專利名稱：摩擦焊接方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及將零部件摩擦焊接在一起的方法和系統。
背景技術：
通常存在兩種旋轉摩擦焊接方法，即慣性摩擦焊接和直接驅動摩擦焊接。在摩擦焊接期間，來自工件的材料移動或“鐓粗”，這導致焊接部件的組合長度減小。因此，所完成的產品長度為各個零部件在焊接之前的長度總和減去這些零部件在焊接期間所出現的鐓粗量。鐓粗并且因此最終產品長度在摩擦焊接中是可變的，這需要在摩擦焊接中考慮。隨著在制造公差方面的要求提高，期望摩擦焊接過程恒定地生產出具有更低鐓粗公差的焊接零部件，并且生產出恒定的整體焊接零部件長度。
在慣性焊接中，鐓粗主要取決于起始能量(由起始速度和系統慣性所決定的)以及在整個焊接循環中施加的負載。但是鐓粗也取決于其它因素中的工件的界面面積、在工作零件之間的實際接觸面積以及冶金特性。這些變量中的小變化不會被補償，因此導致大的鐓粗變化。
控制在直接驅動摩擦焊接中的鐓粗包括監視在焊接循環的摩擦階段期間的鐓粗，并在達到所需鐓粗時過渡至鍛造/制動階段。一旦在摩擦階段的結束時中斷了旋轉驅動力，則盡管鐓粗在未受控或者自然過程中發生，但是仍然取決于在先能量輸入(由摩擦速度、施加的負載和時間所確定的)、系統慣性、和在主軸旋轉減速至靜止時所施加的摩擦/鍛造負載。
發明內容
本發明包括在此處披露或者在以下的詳細描述中披露的以下特征中的一個或者在多個或者它們的結合。
本發明涉及將零件直接驅動摩擦焊接在一起以生產出鐓粗變化更小或者焊接在一起的產品零件的最終長度變化更小的焊接的系統和方法。本發明還涉及一種將零件慣性摩擦焊接在一起以生產出鐓粗量變化更小的焊接的方法。
通過在直接驅動或者慣性摩擦焊接循環的減速過程中動態控制影響鐓粗的電機力矩來實現鐓粗變化的減小。在本說明書中，焊接一對試樣零件，以獲得代表在焊接循環的減速階段過程中主軸速度和鐓粗形成之間的關系的曲線。然后所存儲的曲線數據可以用作在隨后的產品焊接循環過程中施加的調節力矩的基礎，從而在主軸減速過程中控制鐓粗。可以通過任何適當的焊接系統來實現該方法。
本領域的技術人員在考慮了以下本發明示例性實施方案的詳細描述后能夠清楚本發明的其它特征。
詳細說明具體參照以下附圖，其中圖1是根據本發明的一個實施方案的摩擦焊接系統的示意正視圖；圖2是顯示圖1的焊接系統的組件的視圖；圖3是根據與直接驅動摩擦焊接所形成的試樣焊接的形成有關的數據的視圖，在豎軸上顯示了主軸驅動力矩指令、主軸角速度、鐓粗和壓力，在橫軸上顯示了時間，也顯示了根據本發明的實施方案的直接驅動試樣焊接的各階段；圖4顯示在圖3的直接驅動試樣焊接的形成過程中用于將試樣零件焊接在一起的方法的步驟的流程圖，也顯示了根據在圖3的直接驅動試樣焊接的形成過程中所獲取的數據用于將試樣零件焊接在一起的方法的步驟的流程圖；圖5是根據與直接驅動摩擦焊接所形成的產品焊接的形成有關的數據的視圖，在豎軸上顯示了主軸驅動力矩指令、主軸角速度、鐓粗和壓力，在橫軸上顯示了時間，也顯示了根據本發明的實施方案基于圖3的直接驅動試樣焊接的直接驅動產品焊接的各階段；圖6是根據與慣性摩擦焊接所形成的試樣焊接的形成有關的數據的視圖，在豎軸上顯示了主軸驅動力矩指令、主軸角速度、鐓粗和壓力，在橫軸上顯示了時間，也顯示了根據本發明的實施方案的慣性試樣焊接的各階段；圖7顯示在圖6的慣性試樣焊接的形成過程中用于將試樣零件焊接在一起的方法的步驟的流程圖，也顯示了根據在圖6的慣性試樣焊接的形成過程中所獲取的數據用于將慣性試樣零件焊接在一起的方法的步驟的流程圖；圖8是根據與慣性摩擦焊接所形成的產品焊接的形成有關的數據的視圖，在豎軸上顯示了主軸驅動力矩指令、主軸角速度、鐓粗和壓力，在橫軸上顯示了時間，也顯示了根據本發明的實施方案基于圖6的慣性試樣焊接的慣性產品焊接的各階段；圖9是顯示在力矩調節的慣性焊接循環中的鐓粗的調整點、力矩指令響應、主軸角速度響應以及所得到的鐓粗響應相對于時間的示例的視圖。
具體實施例方式
盡管本發明可以采用不同的形式來，但是在圖中顯示并且在此處詳細描述了一些實施方案，可以理解本說明書被認為是本公開的原理的示例，而不是將本公開限制以下描述中提出的或者在圖中顯示的結構的細節和組件的數量和設置。
圖1顯示了摩擦焊機12形式的焊接系統10。摩擦焊機12包括機頭座部分14和尾座部分16，其中機頭座部分14包括具有接合第一零件或者元件22的旋轉卡盤20的主軸18。驅動器24例如電機被構成為向主軸18施加力矩以通過來自運動控制器26的指令旋轉主軸(圖2)。主軸18可以裝有另外的零件，例如飛輪，以提高旋轉主軸的慣性動量。
尾座部分16包括非旋轉卡盤28，用于接合第二零件或者元件30。尾座部分16安裝在滑動件32上，其中滑動件促動器34朝著旋轉卡盤20滑動非旋轉卡盤28。由于旋轉卡盤20和非旋轉卡盤28分別接合第一零件22和第二零件30，第一零件22和第二零件30在焊接循環過程中彼此接觸，如下所討論的。
參考圖2，該圖以示意性的形式顯示出焊接系統10還包括驅動器24、滑動件促動器34、中央處理單元(CPU)36、運動控制器26、滑動件編碼器38、速度測量器40、以及邏輯控制器42。CPU36為操作者提供一個界面，允許輸入焊接參數和存儲焊接參數，并向邏輯控制器42傳送焊接數據。CPU36也從邏輯控制器42閱讀焊接數據，為操作者提供一個界面來顯示焊接數據，并存儲焊接數據。驅動器24施加力矩來旋轉加速、減速或者保持主軸18的旋轉速度(圖1)。編碼器38測量滑動件32的線性位置，并向運動控制器26發出該信號，其中運動控制器26代表表現出這樣一種智能，它接收來自邏輯控制器42的與滑動位置相關的指令并且將那些指令翻譯成發送給用來使滑動件32運動的滑動件促動器34的指令。滑動件促動器34可以包括液壓缸，但是也可以采用任意能夠提供軸向力的裝置。
速度測量器40測量出主軸18的轉速并且將它作為信號發送給運動控制器26，其中運動控制器26表現出這樣一種智能，它接收來自邏輯控制器42的與滑動位置相關的指令并且將那些指令翻譯成發送給驅動器24的指令。運動控制器26能夠監視由速度測量器40提供的主軸速度信息并且實時調節驅動器24的力矩輸出。邏輯控制器42借助CPU36根據由操作人員提供的焊接參數控制焊接系統10和摩擦焊接裝置12的功能和順序。用于CPU36和邏輯控制器42的源代碼可以按照任意合適的方式寫入。
