|
本文為由美國(guó)MTS系統(tǒng)集團(tuán) Timothy Zappia先生、Friction Stir Link公司Chris Smith先生、Conurrent技術(shù)集團(tuán)Kevin J. Colligan先生，德國(guó)空客Hartmut Ostersehlte先生等撰寫，鬼斧翻譯。 摘要：高質(zhì)量、一致的攪拌摩擦焊縫主要取決于以下三個(gè)方面：
在本章中，會(huì)檢查每個(gè)項(xiàng)目，以更好地了解什么是FSW工藝所要求的，什么是目前在FSW市場(chǎng)所在用的。 4.1工藝和應(yīng)用對(duì)攪拌摩擦焊的要求FSW工藝背后的物理原則要轉(zhuǎn)換成設(shè)備用以執(zhí)行焊接任務(wù)必須要完成的某種需求。啟動(dòng)焊接時(shí)，F(xiàn)SW攪拌針已一定速度旋轉(zhuǎn)，并插入待焊工件。摩擦生熱，工件材料開始塑化并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的溫度。一旦達(dá)到塑化狀態(tài)，攪拌針沿著設(shè)定的焊接路徑運(yùn)動(dòng)。由于攪拌針插入和穿越工件的運(yùn)行，材料會(huì)偏移，并擠出攪拌針孔，但是被攪拌針軸肩約束在原位。圖4.1解釋了這個(gè)工藝。 為了確定FSW設(shè)備的要求，需要理解待焊工件工藝要求的性能范圍。FSW焊機(jī)要控制的四個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)是攪拌針位置、方向、載荷和橫移速度。工件夾具需要以某種方式設(shè)計(jì)，以確保工件合適的放置、夾緊、剛度，以保證工件保持在位置，也能驅(qū)散工藝產(chǎn)生的熱量。另外，考慮設(shè)備的最終用途也是很重要的。是生產(chǎn)還是科研應(yīng)用？對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平的要求是什么？系統(tǒng)預(yù)計(jì)的產(chǎn)能是什么？自動(dòng)化程度有多高？是否有焊前和焊后工藝要進(jìn)程到機(jī)器里？這些問題的答案支配著對(duì)FSW設(shè)備要求。 下面的部分展示了總體定義FSW機(jī)器和工件夾具的要求。 4.2 FSW設(shè)備要求總覽有許多用于FSW的不同類型機(jī)器。一些根據(jù)特殊的應(yīng)用進(jìn)行配置，另外一些則有大眾的配置，以允許它們能焊接更廣泛的工件。一個(gè)機(jī)器怎么設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)決定著它能焊接的應(yīng)用范圍。比如，生產(chǎn)型應(yīng)用總體會(huì)采用專門設(shè)計(jì)的FSW機(jī)器，機(jī)器設(shè)計(jì)針對(duì)一定產(chǎn)品工作范圍（或者說是FSW焊機(jī)能夠焊接的范圍）并與焊接功能和參數(shù)（或者說焊接類型、扭矩、RPM、載荷、橫移速度）相關(guān)。重點(diǎn)在于要理順設(shè)計(jì)，以使絕對(duì)要求的屬性能夠集成到系統(tǒng)里。對(duì)于研究院、科研開發(fā)小組，F(xiàn)SW通常需要有各種功能集成到設(shè)計(jì)里，從而更廣泛的應(yīng)用可以焊接。 在最基本的水平，F(xiàn)SW焊機(jī)的要求需要包含能夠產(chǎn)生所要焊縫的功能和性能。定義要求的開始點(diǎn)是確定要實(shí)施的焊接的類型：固定針、可調(diào)整針、自回抽針。 如圖4.2所示，對(duì)于固定針焊接，F(xiàn)SW攪拌針是一件，由軸肩和針構(gòu)成。固定針是最為傳統(tǒng)的FSW形式，并且從機(jī)器設(shè)計(jì)和控制角度看是最為容易控制的。焊接頭主軸的任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)轉(zhuǎn)化為在位置上的變化，軸肩與攪拌針上載荷的變化。 對(duì)于可調(diào)整針的焊接，如圖4.3所示，F(xiàn)SW攪拌針由兩件組成：一個(gè)針和一個(gè)軸肩，它們能夠獨(dú)立移動(dòng)。這種焊接方法允許在工件焊接上更大的彈性。比如錐形工件（或者說厚度變化的工件）可以焊接，當(dāng)軸肩壓在工件表面時(shí)，針頭梢?guī)Вㄡ橆^末端距離焊縫背面的距離）可以保持。另外，可調(diào)整針能夠用于閉合針孔，而在固定針焊接中則存在針孔，見圖4.5。從機(jī)器設(shè)計(jì)的角度，可調(diào)整真需要更復(fù)雜的機(jī)器設(shè)計(jì)和控制線路。機(jī)器要有能力分別移動(dòng)針頭和軸肩的能力，包括在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者不同的速度之時(shí)。這可以通過焊接頭內(nèi)兩個(gè)軸的獨(dú)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施，或者通過焊接頭內(nèi)控制攪拌針，而工具Z軸的控制軸肩。 對(duì)于自收縮焊接，如圖4.6所示，F(xiàn)SW攪拌針由三件構(gòu)成，上軸肩、針和下軸肩。從機(jī)器設(shè)計(jì)與控制角度，僅有兩件需要控制，因?yàn)獒樅拖螺S肩是彼此依附的。當(dāng)攪拌針沿著材料整個(gè)橫截面移動(dòng)時(shí)，上下軸肩保持在工件上下表面。自收縮焊接具有確保穿透的優(yōu)點(diǎn)，允許盡可能地縮減夾具，因?yàn)橄螺S肩本身被用于抵住上軸肩的載荷。與可調(diào)整相似，兩個(gè)獨(dú)立的軸都需要控制，一個(gè)用于上軸肩，一個(gè)用于下軸肩。 除了焊接模式，對(duì)于FSW機(jī)器，其它基礎(chǔ)性要求包括載荷、扭矩、橫移速度和工作范圍。當(dāng)工作范圍由被焊工件已經(jīng)定義，載荷、扭矩、橫移速率的相互關(guān)系并非那么簡(jiǎn)單。原因是，這些要求取決于這些相互關(guān)聯(lián)的變量，被焊的合金、工件的幾何形狀、接頭類型（比如對(duì)接、搭接）攪拌針工具設(shè)計(jì)，焊接模式和焊接規(guī)程。載荷和扭矩直接受工具設(shè)計(jì)（比如軸肩直徑、針和軸肩特征）、主軸轉(zhuǎn)速和橫移速度影響。UTS測(cè)得相似的焊接質(zhì)量和疲勞強(qiáng)度可以通過采用不同的攪拌針設(shè)計(jì)和焊接規(guī)程得以實(shí)現(xiàn)。而這需要在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生不同的載荷和扭矩。