双侧复合搅拌摩擦焊压电测力仪研究.pdf

2023 年第 8 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家自然科学基金(52075079);国家重点研发计划(2019YFA0709003)收稿日期:2023-01-27双侧复合搅拌摩擦焊压电测力仪研究佟 生,任宗金,张 军,孟庆增(大连理工大学机械工程学院,辽宁大连 116024)摘要:针对平台式测力仪被放置在工作台上而不能测量双侧复合搅拌摩擦焊过程中焊接力的问题,设计了一款置于主轴前端的旋转式压电测力仪,并利用有限元仿真对其进行了静力学与模态分析。考虑到整套设备庞大、连线繁杂,不适用于长程焊接,设计了一块信号调理电路板内嵌于测力仪中,将传感器产生的微弱电荷信号转换放大为模拟电压信号。通过标定及实测,得到了电路板线性度误差、准确度误差等指标,结果表明其性能良好,满足压电测试需求。关键词:双侧复合搅拌摩擦焊;压电测力仪;信号调理电路;标定实验中图分类号:TH823 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2023)08-0031-07Research on Piezoelectric Dynamometerfor Two-side Composite Friction Stir WeldingTONG Sheng,REN Zongjin,ZHANG Jun,MENG Qingzeng(School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:In order to solve the problem that the platform dynamometer cannot measure the welding force in the two-side composite friction stir welding process because it is placed on the work table,a rotary piezoelectric dynamometer was designed and placed at the front of the spindle,and the static and modal analysis was carried out by finite element simulation.Considering that the whole equipment was large and complicated,which was not suitable for long-range welding,a signal conditioning circuit board was designed and embedded in the dynamometer to convert the weak charge signal generated by the sensor into analog voltage sig-nal.The linear error and accuracy error of the circuit board were obtained through calibration and measurement.The results show that the circuit board has good performance and meets the requirements of piezoelectric testing.Keywords:double compound friction stir welding;piezoelectric dynamometer;signal conditioning circuit;calibration experiment0 引言搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于 1991 年提出,因其焊缝变形小,强度系数高1-3,已成为重型运载火箭燃料贮箱装配的主要连接工艺。但单轴肩焊接时厚向温差大,焊接质量难以保证,因此很多学者提出了双侧复合搅拌摩擦焊的概念4-5,即在焊件双侧各装配搅拌头同时进行焊接。经研究发现,焊接过程中力信号与焊缝质量紧密相关,对其精确测量是改善焊件性能、优化搅拌头工艺参数的重要基础6-8。刘一川等9为测量 18 mm 厚 2219 铝合金 FSW焊接力,设计了一种平台式四支点压电测力仪,并对测力单元进行了静、动态标定实验,其线性度误差小于 3%,向间干扰小于 5%,性能良好,但测力仪被放置在工作台上,不适用于双侧复合 FSW 焊接力的测量。