CPU36與邏輯控制器42操作性地連接，而邏輯控制器42與運動控制器26操作性地連接。運動控制器26與驅動器26操作性地連接以指示驅動器24使主軸18轉動。運動控制器26還與滑動件促動器24操作性地連接以使滑動件32運動，其中滑動件編碼器38在以設定的時間間隔形成焊接期間隨著它運動測量滑動件32的線性位置，同時速度測量器40測量主軸18的速度。因此，滑動件編碼器38和速度測量器40如此與運動控制器26操作性地連接，從而在不同的慣性焊接階段例如加速階段、脫開階段、推動階段和減速階段期間以及在不同的直接驅動焊接階段例如加速階段、第一摩擦階段、第二摩擦階段、制動階段和鍛壓階段期間，運動控制器26分析主軸角速度和滑動件位置。
如在本領域中所知的一樣，主軸驅動力矩指令和主軸驅動力矩在正確工作的機器中基本上是相同的，因為驅動力矩將在時基分辨率之外稍微延遲。另外，壓力與施加用來使各個部件的兩個鄰接面處于負載之下的軸向力直接相關，因為壓力與在液壓缸中的力成正比。另外，在焊接形成期間所引起的鐓粗量等于在將各個零部件焊接在一起時各個零部件的長度減小量。鐓粗零位置可以為處于最大焊接負載下的滑動件的位置，在那里各個零部件的兩個鄰接面在零鐓粗形成的情況下相互接觸。鐓粗減速位置可以為在焊接系統開始摩擦焊接循環的減速階段時滑動件的位置。鐓粗位置可以為在摩擦焊接循環的減速階段之后在主軸實現零速度時滑動件的位置。鐓粗最終位置可以為處于最大焊接負載下的滑動件的位置，在那里各個零件在形成最終鐓粗的情況下焊接在一起，其中最終鐓粗量等于由焊接過程形成的鐓粗量所引起的滑動件的位移。在這里所用的長度用來例如表示沿著滑動件運動方向以及因此施加在各個零部件上的力的方向測量出的零部件的長度。另外，雖然主軸轉動的物理術語為主軸角速度；但是該術語“主軸速度”通常用作摩擦焊接參數的標準術語。
參照圖3，該圖用圖形顯示出直接驅動試樣焊接44的形成，其中水平軸線表示時間，并且垂直軸線表示在形成直接驅動試樣焊接44期間的各種測量值和系統指令。為了形成直接驅動試樣焊接44，操作人員首先輸入用來限定直接驅動試樣循環46的焊接參數。操作人員然后通過使第一試樣零件22與連接在主軸18(圖1)上的轉動卡盤20(圖1)接合并且使第二試樣零件30與連接在滑動件32(圖1)上的非轉動卡盤28(圖1)接合來給這對試樣零件22、30(圖1)加載。
運動控制器26(圖2)向驅動器24(圖2)發出力矩指令50以開始使主軸18旋轉加速，其中在圖3中的軌跡“A”表示由驅動器24施加在主軸18上的力矩。一開始不動的主軸18在加速階段期間開始初始轉動52，其中在圖3中的軌跡“B”表示在形成直接驅動試樣焊接44期間主軸18的速度。施加在主軸18上的力矩指令50在通過主軸18獲得預定摩擦速度56時下降至較低的電平54。由于通過運動控制器26使主軸18處于閉環速度控制下，所以保持恒定速度所需的力矩會波動。一旦獲得該摩擦速度56，則運動控制器26指示滑動件促動器34(圖2)以使滑動件32接觸兩個試樣零件22、30的相對鄰接面。在滑動件32使兩個試樣零件22、32的相鄰面一起運動時在鐓粗軌跡58中顯示出該運動，其中在圖3中的軌跡“C”表示在直接驅動試樣循環46期間形成的鐓粗量。在試樣零件22、30的相鄰面的初始接觸處，運動控制器26和滑動件編碼器38(圖2)建立了鐓粗零位置60。
在試樣零件22、30的初始接觸之后，在第一摩擦階段64期間壓力發展為第一摩擦壓力62，其中在圖3中的軌跡“D ”表示在試樣零件22、30之間的壓力。由于試樣零件22、30的接觸而導致的摩擦在主軸18上施加附加的力矩66。但是，主軸18借助運動控制器26保持處于閉環速度控制下。因此，運動控制器26指示驅動器24根據該附加力矩66來保持主軸18的恒定速度。保持恒定速度68所需的驅動力矩通常隨著在位于試樣零件22、30之間的焊接界面處的溫度增大而減小。在第一摩擦階段64期間，焊接系統10保持第一摩擦壓力62。
一旦完成了預定時間[“第一摩擦時間”]，焊接系統10開始施加更大的壓力70，則完成了第一摩擦階段64并且開始了直接驅動試樣循環46的第二摩擦階段72。該循環的第二摩擦階段72其特征在于施加了更大的第二摩擦壓力74。第一摩擦階段64和第二摩擦階段72之間的組合包括直接驅動試樣循環46的摩擦階段。在摩擦階段中的一些位置處，能量輸入針對試樣零件22、30的特定材料和幾何形狀產生出足夠的熱量以使足夠的材料達到塑化，這使得能夠如在圖3中的軌跡“C”所示一樣出現鐓粗量76。
通過將在摩擦-時間焊接循環中的時間[“摩擦時間”]、或者在摩擦-距離焊接循環中的鐓粗量[“摩擦距離”]、或者在摩擦-最終長度焊接循環中的滑動件位置[“摩擦限制位置”]來觸發第二摩擦階段72的結束78，摩擦-時間循環、摩擦-距離焊接循環和摩擦-最終長度焊接循環為通常摩擦焊接循環變量。在第二摩擦階段72的最后，開始直接驅動試樣循環46的制動階段80，其中可以通過不同程序來進行制動階段80。一旦制動階段80開始，確定鐓粗減速位置82。在一實施方案中，可以將主軸18保持在速度環中，并且在規定時間(未示出)內通過運動控制器26進行速度受控減速至零速度。可選的是，驅動器24可以通過向主軸18施加制動力矩86在力矩模式中使主軸18的轉動減速至停止或零速度84。在施加制動力矩86之前可以任選通過施加零電機力矩使制動力矩86延遲，其中在制動階段80中仍然包括該零力矩延遲時期。在預定時間即制動延遲時間(未示出)之后或以給定速度即制動速度(未示出)也施加制動力矩86。制動階段80在主軸18的零速度84處結束。在形成直接驅動試樣焊接44中，鐓粗量88的形成在制動階段80期間沒有受到控制，并且受到直接驅動試樣焊接44的自然特性例如材料冶金組織、幾何形狀等影響。一旦在零速度84處完成了制動階段80，則鐓粗量88的形成可以繼續。在主軸18實現了零速度84之后確定鐓粗位置90。在制動階段80最后，可以根據在鐓粗減速位置82和鐓粗位置90之間的差異來計算出減速鐓粗92。該減速鐓粗92表示滑動件32的位移和由在制動階段80期間的鐓粗88形成而引起的試樣零件22、30的長度減小。
