专利名称：一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统及方法
技术领域：
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，特别是涉及一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统及方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，它是通过高速旋转的搅拌头与被焊接材料表面生成的摩擦热而实现焊接的。由于该技术具有同态连接、生产成本较低、焊接过程无污染等显著优势，因此已成功应用于铝、镁、铝镁合金等轻金属材料的焊接方面。随着搅拌摩擦焊技术的快速发展和广泛应用，人们对产品焊接质量的要求也越来越高。在焊接过程中，焊接力直接影响着搅拌头和焊材料之间的摩擦力、摩擦力矩、摩擦发热功率及焊接温度，是影响焊缝质量的重要参数。因此，如何精确优化工艺参数，合理控制搅拌摩擦焊接中的顶锻力、前进抗力及侧向力是决定焊缝质量的关键所在。在现有技术中，如已公开的中国发明专利(公开号101929892A)提出了一种搅拌摩擦焊在线测试系统，通过将两个测力八角环对称的安装在机床工作台上的底座上，焊接时将工件安装在底座上，实现了焊接力的在线检测。该发明尽管提供了一种对焊接过程三向力的在线检测装置及方法，但却无法适应搅拌摩擦焊设备焊接不同形状、不同尺寸的工件需求，同时缺少控制模块，不能对焊接工艺参数进行实时调整。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统及方法，能够在焊接过程中对顶锻力、前进抗力、侧向力等进行实时检测，并且能够对焊接工艺参数进行实时调整的搅拌摩擦焊在线监控系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统，包括在线检测模块、信号采集与处理模块、焊接工艺控制模块，所述在线检测模块由三个信号实时传感单元组成，所述三个信号实时传感单元分别直接嵌入到搅拌摩擦焊设备的X/Y/Z向进给系统中；所述信号采集与处理模块用于获取检测信号，实时处理检测信号，并将检测信号转换成焊接顶锻力、前进抗力和侧向力信息；所述的焊接工艺控制模块对数据处理与显示模块输出的焊接三向力进行分析，推理出合适的焊接工艺参数，并通过反馈给焊接设备的数控系统，实现工艺参数的实时调整。所述的信号实时传感单元包括上联轴器、扭矩传感器、下联轴器、调整板和法兰；所述的扭矩传感器通过销钉和螺钉固定在法兰上；所述的调整板用于调整扭矩传感器在机床的实际安装位置；所述扭矩传感器通过上联轴器与搅拌摩擦焊设备的X/Y/Z向进给系统的驱动电机连接，通过下联轴器与丝杠连接。
所述信号采集与处理模块包括依次相连的端子板、数据采集卡和数据处理与显示单元；所述的三个信号实时传感单元通过高频电缆线分别与端子板相连；所述数据采集卡用于获取所述三个信号实时传感单元的检测信号；所述数据处理与显示单元用于实时处理检测信号，并将检测信号转换成焊接顶锻力、前进抗力和侧向力信息。所述焊接工艺控制模块包括工艺参数优化单元和反馈单元，所述工艺参数优化单元包括工艺数据库、工艺规则库及控制算法，根据工艺数据库和工艺规则库中的内容通过控制算法对信号采集与处理模块输出的焊接三向力进行分析，推理出焊接工艺参数；所述反馈单元与焊接设备的数控系统进行通讯连接，根据推理出的焊接工艺参数进行实时调難本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种用于搅拌摩擦焊的在线监控方法，包括以下步骤(I)根据工件及接头的几何形状和焊接要求，编制数控程序，进行产品焊接；当焊接主轴对工件进行下压及进给焊接时，通过三个在线传感单元分别实时感应到摩擦焊设备X/Y/Z向进给系统的输出信号；(2)采集输出信号，并将输出信号传送给数据处理与显示单元进行数据处理，以实时显示出焊接顶锻力、前进抗力和侧向力的焊接过程信息；(3)工艺参数优化单元根据工艺数据库及工艺规则，对数据处理与显示单元输出的焊接过程信息进行实时推理与决策，以获得合适的焊接工艺参数；(4)通过反馈单元将优化后的焊接工艺参数传送到焊接设备的数控系统中，以实时控制搅拌摩擦焊接过程。