線性摩擦焊設備頂鍛控制系統基于AMESim的仿真研究

張詩晴，方泓樹

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

線性摩擦焊是從旋轉摩擦焊發展而來的，是80年代末出現的一種新型焊接方法，是一種十分先進的技術。這門技術融合了摩擦學、控制、焊接、機電等眾多學科內容，現在廣泛應用于航空航天、石油和汽車制造等領域。線性摩擦焊的工藝特性，使葉片與葉盤間的過渡區的晶粒組織變得非常精細，其力學性能遠遠超過非焊接的機體材料。

線性摩擦焊的原理是兩個工件靠在一起做相對高頻往復運動，焊接接觸面在頂鍛正壓力作用下相互摩擦產生熱量，焊縫金屬發生塑性流動，再通過持續頂鍛使焊縫金屬相互擴散與再結晶，以此達到焊接的目的。

自1990年以來，第一臺線性摩擦焊機問世已近20年，但國內外關于線性摩擦焊研究的報道都很少。近年來，隨著我國航空航天工業的飛速發展，線性摩擦焊技術越發受到科研工作者的重視，研究包括線性摩擦焊在內的新型焊接技術對于提高我國航空航天工業的制造水平有著十分重要的意義。

本次研究課題來源為我所承接的項目-多功能高精度線性摩擦焊試驗設備研制，我所負責其中的電液伺服系統研制部分，這是線性摩擦焊設備中的關鍵內容，十分重要。

1 系統硬件組成

圖1 頂鍛控制系統結構框圖

線性摩擦焊機主要由設備本體（包括機體、工作臺、框架及夾具等）、頂鍛部分、振動部分、檢測控制部分等組成。本次研究的重點在于頂鍛部分的電液伺服控制系統，該控制系統任務為：推動頂鍛滑臺并為其定位；為焊接副提供工藝所要求的頂鍛正壓力，且能在要求的焊接縮短量下保壓。頂鍛伺服油缸的控制擬采用數字控制方案。

由于本項目摩擦焊頂鍛系統運動行程較長，因此經過綜合考慮，頂鍛伺服系統最終采用長短兩個行程的油缸串聯的控制方式，長行程油缸采取位置控制，短行程油缸采取位置控制和力控制。長、短行程兩個油缸串聯連接，長行程油缸缸體固定于設備基座，活塞桿水平伸縮，用于初始大行程位置控制；短行程油缸活塞桿與長行程油缸活塞桿相連，當長行程缸活塞桿到達設定目標位置，短行程油缸活塞桿與長行程油缸活塞桿一同固定，短行程油缸缸筒帶動滑臺、夾具及工件水平移動，用于焊接期間的位置控制和力控制。焊接頂鍛伺服油缸的控制由位移控制和力控制兩種閉環控制方式構成，它們分別完成滑臺定位和焊機頂鍛力的施加。頂鍛控制系統結構框圖如圖1所示。

而控制系統流程圖則如圖2所示。

圖2 控制系統流程圖

2 仿真部分

2.1 系統建模

本次仿真采用軟件為AMESim，該程序為一建模仿真平臺，可應用于多種領域。AMESim用圖形化建模方法替代了數學建模，使用戶的設計過程更加便捷。簡化系統原理圖后，應用AMESim軟件建立如圖3所示的液壓系統。

2.2 參數選定

對于閥控缸液壓系統有如下所示公式：

式中qLm為最大負載流量，qv為伺服閥的輸出流量；

Ps為油源的供油壓力；

Δp為壓降，qLs為伺服閥樣本所規定額定壓降下的流量。

圖3 液壓系統結構圖

在PID環節中，需要確定三個重要參數，分別為：比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd。其中比例系數Kp主要控制系統的響應速度，Kp增大時系統能更快響應，精度提高，但Kp過大時系統超調量也增大，亦有可能產生振蕩使系統不穩定。積分系數Ki主要控制系統的準確性，可以減小穩態誤差，但引入積分環節同時會降低系統的穩定性。微分系數Kd主要控制系統穩定性，Kp合適時可顯著提高系統動態性能指標，大大提高穩定性，但同時存在著抗干擾能力弱的問題。PID整定需要根據經驗確定PID的初始參數，然后逐步調試。其中控制函數為u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD.de(t)/dt]，積分上下限是0和t。傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TI.s)+TD.s]。

最終決定應用模式為PI，頂鍛長缸P=0.85，I=0.005；頂鍛短缸位移控制部分P=1.6，I=0.2，力控制部分P=0.00001，I=0.0001。

3 仿真結果

根據所搭建的仿真模型對頂鍛系統進行仿真分析，結果如下。

頂鍛長缸位移圖像如圖4所示。

圖4 頂鍛長缸位移圖

頂鍛短缸位移圖像如圖5所示。

頂鍛短缸頂鍛力圖像如圖6所示。

4 結束語

本次研究采取了兩個油缸串聯控制的方式，頂鍛長缸采用位移控制，頂鍛短缸采用位移控制和力控制。由仿真圖像可知長行程油缸位移、短行程油缸位移、短行程油缸頂鍛力均符合要求，該方案可行，可以應用。

圖5 頂鍛短缸位移圖

圖6 頂鍛短缸頂鍛力圖