相似的，合金類型和焊接模式（或者說，固定針、調(diào)整針，或回抽針）也會(huì)影響載荷、扭矩和其它機(jī)器要求。 由于在工藝和對(duì)應(yīng)的焊機(jī)要求的多變量關(guān)系，機(jī)器通常在定義在一定范圍內(nèi)工作。一個(gè)普通的關(guān)系是，厚的工件需要高的扭矩、低的轉(zhuǎn)速和低的橫移速度。而薄的工件需要低的扭矩、高的轉(zhuǎn)速和高的橫移速度。 表格4.1列出了這些已知參數(shù)的關(guān)系。 4.2.1 工作范圍FSW機(jī)器的工作范圍由工件的幾何形狀、相關(guān)的焊縫以及工件裝夾的方向決定。并且會(huì)影響任何主軸的延伸、FSW針的長(zhǎng)度、工件工具和裝夾機(jī)制。導(dǎo)致的工作范圍區(qū)域用以決定機(jī)器的軸數(shù)和機(jī)器的相關(guān)行程。兩維應(yīng)用通常通常由二或三個(gè)平動(dòng)軸（或者說X,Y和Z軸）實(shí)現(xiàn)。對(duì)于三軸應(yīng)用，需要兩個(gè)額外的旋轉(zhuǎn)軸提供俯仰、滾動(dòng)或偏航（或者說A,B,或C軸）這些旋轉(zhuǎn)軸可在機(jī)頭上實(shí)現(xiàn)，或通過傾動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。為了最大化工作范圍并允許應(yīng)用的最大范圍，通常喜歡將旋轉(zhuǎn)軸集成到機(jī)器靠近機(jī)頭處，而非從旋轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)盤可以是專用環(huán)形焊接的一個(gè)很好的解決方案，也根據(jù)具體的轉(zhuǎn)盤尺寸上，也可用于較小的部分。轉(zhuǎn)盤尺寸可能是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗赡苷紦?jù)機(jī)器工作區(qū)域的很大一部分，并且通常具有小的工作表面。而這可能會(huì)大大限制對(duì)可安裝到上面的工件的尺寸。 在設(shè)計(jì)3-D系統(tǒng)時(shí)，要小心以確保機(jī)器運(yùn)動(dòng)沒有任何奇點(diǎn)或者靜力加速度。它們會(huì)阻止機(jī)器執(zhí)行焊接路徑。機(jī)器配置的模型可以與部分軌跡的模擬一起進(jìn)行，以確定這些情況是否會(huì)成為問題并幫助確定可以采取哪些措施來克服它們。通常，軸可以重新配置，部件位置可以修改，并且可以使用不同的控制技術(shù)來消除這些問題。 4.2.2 要求的傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵部分與傳感器的選擇及其在機(jī)器上的位置有關(guān)。在伺服控制系統(tǒng)中，傳感器的精度和分辨率以及傳動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)性在確定機(jī)器控制精度和保真度方面起著重要作用。表4.2列出了通常組成FSW機(jī)器的各種軸以及通常使用的傳感器類型。 只要有可能，高分辨率的絕對(duì)位置傳感器，由于其精度，重復(fù)性以及用于控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性而被優(yōu)選。可是，也可以使用相對(duì)位置傳感器。但要求在啟動(dòng)時(shí)，需要“歸位”操作來定位軸。這種“歸位”操作通常使用在銑床上，包括移動(dòng)軸直到一個(gè)已知位置，并且一個(gè)分立傳感器向控制器發(fā)出軸確切位置的信號(hào)。對(duì)于所有的傳感器，最好將設(shè)備定位， 以盡可能精確而可能重復(fù)地映射機(jī)器上發(fā)生的位置，運(yùn)動(dòng)或負(fù)載。 4.2.3 要求的精度和可重復(fù)性FSW機(jī)床（如CNC機(jī)床）的性能很大程度上取決于其所需的精度和可重復(fù)性。也就是說，機(jī)器如何準(zhǔn)確地沿著指令軌跡移動(dòng)，以及從一次到下一次運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性。精度通?？赏ㄟ^獨(dú)立的測(cè)量裝置（例如激光跟蹤儀，干涉儀）測(cè)得并相對(duì)于世界坐標(biāo)系（即基于工作單元區(qū)域中的預(yù)定參考點(diǎn)的機(jī)器的線性和角度位置）進(jìn)行確認(rèn)。許多因素會(huì)影響機(jī)器的準(zhǔn)確性。這包括設(shè)計(jì)決策，制造誤差，組裝和安裝技術(shù)，磨損，結(jié)構(gòu)撓度，溫度和控制系統(tǒng)。正如Jim Destefani在他的題為'獲得手柄 - 機(jī)器精度'的文章中指出的，“每個(gè)線性軸有六種可能的誤差：線性定位，俯仰，偏航，垂直直線度，水平直線度和滾動(dòng)。在相互垂直的軸之間添加可能發(fā)生的正交誤差，總共可能會(huì)在三軸加工中心上發(fā)生二十一種可能的誤差?！?/p> 機(jī)器的建造者從設(shè)計(jì)之初，就力求減少精度誤差疊加。進(jìn)行分析，以確保系統(tǒng)尺寸可以符合適合預(yù)期的負(fù)載和扭矩。在機(jī)器的適當(dāng)部位，要進(jìn)行剛性和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，較大的結(jié)構(gòu)部件要設(shè)計(jì)，以最小化撓度，對(duì)于承受應(yīng)力的部件要進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇要使各種部件（例如導(dǎo)向裝置，導(dǎo)軌，軸承，齒輪，滾珠絲杠，電機(jī)）都適當(dāng)?shù)卦O(shè)定尺寸，這樣可以使由諸如諧振模式，齒隙，摩擦和卷繞等引起的誤差最小。 一臺(tái)機(jī)器一旦設(shè)計(jì)和制造出來，則需要以一定方式組裝以實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)齊。應(yīng)測(cè)量每個(gè)軸的直線度，平直度，平行度和垂直于正交軸的直角度，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整直到達(dá)到可接受的誤差。