一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置，包括：齿轮，其同轴固定在输出轴上部；电流变液腔，其为环形圆柱空腔并与输出轴同轴，空腔内部充满电流变液；所述齿轮外缘通过所述电流变液腔的开口伸入所述电流变液腔中；开口的上缘和下缘分别抵靠在齿轮的上下表面上；隔绝罩，其为与电流变液腔相匹配的环形圆柱罩壳，隔绝罩紧贴电流变液腔内壁设置；正极罩，其为内环开放的环形圆柱罩壳，正极罩的外壁分别抵靠在隔绝罩的上侧、下侧及外侧内壁上；其中，正极罩和所述输出轴分别与可调直流电源的输出端正、负极对应连接。本发明提供的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置能够精确控制摩擦焊机头的输出扭矩，提高焊接质量。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料的焊接设备技术领域，特别涉及一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置及其控制方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法，其焊接原理为搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生摩擦热，使邻近区域材料热塑化，混合过程中原子扩散实现低于熔点的固相连接，目前已广泛应用于航空航天、轨道客车、汽车工业等材料连接领域。如图3所示，FSW过程中由于焊接条件的变化和温度、材料应变速率变化导致的材料抗力变化，通过扭矩的实时检测证明上述因素会导致机头输出扭矩T值产生大范围不确定、不规则变化，进而影响摩擦产热量和搅拌混合力，焊接质量难以把控的同时影响焊缝接头的一致性，而焊接始末保持预设值的扭矩有助于获得质量一致均匀的焊缝。因此，需要适时调整扭矩的输出值使之符合预设值，传统的控制方式有机械式、机—液式等，变速装置结构复杂，调速响应时滞性大，控制精度低。

电流变液通常是由具有高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成的一种悬浮液，它在电场的作用下可瞬时发生液—固相的物理转变，其具体表现为：当外加电场强度低于某临界值时，电流变液呈液态；当电场强度高于该临界值时转而呈固态；在该临界值附近区域内，电流变液的粘滞性随电场强度的增加而变大。如果能够利用它在电场作用下粘度连续变化的特性，可以研制一种搅拌摩擦焊机头扭矩输出控制装置，即实现灵敏度高的瞬时无级调速。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置，其能够实现灵敏度高的瞬时无级调速，克服传统搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置调速响应时滞性大的缺陷。

本发明的另一个目的是提供一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制方法，其利用PID控制器实时同向调节电场强度大小，实现扭矩的电—液—机闭环反馈控制，能够提高搅拌摩擦焊机头扭矩的控制精度。

本发明提供的技术方案为：

一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置，包括：

输出轴，其上端连接电机，下端连接搅拌头；

齿轮，其同轴固定在所述输出轴上部；

电流变液腔，其为环形圆柱空腔并与所述输出轴同轴，空腔内部充满电流变液；所述齿轮外缘通过所述电流变液腔的开口伸入所述电流变液腔中；所述开口的上缘和下缘分别抵靠在所述齿轮的上下表面上；

隔绝罩，其为与所述电流变液腔相匹配的环形圆柱罩壳，所述隔绝罩紧贴所述电流变液腔内壁设置，起到隔绝电场和密封作用；

正极罩，其为内环开放的环形圆柱罩壳，所述正极罩的外壁分别抵靠在所述隔绝罩的上侧、下侧及外侧内壁上；

其中，所述正极罩和所述输出轴分别与可调直流电源的输出端正、负极对应连接。

优选的是，所述正极罩为铜质材料。

优选的是，所述隔绝罩为层状结构，其上下表层为橡胶，中间夹层为金属丝编织成的金属网。

优选的是，所述输出轴上在所述电机与电流变液腔之间设置轴向轴承。

优选的是，所述输出轴上在所述搅拌头上方设有台阶式旋转体。

优选的是，还包括无线扭矩传感器，其套设在所述输出轴上，并位于所述电流变液腔下方。

优选的是，所述输出轴上在所述旋转体与所述无线扭矩传感器之间设置径向轴承。

优选的是，所述无线扭矩传感器包括负载扭矩传感器、无线收发模块和AD数据采集处理模块。

优选的是，所述基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置还包括PID控制器，其输入端连接所述AD数据采集处理模块，输出端与所述可调直流电源连接。

