管材攪拌摩擦焊機控制系統(tǒng)的設計及應用*

蘇海龍，駱宗安，謝廣明

（東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991 年10 月提出的發(fā)明專利，是一種新型的固相焊接技術［1］。攪拌摩擦焊的焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針插入工件的接縫處，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫［2-3］。攪拌摩擦焊技術具有如下優(yōu)點：焊接溫度低，固相連接；成本低，效率高，操作簡單，易于實現(xiàn)自動化；無煙塵、輻射、飛濺、噪聲及弧光等產(chǎn)生，并根除了熔焊所固有的焊接缺陷（氣孔、凝固裂紋等），提高了接頭和結構的連接質(zhì)量，降低了焊接變形等；在其他輕金屬如鎂、銅、鋅等材料的制造中也正得到工程化應用，成為在鋁合金結構制造中可以替代熔焊技術的、工業(yè)化實用的固相連接技術［4］。

為了深入研究攪拌摩擦焊技術的深層機理，弄清焊接設備的部件結構、運動控制系統(tǒng)參數(shù)等因素對焊接質(zhì)量的影響，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室研制了兩臺管材攪拌摩擦焊機。這兩臺焊機的控制系統(tǒng)分別采用了西門子的PLC［5］和伺服控制系統(tǒng)及西班牙Fagor 公司的數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，完成多個運動軸的精確協(xié)調(diào)控制任務，可以對各種管材（鋼材、輕合金等）進行攪拌摩擦焊接研究，為攪拌摩擦焊的工藝改進與完善提供了有效的工具。

1 攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)

攪拌摩擦焊機由主設備、自動控制系統(tǒng)、伺服運動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)（1 號攪拌摩擦焊機）和冷卻系統(tǒng)等組成。1 號攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)為西門子公司的產(chǎn)品；2 號攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)為西班牙Fagor 公司的產(chǎn)品。

1.1 主體結構

攪拌摩擦焊機的主體設備由臺架、管材卡盤、給進機構、攪拌頭旋轉(zhuǎn)架、液壓鎖緊機構（1 號攪拌摩擦焊機）或電動鎖緊機構（2 號攪拌摩擦焊機，采用電動推桿鎖緊管材）等組成，在攪拌頭的后部設有冷卻水道，用于冷卻攪拌頭。攪拌摩擦焊機3D 模型如圖1 所示。

圖1 攪拌摩擦焊機3D 模型示意

焊接工作過程為：將卡盤張開，放入待焊接的兩根管材，然后卡盤閉合，并采用多點螺栓緊固，在管材內(nèi)部放入襯管（用于焊接過程支撐焊接管內(nèi)壁），通過人機界面，輸入控制參數(shù)（2 號攪拌摩擦焊機輸入G 語言程序），如攪拌頭的插入深度（壓下量）與速度、主軸隨時間的旋轉(zhuǎn)速度、焊接前進速度等，然后開始焊接試驗。

在焊接過程中，人機界面顯示控制參數(shù)及實際采集的數(shù)據(jù)，用于監(jiān)控試驗過程的主要參數(shù)變化規(guī)律，顯示焊接過程中攪拌頭對焊接管的壓力變化、旋轉(zhuǎn)軸的電機扭矩、速度，給進電機的速度及位移變化，主軸電機的速度及扭矩等。

1.2 控制系統(tǒng)的硬件配置及功能

2 號攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)選用西班牙Fagor 公司的 CNC 數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)［6］。CNC 數(shù)控系統(tǒng)被廣泛應用于數(shù)控機床上，并經(jīng)過多年的改進和發(fā)展，已經(jīng)形成了完善的控制軟件包，可以對X 軸、Y 軸、Z 軸、主軸及輔助軸進行多維度程序控制，還具有直線插補、圓弧插補等功能，且可以進行標準G 語言編程。但是，CNC 數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部功能對外開放程度有限，用戶定制任務等靈活多變的編程需求受到限制。

1 號攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)選用西門子的PLC 及 SIMOTION 伺服控制系統(tǒng)［7］，S7-300 PLC 作主站，與ET200M 從站之間及SIMOTION 伺服控制系統(tǒng)的通信單元CU320 之間通過Profibus-DP 進行通信［8］。該方案的優(yōu)點是編程靈活、成本低；缺點是編程量極大，不能使用G 語言編程。