這不僅對(duì)于實(shí)現(xiàn)精度非常重要，而且還會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)部件的壽命產(chǎn)生影響，因?yàn)椴粶?zhǔn)確的對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致部件的高磨損和應(yīng)力。 一旦機(jī)器組裝完成，各種位置傳感器就都被校準(zhǔn)以匹配機(jī)器運(yùn)動(dòng)。在這一點(diǎn)上，系統(tǒng)在機(jī)械和電氣上將盡可能地準(zhǔn)確。任何與撓度，熱膨脹等有關(guān)的偏差都需要由控制系統(tǒng)補(bǔ)償。表4.3展示了，根據(jù)MTS的經(jīng)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)銑床設(shè)計(jì)中的“典型”精度。 在規(guī)范中，精度要求通常定義為指令值的百分比，同時(shí)考慮到機(jī)器的滿量程范圍。例如，如果機(jī)器的最大負(fù)載為30千磅，則負(fù)載精度可以指定為指令值的+/- 1％或100磅，以較大者為準(zhǔn)?？紤]到機(jī)器被設(shè)計(jì)成在其整個(gè)性能范圍內(nèi)執(zhí)行，并且由于該范圍的大小將限制其性能，因此將100磅將被用作參考點(diǎn)。其原因是負(fù)載要求越大，相關(guān)的誤差也越大，驅(qū)動(dòng)組件所需的容量也越大。一般來說，要求最高精度的軸是最接近焊接過程的軸，例如FSW攪拌針位置和負(fù)載傳感。 4.3 FSW焊機(jī)控制器要求FSW機(jī)器中另一個(gè)需要定義的主要部分是控制系統(tǒng)，其包括電子硬件的架構(gòu)和軟件應(yīng)用。與生產(chǎn)系統(tǒng)和研究系統(tǒng)相關(guān)的要求很重要。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，通常更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，以最大限度地延長(zhǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間，易于使用，并與現(xiàn)有的可能已經(jīng)安裝的控制系統(tǒng)協(xié)同，且有培訓(xùn)后的支持人員和備件庫(kù)存。對(duì)于科研人員來說，重點(diǎn)往往是確保系統(tǒng)具有足夠?qū)拸V的功能范圍，以支持各個(gè)研究領(lǐng)域。根據(jù)研究要求，他們可能需要足夠的處理器吞吐量來支持未來的FSW算法開發(fā)，確保高速數(shù)據(jù)采集以研究信號(hào)內(nèi)容和采樣數(shù)據(jù)的相關(guān)性，以及他們的研究尚未覆蓋的未來傳感器和控制場(chǎng)景的擴(kuò)展能力。無論是生產(chǎn)或科研場(chǎng)景，最基本的要求將包括以下能力。 創(chuàng)建和執(zhí)行焊接規(guī)程 系統(tǒng)必須允許操作者輸入針對(duì)給定焊接路徑軌跡的具體焊接指令。這通常包括了如下方面的變量和輸入。
另外，系統(tǒng)必須允許特定的FSW啟動(dòng)和停止命令。通常包括以下變量或輸入：
以下五點(diǎn)描述了主要的控制器要求。 1. 執(zhí)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制 控制器必須要有執(zhí)行多軸控制的能力。當(dāng)執(zhí)行各種焊接指令時(shí)，允許系統(tǒng)遵循系統(tǒng)的焊接路徑。 2. 執(zhí)行位置或載荷控制 控制FSW工藝的標(biāo)準(zhǔn)方法是采用位置和/或載荷控制。位置控制是最直接的方法，因?yàn)楹附庸こ處焹H需要對(duì)機(jī)器進(jìn)行編程，以遵循所知的位置路徑?？墒牵捎跈C(jī)器和工件裝夾偏差，以及工件誤差錯(cuò)誤、熱補(bǔ)償，位置控制通常不足夠可靠，以實(shí)現(xiàn)所希望的焊接。載荷控制具有優(yōu)勢(shì)，能夠補(bǔ)償以上所提的不精確度?？刂葡到y(tǒng)將移動(dòng)主軸（針和/或軸肩），焊接過程始終能實(shí)現(xiàn)所希望的載荷。側(cè)面負(fù)載和扭矩的控制是負(fù)載控制的變體?？刂破魇褂眠@些參數(shù)進(jìn)行必要的校正，以保持所需的負(fù)載或扭矩曲線。 3. 提供必要的控制以支持焊接類型 控制器需要能夠提供支持將要進(jìn)行的焊接模式（或者說固定針、可調(diào)整針、自回抽針）的控制類型。如果要求，這些焊接模式可以在位置和/或載荷控制下進(jìn)行。 4. 監(jiān)控工藝和系統(tǒng)反饋 控制器需要能夠監(jiān)控和顯示工業(yè)和系統(tǒng)反饋，一旦任何參數(shù)移出所定義的范圍，要能采取合適的措施。 5. 執(zhí)行數(shù)據(jù)收集 關(guān)鍵工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)獲取和機(jī)器變量提供了一種評(píng)價(jià)系統(tǒng)已經(jīng)完成焊縫的方法?？梢赃M(jìn)行焊接后分析，以確保這些參數(shù)和變量已經(jīng)保持在作為質(zhì)量保證測(cè)量的預(yù)定范圍內(nèi)。 4.4 FSW的閉環(huán)控制對(duì)于那些可能并不理解閉環(huán)控制的人，圖4.8展示了一個(gè)采用內(nèi)、外PID控制環(huán)的簡(jiǎn)單的單軸系統(tǒng)的控制器框圖。外控制環(huán)采用程序指令（比如位置或載荷）和軸反饋，并將二者求和，以得出一個(gè)偏差。這個(gè)偏差按照外控制環(huán)PID（見圖4.9）功能糾正，然后輸出到內(nèi)環(huán)伺服控制器。內(nèi)控制環(huán)為液壓伺服閥或電機(jī)提供低水平的控制，通常會(huì)比外控制環(huán)運(yùn)行更快。內(nèi)控制環(huán)與外控制環(huán)相似，它將發(fā)送自外控制環(huán)的指令與正在被控裝置的反饋求和（比如電機(jī)偏碼器）。再次，該誤差將根據(jù)內(nèi)部回路PID調(diào)節(jié)增益縮放并輸出到驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
為了理解基本的控制器，圖4.10給出了一個(gè)用于三軸定位系統(tǒng)與焊接機(jī)頭的典型FSW控制器的功能框圖。這個(gè)機(jī)器有主軸、X軸、Y軸、Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)都有獨(dú)自的軸電機(jī)和位置反饋傳感器。