一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：负载扭矩传感器采集负载扭矩信号，并将信号发射至无线接收模块，信号经过AD数据采集处理模块处理后输出至PID控制器；

步骤2：PID控制器计算负载扭矩信号值与当前时刻预设值之差，并判断差值符号正负；

步骤3：当差值为正时，发出增大电源电压脉冲指令从而增大正极罩和齿轮两极板间电场强度，控制电流变液粘度瞬时提高，从而减小输出的扭矩；当差值为负时，发出减小电源电压脉冲指令从而减小两极板间电场强度，控制电流变液粘度瞬时减小，从而增大输出的扭矩；

步骤4：根据调整后的实际扭矩输出值T与当前时刻预设值T₀之差；对电压脉冲值进行补偿，补偿系数：ξ＝0.008n^0.582+0.502e^0.023T-T0；

其中，n为电机转速。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置，利用电场作用下粘度连续变化的特性，能够实现灵敏度高的瞬时无级调速，克服传统搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置调速响应时滞性大的缺陷。

(2)本发明提供的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制方法，利用PID控制器实时同向调节电场强度大小，实现扭矩的电—液—机闭环反馈控制，能够提高搅拌摩擦焊机头扭矩的控制精度。

(3)本发明提供的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制方法，能够根据当前时刻负载控制扭矩输出，使扭矩焊接过程中一直处于预设值状态，从而获得质量一致均匀的焊缝，保证焊接质量。

附图说明

图1为本发明所述的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的总体结构示意图。

图2为本发明所述的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制流程图。

图3为本发明所述的FSW过程检测的扭矩实时变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置，其包括：机头壳体110；输出轴120，其设置在机头壳体110内，并上下贯穿所述机头壳体110；输出轴120上端连接电机130，下端通过连接搅拌头140；所述输出轴120下端设有内螺纹，搅拌头140上设有外螺纹，搅拌头140通过螺纹连接在输出轴120的下端，搅拌头140跟随输出轴120旋转。所述输出轴上部固定连接齿轮150。电流变液腔160，其为开设在机头壳体110内并与所述输出轴120同轴的环形圆柱空腔，所述电流变液腔160包围式设置在齿轮150外侧，电流变液腔160的内环中部具有环形开口，使所述齿轮150外缘伸入所述电流变液腔160中，并浸于所述电流变液中；所述环形开口的上缘和下缘抵靠分别在所述齿轮150的上下表面上。紧贴电流变液腔160内壁设置隔绝罩170，其上下表层为橡胶，中间夹层为金属丝编织成的金属网，对所述电流变液起到密封及隔绝电场的作用。正极罩180，其为内环开放的环形圆柱罩壳，所述正极罩180的外壁分别抵靠在所述隔绝罩170的上侧、下侧及外侧内壁上，正极罩180为铜质材料。其中，可调直流电源的输出端正、负极分别对应连接正极罩180和输出轴120；正极罩180上聚集大量正电荷，内部充满电流变液，与聚集大量负电荷的输出轴齿轮150共同形成电场。

输出轴120上部靠近电机130处套设轴向轴承210，所述轴向轴承210位于机头壳体110内部，并位于所述电流变液腔160上方，用于承载所述输出轴120受到的轴向力。电流变液腔160下部设有第一支撑机座220，对所述电流变液腔160起承载作用，第一支撑机座220采用螺栓连接在其外侧对应的机头壳体110上。

