一种搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法及装置与流程

本发明涉及一种用于保证焊接质量的搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法、装置及系统，属于焊接技术领域。

背景技术：

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所1991年发明的一种固相连接新技术，其基本原理如图1所示。当接收到搅拌磨擦焊接指令时，控制器控制搅拌头1图1所示旋转方向高速旋转扎入工件后沿焊接方向(图1所示直线箭头方向)恒位移，在搅拌头1与工件接触部位产生摩擦热，使其附近金属形成塑性软化层，软化层在搅拌头1旋转的作用下填充搅拌头后方所形成的空腔，并在焊接主轴2轴肩与搅拌头1的搅拌及挤压作用下实现材料连接的固相焊接方法。

影响搅拌摩擦焊接质量的因素很多，就实际搅拌摩擦焊接装备而言，由于焊接过程搅拌头或者焊接主轴对产品施加高达数吨的轴向顶锻力，因此必然有作用力和反作用力施加于焊接主轴和焊接垫板上，用于承载焊接主轴的结构件(焊接主轴支撑机构)或焊接背部垫板(工件支撑机构)势必会发生一定程度的变形，从而直接导致搅拌头末端至背部垫板的实际距离δ难以保持一致，从而接头根部质量难以控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法及装置，以解决现有技术中由于焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构形变导致的接头根据质量难以保证的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法，包括：

当接收到焊接控制指令时，控制焊接主轴恒位移以进行搅拌摩擦焊接；

获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量；

根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量；

根据所述轴向随动插补位移量控制所述焊接主轴在轴向上的插补位移。

所述的搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法，还包括：

当接收到焊接控制指令时，发送随动控制指令以使随动测量装置沿预设轨迹随焊接主轴同步运动；

通过所述随动测量装置，获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量。

所述通过所述随动测量装置，获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量，包括：

获取所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的实时垂直距离；

将所述实时垂直距离与预设标准值进行比对，得到形变位移量。

当焊接主轴支撑机构或工件支撑机构发生形变时，所述根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量，包括：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(1)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’(1)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(2)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’-x(2)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h为预设标准值，h’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构或工件支撑机构上的实时垂直距离，x为0.01-0.02mm之间的任意数值。

当焊接主轴支撑机构和工件支撑机构均发生形变时，所述根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量，包括：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(3)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)(3)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(4)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)-x’(4)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h1为焊接主轴支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构上的实时垂直距离，h2为工件支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到工件支撑机构上的实时垂直距离，x’为0.02-0.04mm之间的任意数值。

一种搅拌摩擦焊接主轴的位移控制装置，包括：

第一控制模块，用于当接收到焊接控制指令时，控制焊接主轴恒位移以进行搅拌摩擦焊接；

获取模块，用于获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量；

确定模块，用于根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量；

第二控制模块，用于根据所述轴向随动插补位移量控制所述焊接主轴在轴向上的插补位移。

所述的搅拌摩擦焊接主轴的位移控制装置，还包括：

发送模块，用于当接收到焊接控制指令时，发送随动控制指令以使随动测量装置沿预设轨迹随焊接主轴同步运动；

所述获取模块，用于通过所述随动测量装置，获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量。

所述获取模块，用于：

获取所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的实时垂直距离，将所述实时垂直距离与预设标准值进行比对，得到形变位移量。

当焊接主轴支撑机构或工件支撑机构发生形变时，所述确定模块，用于：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(1)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’(1)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(2)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’-x(2)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h为预设标准值，h’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构或工件支撑机构上的实时垂直距离，x为0.01-0.02mm之间的任意数值。

当焊接主轴支撑机构和工件支撑机构均发生形变时，所述确定模块，用于：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(3)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)(3)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(4)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)-x’(4)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h1为焊接主轴支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构上的实时垂直距离，h2为工件支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到工件支撑机构上的实时垂直距离，x’为0.02-0.04mm之间的任意数值。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明实施例提供的搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法通过获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的形变位移量，根据所述形变位移量控制焊接主轴进行轴向插补位移，有效避免了由于焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的形变导致的搅拌头末端至工件支撑机构的实际距离难以保持一致的问题，避免了搅拌摩擦焊缝根部弱结合缺陷的产生，保证了焊缝根部的焊接质量。

