駱海濤，周維佳，王洪光，武加鋒

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽110016;2.中國科學(xué)院大學(xué) 沈陽自動化研究所，北京100049)

0 引 言

攪拌摩擦焊技術(shù)是近20 年來發(fā)明的一種先進固態(tài)焊接工藝，它可實現(xiàn)不同材質(zhì)的固態(tài)連接，尤其是那些用傳統(tǒng)方法不能焊接的材料，如:高強鋁合金、有色金屬、復(fù)合材料等［1］。所以該種焊接工藝倍受焊接領(lǐng)域的青睞，特別是航空航天領(lǐng)域?qū)ι鲜霾牧虾蛷?fù)雜空間焊縫的焊接有著強烈需求［2-3］。

目前，現(xiàn)有攪拌摩擦焊設(shè)備多是基于數(shù)控機床改造而成的，只能適應(yīng)于規(guī)則焊縫的連接，功能單一，缺少工藝柔性。而航空、航天領(lǐng)域需要焊接的大型薄壁曲面，焊縫多且呈現(xiàn)為三維空間內(nèi)的復(fù)雜曲線［4］，為此一種新型的機器人化攪拌摩擦焊設(shè)備應(yīng)運而生。

攪拌頭作為攪拌摩擦焊的心臟，它的受載狀態(tài)將直接影響整個機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于攪拌頭與被焊工件的焊接發(fā)生在塑性階段，為了軟化材料形成焊縫，攪拌頭將在被焊工件內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生摩擦，最終以摩擦阻力矩的形式作用于攪拌頭上。為了保證焊縫的焊接精度，必須要求攪拌頭具有足夠大的下壓鍛造力并能夠有效地對其進行控制。除此之外，攪拌頭在焊接方向上的行進還會產(chǎn)生進給阻力和波動力［5］。這些載荷不同于以往意義上的切削和鉆削載荷，它的受載狀態(tài)不但復(fù)雜而且載荷量級更大，作用方式特殊，嚴重影響了整機的靜動態(tài)性能。

正是由于該種焊接工藝不同于普通的切削加工，它的超重載和強擾動等顯著特點給機器人的本體設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于攪拌頭的受載分析報道很少，多數(shù)研究主要集中于攪拌摩擦焊工藝和被焊工件的力學(xué)性能上［6］。而攪拌頭的受載分析作為機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的最原始輸入條件，如何根據(jù)給定的任務(wù)要求設(shè)計出剛度和力學(xué)性能良好的焊接系統(tǒng)，并能滿足被焊工件的焊縫精度，是評價攪拌摩擦機器人設(shè)計成功與否的關(guān)鍵所在。

本文詳細介紹了該種新研制的攪拌摩擦焊機器人，并進行了5 種典型工況下的任務(wù)剖面分析。推導(dǎo)了攪拌頭的力學(xué)模型，將攪拌摩擦焊的焊接過程進行了數(shù)值模擬，獲得了作用于攪拌頭末端的各種機械載荷。通過對比機器人在5 種典型工況下的力學(xué)分析結(jié)果，得到了整機以及重要零部件的剛度和強度數(shù)據(jù)，最終有效地指導(dǎo)了整個機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并驗證了該分析流程的有效性。

1 攪拌摩擦焊機器人

1.1 機器人的系統(tǒng)組成

最新研制的攪拌摩擦焊機器人主要由X-Y-Z軸、A-B 軸、攪拌頭和轉(zhuǎn)臺4 部分組成，如圖1 所示。機器人的焊接本體主要由前3 部分組成，其中，X-Y-Z 軸包括滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組成的傳動系統(tǒng)、由鋼絲繩配重塊組成的重力補償系統(tǒng)和利用杠桿原理設(shè)計的質(zhì)心補償機構(gòu);A-B 軸包括渦輪-蝸桿驅(qū)動系統(tǒng)和攪拌頭組件部分;轉(zhuǎn)臺(T軸)有一個回轉(zhuǎn)自由度，通過專用的工裝卡具使待焊接工件固定于轉(zhuǎn)臺的臺面上。轉(zhuǎn)臺具有分度、定位和鎖緊功能，能夠滿足不同焊接工況下的焊接要求。整個機器人共有7 個自由度，分別是XYZ軸的3 個移動自由度、AB 軸的2 個轉(zhuǎn)動自由度以及攪拌頭的伸縮和回轉(zhuǎn)2 個自由度。其中攪拌頭的回轉(zhuǎn)自由度對自身的運動學(xué)模型并不產(chǎn)生影響。

