CN110440963A - 一种惯性摩擦焊机能量转化效率检测***及方法 - Google Patents

一种惯性摩擦焊机能量转化效率检测***及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***及方法，包括惯性摩擦焊机、霍尔传感器、数据采集模块、处理模块和直流稳压电源，其中，所述直流稳压电源为霍尔传感器提供电能，所述霍尔传感器设置于惯性摩擦焊机的飞轮盘旁，使所述飞轮盘在所述霍尔传感器的检测范围内，所述飞轮盘上设置有磁铁，所述数据采集模块采集由于惯性摩擦焊接过程中磁铁和霍尔传感器相对运动而引起的霍尔电势变化，并传输给所述处理模块，计算得到所述惯性摩擦焊机的能量转化效率。并不破坏或改进惯性摩擦焊机的原有结构，且成本低廉，操作简单。

Description

一种惯性摩擦焊机能量转化效率检测***及方法
技术领域
本公开属于惯性摩擦焊接过程研究技术领域，涉及一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
惯性摩擦焊接过程中的能量转化效率对于惯性摩擦焊接过程具有重要影响，直接影响到焊接过程中接头处的热输入，惯性摩擦焊接过程中能量转化效率的检测和计算可为惯性摩擦焊接过程的数值模拟以及接头的质量控制奠定良好的基础。
据发明人了解，目前，对于连续驱动摩擦焊接、线性摩擦焊接等过程中焊接界面摩擦功率及能量转化效率大多是通过VCMM(Voltage and Current of Major Motor)方法来的检测得到，即通过测量空载和加载下驱动主电机的电流电压来计算电机的输入功率，并以此计算摩擦加热功率及能量转化效率等焊接过程物理参量。但是，对于惯性摩擦焊接而言，在焊接开始之前主电机通过离合器与主轴和飞轮连接并带动其旋转，将动能储存在旋转飞轮与主轴中，当焊接过程开始时，主电机与飞轮和主轴脱开，在摩擦压力的作用下飞轮盘中所储存的动能将转化为界面摩擦热能。由于在焊接过程中主电机与主轴及飞轮断开连接，因此无法通过VCMM方法来检测和计算焊接过程中的物理参量。另外，若使用动态扭矩传感器检测摩擦界面的扭矩来计算能量转化效率，不仅成本高昂，还需对惯性摩擦焊机进行改造以使用联轴器将动态扭矩传感器和主轴进行连接，对惯性摩擦焊机进行改造，增加了制造、维修成本。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***及方法，本公开成本低廉且无需对现有惯性摩擦焊机进行改造，可对惯性摩擦焊机的实时转速、固有阻力矩和惯性摩擦焊接过程的能量转化效率进行检测以及计算，为惯性摩擦焊接过程的数值模拟以及惯性摩擦焊接接头的质量控制提供了基础。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***，包括惯性摩擦焊机、霍尔传感器、数据采集模块、处理模块和直流稳压电源，其中，所述直流稳压电源为霍尔传感器提供电能，所述霍尔传感器设置于惯性摩擦焊机的飞轮盘旁，使所述飞轮盘在所述霍尔传感器的检测范围内，所述飞轮盘上设置有磁铁，所述数据采集模块采集由于惯性摩擦焊接过程中磁铁和霍尔传感器相对运动而引起的霍尔电势变化，并传输给所述处理模块，计算得到所述惯性摩擦焊机的能量转化效率。
作为可选择的实施方式，所述磁铁粘贴在所述惯性摩擦焊机飞轮盘上。
作为可选择的实施方式，所述惯性摩擦焊机包括第一驱动机构、第二驱动机构、旋转主轴和飞轮盘，其中，所述第一驱动机构驱动旋转主轴的转动，所述旋转主轴带动飞轮盘转动，进而带动与飞轮盘同轴的旋转端焊件转动，所述第二驱动机构能够带动移动端焊件沿所述旋转主轴轴线方向相对运动。
作为进一步的限定，所述旋转主轴上、飞轮盘前端设置有离合器和制动器。