(2)长直纵缝接头质量一致性更高，同时可以有效减少焊后处理工作量。

附图说明

图1为搅拌摩擦焊接方法原理图；

图2为本发明实施例提供的一种搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法流程图；

图3为本发明实施例提供的焊接主轴支撑机构和工件支撑机构均不发生形变时的搅拌摩擦焊接过程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种工件支撑机构发生形变时的搅拌摩擦焊接过程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种焊接主轴支撑机构发生形变时的搅拌摩擦焊接过程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种焊接主轴支撑机构和工件支撑机构均发生形变时的搅拌摩擦焊接过程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

参见图2，本发明实施例提供了一种搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法，包括：

步骤101：当接收到焊接控制指令时，控制焊接主轴恒位移以进行搅拌摩擦焊接；

本发明实施例中，搅拌头1探出焊接主轴2一定长度，当接收到焊接控制指令时，搅拌头1高速旋转，焊接主轴2按预设速率沿焊接方向持续位移以进行搅拌摩擦焊接；

步骤102：获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量；

具体地，本发明实施例中，焊接主轴支撑机构为承载焊接主轴2运动的结构件，如图3中的焊接主机运行框架机构3；工件支撑机构为放置于待焊接工件背部，用于在焊接过程中支撑待焊接工件的结构件，如图3中的焊接背部支撑机构4；如图3所示，焊接主轴支撑机构和工件支撑机构的理想状态均为刚性结构，即焊接时，焊接主轴2的顶锻力不会造成其形变；当焊接主轴支撑机构和工件支撑机构刚性不足时，在焊接过程中受顶锻力的影响会发生形变，如图4-6中所示；

本发明实施例中，形变位移量即焊接主轴支撑机构或工件支撑机构受顶锻力作用时，因发生形变而导致的偏离原位置的位移量；可以通过百分表、卡尺等工具手动测量形变位移量，优选通过激光、无线、雷达等传感器测量形变位移量；

步骤103：根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量；

具体地，本发明实施例中，所述轴向随动插补位移量是指搅拌头1沿焊接主轴2的轴向伸出或缩回的量；

步骤104：根据所述轴向随动插补位移量控制所述焊接主轴在轴向上的插补位移。

具体地，所述插补位移是指搅拌头的伸出或缩回。

本发明实施例提供的搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法通过获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的形变位移量，根据所述形变位移量控制焊接主轴进行轴向插补位移，有效避免了由于焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的形变导致的搅拌头末端至工件支撑机构的实际距离难以保持一致的问题，避免了搅拌摩擦焊缝根部弱结合缺陷的产生，保证了焊缝根部的焊接质量；长直纵缝接头质量一致性更高，同时可以有效减少焊后处理工作量。

进一步地，本发明实施例中，所述的搅拌摩擦焊接主轴的恒位移控制方法，还包括：

当接收到焊接控制指令时，发送随动控制指令以使随动测量装置沿预设轨迹随焊接主轴同步运动；

通过所述随动测量装置，获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量。

通过设置随动测量装置，将其作为直接测量或非接触测量方式的载体，同步、快速测出焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的变形。

具体地，本发明实施例中，随动测量装置可以包括激光、无线、雷达等传感器；随动测量装置的运动轨迹可以根据易发生形变的焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构确定，如图4所示，可以为平行于焊接背部支撑机构4的直线；

所述通过所述随动测量装置，获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量，包括：

获取所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的实时垂直距离；

将所述实时垂直距离与预设标准值进行比对，得到形变位移量。

其中，所述标准值可以包括焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构在不发生形变时，随动测量装置与焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的相对距离h；在其他实施例中，所述标准值还可以是h的函数，本发明不做限定。

