管材攪拌摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

蘇海龍，駱宗安，謝廣明

（東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991 年10 月提出的發(fā)明專利，是一種新型的固相焊接技術(shù)［1］。攪拌摩擦焊的焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針插入工件的接縫處，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫［2-3］。攪拌摩擦焊技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：焊接溫度低，固相連接；成本低，效率高，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；無煙塵、輻射、飛濺、噪聲及弧光等產(chǎn)生，并根除了熔焊所固有的焊接缺陷（氣孔、凝固裂紋等），提高了接頭和結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量，降低了焊接變形等；在其他輕金屬如鎂、銅、鋅等材料的制造中也正得到工程化應(yīng)用，成為在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中可以替代熔焊技術(shù)的、工業(yè)化實(shí)用的固相連接技術(shù)［4］。

為了深入研究攪拌摩擦焊技術(shù)的深層機(jī)理，弄清焊接設(shè)備的部件結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)等因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了兩臺(tái)管材攪拌摩擦焊機(jī)。這兩臺(tái)焊機(jī)的控制系統(tǒng)分別采用了西門子的PLC［5］和伺服控制系統(tǒng)及西班牙Fagor 公司的數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，完成多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的精確協(xié)調(diào)控制任務(wù)，可以對(duì)各種管材（鋼材、輕合金等）進(jìn)行攪拌摩擦焊接研究，為攪拌摩擦焊的工藝改進(jìn)與完善提供了有效的工具。

1 攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)

攪拌摩擦焊機(jī)由主設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)（1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)）和冷卻系統(tǒng)等組成。1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)為西門子公司的產(chǎn)品；2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)為西班牙Fagor 公司的產(chǎn)品。

1.1 主體結(jié)構(gòu)

攪拌摩擦焊機(jī)的主體設(shè)備由臺(tái)架、管材卡盤、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、攪拌頭旋轉(zhuǎn)架、液壓鎖緊機(jī)構(gòu)（1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)）或電動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)（2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)，采用電動(dòng)推桿鎖緊管材）等組成，在攪拌頭的后部設(shè)有冷卻水道，用于冷卻攪拌頭。攪拌摩擦焊機(jī)3D 模型如圖1 所示。

圖1 攪拌摩擦焊機(jī)3D 模型示意

焊接工作過程為：將卡盤張開，放入待焊接的兩根管材，然后卡盤閉合，并采用多點(diǎn)螺栓緊固，在管材內(nèi)部放入襯管（用于焊接過程支撐焊接管內(nèi)壁），通過人機(jī)界面，輸入控制參數(shù)（2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)輸入G 語言程序），如攪拌頭的插入深度（壓下量）與速度、主軸隨時(shí)間的旋轉(zhuǎn)速度、焊接前進(jìn)速度等，然后開始焊接試驗(yàn)。

在焊接過程中，人機(jī)界面顯示控制參數(shù)及實(shí)際采集的數(shù)據(jù)，用于監(jiān)控試驗(yàn)過程的主要參數(shù)變化規(guī)律，顯示焊接過程中攪拌頭對(duì)焊接管的壓力變化、旋轉(zhuǎn)軸的電機(jī)扭矩、速度，給進(jìn)電機(jī)的速度及位移變化，主軸電機(jī)的速度及扭矩等。

1.2 控制系統(tǒng)的硬件配置及功能

2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)選用西班牙Fagor 公司的 CNC 數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)［6］。CNC 數(shù)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上，并經(jīng)過多年的改進(jìn)和發(fā)展，已經(jīng)形成了完善的控制軟件包，可以對(duì)X 軸、Y 軸、Z 軸、主軸及輔助軸進(jìn)行多維度程序控制，還具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等功能，且可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)G 語言編程。但是，CNC 數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部功能對(duì)外開放程度有限，用戶定制任務(wù)等靈活多變的編程需求受到限制。

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)選用西門子的PLC 及 SIMOTION 伺服控制系統(tǒng)［7］，S7-300 PLC 作主站，與ET200M 從站之間及SIMOTION 伺服控制系統(tǒng)的通信單元CU320 之間通過Profibus-DP 進(jìn)行通信［8］。該方案的優(yōu)點(diǎn)是編程靈活、成本低；缺點(diǎn)是編程量極大，不能使用G 語言編程。

