新型攪拌摩擦焊焊接力監測系統的設計

徐天天 王慶霞 楊建國 王 寒 張華德

(①東華大學機械工程學院，上海 201620;②上海航天設備制造總廠，上海 201620)

攪拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)是英國焊接研究所在20 世紀90年代提出的一種新型的固相焊接方法。與傳統的焊接方法相比具有很多的優點，現已成功應用于多個領域。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭與工件之間的焊接力(頂鍛力、前進抗力和側向力)是影響焊接質量的關鍵因素，能夠精確測得焊接力的變化，對優化焊接工藝、提高焊接質量和改進焊接設備具有重要作用。因此本課題研發了一套新型焊接力監測系統，該系統無需改動焊機本體，安裝方便，不受限于工件大小，直接精確地測得焊接力的大小，通過人機交互系統進行數據顯示、數據保存、數據輸出等功能，使焊接過程變得數字定量化，為后續優化焊接工藝和提高焊接質量提供數據支撐。

1 系統總體結構規劃

整套系統主要由傳感器及人機交互系統兩大模塊組成，總體構成如圖1 所示。為了使整套系統的傳感器安裝方便且不受制于工件大小的限制，綜合各種因素，采用傳感器裝于焊機主軸前端的方案。人機交互系統負責數據的顯示、保存等功能。

以壓電式測力傳感器、nrf24le1 無線射頻收發系統、西門子PLC、MCGS 觸摸屏等為主要硬件，搭建焊接力監測系統的硬件平臺;利用keil4、西門子step7、昆侖組態等軟件開發焊接力監測系統的軟件部分，從而實現整套系統的設計。

2 焊接力監測傳感器的設計

2.1 總體結構設計

基于壓電原理的位于主軸前端的焊接力監測傳感器主要由主軸接口、壓電式力感應裝置、供電裝置、信號處理及發送模塊，接線盒、攪拌頭安裝接口、攪拌頭等組成。其實物結構圖如圖2 所示。

當進行焊接時，焊接力通過攪拌頭和攪拌頭安裝接口作用于力感應裝置，力感應裝置受到力的作用之后輸出相應的電荷信號，由電荷放大器將電荷信號轉化為電壓信號。由于主軸在工作時處于旋轉狀態，無法采用常規的電纜實現供電及數據的傳輸，因此采用無線供電及無線傳輸的方式，圖2 中白色塑料接線盒即為傳感器的供電、信號處理、信號發送模塊。力感應裝置輸出信號經過處理之后經無線發送模塊將信號發送給信號接收模塊，然后在人機交互系統中完成信號的處理及顯示等功能。

2.2 傳感器內部功能模塊設計

傳感器內部功能模塊如圖3 所示。

傳感器內部功能模塊其中以壓電石英作為敏感元件。信號處理模塊包括信號放大、信號調理及數模轉換:信號放大主要負責采集并初步放大傳感器原始信號;信號調理主要包括阻抗匹配、限幅、調零、隔離、濾波(低通、工頻及GSM 陷波)、放大、峰值檢波等。無線發送模塊采用nrf24le1，其內置微控制器，并具有數模轉換、數字射頻收發等功能，通過內部的固件程序對數模轉換模塊和數字射頻收發模塊進行設置、驅動，按通信協議對數據進行解析、校驗、發送。無線供電模塊基于電感耦合原理，包括感應線圈(初級線圈、次級線圈)、半橋整流、直流斬波、濾波、阻抗匹配等，對傳感器內部各功能模塊進行供電。整套傳感器的部分技術指標如表1 所示。

3 人機交互系統設計

人機交互模塊主要用來接收傳感器發送的數字信號，并對采集到的信號進行相應的處理，通過觸摸屏進行參數設定、數據顯示、數據回放、數據保存等人機交互功能。

3.1 系統硬件設計

人機交互系統硬件包括西門子s7-200PLC、nrf24le1 數字射頻收發芯片、MCGSTPC7062i 嵌入式一體化觸摸屏。由nrf24le1 數字射頻收發芯片將接收到的傳感器發送的數字信號傳送給s7-200PLC，在PLC內部通過預先實際標定得出的函數關系式進行計算，得出相對應的實際力值，并將實際力值傳送給MCGS觸摸屏顯示力值及其實時曲線。同時PLC 與觸摸屏進行實時通信，修改觸摸屏標定參數界面中的參數值，能修改PLC 中的標定函數關系，方便傳感器的標定使用，同時觸摸屏中有歷史數據回放、實時數據保存等功能，達到人機交互的目的。同時整套系統通過PLC 將接收到的數字信號轉變成對應的模擬量信號，可為后續機床的焊接力控制提供數據信號。其內部硬件結構如圖4 所示。

3.2 系統各模塊的連接

人機交互系統的接線圖如圖5 所示，MCGS 觸摸屏與PLC 通過RS-485 串口進行連接，并設置雙方的通信協議進行數據通信。nrf24le1 的開發底板是RS-232 的串口，而s7-200 則是RS-485 的串口，因此需要一個232 轉485 的有源轉換器將兩者進行連接，采用Modbus RTU 協議進行數據通信。PLC 采用220 V 交流電源進行供電，3.3 V 和12 V 電源分別給nrf24le1及有源轉換器供電。PLC 可輸出一路與數字信號相對應的模擬量信號供后續機床控制使用。

4 焊接力實驗

完成攪拌摩擦焊焊接力監測系統，并對焊接力監測傳感器經過靜動態的標定之后，利用XH714 立式加工中心進行了攪拌摩擦焊接實驗，并使用YDX-Ⅲ9702 型壓電式三向測力儀作為標準力傳感器來評定本套焊接力監測系統的測量誤差，實驗現場如圖6 所示。試驗中選用在工程領域中具有廣泛應用前景的6061 鋁合金板材，并取板厚10 mm。

在焊接的實驗過程中，通過手動控制焊接深度使焊接力逐步增大，直至焊接力達到10 000 N，焊接力每增大500 N 記錄1 次實驗數據，并將焊接力傳感器測得的數據與標準力傳感器的數據進行對比分析，實驗數據如表2 所示。

從表1 的實驗數據可以看出，在焊接過程中，本套焊接力監測系統所測得焊接力的數值與標準力傳感器大致相同，其最大差值為112 N，故本套焊接力監測系統的測量誤差為112/15 000×100%=0.75%。

5 結語

本課題依據焊接力監測需求所研發的焊接力監測系統能準確實時地測出焊接過程中攪拌頭與工件之間焊接力的大小，通過人機交互系統進行焊接力的顯示、數據保存等，并且整套系統不受制于工件大小，獨立于機床系統之外，即裝即用，方便使用，可移植性高。整套系統對優化攪拌摩擦焊焊接工藝和提高焊接質量提供很大的幫助，具有很好的應用前景。

表2 實驗數據 kN

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