一種攪拌摩擦焊接壓力控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種攪拌摩擦焊接壓力控制系統。該系統包括壓力測量系統，測量和采集焊接過程中的壓力值；壓力伺服控制系統，根據實際壓力值和指令壓力值的偏差，由集成在數控系統內的控制算法計算下壓量的修正值；執行系統，按照下壓量的修正值驅動機床主軸運動，控制壓力。該系統通過實時調整攪拌針的下壓量控制焊接壓力，能夠將攪拌摩擦焊接過程中的壓力維持在指令值，無穩態誤差，響應速度快，超調量極小，能有效降低時滯問題對控制效果的影響，可應用于數控攪拌摩擦焊接機床。
【專利說明】一種攪拌摩擦焊接壓力控制系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及機械數控加工【技術領域】，具體是一種攪拌摩擦焊接壓力控制系統。

【背景技術】
[0002]研究表明，在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針施予工件的壓力對焊接質量有重要影響。沒有壓力控制功能的攪拌摩擦焊接存在一些問題:(1)當焊接壓力過小時，焊接接頭無法形成致密的組織，導致接頭強度降低；(2)當焊接壓力過大時，攪拌針與工件摩擦產熱過高，易在接頭內部形成孔洞、隧道等缺陷；(3)若工件表面不平整，焊接時攪拌針與工件的接觸情況不斷變化，導致壓力波動，造成焊接質量不穩定。因此，壓力控制功能對于保證攪拌摩擦焊接質量有重要意義。但是國內現有的攪拌摩擦焊機床上都沒有相關功能，無法有效控制焊接過程中的壓力。
[0003]通常將攪拌針軸肩垂直壓入工件表面的深度定義為下壓量，研究表明下壓量是影響壓力大小的主要因素，對攪拌摩擦焊壓力的控制主要通過對下壓量的控制實現。目前關于攪拌摩擦焊壓力控制的解決方法還比較少。一種方法是通過PID控制器控制焊接壓力，這種方法存在超調量，造成實際壓力過大，引發飛邊過多、試件過熱等問題，嚴重時可能使攪拌針與工件背部的墊板碰撞，損壞攪拌針。另外，控制系統發出指令與執行系統實際運動之間存在較大時滯，而PID控制器對大時滯系統控制效果不佳。另一種方法是通過極點配置法設計多項式控制器，并通過Smith預估器補償時滯，這種方法同樣存在超調量，且設計過程復雜，不適于工程實際應用，另外Smith預估器會影響控制器的控制效果。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種響應速度快、超調量極小攪拌摩擦焊接壓力控制系統，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0005]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:攪拌摩擦焊接壓力控制系統，包括壓力測量系統、壓力伺服控制系統和執行系統。所述的壓力測量系統是通過測力臺實時測量焊接過程中的壓力，用數據采集卡采集測力臺輸出的電壓信號，并轉換為數控系統可識別的形式，最后傳給壓力伺服控制系統；所述的壓力伺服控制系統為是通過集成在數控系統中的控制算法，根據壓力測量系統采集的實時壓力值，計算下壓量的修正值；所述的執行系統是運動控制卡根據數控系統計算的下壓量修正值驅動機床主軸運動。
[0006]作為本發明進一步的方案:所述的控制算法是通過實驗和系統辨識獲得執行系統的動態模型，并確定控制系統發出指令與執行系統實際運動之間時滯周期的個數。將系統的動態模型表示為狀態空間下含時滯項的矩陣形式。通過Artstein轉化方法將系統轉換為不含時滯項的等效系統。將實際壓力值與指令壓力值間的偏差輸入內模控制器以消除穩態誤差。將內模控制器和執行系統合并為一個增廣系統，根據線性二次型最優狀態反饋理論計算各狀態量的反饋系數，保證系統有良好的響應特性。用狀態觀測器估計系統中無法直接測量的狀態量。
[0007]作為本發明進一步的方案:所述的Artstein轉化方法是通過變量代換，將原系統轉換為不含時滯項的一般系統。
[0008]作為本發明再進一步的方案:所述的反饋系數是將系統的每個狀態量分別乘以各自的反饋系數，然后求和，所得結果即為下壓量的修正值。
