二維摩擦焊接設(shè)備傾角補(bǔ)償算法在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)

蔡智亮

(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240;2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

二維摩擦焊接設(shè)備傾角補(bǔ)償算法在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)

蔡智亮1,2

(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240;2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

摩擦焊接設(shè)備由于工藝傾角的要求在焊接平面二維曲線或者在焊接過程中改變焊接方向時會產(chǎn)生非線性偏差.這種非線性誤差導(dǎo)致數(shù)控編程費時費力，效率低下。為了簡化計算過程采用更為簡單易操作的方式來解決該問題，文章對傾角焊接的工作方式進(jìn)行分析并研究制定了補(bǔ)償算法。利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)完成了該項功能的集成，實現(xiàn)了二維曲線的焊接。通過實踐證明這種補(bǔ)償算法極大的提高了工作效率。

西門子840D；傾角補(bǔ)償；摩擦焊

0 引言

攪拌摩擦焊接是一種固相焊接技術(shù)，它可以用于大部分鋁合金的焊接，具有焊接質(zhì)量高、焊接變形小并且在焊接過程中沒有煙塵、弧光，是一種綠色焊接。

目前二維摩擦焊設(shè)備在焊接過程中由于工藝傾角的原因使得加工程序和運算變得復(fù)雜。為了簡化數(shù)控加工程序的編制、提高工作效率、便于加工操作，需要對工藝傾角的投影進(jìn)行長度補(bǔ)償，也可稱其為攪拌頭長度補(bǔ)償。本文依據(jù)三維幾何變化矩陣的基礎(chǔ)，建立補(bǔ)償算法公式，得出二維摩擦焊設(shè)備攪拌頭(焊接中心(x′,y′,z′)與擺心(編程點：x,y,z))之間的空間位置補(bǔ)償即攪拌頭長度補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方法通過西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的同步運動指令來完成在插補(bǔ)周期內(nèi)的運動位置補(bǔ)償疊加。攪拌頭長度補(bǔ)償功能使用方便、穩(wěn)定、可靠，對攪拌摩擦焊加工技術(shù)具有較好的應(yīng)用價值[1]。

1 攪拌摩擦焊接原理及其傾角補(bǔ)償模型

1.1 摩擦焊焊接原理

攪拌摩擦焊接原理如圖1所示。攪拌摩擦焊接過程中，通過非損耗的帶軸肩和攪拌針的一個柱形攪拌工具旋轉(zhuǎn)著插入被焊兩個零件中間，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭臨近區(qū)域的材料熱塑化；然后沿著零件對接面移動，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移；攪拌工具對材料的摩擦、鍛壓、攪動，在熱-機(jī)共同作用下使零件達(dá)到分子間結(jié)合的一種焊接方法[2,4]。

攪拌頭(Pin tool)：攪拌摩擦焊的施焊工具；

攪拌頭軸肩(Tool Shoulder)：攪拌頭與工件表面接觸的肩臺部分；

攪拌針(Tool Pin)：攪拌頭插入工件的部分；

前進(jìn)側(cè)(Advanced Side)：焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向一致的焊縫側(cè)面；

回轉(zhuǎn)側(cè)(Retreating Side)：焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反的焊縫側(cè)面；

軸向壓力(Down or Axial Force)：向攪拌頭施加的使攪拌針插入工件和保持?jǐn)嚢桀^軸肩與工件表面接觸的壓力。

圖1 攪拌摩擦焊原理

1.2 傾角補(bǔ)償模型

二維摩擦焊設(shè)備一般有5個進(jìn)給軸和一個主軸組成，其中包括三個直線軸X軸、Y軸、Z軸是基于迪卡爾坐標(biāo)系，兩個旋轉(zhuǎn)軸C軸、A軸。其中A軸在工作中不參與聯(lián)動即定軸。主要結(jié)構(gòu)形式見圖2所示。

圖2 龍門式二維攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

二維摩擦焊設(shè)備在焊接過程中，攪拌頭與焊接材料接觸，通過攪拌頭的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)焊接，但是由于A軸傾角的存在就與普通的三軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。目前二維摩擦焊主要應(yīng)用于在X-Y平面內(nèi)的各種曲線的焊接。由于焊接工藝需要存在傾角所以在焊接過程中其傾角的方向要求以工作軌跡的運行情況而不斷跟隨著變化。如圖3所示這種情況會導(dǎo)致攪拌頭(焊接點(x′,y′z′))坐標(biāo)值和擺心點(編程點(x,y,z))坐標(biāo)值發(fā)生變化，產(chǎn)生非線性誤差。因此這種誤差會對加大數(shù)控程序編寫的難度，而且其補(bǔ)償形式與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用的刀具補(bǔ)償也有很大的區(qū)別，因此需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式制定出一種實用的補(bǔ)償方法[5,6]。