第二摩擦階段72的最后用信號通知過渡到鍛壓階段94，其中壓力從第二摩擦壓力74增大至鍛壓壓力96。鍛壓階段94緊接著在第二摩擦階段72的最后開始。可選的是，鍛壓階段94可以在第二摩擦階段72之后延遲，并且在預定的鍛壓延遲時間(未示出)之后或者以給定的主軸速度即鍛壓速度(未示出)或者以主軸18的零速度84(未示出)開始。
一旦制動階段80在主軸18的零速度84處結束，鍛壓冷卻停留時間98開始，其中使鍛壓壓力96維持預定的時間。在鍛壓冷卻停留時期98期間，鐓粗88可以繼續增大。在滑動件32朝著主軸18的運動停止之后確定鐓粗最終位置100。在滑動件32到達停止位置時鍛壓冷卻停留時期98的最后，根據在鐓粗零位置60和鐓粗最終位置100之間的差異計算出直接驅動試樣焊接44的總鐓粗量102。因此，總鐓粗量102表示滑動件32的位移和在直接驅動試樣循環46期間由鐓粗形成引起的試樣零件22、30的長度減小。
參照圖4和圖3，這些流程圖顯示出用于形成直接驅動試樣焊接44的直接驅動試樣循環46的步驟。如所示一樣，操作人員首先輸入用來限定直接驅動試樣循環46的焊接參數。操作人員然后通過使第一試樣零件22與連接在主軸18上的旋轉卡盤20接合同時使第二試樣零件30與非轉動卡盤28接合來給那對試樣零件22、30加載。操作人員發出開始指令48以開始直接驅動試樣循環46。接下來，主軸18旋轉加速至摩擦速度56，該速度保持為恒速。
運動控制器26然后指示滑動促動器34使滑動件32運動以接觸兩個試樣零件22、30的相對鄰接面，其中在試樣零件30接觸試樣零件22時試樣零件22、30具有組合的初始長度104。一旦接觸，運動控制器26和滑動件編碼器38建立了鐓粗零位置60。一旦完成了第一摩擦階段64，焊接系統10開始施加更大的壓力70以開始第二摩擦階段72。在第二摩擦階段72的最后，直接驅動試樣循環46的制動階段80開始使主軸18旋轉減速至零速度84。
在直接驅動試樣焊接循環46的制動階段80期間，鐓粗88形成沒有受到控制。在主軸18在制動階段80最后實現零速度84時，鍛壓冷卻停留時間98開始，其中鐓粗88可以繼續增大。在鍛壓冷卻停留周期98最后，可以根據在鐓粗零位置60和鐓粗最后位置100之間的差異計算出直接驅動試樣焊接循環46的總鐓粗量102。直接驅動試樣焊接44的形成使得形成鐓粗量，這將試樣零件22、30的組合初始長度104減小至焊接最終長度106。
在進行直接驅動試樣焊接44期間，焊接系統0獲取在用于在隨后產品焊接中所焊接的特定零件的直接驅動試樣循環46的制動階段80期間能夠用來表征主軸18的轉動減速和滑動件32的軸向運動以及因此鐓粗量88的焊接數據108。在這個直接驅動試樣焊接44的制動階段80期間形成的鐓粗量88受到一些內在和不可預期的變化。但是，可以分析在形成直接驅動試樣焊接44期間獲取的焊接數據108以確定在從摩擦階段的最后78到主軸18的零速度84的時間內即在制動階段80期間在各個時刻處的鐓粗量88和主軸18的速度。
在形成直接驅動試樣焊接44期間，焊接系統10以規定的時間間隔測量并且存儲焊接數據108。焊接數據108如下面所述一樣用作用于計算鐓粗量對主軸速度曲線的基礎。焊接數據108通常在整個焊接循環期間測量出，但是這些測量值在直接驅動試樣循環46的制動階段80期間尤為關鍵。另外，也可以用焊接數據108測量出推壓力并且將它存儲。在試樣焊接44的形成期間，通過邏輯控制器42獲取焊接數據108并且將它暫時存儲。
在完成直接驅動試樣循環46時，CPU36從邏輯控制器42中讀取焊接數據108，將結果顯示給操作人員，并且存儲焊接數據108的完全記錄。所測量并且存儲的焊接數據108可以采用任意合適的形式，然后可以將它用于形成隨后的產品焊接，這需要與在試樣直接驅動焊接循環46的制動階段80期間測量出的相同的特征鐓粗量對主軸速度曲線。在所示的流程圖中，使用焊接數據108來計算出曲線110。焊接數據108包括作為時間函數的主軸18的速度，它可以表示為兩個離散陣列、一個主軸速度陣列和相關的測量出主軸速度的時間值陣列。在曲線110的計算中所使用的焊接數據108還包括作為時間函數的滑動件32的位置，它表示為兩個離散陣列、一個滑動件位置陣列和測量出滑動件位置的時間值的相關陣列。焊接數據108還包括鐓粗量零位置60，從而可以從滑動件位置數據中計算出鐓粗量。
將焊接數據108編譯到曲線110中，其中曲線110為在試樣直接驅動試樣循環46的制動階段80期間鐓粗量88對主軸18的速度的特征形成關系的計算模型。曲線110然后用作用來控制隨后的產品焊接以便配合在制動階段80期間在任意給定的主軸速度下由鐓粗量88引起的試樣零件30的位移，并且因此消除在產品直接驅動焊接中的制動階段80期間的內在鐓粗量變化，從而如下面所述一樣形成一致的長度減小或一致的最終產品長度。
在當前公開內容中，曲線(profile)110由提供了作為主軸速度的函數的鐓粗量88形成的查詢表表示。換句話說，曲線110為這樣一個陣列，其中陣列的指標為速度因子，并且存儲在該陣列中的數值表示在相應的主軸速度下測量出的鐓粗量88。因此在任何給定速度，可以查找該速度的相應鐓粗設定點，通過將當前速度的浮動點表示和主軸速度-指數縮放因素的浮點表示相乘并且將結果四舍五入來形成整數指數，從而計算出指數。由于通過數字獲取等級來獲取焊接數據108，所以必須將焊接數據108插值以填充在沒有測量出任何實際數據試樣的主軸速度點中，從而實現曲線110的完全陣列。
在CPU36從直接驅動試樣焊接44的焊接數據108中計算出曲線110之后，去除焊接的部件以便執行如下面所述一樣的任意數量的隨后直接驅動產品焊接。
參照圖5并且參照圖4，這些附圖用圖形顯示出根據本發明一實施方案的直接驅動產品焊接112的形成，其中水平軸線表示時間，并且垂直軸線表示在直接驅動產品焊接112形成期間的各種測量值和系統指令。為了形成直接驅動產品焊接112，操作人員首先輸入限定了直接驅動產品焊接循環114的焊接參數。操作人員然后通過使第一產品零件116與旋轉卡盤20(圖1)接合同時使第二產品零件118與非旋轉卡盤28(圖1)接合來給那對產品零件116、118(圖1)加載。另外，然后選擇曲線110(圖4)。可以執行任意數量的直接驅動試樣焊接44(圖3和4)，并且可以將來自這些直接驅動試樣焊接44的焊接數據108(圖4)編譯到各種試樣曲線110中并且存儲在CPU36上(圖2)。從可用曲線110列表中選擇最適用于產品零件116、118的當前結構的曲線110。直接驅動產品焊接102可以為力矩調節鐓粗量受控直接驅動焊接或者力矩調節最終零件長度受控的直接驅動焊接。
