CN104400214A - 一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置及方法 - Google Patents

Abstract

该技术属于测控装置领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置及方法。包括搅拌头；预载螺钉；主轴；压力传感器；主轴外壳，搅拌头与主轴左侧相连，主轴外壳为圆筒状，主轴与主轴外壳之间由八个均匀分布的预载螺钉连接，且主轴与主轴外壳不直接接触，当中留有缝隙，四个压力传感器安装在主轴与主轴外壳之间，在圆周方向上均匀分布。本发明提供一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置及方法。，结构小巧，加装方便，可以有效适用于各种搅拌摩擦焊设备顶锻力与前进抗力的测量，控制由PLC以及伺服电机实现，控制精度高，使用方便。

Description

一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置及方法

技术领域

该技术属于测控装置领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置及方法。 

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年10月提出的发明专利。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，TWI进行了较多的研究。 

目前，研究发现搅拌摩擦焊加工中主轴对工件的顶锻力以及主轴进给时受到的前进抗力与焊接质量有着密不可分的关系。保证整个焊接过程中的工作力恒定可以大大提高焊缝的质量，有效避免焊接缺陷。但是在国内现有搅拌摩擦焊机床上都没有相关的压力测量***，无法有效测量搅拌摩擦焊机工作中的压力变化。而其他机床上的测力设备大多是外加的测力设备，其设备体积较大，结构特殊，并不能很好的兼容其他设备，大多都是为了某一型号的机床配套生产的。因此有必要为搅拌摩擦焊机床主轴设计一套结构较为简单的测力与控制装置，以便在行业内推广。 

发明内容

本发明的目的在于：一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测量与控制装置及方法，控制顶锻力、前进抗力的大小。 

本发明的技术方案如下：一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置,其特征在于：包括搅拌头、预载螺钉、主轴、压力传感器、主轴外壳、PLC、进给伺服电机，搅拌头与主轴左侧相连，主轴外壳为圆筒状，主轴与主轴外壳之间由预载螺钉连接，且主轴与主轴外壳不直接接触，当中留有缝隙，压力传 感器安装在主轴与主轴外壳之间，搅拌头受到的工作力通过主轴传递到压力传感器上，再传递到主轴外壳上；所述进给伺服电机包括控制竖直方向的进给伺服电机与控制水平方向的进给伺服电机，压力传感器产生的压力数据传输到PLC内，PLC换算得到的顶锻力、前进抗力的数值，传递给控制竖直方向的进给伺服电机与控制水平方向的进给伺服电机，来分别控制主轴对工件的下压量与主轴进给速度。 

主轴与主轴外壳之间由8个均匀分布的预载螺钉连接，通过8个预载螺钉，可以调整四个压力传感器上的预载，保证压力传感器在工作前有一定的预载，并且四个压力传感器上的预载一致。 

共有4个压力传感器安装在主轴与主轴外壳之间，在圆周方向上均匀分布。 

一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控方法，其特征在于：包括以下步骤 

步骤一：压力传感器将搅拌头受到竖直向上的顶锻力的反力F_d以及与进给方向相反的前进抗力F_q的数据传送到PLC内； 

步骤二：PLC将步骤一得到的数据进行计算，得到的顶锻力与前进抗力的数值，计算方法为：搅拌头受到竖直向上的顶锻力的反力为F_d、与进给方向相反的前进抗力为F_q；四个压力传感器受到的压力为F_i(i＝1,2,3,4)，由力平衡可以知道， 

$F_d=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i---\left(1\right)$

由此可以得到顶锻力的数值，同时，根据力矩平衡可以知道， 

$F_{q}L=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|(F_i-\stackrel{\‾}{F})\right|R---\left(2\right)$

由此，可以得到前进F_q抗力的计算公式， 

$F_q=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|(F_i-\stackrel{\‾}{F})\right|R}{L}---\left(3\right)$

步骤三：PLC将步骤二中计算得到的顶锻力数据传递给控制竖直方向的进给伺服电机，控制主轴对工件的下压量，以此控制顶锻力的大小；将步骤二中计算得到的前进抗力的数值传递给控制水平方向的进给伺服电机，控制主轴进给速度，以此来控制前进抗力的大小。 

本发明的显著效果在于：结构小巧，加装方便，可以有效适用于各种搅拌摩擦焊设备顶锻力与前进抗力的测量，控制由PLC以及伺服电机实现，控制精度高，使用方便。 

附图说明

图1为本发明中装置的整体结构示意图； 

图中：1搅拌头、2预载螺钉、3主轴、4压力传感器、5主轴外壳； 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