機器人的床身、立柱和滑鞍等大件結(jié)構(gòu)主要采用灰鑄鐵材料鑄造加工，滑枕等主要承載結(jié)構(gòu)件，由于其懸臂構(gòu)型，采用合金鋼材料通過焊接工藝制造，以確保整機的剛度。除去轉(zhuǎn)臺，整個機器人的質(zhì)量約為71 t，整機外包絡(luò)尺寸約為1.8 m×1.8 m×1.6 m。

圖1 攪拌摩擦焊機器人Fig.1 Friction stir welding robot(FSWR)

重力補償系統(tǒng)主要用于平衡攪拌摩擦焊機器人在Y 軸方向上的負載，通過采用配重塊來平衡滑鞍和滑枕等大件結(jié)構(gòu)的重量。整個平衡系統(tǒng)由兩個配重塊、兩套滑輪組和鋼絲繩組件組成。每個配重塊的質(zhì)量約為3 t，通過鋼絲繩連接并懸掛于立柱兩側(cè)的導(dǎo)槽內(nèi)，鋼絲繩的另一端連接于滑鞍上端面。當(dāng)機器人的Y 軸組件上下運動時，兩個配重塊在立柱的導(dǎo)槽內(nèi)也上下運動，從而減輕了Y 軸電機的驅(qū)動負擔(dān)。

質(zhì)心補償機構(gòu)主要用于補償滑枕外伸時由于重力所導(dǎo)致的“低頭”現(xiàn)象。它有兩套相同的機構(gòu)，分別安裝在滑鞍兩側(cè)，并通過導(dǎo)軌滑塊與立柱相連。在機器人焊接過程中，它們與滑鞍和滑枕組件一起沿豎直方向上下運動。質(zhì)心補償機構(gòu)主要由壓力傳感器、螺旋升降機、杠桿放大機構(gòu)和花鍵軸等組成，它的補償過程可以分為以下幾個步驟:①攪拌摩擦焊機器人滑枕外伸，此時安裝于滑鞍上下端面的壓力傳感器數(shù)值發(fā)生改變。②通過標定計算，可以將傳感器數(shù)值的偏差轉(zhuǎn)換成螺旋升降機的伸長量，使其頂緊杠桿臂。③杠桿放大機構(gòu)將螺旋升降機的頂緊力轉(zhuǎn)化成扭矩作用在花鍵軸上，產(chǎn)生的反作用力通過支撐箱體傳給導(dǎo)軌和滑塊，最終通過立柱卸載。④花鍵軸的扭矩傳遞給滑鞍，通過作用在滑鞍上的反力矩來補償由于滑枕質(zhì)心移動所導(dǎo)致的傾覆力矩作用，從而在一定程度上排除了重力的影響，保證了焊縫的焊接精度。

1.2 機器人的5 種典型工況

依據(jù)焊接任務(wù)的不同類型，攪拌摩擦焊機器人的焊接工況可分為5 種(見圖2)，定義如下:

(1)圓筒環(huán)縫焊:主要完成火箭或?qū)椡搀w沿圓周方向上的焊接，焊接過程中XAB 軸固定不動，焊具姿態(tài)保持水平，Y 軸和Z 軸提供偏差補償功能。因此，圓筒環(huán)縫焊工況需要機器人提供YZ軸與轉(zhuǎn)臺軸聯(lián)動的功能。

(2)圓筒縱縫焊:主要完成火箭或?qū)椡搀w沿圓柱面母線方向上的焊接，焊接過程中，AB 軸和轉(zhuǎn)臺固定不動，攪拌頭沿豎直焊縫自下向上運動(Y 軸正向)，X 軸和Z 軸提供偏差補償。因此，圓筒縱縫焊工況需要機器人提供XYZ 軸聯(lián)動的功能。

