攪拌摩擦焊接過程中主軸下壓力控制研究

肖 波，王慶霞，楊建國，張華德

1 引言

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是英國焊接研究所于1991年發明的一種固相連接技術[1]。與傳統的熔化焊接技術相比，可以有效避免熱裂紋，氣孔等焊接缺陷，具有接頭力學性能較好，變形小、低污染、低能耗等優點[2]。

下壓量、進給速度和主軸轉速與主軸下壓力有一定的關系，下壓力基本恒定是保證焊縫質量穩定的有效方法之一[3]。文獻[4]提出了機器人FSW下壓力控制，同時探討了主軸轉速、進給速度和下壓量對下壓力的影響。文獻[5]的研究表明由于機器人存在定位誤差導致下壓量很難預測，主軸下壓力控制應用在機器人焊接系統上存在很大的振蕩。由于機器人有限的負載能力及其柔順性，焊接過程中難以保證下壓力達到期望值。因此，文獻[6]攪拌摩擦焊下壓力監測平臺的基礎上，通過控制焊接進給速度控制下壓力提高焊接質量，下文中主軸下壓力簡稱下壓力。

2 攪拌摩擦焊監測平臺開發

2.1 系統總體設計

攪拌摩擦焊下壓力監控系統主要由下壓力監測平臺和下壓力監控軟件兩大部分組成，如圖1所示。下壓力監測平臺中力感應模塊以壓電石英作為敏感元件，在下壓力作用下產生壓電效應，將力值信號轉化為相應的電壓信號；供電模塊采用無線供電技術為下壓力采集和信號傳輸模塊提供直流穩壓電源；信號處理模塊包括信號放大、信號調理及數模轉換；信號傳輸模塊采用無線傳輸技術實現。下壓力監控軟件包括監測模塊、控制模塊、分析模塊和數據庫管理模塊，可以實現力值信號的顯示、保存、控制等功能。選擇以Nrf24le1內置增強型51Flash高速單片機作為控制核心，首先是下壓力監測平臺對電壓信號進行轉換和讀取，然后控制信號傳輸模塊發送和接收數據。

圖1 攪拌摩擦焊下壓力監控系統結構圖Fig.1 Structure of Axial Force Monitoring System for FSW

2.2 下壓力監測模塊

下壓力監測模塊包括力感應模塊、信號傳輸模塊、信號處理模塊、監測模塊，以壓電式力感應器作為敏感元件，通過信號處理模塊進行信號放大、調理及數模轉換，其中信號放大有采集并初步放大傳感器原始信號的作用，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）等功能；然后采用無線信號傳輸模塊進行信號的傳輸，通過無線供電方式供電。無線數據傳輸模塊包括無線發送模塊和無線接收模塊，無線傳輸模塊采用Nrf24le1模塊。Nrf24le1采用了Nordic最新的無線數字射頻和超低功耗技術，集成了2.4GHz無線射頻收發，增強型51Flash高速單片機，A/D轉換器等豐富外設及接口等的單片Flash芯片。功耗低，以6dBm的功率發射時，工作電流只有9mA，同時可采用Enhanced ShockBurst TM模式，比普通模式多了一個確認數據傳輸的信號，解決了數據丟包現象，提高了整套監測平臺的穩定性及精度，保證數據傳輸的可靠性。數字射頻技術是通過內部的固件程序對數模轉換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。傳感器基本性能參數，如表1所示。

表1 下壓力監測傳感器技術指標Tab.1 Technical Index of Pressure Monitoring Sensor

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，由于監測部分不是研究重點在此不做贅述。

3 下壓力控制在數控銑床上的實現

3.1 控制系統開發

下壓力閉環反饋控制由控制器、數控系統（Computer numerical controller，CNC）、進給軸、力傳感器、濾波器組成。圖中Fr表示參考下壓力值，F表示實際下壓力值，在CNC外配置有一臺主計算機控制X軸，在計算機中設定參考的下壓力值，參考力值與實際力值作差得到力偏差值，如圖2所示。力偏差值信號經過控制器處理之后產生控制信號，得到需要調整的進給倍率，無線發送到單片機信號接收端，經數控系統進而控制X軸電機產生所需的進給速度，間接改變下壓力值從而達到焊接過程中期望的下壓力值。力傳感器獲得新的下壓力值經過濾波反饋到主計算機中，再次與參考信號比較，形成閉環反饋控制回路。

圖2 進給速度修調的主軸下壓力控制方框圖Fig.2 Control Diagram of Force Control Via Traverse Speed

系統的監測平臺中力傳感器安裝在主軸和攪拌頭之間，與自主設計的安裝接口裝配，組成一個整體。傳感器由機械本體和外部電路盒組成，使用壓電石英測量主軸受力產生的電壓，信號處理后無線發送給計算機。裝有力傳感器的設備，如圖3所示。

圖3 攪拌摩擦焊接監控平臺實物圖Fig.3 The Physical Map of FSW Monitoring Platform

3.2 進給速度自動控制

控制數控機床的進給軸，以PC（Personal Computer）為上位機，單片機為下位機，設計一種驅動X-Y兩軸電機聯動的開環控制系統[7]。通過調整倍率來實現對加工時的進給速度的調整，機床倍率開關每一個檔位都對應一組二進制編碼，如果能實現自動調節機床的倍率開關的輸入，就能實現對加工時進給速度的控制[7]。進給速度控制的過程中，進給倍率作為被控變量，實際進給速度計算公式為：

