申请/专利权人：上海航天设备制造总厂有限公司

申请日：2018-03-27

公开（公告）日：2020-09-18

公开（公告）号：CN108436246B

主分类号：B23K20/12(20060101)

分类号：B23K20/12(20060101);B23K20/26(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.18#授权;2018.09.18#实质审查的生效;2018.08.24#公开

摘要：本发明公开搅拌摩擦焊焊接装置、刀柄及用该焊接装置进行焊接的方法。该装置通过在刀柄上设置传感器，该刀柄一端与电主轴连接，另一端与搅拌摩擦焊工具连接，主轴带动刀柄和搅拌摩擦焊工具高速旋转，刀具通过接触对被加工工件进行加工。在加工过程中，精确测量主轴的压力、扭矩和温度，同时复合光栅尺采集位移及通过编码器采集速度，通过位移、转速等核心关键工艺参数的闭环动态控制，实现搅拌摩擦焊高质量焊接。

主权项：1.搅拌摩擦焊焊接装置，其特征是，该装置包括电主轴、刀柄、搅拌摩擦焊焊接工具、传输模块、采集模块、控制器和数控系统，其中，所述刀柄的端部分别与所述电主轴和搅拌摩擦焊焊接工具连接，包括刀柄本体、扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器、转速传感器，所述扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器和转速传感器安装于所述刀柄本体，相应采集刀柄的扭矩、压力、温度、位移和转速，传输该扭矩、压力、温度、位移和转速至所述采集模块；所述采集模块对所述扭矩、压力和温度进行放大处理，传输放大的结果至所述传输模块；所述传输模块转换接收到的扭矩、压力、温度、位移和转速为数字量并传输该数字量至所述控制器；所述控制器对采集到的温度、扭矩和压力信号进行滤波、加权平均数值处理后，将最终运算好的信号以电压值的形式传输给数控系统；所述数控系统根据电压值大小确定焊接的下压量、焊接速度关键参数的调整量；所述刀柄本体上设置有感知区域，所述扭矩传感器和压力传感器为应变片，该应变片组成应变桥粘贴在所述感知区域;所述位移传感器是光栅尺;所述转速传感器是编码器。

