[发明专利]位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置以及摩擦焊接工艺

权利要求书

1.一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置，其特征是：由液压伺服控制器(2)、液压伺服阀(3)、轴向加载机构(5)、压力传感器(4)、压力传感器(7)、位移传感器(12)构成的位置力控制模式的液压伺服焊接加载系统，主轴系统(11)固定安装在床身(13)上，滑台行走机构(8)下表面安装移动滑块，床身(13)上表面安装直线导轨，滑台行走机构(8)通过移动滑块与直线导轨构间接与床身(13)相连；轴向加载机构(5)固定安装在床身(13)上；轴向加载机构(5)上安装了液压油缸，液压油缸活塞杆与移动滑台行走机构(8)固定连接；主轴工件(10)由主轴系统(11)上的工装夹具夹持，尾座工件(9)由滑台行走机构(8)上的工装夹具夹持；液压油源(6)与液压伺服阀(3)通过液压管路进行连接，液压伺服阀(3)与轴向加载机构(5)上的液压油缸通过液压管路连接，并通过液压管路向液压油缸的前腔和后腔提供液压油；控制系统(1)采用通讯电缆与液压伺服控制器(2)相连，实现控制系统(1)与液压伺服控制器(2)之间的数据及控制指令传输，液压伺服控制器(2)与液压伺服阀(3)通过控制电缆进行连接，并对液压伺服阀(3)进行控制；位移传感器(12)采用光栅尺，光栅尺的标尺光栅固定安装在床身(13)上，光栅读数头固定安装在滑台行走机构(8)上，位移传感器(12)的信号电缆与液压伺服控制器(2)相连，位移传感器(12)采集到的位移数据将反馈给液压伺服控制器(2)；压力传感器(4)安装在轴向加载机构(5)上的液压油缸的前进腔油路，检测液压油缸前进腔内油压大小；压力传感器(7)安装在轴向加载机构(5)上液压油缸的后退腔油路，检测液压油缸后退腔内油压大小；压力传感器(4)和压力传感器(7)的信号电缆均与液压伺服控制器(2)相连，将液压油缸的前进腔和后退腔内的油压反馈给液压伺服控制器(2)。

2.一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，其特征是：液压伺服阀(3)在伺服控制器(2)的控制下调整开度大小，开度大小从0到100％，液压伺服阀(3)通过油路与向轴向加载机构(5)连接，并向轴向加载机构(5)上的顶锻油缸打入液压油；压力传感器(4)和压力传感器(7)分别采集顶锻油缸前进腔和后退腔的油压信号，并将油压数据反馈给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据轴向加载机构上的油缸前进腔和后退腔的液压油压差、油缸面积计算出液压油缸提供的轴向力，核减轴向加载机构(5)空载运行阻力，即为轴向焊接轴向加载机构(5)施加到焊接工件上的力；当执行位置控制模式时，液压伺服阀(3)在伺服控制器(2)的控制下向顶锻油缸的油腔打油，驱动滑台行走机构(8)移动，位移传感器(12)实时采集滑台行走机构(8)和床身(13)的相对位移，并将位移数据反馈给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据位移传感器(12)反馈的位移数据实时调整液压伺服阀(3)的开度，在液压伺服位置闭环控制模式下，使滑台行走机构(8)的位置不断趋于目标值；当执行力控制模式时，控制系统(1)向伺服控制器(2)传递控制指令及焊接力等相关数据，伺服控制器(2)及液压伺服阀(3)进入力控制模式，伺服控制器(2)根据力数据大小，调整液压伺服阀的开度大小，控制液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)上的油缸前进腔供油，轴向加载机构(5)在液压油的驱动下，有两种加载选择：一种情况是尾座工件(9)和主轴工件未接触，液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)供油，驱动滑台行走机构(8)及尾座工件(9)向主轴工件(10)的方向运动，空载驱动力小于控制系统设置的焊接力；另外一种选择是：尾座工件(9)和主轴工件(10)接触，伺服控制器(2)控制液压伺服阀(3)的开度，向轴向加载机构(5)打油，使轴向加载机构(5)输出的力趋于控制系统(1)设置的目标值。

3.根据权利要求2所述的一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接工艺，其特征是：在摩擦焊接准备过程中，当主轴工件(10)和尾座工件(9)装夹完成后，伺服控制器(2)控制液压伺服阀(3)进入力控制模式，液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)上的顶锻油缸前进腔供油，轴向加载机构(5)在液压油的驱动下，以一定数值的推力推动滑台行走机构(8)及尾座工件(9)向主轴工件(10)的方向运动，直至主轴工件(10)和尾座工件(9)接触，主轴工件(10)和尾座工件(9)在轴向压力的作用下顶紧保压一定时间，此过程为轴向加载机构(5)在力控制模式下推动滑台行走机构(8)向前运动并进行顶紧保压；在顶紧保压的同时，位移传感器(12)采集此时移动滑台行走机构(8)和床身(13)的相对位移数据，位移传感器(12)将位置数据反馈给伺服控制器(2)，由伺服控制器(2)记录此位置数据并传送给控制系统(1)，当顶紧保压结束后，在位置控制模式下，控制系统(1)将尾座工件(9)向后移动的距离传送给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据控制系统(1)的指令控制液压伺服阀(3)动作，液压伺服阀(3)向轴向加载机构(5)上的液压油缸供油，油缸活塞杆拖动滑台行走机构(8)移动，同时位移传感器(12)实时采集滑台行走机构(8)的位置数据，压力传感器(4)及压力传感器(7)采集液压油缸的前进腔及后退腔的油压，位移数据和液压油缸前后腔的油压数据实时反馈给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)根据位置数据及油缸两腔的油压数据，实时调整液压伺服阀(3)的开度，控制进入液压油缸前进腔和后退腔的液压油量及油压，最终将液压油缸的活塞杆停止在控制系统(1)设定的位置，使主轴工件(10)和尾座工件(9)之间为规定尺寸，在滑台行走机构(8)向后运动过程停止后，依然受到液压伺服系统位置控制模式的控制，液压伺服阀(3)对液压油缸前后腔的液压流量和压力进行实时调整，实现对主轴工件(10)和尾座工件(9)之间的间距进行精确控制；在摩擦焊接过程中，当尾座工件(9)后退到设定位置后，焊接准备过程结束，进入摩擦焊接过程，主轴系统(11)带动主轴工件(10)旋转，同时轴向加载机构(5)拖动滑台行走机构(8)及尾座工件(9)向主轴工件(10)的方向移动，轴向加载机构(5)为每个焊接阶段提供相应的焊接力，即控制系统(1)根据焊接工艺要求，将每个加载阶段需要的焊接力数据传输给伺服控制器(2)，伺服控制器(2)采用力模式控制液压伺服阀(3)输出的液压油流量及油压，并将滑台行走机构(8)空载运行的轴向阻力核减掉，使轴向加载机构(5)上的液压油缸提供的焊接力最大限度的与设定值接近，通过油缸前进腔压力传感器(4)和后退腔压力传感器(7)反馈的数据，对液压油缸输出的轴向焊接力进行闭环控制，控制不同焊接加载阶段焊接力阶跃的超调量、阶跃响应时间及焊接力稳定后的精度，液压伺服系统采用力模式提供的焊接力作于整个摩擦焊接过程直至顶锻焊接保压过程结束。