慣性摩擦焊方法和系統的製作方法

2023-09-18 21:51:45 2

專利名稱：慣性摩擦焊方法和系統的製作方法
技術領域：
本公開涉及把零件慣性摩擦焊到一起的方法和系統。
背景技術：
和更加常規的焊接方法相比，可以採用摩擦焊在短時間內接合類似的和不同的金屬。慣性摩擦焊是摩擦焊的一種變型，其中主要通過焊接機儲存的轉動動能提供完成焊接所需的能量。
慣性摩擦焊期間，來自各零件的材料移動或「縮鍛」，這造成焊接零件的組合長度減小。這樣，成品長度是慣性摩擦焊工序之前各零件的長度之和減掉各零件在慣性摩擦焊工序期間遭受的縮鍛效應。縮鍛並且因此最終產品的長度會遭受不可預測的變化從而需要在慣性焊中受到控制。
先前已經對縮鍛控制採用了基於靠模(profile)的技術。2004年8月24日申請的Lovin等人的序號為10/924,633的待決專利申請通過減速期間動態地修改所施加的主軸馬達轉矩以便保持縮鍛—主軸速度靠模從而重複先前的試驗焊接的縮鍛來達到對縮鍛的控制。業內人士把該技術稱為「轉矩調製縮鍛控制」。Benn等的美國4,757,932號專利通過減速期間動態地修改所施加的軸向壓力控制縮鍛，以便保持縮鍛—主軸速度靠模從而重複先前的試驗焊接的縮鍛。業內人士把該技術稱為「壓力(或負載)調製縮鍛控制」。但是，Benn等和Lovin等都沒有提出以慣性摩擦焊中的縮鍛或零件最終長度為目標的措施。這些縮鍛控制技術僅僅通過準確地重複利用先前的靠模焊規定的縮鍛減小縮鍛的總變化。
慣性焊中已經採用以最終焊接零件長度控制和/或縮鍛為目標的技術。Jones等的美國3,998,373號專利根據零件尺寸的焊接前測量修改焊接速度嘗試焊接零件最終長度控制。如果由於工件焊前的組合長度比額定值大需要更多的縮鍛，提高焊接起動速度。相反，如果由於工件焊前的組合長度比額定值小需要較小的縮鍛，減小焊接起動速度。但是，一旦啟動慣性焊周期，縮鍛仍是焊接過程的未控制的結果，從而最終零件長度的精準性仍然受到縮鍛的預期變化的限制。

發明內容
本發明包括在本文中或者在下面的詳細說明中公開的一個或多個下面的特徵或者這些特徵的組合。
本公開涉及一種慣性摩擦焊方法，其包括，在造成主軸轉動減速、滑座朝該主軸移動以及一個樣本零件和另一個樣本零件之間的產生縮鍛形成的接觸以便形成樣本焊下把該對樣本零件慣性摩擦焊到一起。在樣本零件對的慣性摩擦焊接期間，採集和主軸的轉動減速相關的以及和樣本焊接形成期間滑座的移動相關的數據，其中從該採集的數據計算靠模。
然後，預先確定一對生產零件要經受的縮鍛形成規定量。接著在造成主軸轉動減速、滑座朝主軸移動以及一個生產零件和另一個生產零件之間的產生縮鍛形成的接觸下並且造成生產焊的形成下把該對生產零件慣性摩擦焊到一起。
在這對生產零件的慣性摩擦焊接期間，通過計算該對生產零件的慣性摩擦焊接造成的縮鍛形成和從靠模確定的縮鍛設定值之間的差產生縮鍛誤差信號，其中該設定值是根據該規定的縮鍛目標修改的。根據該縮鍛誤差信號，調製這對生產零件慣性摩擦焊接期間對該焊接系統施加的輸入，從而控制這對生產零件的縮鍛形成以達到該規定的縮鍛形成量。
本發明的重要目的之一是提供一種能生產帶有任何縮鍛目標的焊接零件的慣性摩擦焊接過程。本發明不受現有樣本焊接中達到的重複縮鍛的限制。
本發明的另一個重要目的是提供一種能應用任何基於靠模的縮鍛控制技術，包括但不限於轉矩調製和壓力調製的慣性摩擦焊接過程，以生產具有任何縮鍛目標的焊接零件。
本發明的再一個目的是提供一種慣性摩擦焊接過程，其能通過在該摩擦焊接過程期間達到縮鍛目標生產帶有預定最終長度的焊接零件。
圖1A中說明本發明體現的過程控制的概要。後面在本文中更詳細地說明圖2中示出的該控制系統。各控制元件包含在和CPU 34電連接的邏輯控制器42中。邏輯控制器42根據CPU 34發送的焊接參數控制焊接系統10(圖1)。
參照圖1A，慣性生產期間從對主軸速度的任何給定值提供縮鍛設定值的查找表確定代表靠模114設定值的縮鍛設定值116。把縮鍛設定值116發送到靠模修改器117，後者產生作為靠模縮鍛設定值116的函數的新的動態設定值144以及代表規定的縮鍛目標119的值。
按動態縮鍛設定值144和縮鍛反饋信號137提供的實際縮鍛之間的差計算縮鍛誤差信號142。如會解釋那樣，把誤差信號142驅動到PID(比例積分微分)控制算法125中以產生命令信號154。
對最後控制元件131施加命令信號。該最後控制元件響應來自該控制器的命令信號154操縱146該過程10，並產生可測量的其中包括主軸速度和滑座位置(相對於縮鍛)的輸出141。焊接過程10還受到隨機幹擾143。
包括滑動編碼器133和主軸編碼器135的測量部件和焊接系統10的輸出電連接以便產生分別指示滑座30(圖1)的位置和主軸18的速度的信號。滑動編碼器133把指示實際縮鍛的信號137反饋到控制器42。以類似的方式，主軸編碼器135把指示實際主軸速度的信號139反饋到產生設定值116的設定值查找表114，從而建立作為主軸速度的函數的未修改的縮鍛設定值。
在轉矩調製和縮鍛目標焊接系統10的特定例子中，最後控制元件131是主軸驅動器24(圖1)並且命令信號154是對主軸驅動器24施加的轉矩命令。操縱變量146以調製的轉矩為形式，其中調製施加到主軸的轉矩直接影響焊接生產周期期間的縮鍛形成，從而生產出具有希望的預定縮鍛形成的慣性焊產品。
在壓力調製和縮鍛目標焊接系統10的特定例子裡，最後控制元件131是操作上和滑座30(圖1)連接的壓力控制閥並且命令信號154是對該壓力控制閥提供的壓力命令信號。操縱變量146以調製的壓力為形式，其中調製施加在生產零件之間的壓力直接影響焊接生產周期期間的縮鍛形成速度，從而生產出具有希望的預定縮鍛形成的慣性焊產品。
本發明說明的過程控制系統獨特地擴展已知的縮鍛控制技術。採用形成本發明的創新過程控制系統能使焊接過程產生帶有任何縮鍛目標的摩擦焊，而不僅僅是重複先有樣本焊接的縮鍛。這樣，本發明允許精確控制並且以製成品的最終縮鍛或者焊接零件的最終長度為目標。
本文說明的具體焊接控制技術是a.轉矩調製和縮鍛目標慣性焊過程，以及b.壓力調製和縮鍛目標慣性焊過程。
每種這樣的技術採用焊接靠模修改，其中焊接過程期間主軸減速時動態地為每個主軸速度值建立新的或修改的縮鍛設定值。
本公開中詳細說明的這些技術能形成操作員可對它規定最終縮鍛的最終焊接產品。替代地，該縮鍛目標技術可以在慣性焊中用來控制最終產品的長度。應用轉矩調製縮鍛目標技術或壓力(負載)調製縮鍛目標技術規定慣性焊過程中的最終產品長度，按如下根據焊接零件最終目標長度預先確定目標縮鍛目標縮鍛＝工件1焊前長度+工件2焊前長度-焊接零件最終目標長度。
可以在另一臺機器上預先測量工件1和2的組合長度，並且可以通過許多技術上已知的標準通信鏈路中的任何鏈路把測量傳送到摩擦焊機控制器上。替代地，用戶可以人工地把信息輸入到CPU接口中。也可以在焊接周期期間動態地測量工件1和2的組合長度。
一旦研究下面的對本公開的示範實施例的詳細說明業內人士會清楚本公開的其它特徵。


本詳細說明具體地參照各附圖，附圖中圖1是自然示出依據本公開的一實施例的焊接系統的正視圖；圖1A是本發明的過程控制示意圖；圖2說明圖1焊接系統的組成部分；圖3根據和通過慣性摩擦焊接形成慣性樣本焊相關的數據對照水平軸上表示的時間在垂直軸上示出轉矩驅動命令、主軸角速度、縮鍛和壓力，並且還示出依據本公開的一實施例的慣性樣本焊的各個階段；圖4是流程圖，說明一種在形成圖3的慣性樣本焊期間把零件焊到一起的方法的各個步驟，並且說明一種依據本公開的一實施例的根據形成圖3的慣性樣本焊期間得到的數據利用固定焊接速度算法把生產零件焊到一起的方法的各個步驟；圖5根據和按照本公開的一實施例的採用固定焊接速度算法下通過慣性摩擦焊形成三種轉矩調製和縮鍛目標生產慣性焊相關的數據，對照水平軸上表示的時間在垂直軸上示出主軸轉矩驅動命令、主軸角速度、縮鍛和壓力。該圖說明一種依據本公開的一實施例的在和圖3示出的方法計算出的預先確定的靠模結合下把生產零件慣性焊到一起的方法的各個步驟。
圖6根據和依照本公開的一實施例的採用固定焊接速度算法下通過慣性摩擦焊形成三種壓力調製和縮鍛目標生產慣性焊相關的數據，對照水平軸上表示的時間在垂直軸上示出主軸轉矩驅動命令、主軸角速度、縮鍛和壓力。該圖說明一種依據本公開的一實施例的在和圖3示出的方法計算出的預定確定的靠模結合下把生產零件慣性焊到一起的方法的各個步驟；圖7是流程圖，說明一種在形成圖3的慣性樣本焊期間把零件焊到一起的方法的各個步驟，並且說明一種依據本公開的一實施例的根據形成圖3的慣性樣本焊期間得到的數據利用可變焊接速度算法把生產零件焊到一起的方法的各個步驟；圖8根據和按照本公開的一實施例的採用可變焊接速度算法下通過慣性摩擦焊形成三種轉矩調製和縮鍛目標生產慣性焊相關的數據，對照水平軸上表示的時間在垂直軸上示出主軸轉矩驅動命令、主軸角速度、縮鍛和壓力。該圖說明一種依據本公開的一實施例的在和圖3示出的方法計算出的預先確定的靠模結合下把生產零件慣性焊到一起的方法的各個步驟；以及圖9根據和按照本公開的一實施例的採用可變焊接速度算法下通過慣性摩擦焊形成三種壓力調製和縮鍛目標生產慣性焊相關的數據，對照水平軸上表示的時間在垂直軸上示出主軸轉矩驅動命令、主軸角速度、縮鍛和壓力。該圖說明一種依據本公開的一實施例的在和圖3示出的方法計算出的預先確定的靠模結合下把生產零件焊到一起的方法的各個步驟。
具體實施例方式
儘管本公開容許不同形式下的實施例，在附圖示出並且在文中詳細說明各實施例，但應理解本說明看成是本公開的原理的舉例並且不把本公開限制在下面的說明中描述的或者附圖中示出的結構細節、組成部分的數量和布局上。
圖1在摩擦焊機12的形式下說明焊接系統10。摩擦焊機12包括頭架部分14和尾架部分16，其中頭架部分14包括帶有用於和第一工件或零件22嚙合的轉動夾盤20的主軸18。諸如電動機的驅動器24配置成對主軸18施加轉矩以便通過來自運動控制器36(圖2)的命令轉動該主軸。主軸18可能裝著補充的質量，例如飛輪，以增加轉動主軸的轉動慣量。
尾架部分16包括用於嚙合第二工件或零件28的不轉動夾盤26。尾架部分16安裝在滑座30上，其中滑動致動器32使不轉動夾盤26朝著轉動夾盤20滑動。由於轉動夾盤20和不轉動夾盤26分別嚙合第一零件22和第二零件28，如會討論那樣焊接周期期間第一零件22和第二零件28彼此接觸。
轉到圖2，該焊接系統10是以簡圖形式示出的，其進而包括驅動器24，中央處理器(CPU)34，運動控制器36，滑動編碼器38，速度測量器40，邏輯控制器42，滑座30，滑座致動器32，滑動方向閥44，壓力控制閥46，壓力變換器48，泵50和油箱52。
CPU 34提供對操作員的接口以便輸入和存儲焊接參數，它還把焊接參數通信到邏輯控制器42。CPU 34還從邏輯控制器42讀焊接數據，提供對操作員顯示焊接數據的接口並且存儲焊接數據。驅動器24施加轉矩以便加速、減速或保持主軸18的轉動速度。滑動編碼器38測量滑座30(相對於縮鍛的)直線位置並且對運動控制器36發信號，其中運動控制器36代表從邏輯控制器42接收和滑座位置有關的命令並且把這些命令轉換成向移動滑座30的滑座致動器32發出的命令。