1 號設備人機界面計算機選用研華嵌入式工控機及15 in（381 mm）工業(yè)顯示器，PLC 與工控機之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信。控制系統(tǒng)的硬件配置如圖2～3 所示。

圖2 1 號攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)結構示意

圖3 2 號攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)結構示意

1.2.1 控制系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2.1.1 伺服電機的主要參數(shù)

1 號攪拌摩擦焊機的參數(shù)為：主軸電機額定功率 22 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min；扭矩140 N·m；給進電機額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩12.5 N·m，行程100mm；旋轉(zhuǎn)電機共2 臺，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩6.5 N·m，減速比40。兩臺旋轉(zhuǎn)電機性能相同，對稱安裝，旋轉(zhuǎn)方向相反。

2 號攪拌摩擦焊機的參數(shù)為：S 軸（主軸電機）額定功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500～8 000 r/min，扭矩118 N·m；A 軸（旋轉(zhuǎn)軸）旋轉(zhuǎn)方向從設備右側看，順時針為正，限位角度是0°～360°（定義推桿電機側為設備正面），額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩9.55 N·m；Y 軸（平移軸）電機額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩4.78 N·m，行程70 mm；Z軸（給進軸）電機額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩9.55 N·m，行程70 mm。

1.2.1.2 主軸及給進電機的閉環(huán)控制

1 號攪拌摩擦焊機在人機界面上設定主軸和進給機構的轉(zhuǎn)速，PLC 程序根據(jù)減速機的減速比和機構特點將設定轉(zhuǎn)速換算成主軸電機和進給電機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過Profibus-DP 總線將設定轉(zhuǎn)速傳送給伺服控制器，伺服電機內(nèi)置增量編碼器作為速度反饋信號，比較設定速度與實際反饋速度，通過伺服控制器的閉環(huán)PID 控制算法計算，經(jīng)由DRIVE-CLIQ 接口控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，進而控制主軸電機轉(zhuǎn)速和進給機構攪拌頭前進的位置（進給電機在速度閉環(huán)的基礎上，還有位置閉環(huán)，即雙閉環(huán)控制）。

2 號攪拌摩擦焊機各軸電機的控制參數(shù)及需要焊接的軌跡都是通過G 語言編程的方式完成。

1.2.1.3 兩臺旋轉(zhuǎn)電機的同步閉環(huán)控制

1 號攪拌摩擦焊機的旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)置絕對值編碼器作為位置反饋信號，但旋轉(zhuǎn)電機是兩臺相同的電機，運行時需要二者同步控制，即啟動、停止、反轉(zhuǎn)等都需要高度的同步，否則將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的扭矩，對機械機構造成嚴重影響，甚至損壞，同時影響控制效果。

伺服電機需要通過Starter 系統(tǒng)配置軟件的參數(shù)識別及優(yōu)化后才能進行控制，首先需要選擇所配置電機的編號、控制器的功能模式、電機模塊、DRIVE-CLIQ 接口、抱閘（電機內(nèi)置）、編碼器類型、報文類型、負載精度等，然后配置控制參數(shù)。兩臺旋轉(zhuǎn)電機的閉環(huán)控制部分主要參數(shù)見表1。

表1 兩臺旋轉(zhuǎn)電機的閉環(huán)控制部主要參數(shù)

手動設定旋轉(zhuǎn)速度后，電機旋轉(zhuǎn)時在Starter系統(tǒng)測得的實際轉(zhuǎn)速與手動設定的不同，所以要通過程序進行換算，以實現(xiàn)傳輸?shù)絊tarter 系統(tǒng)中的數(shù)值為人機界面上設定的轉(zhuǎn)速。實測幾組不同的速度，通過Origin 軟件找出設定速度與實際速度的線性方程，x 為PLC 上設定的速度，y 為Starter 系統(tǒng)中實際速度，可得到線性方程y=1.25x-2.5。

攪拌旋轉(zhuǎn)支架在旋轉(zhuǎn)360°的不同位置時，由于重力的作用，要求伺服電機輸出的扭矩也不同，而在旋轉(zhuǎn)到45°時所受到的重力最大，此時如果電機的功率不足，扭矩輸出不夠，就會發(fā)生設備的旋轉(zhuǎn)機構抖動現(xiàn)象。