[0009]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:該系統無穩態誤差，響應速度快，超調量極小，能有效降低時滯問題對控制效果的影響，可應用于數控攪拌摩擦焊接機床。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0011]圖1恒壓力控制系統整體架構。
[0012]圖2壓力伺服控制算法的整體架構。
[0013]圖3壓力伺服控制算法的傳遞函數框圖。
[0014]圖3中:G_執行系統；C_內模控制器；W_狀態觀測器；K1-內模控制器對應的反饋系數；Κ2-執行系統對應的反饋系數；k-當前周期數；r-指令壓力值；y_執行系統的輸出量，即實際壓力值；e-r與y之間的偏差；x’ _狀態觀測器估計的系統狀態量；u_執行系統的輸入量，即下壓量的修正值。

【具體實施方式】
[0015]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0016]請參閱圖1，本發明實施例中，一種攪拌摩擦焊接壓力控制系統，包括壓力測量系統，壓力伺服控制系統和執行系統。其中壓力測量系統包括測力臺和數據采集卡，數據采集卡采集測力臺實時測得的壓力，并轉換為數控系統可識別的形式，最后傳給壓力伺服控制系統。壓力伺服控制系統包括人機交互界面和數控系統，壓力伺服控制系統根據實際壓力值和指令壓力值間的偏差，按照集成在數控系統內的控制算法，計算出修正的下壓量并傳遞給執行系統。執行系統包括運動控制卡、伺服電機和機床主軸，按照修正的下壓量驅動機床主軸運動，使得壓力達到指令值。
[0017]如圖2和圖3所示，設計壓力伺服控制系統的控制算法。通過實驗和系統辨識，建立執行系統的動態模型，通過Artstein轉化方法將系統轉換為不含時滯項的等效系統。將實際壓力值I與指令壓力r值間的偏差e輸入內模控制器C以消除穩態誤差。將內模控制器C和執行系統G合并為一個增廣系統后，通過狀態調節器保證系統有良好的響應特性，狀態調節器的計算方法主要基于線性二次型最優控制理論。內模控制器C的輸出結果Kl和執行系統G的輸出結果K2相加即為下壓量的修正值U。用狀態觀測W器估計系統中無法直接測量的狀態量X’。
[0018]本發明該系統無穩態誤差，響應速度快，超調量極小，能有效降低時滯問題對控制效果的影響，可應用于數控攪拌摩擦焊接機床。
[0019]對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
【權利要求】
1.一種攪拌摩擦焊接壓力控制系統，包括壓力測量系統、壓力伺服控制系統和執行系統，其特征在于，所述的壓力測量系統是通過測力臺實時測量焊接過程中的壓力，用數據采集卡采集測力臺輸出的電壓信號，并轉換為數控系統可識別的形式，最后傳給壓力伺服控制系統；所述的壓力伺服控制系統是通過集成在數控系統中的控制算法，根據壓力測量系統采集的實時壓力值，計算下壓量的修正值，所述的執行系統是運動控制卡根據數控系統計算的下壓量修正值驅動機床主軸運動。
2.根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊接壓力控制系統，其特征在于，所述的控制算法是通過實驗和系統辨識獲得執行系統的動態模型，并確定控制系統發出指令與執行系統實際運動之間時滯周期的個數，將系統的動態模型表示為狀態空間下含時滯項的矩陣形式，通過Artstein轉化方法將系統轉換為不含時滯項的等效系統，將實際壓力值(y)與指令壓力(r)值間的偏差(e)輸入內模控制器(C)以消除穩態誤差，將內模控制器(C)和執行系統(G)合并為一個增廣系統后，通過狀態調節器保證系統有良好的響應特性，狀態調節器的計算方法主要基于線性二次型最優控制理論，內模控制器(C)的輸出結果(K1)和執行系統(G)的輸出結果(K2)相加即為下壓量的修正值(u)，用狀態觀測W器估計系統中無法直接測量的狀態量(X’)。
3.根據權利要求2所述的攪拌摩擦焊接壓力控制系統，其特征在于，所述的Artstein轉化方法是通過變量代換，將原系統轉換為不含時滯項的一般系統。
4.根據權利要求2所述的攪拌摩擦焊接壓力控制系統，其特征在于，所述的反饋系數是將系統的每個狀態量分別乘以各自的反饋系數，然后求和，所得結果即為下壓量的修正值。
【文檔編號】B23K20/12GK104259650SQ201410369938
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】王宇晗, 畢慶貞 申請人:上海拓璞數控科技有限公司