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果I、本发明的在线检测模块，直接嵌入到搅拌摩擦焊设备中，与设备融合于一体，结构紧凑、安装便捷、实用可靠。2、本发明通过实时检测搅拌摩擦焊接过程中的顶锻力、前进抗力和侧向力等信息，积累了大量的基础数据，为建立和优化焊接工艺数据库及工艺规则提供了技术支持。3、本发明通过对产品焊接过程进行实时检测，从而避免了由于搅拌头、工艺参数等设计不合理而影响焊接接头质量等问题。4、本发明的焊接工艺控制模块，能根据焊接力的变化进行工艺参数优化，并与机床通讯，给机床下达指令，控制机床的焊接工艺参数。5、本发明通过在线检测模块与信号采集与处理模块的协同工作，记录了大量的焊接过程信息，为搅拌摩擦焊接设备的研发提供了技术支持。
图I是本发明的搅拌摩擦焊监控系统总体构成图；图2是本发明的在线检测模块的结构示意图；图3是本发明搅拌摩擦焊监控方法的工作流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例I如图I所示，一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统，包括在线检测模块、信号采集与处理模块、焊接工艺控制模块。在线检测模块由三个信号实时传感单元1-1、1_2和1-3组成，并直接嵌入到搅拌摩擦焊设备的X/Y/Z向进给系统中。信号采集与处理模块由端子板21、数据采集卡22和数据处理与显示单元23组成，数据处理与显示单元23根据数据采集卡22获得的检测信号，实时处理并转换成焊接三向 力顶锻力、前进抗力和侧向力等信息。三个信号实时传感单元1-1、1_2和1-3通过高频电缆线分别与端子板21相连。焊接工艺控制模块由焊接质量跟踪单元、工艺参数优化单元31和反馈单元32组成，工艺参数优化单元31包括工艺数据库、工艺规则库及控制算法等，并对数据处理与显示单元23输出的焊接三向力进行分析，推理出合适的焊接工艺参数，并通过反馈单元32与焊接设备的数控系统33进行通讯，以实现工艺参数的实时调整。如图2所示，信号实时传感单元由上联轴器11、扭矩传感器12、下联轴器13、调整板14和法兰15组成。其中，扭矩传感器12通过销钉、螺钉固定在法兰14上，摩擦焊设备的X/Y/Z向进给系统驱动电机16通过上联轴器11与扭矩传感器12连接，同时，扭矩传感器12通过下联轴器13再与丝杠17连接。其中，调整板14用于调整扭矩传感器12在机床的实际安装位置。实施例2如图3所示，首先，根据工件及接头的几何形状和焊接要求，编制数控程序，进行产品焊接；当焊接主轴对工件进行下压及进给焊接时，三个在线传感单元分别实时感应到摩擦焊设备X/Y/Z向进给系统的输出信号。接着，通过高频电缆线和数据采集卡22，该输出信号被采集，并传送给数据处理与显示单元进行数据处理，以实时显示出焊接顶锻力、前进抗力和侧向力等焊接过程信息。然后，工艺参数优化单元根据工艺数据库及工艺规则，对数据处理与显示单元输出的焊接过程信息进行实时推理与决策，以获得合适的焊接工艺参数。最后，通过反馈单元，将优化后的工艺参数传送到焊接设备的数控系统中，以实时控制搅拌摩擦焊接过程。实施例3(I)将两块AA2024-T3铝合金工件(试样尺寸为150 X 60 X 3mm,焊缝接头形式为对接，I型坡口)通过夹具固定在摩擦焊设备的工作台上。(2)根据工件材料和厚度确定以下工艺参数搅拌头倾角(搅拌头中心线与垂直于焊缝的直线所夹锐角)为2° ;搅拌头的旋转速度1400rpm ;搅拌头的焊接速度为120mm/min ;搅拌头轴肩下压量为O. 15mm ;搅拌头下压速度为5mm/min。(3)编制数控程序，包括焊接下压过程、焊接前进和回抽过程，并在焊接下压结束后暂停5s。焊接过程中，根据焊接三向力变化，进行工艺参数的优化调整，并通过反馈单元控制加工中的工艺参数。(4)焊接结束后对焊接接头的质量进行检测，结果表明沿焊缝前进方向，焊接接头的强度逐渐 增高。
权利要求