直接驅動產品循環114的循環特征貫穿第二摩擦階段72的最后或者制動階段80的開始與直接驅動試樣循環46的特征相同，其中圖5對于共同的數值和系統指令顯示出與圖3相同的參考標號。影響主軸18的減速速率的任意參數在直接驅動產品焊接112中都不可改變，并且與所選的直接驅動試樣焊接44重復。這些參數包括摩擦速度、制動力矩、制動速度、制動延遲時間、鍛壓壓力、鍛壓速度和鍛壓延遲時間。如果這些參數必須改變，則必須處理和存儲新的直接驅動試樣焊接44和相應的曲線110。CPU36根據由操作人員輸入的參數以及所選的試樣曲線110的特征計算出任意附加的所需參數。包括鐓粗量對速度的曲線110陣列的所有參數從CPU36傳送給邏輯控制器42。
參照圖5，焊接系統10與那對產品零件116、118一起開始摩擦焊接以形成直接驅動產品焊接112。在操作人員輸入焊接參數并且使第一產品零件116和另一個產品零件118接合之后，操作人員發出用于直接驅動產品循環114的開始指令120。在主軸加速至摩擦速度56之后，運動控制器26指示滑動件促動器34使滑動件32運動以接觸兩個產品零件116、118的相對鄰接面，其中在產品零件118接觸著產品零件116時產品零件116、118具有組合的初始長度122。直接驅動產品循環114與上面在直接驅動試樣循環46中所述一樣進行。如果直接驅動產品循環114的目的為最終鐓粗量控制，則制動階段80在實現了摩擦鐓粗距離124時開始。如果直接驅動產品循環114的目的為最終產品長度控制，則制動階段80在實現了摩擦限制位置126時開始。
在直接驅動產品焊接循環114的制動階段80期間，運動控制器26將實際鐓粗量128形成與由曲線110指定的用于主軸18的當前實際速度的鐓粗量設定點比較，以如圖4的流程圖中所示一樣產生出鐓粗量誤差信號130。在當前公開內容中，在任意時刻處的當前鐓粗量設定點可以根據主軸18的當前速度從曲線110中查找出。可以從當前鐓粗量設定點中減去當前實際鐓粗量128以產生出鐓粗量誤差信號130。因此，參照圖5，在直接驅動產品循環114的制動階段80期間，驅動器24調節施加在主軸18上的力矩132，從而根據在直接驅動試樣焊接44的形成期間測量出的曲線110形成在直接驅動產品焊接112的形成期間在任意給定的主軸速度下的鐓粗量128，從而產生出與在直接驅動試樣焊接44的制動階段80期間形成的鐓粗量88一致的鐓粗量128。
使用來自鐓粗量受控直接驅動焊接或最終零件長度受控直接驅動焊接的鐓粗量誤差信號130來調節在制動階段80期間施加在主軸18上的力矩132。如果在直接驅動產品循環114中形成的實際鐓粗量128小于在任意給定速度下在曲線110中的鐓粗量設定點，則驅動器24向主軸18施加正力矩132。如果在直接驅動產品循環114中形成的實際鐓粗量128大于在任意給定速度下在曲線110中的鐓粗量設定點，則驅動器24向主軸18施加負或制動力矩132。因此，在制動階段80期間，經調節的力矩132補償了鐓粗量誤差信號130以根據曲線110形成鐓粗量128。因此，經調節的力矩132連續增大或減小主軸18在制動階段80期間的減速，從而根據直接驅動試樣焊接54的鐓粗量88的形成一致地形成鐓粗量128。
墩粗錯誤信號130引入到PID算法(比例積分導數)中，從而產生調節的力矩信號132以發送給驅動器24來補償墩粗錯誤信號130。同樣，在形成直接驅動產品焊接112的過程中施加給主軸18的調節的力矩132導致在任何給定主軸速度根據輪廓110形成墩粗，從而在形成直接驅動產品焊接112的過程中經歷的墩粗與在形成直接驅動試樣焊接112的過程中經歷的墩粗是一致的。另外，在形成直接驅動產品焊接112的過程中施加給主軸18的調節的力矩132導致墩粗128造成的滑動件32的位移與在形成直接驅動試樣焊接44的過程中經歷的滑動件32的位移相匹配。
在控制最終零件長度的實施方案中，從直接驅動試樣循環46計算的輪廓110還用于控制焊接的產品零件的最終長度134。由于調節的力矩132根據輪廓110在減速階段開始之后形成墩粗128，因此可以引發減速，從而總墩粗92將接合的初始長度122減少至指定的最終焊接零件長度134。在該實施方案中，在提供了產品零件116，118之后和在旋轉加速產品零件116之前，操作者指定焊接的產品零件的最終長度134的尺寸136。然后焊接系統控制產品零件116的旋轉減速也就是制動階段80的開始。同樣，控制施加給產品零件116的力矩調節，從而在制動階段80之前形成的墩粗76和在制動階段過程中和之后形成的墩粗76的總和將最終的長度134減少至所需尺寸136。在一個實施方案中，試樣零件22，30和產品零件116，118的初始長度104，106和最終長度122，124可能代表試樣零件22，30和產品零件116，118的初始和最終軸長度。
在本說明書中，用于根據當前墩粗錯誤信號130產生經調節的力矩指令信號132的閉環控制算法利用誤差的導數在標準數字獨立位置PID算法中實施。或者，可以在任何適當的算法中實施閉環控制算法，這些算法包括但是不限于相關算法或者速度算法。可以按照任何適當的方式在邏輯控制器42中實施該算法。可以隨后重復為用于形成直接驅動產品焊接112所描述的直接驅動產品循環114，以在體積的基礎上將任何數量的附加的產品零件116，118焊接在一起。
參考圖6，根據本發明的一個實施方案，示意性的顯示了慣性試樣焊接138的形成，其中水平軸代表時間，豎直軸代表在慣性試樣焊接138的形成過程中的各測量值和系統指令。為了形成慣性試樣焊接138，操作者首先輸入限定慣性試樣循環140的焊接參數。然后操作者通過將第一試樣零件22與連接至主軸18的旋轉卡盤20(圖1)相接合，同時將第二試樣零件30與非旋轉卡盤28(圖1)接合，加載該對試樣零件22，30(圖1)。然后操作者發出開始指令142以啟動慣性試樣循環140。