兩臺旋轉(zhuǎn)電機在采用主從控制模式下，伺服電機的減速機輸出扭矩141 N·m 和319 N·m 時的扭矩實測曲線如圖4～5 所示，青色線為伴隨電機的扭矩曲線。

圖4 伺服電機減速機輸出扭矩141 N·m 時的扭矩曲線

圖5 伺服電機減速機輸出扭鉅319 N·m 時的扭矩曲線

因此，伺服電機的輸出扭矩必須大于旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)過程中的最大扭矩。

1.2.2 控制系統(tǒng)的邏輯控制

1 號攪拌摩擦焊機控制系統(tǒng)中的數(shù)字邏輯，主要對以下設備進行控制：伺服系統(tǒng)的主回路整流單元、液壓站的電機、液壓鎖緊閥組、循環(huán)水站等。控制任務由PLC 完成。

2 號攪拌摩擦焊機中沒有液壓站，采用電動推桿完成卡具的開閉，所以邏輯控制任務均由CNC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的 PLC 完成［9-11］。

1.3 控制系統(tǒng)的軟件

1 號攪拌摩擦焊機控制系統(tǒng)的HMI 軟件為WinCC［12］，PLC 控制系統(tǒng)軟件為 STEP7，HMI 軟件中的外部變量通過與PLC 數(shù)據(jù)塊中的變量綁定，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換。控制系統(tǒng)軟件結構如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件結構示意

2 號攪拌摩擦焊機控制系統(tǒng)的軟件為預植的CNC 控制軟件包，該軟件包包含了完善的控制算法，只需通過人機界面輸入G 語言編碼，即可完成各種焊接任務。

1.4 HMI 人機界面

1 號攪拌摩擦焊機的人機界面分為主界面及實時曲線界面，在主界面中，可直接輸入焊接軌跡的參數(shù)，如主軸、旋轉(zhuǎn)軸、進給軸伺服電機的設定參數(shù)（轉(zhuǎn)速、位移、角度等），同時可以顯示焊接過程中實際反饋的數(shù)值及設備的運行狀態(tài)。

實時曲線界面可以顯示焊接過程中各個軸伺服電機的實際參數(shù)變化曲線，控制系統(tǒng)HMI 人機界面如圖7 所示。

2 號攪拌摩擦焊機的各個軸的定義、參數(shù)設定、實時反饋數(shù)據(jù)可以通過CNC 數(shù)控系統(tǒng)的主界面及多個輔助界面查看。

2 焊接試驗

通過大量的攪拌摩擦焊接試驗［13］，找出影響焊縫效果的焊接參數(shù)，通過改變這些參數(shù)，確定一定條件下的最佳焊接參數(shù)。這些參數(shù)主要為：攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭的進給深度及速度、焊接速度、攪拌頭傾角等。

試驗采用Φ273 mm×6 mm 規(guī)格X65 鋼級管線鋼管，攪拌頭有兩種，尺寸見表2。攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)與焊接效果見表3。

圖7 控制系統(tǒng)HMI 界面

通過試驗可知：A 號攪拌頭采用600 r/min 轉(zhuǎn)速和100 mm/min 焊接速度、B 號攪拌頭采用500 r/min 轉(zhuǎn)速和80 mm/min 焊接速度時，焊接試樣的焊縫表面良好。對焊后試樣進行組織性能檢測及力學性能測試［14-15］，發(fā)現(xiàn)焊縫具有良好的微觀組織結構、硬度、抗拉強度及低溫沖擊韌性，表明焊接效果良好。X65 鋼級管線鋼對接焊縫如圖8 所示。

3 結 語

采用西門子PLC 及SIMOTION 伺服系統(tǒng)作為管材攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)時，其具有較大的軟件編程靈活性及系統(tǒng)的可擴展性，但編程量較大，需要調(diào)試的參數(shù)較多；采用CNC 數(shù)控系統(tǒng)作為攪拌摩擦焊機的控制系統(tǒng)時，編程量小，控制算法成熟，但靈活性欠缺。

表2 試驗用攪拌頭尺寸

表3 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)與焊縫效果

圖8 采用1 號攪拌摩擦焊機焊接的X65鋼級管線鋼對接焊縫

針對不同規(guī)格、不同材質(zhì)的管材進行大量的焊接試驗，逐步探索影響焊接效果的各種因素，可為進一步改進工藝提供可靠的依據(jù)，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊機存在的缺陷，并逐步改進。