滑座致動器32可以由液壓缸構成，儘管也可以使用任何適當的能提供力的部件。為此，滑座致動器32和由油箱52、油泵50、滑動方向閥44、壓力控制閥46和壓力變換器48組成的液壓系統連接。邏輯控制器42通過滑動方向閥44控制滑座致動器32。壓力變換器48和邏輯控制器42連接以提供壓力反饋信號，從而邏輯控制器42可以命令壓力控制閥46控制滑座致動器32的液壓缸中的壓力並且由此提供必要的軸向力。運動控制器36具有監視壓力變換器48提供的壓力反饋信號的能力從而實時地調整發給壓力控制閥46的壓力命令。
速度測量器40測量主軸18的轉速並對運動控制器36發信號，其中運動控制器36代表從邏輯控制器42接收有關主軸速度的命令的智能並且把這些命令轉換成發給驅動器24的命令。運動控制器36具有監視速度測量器40提供的主軸速度信息的能力從而實時地調整驅動器24的轉矩輸出。邏輯控制器42根據CPU 34提供的焊接參數控制焊接系統10以及摩擦焊機12的功能和順序。可以以任何適當的方式編寫CPU 34和邏輯控制器42的原始碼。
CPU 34操作上和邏輯控制器42連接，後者操作上和運動控制器36連接。運動控制器36操作上和驅動器24連接以便命令驅動器24轉動主軸18。運動控制器36操作上還和滑動方向閥44連接，該方向閥操作上和滑座致動器32連接以便移動滑座30。滑動編碼器38在形成焊接期間按設定的時間間隔測量滑座30移動時的直線位置，而速度測量器40測量主軸18的速度。相應地，滑動編碼器38和速度測量器40操作上和運動控制器36連接，以使運動控制器36在不同的慣性焊階段，例如加速階段、脫開階段、推進階段、減速階段和焊接冷卻階段，分析主軸角速度和滑座位置。
如技術上已知那樣，由於驅動轉矩會輕微延遲超出以時間為基的解析度，在正常工作的機器中主軸驅動轉矩命令和主軸驅動轉矩大致相等。另外，由於壓力正比於液壓缸中的力，壓力反饋和壓力命令都和施加的使零件對的二個會合面受載的力相關。此外，焊接形成期間造成的縮鍛等於把零件摩擦焊到一起時二個零件的組合長度的損失。零縮鍛位置是滑座在最大焊接負載下使二個零件的二個會合面按零縮鍛形成彼此接觸的位置。最終縮鍛位置定義為滑座在最大焊接負載下使二個零件按最終形成的縮鍛焊在一起的位置。由此，最終縮鍛等於滑座在零縮鍛位置和最終縮鍛位置之間的位移。本文中使用的長度指的是例如沿著滑座移動的方向即對滑座施加力的方向測量的零件的長度。此外，儘管主軸轉動在物理學中的術語是主軸角速度；該術語，主軸速度，典型地用作為摩擦焊參數中的標準術語。2004年8月24日申請的共同待決美國10/924,633號專利申請涉及轉矩調製情況下用於摩擦焊周期的靠模的形成，該申請收錄作為參考。靠模是樣本焊的縮鍛對速度的模型，它基於在樣本焊周期的減速階段期間採集的實際焊接數據。
參照圖3，圖3圖形示出慣性樣本焊54的形成，其中水平軸表示時間而垂直軸代表慣性樣本焊54形成期間的各種測量值和系統命令。為了形成慣性樣本焊54，操作員首先輸入定義慣性樣本周期56的焊接參數。接著操作員通過使第一樣本工件22和與主軸18(圖1)連接的轉動夾盤20(圖1)嚙合並使第二樣本零件28和與滑座30(圖1)連接的不轉動夾盤26(圖1)嚙合，裝上一對樣本零件22、28(圖1)。操作員發出啟動慣性樣本周期56的啟動命令58。
運動控制器36(圖2)向驅動器24(圖2)發出轉矩命令60以便加速轉動主軸，其中圖3中的跡線「A」代表驅動器24對主軸18施加的轉矩。初始靜止的主軸18開始加速階段期間的初始轉動62，其中圖3中的跡線「B」代表慣性樣本焊54形成期間主軸18的速度。當達到預定的脫開速度66時對主軸18施加的轉矩命令60下降到零轉矩電平64。在該脫開階段，主軸18不受驅動器24的影響自由轉動。這樣，按焊接系統10中固有的慣性損失和摩擦損失決定的速率，主軸18減速轉動。
一旦主軸18自然減速到預置焊接速度68，運動控制器36命令滑座致動器32(圖2)移動滑座30(圖2)以使二個樣本零件22、28相對的會合面接觸。當滑座30把二個樣本零件22、28的會合面移動到一起時在初始縮鍛跡線70中示出該接觸，其中圖3中的跡線「C」代表慣性樣本周期56期間形成的縮鍛。在樣本零件22、28的會合面初始接觸時，運動控制器36和滑動編碼器38(圖2)建立零縮鍛位置72。
樣本零件22、28接觸期間，壓力達到焊接壓力74，其中圖3中的跡線「D」代表樣本零件22、28之間的壓力。仍在此刻，驅動器24可能在推進階段對主軸18施加零轉矩67。替代地，此刻驅動器24可能施加固定正轉矩78或固定負轉矩80，從而分別提高或減小慣性樣本焊54中消耗的能量。
由於二個樣本零件22、28之間的摩擦焊轉矩，樣本零件22、28的會合面的接觸把轉矩負載加在主軸18上。減速階段82期間，該接觸造成主軸18的轉動減速84並最終達到零速度86。供選地，在預先確定的「縮鍛速度」上，該焊接系統10可以把二個樣本零件22、28上的負載加大到「縮鍛壓力」(未示出)。
在慣形樣本焊54的形成期間，主軸18的零件接觸減速82期間形成的縮鍛是不控制的並且受到焊接的自然特徵，例如材料冶金、幾何條件等的影響。一旦主軸18達到零速度86，驅動器24命令對主軸18的零轉矩18。在零速度86下，啟動按預定時段保持焊接壓力92(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段90。保壓冷卻階段90期間，縮鍛88可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後，可以在保壓冷卻階段90結束時確定最終縮鍛位置94。可以根據零縮鍛位置72和最終縮鍛位置94之間的差計算慣性樣本焊54的總縮鍛96。因此，總縮鍛96代表慣性樣本周期56期間縮鍛形成引起的滑座30的位移。
轉到圖4並且參照圖3，圖中一個流程圖說明用來形成慣性樣本焊54的慣性樣本周期56的各個步驟。如所示，操作員首先輸入定義慣性樣本周期56的焊接參數。接著操作員通過使第一樣本零件和與主軸18連接的轉動夾盤20嚙合並且使第二樣本零件28和不轉動夾盤26嚙合，裝上樣本零件對22、28。然後操作員發出啟動命令58以便啟動慣性樣本周期56。
接著主軸18加速轉動達到脫開速度66，此後驅動器24對主軸18施加零轉矩。接著主軸18自然減速到預置焊接速度68，此時運動控制器36命令滑座致動器移動滑座30以使二個樣本零件22、28的相對會合面接觸，其中當樣本零件28和樣本零件22接觸時樣本零件22、28具有組合長度98。樣本零件22、28的會合面初始接觸時，運動控制器36和滑動編碼器38建立零縮鍛位置72。
慣性樣本周期56的減速階段82期間，由於二個樣本零件22、28之間的摩擦焊轉矩，樣本零件22、28的會合面的接觸在主軸18上施加轉矩負載。樣本零件22、28的慣性摩擦焊接造成樣本零件22的轉動減速、樣本零件28朝向樣本零件22的移動以及減小組合長度98的縮鍛88的形成。該接觸造成主軸18的最終會達到零速度86的減速84。在保壓冷卻階段90結束時，可以根據零縮鍛位置72和最終縮鍛位置94之間的差計算慣性樣本周期56的總縮鍛96。從而，慣性樣本焊54的形成造成把樣本零件22、28的組合長度98減小到最終焊接長度100的縮鍛88的形成。
在執行慣性樣本周期56的同時，焊接系統10收集減速階段82期間82和主軸18的轉動減速以及和滑座30的移動相關的焊接數據112。數據112可以用來表徵主軸18和樣本零件22的轉動減速、滑座30和樣本零件28的軸移動以及慣性樣本周期56的零件接觸減速階段82期間形成的縮鍛88，以供在隨後的生產焊中焊接特定的零件。因此，採集數據112包括樣本焊54的形成期間在不同的時間瞬刻測量主軸18的轉速。另外，採集數據112包括樣本焊54的形成期間在不同的時間瞬刻測量滑座30的位置，其中滑座位置和移動與樣本零件22、28經歷的縮鍛形成88關聯。樣本慣性焊54的零件接觸減速階段82期間形成的縮鍛88是不控制的，從而遭受一些固有的和不可預測的變化。但是，可以分析慣性樣本周期56期間採集的焊接數據112以確定從樣本零件22、28的會合面接觸到主軸18的零速度86的時間內，即零件接觸減速階段82的各瞬刻的確切縮鍛88以及主軸18的速度。
慣性樣本焊接54的形成期間，焊接系統10按特定時間間隔測量和存儲焊接數據112。作為計算縮鍛88—主軸速度靠模114的基礎保存焊接數據112。典型地在整個焊接周期期間測量焊接數據112，但慣性樣本周期56的零件接觸減速階段82期間的測量是關鍵性的。另外，還可以和焊接數據112一起測量並存儲推進壓力。樣本慣性焊54形成期間，通過邏輯控制器42採集並暫時存儲焊接數據112。
當完成慣性樣本焊周期56時，CPU 34從邏輯控制器42讀焊接數據，向操作員顯示結果並且存儲焊接數據112的完整記錄。測量的和存儲的焊接數據112可以為任何適當的形式，這種形式可以接著用來形成隨後的要求其具有和慣性摩擦樣本焊54的零件接觸減速階段82期間測到的縮鍛—主軸速度關係特性相同的特性的生產焊接。
在該示出的流程圖中，利用焊接數據112計算靠模114。焊接數據112包括作為時間函數的主軸18的速度，這可以用二個離散數組表示，一個為主軸速度數組另一個為測量主軸速度的相關時間值數組。由此，焊接數據112可以表示作為時間的函數的主軸18的轉動減速。用來計算靠模114的焊接數據112還包括用二個離散數組表示的作為時間的函數的滑座30的位置，其中一個數組是滑座位置而另一個關聯的數組是測量滑座位置的時間值數組。由此，焊接數據112可以表示作為時間的函數的滑座30的移動。焊接數據112還可以包括零縮鍛位置72，從而可以從滑座位置數據計算縮鍛88的形成。
把焊接數據112編譯成靠模114，其中靠模114是樣本焊54形成期間作為主軸18的轉速的函數的樣本焊54的縮鍛88形成關係的計算模型。接著，在隨後的生產慣性焊的零件接觸減速階段82期間該靠模充當控制縮鍛形成的基礎，以對任何給定的主軸速度規定縮鍛形成量115從而達到規定的縮鍛形成量115。
在本公開中，靠模114是通過一個提供縮鍛設定值116的查找表表示的，這些設定值116代表樣本慣性周期56的零件接觸減速階段82期間作為主軸速度的函數對縮鍛形成88的不同測量。因此，對樣本焊18形成期間各不同時間瞬刻上的縮鍛形成88和主軸18轉速減速關係的建模包括對任何給定的主軸速度值產生縮鍛設定值116。換言之，靠模114是一個數組，其中數組的下標是速度因子而該數組中存儲的值代表在對應主軸速度下測到的縮鍛。這樣，對於任何給定的主軸速度，可以為該主軸速度查找對應的縮鍛設定值116。由此，靠模114是通過主軸18的速度編索引的。通過當前速度的浮點表示和主軸速度對索引的定標因子的浮點表示相乘並且對結果捨入產生整數索引來計算索引。由於焊接數據112是通過數字採集速度採集的，焊接數據112必須內插以填充實際上未測量的數據樣本以得到完整的靠模114的數組。