圖3 傾角結(jié)構(gòu)及運行軌跡示意圖

2 摩擦焊接傾角補(bǔ)償原理

基于X-Y平面內(nèi)的攪拌頭投影運行軌跡分析：參照如圖4所示，焊接起點的和擺心起點之間為傾角投影的長度，攪拌頭沿著圖形所示箭頭方向前進(jìn)。按圖所示焊接點和擺心點的之間的運行軌跡會產(chǎn)生偏差，此時投影的長度保持不變，但焊接點與擺心點(編程點)的運行軌跡截然不同。因此在沒有傾角補(bǔ)償?shù)那闆r下(參見圖4左圖)擺心點運動的軌跡需要通過作圖計算才能確定。由于存在這種特殊情況，所以給數(shù)控程序的編制增加了工作量。

圖4 攪拌頭投影軌跡運行示意圖

如圖5所示曲線A點到B點，傾角對于X-Y平面的投影為L，經(jīng)過不同的位置對X-Y平面的投影坐標(biāo)就會不同，在這一過程中焊接點與擺心點的狀態(tài)如(參見圖2)。

圖5 X-Y平面內(nèi)攪拌頭投影補(bǔ)償分析

根據(jù)三維幾何變化矩陣(參見圖2)得出焊接點與擺心點坐標(biāo)之間的關(guān)系：

(1)

(2)

其中“X軸上一個插補(bǔ)周期的ΔX”可以用數(shù)控系統(tǒng)的固有全局變量放入公式(2)，由于每個數(shù)控系統(tǒng)的變量形式會有所不同在此只介紹西門子數(shù)控系統(tǒng)的用法。

3 在840D系統(tǒng)中傾角補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)具有強(qiáng)大及靈活的編程法則。針對傾角補(bǔ)償?shù)奶厥庑约氨阌诔绦蚝喢饕锥⒉僮鲗嵱梅奖?，我們采用主程序加上子程序的模式來實現(xiàn)該傾角補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

首先主程序中主要放置切向控制程序和零件加工程序。子程序中主要放置補(bǔ)償控制程序。由圖2所知，投影的大小與擺長和θA有關(guān)，并且擺長和θA根據(jù)焊接不同的焊接材料和板材厚度會有不同的工藝參數(shù)。為此這兩個參數(shù)必須設(shè)置為開放式可調(diào)整的變量。這里就要引入西門子數(shù)控系統(tǒng)的R參數(shù)，它屬于地址標(biāo)識符，在數(shù)控程序中可以作為全局變量來使用。840D系統(tǒng)最多可以設(shè)置1000個全局變量讓用戶自由選擇。

其次需要了解數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)方法及如何在軸運行時如何同步疊加其運動量。為此需要明確數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床參數(shù)配置：

N36750 ＄MA_AA_OFF_MODE ；同步動作軸疊加運動功能的類型[7]

Bit0 = 0: ＄AA_OFF絕對方式

Bit0 = 1: ＄AA_OFF增量方式

愛美之心人皆有之。在當(dāng)今社會中，越來越多的青少年喜歡使用唇膏、指甲油、粉底液、眉筆等化妝品來打扮自己。卻不知道，化妝品作為一種日用品，含有多種添加劑，可導(dǎo)致青少年性早熟、身材矮小等多種內(nèi)分泌疾病。

Bit1 = 0: ＄AA_OFF復(fù)位取消

Bit1 = 1: ＄AA_OFF 復(fù)位保持

Bit2 = 0: JOG下沒有軸疊加運動

Bit2 = 1: JOG下有軸疊加運動

根據(jù)先前設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式選擇Bit0 = 0: ＄AA_OFF絕對方式。

由于φC會根據(jù)實際焊接軌跡的切向不斷修正，因此其在X-Y平面上的投影的ΔX和ΔY也不斷變化，為了達(dá)到良好的跟隨性必須采用數(shù)控系統(tǒng)的同步指令的模式來不斷的修正其變化量，實現(xiàn)同步補(bǔ)償[8]。具體方式如下：