1.一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统，包括在线检测模块、信号采集与处理模块、焊接工艺控制模块，其特征在于，所述在线检测模块由三个信号实时传感单元(1-1、1_2、1-3)组成，所述三个信号实时传感单元(1-1、1_2、1-3)分别直接嵌入到搅拌摩擦焊设备的X/Y/Z向进给系统中；所述信号采集与处理模块用于获取检测信号，实时处理检测信号，并将检测信号转换成焊接顶锻力、前进抗力和侧向力信息；所述的焊接工艺控制模块对数据处理与显示模块输出的焊接三向力进行分析，推理出合适的焊接工艺参数，并通过反馈给焊接设备的数控系统(33)，实现工艺参数的实时调整。
2.根据权利要求I所述的用于搅拌摩擦焊的在线监控系统，其特征在于，所述的信号实时传感单元包括上联轴器(11)、扭矩传感器(12)、下联轴器(13)、调整板(14)和法兰(15);所述的扭矩传感器(12)通过销钉和螺钉固定在法兰(15)上；所述的调整板(14)用于调整扭矩传感器(12)在机床的实际安装位置；所述扭矩传感器(12)通过上联轴器(11)与搅拌摩擦焊设备的X/Y/Z向进给系统的驱动电机连接，通过下联轴器(13)与丝杠(17)连接。
3.根据权利要求I所述的用于搅拌摩擦焊的在线监控系统，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括依次相连的端子板(21)、数据采集卡(22)和数据处理与显示单元(23)；所述的三个信号实时传感单元通过高频电缆线分别与端子板(21)相连；所述数据采集卡(22)用于获取所述三个信号实时传感单元的检测信号；所述数据处理与显示单元(23)用于实时处理检测信号，并将检测信号转换成焊接顶锻力、前进抗力和侧向力信息。
4.根据权利要求I所述的用于搅拌摩擦焊的在线监控系统，其特征在于，所述焊接工艺控制模块包括工艺参数优化单元(31)和反馈单元(32)，所述工艺参数优化单元(31)包括工艺数据库、工艺规则库及控制算法，根据工艺数据库和工艺规则库中的内容通过控制算法对信号采集与处理模块输出的焊接三向力进行分析，推理出焊接工艺参数；所述反馈单元(32)与焊接设备的数控系统进行通讯连接，根据推理出的焊接工艺参数进行实时调難iF. O
5.一种用于搅拌摩擦焊的在线监控方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)根据工件及接头的几何形状和焊接要求，编制数控程序，进行产品焊接；当焊接主轴对工件进行下压及进给焊接时，通过三个在线传感单元分别实时感应到摩擦焊设备X/Y/Z向进给系统的输出信号； (2)采集输出信号，并将输出信号传送给数据处理与显示单元进行数据处理，以实时显示出焊接顶锻力、前进抗力和侧向力的焊接过程信息； (3)工艺参数优化单元根据工艺数据库及工艺规则，对数据处理与显示单元输出的焊接过程信息进行实时推理与决策，以获得合适的焊接工艺参数； (4)通过反馈单元将优化后的焊接工艺参数传送到焊接设备的数控系统中，以实时控制搅拌摩擦焊接过程。
全文摘要
本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊的在线监控系统及方法，包括在线检测模块、信号采集与处理模块、焊接工艺控制模块。在线检测模块由三个信号实时传感单元组成，并通过法兰嵌入到搅拌摩擦焊设备的进给系统中。每个信号实时传感单元由扭矩传感器、联轴器、调整板和法兰等构成，扭矩传感器通过联轴器安装在电机与丝杠之间，其感应信号通过端子板及数据采集卡，传送到计算机中的信号采集与处理模块，并实时显示焊接三向力。同时，焊接工艺控制模块根据工艺数据库及工艺规则，推理出合适的工艺参数，用于焊接过程的实时调整。本发明结构紧凑、安装便捷、实用可靠，不仅实现了搅拌摩擦焊过程的实时检测，还能够对工艺参数进行反馈控制。
文档编号G05B19/406GK102621931SQ20121006322
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者吴功柱, 杨建国, 王庆霞, 董应信, 郭立杰 申请人:东华大学