如图1所示，一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置,包括搅拌头1；预载螺钉2；主轴3；压力传感器4；主轴外壳5，搅拌头1与主轴3左侧相连，主轴外壳5为圆筒状，主轴3与主轴外壳5之间由八个均匀分布的预载螺钉2连接，且主轴3与主轴外壳5不直接接触，当中留有缝隙，四个压力传感器4安装在主轴3与主轴外壳5之间，在圆周方向上均匀分布。通过八个预载螺钉2，可以调整四个压力传感器4上的预载，保证压力传感器4在工作前有一定的预载，并且四个压力传感器4上的预载一致。搅拌头1受到的工作力不通过主轴3直接传递到主轴外壳5上，而是由通过主轴3传递到压力传感 器4上，再传递到主轴外壳5上。这样，所有工作力造成的数值方向上的力就都由压力传感器4采集。 

还包括PLC与进给伺服电机，进给伺服电机包括控制竖直方向的进给伺服电机与控制水平方向的进给伺服电机，四个压力传感器4产生的压力数据传输到PLC内，PLC换算得到的顶锻力、前进抗力的数值，传递给控制竖直方向的进给伺服电机与控制水平方向的进给伺服电机，来分别控制主轴对工件的下压量与主轴进给速度。 

一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控方法，包括以下步骤 

步骤一：压力传感器将搅拌头1受到竖直向上的顶锻力的反力F_d以及与进给方向相反的前进抗力F_q的数据传送到PLC内； 

步骤二：PLC将步骤一得到的数据进行计算，得到的顶锻力与前进抗力的数值，计算方法为：搅拌头1受到竖直向上的顶锻力的反力为F_d、与进给方向相反的前进抗力为F_q；四个压力传感器受到的压力为F_i(i＝1,2,3,4)，由力平衡可以知道， 

$F_d=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i---\left(1\right)$

由此可以得到顶锻力的数值，同时，根据力矩平衡可以知道， 

$F_{q}L=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|(F_i-\stackrel{\‾}{F})\right|R---\left(2\right)$

由此，可以得到前进F_q抗力的计算公式， 

$F_q=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|(F_i-\stackrel{\‾}{F})\right|R}{L}---\left(3\right)$

步骤三：PLC将步骤二中计算得到的顶锻力数据传递给控制竖直方向的进给伺服电机，控制主轴对工件的下压量，以此控制顶锻力的大小；将步骤二中计算得到的前进抗力的数值传递给控制水平方向的进给伺服电机，控制主轴进给速度，以此来控制前进抗力的大小。 

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置,其特征在于：包括搅拌头1、预载螺钉2、主轴(3)、压力传感器(4)、主轴外壳(5)、PLC、进给伺服电机，搅拌头(1)与主轴(3)左侧相连，主轴外壳(5)为圆筒状，主轴(3)与主轴外壳(5)之间由预载螺钉(2)连接，且主轴(3)与主轴外壳(5)不直接接触，当中留有缝隙，压力传感器(4)安装在主轴(3)与主轴外壳(5)之间，搅拌头(1)受到的工作力通过主轴(3)传递到压力传感器(4)上，再传递到主轴外壳(5)上；所述进给伺服电机包括控制竖直方向的进给伺服电机与控制水平方向的进给伺服电机，压力传感器(4)产生的压力数据传输到PLC内，PLC换算得到的顶锻力、前进抗力的数值，传递给控制竖直方向的进给伺服电机与控制水平方向的进给伺服电机，来分别控制主轴对工件的下压量与主轴进给速度。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置，其特征在于：主轴(3)与主轴外壳(5)之间由8个均匀分布的预载螺钉(2)连接，通过8个预载螺钉(2)，可以调整四个压力传感器(4)上的预载，保证压力传感器(4)在工作前有一定的预载，并且四个压力传感器(4)上的预载一致。

3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置，其特征在于：共有4个压力传感器(4)安装在主轴(3)与主轴外壳(5)之间，在圆周方向上均匀分布。

4.一种如权利要求1所述的搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控装置的搅拌摩擦焊机床顶锻力及前进抗力测控方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一：压力传感器(4)将搅拌头(1)受到竖直向上的顶锻力的反力F_d以及与进给方向相反的前进抗力F_q的数据传送到PLC内；

步骤二：PLC将步骤一得到的数据进行计算，得到的顶锻力与前进抗力的数值，计算方法为：搅拌头(1)受到竖直向上的顶锻力的反力为F_d、与进给方向相反的前进抗力为F_q；四个压力传感器受到的压力为F_i(i＝1,2,3,4)，由力平衡可以知道，

$F_d=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i---\left(1\right)$

由此可以得到顶锻力的数值，同时，根据力矩平衡可以知道，

$F_{q}L=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|(F_i-\stackrel{\‾}{F})\right|R---\left(2\right)$

由此，可以得到前进F_q抗力的计算公式，

$F_q=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|(F_i-\stackrel{\‾}{F})\right|R}{L}---\left(3\right)$

步骤三：PLC将步骤二中计算得到的顶锻力数据传递给控制竖直方向的进给伺服电机，控制主轴对工件的下压量，以此控制顶锻力的大小；将步骤二中计算得到的前进抗力的数值传递给控制水平方向的进给伺服电机，控制主轴进给速度，以此来控制前进抗力的大小。