本發明說明的用於縮鍛目標生產焊中的靠模是和2004年8月24日申請的共同待決美國專利申請10/924,633號中說明的用於採用轉矩調製的縮鍛控制生產焊中的靠模是相同的和可互換的。這二種情況中以相同的方式和相同的格式採集並編譯來自樣本焊的數據。這樣，一旦完成編譯，靠模可以選用於其中把目標縮鍛限制在樣本焊的最終縮鍛上的簡單縮鍛控制應用中以及選用於其中目標縮鍛可以和樣本焊的最終縮鍛不同的縮鍛目標應用中。
CPU 34從慣性樣本焊54的數據編譯出靠模114後，取下焊好的組件以便隨後執行任何數量的生產焊。
轉到圖5的轉矩調製和縮鍛目標焊接系統並且參照圖4，圖5中圖形示出依據本發明的一實施例的慣性生產焊118的形成並且圖5中水平軸表示時間而垂直軸表示慣性生產焊118的形成期間的各種測量值和系統命令。為了形成慣性生產焊118，操作員首先規定定義慣性生產周期120的焊接參數，其中包括一對生產零件120、128要經受的縮鍛形成規定量115。接著操作員通過使第一生產零件126和轉動夾盤20(圖1)嚙合並使第二生產零件128和不轉動夾盤(圖1)嚙合裝上一對生產零件126、128(圖1)。此外，接著選擇靠模114(圖4)。可以執行任何數量的慣性樣本焊54(圖3和4)並且來自這些慣性樣本焊54的焊接數據112(圖4)可以編譯成各種樣本靠模114並存儲在CPU 34(圖2)中。從可使用的靠模列表中選擇最適應生產零件126、128的當前配置的靠模114。
慣性焊接中，用於任何給定材料和幾何條件的基本輸入能量必須產生足夠的熱以便塑化足夠的材料從而能形成縮鍛。由於縮鍛的形成不在二個生產零件126、128初始接觸後的一段時間內開始，必須確定一個規定何時啟動縮鍛控制的參數。可以以任何適當的方式開始該啟動，例如通過開動速度參數或開動縮鍛參數。開動速度參數是一個預先確定的主軸速度，其規定當主軸速度下降到低於該預定值時啟動縮鍛控制。開動縮鍛參數定義成當縮鍛增加到大於預先確定的縮鍛值時啟動縮鍛控制。
如圖5中圖形地示出那樣，在加速階段以及開動速度參數或者開動縮鍛參數觸發縮鍛控制階段130啟動之前，慣性生產周期120的周期特徵和慣性樣本周期56的特徵相同。任何影響主軸18的減速速率在慣性生產焊118中是不能改變的，從而必須對樣本慣性焊54重複。這些參數包括焊接速度、制動轉矩、焊接壓力、縮鍛速度和縮鍛壓力。如果需要改變這些參數，必須進行新的樣本慣性焊54並且處理和存儲對應的靠模114。CPU 34根據上述操作員輸入的參數以及選定的樣本靠模114的特徵計算任何其它所需的參數。從CPU 34對邏輯控制器42傳送所有這些參數，包括縮鍛—速度靠模114的各個數據。
回到圖5，焊接系統10開始把生產零件對126、128焊到一起的慣性摩擦焊以形成慣性產品焊118。當操作員輸入焊接參數例如縮鍛形成規定量115並且第一生產零件126和第二生產零件128嚙合後，接著操作員發出對慣性生產周期120的啟動命令132。主軸18加速到脫開速度133並自然滑行到焊接速度134後，接著運動控制器36命令滑座致動器32移動滑座以使二個生產零件126、128相對的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有組合長度138。如前面在慣性樣本周期56中說明那樣，慣性生產周期120繼續。由於本例中的焊接是轉矩調製和縮鍛目標慣性焊，當達到開動速度136或開動縮鍛172時，啟動縮鍛控制階段130。主軸18的轉速下降，滑座向生產零件126移動並且縮鍛140的形成縮短組合長度138。
應用任何縮鍛控制技術的核心是確定縮鍛誤差。基於靠模的簡單縮鍛受控焊接的縮鍛控制階段期間，運動控制器36比較實際縮鍛和靠模模型對當前的實際主軸速度規定的縮鍛設定值以便產生誤差信號。可以對縮鍛設定值減去實際縮鍛以產生如下的縮鍛誤差UpsetError(142)(t)＝ProfileUpsetSetpoint(116)(t)-UpsetActual(140)(t) (1)當以此方式直接使用來自靠模的縮鍛設定值時，成功實現縮鍛控制技術會產生其中縮鍛大致等於選定的靠模樣本焊所達到的縮鍛的慣性焊。為了生產其中縮鍛形成115和慣性樣本焊54的靠模114規定的縮鍛形成88不同的慣性生產焊118，不能直接使用靠模114的任何給定速度下的縮鍛設定值116。縮鍛目標焊的慣性生產周期120期間，根據樣本焊最終縮鍛96和縮鍛形成115的規定目標量之間的差修改來自靠模114的縮鍛設定值116。必須動態地修改任何給定速度的來自靠模114的縮鍛設定值116以產生修改的縮鍛設定值144(圖4)，後者會系統地改變生產焊118的實際縮鍛形成並且生產出帶有可能和慣性樣本焊周期56期間形成的縮鍛88不同的縮鍛形成115規定量的慣性生產焊118。通過邏輯控制器42從靠模縮鍛設定值116計算修改的縮鍛設定值104，並且邏輯控制器42按下面的式(2)指出那樣計算縮鍛誤差信號142。
Upset Error(142)(t)＝Modified Upset Setpoint(144)(Upset Setpoint(116)(t))-UpsetActual(140)(t) (2)縮鍛控制階段130期間，運動控制器36比較慣性生產周期120期間的實際縮鍛140和從靠模114對於主軸18的當前實際速度計算的修改的縮鍛設定值144以便產生如圖4的流程圖中示出那樣的縮鍛誤差信號142。本發明中，可以根據主軸的當前速度從靠模114的各個數組查找任何時刻的靠模縮鍛設定值116。接著根據目標縮鍛修改該靠模縮鍛設定值。從該修改的縮鍛設定值144減去縮鍛控制階段130期間出現的實際縮鍛40以便如上面的式(2)指出那樣產生縮鍛誤差信號142。
接著利用縮鍛誤差信號142產生調節操縱輸入的命令信號，其中該操縱輸入改變焊接過程10以便控制零件對126、128的縮鍛形成140從而達到該規定的縮鍛形成量115。由此，縮鍛誤差信號142可能改變或者控制操縱變量146的幅值。對生產零件126、128施加的調製輸入146可能基於與主軸18的轉動減速相關的和與滑座30的移動相關的數據和靠模114的比較。圖5示出一個焊接過程例子，其中驅動電機對主軸施加的轉矩是該為了控制縮鍛調製的操縱變量。如果慣性生產焊周期120期間實際縮鍛形成140在任何給定速度下小於修改的縮鍛設定值114，驅動器24對主軸18施加正轉矩150。如果慣性生產焊周期120期間縮鍛形成140在任何給定速度下大於修改的縮鍛設定值144，驅動器24對主軸18施加負轉矩152。把縮鍛誤差信號142送入PID(比較積分微分)算法中產生轉矩命令154(圖4)以便補償縮鍛誤差信號142。
用來根據當前縮鍛誤差信號142產生轉矩命令信號154的閉環控制算法是在帶有誤差微分的標準數字位置無關PID算法中實現的。該用於慣性生產周期120的轉矩命令154數學上按下面式(3)表示Torque Command(154)(t)=Kpe(t)+Ki0nedt+Kddedt+BIAS---(3)]]>其中e(t)＝UpsetError(142)
Kp＝比例增益，由操作員輸入Ki＝積分增益，由操作員輸入Kd＝微分增益，由操作員輸入BIAS＝靠模製動轉矩命令，由選定的靠模114規定本公開還可以在壓力調製和縮鍛目標慣性生產焊周期120中應用。在此周期中，利用縮鍛誤差信號142調製施加到生產零件126、128上的輸入。如指出那樣，對生產零件126、128施加的調製輸入146可以基於與主軸18的轉動減速的數據和與滑座30的移動的數據和靠模114的比較。在一實施例中，圖6示出一個焊接過程例子，其中在生產零件之間施加的壓力是為控制縮鍛調製的操縱變量。如果任何給定速度下形成的縮鍛140小於修改的縮鍛設定值144，滑座致動器32增大壓力。如果任何給定速度下形成的實際縮鍛140大於修改的縮鍛設定值144，滑座致動器32減小壓力。在此示出的例子中，把縮鍛誤差信號142送到PID(比例積分微分)算法中以產生和調製壓力226或者(242，256)(圖6)相關的壓力命令154信號(圖4)以便補償縮鍛誤差信號142。
由於慣性焊系統10(圖1)可能採用液壓推進生成，如下面式(4)指出那樣在帶有誤差微分的標準數字位置無關PID算法中實現壓力調製縮鍛控制。
Pressure Command(164)(t)=Kpe(t)+Ki0nedt+Kddedt+BIAS---(4)]]>其中e(t)＝縮鍛誤差142Kp＝比例增益，由操作員輸入Ki＝積分增益，由操作員輸入Kd＝微分增益，由操作員輸入BIAS＝靠模壓力目標，由選定的靠模114規定接著可以把該壓力調製命令信號154輸入到壓力控制迴路中以便控制壓力。
為了動態地定出和選定的靠模114所定義的樣本焊零件22、28的縮鍛形成88不同的縮鍛形成規定量115，必須在慣性生產焊118的減速期間對任何給定的主軸速度從靠模縮鍛設定值116為該速度產生修改的縮鍛設定值144。為了達到此，可以採用例如固定焊接速度算法或可變焊接速度算法或者其它算法從該選定的靠模計算修改的縮鍛設定值。本討論中給出的第一算法是固定焊接速度算法。如前面提到那樣，用於任何給定材料和幾何條件的基本輸入能量必須產生足夠的熱以便塑化足夠的能讓縮鍛發生的材料。把該概念應用到縮鍛—速度關係上，可以如下面式(5)、(6)、(7)中說明那樣得到會產生具有縮鍛形成規定量115的慣性焊的縮鍛誤差信號142。
ΔUpset＝Target Upset 115-Sample Weld Upset 88 (5)令ω＝主軸角速度Ku＝使用的總功能對可用於縮鍛的功能的比ωb＝基本能量輸入後即開始縮鍛的主軸角速度ωz＝出現焊接粘附(seizure)時的主軸角速度，即標定零速度K＝主軸速度—下標標定因子ωt＝開動主軸角速度ut＝開動縮鍛如果採用開動速度參數，一旦ω＞ωt或者如果採用開動縮鍛參數，當Upset 140(t)＞ut，本公開的算法確定在形成縮鍛中已經使用多少能量對縮鍛可使用能量的比率。標定零速度參數ωz定義可用於縮鍛的能量的下限。包含標定零速度能使這些算法應對這樣的應用，即其中存在一個和起始能量無關的主軸速度，當比該速度低時在焊接結束時存在固定的縮鍛形成。在這些應用中，在生產焊期間當主軸從ωb減速到ωz時必須達到所有規定的ΔUpset。靠模焊中主軸速度達到ωz後出現的縮鍛會在生產焊的相同階段期間重複。
由於縮鍛和能量成正比，為了按如下計算給定主軸速度下的修改的縮鍛設定值144，可以對縮鍛形成中已使用的能量和縮鍛可使用能量的比率乘上ΔUpset並且和靠模縮鍛設定值116相加
KU(t)=0ifb((b2-(t)2)/(b2z2)ifb>z1ifz---(6)]]>i)因為K＝1/2Iω2ii)其中K＝轉動剛體的功能，以及iii)I為轉動慣量Modified Upset Setpoint 144(t)＝Upset Setpoint 116[kω(t)]+(KU(t)*ΔUpset)(7)Upset Error142(t)＝Modified Upset144(t)-Actual Upset 140(t)(8)從而修改靠模114包括根據靠模114對主軸18當前速度的縮鍛設定值116、最終靠模縮鍛96以及縮鍛形成規定量115，對生產零件對126、128在慣性摩擦焊期間的每個主軸速度下標產生修改的設定值144。計算生產零件對的慣性摩擦焊所產生的縮鍛形成和從修改的靠模計算的縮鍛設定值之間的差包括在該對生產零件的慣性摩擦焊期間的各個瞬刻比較該對生產零件的縮鍛形成和該修改靠模的各個縮鍛設定值。由此，在慣性生產焊118的形成期間對焊接過程10施加輸入146。由此，在生產零件對126、128的慣性摩擦焊期間根據修改的靠模114調製施加到這對生產零件上的輸入146以便控制這對生產零件126、128的縮鍛形成140從而經受縮鍛形成規定量115。