運動控制器26(圖2)向驅動器24發出力矩指令144，以開始旋轉加速主軸18，其中圖6中的軌跡A表示驅動器24施加的力矩。起初處于靜止的主軸18在加速階段過程中開始最初的旋轉146，軌跡B代表主軸18在慣性試樣焊接138的形成過程中的速度。在達到預定的脫開速度150時，施加給主軸18的力矩指令144降低至零148。在該脫開階段中，主軸18不受驅動器24的任何影響旋轉。主軸18按照與焊接系統10中固有的慣性和摩擦損耗相關的速度旋轉減速。一旦主軸18自然旋轉減速至預設的焊接速度151，運動控制器26指令滑動件促動器34(圖2)以移動滑動件32(圖2)來接觸兩個試樣零件22，30的的相對的匯合面。這在最初的墩粗軌跡154中顯示，因為滑動件32將兩個試樣零件22，30的匯合面一起移動，其中圖6中的軌跡C表示在慣性試樣循環140中形成的墩粗。在試樣零件22，30的匯合面的最初接觸處，運動控制器26和滑動件編碼器38(圖2)建立墩粗零位置156。
在試樣零件22，30的接觸過程中，壓力發展為焊接壓力158，其中圖6中的軌跡D代表在試樣零件22，30之間的壓力。也在此時，驅動器24可以在推壓階段中向主軸18施加零力矩152。或者，驅動器24可以在此時施加正的力矩160或者負力矩162，因此分別增加了要耗散在慣性試樣焊接138中的能量。在慣性焊接中，用于任何給定的材料和幾何形狀的基礎輸入能量必須產生足夠的熱量以塑化足夠的材料來允許形成墩粗176。任選的，在預定的“墩粗”速度，焊接系統10可以將兩個試樣零件22，30上的軸向負載提高至“墩粗壓力”(未顯示)。
在慣性試樣循環140的減速階段164的過程中，試樣零件22，30的匯合面的接觸使得力矩由于在兩個試樣零件22，30之間的摩擦焊接力矩而加載到主軸18。這種接觸導致主軸18的減速178最終達到零速度166。在零速度166，可以繼續形成墩粗168。在主軸達到零速度166之后，確定墩粗位置170。可以根據在墩粗零位置156和墩粗位置170之間的差異計算減速墩粗172。這種減速墩粗172代表在減速階段164過程中因為形成墩粗168導致的滑動件32的位移和試樣零件22，30的長度的減少。
在慣性試樣焊接138的形成中，在零件接觸減速階段164過程中形成的墩粗168不受控制，受到焊接自然特性例如材料冶金、幾何形狀等的影響。一旦主軸18達到零速度166，驅動器24向主軸18指令零力矩163。在零速度166，啟動冷卻保壓周期180，其中在預定的時間周期保持焊接(或者墩粗)壓力158。在冷卻保壓周期180，可以繼續增加墩粗168。在滑動件32朝著主軸18的移動停止之后確定最終的墩粗位置182。在冷卻保壓周期180結束時，當滑動件32達到靜止位置時，可以根據在墩粗零位置156和最終墩粗位置182之間的差異計算慣性試樣焊接138的總墩粗184。同樣，總墩粗184代表在慣性試樣循環140的過程中形成墩粗168所導致的滑動件32的位移和試樣零件22，30的長度的減少。
參考圖7和圖6，流程圖表示用于形成慣性試樣焊接138的慣性試樣循環140的步驟。如圖所示，操作者首先輸入限定慣性試樣循環140的焊接參數。然后操作者通過將第一試樣零件22與連接至主軸18的旋轉卡盤20相接合，同時將第二試樣零件30與非旋轉卡盤28接合，加載該對試樣零件22，30。然后操作者發出開始指令142以啟動慣性試樣循環140。
然后，主軸18旋轉加速至脫開速度150，其中驅動器24向主軸18施加零力矩152。然后主軸18自然旋轉減速至預設的焊接速度151，其中運動控制器26向滑動件促動器34發出指令以移動滑動件32來接觸兩個試樣零件22，30的的相對的匯合面，其中在試樣零件30接觸試樣零件22時試樣零件22，30具有接合的最初長度186。在試樣零件22，30的匯合面的最初接觸處，運動控制器26和滑動件編碼器38建立墩粗零位置156。在慣性試樣循環140的零件接觸減速階段164的過程中，試樣零件22，30的匯合面的接觸使得力矩由于在兩個試樣零件22，30之間的摩擦焊接力矩而加載到主軸18。這種接觸導致主軸18的減速178最終達到零速度166。在冷卻保壓周期180結束時，可以根據在墩粗零位置156和最終墩粗位置182之間的差異計算慣性試樣循環140的總墩粗184。因此慣性試樣焊接138的形成導致形成墩粗并同時將試樣零件22，30的最初長度186減少至焊接的試樣零件22，30的最終長度188。
在執行慣性試樣焊接138時，在隨后的產品焊接中用于要焊接的指定零件的慣性試樣循環140的零件接觸減速階段164的過程中，焊接系統10收集可以用于表征主軸18的旋轉減速和滑動件32的(并且因此是墩粗168的)軸向運動的數據190。在該試樣慣性焊接126的零件接觸減速階段164期間形成的鐓粗量168沒有受到控制，因此出現一些內在并且不可預測的變化。但是，可以分析在慣性試樣循環140期間所獲取的焊接數據190以在從試樣零件22、30的鄰接面接觸到主軸18的零速度166即零件接觸減速階段164的時間中的各個時刻處確定所形成的鐓粗量168、主軸18的速度和滑動件32的運動。
在慣性試樣焊接138的形成期間，焊接系統10以規定的時間間隔測量并且存儲焊接數據190。焊接數據190如下面所述一樣用作計算鐓粗量對主軸速度曲線的基礎。焊接數據190通常在整個焊接循環期間測量出，但是這些測量值在慣性試樣焊接138的零件接觸減速階段164期間尤為關鍵。另外，用焊接數據190還測量出推壓力，并且將它存儲。在慣性試樣焊接138的形成期間，通過邏輯控制器42獲取焊接數據190，并且將它暫時存儲。
在完成慣性試樣循環140時，CPU36從邏輯控制器42中讀取焊接數據190，將結果顯示給操作人員，并且存儲焊接數據190的完全記錄。所測量并且存儲的焊接數據190可以采用任意合適的形式，然后可以將該數據用來形成附加的產品焊接，它需要與在慣性摩擦試樣焊接138的零件接觸減速階段164期間測量出的相同的特征鐓粗量對主軸速度曲線。在所示的流程圖中，使用焊接數據190來計算出曲線192。焊接數據190包括包括作為時間函數的主軸18的速度，它可以表示為兩個離散陣列、一個主軸速度陣列和相關的測量出主軸速度的時間值陣列。在曲線192的計算中所使用的焊接數據190還包括作為時間函數的滑動件32的位置，它表示為兩個離散陣列、一個滑動件位置陣列和測量出滑動件位置的時間值的相關陣列。焊接數據190還包括鐓粗量零位置156，從而可以從滑動件位置數據中計算出鐓粗量168。