(3)瓜底環(huán)縫焊:主要完成火箭或?qū)椆习昱c筒體過渡段之間的焊接，焊接時XB 軸固定不動，Y 軸和Z 軸提供位置偏差補償，A 軸提供姿態(tài)偏差補償。因此，該工況需要機器人的YZ 軸與轉(zhuǎn)臺軸的聯(lián)動功能。

(4)瓜頂環(huán)縫焊:主要完成火箭或?qū)椆习昱c頂蓋之間的焊接，該種焊接工況與瓜底環(huán)縫焊工況類似，同樣需要機器人YZ 軸與轉(zhuǎn)臺軸的聯(lián)動功能。

(5)瓜瓣焊:主要是對球體或橢球體構(gòu)件的瓜瓣與瓜瓣之間的焊接，焊接軌跡為從下向上，攪拌頭軸線方向沿被焊工件曲面的法線方向。YZ軸與A 軸插補運動實現(xiàn)攪拌頭的瓜瓣軌跡運動。實際中焊縫在X 方向會有偏差，所以X 軸需提供偏差補償功能。因此，瓜瓣焊工況需要機器人提供XYZA 軸聯(lián)動的功能。

圖2 五種典型工況Fig.2 Five kinds of typical working conditions

2 攪拌摩擦焊過程受力分析

攪拌摩擦焊接是將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入到被焊工件的接縫處，使工件材料與軸肩摩擦接觸并軟化，最終完成整條焊縫的固相連接［7］，其焊接原理如圖3 所示。

圖3 攪拌摩擦焊接原理Fig.3 Friction Stir Welding(FSW)principle

攪拌摩擦焊接過程可大致分為以下4 個階段:①攪拌頭在軸向力的作用下，將其機械式地插入被焊工件的接縫處;②在扭矩的作用下，攪拌頭開始旋轉(zhuǎn)并使其與被焊工件產(chǎn)生摩擦，從而使焊縫連接部位的材料溫度升高并發(fā)生塑性化;③當(dāng)焊頭達到預(yù)定的深度之后停止插入，在進給力的作用下，開始沿工件的焊接線方向發(fā)生移動;④受攪拌工具旋轉(zhuǎn)和移動的作用，高度塑性化的材料從工件的一端移動到另一端不斷地被攪拌，并在攪拌頭軸肩鍛造力的作用下在其運動方向的后方形成致密的焊縫。

2.1 攪拌頭的受力模型

在整個焊接過程中，攪拌頭的受力狀態(tài)可分為插入和行進兩個工況。在每個工況狀態(tài)下，攪拌頭所受到的載荷都包括正壓力和摩擦力［8］，如圖4 所示。其中，正壓力主要來自于被焊接件材料與攪拌針外表面和軸肩端面的接觸和擠壓，它最終合成為沿各坐標軸方向上的阻力，例如:插入阻力和進給阻力。摩擦力來自于攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)作用，它最終等效成攪拌頭焊接過程的阻力矩，例如旋轉(zhuǎn)扭矩。

圖4 攪拌頭的受力分析Fig.4 Force analysis of FSW head

假設(shè)被焊接件的材質(zhì)均勻，攪拌頭在焊接過程中始終與板面垂直。則在插入工況下攪拌頭所受到的插入阻力主要包括:攪拌針底面的正壓力、攪拌針側(cè)面正壓力的豎直分量和攪拌頭軸肩端面所承受的正壓力作用［9］，如圖4(a)所示。

攪拌針底面和軸肩端面所受到的正壓力產(chǎn)生沿Z 軸正向的插入阻力為:

式中:Fc1、Fc3分別為攪拌針底面和軸肩端面所受的正壓力;R1、R2、R3分別是攪拌針底面、根部和攪拌頭軸肩的半徑;ρ1為插入工況下的均布壓力。

攪拌針側(cè)面所受到的正壓力在豎直方向上正交分解產(chǎn)生另一部分的插入阻力，方向沿Z 軸正向:

式中:Fc2為攪拌針側(cè)面所受的正壓力的豎直分量;α 為攪拌針的錐角;H 為攪拌針的高度。

攪拌針底面和軸肩端面由于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)與工件之間發(fā)生摩擦而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩(見圖4(b))為:

式中:Tc1、Tc3為攪拌針底面和軸肩端面所受到的旋轉(zhuǎn)扭矩;μ1為插入工況下攪拌頭與被焊材料之間的摩擦因數(shù);攪拌針側(cè)面所受到的摩擦力通過力分解等效成沿攪拌頭Z 軸負向的旋轉(zhuǎn)扭矩:

式中:Tc2為攪拌針側(cè)面所受到的旋轉(zhuǎn)扭矩。

在行進工況下，由于高度塑性化的材料不斷地流動到攪拌針前進方向的后部，故攪拌針的側(cè)面只有前半部分會受到材料的正壓力和摩擦力［10-11］。而攪拌針底面和軸肩端面仍會承受正壓力和摩擦力的作用，它們分別等效成攪拌頭的插入阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩，其表達式與插入工況類似，這里不再贅述。

攪拌針側(cè)面前半部分所受到的正壓力可以分解成攪拌頭的一部分插入阻力和一部分進給阻力。由攪拌針前半側(cè)正壓力所導(dǎo)致的插入阻力為:

式中:ρ2為行進工況下的均布壓強。

攪拌區(qū)的壓強ρ2可以通過仿真或試驗獲得，攪拌針前半側(cè)正壓力所導(dǎo)致的進給阻力為:

攪拌針側(cè)面前半部分所受到的摩擦力可以分解成攪拌頭的一部分橫向阻力和一部分旋轉(zhuǎn)力矩。由攪拌針前半側(cè)摩擦力所導(dǎo)致的橫向阻力為:

式中:μ2為攪拌頭與被焊材料之間的摩擦因數(shù)。

由攪拌針前半側(cè)摩擦力所導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)力矩為:

這樣，攪拌頭在插入工況和行進工況下所有的載荷只需簡單求和即可得出。

2.2 焊接過程的數(shù)值模擬

值得說明的是，上述所建立的攪拌頭受力模型是在給定假設(shè)的基礎(chǔ)上得出的，這些假設(shè)包括:焊接過程中忽略攪拌頭的傾角、被焊工件的材質(zhì)均勻一致以及被焊材料的流動對攪拌針的運動不產(chǎn)生影響。盡管如此，攪拌頭的受力分析不僅有助于對焊接過程的深入理解，還可以為分析攪拌摩擦焊過程中攪拌頭的溫度場和受力狀態(tài)提供參考，它們起相互驗證的作用［12］。

目前，國內(nèi)在有關(guān)攪拌摩擦焊的數(shù)值模擬上進展順利。本文應(yīng)用Deform-3D 軟件，采用ALE有限元方法和動態(tài)網(wǎng)格變形技術(shù)，在三維直角坐標系下建立攪拌頭和焊件的三維實體模型。由于材料發(fā)生流動的區(qū)域主要位于焊縫附近，因此攪拌頭周圍需要較細的網(wǎng)格，而遠離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)該粗些，這樣可以兼顧求解的精度和速度［13-14］。

焊接過程的有限元模型如圖5(a)所示。其中，被焊工件材料為鋁合金7075，攪拌頭的材料為合金鋼。在Hyprmesh 軟件中劃分網(wǎng)格，賦予材料屬性。然后，將模型導(dǎo)入到Deform-3D 軟件中定義邊界條件和進行分析設(shè)置。設(shè)定好攪拌頭的插入速度、進給速度和轉(zhuǎn)速后進行仿真計算，一共模擬了5.8 s(121 步)焊接過程結(jié)束。整個焊接過程焊縫區(qū)域剖截面的溫度場分布如圖5(b)所示，可以看到焊縫區(qū)域的最高溫度達到447 ℃，溫度場呈倒三角形狀［15］。