圖4.11給出了以上控制架構(gòu)的內(nèi)部數(shù)據(jù)流動(dòng)的情況。創(chuàng)建的焊接規(guī)程包含整個(gè)焊接所需的機(jī)器運(yùn)動(dòng)。這包括焊接各個(gè)階段所需的所有動(dòng)作，如插入（開始焊接）和退回（退出焊接），以及在焊接過程中要進(jìn)行的任何參數(shù)變化（例如，更改行進(jìn)速度或主軸轉(zhuǎn)速）?？刂破靼凑蘸附右?guī)程，生成相關(guān)的要發(fā)送到機(jī)器的特定軸指令。對(duì)于2-D焊接，操作可以像使用適當(dāng)?shù)募铀俣群蜏p速度的直線插值一樣簡(jiǎn)單。伺服控制按上面描述一樣執(zhí)行，并將適當(dāng)?shù)拿畎l(fā)送到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（例如電動(dòng)機(jī)或液壓伺服閥）。控制系統(tǒng)將監(jiān)控系統(tǒng)的各種命令和反饋，并根據(jù)設(shè)定值生成任何操作員信息，警報(bào)或關(guān)閉系統(tǒng)。數(shù)據(jù)也以一定的采樣率采集并存儲(chǔ)在硬盤上供以后評(píng)估。
根據(jù)系統(tǒng)的最終用途和應(yīng)用中的復(fù)雜程度，控制器類型可以在許多解決方案中選其一。這些類型通常包括可編程邏輯控制器/可編程自動(dòng)化控制器，CNC，定制運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)器人控制器。這些選項(xiàng)之間的主要區(qū)別包括處理器速度，內(nèi)置功能和數(shù)據(jù)采集功能。PLC和PAC（例如GE Fanuc，Allen Bradley，Siemens）是用于工業(yè)低復(fù)雜度運(yùn)動(dòng)控制的最常見類型的控制器。他們通常是模塊化的設(shè)計(jì)，用于特定任務(wù)的專用模塊可以組態(tài)，以執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的任務(wù)。隨著處理器速度的不斷提高，為獲得良好的有效軸定位解決方案時(shí)，PLC / PAC和CNC之間的界限正在模糊。但當(dāng)需要復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)時(shí)，PLC / PACs則捉襟見肘。數(shù)控系統(tǒng)（例如，西門子805和840D，GE Fanuc系列3Xi型號(hào)，Bosch Rexroth Indramotion MTX）用于大多數(shù)機(jī)床上。這些機(jī)床需要通過CAD / CAM軟件生成的復(fù)雜軌跡進(jìn)行精確定位。定制運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于需要對(duì)多軸復(fù)雜運(yùn)動(dòng)輪廓進(jìn)行高性能定位的場(chǎng)合。對(duì)于FSW，定制運(yùn)動(dòng)控制器具有額外的優(yōu)勢(shì)。盡管價(jià)格較高，但配置完全符合應(yīng)用要求。用于銑床的CNC與FSW之間的顯著差異的一個(gè)例子是控制焊接行進(jìn)速度（即進(jìn)給率）的重要性。行進(jìn)速度是由軸位置導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生的計(jì)算變量。對(duì)于FSW，這是一個(gè)重要的控制變量。因?yàn)樗苯佑绊懻谳斎肓慵哪Σ翢崃?。減速可能會(huì)增加不必要的熱量，而加速可能將FSW攪拌針工具移動(dòng)到?jīng)]有足夠熱量的區(qū)域。銑削機(jī)床能夠在加工操作的某些部分權(quán)衡行進(jìn)速度和精度。例如，在精加工切削時(shí)經(jīng)過一個(gè)較小的圓角時(shí)，可以放慢進(jìn)給速度以保持圓角處的精度。一個(gè)FSW控制器必須保持在通過圓角時(shí)的精度和進(jìn)給率。 雖然本章的目的并在于比較不同的控制器，但我們會(huì)做出一般性聲明，即PLC和PAC在功能和性能上處于的較低端，而CNC，定制運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)器人控制器處于高端。表4.4列出了控制器之間的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
4.5 機(jī)器人FSW的控制為了在基于機(jī)器人的FSW系統(tǒng)上實(shí)施適當(dāng)?shù)目刂品桨?，需要幾種獨(dú)特的控制方案。這些控制解決方案基于機(jī)器人與典型定制機(jī)器的特點(diǎn)或方面。在開發(fā)基于機(jī)器人的FSW機(jī)器的控制系統(tǒng)時(shí)必須以下方面，包括：
上述問題給出了FSW控制系統(tǒng)的幾個(gè)挑戰(zhàn)。這在任何應(yīng)用軟件里都需要管控。在開發(fā)攪拌摩擦焊專用應(yīng)用軟件時(shí)，上述所列機(jī)器人的所有方面都要得到管控。應(yīng)用軟件必須具有以下一般功能（本節(jié)后面將詳細(xì)介紹所有這些功能）。
與所有類型的FSW控制器一樣，機(jī)器人控制器必須允許正常類型的FSW功能，允許操作員以簡(jiǎn)明易懂的方式將所需過程的輸入變量傳送到機(jī)器。在討論創(chuàng)建和執(zhí)行焊接規(guī)程時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)上所需的輸入變量早就列出的。同樣，創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要來支持啟動(dòng)/停止操作和穩(wěn)態(tài)焊接操作。啟動(dòng)/停止和焊接數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)允許定義插入深度，力，速度，旋轉(zhuǎn)和行進(jìn)速度，軸向和橫向力以及傾斜角度等。 機(jī)器人控制器的主要不同之處是啟動(dòng)/停止過程需要兩個(gè)額外的命令。在啟動(dòng)和退出偏移之后，有一個(gè)額外插入命令。這些變量中的每一個(gè)都用于控制典型工業(yè)機(jī)器人的剛度相對(duì)不足。機(jī)器人的撓度通常與機(jī)器人上的力成正比。其次，F(xiàn)SW在插入操作期間需要不同的力度，而在橫移運(yùn)行時(shí)則不需。