將焊接數據190編譯到曲線192中，其中曲線192為在慣性試樣循環140的零件接觸減速階段164期間鐓粗量88對主軸18的速度的特征形成關系的計算模型。曲線192然后用作用來控制隨后的產品焊接以便配合在零件接觸減速階段164期間在任意給定的主軸速度下由鐓粗量88引起的試樣零件30的位移，并且因此消除在產品慣性焊接中的零件接觸減速階段164期間的內在鐓粗量變化，從而如下面所述一樣形成具有一致的長度減小的焊接部分。
在當前公開內容中，曲線192由提供了作為主軸速度的函數的鐓粗量168形成的查詢表表示。換句話說，曲線192為這樣一個陣列，其中陣列的指標為速度因子，并且存儲在該陣列中的數值表示在相應的主軸速度下測量出的鐓粗量168。因此，在任意給定速度下，可以針對那個速度找出相應的鐓粗量設定點。通過將當前速度的浮點表示和主軸速度-指數縮放因素的浮點表示相乘并且將結果四舍五入來形成整數指數，從而計算出指數。由于通過數字獲取等級來獲取焊接數據190，所以必須將焊接數據190插值以填充在沒有測量出任何實際數據試樣的主軸速度點中，從而實現曲線192的完整陣列。
在CPU36從慣性試樣焊接138的焊接數據190中計算出曲線192之后，去除焊接的部件以便執行如下面所述一樣的任意數量的隨后直接驅動產品焊接。
參照圖8并且參照圖7，這些附圖用圖形顯示出根據本發明一實施方案的慣性產品焊接194的形成，其中水平軸線表示時間，并且垂直軸線表示在慣性直接焊接194的形成期間的各種測量值和系統指令。為了形成慣性產品焊接194，操作人員首先輸入限定了慣性產品循環196的焊接參數。操作人員然后通過使第一產品零件116與旋轉卡盤20(圖1)接合同時使第二產品零件118與非旋轉卡盤28(圖1)接合來給那對產品零件116、118(圖1)加載。另外，然后選擇曲線192(圖7)。可以執行任意數量的慣性試樣焊接138(圖6和7)，并且可以將來自這些慣性試樣焊接138的焊接數據190編譯到各種試樣曲線192中并且存儲在CPU36上(圖2)。從可用曲線192列表中選擇最適用于產品零件116、118的當前結構的曲線192。
在慣性焊接中，用于任何給定的材料和幾何形狀的基礎輸入能量必須產生足夠的熱量以塑化足夠的材料來允許形成墩粗176。由于鐓粗168在兩個產品零件116、118之間開始接觸之后在一段時間內沒有開始，所以必須建立參數以規定什么時候開始力矩調節。這可以按照任意合適的方式進行，但是在本申請中所述的兩種方式如圖8所示一樣是借助啟動速度參數198、或者借助啟動鐓粗粗量參數200。啟動速度參數192為如此限定的預定主軸速度，從而在主軸速度下降至低于那個規定數值時，開始力矩調節。啟動鐓粗粗量參數200如此限定，從而在鐓粗量168增大至高于那個規定數值時，開始力矩調節。
慣性產品循環196的循環特征貫穿加速階段與慣性試樣循環140的特征相同，直到啟動速度或者啟動鐓粗粗參數198、200觸發力矩調節階段202的開始。影響主軸18的旋轉減速速率的任意參數在慣性產品焊接194中都不可改變，并且必須從慣性試樣焊接138重復。這些參數包括焊接速度、制動力矩、焊接壓力、鐓粗速度以及鐓粗壓力。如果這些參數必須改變，則必須處理和存儲新的慣性試樣焊接138和相應的曲線192。CPU36根據由操作人員輸入的參數以及所選的試樣曲線192的特征計算出任意附加的所需參數。包括鐓粗量對速度的曲線192陣列的所有參數從CPU36傳送給邏輯控制器42。
參照圖8，焊接系統10與那對產品零件116、118一起開始慣性摩擦焊接以形成慣性產品焊接194。在操作人員輸入焊接參數并且使第一產品零件116和另一個產品零件118接合之后，操作人員發出用于慣性產品循環196的開始指令204。在主軸加速至脫開速度150并且自然滑至焊接速度151之后，運動控制器26指示滑動件促動器34使滑動件32運動以接觸兩個產品零件116、118的相對鄰接面，其中在產品零件118接觸產品零件116時產品零件116、118具有組合的初始長度206。慣性產品循環196如上所述在慣性試樣循環140中進行。由于焊接是控制鐓粗的慣性焊接，當達到啟動速度參數198或者啟動鐓粗粗參數200時，啟動力矩調節階段202。
在慣性產品焊接循環196的力矩調節階段202期間，運動控制器26將實際鐓粗量208形成與由曲線192指定的用于主軸18的當前實際速度的鐓粗量設定點比較，以如圖7的流程圖中所示一樣產生出鐓粗量誤差信號210。在當前公開內容中，在任意時刻處的當前鐓粗量設定點可以根據主軸18的當前速度從曲線192中查找出。可以從當前鐓粗量設定點中減去當前實際鐓粗量208以產生出鐓粗量誤差信號210。
鐓粗誤差信號210然后在力矩調節階段202用于調節施加到主軸18上的驅動力矩212。軌跡214和216表示在慣性試樣焊接138的所選曲線192中使用非零制動力矩的實施方案中的調節的力矩信號。軌跡214表示偏向正制動力矩附近的調節的力矩信號，軌跡216表示偏向負制動力矩附近的調節的力矩信號。如果慣性焊接194中的實際鐓粗208形成在任何給定速度處小于曲線192中的鐓粗設定量，驅動器24向主軸18施加正力矩。如果慣性焊接194中的鐓粗208形成在任何給定速度處大于曲線192中的鐓粗設定量，驅動器24向主軸18施加負力矩。因此，在力矩調節階段202中，調節的力矩212或者(214，216)補償鐓粗誤差信號210，以根據曲線192形成鐓粗208。如此，在力矩調節階段202期間調節的力矩連續增加或者減少主軸18的減速，以根據慣性試樣焊接138的鐓粗168的形成一致地形成鐓粗208。將墩粗錯誤信號210引入到PID算法(比例積分導數)中，從而產生調節的力矩信號212或者(214，216)以發送給主軸18來補償墩粗錯誤信號210。同樣，在形成慣性產品焊接194的過程中施加給主軸18的調節的力矩212或者(214，216)導致在任何給定主軸速度根據曲線192形成墩粗，從而在形成慣性產品焊接194的過程中導致的墩粗208與在形成慣性試樣焊接138的過程中導致的墩粗168是一致的。