全文数据：刀柄、搅拌摩擦焊焊接装置及焊接方法技术领域[0001]本发明涉及焊接技术，尤其涉及搅拌摩擦焊焊接装置、刀柄及用所述焊接装置进行焊接的方法。背景技术[0002]搅拌摩擦焊接质量的控制多集中在焊接顶锻力压力这一单一参数上，实际上影响搅拌摩擦焊接质量的关键参数除了顶锻力，还有扭矩、焊接温度、焊接速度等因素，是一个综合因素作用下的结果;第二，大多数恒压力控制系统采用液压方式来实现，但这种系统不是搅拌工具受到的直接量，且因自身反馈速度不足而无法适应工件表面起伏较大的情况;第三，少数采用现有传感器安装在刀柄上进行压力控制的方式，由于仅考虑力控制，在焊接因板自身变形等问题引起的突起部分时，会因恒力而抬起，从而会产生根部未焊透等缺陷，仅适应立项工况，综上，现有搅拌摩擦焊焊接装置的焊接质量低。发明内容[0003]本发明解决的问题是现有摩擦搅拌焊焊接装置焊接质量低的问题。[0004]为解决上述问题，本发明提供一种搅拌摩擦焊焊接装置、刀柄及焊接方法。该焊接装置包括包括电主轴、刀柄、搅拌摩擦焊焊接工具、传输模块、采集模块、控制器和数控系统。所述刀柄的端部分别与所述电主轴和搅拌摩擦焊焊接工具连接，包括刀柄本体、扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器、转速传感器，所述扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器和转速传感器安装于所述刀柄本体，相应采集刀柄的扭矩、压力、温度、位移和转速，传输该扭矩、压力、温度、位移和转速至所述采集模块。所述采集模块对所述扭矩、压力和温度进行放大处理，传输放大的结果至所述传输模块。所述传输模块转换接收到的扭矩、压力、温度、位移和转速为数字量并传输该数字量至所述控制器。所述控制器对采集到的温度、扭矩和压力信号进行滤波、加权平均等数值处理后，将最终运算号的信号以电压值的形式传输给数控系统。所述数控系统根据电压值大小确定焊接的下压量、焊接速度等关键参数的调整量。[0005]与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：[0006]本发明通过在刀柄上设置所述传感器，该刀柄一端与电主轴连接，另一端与揽拌摩擦焊工具连接，加工过程中，主轴带动刀柄和搅拌摩擦焊工具高速旋转，刀具通过接触对被加工工件进行加工。在加工过程中，精确测量主轴的压力、扭矩和温度，同时复合光栅尺采集位移及通过编码器采集速度，通过位移、转速等核心关键工艺参数的闭环动态控制，实现搅拌摩擦焊高质量焊接。附图说明[0007]图1是本发明摩擦搅拌焊焊接装置的示意图；[0008]图2是本发明摩擦搅拌焊焊接装置的刀柄的结构示意图。具体实施方式[0009]为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。[0010]请参阅图1和图2,本发明摩擦搅拌焊焊接装置包括电主轴1、刀柄2、搅拌摩擦焊焊接工具3、采集模块4、传输模块5、控制器6和数控系统7。所述刀柄2的两个端部分别连接所述电主轴1和摩擦搅拌焊焊接工具。所述刀柄2包括刀柄本体21、扭矩传感器22、压力传感器23、温度传感器24、位移传感器25和转速传感器26。所述刀柄本体21上通过仿真设计出用来感知扭矩和压力的感知区域。在本实施方式中，所述扭矩传感器22和压力传感器23是应变片，该应变片粘贴于所述感知区域，将刀柄工作时产生的扭矩和压力转为相应的电荷量。所述温度传感器24、位移传感器25和转速传感器26安装于所述刀柄本体21，采集刀柄的位移和转速，在本实施方式中，所述位移传感器25是光栅尺，所述转速传感器26是编码器。各种传感器在刀柄本体21上安装完成后，采用灌封胶的方式对整体进行灌胶，然后在动平衡机上进行动平衡试验，采用去重法使所述刀柄2的动平衡指标在合理范围内。所述采集模块4对所述扭矩、压力和温度进行放大处理，传输放大的结果至所述传输模块5。所述传输模块5转换接收到的扭矩、压力、温度、位移和转速为数字量并传输该数字量至所述控制器6。所述控制器6对采集到的温度、扭矩和压力信号进行滤波、加权平均等数值处理后，将最终运算号的信号以电压值的形式传输给数控系统7。所述数控系统7根据电压值大小确定焊接的下压量、焊接速度等关键参数的调整量。[0011]请参阅图1和图2,采用上述焊接装置实现焊接的方法如下：[0012]步骤1:通过刀柄及其安装的传感器，动态测量搅拌工具3所受到的压力焊接顶锻力）、扭矩及工具位于原材料内部位的温度，一并动态反馈给控制系统7;[0013]步骤2:系统通过焊接方向的光栅尺及所述编码器，动态获得焊接下压量和主轴1的转速；[0014]步骤3:通过位移、转速组合控制直接控制焊接顶锻力、温度，间接控制焊接的热输入和未焊头，从而实现焊接质量的控制与保证;其中，步骤3包括如下步骤：[0015]步骤3.1:恒压力一一位移控制，焊接前首先设定好需要控制的位移上下限焊接方向），防止因部分部位突变仅靠压力出现未焊头或者搅拌工具进入垫板;然后，在焊接起始段采f手动控制并采集焊接力参数，取焊接稳定时力参数作为恒压力控制的力参数，剩余焊缝采用该力进行恒压力焊接控制。整个过程中，当位移处于设定好的位移上下限焊接方向）之间时，位移焊接方向）根据压力状况进行正负微调完成恒压力控制；同时为了控制工件的变形当恒压力控制微调到位移上下限（焊接方向）时，采用位移控制位移上限或者下限）。整个过程处于恒压力和位移交互控制状态，从而完成焊接系统的恒压力位移控制；[0016]步骤3•2:恒温度——转速控制，搅拌摩擦焊接为一种固相焊接，焊接过程中被焊区域温度处于一定区间才能保证焊接稳定性。首先通过工艺试验摸索得到被焊材料的最佳工艺温度窗口，焊接工程中通过实时采集搅拌工具温度，通过主轴转速的提升和降低使得被焊工件处于最佳温度窗口。整个过程中，当温度处于设定好的位移上下限之间时，系统会控制主轴电机进行恒转速运转，靠近温度下限时提高转速，靠近温度上限时降低转速；[0017]步骤3.3:位移、转速综合控制，通过恒压力一一位移控制与恒温度一一转速控制组合，同时根据焊接扭矩的动态监控结果，设定报警点。即位移处于最上限或者最下限、转速低于最下限或者最上限，而温度高于最佳温度区域下限或者低于下限的情况下产生报警信号，向外发送该报警信号，比如，将报警信号发送到相关人员的手机，通过人为干预和处理来消除报警。[0018]综上所述，本发明通过在刀柄上设置所述传感器，该刀柄一端与电主轴连接，另一端与搅拌摩擦焊工具连接，加工过程中，主轴带动刀柄和搅拌摩擦焊工具高速旋转，刀具通过接触对被加工工件进行加工。在加工过程中，精确测量主轴的压力、扭矩和温度，同时复合光栅尺采集位移及通过编码器采集速度，通过位移、转速等核心关键工艺参数的闭环动态控制，实现搅拌摩擦焊高质量焊接。

