搅拌摩擦焊二维数控焊接设备设计与仿真研究.pdf

第6 3 卷第2 期 有色金属v “6 3 ，N o2 2011 年5 月N o n k ⋯M eL 山s M 盯20 1 1 D o I 1 0 ．3 9 6 9 ／且i 站n ．1 帅l 一0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 3 2 搅拌摩擦焊二维数控焊接设备设计与仿真研究 夏罗生，朱树红 张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界4 2 7 0 0 0 摘要分析倾斜角度和倾斜宵向时焊接的影响．研究二维曲线焊接埘搅拌摩擦焊接设备运动的要求．设计基于数宁控制的 二维搅拌摩擦焊接设备．通过运曲仿真分析．验证| 殳备鲇构设计的u r 性．从而解决国内搅拌摩擦焊没备不能焊接任意二维曲线 的难题，推动搅拌摩擦焊技术任扣J 日的进一步发腱。 关键词搅拌摩擦焊；二维曲线；数 控制；结构设汁 中图分类号T “3 98文献标识码文章编号l o o I 0 2 1 1 2 0 1 I 0 2 0 1 3 2 一0 4 搅拌摩擦焊技术 F s w 足英国焊接研究所 T h ew e l d i n gI n s t i t u t e ，简称T w I 于1 9 9 1 年提m 的 一种固相连接技术。如图l 所示，搅拌摩擦焊接过 程中，一个柱形带特殊轴肩和搅拌针的搅拌头旋转 着缓慢插入被焊接r 件，搅拌头和被焊接材料之间 的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域 的材料热塑化，当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化 的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅 拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下， 形成致密固相连接接头。 图1搅拌摩擦焊原理示意图 F i gl S e h e m eo fh i c I i ⋯“rw e l d i “g 这项新型的焊接技术解决了低熔点合金焊接难 题，与传统熔焊方法相比，无飞溅、烟尘，不需要添加 焊丝和保护气体，焊后残余应力非常小，接头性能良 好。在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列 收稿日期2 0 l o o I 1 8 作者简介夏罗生 1 9 7 0 一 ．男．硕上，副教授．从事搅拌摩攘焊设 计与应用研究。 乍、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结 构制造中，已经展示出显著的技术前景和经济效 一1 3 1 盆。 1 国内外搅拌摩擦焊设备研究现状 搅拌摩擦焊设备是实现搅拌摩擦焊接技术的载 体，最开始的搅拌摩擦焊设备是在传统的普通铣床 上改装而成，随后出现了各种各样的搅拌摩擦焊接 设备。E S A B 、G E M c 0 R 、G E N E R A L 、T O O Lc O 、H I - T A c H I L I D 等多家公司已经经过英国焊接研究所授 权，提供搅拌摩擦焊焊接设备”一。最初，搅拌摩擦 焊设备只能焊接长、直规则焊缝，现在，国外不仅已 成功地实现了x y 、z x 、y Z 平面的二维曲线的焊接， 而且已实现了任意平面上二维曲线的焊接‘⋯1 ，如 图2 、图3 所示。图2 中的焊缝形状是处在z x 平面 的由圆弧曲线构成的二维曲线，图3 的焊缝形状是 处在y Z 平面的由直线与圆弧组成的二维曲线。 中国搅拌摩擦焊中心2 0 0 2 年成立以来，致力于 搅拌摩擦焊设备的开发和制造，已研发出c 型、龙 门式、悬臂式三个系列的搅拌摩擦焊设备⋯，广泛 应用在船舶、铁道、车辆、电机制造、飞机制造等领 域。焊接材料已不仅仅是铝合金材料，还包括铜合 金、镁合金、锌合金等。随着人们对搅拌摩擦焊技术 认识的提高，预计在不远的将来，铝合金、镁合金、锌 合金、钛合金等轻金属材料的连接将主要由搅拌摩 擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝 合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊 技术将会占据主导地位。 