這意味著機(jī)器人在橫移過程中必須被人為地命令進(jìn)一步插入。這通過額外的輸入來克服（在橫移開始之后的額外插入）?？梢圆捎妙愃频姆椒?，需要退出路徑偏移量。當(dāng)焊接結(jié)束時(shí)機(jī)器人上的力減弱時(shí)，機(jī)器人往往會(huì)超調(diào)。退出路徑偏移量是一種人為偏移量，用于防止機(jī)器人超調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)清晰的退出路徑。 4.5.2 力控制取決于機(jī)器特性，也有幾個(gè)進(jìn)行力控制的潛在方法。通常上，工業(yè)或關(guān)節(jié)臂機(jī)器人相對(duì)與其它機(jī)器缺乏剛度。機(jī)器人在施加載荷的情況下，類似于模擬彈簧，這意味著它們傾向于隨著施加的載荷線性地?fù)锨?。因此，可以通過更改機(jī)器人的編程位置（不是實(shí)際位置）來改變負(fù)載。如果機(jī)器人程序設(shè)計(jì)得更深，則增加向下的力的效果更大，而非實(shí)際的位置。這就允許采用PID控制回路的策略，通過對(duì)編程位置施加偏移來控制所需力的大小。 在機(jī)器人中，機(jī)械剛度在機(jī)器人的整個(gè)工作范圍內(nèi)是變化的。例如，機(jī)器人在機(jī)器人基座附近具有較大的剛度，而在被拉伸至其工作范圍的極限位置則非。因此，力控制可能是該軟件的重要特征，它可以允許操作者在規(guī)定的攪拌摩擦焊接負(fù)載條件下快速管理相對(duì)剛度或機(jī)器人的偏移。 4.5.3 力或位置的實(shí)時(shí)控制因?yàn)闄C(jī)器人有相對(duì)低的剛度，而編程位置則相對(duì)于實(shí)際位置變動(dòng)。如圖4.12，顯示了基本的力/位置控制概念。有一個(gè)想要的位置和方向（Pd和Rd），它可以基于位置和力反饋進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)想要的力（fd）。
這種類型的控制對(duì)于在機(jī)器人上實(shí)施攪拌摩擦焊接提供了挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@導(dǎo)致了編程的插入深度永遠(yuǎn)不會(huì)是滿足編程值的實(shí)際插入深度。如果一致，則可由操作員學(xué)習(xí)獲得。但是機(jī)器人編程的插入深度與實(shí)際插入深度之間的偏差，在機(jī)器人整體工作范圍內(nèi)是變化的，這是因?yàn)闄C(jī)器人的剛度不同，在機(jī)器人的工作范圍內(nèi)變化。為了幫助克服這個(gè)問題，操作人員必須實(shí)時(shí)控制編程的插入深度，以確定提供可接受的焊接結(jié)果的插入深度值。如果操作員可以初步輸入一個(gè)預(yù)期插入深度，然后在初始焊接試驗(yàn)期間施加偏移量，則可以相對(duì)快速地確定最終編程的插入深度。另一種方法是實(shí)施大量不同編程深度的焊接試驗(yàn)，以最終確定合適的編程插入深度。這種對(duì)插入深度的實(shí)時(shí)控制是通過允許操作員在焊接過程中按下增加或減少插入深度的按鈕來實(shí)現(xiàn)的。這允許機(jī)器人在工作范圍和焊接參數(shù)內(nèi)克服機(jī)器人的可變和未知偏移。因?yàn)楣に囘^程產(chǎn)生的徑向和軸向力，機(jī)器人會(huì)在垂直和水平平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。因此，實(shí)時(shí)控制應(yīng)允許垂直和橫向位置控制。 4.5.4 程序偏移的自動(dòng)應(yīng)用通過點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人到一個(gè)位置和方向，對(duì)一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行編程。然后，按下按鈕，存儲(chǔ)當(dāng)前位置為編程位置。這對(duì)攪拌摩擦焊接提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诤附舆^程中實(shí)際所需的位置是當(dāng)FSW攪拌針工具部分位于部件內(nèi)時(shí)。而在對(duì)位置進(jìn)行編程時(shí)，F(xiàn)SW工具是靜止的（不旋轉(zhuǎn)），且不可能給機(jī)器人示教一個(gè)位置，使FSW攪拌針旋轉(zhuǎn)，且插入工件的位置?？梢宰龅淖詈梅椒ㄊ鞘窘虣C(jī)器人一個(gè)FSW攪拌針可以接觸和接近焊接表面的位置。在這種情況下，實(shí)際所需的位置相對(duì)偏移位置，偏移量相當(dāng)于攪拌針的針頭長(zhǎng)度。當(dāng)焊縫位于水平面時(shí)，這種偏移相對(duì)簡(jiǎn)單?？墒牵?dāng)焊接過程中焊接路徑和方向改變時(shí)，它顯得更加復(fù)雜。這就要求任何FSW應(yīng)用軟件都要具備自動(dòng)實(shí)施程序偏移的能力，而這不受焊接路徑的方向的影響。 4.5.5 運(yùn)行和工作角度的自動(dòng)應(yīng)用與編程攪拌摩擦焊要求相對(duì)精確的橫移和工作角度的精確控制。圖4.7種描述了橫移和工作角度。如前所述，機(jī)器人編程通過點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人到一個(gè)預(yù)設(shè)或已知的位置，并通過按鍵存儲(chǔ)當(dāng)前位置。這對(duì)精確的編程位置構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)，特別是方向。方向由三個(gè)分量構(gòu)成，滾動(dòng)、俯仰、偏航。不僅在調(diào)試模式下，難以精確控制機(jī)器人以示教一個(gè)位置，而在針對(duì)一個(gè)復(fù)雜平面時(shí)，通常也不可能測(cè)量滾動(dòng)、俯仰和偏航角度。因此，任何FSW控制軟件必須有辦法輸入或自動(dòng)計(jì)算合適的滾動(dòng)、俯仰和偏航角度，以允許實(shí)施正確的工作和橫移角度。 4.5.6示教和自動(dòng)模式工業(yè)機(jī)器人通常有兩種操作模式。第一個(gè)是示教模式，第二個(gè)是自動(dòng)模式。在示教模式時(shí)，操作者通常通過采用示教盒控制機(jī)器人，這樣可以對(duì)任何操作實(shí)施大量輸入。在自動(dòng)模式時(shí)，機(jī)器人通常實(shí)施預(yù)編程路徑，而在實(shí)時(shí)影響機(jī)器人則能力甚微。