全液压式搅拌摩擦焊机及其控制方法

摘要

本发明公开了一种全液压式搅拌摩擦焊机及其控制方法，用于解决现有搅拌摩擦焊机驱动力及扭矩小的技术问题。技术方案是在搅拌摩擦焊机上设置六组液压动力系统，第一、第二、第四液压马达分别驱动倾角轴、搅拌轴、倾斜方向圆盘作B轴、Cˊ轴、C轴的旋转运动，传递大扭矩；第三、第五、第六液压缸分别驱动搅拌轴、第二滑台、第一滑台作进给运动，传递Z轴、Y轴、X轴方向大的驱动力。由计算机通过伺服阀控制各液压动力系统，对X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴进行五轴联动。实现对焊机全方位的液压驱动，满足各个受力方向上的大驱动力与大扭矩，解决了现有的搅拌摩擦焊机驱动力及扭矩小的技术问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊机，特别涉及一种全液压式搅拌摩擦焊机。还涉及这种全液压式搅拌摩擦焊机的控制方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是基于摩擦焊技术的原理，由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术。高速旋转的搅拌头压入被焊工件，搅拌头的轴肩和搅拌针与周围的金属材料发生摩擦产生摩擦热，摩擦热使搅拌头附近区域的母材受热而发生塑性变形，随着搅拌头沿着焊接方向前进，热塑化的金属随着搅拌头的搅动由前部转移到后部，并且在搅拌头轴肩的锻压作用下实现被焊金属之间的固相连接。

在现有技术中，通过伺服电机驱动焊机实现X轴、Y轴、Z轴、B轴(搅拌头倾角运动轴)、C轴(搅拌头倾斜方向运动轴)运动从而实现搅拌摩擦焊接，然而在焊接如钢、镍基合金、钛合金等高熔点材料时，驱动力小，只能实现高熔点材料薄板的焊接，无法满足工程实际需要。

文献1“王快社等.TC4钛合金搅拌摩擦焊连接组织形貌研究[J].稀有金属材料与工程，2008,37(11)：2045-2047”公开一种通过JCS-2.5-13型立式数控铣床改造的搅拌摩擦焊设备，能够焊接厚度仅为2.4mm的TC4合金。

文献2“专利申请号是201310163671.5的中国发明专利”公开了一种二片式轮毂搅拌摩擦焊装置，包括螺旋搅拌针、推力球轴承、推板、应变式力传感器、液压油缸、旋转压力轴、游动花键以及变频调速电机，其中，所述螺旋搅拌针螺纹固定在旋转压力轴的第一端，旋转压力轴的第二端贯穿液压油缸，第二端端部通过游动花键与变频调速电机相连接；所述旋转压力轴的第一端设有推力球轴承，所述推力球轴承与液压油缸之间设有用于压力检测和控制的应变式力传感器；所述推力球轴承外部设有推力球轴承座，所述推力球轴承座与应变式力传感器之间设有用于传导压力的推板。该技术是针对片式轮毂的特定搅拌摩擦焊设备，虽然能够通过液压缸驱动搅拌轴实现垂直进给运动，然而通过变频调速电机驱动搅拌轴及搅拌针做旋转运动，驱动力和扭矩较小，只能实现轮毂等特定对象的焊接，无法满足钛合金等高熔点厚板材料的焊接。

文献3“专利申请号是201310449604.X的中国发明专利”公开了一种搅拌摩擦焊机，设置有冷却装置和液压系统，在所述液压系统内设置有蓄能器和平衡阀。该技术虽然能够通过液压缸驱动搅拌轴在Z轴方向实现垂直进给运动，然而通过伺服电机实现搅拌轴的旋转运动，驱动力和扭矩较小。该技术无法实现焊机在X轴、Y轴、B轴和C轴的强力进给运动，无法实现钛合金等高熔点厚板材料的焊接。

