攪拌摩擦焊接過程閉環(huán)控制方法研究

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

近年來，航天發(fā)射密度的逐漸增加，對航天制造的質(zhì)量和效率提出了更高的要求，而制造過程的自動化是高質(zhì)量、高效率、高效益地完成發(fā)射任務(wù)的重要途徑。攪拌摩擦焊作為運(yùn)載火箭貯箱制造的重要技術(shù)，提高其自動化水平有助于提升產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率并降低工人勞動強(qiáng)度。

現(xiàn)有工藝中，貯箱的攪拌摩擦焊接過程還未實(shí)現(xiàn)完全自動化，其關(guān)鍵在于焊接過程的壓入量無法自動調(diào)節(jié)，需要操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，并在焊接過程中實(shí)時調(diào)節(jié)，焊縫質(zhì)量很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)?；诖?，采用壓力控制方式替代下壓量控制，通過外部傳感器獲得反饋信號替代人工實(shí)時干預(yù)，其控制方法如圖1所示。控制過程主要包括[1]：傳感器將檢測到的焊接壓力值F反饋給數(shù)控系統(tǒng)，與設(shè)定壓力值Fs比較，并將結(jié)果反饋給數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)反饋結(jié)果驅(qū)動運(yùn)動軸運(yùn)動，調(diào)節(jié)下壓量以保證壓力恒定。

圖1 攪拌摩擦焊接壓力反饋控制方法

上述反饋信號一般通過壓力傳感器測得，壓力傳感器可安裝在工作臺[2]或Z軸絲杠上。為簡化傳感器安裝難度，提高測量精度，現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)的智能刀柄[3]將傳感元件與刀柄結(jié)合，基于無線信號傳輸裝置，實(shí)時采集焊接過程中的壓力、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制。同時，基于智能刀柄反饋的壓力信號，通過調(diào)節(jié)焊接速度也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接過程的閉環(huán)控制[4]。但是，上述研究均需通過外部傳感器得到反饋信號，需改造現(xiàn)有設(shè)備并進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)集成，成本高、周期長。為此，蔡智亮等人[5]將Z軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為反饋信號，通過控制Z軸轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)下壓量，可在未采用任何外部傳感器的條件下實(shí)現(xiàn)焊接過程的閉環(huán)控制。因此，采用焊接設(shè)備自身伺服驅(qū)動參數(shù)作為反饋信號，可降低硬件的成本投入。但是，哪些驅(qū)動參數(shù)可替代焊接壓力作為閉環(huán)控制的反饋信號，現(xiàn)有文獻(xiàn)并未開展研究。

基于此，采用攪拌摩擦焊接壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，采集焊接過程中的焊接壓力和伺服驅(qū)動參數(shù)，重點(diǎn)對比焊接壓力與主軸功率、主軸轉(zhuǎn)矩、Z軸轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，得到替代焊接壓力的最優(yōu)反饋信號，為攪拌摩擦焊接過程閉環(huán)控制提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭受力復(fù)雜，工藝參數(shù)、工件的加工和裝配精度都會引起焊接壓力變化。因此，研究不同工況下的伺服驅(qū)動參數(shù)與焊接壓力的關(guān)系具有重要意義。

本文所采用的攪拌摩擦焊接壓力控制系統(tǒng)，其壓力傳感器安裝在Z軸驅(qū)動絲杠和主機(jī)頭安裝座之間，可實(shí)時監(jiān)測和采集焊接壓力。同時，該系統(tǒng)還可輸出焊接過程中各驅(qū)動軸的功率和轉(zhuǎn)矩。焊接試驗(yàn)采用壓力控制模式，反饋信號為壓力傳感器測得，壓力設(shè)定值為1 3000 N。采用鋁合金試板進(jìn)行焊接，尺寸為300 mm×100 mm×6 mm。焊接過程共分五個階段：下扎階段（下扎速度15 mm/min）、停留階段（停留5 s）、過渡階段、穩(wěn)定焊接階段以及拔出階段（停留5 s后拔出）?；跀?shù)據(jù)采集模塊，將各個階段的主軸轉(zhuǎn)矩、主軸功率、Z軸轉(zhuǎn)矩和焊接壓力進(jìn)行采集和輸出。采用3組不同的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，具體參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 驅(qū)動參數(shù)變化規(guī)律

圖2 不同厚度下的材料流動情況

焊接過程中各驅(qū)動參數(shù)變化情況如圖3所示，焊接轉(zhuǎn)速為600 r/min，焊接走速為200 mm/min。可以看出，當(dāng)攪拌針剛扎入工件時，材料仍處于彈性狀態(tài)，焊接壓力近似呈線性上升；隨后，在攪拌針摩擦產(chǎn)熱和材料變形產(chǎn)熱的共同作用下，焊接壓力降低；隨著軸肩邊緣開始接觸工件表面，焊接壓力又一次近似線性上升；在停留階段，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，軸肩下方材料在軸肩的劇烈摩擦下快速升溫，材料軟化嚴(yán)重，焊接壓力降低；過渡階段，攪拌頭開始沿焊縫運(yùn)動，材料的產(chǎn)熱和散熱逐漸達(dá)到動態(tài)平衡，壓力上升后逐漸穩(wěn)定；當(dāng)攪拌頭到達(dá)焊縫終點(diǎn)，下壓力隨著攪拌頭的拔出快速下降。該過程與文獻(xiàn)[6]中的結(jié)果一致。由此可見，在攪拌頭下扎階段和拔出階段，焊接壓力波動較大，很難進(jìn)行閉環(huán)控制；而穩(wěn)定焊接階段是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，壓力相對穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3 焊接過程各參數(shù)變化規(guī)律