圖5 焊接過程的數(shù)值模擬Fig.5 Numerical simulation of FSW process

攪拌頭在整個焊接過程中所受到的各項載荷數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。在不同的焊接工況下，各項載荷數(shù)據(jù)曲線各不相同。攪拌摩擦焊機器人在每一種典型工況的力學(xué)邊界條件可以將數(shù)值模擬過程中各項載荷數(shù)據(jù)的峰值作為輸入，以此來校核重要結(jié)構(gòu)的剛度和強度性能。

圖6 仿真結(jié)果曲線Fig.6 Simulation results curves

在攪拌頭的插入工況(0 ～4 s)，隨著插入深度的不斷增加，插入阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩都從零逐漸上升，而進給阻力始終為零，這是因為該工況下攪拌頭還沒有沿焊縫移動，所以進給方向不受力。通過測量可以得到插入工況下攪拌頭的最大插入阻力為3652 N，最大旋轉(zhuǎn)扭矩為261 N·m。

由攪拌頭的行進工況(4 ～5.8 s)可以看出，各項載荷數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，插入阻力有所降低并穩(wěn)定在243 N·m。這是由于插入停留時，由于溫度升高、被焊材料軟化而使插入阻力略有下降，隨著攪拌頭的前行，由于前方材料尚處于冷卻狀態(tài)，再次使得插入阻力進一步提升。而進給阻力受到攪拌頭沿焊縫移動的作用，所受載荷從零迅速上升，并逐漸穩(wěn)定到1226 N。其中，旋轉(zhuǎn)扭矩變化范圍很小，基本穩(wěn)定在240 N·m 附近。

3 攪拌摩擦焊機器人的工況模擬

機器人的剛度是一個重要的動力學(xué)參數(shù)，整機的剛度是影響它動態(tài)特性和定位精度的主要因素。而對于攪拌摩擦焊機器人，整機的剛度對于焊縫的焊接精度至關(guān)重要［16-17］。攪拌針和軸肩端面在機器人焊接過程中要時刻保持與待焊工件均勻接觸，以此來保證焊后焊縫能夠滿足給定的誤差范圍。因此，攪拌摩擦焊機器人的焊接精度主要取決于攪拌針軸肩端面的位移變化。通過選定攪拌摩擦焊機器人處于5 種典型工況下的焊接構(gòu)型，利用上述攪拌頭在數(shù)值模擬過程中的載荷邊界條件，分別計算出攪拌針軸肩端面沿坐標系各方向分位移以及合位移。最后，通過分析比較即可以定量地評價出不同焊接工況下機器人所處構(gòu)型的剛度情況［18］。

3.1 載荷及邊界條件

以瓜瓣焊為例來分析攪拌摩擦焊機器人的剛度。依據(jù)該工況任務(wù)的特點，整個焊接過程機器人的最惡劣構(gòu)型發(fā)生在焊接作業(yè)的最后時刻。此時，由于機器人的滑枕懸伸出來最長，在重力的作用下導(dǎo)致攪拌頭末端的靜變形最大。在瓜瓣焊工況下，攪拌摩擦焊機器人所承受的載荷和邊界條件如圖7(a)所示。在此基礎(chǔ)上，建立起各零件之間的連接關(guān)系并賦予各零部件的材料屬性。攪拌摩擦焊機器人的內(nèi)部構(gòu)件主要是由合金鋼和灰鑄鐵兩種材料構(gòu)成，前處理完成后的有限元模型如圖7(b)所示。

圖7 瓜瓣焊工況有限元分析Fig.7 Finite element analysis(FEA)of melon-disc condition

具體的工況可表述為機器人的底座與地基之間通過螺栓連接完全固定，焊接過程中的插入阻力、進給阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩都作用于攪拌針的軸肩端面。重力補償機構(gòu)通過鋼絲繩所產(chǎn)生的正向牽引力(補償力)作用于滑鞍上端面，鋼絲繩的反作用力通過兩個滑輪組作用于立柱上頂面。除此之外，機器人還受到萬有引力的作用。攪拌摩擦焊機器人瓜瓣焊工況的所有外部載荷數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 瓜瓣焊工況所有載荷Table 1 All of the load of melon-disc condition