王庆霞等10面向3 mm 厚6061 铝合金,设计了一款置于主轴前端的压电式焊接力监测系统,固有频率大于25 kHz,但主向量程仅为 10 kN,不能满足 1830 mm贮箱焊装过程中三向力的测量需求。压电式测力仪具有很高的精度和固有频率11-12,非常适用于动态焊接力的测量。但传统上测力仪被放置于工作台上,产生的电荷信号需经电荷放大器转换放大及数据采集卡收集后才能显示在终端,测试设备庞大、连线繁杂,不能完成双侧复合 FSW 长程焊接中焊接三向力的测量工作。基于此,本文设计了一款置于主轴前端的旋转式压电测力仪,并研制了一块信号调理电路板内嵌于测力仪中,实现了微弱电荷信号到放大模拟电压信号的转换,最后通过标定实验及实测等方式得到了信号调理电路板的各项性能指标。1 旋转式压电测力仪总体结构设计测力仪主体由主轴接口、力感应模块、电路板容仓、刀具接口部分组成,整体结构如图1 所示。主轴接13 仪 表 技 术 与 传 感 器第 8 期口通过内部拉钉与外圆锥面安装在焊接设备主轴上,力感应模块包括上端、下端、压电测力单元,通过螺栓连接,电路板容仓用于放置信号调理电路板,刀具接口下端带有搅拌针,用来焊接焊件。在焊接过程中,刀具接口处搅拌针受到顶锻力 Fz、前进抗力 Fx、侧向力 Fy及轴向扭矩 Mz四维力作用,并传递给力感应模块中压电测力单元,产生的微弱电荷信号经信号调理电路板转换成模拟电压信号。图 1 旋转式压电测力仪整体结构2 测力仪仿真分析2.1 静力学仿真分析测力仪所受四维力与4 个测力单元输出之间的关系如下:Fx=Fx1+Fx2+Fx3+Fx4Fy=Fy1+Fy2+Fy3+Fy4Fz=Fz1+Fz2+Fz3+Fz4Mz=(Fy1-Fx2-Fy3+Fx4)R(1)式中 R 为 4 个测力单元等效分布圆半径。利用 ANSYS 中 Static Structural 模块对测力仪进行静力学仿真分析。根据18 mm 厚2219 铝合金板双侧复合搅拌摩擦焊焊接三向力仿真值,在搅拌针处施加四维力情况如下:前进抗力 Fx=10 kN、侧向力 Fy=5 kN、顶锻力 Fz=40 kN、轴向扭矩 Mz=100 Nm,为避免测力单元受侧向力产生滑动,经计算后,对力感应模块中 4个连接螺栓均施加预紧力 Fp=30 kN,并对测力仪添加转速 450 rad/s,总体设置情况如图 2 所示。图 2 静力学仿真设置情况得到 4 个测力单元的输出情况,如表 1 所示。表 1 测力单元各向输出力值NX 向Y 向Z 向1 号单元2 416.61 837.754 478.12 号单元2 284.01 180.047 137.33 号单元2 233.6821.325 626.04 号单元3 065.61 160.332 758.4总计9 999.84 999.3159 999.8理论值10 000.05 000.0160 000.0 通过上述数据可知:测力仪三向输出仿真值误差小于 1 N,可见测力仪具有良好的载荷传递规律。2.2 模态仿真分析为准确测量焊接过程中的动态载荷,要求测力仪具有较高的固有频率,一般为被测信号频率的 35 倍为宜。利用 ANSYS 中 Modal 模块,得到测力仪前 6 阶振型云图如图 3 所示。(a)一阶振型云图(b)二阶振型云图(c)三阶振型云图23 第 8 期佟生等:双侧复合搅拌摩擦焊压电测力仪研究(d)四阶振型云图(e)五阶振型云图(f)六阶振型云图图 3 测力仪前 6 阶振型云图继而得到测力仪前 6 阶固有频率如表 2 所示。表 2 测力仪前 6 阶固有频率Hz阶数固有频率阶数固有频率12 25045 45522 26155 47134 37365 692 通过上述数据可知:测力仪前 6 阶固有频率都在2 kHz 以上,动态特性良好。3 信号调理电路设计信号调理电路由电荷放大电路、低通滤波电路、归一化电路、输出放大电路组成,其作用是将压电传感器产生的微弱电荷信号转换为放大的模拟电压信号,框图如图 4 所示。图 4 信号调理电路框图3.1 电荷放大电路设计电荷放大电路可以看作是一个基于集成运放的高输入阻抗、高增益的电荷放大器,它是整个信号调理电路的核心。电路如图 5 所示。图 5 电荷放大电路原理图其中,Q 为压电传感器产生的电荷量,Ca为压电传感器等效电容,Ra为包含导线的传感器绝缘电阻,Cc为连接电缆分布电容,Ci、Ri分别为集成运放输入电容和电阻,Cf、Rf为反馈电容和电阻,A 表示集成运放的放大倍数。对电路进行简化并忽略一些微小量后得到输出电压表达式如下:Uo=-AQ(1+A)(Cf+1Rf)(2)选用 2 个参数相同的绝缘栅增强型 P 沟道场效应管构成差分放大电路作为电荷放大电路的输入端,在 Multisim 中搭建仿真电路,如图 6 所示。图 6 电荷放大仿真电路设置脉冲电流源参数,使其产生 460 pC 的电荷量,取反馈电阻为 1 T,反馈电容为 1 nF。