1 號(hào)設(shè)備人機(jī)界面計(jì)算機(jī)選用研華嵌入式工控機(jī)及15 in（381 mm）工業(yè)顯示器，PLC 與工控機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信?？刂葡到y(tǒng)的硬件配置如圖2～3 所示。

圖2 1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖3 2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2.1 控制系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2.1.1 伺服電機(jī)的主要參數(shù)

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的參數(shù)為：主軸電機(jī)額定功率 22 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min；扭矩140 N·m；給進(jìn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩12.5 N·m，行程100mm；旋轉(zhuǎn)電機(jī)共2 臺(tái)，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩6.5 N·m，減速比40。兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)性能相同，對(duì)稱安裝，旋轉(zhuǎn)方向相反。

2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的參數(shù)為：S 軸（主軸電機(jī)）額定功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500～8 000 r/min，扭矩118 N·m；A 軸（旋轉(zhuǎn)軸）旋轉(zhuǎn)方向從設(shè)備右側(cè)看，順時(shí)針為正，限位角度是0°～360°（定義推桿電機(jī)側(cè)為設(shè)備正面），額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩9.55 N·m；Y 軸（平移軸）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩4.78 N·m，行程70 mm；Z軸（給進(jìn)軸）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩9.55 N·m，行程70 mm。

1.2.1.2 主軸及給進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)在人機(jī)界面上設(shè)定主軸和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，PLC 程序根據(jù)減速機(jī)的減速比和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)將設(shè)定轉(zhuǎn)速換算成主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過Profibus-DP 總線將設(shè)定轉(zhuǎn)速傳送給伺服控制器，伺服電機(jī)內(nèi)置增量編碼器作為速度反饋信號(hào)，比較設(shè)定速度與實(shí)際反饋速度，通過伺服控制器的閉環(huán)PID 控制算法計(jì)算，經(jīng)由DRIVE-CLIQ 接口控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)給機(jī)構(gòu)攪拌頭前進(jìn)的位置（進(jìn)給電機(jī)在速度閉環(huán)的基礎(chǔ)上，還有位置閉環(huán)，即雙閉環(huán)控制）。

2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)各軸電機(jī)的控制參數(shù)及需要焊接的軌跡都是通過G 語言編程的方式完成。

1.2.1.3 兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的同步閉環(huán)控制

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)置絕對(duì)值編碼器作為位置反饋信號(hào)，但旋轉(zhuǎn)電機(jī)是兩臺(tái)相同的電機(jī)，運(yùn)行時(shí)需要二者同步控制，即啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)等都需要高度的同步，否則將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的扭矩，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)造成嚴(yán)重影響，甚至損壞，同時(shí)影響控制效果。

伺服電機(jī)需要通過Starter 系統(tǒng)配置軟件的參數(shù)識(shí)別及優(yōu)化后才能進(jìn)行控制，首先需要選擇所配置電機(jī)的編號(hào)、控制器的功能模式、電機(jī)模塊、DRIVE-CLIQ 接口、抱閘（電機(jī)內(nèi)置）、編碼器類型、報(bào)文類型、負(fù)載精度等，然后配置控制參數(shù)。兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的閉環(huán)控制部分主要參數(shù)見表1。

表1 兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的閉環(huán)控制部主要參數(shù)

手動(dòng)設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度后，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)在Starter系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速與手動(dòng)設(shè)定的不同，所以要通過程序進(jìn)行換算，以實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)絊tarter 系統(tǒng)中的數(shù)值為人機(jī)界面上設(shè)定的轉(zhuǎn)速。實(shí)測(cè)幾組不同的速度，通過Origin 軟件找出設(shè)定速度與實(shí)際速度的線性方程，x 為PLC 上設(shè)定的速度，y 為Starter 系統(tǒng)中實(shí)際速度，可得到線性方程y=1.25x-2.5。

攪拌旋轉(zhuǎn)支架在旋轉(zhuǎn)360°的不同位置時(shí)，由于重力的作用，要求伺服電機(jī)輸出的扭矩也不同，而在旋轉(zhuǎn)到45°時(shí)所受到的重力最大，此時(shí)如果電機(jī)的功率不足，扭矩輸出不夠，就會(huì)發(fā)生設(shè)備的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)抖動(dòng)現(xiàn)象。

兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)在采用主從控制模式下，伺服電機(jī)的減速機(jī)輸出扭矩141 N·m 和319 N·m 時(shí)的扭矩實(shí)測(cè)曲線如圖4～5 所示，青色線為伴隨電機(jī)的扭矩曲線。