重新參照採用圖5中示出的固定焊接速度算法的轉矩調製和縮鍛目標焊接，一旦出現會合面接觸，建立零縮鍛位置。另外，當出現該接觸時可以把壓力建立到焊接壓力170。同時在此刻，驅動器24典型地繼續對主軸18命令零轉矩166。替代地，此刻驅動器24可以根據靠模114的制動轉矩施加正的或負的轉矩從而分別增加或減少慣性生產焊118中消耗的能量。由於二個零件126、128之間的摩擦焊轉矩，會合面的接觸對主軸18施加轉矩負載。這造成主軸18在整個慣性生產周期120中減速。
由於該慣性生產焊118是轉矩調製和縮鍛目標慣性焊，可以規定生產零件126、128要經受的縮鍛。當達到開動縮鍛172或開動速度136時啟動縮鍛控制階段130。圖5示出三種可能的目標縮鍛形成的例子，即額定縮鍛[ΔUpset＝0]，減小縮鍛[ΔUpset＜0]和增大縮鍛[ΔUpset＞0]。所有三個例子是在靠模製動轉矩為零下示出的。
在額定縮鍛例子中，邏輯控制器42啟動經運動控制器36的對施加到主軸18上的驅動轉矩148的調製以使焊接過程中的實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144匹配。為此，響應縮鍛誤差142(圖4)，邏輯控制器42提供發給驅動器24的轉矩命令154(圖4)。當和慣性樣本周期56相比目標縮鍛為零改變時，轉矩調製的行為可以像美國專利申請10/924,633號中用於慣性生產周期120的轉矩調製那樣。由此，縮鍛140典型地會追隨重複慣性樣本周期56(圖3)期間所遭受的縮鍛88(圖3)的額定縮鍛174。主軸減速會典型地追隨額定減速176或者慣性樣本周期56的減速84(圖3)。
在該減速176期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛174並且調製對主軸18施加的驅動轉矩148以便如驅動轉矩148的正弦振蕩指示那樣試圖匹配修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛174。一旦主軸18處於零速度178，驅動器24要求對主軸18的零轉矩167。在零速度178下，啟動保壓冷卻階段180，在此階段按預先確定的時間保持焊接壓力170(或縮鍛壓力)，在此期間縮鍛174可能繼續增加。滑座32停止向主軸18的移動後在保壓冷卻階段180結束時確定最終縮鍛位置182。可以根據零縮鍛位置168和最終縮鍛位置182之間的差計算慣性生產焊118的最終縮鍛184。最終縮鍛184和慣性生產焊周期120期間縮鍛174造成的滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛174以達到縮鍛形成規定量115。
仍參照圖5，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成小於選定靠模114的縮鍛形成的轉矩調製和縮鍛目標慣性焊時，當達到開動縮鍛172或開動速度136時啟時縮鍛控制階段130。在該減小縮鍛例子中，邏輯控制器42根據縮鍛誤差142(圖4)提供轉矩命令154(圖4)，這啟動通過運動控制器36調製對主軸18施加的負轉矩，以便隨焊接過程中匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。驅動器24對主軸18提供負轉矩152，從而因此從慣性生產焊118轉移能量。由於較少的能量進入慣性生產焊118，縮鍛控制階段130期間經歷的實際縮鍛186會小於額定縮鍛174或者慣性樣本焊周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88。由於用負轉矩152驅動主軸18，主軸減速188會更快地發生並且低於額定減速176或樣本減速84(圖3)。
在該減速188期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛186並且調製驅動轉矩152，以便如驅動轉矩152的正弦振蕩指示那樣試圖匹配修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛186。由於由操作員輸入的縮鍛形成規定量115定義的縮鍛186的目標要小於和靠模114關聯的縮鍛88，轉矩命令152會趨於保持是負的。一旦主軸18處於在額定縮鍛受控焊接的零速度178之前出現的零速度190，驅動器24命令對主軸18的零轉矩167。在零速度190下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力170(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段192，在此期間縮鍛186可能繼續增加。滑座32停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段192結束時確定最終縮鍛位置194。可以根據零縮鍛位置168和最終縮鍛位置194之間的差計算該產品焊的最終縮鍛196。因此，最終縮鍛196和慣性生產周期120期間縮鍛形成186造成的滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛186以達到縮鍛形成規定量115。
仍參照圖5，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成大於選定靠模的縮鍛形成的轉矩調製和縮鍛目標慣性焊時，當達到開動縮鍛172或開動速度136時啟動縮鍛控制階段130。在該增大縮鍛例子中，邏輯控制器42響應縮鍛誤差142(圖4)提供轉矩命令154(圖4)，這啟動通過運動控制器36調製對主軸18施加的正轉矩，以便隨焊接過程的進展匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。驅動器24對主軸18提供正轉矩150，從而增加慣性生產焊118中消耗的能量。由於更多的能量進入慣性生產焊118，調製階段130期間經歷的縮鍛198會大於額定縮鍛174或者慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88。由於用正轉矩150驅動主軸18，主軸減速200會更慢地發生並且高於額定減速176或樣本減速84(圖3)。
在該減速200期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛198並且調製驅動轉矩150，以便試圖匹配如驅動轉矩150的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛198和修改的縮鍛設定值144。由於由操作員輸入的縮鍛形成規定量115定義的縮鍛198的目標要大於和靠模114關聯的縮鍛70，施加轉矩150會趨於保持是正的。一旦主軸18處於在額定縮鍛受控焊接的零速度178之後出現的零速度204，驅動器24命令對主軸18的零轉矩167。在零速度202下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力170(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段202，在此期間縮鍛198可能繼續增加。滑座32停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段204結束時確定最終縮鍛位置206。可以根據零縮鍛位置168和最終縮鍛位置206之間的差計算該產品焊的最終縮鍛208。因此，最終縮鍛208和慣性生產周期120期間縮鍛形成198造成的滑座30的位移相關。從而慣性生產周期120控制縮鍛198以達到縮鍛形成規定量115。
上面連同形成生產慣性焊118一起說明的方法可以隨後予以重複以便批量地把任何數量的生產零件焊到一起。
參照圖6，焊接系統10開始把一對生產零件126、128(圖1)焊到一起的慣性摩擦焊以便形成慣性生產焊118，其中本公開實施例中的固定焊接速度算法調製慣性生產周期120期間的壓力。當操作員輸入焊接參數例如縮鍛形成規定量115後，接著操作員發出對慣性生產周期120的啟動命令210。該慣性焊周期開始並且如前面在慣性樣本周期56中說明那樣進行。
一旦主軸18加速到脫開速度211並把驅動轉矩214置成為零，主軸18不受驅動器24的影響地自由轉動，並且按取決於系統10中固有的慣性和摩擦損耗的速率減速。一旦主軸18自然減速到焊接速度212，系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使二個生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有組合長度138。該接觸造成主軸18的減速、滑座30的移動以及當滑座30把二個生產零件126、128的會合面移到一起時形成縮鍛218。一旦出現會合面的接觸，建立零縮鍛位置220。另外，當出現該接觸時可以把軸向壓力建立到焊接壓力222上。同樣在此刻，驅動器24典型地繼續命令對主軸18的零轉矩214。替代地，此刻驅動器24可以根據靠模114的制動轉矩施加正的或負的轉矩(未示出)從而分別增加或減少進入慣性生產焊118中的能量。
由於二個生產零件126、128之間的摩擦焊轉矩，二個會合面的接觸對主軸18施加轉矩負載。這造成在整個慣性生產周期120中主軸18減速。在預定的「縮鍛速度」下，焊接系統10可以加大二個生產零件126、128上的軸向負載，從而提高「縮鍛壓力」(未示出)。
由於該例中慣性生產焊118是壓力調製和縮鍛目標慣性焊，當達到開動縮鍛224或開動速度216時啟動縮鍛控制階段158。圖6說明目標縮鍛形成的三種可能的例子，即額定縮鍛[ΔUpset＝0]，減小縮鍛[ΔUpset＜0]和增大縮鍛[ΔUpset＞0]。這些例子是在靠模製動轉矩為零下示出的。
在額定縮鍛例子中，邏輯控制器42啟動對施加到滑座30上的壓力226的調製，以便隨著焊接過程的進展使實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144匹配。為此，邏輯控制器42響應縮鍛誤差142(圖4)提供控制對滑座30施加的壓力226的壓力命令154(圖4)。由於目標縮鍛為零改變，和慣性樣本周期56相對比，縮鍛218典型地會追隨額定縮鍛228或慣性樣本焊周期56(圖3)的縮鍛，而主軸減速典型地會追隨額定減速230或樣本慣性焊54(圖3)的減速84。