在自動(dòng)模式中，機(jī)器人能以最大能力速度操作，而示教模式下機(jī)器人的速度通常是受限的。 對(duì)于攪拌摩擦焊，希望操作者可以對(duì)工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)輸入，特別是當(dāng)示教和開發(fā)初始路徑和焊接工藝時(shí)。在這個(gè)示教模式下，操作者要有能力調(diào)整焊接力或垂直位置，也要能調(diào)整橫移位置，并輔助管控機(jī)器人的剛度不足。在自動(dòng)模式中，這個(gè)實(shí)時(shí)編輯能力通常被消除。因?yàn)橐坏┕に嚱?，它不再需要?shí)時(shí)編輯。給定的工業(yè)機(jī)器人通常是可重復(fù)的，雖說不精確，但發(fā)生的任何偏移都趨向一致。因此，一旦工藝設(shè)定，僅需要很少的干涉。 4.5.7 數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲(chǔ)像大多數(shù)FSW機(jī)器，數(shù)據(jù)監(jiān)控和存儲(chǔ)對(duì)于機(jī)器人專機(jī)很重要。在生產(chǎn)模式中，參照FSW工藝變量的實(shí)際狀態(tài)，數(shù)據(jù)監(jiān)控能夠用于設(shè)定警報(bào)。通常監(jiān)控的變量包括力、力矩、位置、旋轉(zhuǎn)速度等。警報(bào)可以用于警示和/或使工藝流產(chǎn)。這可用于生產(chǎn)應(yīng)用，以探測(cè)異常狀況。 這些工藝變量也能存儲(chǔ)。這專門用于工藝評(píng)價(jià)和開發(fā)的練習(xí)中。可是，由于機(jī)器人相對(duì)有限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限定于生產(chǎn)應(yīng)用中?？墒怯捎跈C(jī)器人控制器存儲(chǔ)能力的限制，系統(tǒng)存儲(chǔ)能力也被限制。另外，機(jī)器人控制器對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并不優(yōu)化，所以存儲(chǔ)速率可以預(yù)見，相對(duì)較慢。典型的數(shù)據(jù)取樣和存儲(chǔ)速率低于20赫茲。 4.6 其它控制器要求需要5軸運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)3D和復(fù)雜的輪廓軌跡，并且要求對(duì)力和運(yùn)動(dòng)有非常精確控制要求的FSW應(yīng)用通常需要更先進(jìn)的控制器配置。圖4.13顯示了可以集成到控制器中的不同類型功能以及相關(guān)數(shù)據(jù)流的流程。帶有各種補(bǔ)償技術(shù)的5軸控制系統(tǒng)，可以改善焊接精度與性能，如下包含了5軸控制的功能。
4.7 其它機(jī)器要求一些其它的機(jī)器要求并不直接與FSW工藝相關(guān)，但是將影響機(jī)器的設(shè)計(jì)，包括如下： 測(cè)試和校準(zhǔn)臺(tái)——通常用于生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用，測(cè)試和校準(zhǔn)臺(tái)用于在焊接之前驗(yàn)證設(shè)備是否正常運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)將執(zhí)行一個(gè)自動(dòng)序列，測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行某些動(dòng)作和加載場(chǎng)景的能力，以驗(yàn)證所有系統(tǒng)組件是否正常工作。在一些要求苛刻的航空航天應(yīng)用中，測(cè)試面板將被焊接，并在生產(chǎn)運(yùn)行之前，之后甚至在生產(chǎn)運(yùn)行期間，進(jìn)行疲勞和抗拉測(cè)試，以驗(yàn)證性能。 焊接頭可以進(jìn)行機(jī)床操作——盡管FSW焊接頭不是專門用于為機(jī)床操作而生產(chǎn)。它們也有一些內(nèi)置功能執(zhí)行許多擊穿操作。一些系統(tǒng)要求FSW焊接頭能夠進(jìn)行諸如鉆孔和剪切等操作的功能。 視覺功能——非常典型的是，系統(tǒng)要求包括能夠記錄焊縫的視覺系統(tǒng)，最好從焊縫正面和背面兩面。這為操作員提供了一種可以查看焊縫并從操作員站進(jìn)行工藝調(diào)整的方法。操作者無需站在焊縫旁邊。在航空航天生產(chǎn)環(huán)境中，記錄將與其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)和保存，以提供特定零件制造過程的完整記錄。 安全——機(jī)器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供了確保機(jī)器內(nèi)置安全考慮的指導(dǎo)原則。應(yīng)選擇組件以確保它們的尺寸適合應(yīng)用和機(jī)器有預(yù)期的壽命周期，需要小心注意設(shè)計(jì)功能，以降低操作人員在與機(jī)器進(jìn)行交互時(shí)可能受傷的風(fēng)險(xiǎn)。帶有急停觸發(fā)器的護(hù)欄可能需要安裝在檢修點(diǎn)，可以采用壓力墊，護(hù)欄和梯子都需要按照當(dāng)?shù)氐陌踩筮M(jìn)行設(shè)計(jì)。急停按鈕應(yīng)易于夠得著，并能立即關(guān)閉系統(tǒng)。它可以設(shè)計(jì)為不可軟件干預(yù)的機(jī)電回路。 維護(hù)——維護(hù)是機(jī)器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。機(jī)器的許多組件都要求定期維護(hù)。設(shè)計(jì)需要確保有足夠的通道可以接觸各種部件，以便服務(wù)工程師監(jiān)測(cè)磨損情況，提供日常維護(hù)（例如潤(rùn)滑脂軸承），并在必要時(shí)拆卸和更換部件。 4.8 機(jī)器要求總結(jié)能實(shí)施一直的FSW焊縫質(zhì)量的能力取決于FSW攪拌針、焊接規(guī)程、FSW機(jī)器、工件固定與夾緊系統(tǒng)。這些項(xiàng)目并很大程度地互相依靠。那就是說，所有這三項(xiàng)都要做得很好，否則也會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)果不理想。FSW工藝固有的特定負(fù)載和扭矩是FSW機(jī)器和工件工具設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)力。