国内搅拌摩擦焊设备的研制已取得了一定成 果，但当前能够焊接的焊缝形式主要是纵向直缝、T 万方数据 第2 期鹱掣小等搅拌胖擦焊维数拄焊接} 殳备设计‘j 仿真研究 型焊缝、环} 『l I 缝，二维曲线的焊接还处于起步阶段， 仪局限于水平面的二维曲线焊接，任意二维曲线的 焊接还未涉及，有许多n 日题要解决。 随着搅拌摩擦焊技术的广泛应用，焊缝的形状 也变得复杂，不仅仅是一维直线．更多的将是二维曲 线甚至三维曲线，如龟机构件、宇航件的焊接．这就 要求搅拌摩擦焊接设备具备更强的焊接能力。二维 曲线的焊接难题，已成为制约我国搅拌摩擦焊技术 与搅拌摩擦焊装备发展的一个瓶颈。 图3y z 平面二维焊缝 F i g ．3 坨t w 0 ．d j ㈣s i o n a lw e I d 2 二维数控搅拌摩擦焊设备结构设计 搅拌摩擦焊接设备焊接时，要求焊接头轴肩面 与焊缝平面有一个夹角 即倾斜角 ．这就导致其搅 拌头与机床主轴结构要复杂，本文就从倾斜角度出 发，进行二维数控搅拌摩擦焊设备结构设计。 2 ．1 二维焊缝焊接对倾斜角度和倾斜方向的要求 2 ．1 ．1 倾斜角度和倾斜方向的定义与作用。倾斜 角度是搅拌针轴线与焊缝所在平面的法线方向的夹 角．如图4 中的口角。倾斜方向是指搅拌针前进的 方向，它始终指向焊接方向。对直线焊缝．它就是直 线的前进方向；对圆弧焊缝．它指向圆弧的切向方 向，如图4 中的p 的 向。沿着焊接打向合适的倾 斜角能够保证搅拌轴寤容纳经过搅拌针搅拌后的材 料，蚱能够有效地将这些材料从搅拌头前面转移到 后面，并对搅拌针后面的材料施加压力。焊接时，如 果搅拌针与焊缝平面完全垂直，则经过搅拌针搅拌 过的材料会被轴肩挤到两边，形成飞边，同时搅拌针 的后面由于材料过少及压紧力小就会形成空洞．从 而达不到焊接要求。 2 ．1 ．2 二维焊缝焊接对倾斜角度和倾斜方向的要 求。以z x 平面内为例，如图4 示，焊缝由平行于x 坐标的 B 、c D 和G Ⅳ线段、与工坐标成一定角度的 斜线B c 线段、圆弧D E 、E F 、F G 组成，即 B c D 层F - c Ⅳ。焊接A 日、c D 和钾线段时，首先调整搅拌针的 倾斜方向到x 轴的负方向，倾斜角度调整好之后， 焊接过程中，倾斜角度和倾斜方向都不需要再变化； 焊接口c 线段时．搅拌针的倾斜方向要调整到与x 轴成角度d 的方向，倾斜角度仍为8 ，调整好之后， 焊接过程中，倾斜角度和倾斜方向都不需要再变化。 由于倾斜方向与倾斜角度都是相对于z 轴的，两个 角度可叠加，相当于使初始位置为垂直安装的搅拌 针相对于z 轴偏转a 扫角；焊接圆弧D E 、E F 、F G 时，焊接过程中，倾斜角度不变．搅拌针的倾斜方向 表现为n 角 要跟随圆弧的切线方向变化而变化， 所以垂直安装的搅拌针相对于z 轴偏转角度口 8 随圆弧的切线方向的变化而变化。 图4z x 平面内二维焊缝焊接时倾斜角度和 倾斜方向图 F i g4Z X P l d n et w o - d i m e n 8 i o n a IB 驯w e l d i n g Ⅱ“g I eB n d “l td i v e c t i o no fn g u e 2 ．2 二维焊接对搅拌焊接设备运动的要求 下面以嬲平面为例，焊接圆弧焊缝时。需要工 作台带动工件作纵向 x 轴 进给运动、搅拌头垂直 方向 z 轴 进给运动、搅拌针高速旋转运动．搅拌 万方数据 有色金属 第6 3 卷 头应有能实现不断变化的倾斜方向的运动，用一个 改变倾斜角度的运动 B 轴 来实现，另在横向 y 轴 应有工作台的横向进给运动。因此，至少需要 四轴控制 x 轴、y 轴、z 轴、曰轴 ，三轴 x 轴、z 轴、 8 轴 联动，才能满足圆弧焊接的要求。 综合x y 、y Z 及其它平面分析情况，要实现任 意平面二维焊缝的焊接，需要六轴控制三个直线轴 x 轴、y 轴、z 轴，三个旋转轴A 轴、B 轴、c 轴，这六 轴中有四轴必须联动。 2 ．3 二维搅拌摩擦焊设备结构设计 按照卜- 述运动分析要求，设计了一台搅拌摩擦 焊二维数控焊接设备，采用单立柱结构，其外形图如 图5 示，由床身、滑鞍、工作台、横向回转盘、电主轴、 搅拌溜板、蜗轮箱、轴向回转箍、连接套筒、立柱、数 控系统等组成。 l 一床身；2 一滑鞍；3 一工作台；4 一横向『一I 转盘；5 一电主轴； 6 一搅拌蔼板；7 一蜗轮箱；8 一轴向回转盘； 9 一连接套筒；1 0 一立柱 图5 搅拌摩擦焊二维焊接设备 F i g ．