在本說明書中，用于根據當前墩粗錯誤信號210產生經調節的力矩指令信號的閉環控制算法利用誤差的導數在標準數字獨立位置PID算法中實施。或者，可以在任何適當的算法中實施閉環控制算法，這些算法包括但是不限于相關算法或者速度算法。可以按照任何適當的方式在邏輯控制器42中實施該算法。可以隨后重復為用于形成慣性產品焊接194所描述的慣性產品循環196，以在體積的基礎上將任何數量的附加的產品零件116，118焊接在一起。
因此，在慣性產品循環196中，尤其是在力矩調節階段202中，驅動器24對施加給主軸18的力矩指令212或者(214，216)進行調節，從而在慣性產品循環196的力矩調節階段202中產生的鐓粗208是根據在所選擇的慣性試樣焊接循環140的零件接觸減速階段164中發生的鐓粗168而形成的，明顯減少了在慣性產品焊接中的鐓粗的可變性。
參考圖9，為了顯示本公開，顯示了鐓粗設定點、力矩指令響應、主軸角速度響應、以及所得到的相對于時間的鐓粗響應的示例。該示例顯示了典型的主軸旋轉減速，這是慣性力矩調節減速的結果。該實施例的原理也可以用于直接驅動力矩調節減速，這通過以下的討論就很容易理解。
一旦主軸18(圖2)的速度降到啟動速度參數218以下，或者鐓粗220增加到啟動鐓粗粗參數222以上，運動控制器26(圖2)開始調節施加給主軸18的力矩。起初，鐓粗設定點224比實際鐓粗226高很多，它產生引入到PID循環中的正鐓粗誤差。這樣導致輸出到驅動器24的力矩指令開始增加，以試圖補償鐓粗設定點224減去實際鐓粗226所計算的鐓粗誤差。這種增加的力矩指令228導致主軸18的減速230的相應降低。這種主軸18的減速230的降低減少了鐓粗設定點232的增加速率，因為鐓粗設定點是速度的函數。
在該時間點產生的鐓粗誤差隨著實際鐓粗226開始接近于鐓粗設定點232而開始降低。適當調諧(tuned)的PID循環的項(term)抵消，因為鐓粗誤差開始接近于0。來自PID循環的積分器貢獻將力矩指令234保持穩定，因為鐓粗誤差接近于0，鐓粗設定點232大致等于實際鐓粗236。這種接近于恒定的力矩指令234導致主軸18的速度繼續以平穩的方式238旋轉減速。一旦主軸18的速度達到0速度240，就不能進行力矩調節242。在完成冷卻保壓周期自后，產品焊接246的最終鐓粗244基本重復了試樣焊接(未顯示)所規定的最終鐓粗(未顯示)。
因此，根據一個實施方案的本公開提供了一種摩擦焊接成對產品零件的方法。該方法包括提供一對具有結合的初始軸向或者其它長度的試樣零件；向其中一個試樣零件施加力矩以旋轉加速該一個試樣零件；將另一個試樣零件朝著該一個試樣零件移動以與該一個試樣零件相接觸；將該對試樣零件摩擦焊接在一起，導致該一個試樣零件旋轉減速，以及另一個試樣零件朝著該一個試樣零件的繼續移動，所形成的試樣焊接導致鐓粗，由此將該對試樣零件的結合長度從結合的初始長度減少至最終焊接長度；獲得與該一個試樣零件的旋轉減速以及在形成試樣焊接的過程中另一個試樣零件的移動有關的數據；根據獲取的數據計算曲線；提供一對具有結合的初始零件長度的產品零件；向其中一個產品零件施加力矩以旋轉加速該一個產品零件；將另一個產品零件朝著該一個產品零件移動以與該一個產品零件相接觸；將該對產品零件摩擦焊接在一起以形成一個產品焊接，導致該一個產品零件旋轉減速，以及另一個產品零件朝著該一個產品零件的繼續移動；在產品零件的摩擦焊接過程中調節施加給該一個產品零件的力矩，從而在產品焊接形成過程中所導致的鐓粗與在試樣焊接形成過程中所導致的鐓粗一致。在將曲線用于產品之前，數據的編譯以及曲線的計算可以是一對以上(可能是很多對)試樣零件的焊接的結果。本公開也提供包括一個或者多個上述特征的摩擦焊接系統。
盡管已經在附圖和前面的描述中詳細顯示和描述了本公開的概念，但是這種顯示和描述僅是示例，不是對特征的限制，應當理解僅顯示了示例性實施方案和描述，落入到本公開的精神范圍內的所有變化和改進也在以下權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種摩擦焊接成對產品零件的方法，包括提供一對具有結合的初始長度的試樣零件；向其中一個試樣零件施加力矩以旋轉加速該一個試樣零件；將另一個試樣零件朝著該一個試樣零件移動以與該一個試樣零件相接觸；將該對試樣零件摩擦焊接在一起，導致該一個試樣零件旋轉減速，以及另一個試樣零件朝著該一個試樣零件的繼續移動，并形成試樣焊接和導致形成鐓粗，由此將該對試樣零件的長度從結合的初始長度減少至焊接最終長度；獲得與在形成試樣焊接的過程中該一個試樣零件的旋轉減速以及另一個試樣零件的移動有關的數據；根據獲取的數據計算曲線；提供一對具有結合的初始長度的產品零件；向其中一個產品零件施加力矩以旋轉加速該一個產品零件；將另一個產品零件朝著該一個產品零件移動以與該一個產品零件相接觸；將該對產品零件摩擦焊接在一起導致該一個產品零件旋轉減速，以及另一個產品零件朝著該一個產品零件的繼續移動，并形成產品焊接，形成鐓粗，由此將產品焊接的結合初始長度減少至最終焊接長度；以及在產品零件的摩擦焊接過程中調節施加給該一個產品零件的力矩，從而根據曲線形成該對產品零件的鐓粗形成，因此在產品焊接形成過程中所導致的鐓粗與在試樣焊接形成過程中所導致的鐓粗一致。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在該對試樣零件的摩擦焊接過程中當該一個試樣零件開始旋轉減速時測量鐓粗減速位置。
3.如權利要求2所述的方法，還包括在形成試樣焊接之后將該一個試樣零件旋轉減速至零速度，使得另一個試樣零件到達靜止位置。
4.如權利要求3所述的方法，還包括在形成試樣焊接之后測量最終的鐓粗位置。
5.如權利要求4所述的方法，還包括測量因為鐓粗導致的該另一個試樣零件移動的位移，該另一個試樣零件的位移在鐓粗減速位置和最終鐓粗位置之間測量。
6.如權利要求5所述的方法，其中通過滑動件移動該另一個試樣零件，其中在試樣焊接形成過程中獲取數據包括測量作為時間函數的該另一個試樣零件的位移。
7.如權利要求6所述的方法，其中在試樣焊接形成過程中獲取數據包括測量作為時間函數的在該一個試樣零件旋轉減速過程中該一個試樣零件的旋轉速度。
8.如權利要求7所述的方法，其中計算曲線包括將該一個試樣零件的旋轉速度與該另一個試樣零件的位移之間的關系模型化。
9.如權利要求8所述的方法，其中在形成產品焊接過程中調節力矩包括匹配在試樣焊接形成過程中導致的該另一個試樣零件的位移。