权利要求：1.刀柄，其特征是，该刀柄包括刀柄本体、扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器、转速传感器，所述扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器和转速传感器安装于所述刀柄本体，相应采集刀柄的扭矩、压力、温度、位移和转速，传输该扭矩、压力、温度、位移和转速至所述传输模块;所述传输模块转换接收到的扭矩、压力、温度、位移和转速为数字量并向外传输该数字量。2.如权利要求1所述的刀柄，其特征是，所述刀柄本体上设置有感知区域，所述扭矩传感器和压力传感器为应变片，该应变片组成应变桥粘贴在所述感知区域。3.搅拌摩擦焊焊接装置，其特征是，该装置包括电主轴、刀柄、搅拌摩擦焊焊接工具、传输模块、采集模块、控制器和数控系统，其中，所述刀柄的端部分别与所述电主轴和搅拌摩擦焊焊接工具连接，包括刀柄本体、扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器、转速传感器，所述扭矩传感器、压力传感器、温度传感器、位移传感器和转速传感器安装于所述刀柄本体，相应采集刀柄的扭矩、压力、温度、位移和转速，传输该扭矩、压力、温度、位移和转速至所述采集模块；所述采集模块对所述扭矩、压力和温度进行放大处理，传输放大的结果至所述传输模块；所述传输模块转换接收到的扭矩、压力、温度、位移和转速为数字量并传输该数字量至所述控制器；所述控制器对采集到的温度、扭矩和压力信号进行滤波、加权平均等数值处理后，将最终运算号的信号以电压值的形式传输给数控系统；所述数控系统根据电压值大小确定焊接的下压量、焊接速度等关键参数的调整量。4.如权利要求3所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征是，所述刀柄本体上设置有感知区域，所述扭矩传感器和压力传感器为应变片，该应变片组成应变桥粘贴在所述感知区域。5.如权利要求3所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征是，所述位移传感器是光栅尺。6.如权利要求3所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征是，所述转速传感器是编码器。7.使用权利要求3至6中任何一项所述的搅拌摩擦焊焊接装置进行焊接的方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1:通过刀柄及其安装的传感器，动态测量搅拌工具所受到的压力、扭矩及工具位于原材料内部位的温度，一并动态反馈给控制系统；步骤2:系统通过焊接方向的光栅尺及主轴电机编码器，动态获得焊接下压量和主轴转速；步骤3:通过位移、转速组合控制直接控制焊接顶锻力、温度。8.如权利要求7所述的方法，其特征是，所述步骤3包括恒压力一一位移控制，首先，设定好需要控制的位移上下限;然后，在焊接起始段采用手动控制并采集焊接力参数，取焊接稳定时所述焊接力参数作为恒压力控制的力参数，剩余焊缝采用该力进行恒压力焊接控制;整个过程中，通过位移传感器实时采集位移，当位移处于设定好的位移上下限之间时，位移根据压力状况进行正负微调完成恒压力控制；同时，当恒压力控制微调到位移上下限时，采用位移控制，整个过程处于恒压力和位移交互控制状态，从而完成焊接系统的恒压力位移te制。9.如权利要求7所述的方法，其特征是，所述步骤3包括恒温度一一转速控制，首先，获得被焊材料的最佳工艺温度窗口，焊接工程中通过所述温度传感器头时米集揽摔工具温度，当温度处于设定好的位移上下限之间时，系统会控制主轴电机进行恒转速运转，靠近温度下限时提高转速，靠近温度上限时降低转速以使得被焊工件处于最佳温度窗口。10.如权利要求7所述的方法，其特征是，所述步骤3包括报警控制，在所述位移处于最上限或最下限、转速高于最上限或低于最下限、温度高于最佳温度区域的上限或者低于最佳区域温度的下限的情况下，产生报警信号，并将该报警信号向外发送。

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