在該減速230期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛228並且調製軸向壓力，以便試圖匹配如軸向壓力226的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛228和修改的縮鍛設定值144。一旦主軸18處於零速度232，驅動器24命令對主軸18的零轉矩215。在零速度232下，啟動其中按預定的時間保持焊接壓力222(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段234，在此期間縮鍛228可能繼續增加。滑座32停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段234結束時確定最終縮鍛位置236。可以根據零縮鍛位置220和最終縮鍛位置236之間的差計算慣性生產焊118的最終縮鍛240。最終縮鍛240和慣性生產焊周期120期間縮鍛228造成的滑座30的移動相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛228以達到縮鍛形成規定量115。
仍參照圖6，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成小於選定靠模114的縮鍛形成的壓力調製和縮鍛目標慣性焊時，當達到開動縮鍛224或開動速度216時啟動縮鍛控制階段158。在該減小縮鍛例子中，邏輯控制器42根據縮鍛誤差信號142(圖4)提供壓力命令154(圖4)，這啟動通過減小對滑座30施加的壓力242調製壓力，以便隨焊接過程的進展匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。該減小的壓力242在相應減小摩擦力下減小作用在零件上的額定力，這減小二個接觸的生產零件126、128上的淨轉矩。該可以以軸向壓力為形式的減小的壓力242控制慣性生產焊118中的能量轉換速度。其結果是，縮鍛244會比額定縮鍛228或慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88小。由於減小的壓力242減小生產零件126、128上的焊接轉矩，主軸減速246會較慢地發生並且它高於額定減速230或樣本減速84(圖3)。
在該減速246期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛244並且調製壓力，以便試圖匹配如減小的壓力242的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛244和修改的縮鍛設定值144。但是由於操作員輸入的縮鍛形成規定量115定義的縮鍛244的目標比靠模114小，該減小的壓力242會趨於保持比額定壓力226小。一旦主軸18處於在額定縮鍛受控焊接的零速度232之後出現的零速度248，驅動器24命令對主軸18的零轉矩215。在零速度248下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力222(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段250，在此期間縮鍛228可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段250結束時確定最終縮鍛位置252。可以根據零縮鍛位置220和最終縮鍛位置252之間的差計算該產品焊的最終縮鍛254。因此，最終縮鍛254和慣性生產周期120期間縮鍛形成244造成的滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛244以達到縮鍛形成規定量115。
再參照圖6，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成大於選定靠模的縮鍛形成的壓力調製和縮鍛目標慣性焊時，當達到開動縮鍛224或開動速度216時啟動縮鍛控制階段158。在該增大縮鍛例子中，邏輯控制器42響應縮鍛誤差信號142(圖4)提供通過增大對滑座(30)施加的壓力啟動壓力256的調製的壓力命令154(圖4)以得到縮鍛形成規定量115。該增大的壓力256在相應增大摩擦力下加大作用在零件上的額定力，這增大二個接觸的生產零件126、128上的焊接轉矩。其結果是，縮鍛258會比額定縮鍛228或慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88大。由於增大的軸向壓力增大生產零件126、128上的焊接轉矩，主軸減速260會更快地發生並且它低於額定減速230或慣性樣本周期56(圖3)的減速84。
在該減速260期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛258並且調製壓力，以便試圖匹配如前面說明和增大的壓力256的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛258和修改的縮鍛設定值144。但是由於操作員輸入的縮鍛形成規定量115定義的縮鍛258的目標比靠模114大，該增大的壓力256會趨於保持比額力壓力大。一旦主軸18處於在額定焊接中的零速度232之前出現的零速度262，驅動器24命令對主軸18的零轉矩215。在零速度262下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力222(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段264，在此期間縮鍛258可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段264結束時確定最終縮鍛位置266。可以根據零縮鍛位置220和最終縮鍛位置266之間的差計算產品焊的最終縮鍛268。因此，最終縮鍛268和慣性生產周期120期間縮鍛形成258造成的滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛258以達到縮鍛形成規定量115。
上面連同形成生產慣性焊118一起說明的方法可以接著予以重複以便批量地把任何數量的生產零件焊到一起。
由於樣本焊和生產焊都是從相同的初始能量啟動，本公開的固定焊接速度算法依賴於在考慮到生產焊和樣本焊之間的縮鍛形成差異下對焊接系統提供或去掉必需的能量的縮鍛控制技術。本公開的可變焊接速度算法估計為達到目標縮鍛所要求的能量的不同。接著該系統10修改生產焊的焊接速度以體現這種能量差。
採用可變速度算法下，由於初始能量更加接近達到縮鍛形成規定量所需的能量，縮鍛控制技術的貢獻比採用固定焊接速度算法時所需的貢獻小。一種算法都採取在給出當前實際主軸速度情況下查找靠模的縮鍛設定值，並且接著以會在縮鍛形成目標量下完成生產焊的方式動態修改靠模設定值。採用可變焊接速度算法時，為了能在給出當前速度下查找靠模縮鍛設定值，必須建立生產焊中的當前速度和樣本焊中的對應速度之間的關係。另外，必須建立樣本焊縮鍛設定值和動態生產焊縮鍛設定值之間的關係。
如果在相同的慣性但起始能量(和焊接速度平方成正比)不同的情況下完成多個不縮鍛的受控焊接，可以利用縮鍛和能量之間的線性關係對形成的結果縮鍛建模。操作員可以預先確定和規定該關係，從而邏輯控制器可以按如下根據縮鍛形成的目標量估計起始能量並調整生產焊的焊接速度給定ii)KE＝1/2 Iω2ii)其中KE＝轉動剛體的功能，以及iii)I是轉動慣量，以及iv)Upset(縮鍛)∝焊接速度下的KE，令UK＝ΔUpset對Δ(ω2)的比例係數ωwp＝樣本(靠模)焊的焊接速度ωwu＝生產(目標縮鍛)焊的焊接速度，從而，(ωwu2-ωwp2)UK+ProfileFinalUpset＝Target Upset以及
wu=Target Upset-Profile FinalUpsetUK+wp2---(9)]]>可變焊接速度算法目的之一是調整焊接速度，從而如果在不帶有縮鍛控制地執行生產焊情況下得到的縮鍛會自然地比選定靠模規定的縮鍛更接近目標縮鍛。這使應用縮鍛控制技術時所需的修正和調整為最小。上面式(9)中描述的能量和縮鍛之間的經驗線性關係僅是一種根據靠模最終縮鍛和目標縮鍛之間的差估計所需焊接速度的可能方法。可以利用其它過程根據目標縮鍛估計起始能量並調整焊接速度。
一旦啟動慣性焊周期，在不存在任何縮鍛控制技術下縮鍛形成仍然會是焊接進程的無控結果，從而零件最終長度的精度隨縮鍛固有變化性變化。但是，通過和對靠模的動態改變組合下採用縮鍛控制技術，則在主軸減速期間縮鍛形成可以是有目標的和受控的。這可以按如下完成令ωbp＝基本能量輸入後，即樣本(靠模)焊接中開始縮鍛形成的主軸速度，ωbu＝基本能量輸入後，即生產(縮鍛目標)焊中開始縮鍛形成的主軸速度，ωtp＝用於樣本(靠模)焊的開動主軸角速度，ωtu＝用於生產(縮鍛目標)焊的開動主軸角速度，Ut＝開動縮鍛參數，ωu＝生產(縮鍛目標)焊的主軸角速度ωp＝樣本(靠模)焊的主軸角速度，ωz＝發生焊接粘附時的主軸角速度，即標定零速度，KU＝使用的總功能和縮鍛形成可使用功能的比，k＝用於樣本(靠模)焊的主軸速度下標標定因子試驗地從靠模數據確定基本能量輸入後的主軸角速度ωbp。使樣本焊和生產焊二者的從焊接速度到基本能量輸入速度的能量差相等產生
(12Iwp2-12Ibp2)=(12Iwu2-12Ibu2)---(10)]]>重新排列式(10)並解出ωbubu=wu2-wp2+bp2---(11)]]>該計算建立樣本焊和生產焊的主軸速度之間的關係。如果該結果是不確定的，則不存在啟動縮鍛形成的足夠能量並且不會出現縮鍛目標生產焊。
類似地，如果採用開動速度參數，可以通過使樣本焊和生產焊二者的焊接速度和開動速度之間的能量差相等計算用於縮鍛受控生產焊的相應開動速度參數。這產生tu=wu2-wp2+tp2---(12)]]>這建立樣本焊和縮鍛目標生產焊之間的關係。如果該結果是不確定的，則不存在啟動縮鍛形成的足夠能量並且不會出現縮鍛目標生產焊。
生產焊中的任何給定速度和樣本焊中的對應速度之間的關係是通過按縮鍛形成能得到的百分比能量使樣本焊和生產焊消耗的能量相等建立的。只是在啟動適當縮鍛控制技術的縮鍛控制階段之後才應用這一點。正如固定接速度算法中討論那樣，標定零速度參數ωz定義可用於縮鍛的能量的下限。
bu2-u(t)2(bu2-z2)=bp2-p(t)2(bp2-z2)---(13)]]>重新排列式(13)並解出ωp(t)得到p(t)=u(t)2(bp2-z2)+bu2z2-bp2z2(bu2-z2)---(14)]]>這使得能從和縮鍛目標生產焊對應的速度查找以和樣本焊對應的速度為索引(下標)的靠模縮鍛設定值。這樣，可以按如下根據縮鍛形成目標量在縮鍛可使用的能量消耗給定水平下利用樣本焊中產生的總縮鍛比例計算修改的縮鍛設定值對於主軸角速度，ωb＞ω＞ωz