5 T w o ．d i 蚴s i 佣a l 衔c l i o ns 血w e l d i “g 。q u i p m e n t 滑鞍2 沿床身l 的导轨作横向 y 轴 进给运 动，工作台3 沿滑鞍2 的导轨作纵向 x 轴 进给运 动。搅拌溜板6 带动整个搅拌头沿立柱1 0 的导轨 作垂直进给运动。x 、y 、z 三个方向分别由交流伺 服电动机经同步带、滚珠丝杠副驱动。 轴向回转盘8 安装在搅拌溜板6 里面，由一台 交流伺服电动机经蜗杆蜗轮副7 驱动，绕垂直轴线 作回转运动 c 轴 ，可3 6 0 。回转。连接套筒9 的上 端与轴向回转盘8 固定连接，横向回转盘4 通过轴 承支承在连接套筒9 的下端，电主轴5 的外壳与横 向回转盘4 固定连接。安装在连接套筒9 内部的交 流伺服电动机经齿轮副带动横向回转盘4 摆动，使 电主轴5 及其上的搅拌针一起绕横向回转盘4 的水 平轴线回转 轴 ，实现倾斜角度的变化。 本设备巧妙地设计了两个旋转轴．比预先设计 的少用了一根轴，就实现了任意倾斜角度和任意倾 斜方向。再加上三个直线轴，共五根轴。若只焊接 任意二维曲线，采用五轴控制、四轴联动即可。若要 焊接二维曲线，该设备在硬件上亦具备此能力，只需 扩展软件能力，采用五轴控制、五轴联动即可实现。 为实现对轴的控制，采用数字控制技术，五台交 流伺服电动机均带有脉冲编码器，检测伺服电动机 的角位移并反馈到数控装置，构成半闭环控制。 3 运动仿真分析 u G 软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、 虚拟装配等设计功能，而且，还可进行有限元分析、 机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的 可靠性，其运动仿真流程如图6 示。 图6 运动仿真流程图 F i g ．6 M 0 v e m e n t8 i m u l 8 I i o nn o wc h a n 本节设计了二维数控搅拌摩擦焊设备的运动仿 真方案，按照方案，利用u G 的m o d e l i n g 建模 模 块，对搅拌摩擦焊设备零部件进行了虚拟设计，利用 u G 的m o d e l i n g 建模 模块进行虚拟装配．建立了 搅拌摩擦焊设备的三维实体模型如图5 所示。通过 u G ／M 0 t i o n 运动仿真 模块，建立了运动分析场景， 在运动场景中对7 个零部件设置了连杆特性，在两 个连杆间设置了运动副，三个旋转副和三个移动副， 添加了机构载荷从而构建了运动模型，再对运动模 型的各个部件赋予一定的运动学特性，设置了运动 万方数据 第2 期夏罗生等搅拌摩擦焊二维数控焊接设备设计与仿真研究 1 3 5 参数后就建立了搅拌摩擦焊设备的运动仿真模 型‘7 ‘8 1 。 A ● ，嘲础 - 奠n铱一j ，扎 、。 ‘j0 泐 ，“ ‘ N j、 、i 、』 ’ ，，77 1ij ‘ ij ； 澎 ／j ，f 7 ； i f 入 lj ii；． ，，71 7 i j ＼f 、． 髟飞 I VV j 沁 I ●j t j ’ U ● 图7J 0 0 2 、J 0 0 3 、J 0 0 4 的角度值变化表 F i g ．7 J 0 0 2 ，J 0 0 3 。J 0 0 4a n g l ev a l u ec h a n g et a b l e 对搅拌摩擦焊设备的运动仿真模型进行了运动 仿真分析，重点是轴向回转盘和横向回转盘运动仿 真，图7 就是三个旋转副的角度变化图，J 0 0 2 代表 轴向回转盘回转副，J 0 0 3 代表横向回转盘回转副， J 0 0 4 代表电主轴旋转副。从此图及运动仿真过程 可看出，轴向回转盘绕其垂直轴线能3 6 0 0 回转、横 向回转盘绕其水平轴线能3 6 0 0 回转 考虑到实际工 作情况，设备工艺参数中此项参数只需在一9 5 。至 9 5 。范围内回转 ，运动过程中不发生运动干涉。 4结论 通过仿真说明二维数控搅拌摩擦焊设备机械运 动部分设计符合要求，能满足任意二维曲线焊接要 求，目前该设备正处于制造过程中，该设备的成功研 制有力地推动我国搅拌摩擦焊接技术的发展。 参考文献 [ 1 ] 张华，林三宝，吴林，等．搅拌摩擦焊研究进展及前景展望[ J ] ．焊接学报，2 0 0 3 ．2 4 3 9 l 一9 6 ． [ 2 ] 栾国红，郭德伦，张田仓，等．革命性的宇航结构件焊接新技术搅拌摩擦焊[ J ] ．