式中：f—實際進給速度；Vg—G代碼設定進給速度；k—進給倍率。

數控系統中的進給倍率范圍為（0～150）%，分別是離散的數值變量，用相應的二進制Gray碼表示成29檔。根據機床進給倍率的調控旋鈕，測出每個檔位所對應的二進制編碼，使用單片機引腳控制三極管開關電路，模擬每個檔位所輸出的二進制編碼傳輸給數控系統，設置的4個引腳即為單片機模擬倍率開關的輸出端。將單片機通過Nrf24le1無線收發芯片與上位機進行通信，因此主軸下壓力控制實際輸出的是進給倍率對應的Gray碼，從而間接控制主軸下壓力。

每一個采樣周期開始，力傳感器采集數據后經數模轉換成8位數字量信號發送到Nrf24le1無線接收芯片。通過串口通信傳輸到Labview程序中無線接收模塊，再經由裝在機床控制箱內的接收端輸入STC89C52單片機，最終輸出后送入機床，完成對機床倍率的控制，模擬倍率開關控制原理，如圖4所示。

圖4 模擬倍率開關控制原理圖Fig.4 Principle Diagram of Analog Rate Switch Control

3.3 監控軟件模塊

Labview是美國NI公司開發的圖形化編程開發平臺，具有強大的數據處理和圖形顯示功能，主軸下壓力監控軟件采用Labview開發完成[8]。因為Labview軟件本身不具備數據庫訪問功能，使用數據庫接口工具包Database Connectivity Toolkit進行數據庫訪問[9]。建立Access焊接工藝數據庫，在上位機程序中的數據查詢上采用數據庫接口DBTools Open Connection VI，建立Labview與Access工藝數據庫的聯系，可以實時查詢得到參考下壓力值。將需要查詢的數據與數據庫中相應數據進行對比，以偏差的最小值調取最優參考力值。不同焊接參數對攪拌摩擦焊的影響是不同的，其中下壓量對下壓力的影響最大[10]，所以對不同的參數定了相應的系數a、b、c。規定查詢結果使得值A擁有最小值，若存在多個結果，則在結果中取擁有最小的B值的數據，A、B值計算公式為：

式中：ap—下壓量；f—進給速度；n—主軸轉速；a′p、f′、n′—Access數據庫中的工藝參數；ap、f、n—測量的工藝參數。

Labview的模糊邏輯工具箱（FuzzyLogicforGToolkit）用于設計基于規則的模糊控制器。系統控制程序采用二維模糊控制器，輸入實際力值與參考力值的偏差和偏差的變化率，經模糊控制算法得到適當的進給速度變化量，從而實現進給速度的控制，控制器的設計此處不予贅述。

3.4 焊接實驗及結果分析

選用厚度為6mm的6061-T6鋁合金板材作為焊接工件，攪拌工具為高速鋼材料，在立式VM1360立式銑床上開展無下壓力控制和有下壓力控制對比的焊接實驗，根據主軸前端式力傳感器監測焊接過程中的下壓力，選取的工藝參數數值，如表2所示。

表2 FSW工藝參數Tab.2 Process Parameters of FSW

在攪拌針插入的過程中，下壓力急劇上升到一個極大值，當軸肩插入的時候，下壓力進一步升高達到極大值。在下壓過程結束時，攪拌頭將停留1s后才開始進給，下壓力迅速減小。而在進給開始時，下壓力值再次上升，從焊接進給開始后進入主軸下壓力控制區域，開始進給速度控制。圖5上面部分是由于缺乏下壓力控制產生的焊接缺陷，圖5下面的焊縫可以看出通過適當地調節進給速度控制主軸下壓力，經過控制后得到了更光滑、無毛刺、無孔洞的焊縫質量，說明該控制方式對進給速度的控制能力滿足FSW的需求。

圖5 無下壓力控制的焊接缺陷圖和有下壓力控制的焊接質量圖Fig.5 Weld Flaw without Axial Force Control and Welding Quality Under Axial Force Control

通過實驗結果進行分析，圖6中下壓力曲線與圖5中好的焊縫質量對應。根據焊接進給階段的曲線分析可知，在攪拌頭沿著焊縫進給的過程中，隨著進給速度逐漸從100mm/min下降到50mm/min，下壓力也會降低。當開始進給時，下壓力有比較大的波動。工件裝夾在剛性平面上，因為攪拌頭移動到了一個工件材料溫度較低的區域，焊接環境變差，從而產生了力值的變化。當這種情況發生時，通過減小進給速度，這樣在攪拌頭軸肩和工件接觸的局部區域就可以產生足夠的熱量，從而得到好的焊接質量。從（36～63）s，開啟控制程序，焊接過程中下壓力值變化相對平穩。當參考力為5000N，系統進入穩態焊接過程時，立即將下壓力調整到5000N附近，調整過后無明顯振蕩。圖中兩條垂直虛線表示下壓力控制的開始和結束時刻，這段時間下壓力的平均值為5062N，誤差分布區間為［-215，389］N，標準偏差 125.8N。

圖6 進給速度修調的主軸下壓力控制焊接曲線Fig.6 Welding Curve of the Axial Force Control Via Traverse Speed

4 結論

（1）應用無線傳輸技術，解決了旋轉式主軸電壓信號線的連接問題，采用無線供電技術，實現了對測力裝置的穩定供電需求，最終實現對下壓力的實時監測。（2）采用Labview軟件的G語言編程開發的下壓力監控軟件，具有數據保存、顯示、分析、回放和控制等功能，能夠對力值數據進行分析和調用。（3）監控系統下壓力測量范圍為（0～20000）N，電壓分辨能力為1mv/3N，測量誤差為0.75%。進給速度修調的FSW主軸下壓力控制基本穩定，控制精度約為8%。（4）本套系統成本小，使用方便，通用性較高。研究表明，改變進給速度控制主軸下壓力的方式為提高攪拌摩擦焊接質量提供了重要的方法和理論依據，具有很好的工程應用價值。