Modified UpsetSP144(t)=(Profile Upset116[kp(t)]Profile Upset116@z)(Upset+Profile Upset116@z)---(15)]]>對於主軸角速度，ω≤ωzModified Upset SP144(t)=Upset Setpoint116[kp(t)]+Upset---(16)]]>以及Upset Error 142(t)＝Modified Upset SP144(t)-UpsetActual(t) (17)接著可以把該得到的縮鍛誤差信號142送入適當的用於縮鍛目標生產焊的PID迴路。
轉到圖7，圖中說明用於形成慣性樣本焊54的慣性樣本周期56的各個步驟，它們遵循前面討論的進程。如所示，系統10(圖1)為編譯好的數據112計算靠模以便如前面討論那樣從靠模114產生未修改的縮鍛設定值116。但是，在本公開的可變焊接速度算法下，該流程圖還說明為生產慣性縮鍛目標生產焊118的慣性生產焊120中涉及的步驟。
在啟動慣性生產焊周期120之前，操作員規定包括著縮鍛形成規定量115的參數並且裝上生產零件126、128以在可變焊接速度算法下加工。接著操作員選擇適當的靠模114。一旦選擇靠模114，邏輯控制器42計算為達到該縮鍛形成規定量所需的估計的起始能量270。該起始能量為該慣性生產焊周期定義脫開速度和焊接速度。
參照圖8，焊接系統10(圖1)開始把生產零件對126、128(圖1)焊到一起的慣性摩擦焊以形成其中本公開的可變焊接速度算法在慣性生產焊周期120期間調製轉矩的慣性生產焊118。在操作員輸入例如縮鍛形成規定量115的參數(圖7)後，操作員接著發出起動命令272。焊接系統10(圖1)開始把一對生產零件126、128(圖1)焊到一起的慣性摩擦焊以形成慣性生產焊118。
圖8示出三種目標縮鍛形成例子，即額定縮鍛[ΔUpset＝0]、減小縮鍛[ΔUpset＜0]以及增大縮鍛[ΔUpset＞0]。所有三個例子是在靠模製動轉矩為零下說明的。圖8為了在該圖中使焊接開始時間對齊在偏移它們關聯的時基的情況下表示這三個慣性生產焊118。換言之，由於根據算出的起始能量270把這三個慣性生產焊118加速到不同的脫開速度，對時間標度進行了偏移以使每個慣性生產焊118的加速結束點在時間軸上的同一點上出現。
在額定縮鍛例子中，驅動器24施加轉矩274以便主軸加速到調整後的脫開速度280。一旦主軸18加速到脫開速度280並且驅動器24命令對主軸18的零轉矩282，主軸18在不受驅動器24的影響下轉動並且以取決於系統10中固有的慣性和摩擦損耗的速率減速。一旦主軸18自然減速到預設定的焊接速度284，焊接系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使二個生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有組合長度138。該接觸由於滑座30把二個生產零件126、128的會合面移到一起造成主軸18的減速以及縮鍛286的形成。一旦出現會合面接觸，建立零縮鍛位置288。另外，當出現該接觸時可以把壓力建立到焊接壓力290。還在此刻，驅動器24典型地繼續對主軸18命令零轉矩282。替代地，此刻取決於靠模114的制動轉矩，驅動器24可以施加正的或負的轉矩。
由於二個生產零件126、128之間的摩擦焊轉矩，會合面的接觸在主軸18上施加轉矩負載。這造成主軸18在整個慣性生產周期120期間減速。在預先確定的「縮鍛速度」下，焊接系統10可以增大二個生產零件126、128上的軸向負載並且從而增大「縮鍛壓力」(未示出)。
由於慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成等於選定靠模中的縮鍛形成的轉矩調製和縮鍛目標慣性焊，當達到開動縮鍛294或開動速度296時啟動控制階段298。在額定縮鍛情況下，邏輯控制器響應縮鍛誤差142(圖7)經運動控制器36開始調製轉矩300，以便隨著焊接過程的前進使實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144匹配。當和慣性樣本周期56相比目標縮鍛為零改變時，轉矩調製的行為可以像待決美國專利申請10/924,633號中用於慣性生產焊118的轉矩調製那樣，因為其中初始焊接速度不會受到可變焊接速度算法的調整。縮鍛286會典型地追隨額定縮鍛302，以重複慣性生產周期(圖3)中經歷的縮鍛88(圖3)。主軸減速會典型地追隨額定減速304或者樣本慣性周期56的減速84(圖3)。
減速304期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛302並且調製驅動轉矩300，以便試圖匹配如驅動轉矩300的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛302和修改的縮鍛設定值144。一旦主軸18處於零速度306，驅動器24命令對主軸18的零轉矩283。在零速度306下，啟動按預先確定的時間保持焊接壓力290(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段308，在此期間縮鍛302可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段308結束時確定最終縮鍛位置310。可以根據零縮鍛位置288和最終縮鍛位置310之間的差計算慣性生產焊的最終縮鍛312。最終縮鍛312和慣性生產周期120期間縮鍛302引起的滑座30的位移相關。從而，慣性生產焊周期120控制縮鍛302以達到縮鍛形成規定量115。
仍參照圖8，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成小於選定靠模114中的縮鍛形成的轉矩調製和縮鍛目標慣性焊時，可變焊接速度算法計算要比額定情況中的對應速度小的起始焊接速度322以及脫開速度320。這減少生產零件126、128就要接觸之前在該焊接系統的轉動部件中存儲的總能量。主軸18加速到調整後的脫開速度320並且接著不受驅動器24的影響地滑行到調整後的焊接速度322。一旦主軸18自然減速到調整後的焊接速度322，焊接系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使二個生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有初始長度138。一旦發生會合面接觸，建立零縮鍛位置288。另外，當該接觸出現時可以把軸向壓力建立到焊接壓力290。同時在此刻，驅動器24典型地對主軸18繼續命令零轉矩282。替代地，取決於靠模114的制動轉矩此刻驅動器24可以施加正的或負的轉矩。
當達到開動縮鍛參數294或開動縮鍛參數324時啟動縮鍛控制階段298。在該減小縮鍛情況下，和額定開動速度296相比，該可變焊接速度算法減小開動速度324。在縮鍛控制階段298期間，邏輯控制器42響應縮鍛誤差信號142(圖7)經運動控制器36調製轉矩300，以便隨著焊接過程的前進匹配實際實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。即使在該減小縮鍛情況下，由於通過該可變焊接速度算法降低系統的起始能量270，來自驅動器24的轉矩作用會相對小並且以慣性樣本周期56的制動轉矩水平為中心。該減小的縮鍛326典型地會初始地追隨額定縮鍛302或慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88，直至焊接接近完成。由於主軸速度通過該可變焊接速度算法降低，該縮鍛減小的主軸減速328通常會平行於但低於額定減速304或樣本慣性周期56(圖3)的減速84。
在該減速328期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛326並且調製驅動轉矩300，以便試圖匹配如驅動轉矩300的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛326和修改的縮鍛設定值144。一旦主軸18達到零速度330，驅動器24命令對主軸18的零轉矩283。在零速度330下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力290(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段332，在此期間縮鍛326可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在加壓冷卻階段332結束時確定最終縮鍛位置334。可以根據零縮鍛位置288和最終縮鍛位置334之間的差計算生產焊的最終縮鍛336。該最終縮鍛和慣性生產周期120期間縮鍛326引起的滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛326以達到縮鍛形成規定量115。可變焊接速度算法的應用根據估計的起始能量修改焊接速度，從而使得對主軸驅動的依賴為最小以便消除為了生產帶有目標縮鍛形成的慣性焊所需的能量差。
仍參照圖8，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成大於選定靠模114中的縮鍛形成的轉矩調製和縮鍛目標慣性焊時，該可變焊接速度算法計算比額定情況下的對應速度大的起始焊接速度344和脫開速度352。這增加生產零件126、128就要接觸之前在該焊接系統的轉動部件中存儲的總能量。主軸18的加速到調整後的脫開速度352並且接著在不受驅動器24的影響下滑行到調整後的焊接速度344。一旦主軸18自然減速到調整後的焊接速度344，焊接系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有初始長度138。一旦發生會合面接觸，建立零縮鍛位置288。另外，當接觸出現時可以把軸向壓力建立到焊接壓力290。同時在此刻，驅動器24典型地對主軸18繼續命令零轉矩282。替代地，取決於靠模114的制動轉矩此刻驅動器可以施加正的或負的轉矩。
當達到開動縮鍛294或開動速度356時啟動縮鍛控制階段298。在該增大縮鍛情況下，和額定開動速度參數296相比，該可變焊接速度算法提高開動速度參數356。在縮鍛控制階段298期間，邏輯控制器42響應縮鍛誤差信號142(圖7)經運動控制器36調製轉矩300，以便隨著焊接過程的前進匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。即使在增大縮鍛情況下，由於通過可變焊接速度算法提高該系統的起始能量270，來自驅動器24的轉矩作用相對小並且以慣性樣本周期56的制動轉矩水平為中心。增大的縮鍛形成358典型地會追隨額定縮鍛形成302或慣性樣本周期56(圖3)期間經受的縮鍛形成88直到焊接接近完成。由於通過可變焊接速度算法提高主軸速度，該增大縮鍛的主軸減速350通常會平行於但高於額定減速304或樣本慣性周期56(圖3)的減速84。