10.如權利要求1所述的方法，還包括在該一個試樣零件的旋轉減速過程中脫開力矩。
11.如權利要求1所述的方法，還包括在該一個試樣零件的旋轉減速過程中制動該一個試樣零件。
12.如權利要求1所述的方法，其中提供那對試樣零件包括使一個試樣零件與主軸接合，并且其中提供那對產品零件包括使一個產品零件與主軸接合。
13.如權利要求1所述的方法，其中提供那對試樣零件包括使另一個試樣零件與滑動件接合，并且其中提供那對產品零件包括使另一個產品零件與滑動件接合。
14.如權利要求1所述的方法，還包括在旋轉加速一個產品零件之前規定那對產品零件的焊接最終長度的尺寸。
15.如權利要求14所述的方法，還包括控制在摩擦焊接期間一個產品零件的旋轉減速的啟動，以使得在一個產品零件的旋轉減速之前形成的鐓粗量與在一個產品零件的旋轉減速期間和之后形成的鐓粗量的總和減小了那對產品零件的焊接最終長度，從而獲得了規定尺寸。
16.如權利要求15所述的方法，其中那對試樣產品零件和那對產品零件的組合初始和焊接最終長度包括組合的初始和焊接最終軸向長度。
17.一種摩擦焊接產品零件對的方法，該方法包括(a)提供一對具有組合初始長度的試樣零件；(b)向其中一個試樣零件施加力矩以旋轉加速該一個試樣零件；(c)使另一個試樣零件朝著所述一個試樣零件運動，以接觸所述另一個試樣零件；(d)將該對試樣零件摩擦焊接在一起以形成試樣焊接，從而導致所述一個試樣零件旋轉減速，以及另一個試樣零件朝著該一個試樣零件的進一步移動，并且還導致形成鐓粗，由此將該對試樣零件的長度從組合的初始長度減少至焊接最終長度；(e)獲取與在形成試樣焊接的過程中該一個試樣零件的旋轉減速以及另一個試樣零件的運動有關的數據；(f)根據所獲取的數據計算出曲線；(g)通過以下步驟形成多個產品焊接(i)提供一對具有組合初始長度的產品零件；(ii)向其中一個產品零件施加力矩以旋轉加速該一個產品零件；(iii)將另一個產品零件朝著該一個產品零件運動以與該一個產品零件相接觸；(iv)將該對產品零件摩擦焊接在一起以形成產品焊接，導致該一個產品零件旋轉減速，以及另一個產品零件的繼續移動，并且還導致形成鐓粗，由此將產品零件的長度從結合初始長度減少至最終焊接長度；以及(v)在產品零件的摩擦焊接過程中調節施加給該一個產品零件的力矩，從而根據曲線形成該對產品零件的鐓粗形成，因此在產品焊接形成過程中所導致的鐓粗與在試樣焊接形成過程中所導致的鐓粗一致；并且(vi)用其它產品零件對重復上面的步驟(i)-(v)。
18.如權利要求17所述的方法，還包括在該對試樣零件的摩擦焊接過程中當該一個試樣零件開始旋轉減速時測量鐓粗減速位置。
19.如權利要求18所述的方法，還包括將所述一個試樣零件旋轉減速至零速度，使得另一個試樣零件到達靜止位置，并且在形成試樣焊接之后測量最終鐓粗位置。
20.如權利要求19所述的方法，還包括測量因為鐓粗導致的所述另一個試樣零件移動的位移，該另一個試樣零件的位移在鐓粗減速位置和最終鐓粗位置之間測量。
21.如權利要求20所述的方法，還包括通過滑動件移動該另一個試樣零件，其中在試樣焊接形成過程中獲取數據包括測量作為時間函數的該另一個試樣零件的位移。
22.如權利要求20所述的方法，其中在試樣焊接形成過程中獲取數據包括測量作為時間函數的在該一個試樣零件旋轉減速過程中該一個試樣零件的旋轉速度。
23.如權利要求22所述的方法，其中計算曲線包括將該一個試樣零件的速度與該另一個試樣零件的位移之間的關系模型化。
24.如權利要求23所述的方法，其中在形成產品焊接過程中調節力矩包括匹配在試樣焊接形成過程中導致的該另一個試樣零件的位移。
25.一種用于焊接產品零件對的摩擦焊接系統，該系統包括與旋轉卡盤連接的主軸，旋轉卡盤構成為接合每對產品零件中的一個以便與每對產品零件中的另一個焊接；與非旋轉卡盤連接的滑動件，非旋轉卡盤構成為接合每對產品零件中的另一個，所述滑動件構成為使非旋轉卡盤朝著旋轉卡盤運動以便于將每對產品零件焊接在一起；驅動器，它與主軸操作性地連接以向主軸施加力矩以便使主軸轉動；運動控制器，它與驅動器和滑動件操作性地連接，該運動控制器構成為接合驅動器以向主軸施加力矩從而使主軸旋轉加速并且接合滑動件以使之朝著主軸運動，從而將每對產品零件摩擦焊接在一起從而形成產品焊接，這造成主軸的旋轉減速；與運動控制器操作性地連接的邏輯控制器，該邏輯控制器構成為存儲與在將一對試樣零件摩擦焊接在一起期間主軸在試樣焊接形成期間的旋轉減速相關的數據，并且在隨后將產品零件對摩擦焊接在一起期間與用來調節在產品焊接形成期間施加在主軸上的力矩的運動控制器通信，從而根據曲線形成在產品焊接形成期間形成的鐓粗量，從而在產品焊接形成期間的鐓粗量與在試樣焊接形成期間的鐓粗量一致；以及與邏輯控制器操作性地連接的中央處理單元，該中央處理器構成為根據在將那對試樣零件焊接在一起期間所存儲的數據計算出曲線。
26.如權利要求25所述的系統，其中所述邏輯控制器還構成為存儲與在試樣焊接形成期間的滑動件運動相關的數據，并且還構成為在產品焊接形成期間與運動控制器通信，以使得滑動件的運動與從試樣焊接形成中計算出的曲線配合。
27.如權利要求25所述的系統，其中速度測量器構成為測量主軸在主軸減速期間的轉速。
28.如權利要求27所述的系統，其中滑動件編碼器構成為測量滑動件的運動。
29.如權利要求28所述的系統，其中所述中央處理單元構成為將曲線計算成為將主軸的速度與滑動件的運動的關系模型化。
全文摘要
一種直接驅動摩擦焊接方法和系統，用來減小鐓粗變化或者減小焊接零件長度變化，以及一種慣性摩擦焊接方法和系統，用于減小鐓粗變化。該系統包括構成用來接合零件的主軸和與主軸操作性地連接以使主軸轉動的驅動器以及用來存儲數據并且指揮驅動器的相關基于微處理器的裝置。該方法包括試樣摩擦焊接零部件并且存儲與之相關的數據，以便產生出鐓粗量對速度的曲線。該方法然后通過主軸驅動力矩的調節使用該曲線用于具有與在摩擦焊接的減速階段期間的試樣焊接曲線一致的鐓粗量對速度特征的附加產品摩擦焊接。
文檔編號B23K37/00GK101035648SQ200580033951
公開日2007年9月12日 申請日期2005年2月3日 優先權日2004年8月24日
發明者杰弗里·D·羅維恩, 羅伯特·C·阿達姆斯二世, 丹尼爾·L·庫拉澤爾, 迪特馬爾·斯平德勒 申請人:制造技術公司