航空制造技术，2 0 0 2 1 2 1 8 2 3 ． [ 3 ] 栾国红，关桥，高效．固相焊接新技术搅拌摩擦焊[ J ] ．电焊机．2 0 0 5 ，3 5 9 8 一1 3 ． [ 4 ] D a w e BCJ ，T h o m a 8w M ．F r i c t i o ns t i rj o i n i n go fa l u m i n i u ma l l o y 8 [ J ] ．B u l l e t i n ，1 9 9 5 4 3 2 3 6 ． [ 5 ] K n i p 8 t m m 。K 盯l - E r i k ，P e k k a r i ，e ta 1 ． F r i c t i o n8 t i rw e l d i n gp m c e 8 Bg o e 8c o m m e r c i a l [ J ] ．w e l d i n gJ o u m 8 l ，1 9 9 7 ，7 6 9 5 5 5 7 ． [ 6 ] 赵衍华，林三宝，吴林，等．搅拌摩擦焊应用及焊接设备简介[ J ] ．电焊机，2 0 0 4 ，3 4 1 5 9 ． [ 7 】美国u n i g m p h i c 8s o l u t i o n 8I n c 著．胡晓康编译．u G 运动分析培训教材[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 2 ． [ 8 ] 陈欣，张开学，付玉升，等．基于u G 的专用数控铣床铣头结构设计与运动仿真[ J ] ．机械工程与自动化，2 0 0 7 2 3 8 3 9 ． ● T h eD e s i g na n dS i m u l a t i o nR e s e a r c hf b rT w o D i m e n s i o n a lF S WE q u i p m e n to fC N C X l Ah ∞- s h e n g ．z H US h u - h o R g 孔口n 咖咖风l 讧Ⅱ‘eD ，A 啪n 口址t 记口lE 略i 删 n g ，z I l l 口n 咖咖日u ，l 口n4 2 7 0 0 0 ．傩i n Ⅱ A b s t r a c t T h i sp a p e ra n 8 l y z e 8t l l et i l ta n g l ea n dt i l td i r e c t i o no ft h ei m p a c to fw e l d i n g ，s t u d i e dt h em o V e m e n tf 0 珊a n d m o v e m e n tn u m b e rw h e nt h ew e l d i n gt w o - d i m e n s i o n a lc u n r e ，d e s i g n e d t w o d i m e n 8 i o n a lf H c t i o ns t i r w e l d i n g e q u i p m e n tb a s e do nt h eC N C ．T h r o u g ht h em o v e m e n t8 i m u l a t i o na n a l y s i s ，h a sc o n f i 瑚e dt h ee q u i p m e n t8 t r u c t u m l d e 8 i g nf e a s i b i I i t y ，B o l v e d t h ed o m e 8 t i cm c t i o n8 t i r w e l d i n ge q u i p m e n t n o tt ob ea b l et ow e l d a r b i t r a r y t w o d i m e n 8 i o n a lc u r v ed i m c u l tp r o b l e m ，p m m o t e dt h e 衔c t i o n8 t i rw e l d i n gt e c h n o l o g yi nC h i n a ’8d e V e l 叩m e n t ． K e y w o r d s 舾c t i o n8 t i rw e l d i n g ；t w o - d i m e n 8 i o n a lc u n r e ；C N C ；8 ￡r u c t u r a Jd e 8 i g n 责任编辑黄珊艳 万方数据