減速350期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛358並且調製驅動轉矩300，以便試圖匹配如驅動轉矩300的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛358和修改的縮鍛設定值144。一旦主軸18達到零速度352，驅動器24命令對主軸18的零轉矩283。在零速度352下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力290(或縮鍛壓力)的保壓冷卻周期354，在此期間縮鍛358可繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段354結束時確定最終縮鍛位置356。可以根據零縮鍛位置288和最終縮鍛位置356之間的差計算該生產焊的最終縮鍛359。該最終縮鍛359和慣性生產周期120期間由縮鍛358引起的滑座30的位移有關。從而，慣性生產焊周期120控制縮鍛358以達到縮鍛形成規定量115。可變焊接速度算法的應用根據估計的起始能量修改焊接速度，從而使得對主軸驅動的依賴為最小以便為了生產帶有目標縮鍛形成的慣性焊提供所需的能量差。
上面連同形成生產慣性焊一起說明的方法可以接著予以重複以便批量地把任何數量的生產零件焊到一起。
參照圖7，焊接系統10(圖1)開始把一對生產零件126、128(圖1)慣性摩擦焊到一起以形成慣性生產焊118，其中本公開的可變焊接速度算法在慣性生產周期120期間調製壓力。操作員輸入例如縮鍛形成規定量115的焊接參數後，操作員對慣性生產周期120發出啟動命令360。
圖9示出目標縮鍛形成的三個例子，即額定縮鍛[ΔUpset＝0]、減小縮鍛[ΔUpset＜0]和增大縮鍛[ΔUpset＞0]。在靠模製動轉矩為零下示出所有三個例子。圖9為了在該圖中使焊接開始時間對齊在偏移它們關聯的時基情況下表示這三個慣性生產焊118。換言之，由於根據算出的起始能量270把這三個慣性生產焊118加速到不同的脫開速度，對時間標度進行了偏移以使每個慣性生產焊118的加速結束點在時間軸上的同一點上出現。
在額定縮鍛例子中，驅動器24施加轉矩362以把主軸加速到調整後的脫開速度366。一旦把主軸18加速到脫開速度並且驅動器24對主軸18命令零轉矩368，主軸18不受驅動器24的影響地自由轉動並且以取決於系統10中固有的慣性損耗和摩擦損耗的速率減速。一旦主軸18自然減速到預設定的焊接速度370，焊接系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使二個生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有組合長度138。隨著滑座30把二個生產零件126、128的會合面移到一起，該接觸造成主軸18的減速和縮鍛372的形成。一旦發生會合面接觸，建立零縮鍛位置374。另外，當出現接觸時可以把軸向壓力建立到焊接壓力376。仍在此刻，驅動器24典型地繼續對主軸18命令零轉矩368。替代地，此刻驅動器24可以根據靠模的制動(未示出)施加正的或負的轉矩。
由於二個生產零件126、128之間的摩擦焊轉矩，二個會合面的接觸在主軸18上施加轉矩負載。這造成主軸18在整個慣性生產周期120期間減速。在預先確定的「縮鍛速度」下，焊接系統10可以提高二個生產零件126、128上的軸向負載，並且從而提高「縮鍛壓力」(未示出)。
由於該慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成等於選定靠模中的縮鍛形成的壓力調製和縮鍛目標慣性焊，當達到開動縮鍛380或開動速度382時啟動縮鍛控制階段378。在該額定縮鍛情況下，邏輯控制器42響應縮鍛誤差142(圖7)通過滑座致動器32開始調製壓力376，以便隨著焊接過程的進展匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。由於和慣性樣本周期56相比目標縮鍛的改變為零，該可變焊接速度算法不調整初始焊接速度。縮鍛372典型地會追隨額定縮鍛384或慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88。主軸減速386典型地會追隨樣本慣性焊周期56的減速84(圖3)。
在減速386期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛384並且調製焊接壓力376，以便試圖匹配如壓力376的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛384和修改的縮鍛設定值144。一旦主軸18處於零速度390，驅動器24命令對主軸18的零轉矩369。零速度390下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力376(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段392，在此期間縮鍛384可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段392結束時確定最終縮鍛位置394。可以根據零縮鍛位置374和最終縮鍛位置394之間的差計算慣性生產焊的最終縮鍛396。最終縮鍛396和慣性生產周期120期間縮鍛384引起的滑座30的位移相關。從而，慣性生產焊周期120控制縮鍛384以達到縮鍛形成規定量115。
仍參照圖9，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成小於選定靠模114中的縮鍛形成的壓力調製和縮鍛目標慣性焊時，可變焊接速度算法計算要比額定情況中的對應速度小的起始焊接速度406和脫開速度404。這減少生產零件126、128就要接觸之前在該焊接系統的轉動部件中存儲的總能量。主軸18加速到調整後的脫開速度404並且接著在不受驅動器24的影響下滑行到調整後的焊接速度406。一旦主軸18自然減速到調整後的焊接速度406，焊接系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使二個生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有初始長度138。一旦發生二個會合面的接觸，建立零縮鍛位置374。另外，當該接觸出現時可以把軸向壓力建立到焊接壓力376。還在此刻，驅動器24典型地繼續對主軸18命令零轉矩282。替代地，驅動器24此刻可以根據靠模114的制動轉矩施加正的或負的轉矩。
當達到開動縮鍛380或開動速度408時啟動縮鍛控制階段378。在減小縮鍛情況下，和額定開動速度參數382相比，該可變焊接速度算法減小開動速度408。在縮鍛控制階段378期間，邏輯控制器42響應縮鍛誤差信號142(圖7)經運動控制器32開始調製轉矩376，以便隨著焊接過程的進展匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。即使在該減小縮鍛情況下，由於通過該可變焊接速度算法降低系統的起始能量270，壓力調整會相對於小並且以慣性樣本焊周期56的焊接壓力為中心。減小的縮鍛410典型地會追隨額定縮鍛384或慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛88，直到焊接接近完成。減小縮鍛的主軸減速412通常會平行於但是低於額定減速386或樣本慣性周期56的減速84(圖3)，這是因為該可變焊接速度算法降低主軸速度。
在該減速412期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛410並且調製驅動轉矩376，以便試圖匹配如驅動轉矩376的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛410和修改的縮鍛設定值142。一旦主軸18達到零速度414，驅動器24命令對主軸18的零轉矩369。在零速度414下，啟動其中按預定確定的時間保持焊接壓力376(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段416，在此期間縮鍛410可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段416結束時確定最終縮鍛位置418。可以根據零縮鍛位置374和最終縮鍛位置418之間的差計算生產焊的最終縮鍛420。最終縮鍛420和慣性生產周期120期間縮鍛410造成的滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛410以達到縮鍛形成規定量115。可變焊接速度算法的應用根據估計的起始能量修改焊接速度，從而使得對壓力變化的依賴為最小以便按照生產帶有目標縮鍛形成的慣性焊的需要控制縮鍛形成。
仍參照圖9，當慣性生產焊118是其中規定的縮鍛形成大於選定靠模114中的縮鍛形成的壓力調製和縮鍛目標慣性焊時，可變焊接速度算法計算要比額定情況下的對應速度大的起始焊接速度430和脫開速度248。這增加生產零件126、128就要接觸之前在該焊接系統的轉動部件中存儲的總能量。主軸18加速到調整後的脫開速度428並且接著在不受驅動器24的影響下自由滑行到調整後的焊接速度430。一旦主軸18自然減速到調整後的焊接速度430，焊接系統10命令滑座致動器32移動滑座30以使生產零件126、128的會合面接觸，其中當生產零件128和生產零件126接觸時生產零件126、128具有初始長度138。一旦發生會合面的接觸，建立零縮鍛位置374。另外，當出現該接觸時可以把軸向壓力建立到焊接壓力376。還在此刻，驅動器24典型地繼續命令對主軸18的零轉矩368。替代地，此刻驅動器24可以根據靠模114的制動轉矩施加正的或負的轉矩。
當達到開動縮鍛380或開動速度432時啟動縮鍛控制階段378。在增大縮鍛情況下，和額定開動速度參數382相比，可變焊接速度算法提高開動速度參數432。縮鍛控制階段378期間，邏輯控制器42響應縮鍛誤差信號142(圖7)通過滑座致動器32開始調製壓力376，以便隨著焊接過程的進展匹配實際縮鍛和修改的縮鍛設定值144。甚至在增大縮鍛情況下，由於通過可變焊接速度算法提高系統的起始能量270，壓力調整會相對小並且以慣性樣本焊周期56的焊接壓力為中心。增大的縮鍛形成434會典型地追隨額定縮鍛形成384或慣性樣本周期56(圖3)期間經歷的縮鍛形成88，直至焊接接近完成。增大縮鍛的主軸減速388通常會平行於但是大於額定減速386或樣本慣性周期56的減速84(圖3)，這是因為可變焊接速度算法提高了主軸速度。