对两者分别进行参数扫描,结果如图 7 所示。仿真结果显示:输出电压随反馈电阻增大而增大,随反馈电容增大而减小,并满足 UoQ/Cf关系,与式(2)理论分析结果相符。考虑到测力仪量程及采集卡工作电压范围,选用绝缘阻抗为 1 T、容值为10 nF 的聚苯乙烯电容作为反馈电容。33 仪 表 技 术 与 传 感 器第 8 期(a)反馈电阻扫描结果 (b)反馈电容扫描结果图 7 参数扫描结果 另外,电荷放大电路需具有较低的下限截止频率,理论公式如下:fL=12RfCf(3)对其进行频率扫描,仿真电路如图 8 所示。扫描结果如图 9 所示。当幅值 L(w)从初始-20 dB 下降3 dB 时,下限截止频率约为 1.5810-5 Hz,与理论值1.5910-5 Hz 接近。经上述分析知,电荷放大电路设计合理。3.2 低通滤波电路设计为屏蔽外界高频信号对压电信号的影响,需接入低通滤波电路。电路如图 10 所示。图 8 频率扫描仿真电路图 9 下限截止频率扫描结果图 10 低通滤波电路低通滤波电路阻尼比 及上限截止频率 fH理论公式如下:=C1(R1+R2)2R1R2C1C2(4)fH=12R1R2C1C2(5)考虑到阻尼比的取值情况及电荷放大器工作上限截止频率范围,取 R1=R2=50、C1=1 F、C2=2 F,理论上 fH=2 250 Hz。仿真电路如图 11 所示。仿真结果如图 12 所示。当幅值 L(w)从初始 0 dB 下降 3 dB 时,对应上限截止频率仿真值约为 2 228 Hz,与理论值十分接近。43 第 8 期佟生等:双侧复合搅拌摩擦焊压电测力仪研究 3.3 归一化电路设计归一化电路为一增益可调的运算放大器,使被测力值与输出电压示值的有效数字一致,电路如图13 所示。根据集成运放虚短、虚断特性可知增益为A=UoUi=-R3R2(6)取 R3=10,设置输入电压值为 0.2 V,对 R2进行参数扫描,仿真电路如图 14 所示。获取了在 R2不同取值情况下对应的输出电压值,绘制成曲线如图 15 所示。图 11 低通滤波仿真电路图 12 上限截止频率扫描结果图 13 归一化电路图 14 归一化仿真电路随着 R2的变化,对应的输出电压与理论结果高度吻合。3.4 输出放大电路设计电荷信号经上述处理后已变为可观测的模拟电压信号,考虑到后续信号的传输问题,接入 OCL 电路,图 15 R2参数扫描结果可使系统低频响应更加平滑,并输出一定功率以驱动负载。电路如图 16 所示。图 16 输出放大电路增益表达式如下:A=UoUi=-R2R1(7)对其进行瞬态分析,验证电路输入输出关系。取53 仪 表 技 术 与 传 感 器第 8 期R1=R2,理论增益为-1。仿真电路如图 17 所示。图 17 输出放大级仿真电路得到了输入、输出电压变化情况,绘制出曲线如图 18 所示。图 18 输出电压瞬态分析结果选择合适的电子元器件,利用 Altium Designer 设计出电路 PCB 图并制成电路板如图 19 所示。图 19 信号调理电路板4 电路板标定实验对信号调理电路板进行标定实验,获取其线性度误差、准确度误差等指标。将压电传感器接入信号调理电路板,外接 DP831A 直流电源箱提供12 V 直流电压,输出的电压信号显示在数字万用表上,实验现场如图 20 所示。图 20 信号调理电路标定现场利用液压加载方式,使用标准力传感器在压电测力单元主向依次施加 0、5 000、10 000、15 000、20 000、25 000 N 的标准力,采集信号调理电路板的输出电压值。实验重复 3 次,利用最小二乘法对所得数据进行拟合处理后,得到线性度误差、准确度误差等指标如表 3 所示。表 3 信号调理电路板标定数据标准力F/N电路板输出电压 U/mV第 1 次第 2 次第 3 次重复性误差/%线性度误差/%准确度误差/%0 3 3 25 00072272371710 0001 4161 4251 42415 0002 0942 1102 0971.2951.0871.59120 0002 7822 7732 74025 0003 3813 4253 384 通过上述数据可知:标定实验重复性误差为1.295%,输入输出线性度误差为 1.087%,准确度误差为 1.591%,满足压电多维力测试精度要求。经计算及实测,电路板上限截止频率、下限截止频率分别为 1.58 10-5 Hz、2 228 Hz,其最大输入电荷量为105 pC,绝缘阻抗为 1014,各项指标达到了电荷放大器的性能要求。5 结论本文面向 18 mm 厚 2219 铝合金双侧复合搅拌摩擦焊,设计了一款置于主轴前端的旋转式多维动态压电测力仪,利用 ANSYS 对其进行了静力学及模态分析,结果显示:测力仪三向力值输出的仿真误差在 1 N之内,前 6 阶固有频率都在 2 kHz 以上,具有良好的静、动态特性。