发明内容

为了克服现有搅拌摩擦焊机驱动力及扭矩小的不足，本发明提供一种全液压式搅拌摩擦焊机及其控制方法。在搅拌摩擦焊机上设置六组液压动力系统，第一、第二、第四液压马达分别驱动倾角轴、搅拌轴、倾斜方向圆盘作B轴、Cˊ轴、C轴的旋转运动，传递大扭矩；第三、第五、第六液压缸分别驱动搅拌轴、第二滑台、第一滑台作进给运动，传递Z轴、Y轴、X轴方向大的驱动力。由计算机通过伺服阀控制各液压动力系统，对X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴进行五轴联动。实现对焊机全方位的液压驱动，满足各个受力方向上的大驱动力与大扭矩，解决了现有的搅拌摩擦焊机驱动力及扭矩小的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全液压式搅拌摩擦焊机，其特点是：包括第一液压马达18、第二液压马达6、第四液压马达29、第三液压缸7、第五液压缸36、第六液压缸45、底座42、滑轨支撑座40和机架37，所述机架37上固定有倾角轴套14，通过连接套16与第三液压缸7相连；所述倾角轴套14及连接套16内设置有倾角轴15，倾角轴15与第一液压马达18相连，由第一伺服阀1控制；所述第三液压缸7由第三伺服阀17控制，第三液压缸7内设置有第三活塞19、第三活塞杆9，所述第三液压缸7与第三活塞19、第三活塞杆9的连接处设置有密封件8；所述第三活塞19与第三活塞杆9通过焊接连为一体；所述第三活塞杆9内设置有搅拌轴20，所述搅拌轴20上设置有轴承10，搅拌轴20底部安装有搅拌针25，所述搅拌针25下方分别设置有倾斜方向圆盘23、第一滑台32、第二滑台39三个台面，分别控制搅拌针25在C轴、X轴、Y轴的相对运动方向；所述搅拌轴20通过花键4与第二液压马达6相连，由第二伺服阀2控制，所述花键4上安装有花键套5，花键4能够在花键套5内上下移动；所述滑轨支撑座40上固定有第二滑轨41，第二滑轨41上设置有第二滑台39，第二滑台39与第五液压缸36的第五活塞杆35相连，所述第五液压缸36由第五伺服阀43控制；所述第二滑台39上固定有第一滑轨33，第一滑轨33上设置有第一滑台32，第一滑台32与第六液压缸45的第六活塞杆31相连，所述第六液压缸45由第六伺服阀47控制；所述第一滑台32上固定设置有圆盘支撑台21，圆盘支撑台21内设置有相互啮合的蜗轮22与蜗杆28；所述蜗轮22通过倾斜方向轴24驱动倾斜方向圆盘23旋转，所述蜗杆28与第四液压马达29相连，由第四伺服阀30控制。所述第一伺服阀1、第二伺服阀2、第三伺服阀17、第四伺服阀30、第五伺服阀43和第六伺服阀47共用同一个油源3。所述第三伺服阀17、第五伺服阀43、第六伺服阀47的进油及回油管路上分别对应设置有第三压力传感器12、第五压力传感器38、第六压力传感器46。所述倾角轴15、搅拌针25、倾斜方向圆盘23处分别对应设置有第一角位移传感器13、第二角位移传感器26、第四角位移传感器27。所述第三活塞杆9、第二滑台39、第一滑台32处分别对应设置有第三线位移传感器11、第五线位移传感器34、第六线位移传感器44。

所述第三活塞杆9为中空结构。

一种上述全液压式搅拌摩擦焊机的控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将待焊工件固定在倾斜方向圆盘23上，液压油由油源3经第一伺服阀1进入第一液压马达18，驱动倾角轴15转动，倾角轴15带动第三液压缸7、第三活塞杆9、搅拌轴20及搅拌针25转动0～5°；在焊接过程中通过转动倾角轴15实时调节搅拌针25的焊接倾角；

步骤二、第二伺服阀2控制第二液压马达6带动搅拌轴20及搅拌针25转动，液压油经第三伺服阀17进入第三液压缸7内，驱动第三活塞19及第三活塞杆9并带动搅拌轴20向下运动，搅拌轴20带动搅拌针25插入待焊工件；通过控制进入第二液压马达6、第三液压缸7内的液压油流量来控制第二液压马达6的旋转速度及第三活塞19的进给速度进而达到控制搅拌针25的旋转及插入被焊工件速度；

步骤三、液压油经第六伺服阀47进入第六液压缸45内，驱动第六活塞杆31并带动第一滑台32在第一滑轨33内运动，固定在第一滑台32上的圆盘支撑台21及倾斜方向圆盘23作前后运动，从而实现待焊工件在X轴方向上的进给运动；通过控制进入第六液压缸45内液压油流量控制X轴方向上的进给速度；通过第六伺服阀47调节工件的X轴进给方向与速度，实现后退与前进；

步骤四、液压油经第五伺服阀43进入第五液压缸36内，驱动第五活塞杆35并带动第二滑台39在第二滑轨41上运动，固定在第二滑台39上的第一滑轨33及位于第一滑轨33上的第一滑台32、倾斜方向圆盘23沿Y轴运动，从而实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动；通过控制进入第五液压缸36内液压油流量控制Y轴方向上的进给速度；通过第五伺服阀43调节工件的Y轴进给方向与速度，实现后退与前进；