作为进一步的限定，所述磁铁活动设置于所述飞轮盘的侧面上。
作为可能的实施方式，所述第一驱动机构主要是由电机驱动旋转主轴的转动，第二驱动机构是由液压伺服驱动滑移端朝旋转端方向移动。
基于上述***的工作方法，包括：
布设霍尔传感器于惯性摩擦焊机的飞轮盘旁，使所述飞轮盘在霍尔传感器的检测范围内，在飞轮盘上设置磁铁，使惯性摩擦焊机工作，所述数据采集模块采集惯性摩擦焊接过程中磁铁和霍尔传感器相对运动而引起的霍尔电势变化，所述处理模块根据采集的数据计算得到所述惯性摩擦焊机的能量转化效率。
作为可选择的实施方式，计算过程包括：
根据惯性摩擦焊机飞轮盘的转动惯量及飞轮盘转速，计算飞轮盘所存储动能。
作为可选择的实施方式，控制惯性摩擦焊机的飞轮盘加速至指定转速，并在空载状态下使飞轮盘转速降为0，此时利用电参数采集程序对霍尔传感器所传出的电信号完成采集，对采集的电参数进行处理及提取，计算出空载时飞轮盘的速度函数N0(t)和空载下飞轮盘速度降为0的时间t0，根据能量守恒定律，计算出该惯性摩擦焊机固有阻力矩M0。
作为可选择的实施方式，在预设的摩擦压力、转速和转动惯量条件下，对焊接过程中惯性摩擦焊机飞轮盘的瞬时速度进行监测，并计算出焊接过程中飞轮盘速度函数N(t)，以及飞轮盘速度降为0的时间t，根据N(t)和t，计算出焊接过程中惯性摩擦焊机固有阻力矩所做的功，根据焊接过程中固有阻力矩所做的功以及飞轮盘所储存的能量，计算出焊接过程中能量转化效率。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的计算过程。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的计算过程。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开可实现非接触式检测惯性摩擦焊过程的能量转化效率，并不破坏或改进惯性摩擦焊机的原有结构，可避免对惯性摩擦焊机进行改造升级即可计算出惯性摩擦焊接过程的能量转化效率，且成本低廉，操作简单；
本公开利用处理器，可实现对惯性摩擦焊接过程物理参量的精确化、自动化检测以及计算。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是惯性摩擦焊接过程检测***的示意图；
图2是电参数采集程序所采集的脉冲信号的示意图；
其中，1、驱动电机，2、离合器，3、制动器，4、飞轮盘，5、旋转端焊件，6、移动端焊件，7、导轨，8、液压***，9、磁铁，10、霍尔传感器，11、直流稳压电源，12、数据采集卡，13计算机。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，目前，对于连续驱动摩擦焊接过程和线性摩擦焊接过程中物理参量的检测与计算大多是通过测量驱动主电机电压和电流来计算摩擦加热功率及能量转化效率的。但是，对于惯性摩擦焊接而言，由于在焊接过程开始时主电机与主轴及飞轮断开连接，因此无法通过测量电机的电流电压来检测和计算焊接过程中的物理参量。另外，若使用动态扭矩传感器来检测和计算焊接过程中的物理参量，不仅成本高昂，还需对惯性摩擦焊机进行改造升级。因此，提出了一种非接触式惯性摩擦焊接过程物理参量检测***及方法。
一种非接触式惯性摩擦焊接过程物理参量检测***，包括：
惯性摩擦焊机；
磁铁，粘附在惯性摩擦焊机飞轮盘上；
霍尔传感器，架设在飞轮盘旁，且惯性摩擦焊机飞轮盘的位置不超过有效检测范围；
直流稳压电源，用于与霍尔传感器连接，对霍尔传感器进行供电；
数据采集卡，与霍尔传感器相连接，用于采集电参数；
计算机，用于处理所述采集的电参数，计算出相应的惯性摩擦焊接过程物理参量。
