平面二维搅拌摩擦焊设备的系统设计与分析

System Design and Analysis for Friction Stir W elding Equipment of Two-dimensionalZHANG Huade，QIAO Fengbin，ZHANG Song，LIN Yongyong(Shanghai Spaceflight Manufacture(Group)Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China)Abstract：The composition，functions and main technical indicators of the self-developed two-dimensional stir friction welding e-quipment were introduced.In the device，rotation axis n x 360。unlimited rotation，TOP secondary enveloping toroidal WO1Tn drive usedin rotation of the drive shaft.mixing head no-keyhole welding.electric seⅣo position control on withdrawing axis and other advancedtechnologies were used to achieve fiat two-dimensional cunre welding function.Withdrawing efect is more precise.The equipment andproducts polution problem caused by withdrawing of hydraulic friction welding equipment at home and abroad is overcome.The weldingquality and beauty are guaranteed。

Keywords：Flat two-dimensional curve welding：Friction stir welding equipment：No keyhole welding搅拌摩擦焊 (Friction Stir Welding)是-种纯机械化连续的固相连接方法，与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有以下特点：高质量、高可靠性、高效率，并且焊接过程中没有烟尘、弧光，是-种绿色焊接技术 。

基于搅拌摩擦焊的诸多优点，自发明后已经从-种实验室技术发展成为-种工业化的铝 、镁、铜等材料的主导焊接工艺，并广泛应用于航天航空、船舶制造、轨道交通 、汽车制造 、电力电子等行业。某厂开发出-台科研型立式二维搅拌摩擦焊接设备 ，它集成了诸多先进技术，如旋转轴/2 X 360。无限制回转、旋转轴传动采用 TOP型二次包络环面涡轮蜗杆传动、搅拌头无匙孔焊接、回抽轴电伺服位置控制，以及特有的温度场实时控制，充分保证了产品的焊接质量和美观。

1 设备主要技术指标和功能1.1 主要技术指标工作台等效质量 (工作台、产品、工装总质量)m 1 500 kg；最大焊接顶锻力 F 60 000 N；最大前进抗力F 30 000 N；最大行程 s 1 000 mm；快速进给速度v2 000 ram/rain；定位精度0.05 mm/1 000 mm；重复定位精度0.03 mm/1 000 mm；滑块与导轨的动摩擦因数肛0.01；主轴功率 15 kW；向有效行程 1 200 mlTl；Y向有效行程 800 mm；z向有效行程 500 nam。

1.2 主要功能(1)设备设有操控台，可进行设备所有功能动作的操作。在操控台上，可以进行编程、操控设备执行各项动作，设备使用西门子840D操作系统；(2)操控台能实时显示搅拌头坐标 (相对坐标、绝对坐标)、转速、移动速度等参数；(3)操控台设有实时监控工作区域状况的显示器，通过主轴附近安装的摄像头摄取图像；(4)设备设有手持式控制器，可手动调节各轴位置，且设备工作过程中可对z轴进行微调，手持式收稿日期：2011-12-09作者简介：张华德 (1980-)，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事摩擦焊接设备设计研究。E-mail：zhanghuade149###gmail.toni。

· 10· 机床与液压 第 41卷主轴 轴 承选 用五 联排 角 接触轴 承 7016AC(HRC)，五联排轴承为41安装方式，保证主轴转速的要求，同时满足主轴在焊接过程的良好刚度。

2.3 冷却系统焊接过程中，搅拌头和材料的剧烈摩擦产生较多的热量，-部分热量在搅拌头上，通过专用刀柄逐渐传递到主轴，引起轴承升温，润滑脂流失；大部分热量传递到工件上，导致工件热膨胀和变形，影响焊接质量。所以，拟采用冷却系统对搅拌头和零件进行冷却。

