制有兩種：一種是基于正反脈沖串的CW/CCW控制,通過脈沖相位判斷正反向，由脈沖數(shù)多少來控制運行位置；另一種是脈沖+方向的控制方式，方向信號為高電平時，電機正轉(zhuǎn)，方向信號低電平時，電機反轉(zhuǎn)，同時通過脈沖信號的多少來決定負載的運行距離。

本文中，由于需要完成直條蜂窩的焊接，帶動靠板運動的X軸必須以直線運動的方式運動，X軸的位置與速度都需要嚴格的保證。因此，可以針對X軸的相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)控制目的。

X軸的位移大小通過脈沖數(shù)決定，而每個芯格的尺寸L，在直線方向上，也可以量化成由一定脈沖數(shù)N代表的長度，即L=N×D。當D足夠小且N數(shù)量足夠時，芯格尺寸誤差可以忽略。

完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，即可通過對X軸電機編碼器脈沖計數(shù)來判斷激光控制脈沖的輸出。在軟件中設(shè)定計數(shù)閾值，系統(tǒng)計數(shù)器對該參數(shù)進行計數(shù)，每當計數(shù)閾值達到，激光控制脈沖觸發(fā)一次，進行一次焊接。如此重復(fù)直至單條蜂窩完成焊接，如圖1所示。

控制器里通過使用OOP指令完成關(guān)聯(lián)編碼器后的定位輸出控制。

圖1 關(guān)聯(lián)編碼器的控制示意圖Fig.1 Control schematic diagram of associated encoder

圖2 軸同步式控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of axis synchronous control

2.2.2 基于軸同步原理控制

脈沖+方向的控制方式，通過軸配置中定義脈沖個數(shù)的方式設(shè)定電機轉(zhuǎn)動1圈需要多少個脈沖。對于激光器而言，也可以將激光器看做一個運動軸，將控制器上軸的控制脈沖信號接入激光器，作為激光器的啟動信號，并將其與其他軸一樣在軟件中進行配置。與電機驅(qū)動類似，將其旋轉(zhuǎn)1圈的驅(qū)動脈沖數(shù)設(shè)為1，輸入M個脈沖，激光器所對應(yīng)的軸就旋轉(zhuǎn)M圈，即發(fā)射M次焊接激光。由于是作為軸進行控制的，因此，運動控制器可以內(nèi)部進行同步處理，使激光發(fā)射與其他軸的運動同步?？刂剖疽馊鐖D2所示。

在程序里，僅需通過一條語句，如“X/30 Z/30”即可完成X向前進30個芯格單位，同時同步完成30次激光輸出的功能。

3 結(jié)論

針對蜂窩芯體成型法加工自動化生產(chǎn)過程，分析了蜂窩結(jié)構(gòu)在利用激光熱源進行點焊時中需要注意的一些問題，并針對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題即焊點的位置控制，介紹在所選用控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的軸定位精度補償方法，著重從兩種控制思路上介紹了保證焊點位置的方法。這兩種方法速度快、精度高，在設(shè)備調(diào)試過程中，將這兩種控制方法進行實際應(yīng)用，并與不同廠家的激光器進行聯(lián)調(diào)，進行了買方需要的2m左右蜂窩條的焊接。在整個加工過程中，0.3mm的蜂窩焊點光斑均處于寬度0.45mm蜂窩格中心位置，無偏離、錯位或焊點丟失現(xiàn)象，解決了舊有控制方式軸與激光器無法自適應(yīng)的問題，焊接質(zhì)量符合工藝需求。證明了這兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩芯體的快速高精度焊接，目前該拼焊設(shè)備已投入實際生產(chǎn)中。

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