【摘 要】
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搅拌摩擦焊接机床是航空航天、船舶海洋、轨道列车等大型板材及复杂零件进行自动化连接的重要加工设备,其利用搅拌头的高速旋转与工件摩擦生热使得母材融化,在搅拌头的推动下生成焊缝。与传统焊接相比,焊缝热影响区小、残余应力低、工件不易变形,且自动化程度较高、无污染因此成为现阶段一种新型的板材连接方法。现阶段我国使用的搅拌摩擦焊接机床数控系统多为德国西门子通用型数控系统,其电气结构复杂、软件冗余模块较多、针对
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搅拌摩擦焊接机床是航空航天、船舶海洋、轨道列车等大型板材及复杂零件进行自动化连接的重要加工设备,其利用搅拌头的高速旋转与工件摩擦生热使得母材融化,在搅拌头的推动下生成焊缝。与传统焊接相比,焊缝热影响区小、残余应力低、工件不易变形,且自动化程度较高、无污染因此成为现阶段一种新型的板材连接方法。现阶段我国使用的搅拌摩擦焊接机床数控系统多为德国西门子通用型数控系统,其电气结构复杂、软件冗余模块较多、针对性不强,使得用户操作困难,且价格昂贵,对于航空航天等军事场合也存在诸多安全保密性问题。故针对此专机系统的集中化、专用性、低成本、高精度,打破国外数控系统技术垄断,增强企业自主研发能力等目标,本文开展了对精益型搅拌摩擦焊接专机数控系统的研究,设计了以运动控制卡结合工控机的电气结构,并对软件功能进行模块化设计与开发;对FSW机床运动学模型进行了研究,实现了二维平面的控制加工,并对该系统的状态检测与诊断功能进行了开发,具体的研究工作包括:（1）分析了龙门式搅拌摩擦焊接机床的机械结构与运动原理,基于运动控制卡与PC机的控制方式设计了此设备的总体电气结构并对关键零件与参数进行选型和设定,其中包括:运动控制卡、伺服电机、驱动器、编码器与电子齿轮比的选型计算和应用;对主轴异步电机变频调速进行了介绍,采用最小二乘法对电压与转速进行多项式拟合实现了转速控制要求;通过模块化设计方法对软件系统进行设计,并阐述了其系统整体工作流程。（2）简化了搅拌头模型并对焊缝路径进行分析,在工件坐标系下推导出刀具的倾斜方向求解方法;基于D-H参数法对五轴龙门式FSW机床进行串联机构简化,并得到机床连杆及关节D-H参数;通过正逆运动学推导出工件坐标系下刀具的逆向通解;对常用NC代码进行分析与归纳,提出一种智能解析算法,具体包括NC代码的预处理功能、词组检测功能、语法检测功能、数据存储模块;对圆弧插补线段采用了等弦长法分割采样,对拐点处C轴切向跟随功能进行了设计,最后对运动控制卡的功能进行介绍,开发了相应的手轮运动模块。（3）基于FSW专机的电气结构与实际需求对待监控信号进行了合理分配;对监控功能进行了模块化设计,并阐述了监控模块所采用的通信协议;对上位机与驱动器、变频器主从站报警监控方案进行了优化设计;基于故障树分析法建立了FSW专机系统的故障树模型,采用Semanders法求解出系统故障的最小割集并对诊断模块进行了开发,采用两层C/S架构实现驱动器与变频器基于故障代码的原因与解决方案推送。（4）根据精益型搅拌摩擦焊接专机特点,基于.NET Framework平台、SQLite数据库、开发了相应系统功能模块,以某航天制造企业五轴龙门式搅拌摩擦焊接机床为验证平台,进行了焊接实验加工,验证了相关算法可行性,有效地降低了软件系统的成本,提高了系统的开放与友好性。
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