分析穩(wěn)定焊接階段的各驅(qū)動參數(shù)，得到其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并將標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值作為衡量該參數(shù)波動程度的指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯鬏S壓力的平均值為13 030 N，與設(shè)定值1 3000 N非常接近，波動程度僅為0.842%，波動程度較小，可以看作恒定壓力控制階段。此外，主軸功率的波動程度約為2%，變化過程較為穩(wěn)定，易于控制，可以作為反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制；而主軸轉(zhuǎn)矩和Z軸轉(zhuǎn)矩在壓力控制階段波動較大，很難進(jìn)行閉環(huán)控制。因此，在穩(wěn)定焊接階段，焊接壓力和主軸功率均可作為反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制。

表1 穩(wěn)定焊接階段各個驅(qū)動參數(shù)波動程度統(tǒng)計(jì)

2.2 工藝參數(shù)影響規(guī)律

本文采用三組具有相同焊接轉(zhuǎn)速-走速比的工藝參數(shù)來研究主軸功率的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工藝參數(shù)下的主軸功率

可以看出，在不同工藝參數(shù)下，主軸功率的變化規(guī)律基本一致：在下扎階段，主軸功率隨著攪拌針的下扎逐漸增大，當(dāng)軸肩接觸工件表面時，主軸功率達(dá)到最大值；在過渡階段，主軸功率隨著材料軟化而逐漸降低；在穩(wěn)定焊接階段，材料的產(chǎn)熱和散熱逐漸達(dá)到平衡，主軸功率的變化逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)攪拌頭拔出工件時，主軸功率迅速降低。與圖3對比可知，焊接全過程中主軸功率和焊接壓力的變化趨勢基本一致。

提取、分析穩(wěn)定焊接階段的主軸功率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，不同工藝參數(shù)下的主軸功率波動程度均較小，可以進(jìn)行閉環(huán)控制。需要指出的是，不同工藝參數(shù)下的主軸功率并不相同，轉(zhuǎn)速越大，主軸功率越大。結(jié)合圖5可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min時，焊縫表面平整，紋理清晰；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時，焊縫表面毛糙，焊縫區(qū)域熱輸入量過大。

表2 穩(wěn)定焊接階段主軸功率波動程度統(tǒng)計(jì)

圖5 不同工藝參數(shù)下的焊縫表面

綜上可知，雖然三組工藝參數(shù)具有相同的焊接轉(zhuǎn)速-走速比，但是焊縫熱輸入并不相同。主軸功率越大，焊縫區(qū)域熱輸入越大。因此，將主軸功率作為反饋信號，不僅可以實(shí)現(xiàn)焊接過程閉環(huán)控制，還可以作為衡量焊縫熱輸入的重要指標(biāo)，達(dá)到控制焊縫熱輸入的效果，防止因工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致接頭性能降低。

2.3 基于主軸功率反饋的過程控制方法

通過以上分析，提出了基于主軸功率反饋的焊接過程控制方法，如圖6所示。閉環(huán)控制過程的實(shí)現(xiàn)主要包括：通過工藝試驗(yàn)確定主軸功率最佳值Qs，并作為焊接過程的設(shè)定值；在穩(wěn)定焊接階段，數(shù)控控制系統(tǒng)將伺服驅(qū)動器中的主軸功率值Q與設(shè)定值進(jìn)行比較，并將結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動Z軸電機(jī)調(diào)節(jié)攪拌頭的下壓量。若主軸功率實(shí)際值小于設(shè)定值，則攪拌頭向下運(yùn)動，下壓量增大；若主軸功率實(shí)際值大于設(shè)定值，則攪拌頭向上運(yùn)動，下壓量減少。

圖6 基于主軸功率反饋的焊接過程控制方法

為了保證控制系統(tǒng)的控制效果和魯棒性，采用PID控制器技術(shù)克服系統(tǒng)超調(diào)。通過Ziegler-Nichols法確定控制器的最優(yōu)整定參數(shù)，按照“先P后I最后D”的操作程序?qū)⒖刂破髡▍?shù)調(diào)到計(jì)算值上。若主軸功率的控制達(dá)不到預(yù)期效果，可以再進(jìn)一步調(diào)整。需要指出的是，上述控制過程僅在穩(wěn)定焊接階段實(shí)施，且在焊接過程中處于動態(tài)調(diào)節(jié)的狀態(tài)。此外，焊接轉(zhuǎn)速和焊接走速的改變都會影響主軸功率的大小，上述焊接過程控制方法是在焊接轉(zhuǎn)速和焊接走速恒定的條件下，通過調(diào)節(jié)攪拌頭的下壓量來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

基于攪拌摩擦焊接壓力控制系統(tǒng)研究了不同工況下焊接壓力和各伺服驅(qū)動參數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）攪拌頭下扎和拔出階段的焊接壓力和各伺服驅(qū)動參數(shù)波動較大，很難進(jìn)行閉環(huán)控制；穩(wěn)定焊接階段的各參數(shù)相對穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

（2）在穩(wěn)定焊接階段，主軸轉(zhuǎn)矩和Z軸轉(zhuǎn)矩變化幅值較大，無法作為反饋信號進(jìn)行控制，而主軸功率波動程度較小，可以作為反饋信號實(shí)現(xiàn)焊接過程閉環(huán)控制。

（3）在不同工藝參數(shù)下，主軸功率均可較好地實(shí)現(xiàn)焊接過程閉環(huán)控制，又可以作為衡量焊縫熱輸入的重要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)控制焊縫熱輸入的效果。