圖4 伺服電機(jī)減速機(jī)輸出扭矩141 N·m 時(shí)的扭矩曲線

圖5 伺服電機(jī)減速機(jī)輸出扭鉅319 N·m 時(shí)的扭矩曲線

因此，伺服電機(jī)的輸出扭矩必須大于旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)過程中的最大扭矩。

1.2.2 控制系統(tǒng)的邏輯控制

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)字邏輯，主要對(duì)以下設(shè)備進(jìn)行控制：伺服系統(tǒng)的主回路整流單元、液壓站的電機(jī)、液壓鎖緊閥組、循環(huán)水站等。控制任務(wù)由PLC 完成。

2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)中沒有液壓站，采用電動(dòng)推桿完成卡具的開閉，所以邏輯控制任務(wù)均由CNC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的 PLC 完成［9-11］。

1.3 控制系統(tǒng)的軟件

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)的HMI 軟件為WinCC［12］，PLC 控制系統(tǒng)軟件為 STEP7，HMI 軟件中的外部變量通過與PLC 數(shù)據(jù)塊中的變量綁定，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換?？刂葡到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意

2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)的軟件為預(yù)植的CNC 控制軟件包，該軟件包包含了完善的控制算法，只需通過人機(jī)界面輸入G 語言編碼，即可完成各種焊接任務(wù)。

1.4 HMI 人機(jī)界面

1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的人機(jī)界面分為主界面及實(shí)時(shí)曲線界面，在主界面中，可直接輸入焊接軌跡的參數(shù)，如主軸、旋轉(zhuǎn)軸、進(jìn)給軸伺服電機(jī)的設(shè)定參數(shù)（轉(zhuǎn)速、位移、角度等），同時(shí)可以顯示焊接過程中實(shí)際反饋的數(shù)值及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

實(shí)時(shí)曲線界面可以顯示焊接過程中各個(gè)軸伺服電機(jī)的實(shí)際參數(shù)變化曲線，控制系統(tǒng)HMI 人機(jī)界面如圖7 所示。

2 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)的各個(gè)軸的定義、參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)可以通過CNC 數(shù)控系統(tǒng)的主界面及多個(gè)輔助界面查看。

2 焊接試驗(yàn)

通過大量的攪拌摩擦焊接試驗(yàn)［13］，找出影響焊縫效果的焊接參數(shù)，通過改變這些參數(shù)，確定一定條件下的最佳焊接參數(shù)。這些參數(shù)主要為：攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭的進(jìn)給深度及速度、焊接速度、攪拌頭傾角等。

試驗(yàn)采用Φ273 mm×6 mm 規(guī)格X65 鋼級(jí)管線鋼管，攪拌頭有兩種，尺寸見表2。攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)與焊接效果見表3。

圖7 控制系統(tǒng)HMI 界面

通過試驗(yàn)可知：A 號(hào)攪拌頭采用600 r/min 轉(zhuǎn)速和100 mm/min 焊接速度、B 號(hào)攪拌頭采用500 r/min 轉(zhuǎn)速和80 mm/min 焊接速度時(shí)，焊接試樣的焊縫表面良好。對(duì)焊后試樣進(jìn)行組織性能檢測(cè)及力學(xué)性能測(cè)試［14-15］，發(fā)現(xiàn)焊縫具有良好的微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度、抗拉強(qiáng)度及低溫沖擊韌性，表明焊接效果良好。X65 鋼級(jí)管線鋼對(duì)接焊縫如圖8 所示。

3 結(jié) 語

采用西門子PLC 及SIMOTION 伺服系統(tǒng)作為管材攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)時(shí)，其具有較大的軟件編程靈活性及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，但編程量較大，需要調(diào)試的參數(shù)較多；采用CNC 數(shù)控系統(tǒng)作為攪拌摩擦焊機(jī)的控制系統(tǒng)時(shí)，編程量小，控制算法成熟，但靈活性欠缺。

表2 試驗(yàn)用攪拌頭尺寸

表3 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)與焊縫效果

圖8 采用1 號(hào)攪拌摩擦焊機(jī)焊接的X65鋼級(jí)管線鋼對(duì)接焊縫

針對(duì)不同規(guī)格、不同材質(zhì)的管材進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)，逐步探索影響焊接效果的各種因素，可為進(jìn)一步改進(jìn)工藝提供可靠的依據(jù)，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊機(jī)存在的缺陷，并逐步改進(jìn)。