機(jī)床制造商特別注意確保機(jī)床和工具具有足夠的剛度，以便在對(duì)應(yīng)用設(shè)定的精度內(nèi)，對(duì)負(fù)載和扭矩做出反應(yīng)。FSW機(jī)器的關(guān)鍵是它能夠執(zhí)行所需的焊接類型：固定針，可調(diào)節(jié)針和自調(diào)整針。焊接類型和工作范圍一起用于確定機(jī)器的軸數(shù)和配置。 FSW機(jī)器由選擇的驅(qū)動(dòng)部件和傳感器組成。機(jī)器能夠在工作范圍內(nèi)，在所需性能區(qū)間內(nèi)準(zhǔn)確且可重復(fù)地移動(dòng)。FSW控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)組件和反饋傳感器緊密耦合，并允許操作員創(chuàng)建和執(zhí)行焊接規(guī)程。它也還提供了關(guān)鍵焊接參數(shù)的工藝監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。 FSW控制系統(tǒng)的類型包括PLC，PAC，CNC，機(jī)器人控制器或定制控制器。每種控制器都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該考慮到應(yīng)用程序的復(fù)雜性，需要執(zhí)行的工作類型（即研究和開發(fā)或生產(chǎn)），數(shù)據(jù)采集要求和預(yù)期的維護(hù)等因素和系統(tǒng)的服務(wù)要求。 4.9 工件工具要求工件工具的要求相對(duì)簡(jiǎn)單; 工具必須能夠?qū)⒐ぜ３衷谝阎恢貌?duì)由該工藝產(chǎn)生的力作出反應(yīng)。也就是說，它需要做有足夠的剛度，而不會(huì)因?yàn)樵诹慵鲜┘拥妮S向和徑向力而發(fā)生偏移。工裝夾具需要有夾緊機(jī)構(gòu)，允許FSW攪拌針通過零件接觸給定的焊接頭接點(diǎn)，并防止零件由于扭矩力而縱向滑動(dòng)，彎曲或分離。而且，焊接表面和夾緊系統(tǒng)的熱導(dǎo)率會(huì)影響焊接質(zhì)量和焊接參數(shù)。 對(duì)于固定攪拌針和可回抽攪拌針，工件工具需要有一個(gè)支撐表面，可以直接支撐并壓靠工件的背面。如果沒有適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)備，F(xiàn)SW攪拌針工具將傾向于潛入材料中，因?yàn)榇颂幍暮附迂?fù)載將減少，并且系統(tǒng)將作為對(duì)力變化的反應(yīng)而移動(dòng)到部件中。無論系統(tǒng)處于任一位置還是負(fù)載控制，都會(huì)發(fā)生這種情況。當(dāng)載荷控制時(shí)，會(huì)更加明顯。因?yàn)榭刂破鲿?huì)嘗試移動(dòng)到零件中，直到達(dá)到所需的軸向負(fù)載或觸發(fā)位置極限。 對(duì)于固定攪拌針和可回抽攪拌針，特別重要的是要注意背板對(duì)工件的熱量流動(dòng)的影響。根據(jù)支撐桿或砧材料（例如不銹鋼，鋼或涂層材料），熱流可能導(dǎo)致更高（更熱）或更低（更冷）的焊接參數(shù)組。如果在根部需要更多的熱量，可以在特殊情況下使用此效果。支持板材料要?dú)w檔到焊接工藝規(guī)范（WPS）中。有時(shí)會(huì)將熱電偶植入到支撐板內(nèi)的孔道里，以更好地監(jiān)控背側(cè)溫度（見第7章圖8）。表4.5列出了支撐背板材料的導(dǎo)熱系數(shù)與各種部件材料的熱導(dǎo)率。
焊接質(zhì)量還取決于焊接工作臺(tái)和夾緊系統(tǒng)的制造精度。支撐板或砧座應(yīng)與焊接臺(tái)處于同一水平面，以便焊接部件之間沒有不匹配的存在（見圖4.14）。夾緊系統(tǒng)必須保證可靠地夾緊工件，以便在焊接操作過程中不會(huì)出現(xiàn)間隙。此外，如果支撐板或砧座處于絕對(duì)平面內(nèi)（即，沒有波浪或大于0.1mm的變化），則焊接過程更容易處理。這意味著與支撐板或砧座的距離應(yīng)該相對(duì)焊接工具在Z刀具軸保持恒定。如果出現(xiàn)波浪式背制成，F(xiàn)SW機(jī)器必須能夠補(bǔ)償這些波浪，以保證恒定的攪拌針變形。 與機(jī)器設(shè)計(jì)要考慮的類似，準(zhǔn)確的夾緊力取決于材料、攪拌針工具、工件幾何形狀、接頭類型和焊接規(guī)程。請(qǐng)參考第二章，給出了對(duì)于厚、薄材料的樣本載荷。 用于攪拌摩擦焊的不同機(jī)械夾緊系統(tǒng)取決于應(yīng)用。夾緊厚板或薄板的最簡(jiǎn)單、便宜的方法是采用夾緊爪。這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是夾緊力很高，缺點(diǎn)是夾緊工件需要長(zhǎng)的設(shè)定時(shí)間，且如果夾緊爪靠近焊縫，則會(huì)引起不同的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)夾緊較寬的工件時(shí)，夾緊抓不易在沿整個(gè)焊縫覆蓋。如果在焊接區(qū)域邊部采用壓緊條，在夾緊爪處導(dǎo)熱不均的問題會(huì)得以緩解。
圖4.16展示了一個(gè)搭接焊縫時(shí)夾緊Z型縱梁的夾緊方法。你可以看到Z型縱梁的上邊和法蘭邊都被固定在位。對(duì)于這種固定的挑戰(zhàn)，在于確定有足夠的FSW攪拌針的可達(dá)空間。 對(duì)于系列化生產(chǎn)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)專門的液壓或氣動(dòng)夾具，以降低設(shè)定時(shí)間（圖4.17）。這些夾具盡管很貴，但通常在生產(chǎn)工況中是合理的。
圖4.18中的示例展示了自支撐焊接的夾具結(jié)構(gòu)。僅工件的外部區(qū)域被夾緊，在夾具的背面有一個(gè)開口，可以放置下軸肩。 相比于機(jī)械夾緊系統(tǒng)，一個(gè)好的替代是真空夾緊。真空夾緊的設(shè)定時(shí)間短，工件的生產(chǎn)效率可以很高，真空板可以安裝在焊接臺(tái)上，或者可以將真空板設(shè)計(jì)成焊接臺(tái)使用。不僅是平板，3D真空夾緊系統(tǒng)也是可行的?？傮w上，3D真空夾緊臺(tái)僅可用于專門的焊接應(yīng)用。特別對(duì)于3D系統(tǒng)，固定成本要比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械夾緊系統(tǒng)要高很多。
圖4.19展示了標(biāo)準(zhǔn)的真空夾緊系統(tǒng)，其構(gòu)成由：