另外,考虑到电荷放大器、数字采集卡、上位机等后续压电测试设备连线繁杂,在长程焊接中随着测力仪的旋转会产生绕线等事故,设计了一块信号调理电路板内嵌于测力仪中,将微弱电荷信号转换放大为可测量的模拟电压信号。最后对电路板63 第 8 期佟生等:双侧复合搅拌摩擦焊压电测力仪研究 进行了标定,结果表明:实验重复性误差为 1.295%、输入输出线性度误差、准确度误差分别为 1.087%、1.591%,达到了焊接过程跨尺度压电多维力测试精度要求。参考文献:1 陈高强,史清宇,陈燕飞.搅拌摩擦焊中材料流动行为数值模拟的研究进展J.机械工程学报,2015,51(22):11-21.2 武凯,贾贺鹏,孙宇,等.搅拌摩擦焊技术的研究进展J.机械制造与自动化,2020,49(6):1-9.3 翁飞翔,王庆霞,吴重军,等.考虑温度分布的搅拌摩擦焊搅拌头的焊接力预测模型J.东华大学学报(自然科学版),2022,48(6):103-111.4 马国栋,张颍川,黄磊杰,等.铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接接头疲劳性能研究J.北京交通大学学报,2022,46(4):139-147.5 张海峰,郝云飞,李高辉,等.2219 铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺及接头组织性能研究J.机械工程学报,2022,58(22):250-257.6 郑延召,牛文涛,李小欣,等.轴肩直径对 6061 铝合金搅拌摩擦焊轴向力的影响J.精密成型工程,2020,12(5):145-150.7 陈园源,周卫涛.铝合金搅拌摩擦焊接作用力研究J.热加工工艺,2019,48(11):169-172.8 冯莹莹,赵双,刘照松,等.7075 铝合金搅拌摩擦模拟与实验研究J.东北大学学报(自然科学版),2021,42(3):340-346.9 刘一川,任宗金,张军,等.搅拌摩擦焊焊接过程多维力测试研究J.现代机械,2022(6):44-47.10 王庆霞,麦允杰,杨建国.基于 LabVIEW 的搅拌摩擦焊焊接力监测系统设计J.机床与液压,2014,42(20):94-97.11 张军,王尊豪,李新阳,等.整体式压电三向车削测力仪的研制J.仪表技术与传感器,2022(7):123-126.12 张军,卢炜昌,任宗金,等.用于脆硬材料加工中压电测力仪研制J.传感器与微系统,2020,39(7):69-71.作者简介:佟生(1997),硕士研究生,主要研究领域为搅拌摩擦焊多维力测试研究。E-mail:18322296912 任宗金(1978),教授,博士,主要研究领域为压电机理及压电式传感器在气动力学方面的测量研究。E-mail:renzongjin (上接第 19 页)7 PARK S,PARK S,LEE S,et al.Hydrogen sensing properties of multiple networked Nb2O5/ZnO core shell nanorod sen-sors J.Sensors and Actuators B:Chemical,2014,202:840-845.8 HU J,SUN Y J,XUE Y,et al.Highly sensitive and ultra-fast gas sensor based on CeO2-loaded In2O3 hollow spheres for ppb-level hydrogen detection J.Sensors and Actuators B:Chemical,2018,257:124-135.9LI B X,XIE Y,JING M,et al.In2O3 hollow microspheres:Synthesis from designed In(OH)3 precursors and applica-tions in gas sensors and photocatalysis J.Langmuir,2006,22:9380-9385.10 CHEN F,YANG M,WANG X,et al.Template-free synthe-sis of cubic-rhombohedral-In2O3 flower for ppb level ace-tone detection J.Sensors and Actuators B:Chemical,2019,290:459-466.11 YAN C,LU H B,GAO J Z,et 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