ID=n關(guān)鍵字條件 DO 動作1 動作2 ID=n：

模態(tài) 有效同步動作，自動方式運行, 程序局部;n= 1... 255

關(guān)鍵字：

沒有關(guān)鍵字 動作執(zhí)行不受條件制約。在每個插補(bǔ)節(jié)拍循環(huán)執(zhí)行動作

關(guān)鍵字WHEN 一直檢查該條件，直至滿足；相關(guān)的動作執(zhí)行一次。

關(guān)鍵字WHENEVER 循環(huán)檢查該條件。該條件一旦滿足，則循環(huán)執(zhí)行相關(guān)動作。

關(guān)鍵字FROM 條件一次滿足以后，循環(huán)執(zhí)行該動作，只要同步動作有效。

關(guān)鍵字EVERY 條件滿足后，動作觸發(fā)一次，并且當(dāng)狀態(tài)從FALSE轉(zhuǎn)換到TRUE時再執(zhí)行一次。循環(huán)檢查該條件。每次滿足條件均執(zhí)行一次相關(guān)的動作。

條件：實時變量的連接邏輯，在IPO節(jié)拍中檢查該條件。

DO：在條件滿足后釋放動作。

具體補(bǔ)償程序如下：

子程序COMPENSATION

G90 G17

FGROUP(X,Y,Z,C)

F100

G01 C=DC(0)

C=R3

ID=1 When R1=1 DO ＄AA_OFF[X]=R2*(COS(R3)-COS(＄AA_IM[C]))

＄AA_OFF[Y]=R2*(SIN(R3)-SIN(＄AA_IM[C]))

M02

注：R3表示C軸的實際角度，R2表示傾角的投影距離，R1表示觸發(fā)的條件

4 結(jié)論

針對攪拌摩擦焊設(shè)備具有焊接傾角的特點通過對其補(bǔ)償控制分析并在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)完成了二維攪拌摩擦焊設(shè)備傾角補(bǔ)償功能的計算，達(dá)到了控制精確補(bǔ)償定位，有效的提高了數(shù)控編程的效率，實現(xiàn)帶傾角摩擦焊設(shè)備二維焊接的目的。該方法通過實際焊接加工達(dá)到預(yù)期的效果，為今后摩擦焊設(shè)備的研制和技術(shù)推廣奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。

[1] 張華德，喬鳳斌，張松，等.平面二維攪拌摩擦焊設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].機(jī)床與液壓，2013，41(2):8-10.

[2] 關(guān)橋，欒國紅.攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展 第十一次全國焊接會議[D].上海，2005(1D)15-29.

[3] 周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4] 欒國紅，柴鵬.攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].金屬加工，2008(24):19-22.

[5] 夏羅生.攪拌摩擦焊二維焊縫數(shù)控焊機(jī)設(shè)計及研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[6] 張香玲.五坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)刀具長度補(bǔ)償算法的研究與實現(xiàn):[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

[7] 陳先鋒，何亞飛，朱弘峰. SIEMENS 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用工程師—SINUMERIK 840D/810D數(shù)控系統(tǒng)功能應(yīng)用與維修調(diào)整教程[M].北京：人民郵電出版社版社，2010.

[8] 西門子840D數(shù)控系統(tǒng)高級編程手冊 2010.

(編輯 李秀敏)

Based on the Siemens 840D Numerical Control System of Two-dimensional Angle Compensation of the Friction Welding Equipment Research

CAI Zhi-liang1，2

(1.Department of Electrical Engineering of Shanghai，Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Aerospace Equipments Manufacture,Shanghai 200245,China)

The Friction welding equipment inclination due process requirements in the welding plane two-dimensional curve or change the direction of welding in the welding process produces a nonlinear deviation, this non-linear error led to NC programming time-consuming and inefficient. To simplify the calculation process simple and easy to operate using more ways to solve this problem, this paper dip soldering work to analyze and formulate a compensation algorithm. Using Siemens 840D CNC systems has completed the integration of functions to achieve the welding of two-dimensional curve. Practice has proved that such compensation algorithm greatly improves the work efficiency.

SINUMERIK840D；angle compensation；FSW

1001-2265(2014)07-0109-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.031

2013-12-02；

2014-01-06

蔡智亮(1980—)，男，上海人，上海交通大學(xué)碩士研究生，主要從事運動控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、攪拌摩擦焊設(shè)備和非標(biāo)設(shè)備的研發(fā)，(E-mail)caizhiliang@sina.com。

TH166;TG65

A