第一支撑机座220下方设有无线扭矩传感器230，其套设在所述输出轴120上。无线扭矩传感器230下方设有第二支撑机座240，用于对无线扭矩传感器230起承托作用，第二支撑机座240采用螺栓连接在其外侧对应的机头壳体110上。所述无线扭矩传感器230包括负载扭矩传感器、无线收发模块和AD数据采集处理模块。所述基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置还包括PID控制器，其输入端连接所述AD数据采集处理模块，输出端与所述可调直流电源连接，所述可调直流电源的直流输出电压受PID控制器控制。负载扭矩传感器和无线发射模块实时采集负载扭矩信号，并将信号发射至无线接收模块，信号经过所述的AD数据采集处理模块处理后输出至PID控制器；PID控制器控制所述可调直流电源的直流输出电压，从而改变电流变液粘度，控制轴齿轮150旋转时所受的反向粘滞阻力，进而控制所述搅拌摩擦焊机头输出的扭矩大小。

优选的是，所述输出轴120上在所述搅拌头140上方设有台阶式旋转体250，以便于对各种不同型号的待工件进行定位。输出轴120上在所述旋转体250与所述无线扭矩传感器230之间设置径向轴承260，径向轴承260位于第二支撑机座240下方，用于承载输出轴120受到的径向力。

如图2所示，所述基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的工作原理为：

可调直流电源的输出端正、负极分别对应连接正极罩180和输出轴120；正极罩180上聚集大量正电荷，内部充满电流变液，与聚集大量负电荷的输出轴齿轮150共同形成电场。电流变液在一定电场强度下粘度具有初始值，电场强度变化后其粘度和剪切屈服应力随电场强度增大而增大，随电场强度减小而减小，通过改变输出轴齿轮150旋转时所受的反向粘滞阻力，可以控制输出轴的扭矩输出值。PID控制器输入端连接所述无线扭矩传感器230的AD数据采集处理模块，负载扭矩传感器采集负载扭矩信号，并将负载扭矩信号发射至无线接收模块，负载扭矩信号经过AD数据采集处理模块处理后输出至PID控制器；PID控制器的输出端与所述可调直流电源连接，所述可调直流电源的直流输出电压受PID控制器控制，PID控制器接收到的负载扭矩信号值与当前时刻预设值之差，并判断差值符号正负，当差值为正时，发出增大电源电压脉冲指令从而增大正极罩180和齿轮150两极板间的电场强度，控制电流变液粘度瞬时提高，从而减小所述摩擦焊机头的输出的扭矩；当差值为负时，发出减小电源电压脉冲指令从而减小正极罩180和齿轮150两极板间的电场强度，控制电流变液粘度瞬时减小，从而增大所述摩擦焊机头的输出的扭矩。

本发明还提供了一种基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：负载扭矩传感器采集负载扭矩信号，并将信号发射至无线接收模块，信号经过AD数据采集处理模块处理后输出至PID控制器；

步骤2：PID控制器计算负载扭矩信号值与当前时刻预设值之差，并判断差值符号正负；

步骤3：当差值为正时，发出增大电源电压脉冲指令从而增大正极罩和齿轮两极板间电场强度，控制电流变液粘度瞬时提高，从而减小输出的扭矩；当差值为负时，发出减小电源电压脉冲指令从而减小两极板间电场强度，控制电流变液粘度瞬时减小，从而增大输出的扭矩；

步骤4：根据调整后的实际扭矩输出值T与当前时刻预设值T₀之差对电压脉冲值进行补偿，补偿系数其中，n为电机转速。当T-T₀＞0时，电压脉冲值U＝(1+ξ)U₀；当T-T₀＜0时，电压脉冲值U＝(1-ξ)U₀。其中，U₀为PID控制器判断输出的初始电压脉冲值。

本发明提供的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置，利用电场作用下粘度连续变化的特性，能够实现灵敏度高的瞬时无级调速，克服传统搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置调速响应时滞性大的缺陷。

本发明提供的基于电流变的搅拌摩擦焊机头扭矩控制装置的控制方法，利用PID控制器实时同向调节电场强度大小，实现扭矩的电—液—机闭环反馈控制，能够提高搅拌摩擦焊机头扭矩的控制精度。使扭矩焊接过程中一直处于预设值状态，从而获得质量一致均匀的焊缝，保证焊接质量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。