主轴旋转过程中，受到阻力较大，为保证精度，主轴需具备冷却功能，保证连续工作过程中主轴温度控制台不会过高 。

2.4 润滑系统润滑系统主要负责导轨滑块、滚珠丝杠的润滑，采用自动润滑方式，系统的自动润滑泵安装在设备机身的侧面。根据末端油压的高低判定是否需要润滑。

通过润滑泵的液面显示器观察油脂量，当油量较少时，补充润滑油 。

2.5 控制 系统控制系统原理如图4所示，主要由控制台、控制柜、数控系统 CNC、DIO、AIO、手持操作单元、伺服电机驱动器、各种执行器、传感器和电源组成 。

- - - - I，RF拈主轴驱动器瑚 驱动器瑚 驱动器：轴驱动器c轴驱动器，啪 驱动器Uw PE- UPE -- UPE - U.P. -E- UV-PE- - - U主轴 、L、由电机、 ///-、J轴电机 /./，：轴电机 /./，上、、c轴 电机、 /匝圆 匝 亘旦匝 因编码器编码器编码器图4 控制系统概况数控系统 CNC是系统的组织者，是命令的发起 些物理量的阈值，使控制量不会超出该阈值，设备设者，它将伺服系统和各个传感器执行器连接起来，使 有声光报警装置，参数-旦处于危险域，设备报警。

系统按照既定的程序协调运作；DI实现各开关信号 在系统已经超程、而行程开关不起作用的情况的采集，如形成开关信号；DO实现对开关量执行器 下，电机仍然运转，为防止导轨滑块脱离导轨导致设的控制，如继电器控制；AD实现对模拟传感器的信 备或人员的伤害，在系统 、Y、z轴外侧导轨的两端号采集，如压力传感器；手轮实现系统各轴微调，方 上装有死限位块。为防止刚性碰注生零件损坏，在便对刀；手持操作单元使操作者远离控制台也能操作 死限位块的前面安装了硬橡胶，起到缓冲效果。

系统。 另外每个方向均装有回零 (接近)开关，每次数控系统CNC安装在控制台内，DIO、AIO、伺 开机系统会自动回零，确保程序的正确运行。 、Y、服驱动器、各种继电器、接触器安装在操作柜内。 z 3个方向的行程设置包括：限位开关、回零开关、2.6 安全防护装置 行程挡块、死限位块等 。

系统装有行程开关，可以检测 、Y、 向的行程， 3 应用- 旦运动超过限位，伺服电机自动停止运转，同时系 该台设备主要用于某型号军品雷达面板的拼焊和统弹出超程报警界面提醒操作者；此时，操作者只需 电子冷板封装的无匙孔焊接，设备开发的技术优势结控制运动反向，即可消除报警显示。在软件中设置- (下转第27页)园圆圈第2期 李绍萍 等：双工位卧式加工中心自动交换工作台定位装置分析 ·27·检测点 I：1w 6gM M△M2C×tanO其中.ta(2)沿 方向的定位误差检测点2：2w；8gM6jM△M(3)转角误差 O/检测点3：：眦 ( )ZL此外，若增加检测点位于孔N外侧，检测沿 方向的定位误差，则会带人孑L距位移误差，如 的误差值为±6 则该检测点的定位误差为：8Wz艿gM iM△M26图5中，检测点 4检验定位平面的基准位移误差，主要受定位平面平面度的影响。

根据上述误差分析可知，要提高交换工作台的交换精度，需要减小定位孔的公差艿 、定位销的公差6；和定位孔与定位销的最小配合间隙△以及增大 ，还要控制孔距公差6 和减小定位平面的平面度误差。

4 提高定位精度的方法和措施定位元件的精度直接影响定位误差的大小，在设计和生产制造中，采蓉制定位套、油缸座和定位销的孔和轴的尺寸-致性，同时减凶和轴的配合间隙，合格后成套入库的方法来减小定位孔的公差6 、定位销的公差8i，参见图3；定位套外圆与工作台孔采用灌胶的方式固定来控制孔距公差 将定位套装在交换工作台的定位孔里，将交换工作台放置在转台上，与定位销配合，校正工作台定位合格后，灌胶将定位套粘接在工作台上，待胶固化后，紧固螺钉，配作圆锥销保证定位套的位置精度；对于柔性制造系统有多台主机，要保证工作台交换定位精度-致性还需要控制销距公差，采取的方法是设计工装夹具来加工安装定位销的孔；此外，通过精加工多个夹紧油缸端面以及交换工作台下表面来控制定位平面的平面度误差。通过综合应用以上的方法和措施来提高工作台定位装置的定位精度。

5 结束语- 面二销”定位装置刚性好、可靠性高，适用于大规格、大承载的双工位加工中心及柔性制造系统上交换工作台的定位。经多台机床实际应用，实现了大规格、大承载的交换工作台任意交换的定位精度达4-0.005 mm的目标，解决了工作台任意交换精度-致性的问题，提高了工作台任意交换的定位精度和重复定位精度。