将磁铁粘附在惯性摩擦焊机的飞轮盘上，并将霍尔传感器架设在飞轮盘旁，且不超过霍尔传感器的检测范围，同时使用稳压电源对霍尔传感器供电，当飞轮盘上的磁铁靠近霍尔传感器时，霍尔传感器内部的磁场发生变化，由于霍尔效应，产生不同的霍尔电势，即当磁铁接近霍尔传感器时，霍尔传感器输出高电势，远离磁铁时则输出低电势。将霍尔传感器与数据采集卡相连接。
输入惯性摩擦焊机飞轮盘的转动惯量I及飞轮盘转速n，该***自动计算出飞轮盘所存储动能E0，将E0存储。
在空载下将飞轮盘加速至某一恒定速度，与驱动电机断开后，使用霍尔传感器对磁信号进行采集，并使用所编写的程序对采集的电参数进行处理及提取，记霍尔传感器的有效检测范围为Δl，高电势输出时间为Δt，由此可计算出飞轮盘的瞬时速度为并且该***可自动计算出空载下飞轮盘速度曲线的拟合函数N0(t)以及飞轮盘速度降为0的时间t0，将N0(t)和t0存储。惯性摩擦焊机的阻力可认定为恒定值，假定有恒定阻力矩M0作用在主轴和飞轮上，根据空载下飞轮盘速度曲线的拟合函数N0(t)以及飞轮盘速度降为0的时间t0，可计算出摩擦阻力矩所做的功为：
根据能量守恒定律可得：
由此可计算出惯性摩擦焊机的固有阻力矩M0，将固有阻力矩M0存储。
同样使用霍尔传感器及数据采集和后处理程序测得焊接过程中飞轮盘的瞬时速度及飞轮盘速度降为0的时间t，并计算出焊接过程中飞轮盘的速度函数N(t)，将N(t)存储。根据该***所检测出的焊接过程中焊接过程中飞轮盘的速度函数N(t)，t以及固有阻力矩M0，自动计算出焊接过程中惯性摩擦焊机固有阻力矩所做的功为：
将W存储。
根据焊接过程中固有阻力矩所做的功以及飞轮盘所储存的能量，那么该***可自动计算出惯性摩擦焊过程的能量转化效率为：
并存储。
作为一种具体的实施例，如图1所示，惯性摩擦焊机包括第一驱动机构(在图1中为电机)、第二驱动机构(在图1中为液压***)、旋转主轴和飞轮盘，其中，第一驱动机构驱动旋转主轴的转动，所述旋转主轴带动飞轮盘转动，进而带动与飞轮盘同轴的旋转端焊件转动，第二驱动机构能够带动移动端焊件沿所述旋转主轴轴线方向相对运动。
旋转主轴上、飞轮盘前端设置有离合器和制动器。
磁铁活动设置于所述飞轮盘的侧面上。
输入惯性摩擦焊机飞轮盘的转动惯量I＝0.3392kg·m2及飞轮盘转速n＝2000rpm，自动计算出飞轮盘所存储动能并存储：
使惯性摩擦焊机的飞轮盘加速至2000rpm，并在空载状态下使飞轮盘转速降为0，此时对霍尔传感器所传出的电信号完成采集并将数据传输至计算机进行存储，所采集的脉冲信号如图2所示。对采集的电参数进行处理及提取，计算出空载时飞轮盘的速度函数：
N0(t)＝-6.5682t2-123.8575t+2037.16；
以及空载下飞轮盘速度降为0的时间t0＝10.54s，将N0(t)和t0存储。
根据能量守恒定律，计算出该惯性摩擦焊机固有阻力矩M0＝5.906N·m，将固有阻力矩M0储存。
在焊接工艺参数摩擦压力Pf＝300MPa，转速n＝2000rpm，转动惯量I＝0.3392kg·m2下，对惯性摩擦焊机飞轮盘的瞬时速度进行监测，并计算出焊接过程中飞轮盘速度函数：
N(t)＝-1.1882t5+16.4843t4-86.9458t3+215.3248t2-533.3248t+2003.5510；
飞轮盘速度降为0的时间t＝5.89s，将N(t)和t存储。
随后，该***根据所检测的N(t)和t，自动计算出焊接过程中惯性摩擦焊机固有阻力矩所做的功为：
根据焊接过程中固有阻力矩所做的功以及飞轮盘所储存的能量，该***可自动计算出焊接过程中能量转化效率：
将能量转化效率储存。