通过计算随动测量装置实时测量的垂直距离与标准值之差即可得到形变位移量，该方法计算简单快速，减少了时间误差。

在一可选实施例中，当焊接主轴支撑机构或工件支撑机构发生形变时，所述根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量，包括：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(1)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’(1)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(2)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’-x(2)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h为预设标准值，h’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构或工件支撑机构上的实时垂直距离，x为0.01-0.02mm之间的任意数值。

在一可选实施例中，当焊接主轴支撑机构和工件支撑机构均发生形变时，所述根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量，包括：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(3)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)(3)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(4)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)-x’(4)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h1为焊接主轴支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构上的实时垂直距离，h2为工件支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到工件支撑机构上的实时垂直距离，x’为0.02-0.04mm之间的任意数值。

搅拌摩擦焊接时，焊接主轴的速率通常为200-400mm/min，针对该速率，由于数据的采集、反馈和执行补偿需要一定的时间，在焊接过程的后半段若仍然按照前半段策略进行补偿，会造成补偿值略微偏大，在前半段补偿策略的基础上给予0.02-0.04mm的修正时，既能弥补补偿量偏大的问题又不会造成补偿量不足导致的焊缝根部质量不一致的问题，进一步提高了焊缝根部质量及一致性。

参见图7，本发明实施例还提供了一种搅拌摩擦焊接主轴的位移控制装置，包括：

第一控制模块10，用于当接收到焊接控制指令时，控制焊接主轴恒位移以进行搅拌摩擦焊接；

获取模块20，用于获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量；

确定模块30，用于根据所述形变位移量确定所述焊接主轴的轴向随动插补位移量；

第二控制模块40，用于根据所述轴向随动插补位移量控制所述焊接主轴在轴向上的插补位移。

所述的搅拌摩擦焊接主轴的位移控制装置，还包括：

发送模块50，用于当接收到焊接控制指令时，发送随动控制指令以使随动测量装置沿预设轨迹随焊接主轴同步运动；

获取模块20，用于通过所述随动测量装置，获取焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构上与所述焊接主轴相对位置处的形变位移量。

获取模块20，用于：

获取所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构和/或工件支撑机构的实时垂直距离，将所述实时垂直距离与预设标准值进行比对，得到形变位移量。

当焊接主轴支撑机构或工件支撑机构发生形变时，确定模块30用于：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(1)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’(1)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(2)确定轴向随动插补位移量；

△h＝h-h’-x(2)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h为预设标准值，h’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构或工件支撑机构上的实时垂直距离，x为0.01-0.02mm之间的任意数值。

当焊接主轴支撑机构和工件支撑机构均发生形变时，确定模块30用于：

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的起始位置与中点位置之间的区域时，根据式(3)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)(3)

当所述随动测量装置位于所述预设轨迹的中点位置之后的区域时，根据式(4)确定轴向随动插补位移量；

△h＝(h1-h1’)+(h2-h2’)-x’(4)

式中，△h为轴向随动插补位移量，h1为焊接主轴支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到焊接主轴支撑机构上的实时垂直距离，h2为工件支撑机构对应的预设标准值，h1’为所述随动测量装置到工件支撑机构上的实时垂直距离，x’为0.02-0.04mm之间的任意数值。

本发明提供的装置实施例与方法实施例一一对应，具有与方法实施例相同或相似的有益效果，详细描述参见方法实施例，在此不再赘述。

以下为本发明的几个具体实施例：

实施例1

本实施例提供了一种立式纵缝搅拌摩擦焊接装备，如图4所示，焊接主机运行框架机构3的主体刚性强，焊接时不发生形变，而焊接背部支撑垫板4的刚性较弱，在焊接主轴2的轴向顶锻力作用下发生向外的挠曲变形，导致焊接过程中搅拌头末端至焊接背部支撑机构4的距离会发生变化，当焊接主轴2靠接上、下两端时，挠曲量较小，而当靠近支撑机构的中间时，挠曲量最大；