可變的真空夾緊系統(tǒng)應(yīng)該提供獨(dú)立的真空區(qū)域，網(wǎng)格的密封溝槽在夾緊不同幾何輪廓的工件時(shí)更有彈性。幾個(gè)夾緊區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)在于可以更加一致，且有彈性地夾緊工件。這種工況下，密封必須足夠大，以降低工件和真空板間，從而產(chǎn)生真空。 螺紋孔用于沿工件安裝一些物理止擋，以防止不足的真空夾緊力時(shí)，采用額外的夾緊爪夾緊出入口。
在圖4.20中， 展示了用于空客A340-500HGW測(cè)試板焊接的柱形夾具。真空區(qū)域必須確保在工件的焊接方向的垂直和平行方向有足夠的夾緊力。 真空臺(tái)的每側(cè)都有九個(gè)真空區(qū)域。每個(gè)區(qū)域邊部都有一個(gè)10mm的橡膠密封，以通過真空鎖緊面板。在夾具的一側(cè)插入金屬板，以調(diào)整面板的焊接位置，在夾具的每一側(cè)，都有五個(gè)可調(diào)節(jié)的支撐臂，用以支撐大型工件。 真空夾緊系統(tǒng)有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它們非常柔性，易于使用，可以允許不同尺寸、寬度和長(zhǎng)度大小不一的工件的夾緊。相比于傳統(tǒng)夾緊，F(xiàn)SW工藝的熱流在整個(gè)制成板上是一致的，因此，會(huì)有好的焊接質(zhì)量?？墒牵瑢?duì)于厚板真空夾緊力通常不夠。反之，這可能需要采用傳統(tǒng)夾緊方法。 當(dāng)采用CAD/CAM包時(shí)，在工件的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)建立路徑軌跡。一旦工件被放置于工具固定系統(tǒng)，控制器通常會(huì)采用工件固定夾具作為定位參考，以降軌跡從工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為機(jī)器上的世界坐標(biāo)系。因此，重要的是在夾具上定義好定位點(diǎn)，通常是三個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)，這使得控制器可以準(zhǔn)確地知道工件的位置和方位。
另外一種必須要提的夾緊類型是在靠近攪拌針頭尾放置夾緊滾輪，以降焊接工件壓住到支撐表面。下面的圖片展示了這個(gè)概念的不同變量。圖4.21展示了Esab SuperStirTM系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)夾緊滾輪。
在圖4.22中，展示了MTS的表面?zhèn)鞲衅骱蜐L輪系統(tǒng)。雙輪或單輪通過機(jī)械彈簧預(yù)加載，滾輪位置可以測(cè)量，用以定位工件表面到FSW攪拌針的位置。
圖4.23展示了TWI的一個(gè)發(fā)明，它在攪拌針的邊部或前面采用一個(gè)或兩個(gè)滾輪。這些滾輪將工件夾緊到位，它們的工作確保攪拌針不會(huì)插入工件太深。
圖4.24，可以看到一些有趣的夾緊結(jié)構(gòu)。這是用于焊接美國(guó)宇航局Ares I星座上層液氫燃料箱上部彎曲的戈?duì)柮姘宓墓潭ㄑb置（見圖4.24）。這個(gè)夾具和用于焊接的機(jī)器人焊接系統(tǒng)安裝在阿拉巴馬州亨茨維爾的美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行系統(tǒng)中心。該夾具允許面板修整，固定攪拌針焊接和自支撐焊接。壓緊爪是沿焊縫分組的氣動(dòng)夾緊指。每個(gè)夾緊指具有一個(gè)預(yù)設(shè)定的夾緊負(fù)載范圍，可以通過使用墊片墊進(jìn)行微調(diào)。最初，這個(gè)應(yīng)用程序是為弧焊而開發(fā)的，然后適用于攪拌摩擦焊接。氣動(dòng)手指不足以將工件固定到位。因此，這大大降低了夾緊力，從而產(chǎn)生了部分焊透。所以氣動(dòng)爪必須能夠夾住工件。對(duì)于最終的焊接，增補(bǔ)焊接會(huì)受側(cè)向力影響。 4.10 FSW的攪拌針從最原始的發(fā)明，F(xiàn)SW的優(yōu)勢(shì)由新的焊接攪拌針和新的焊接裝備的發(fā)展而驅(qū)動(dòng)。在這部分，焊接工具的發(fā)展有兩方面，開發(fā)新的焊接工具設(shè)計(jì)和開發(fā)新的焊接工具材料。 焊接攪拌針設(shè)計(jì)可以分成兩個(gè)主類，常規(guī)攪拌針和骨架攪拌針。傳統(tǒng)的FSW工具從一側(cè)接近工件，通常工件會(huì)被限制在砧座上。這種類型的攪拌針只能部分穿透工件，在銷釘末端和砧座之間留下非常薄的一層間隙。通過這個(gè)縫隙的材料塑化到一定程度，從而確保原始接頭的完全消耗。
與傳統(tǒng)的FSW攪拌針相反，骨架FSW攪拌針由兩個(gè)軸肩組成，而軸肩通過針頭連接，它們通常一致地旋轉(zhuǎn)。如圖4.25所示，兩個(gè)軸肩分別從每側(cè)容納軟化的焊縫金屬，同時(shí)通過摩擦和塑性功產(chǎn)生熱量。攪拌針的作用主要是扭曲接合表面，并產(chǎn)生額外的熱量以維持工藝，同時(shí)在軸間之間提供機(jī)械連接。骨架FSW工具可以在不施加與工件平面垂直的力的情況下進(jìn)行焊接生產(chǎn)，這消除了焊縫不完全穿透到工件的砧座側(cè)的可能性。
對(duì)于套筒式攪拌針結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)子劃分，如圖4.26所示。盡管在FSW原始專利申請(qǐng)中首次描述了套筒攪拌針的概念，但是它從未以其原始形式實(shí)際證明過。原始的套筒攪拌針由一對(duì)平滑的，向外逐漸變細(xì)的裸露肩部組成，大概是為了確保在工件厚度發(fā)生隨機(jī)或變化的情況下與工件表面接觸。后來一種可用的筒管FSW工具 其中平坦的肩膀上補(bǔ)充了螺旋凹槽或渦卷，這些螺旋凹槽或渦卷起著將工件材料拉向銷的作用。肩部被相對(duì)彼此強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)，以便在肩部之間提供可變的間隙，這促進(jìn)了即使在工件厚度沿著焊縫長(zhǎng)度變化的情況下，肩部之間的可控壓縮力也是如此。這種類型的工具需要一種機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)焊接工具的銷釘以實(shí)現(xiàn)可變的肩部間隙。這種稱為自反應(yīng)工具的可變間隙筒管工具已被證明可以產(chǎn)生各種材料厚度和合金選擇的良好焊縫。
|
|
|