当然，上述计算过程可以通过程序实现，可以运行于存储介质或者终端设备上。同时，在其他实施例中，上述实施例的各个参数均可以根据具体情况进行替换。并不限于上述实施例所给出的具体数值。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***，其特征是：包括惯性摩擦焊机、霍尔传感器、数据采集模块、处理模块和直流稳压电源，其中，所述直流稳压电源为霍尔传感器提供电能，所述霍尔传感器设置于惯性摩擦焊机的飞轮盘旁，使所述飞轮盘在所述霍尔传感器的检测范围内，所述飞轮盘上设置有磁铁，所述数据采集模块采集由于惯性摩擦焊接过程中磁铁和霍尔传感器相对运动而引起的霍尔电势变化，并传输给所述处理模块，计算得到所述惯性摩擦焊机的能量转化效率。
2.如权利要求1所述的一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***，其特征是：所述磁铁粘贴在所述惯性摩擦焊机飞轮盘上。
3.如权利要求1所述的一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***，其特征是：所述惯性摩擦焊机包括第一驱动机构、第二驱动机构、旋转主轴和飞轮盘，其中，所述第一驱动机构驱动旋转主轴的转动，所述旋转主轴带动飞轮盘转动，进而带动与飞轮盘同轴的旋转端焊件转动，所述第二驱动机构能够带动移动端焊件沿所述旋转主轴轴线方向相对运动。
4.如权利要求3所述的一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***，其特征是：所述旋转主轴上、飞轮盘前端设置有离合器和制动器。
5.如权利要求1所述的一种非接触式惯性摩擦焊接过程能量转化效率检测***，其特征是：所述磁铁活动设置于所述飞轮盘的侧面上。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的***的工作方法，其特征是：包括：
布设霍尔传感器于惯性摩擦焊机的飞轮盘旁，使所述飞轮盘在霍尔传感器的检测范围内，在飞轮盘上设置磁铁，使惯性摩擦焊机工作，所述数据采集模块采集惯性摩擦焊接过程中磁铁和霍尔传感器相对运动而引起的霍尔电势变化，所述处理模块根据采集的数据计算得到所述惯性摩擦焊机的能量转化效率。
7.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：计算过程包括：
根据惯性摩擦焊机飞轮盘的转动惯量及飞轮盘转速，计算飞轮盘所存储动能；
控制惯性摩擦焊机的飞轮盘加速至指定转速，并在空载状态下使飞轮盘转速降为0，此时利用电参数采集程序对霍尔传感器所传出的电信号完成采集，对采集的电参数进行处理及提取，计算出空载时飞轮盘的速度函数N0(t)和空载下飞轮盘速度降为0的时间t0，根据能量守恒定律，计算出该惯性摩擦焊机固有阻力矩M0。
8.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：在预设的摩擦压力、转速和转动惯量条件下，对惯性摩擦焊机飞轮盘的瞬时速度进行监测，并计算出焊接过程中飞轮盘速度函数N(t)，以及飞轮盘速度降为0的时间t，根据N(t)和t，计算出焊接过程中惯性摩擦焊机固有阻力矩所做的功，根据焊接过程中固有阻力矩所做的功以及飞轮盘所储存的能量，计算出焊接过程中能量转化效率。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求7或8所述工作方法的计算过程。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求7或8所述工作方法的计算过程。
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