a、在无载荷状态下，主机运行框架机构3、焊接背部支撑机构4以及随动测量装置5彼此间是平行的，且随动测量装置5与焊接主轴2处于垂直方向上的同一高度；

b、当开始焊接时，即加载状态下，随动测量装置5与焊接主轴2沿垂直方向同步、同向、等速运动；运动过程中随动测量装置5在焊接背部支撑机构4的背部实时测量变形量δ1，同时将该信号反馈给焊接主轴2，当随动测量装置5从a-b点运动时，焊接主轴2向焊接背部支撑机构4方向插补位移值δ1，当随动测量装置5从b点之后向c点运动时，焊接主轴2向焊接背部支撑机构4方向插补位移值δ1-0.02mm。以此实现焊接过程中搅拌头搅拌针末端至焊接垫板的距离实时保持一致；

c、焊接结束后，焊接主轴远离支撑机构，支撑机构处于无载荷状态。同时随动测量装置5停止测量和反馈信号。

实施例2

本实施例提供了一种卧式纵缝搅拌摩擦焊装备，如图5所示，焊接主机运行框架机构3刚性弱，焊接时易发生形变，而背部支撑机构4刚性强，焊接时不发生形变。

a、将随动测量装置5置于主机运行框架机构3一侧，主机运行框架机构3、焊接背部支撑机构4以及随动测量装置5在无载荷状态下是平行的，而在加载状态下随动测量装置5与焊接背部支撑机构4也是平行的；

b、当开始焊接时，即加载状态下，随动测量装置5与焊接主轴2沿垂直方向同步、同向、等速运动；运动过程中随动测量装置5在主机运行框架机构3的背部实时测量变形量δ1，同时将该信号反馈给焊接主轴2，当随动测量装置5从a-b点运动时，焊接主轴2向焊接背部支撑机构4方向插补位移值δ1，当随动测量装置5从b点之后向c点运动时，焊接主轴2向焊接背部支撑机构4方向插补位移值δ1-0.01mm。以此实现焊接过程中搅拌头搅拌针末端至焊接垫板的距离实时保持一致；

c、焊接结束后，焊接主轴2远离支撑机构，支撑机构处于无载荷状态。同时随动测量装置5停止测量和反馈信号。

实施例3

本实施例提供了一种搅拌摩擦焊接装备，如图6所示，主机运行框架机构3和焊接背部支撑机构4刚性均比较弱，焊接过程中都会发生变形。

a、在主机运行框架机构3外侧设置第一随动测量装置5a，在焊接背部支撑机构4的外侧设置第二随动测量装置5b。主机运行框架机构3、焊接背部支撑机构4、第一随动测量装置5a及第二随动测量装置5b四者在无载荷状态下处于平行状态，在加载状态下第一随动测量装置5a及第二随动测量装置5b处于平行状态；

b、当开始焊接时，即加载状态下，第一随动测量装置5a、第二随动测量装置5b与焊接主轴2沿垂直方向同步、同向、等速运动；随着焊接过程的进行，第一随动测量装置5a实时测量焊接背部支撑机构4的变形量δ1，第二随动测量装置5b实施测量主机运行框架机构3的变形量δ2。第一随动测量装置5a及第二随动测量装置5b的测量信号反馈给对比机构，当第一随动测量装置5a及第二随动测量装置5b从a-b点运动时，对比机构将总体补偿量δ1+δ2输送至焊接主轴2。焊接主轴2向焊接背部支撑机构4方向补偿δ1+δ2；当第一随动测量装置5a及第二随动测量装置5b从b点之后向c点运动时，对比机构将总体补偿量δ1+δ2-0.03mm输送至焊接主轴2。焊接主轴2向焊接背部支撑机构4方向补偿δ1+δ2-0.03mm。

c、焊接结束后，焊接主轴远离支撑机构，支撑机构处于无载荷状态。同时第一随动测量装置5a及第二随动测量装置5b停止测量和反馈信号，对比机构也停止工作。

d、以此实现焊接过程中搅拌头搅拌针末端至焊接背部垫板的距离始终一致。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。