3.2 整機的剛度和強度

為了綜合評估攪拌摩擦焊機器人在不同作業(yè)模式下的剛度情況，分別進行了5 種典型工況下的剛度分析。其中，瓜瓣焊工況整機的剛度和強度云圖如圖8 所示。由于焊縫的焊接精度取決于攪拌針軸肩端面沿攪拌頭軸線方向上的位移變化量，因此對于該工況機器人剛度的評估，需要將整機的合位移分析數(shù)據(jù)向攪拌頭軸線方向上投影獲得［19］。通過測量位于攪拌針軸肩端面上的位移數(shù)據(jù)，即可以得到該種焊接工況下整機的剛度狀況。

五種典型工況下攪拌摩擦焊機器人的剛度數(shù)據(jù)如表2 所示。從表2 中可以發(fā)現(xiàn)，前3 種典型工況由于機器人的滑枕懸伸出來較短以及不同焊接工況條件下攪拌針的受力方向不同，因此攪拌針軸肩端面的變形較小且略有不同?？傮w來說，前3 種典型工況整機的剛度狀況較好。其中，最好的一種工況是瓜底環(huán)縫焊工況，該工況下攪拌針軸肩端面的法向位移為0.0043 mm。同理，后兩種典型工況由于滑枕懸伸出來較長，整機剛度狀況較差。整機剛度最差的工況是瓜瓣焊工況，攪拌針軸肩端面的法向位移達到了0.6424 mm。

表2 五種典型工況下攪拌針軸肩端面的位移Table 2 Displacement of stir pin shoulder end under five kinds of typical conditions

圖8 瓜瓣焊工況下的剛度和強度Fig.8 Stiffness and strength under melon-disc condition

根據(jù)攪拌摩擦焊機器人整體剛度的設(shè)計指標，在最大插入阻力、進給阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下，攪拌頭軸肩端面在沿焊縫切平面法線方向上的最大變形量應(yīng)該小于0.5 mm。由此得出，前3種典型工況的焊接精度能夠很好地滿足設(shè)計指標，而后兩種典型工況必須在給出質(zhì)心補償數(shù)據(jù)，完成誤差標定后才能進行焊接。

不同焊接工況下攪拌摩擦焊機器人的強度狀況如表3 所示。從表3 中可以看出，整機的強度都能滿足設(shè)計要求。其中，最惡劣構(gòu)型瓜瓣焊工況下整機最大應(yīng)力為79.21 MPa，最大應(yīng)力位置發(fā)生在滑枕懸伸處，最小安全系數(shù)為3.91。

表3 典型工況下機器人的強度校核Table 3 Strength check of FSW robot under typical conditions

4 結(jié) 論

(1)面向航空航天上的焊接需求，介紹了一種新型重載高精度攪拌摩擦焊機器人，通過對其任務(wù)剖面進行分解，歸納出了機器人的5 種典型工況。

(2)闡述了攪拌摩擦焊的工作原理，推導(dǎo)了攪拌頭的受力模型并進行了仿真驗證。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，對整個焊接過程有了更加深入的理解，所取得的載荷數(shù)據(jù)也具有實際的參考意義。

(3)借助于攪拌頭數(shù)值模擬的載荷數(shù)據(jù)曲線，得到了機器人在5 種典型工況下的載荷邊界條件。通過完整工況的數(shù)值仿真，獲得了攪拌摩擦焊機器人在每種典型工況下的剛度和強度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:機器人的最惡劣構(gòu)型為瓜瓣焊工況，焊接時需要對滑枕進行質(zhì)心補償來滿足設(shè)計指標。

(4)從工程實際出發(fā)對攪拌摩擦焊機器人的焊接作業(yè)進行了較完整的論述，創(chuàng)建了一套針對于大型重載和高精度機器人的設(shè)計分析流程。通過理論推導(dǎo)和仿真分析，可以對機器人的焊接性能做出更加真實的評價。所取得的分析結(jié)果對于機器人后續(xù)結(jié)構(gòu)改進和驗證都具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

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