步骤五、油源3通过第四伺服阀30驱动第四液压马达29转动，再通过蜗轮22蜗杆28机构将动力传递到倾斜方向轴24，从而带动倾斜方向圆盘23及待焊工件旋转，在360°方向上任意调节搅拌针25的相对倾斜方向。

步骤六、第三压力传感器12、第五压力传感器38、第六压力传感器46所采集的压力信息，经计算机转换后获得Z轴、Y轴、X轴的驱动力信息；第一角位移传感器13、第二角位移传感器26、第四角位移传感器27所采集的角度信息，经计算机转换后获得搅拌针25的倾角、转速、倾斜方向信息；第三线位移传感器11、第五线位移传感器34、第六线位移传感器44所采集的位移信息，经计算机转换后获得Z轴方向、Y轴方向、X轴方向的位移信息；传感器将采集到的压力、倾角、转速、倾斜方向、位移等信息反馈到计算机，再由计算机整合寻优后将指令发送到各个伺服阀，从而形成全液压式计算机闭环控制系统。

所述第一伺服阀1、第二伺服阀2、第三伺服阀17、第四伺服阀30、第五伺服阀43、第六伺服阀47与计算机相连，控制X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴进行五轴联动。

本发明的有益效果是：本发明在搅拌摩擦焊机上设置六组液压动力系统，第一、第二、第四液压马达分别驱动倾角轴、搅拌轴、倾斜方向圆盘作B轴、Cˊ轴、C轴的旋转运动，传递大扭矩；第三、第五、第六液压缸分别驱动搅拌轴、第二滑台、第一滑台作进给运动，传递Z轴、Y轴、X轴方向大的驱动力。由计算机通过伺服阀控制各液压动力系统，对X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴进行五轴联动。实现对焊机全方位的液压驱动，满足各个受力方向上的大驱动力与大扭矩，解决了现有的搅拌摩擦焊机驱动力及扭矩小的技术问题。

以下结合附图和实施例详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明全液压式搅拌摩擦焊机的主视图。

图2是本发明全液压式搅拌摩擦焊机的右视图。

图中，1-第一伺服阀，2-第二伺服阀，3-油源，4-花键，5-花键套，6-第二液压马达，7-第三液压缸，8-密封件，9-第三活塞杆，10-轴承，11-第三线位移传感器，12-第三压力传感器，13-第一角位移传感器，14-倾角轴套，15-倾角轴，16-连接套，17-第三伺服阀，18-第一液压马达，19-第三活塞，20-搅拌轴，21-圆盘支撑台，22-蜗轮，23-倾斜方向圆盘，24-倾斜方向轴，25-搅拌针，26-第二角位移传感器，27-第四角位移传感器，28-蜗杆，29-第四液压马达，30-第四伺服阀，31-第六活塞杆，32-第一滑台，33-第一滑轨，34-第五线位移传感器，35-第五活塞杆，36-第五液压缸，37-机架，38-第五压力传感器，39-第二滑台，40-滑轨支撑座，41-第二滑轨，42-底座，43-第五伺服阀，44-第六线位移传感器，45-第六液压缸，46-第六压力传感器，47-第六伺服阀。

具体实施方式

参照图1-2。本发明全液压式搅拌摩擦焊机包括第一液压马达18、第二液压马达6、第四液压马达29、第三液压缸7、第五液压缸36、第六液压缸45、底座42、滑轨支撑座40和机架37，所述机架37上固定有倾角轴套14，通过连接套16与第三液压缸7相连；所述倾角轴套14及连接套16内设置有倾角轴15，倾角轴15与第一液压马达18相连，由第一伺服阀1控制；所述第三液压缸7由第三伺服阀17控制，第三液压缸7内设置有第三活塞19、第三活塞杆9；所述第三活塞杆9内设置有搅拌轴20；所述搅拌轴20通过花键4与第二液压马达6相连，由第二伺服阀2控制；所述滑轨支撑座40上固定有第二滑轨41，第二滑轨41上设置有第二滑台39，第二滑台39与第五液压缸36的第五活塞杆35相连，所述第五液压缸36由第五伺服阀43控制；所述第二滑台39上固定有第一滑轨33，第一滑轨33上设置有第一滑台32，第一滑台32与第六液压缸45的第六活塞杆31相连，所述第六液压缸45由第六伺服阀47控制；所述第一滑台32上固定设置有圆盘支撑台21，圆盘支撑台21内设置有相互啮合的蜗轮22与蜗杆28；所述蜗轮22通过倾斜方向轴24驱动倾斜方向圆盘23旋转，所述蜗杆28与第四液压马达29相连，由第四伺服阀30控制。