減速388期間，邏輯控制器42反覆地比較修改的縮鍛設定值144和實際縮鍛434並且調製焊接壓力376，以便試圖匹配如該壓力的正弦振蕩指示那樣的實際縮鍛434和修改的縮鍛設定值144。一旦主軸18達到零速度438，驅動器24命令對主軸18的零轉矩369。在零速度438下，啟動其中按預先確定的時間保持焊接壓力376(或縮鍛壓力)的保壓冷卻階段440，在此期間縮鍛434可能繼續增加。滑座30停止向主軸18移動後在保壓冷卻階段440結束時確定最終縮鍛位置442。可以根據零件縮鍛位置374和最終縮鍛442之間的差計算該生產焊的最終縮鍛444。最終縮鍛444和慣性生產周期120期間縮鍛434引起滑座30的位移相關。從而，慣性生產周期120控制縮鍛434以達到縮鍛形成規定量115。可變焊接速度算法的應用根據估計的起始能量修改焊接速度，從而使得對壓力變化的依賴為最小以便按照生產帶有目標縮鍛形成的慣性焊的需要控制縮鍛形成。
上面連同形成生產慣性焊一起說明的方法可以接著予以重複以便批量地把任何數量的生產零件焊到一起。
在本調製縮鍛控制實現中，可以對允許的最低負載和最高負載設以限制。應從模型研究推出這些負載限制，以便確定不會犧牲焊接質量。另外，在可變焊接速度算法實現中，可以對允許的最小焊接速度和最大焊接速度設以限制。以應從模型研究推出這些焊接速度限制，以便確定不會犧牲焊接質量。
本公開中說明的這些技術在能讓操作員規定最終縮鍛形成的情況下生產產品是有用的。替代地，可以利用縮鍛目標技術控制慣性焊中的最終產品長度。為了應用壓力調製縮鍛控制或者應用轉矩調製縮鍛控制來控制慣性焊中的焊接產品最終長度，本公開可以把最終焊接長度定義為生產零件原始長度之和減去縮鍛。
可以在另一臺機器上預測量生產零件的組合長度並通過技術上已知的許多標準通信鏈路中的任何鏈路把尺寸信息傳送給摩擦焊機控制器。替代地，操作員可以人工地把該信息輸到CPU接口中。也可以在焊接周期期間動態地測量生產零件1和2的組合長度。因此，生產帶有目標縮鍛形成量的慣性焊的能力也使能實現生產帶有目標焊接零件最終長度的慣性焊的能力。本公開給出的所有算法和例子等同地應用於焊接零件最終長度目標。
儘管在附圖和上面的說明中詳細地示出和說明了本公開的概念。這些示出和說明當成是示例性的並不是文字限制的，應理解僅僅示出和說明了示範性例子並且期望通過下面闡述的權利要求書保護本公開的精神之內的所有改變和修改。
權利要求
1.一種慣性摩擦焊接方法，包括通過使一對樣本零件中的一個零件和主軸連接並使另一個樣本零件和滑座連接提供一對樣本零件；在造成該主軸轉動減速、該滑座朝該主軸移動以及一個樣本零件和另一個樣本零件之間的產生縮鍛形成的接觸下並且造成樣本焊的形成下，把該對樣本零件慣性摩擦焊到一起；在樣本焊形成期間採集和主軸的轉動減速以及和滑座的移動有關的數據；從採集的數據計算靠模；通過使一對生產零件中的一個零件和該主軸連接並使另一個生產零件和該滑座連接提供一對生產零件；規定該對生產零件要經受的縮鍛形成量；在造成該主軸轉動減速、該滑座朝該主軸移動以及一個生產零件和另一個生產零件之間的產生縮鍛形成的接觸下並且造成生產焊的形成下，把該對生產零件慣性摩擦焊到一起；根據樣本焊的最終縮鍛和該縮鍛形成規定量之間的差修改該靠模；計算該生產零件對的慣性摩擦焊造成的縮鍛形成和從該修改的靠模算出的縮鍛設定值之間的差；以及根據該算出的縮鍛差在該對生產零件的慣性摩擦焊期間調製對該對生產零件施加的輸入，從而控制該對生產零件的縮鍛形成以達到該縮鍛形成規定量。根據權利要求1的方法，其中調製該輸入包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間調製施加到該主軸上的轉矩。根據權利要求2的方法，其中該轉矩的調製控制該主軸的轉動減速以在該生產零件對的慣性摩擦焊期間控制縮鍛形成，從而達到該縮鍛形成規定量。根據權利要求1的方法，其中調製該輸入包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間調製施加到該滑座上的壓力。根據權利要求4的方法，其中調製該壓力影響該生產零件對的慣性摩擦焊期間的縮鍛形成速率，以達到該縮鍛形成規定量。根據權利要求1的方法，其中採集用於靠模的數據包括樣本焊的形成期間在不同的瞬刻測量該主軸的轉速。根據權利要求6的方法，其中採集用於靠模的數據包括樣本焊的形成期間在不同的瞬刻測量該滑座的位置，滑座位置和滑座移動是和該樣本零件對經歷的縮鍛形成相關的。根據權利要求1的方法，其中該靠模的計算包括作為樣本焊形成期間的主軸轉速的函數對樣本焊的縮鍛形成關係建模。根據權利要求8的方法，其中對樣本焊的縮鍛形成和樣本焊形成期間的主軸轉速關係進行建模包括對不同的主軸速度產生縮鍛設定值。根據權利要求9的方法，其中該靠模是通過主軸速度編索引的。根據權利要求10的方法，其中修改靠模包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間根據該靠模對生產焊形成期間的主軸當前速度規定的縮鍛設定值、樣本焊的最終縮鍛以及縮鍛形成規定量對主軸的每個速度索引產生修改的縮鍛設定值。根據權利要求11的方法，其中計算該生產零件對的慣性摩擦焊產生的縮鍛形成和從修改的靠模算出的縮鍛設定值之間的差，包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間各個瞬刻比較該生產零件對的縮鍛形成和該修改的靠模的各個縮鍛設定值。根據權利要求12的方法，其中調製該輸入還包括計算修改的靠模的縮鍛設定值和慣性生產焊的實際縮鍛形成之間的差以便產生誤差信號。根據權利要求13的方法，其中調製該輸入包括根據該誤差信號改變該輸入的幅值。根據權利要求1的方法，其中規定該生產零件對要經歷的縮鍛形成量包括預先測量生產零件的尺寸並且計算為達到焊好零件的規定最終目標長度所需的縮鍛量。一種慣性摩擦焊方法，包括通過使一對樣本零件中的一個零件和主軸連接並使另一個樣本零件和滑座連接，提供一對樣本零件，在造成該主軸轉動減速、該滑座朝該主軸移動以及一個樣本零件和另一個樣本零件之間的產生縮鍛形成的接觸下並且造成樣本焊的形成下，把該對樣本零件慣性摩擦焊到一起；在樣本焊形成期間採集和主軸的轉動減速以及和滑座的移動有關的數據；從採集的數據計算靠模；通過使一對生產零件中的一個零件和該主軸連接並使另一個生產零件和該滑座連接提供一對生產零件；規定該對生產零件要經受的縮鍛形成量；估計為達到該縮鍛形成規定量所需的起始能量；根據該起始能量調整脫開速度和焊接速度，以便在造成該主軸轉動減速、該滑座朝該主軸移動以及一個生產零件和另一個生產零件之間的產生縮鍛形成的接觸下並且造成生產焊的形成下啟動把該對生產零件慣性摩擦焊到一起；根據樣本焊的最終縮鍛和該縮鍛形成規定量之間的差修改該靠模；計算該對生產零件的慣性摩擦焊造成的縮鍛形成和從該修改的靠模算出的縮鍛形成之間的差，以及根據該算出的縮鍛差在該對生產零件的慣性摩擦焊期間調製對該對生產零件施加的輸入，從而控制該對生產零件的縮鍛形成以達到該縮鍛形成規定量。根據權利要求16的方法，其中估計達到該縮鍛形成規定量所需的起始能量，包括在不同的起始能量執行多個無縮鍛的受控焊接以及建立起始能量和所產生的最終縮鍛之間的經驗關係。根據權利要求17的方法，其中應用起始能量的步驟造成起始能量的增大或者起始能量的減小。根據權利要求18的方法，其中調整起始能量之後在生產零件的慣性摩擦焊的減速期間計算縮鍛誤差信號以便命令轉矩調製或者壓力調製。根據權利要求16的方法，其中調製該輸入包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間調製施加到該主軸上的轉矩。根據權利要求20的方法，其中該轉矩的調製控制該主軸的轉動減速，以在該生產零件對的慣性摩擦焊期間控制縮鍛形成從而達到該縮鍛形成規定量。根據權利要求16的方法，其中調製該輸入包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間調製施加到該滑座上的壓力。根據權利要求22的方法，其中調製該壓力影響該生產零件對的慣性摩擦焊期間的縮鍛形成速率，以達到該縮鍛形成規定量。根據權利要求16的方法，其中採集用於靠模的數據包括樣本焊的形成期間在不同的瞬刻測量該主軸的轉速。根據權利要求24的方法，其中採集用於靠模的數據包括樣本焊的形成期間在不同的瞬刻測量該滑座的位置，滑座位置和滑座移動是和該樣本零件對經歷的縮鍛形成相關的。根據權利要求16的方法，其中該靠模的計算包括作為樣本焊形成期間的主軸轉速的函數，對樣本焊的縮鍛形成關係建模。根據權利要求26的方法，其中對樣本焊的縮鍛形成和樣本焊形成期間的主軸轉速的關係進行建模包括對每個測量瞬刻產生縮鍛設定值。根據權利要求27的方法，其中該靠模是通過主軸速度編索引的。根據權利要求28的方法，其中修改靠模包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間根據該靠模對於生產焊形成期間的主軸當前速度的縮鍛設定值、樣本焊的最終縮鍛以及縮鍛形成規定量，對主軸的每個速度索引產生修改的縮鍛設定值。根據權利要求29的方法，其中為每個速度索引產生修改的縮鍛設定值包括通過在縮鍛形成可得到的百分比能量的基礎下使樣本焊和一產焊消耗的能量相等，由當前生產焊的主軸速度計算樣本焊靠模索引。根據權利要求30的方法，其中為每個速度索引產生修改的縮鍛設定值還包括在縮鍛所能消耗的能量的相等水平下，計算和樣本焊中產生的縮鍛成比例的修改的縮鍛設定值。根據權利要求29的方法，其中計算該生產零件對的慣性摩擦焊產生的縮鍛形成和從修改的靠模算出的縮鍛設定值之間的差，包括在該生產零件對的慣性摩擦焊期間各個瞬刻比較該生產零件對的縮鍛形成和該修改的靠模的各個縮鍛設定值。根據權利要求32的方法，其中調製該輸入還包括計算修改的靠模的縮鍛設定值和慣性生產焊的實際縮鍛形成之間的差，以便產生誤差信號。根據權利要求33的方法，其中調製該輸入包括根據誤差信號改變該輸入的幅值。根據權利要求16的方法，其中規定該生產零件對要經歷的縮鍛形成量，包括預先測量生產零件的尺寸並且計算為達到焊好零件的規定最終目標長度所需的縮鍛量。
全文摘要
一種能產生其中可以把最終縮鍛控制到操作員規定的目標上的慣性摩擦焊的慣性摩擦焊接方法和系統。該方法採用任何基於靠模的縮鍛控制技術，包括但不限於轉矩調製和壓力(負載)調製。該方法動態地修改靠模縮鍛設定值以便系統地驅動縮鍛的形成從而產生帶有目標縮鍛的焊接。本方法和系統還能產生其中可以把焊好零件的最終長度控制到操作員規定的目標上的慣性摩擦焊。該系統和關聯的方法包括慣性摩擦焊一對樣本零件以形成樣本焊同時採集和該樣本焊的形成關聯的數據。該系統和關聯的方法還包括利用樣本零件對的摩擦焊期間採集的靠模數據摩擦焊接一對生產零件從而形成生產焊以達到預定的縮鍛形成。
文檔編號B23K20/00GK101076426SQ200580033667
公開日2007年11月21日 申請日期2005年9月3日 優先權日2004年9月3日
發明者傑弗·羅維, 羅伯特·阿當姆斯, 迪特馬爾·斯平德勒, 丹·庫拉澤爾 申請人:製造技術公司