所述第三活塞杆9为中空结构。

所述搅拌轴20上设置有轴承10，搅拌轴20底部安装有搅拌针25。

所述花键4上安装有花键套5，花键4可在花键套5内上下移动。

在所述第三液压缸7与第三活塞19、第三活塞杆9的连接处设置有密封件8；所述第三活塞19与第三活塞杆9通过焊接连为一体。

所述第一伺服阀1、第二伺服阀2、第三伺服阀17、第四伺服阀30、第五伺服阀43、第六伺服阀47共用同一个油源3。

所述搅拌针25下方分别设置有倾斜方向圆盘23、第一滑台32、第二滑台39三个台面，分别控制搅拌针25在C轴、X轴、Y轴的相对运动方向。

在所述第三伺服阀17、第五伺服阀43、第六伺服阀47的进油及回油管路上分别对应设置有第三压力传感器12、第五压力传感器38、第六压力传感器46。

在所述倾角轴15、搅拌针25、倾斜方向圆盘23处分别对应设置有第一角位移传感器13、第二角位移传感器26、第四角位移传感器27。

在所述第三活塞杆9、第二滑台39、第一滑台32处分别对应设置有第三线位移传感器11、第五线位移传感器34、第六线位移传感器44。

上述全液压式搅拌摩擦焊机的控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤1.将待焊工件固定在倾斜方向圆盘23上，液压油由油源3经第一伺服阀1进入第一液压马达18，驱动倾角轴15转动，倾角轴15带动第三液压缸7、第三活塞杆9、搅拌轴20及搅拌针25转动0～5°；在焊接过程中通过转动倾角轴15可以实时调节搅拌针25的焊接倾角；

步骤2.第二伺服阀2控制第二液压马达6带动搅拌轴20及搅拌针25转动，液压油经第三伺服阀17进入第三液压缸7内，驱动第三活塞19及第三活塞杆9并带动搅拌轴20向下运动，搅拌轴20带动搅拌针25插入待焊工件；通过控制进入第二液压马达6、第三液压缸7内的液压油流量来控制第二液压马达6的旋转速度及第三活塞19的进给速度进而达到控制搅拌针25的旋转及插入被焊工件速度；

步骤3.液压油经第六伺服阀47进入第六液压缸45内，驱动第六活塞杆31并带动第一滑台32在第一滑轨33内运动，固定在第一滑台32上的圆盘支撑台21及倾斜方向圆盘23作前后运动，从而实现待焊工件在X轴方向上的进给运动；通过控制进入第六液压缸45内液压油流量控制X轴方向上的进给速度；通过第六伺服阀47调节工件的X轴进给方向与速度，实现后退与前进；

步骤4.液压油经第五伺服阀43进入第五液压缸36内，驱动第五活塞杆35并带动第二滑台39在第二滑轨41上运动，固定在第二滑台39上的第一滑轨33及位于第一滑轨33上的第一滑台32、倾斜方向圆盘23沿Y轴运动，从而实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动；通过控制进入第五液压缸36内液压油流量控制Y轴方向上的进给速度；通过第五伺服阀43调节工件的Y轴进给方向与速度，实现后退与前进；

步骤5.油源3通过第四伺服阀30驱动第四液压马达29转动，再通过蜗轮22蜗杆28机构将动力传递到倾斜方向轴24，从而带动倾斜方向圆盘23及待焊工件旋转，可以在360°方向上任意调节搅拌针25的相对倾斜方向。

步骤6.第三压力传感器12、第五压力传感器38、第六压力传感器46所采集的压力信息，经计算机转换后获得Z轴、Y轴、X轴的驱动力信息；第一角位移传感器13、第二角位移传感器26、第四角位移传感器27所采集的角度信息，经计算机转换后获得搅拌针25的倾角、转速、倾斜方向信息；第三线位移传感器11、第五线位移传感器34、第六线位移传感器44所采集的位移信息，经计算机转换后获得Z轴方向、Y轴方向、X轴方向的位移信息；所述传感器将采集到的压力、倾角、转速、倾斜方向、位移等信息反馈到计算机，再由计算机整合寻优后将指令发送到各个伺服阀，从而形成全液压式计算机闭环控制系统。

所述第一伺服阀1、第二伺服阀2、第三伺服阀17、第四伺服阀30、第五伺服阀43、第六伺服阀47与计算机相连，控制X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴进行五轴联动。