基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法，该方法为：基于修正的单侧搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型构建镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型；构建输入包括焊接参数，输出分别为搅拌头初始转速、顶锻力、工件的温度场、从发出指令到顶锻力及工件的温度场达到下一个稳态值的响应时间的如下神经网络模型：初始转速预测模型、顶锻力预测模型、温度场预测模型、响应时间预测模型；构建输入包括顶锻力误差和顶锻力误差变化率，输出分别为下压量变化量和转速变化量的如下模糊控制器：下压量变化量模糊控制器和转速变化量模糊控制器，通过两模糊控制器控制下压量或搅拌头转速。本发明专利技术可实现镜像搅拌摩擦焊接稳定的温度

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法


[0001]本专利技术涉及搅拌摩擦焊接
，特别涉及一种基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法。

技术介绍

[0002]目前，自搅拌摩擦焊技术于1991年由英国焊接研究所专利技术以来，该技术因其焊接温度低、残余应力小，焊接过程不产生弧光、烟尘等污染，同时输入功率小，能降低生产成本等特点受到广泛关注，并被作为一种新型固态焊接技术被广泛应用于航空航天等各个领域。搅拌摩擦焊作为一项热力耦合的焊接技术，温度和顶锻力时刻影响着焊接区域的质量，温度用于软化材料，提高材料流动性，温度过高材料融化，影响焊缝强度；温度过低容易形成沟槽、孔洞等缺陷；顶锻力用于锻压软化后的材料，顶锻力过小，容易造成焊缝组织疏松、孔洞；顶锻力过大，容易造成飞边过大，焊缝减薄严重。所以控制焊接过程中稳定的温度和顶锻力，对于提供均匀稳定的焊缝质量、提高焊缝整体的强度具有重要意义。
[0003]随着搅拌摩擦焊控制技术的不断发展，在不破坏工具和工件的情况下，当前单侧搅拌摩擦焊进行温度
‑
顶锻力控制需用到温度及力测量仪器，这种精密仪器动辄几十甚至上百万，成本极高，且只能测量到表面温度。而镜像搅拌摩擦焊需用到两套相应的仪器，仪器成本直接翻倍，巨大的成本和温度测量方面极低的性价比严重阻碍了研究人员的脚步。如何获得一种成本低、能实现焊接区全温度监测的镜像搅拌摩擦焊温度
‑
顶锻力控制方法，实现焊接过程中稳定的温度和顶锻力，产生均匀稳定的焊缝质量，提高焊缝整体的强度，成为设计人员不断寻求解决的难题。

技术实现思路

[0004]针对现有的温度
‑
顶锻力控制成本高、只能测量表面温度的问题，本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法。
[0005]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法，包括如下步骤：
[0006]基于修正的单侧搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型构建镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型；构建输入包括焊接参数，输出分别为搅拌头初始转速、顶锻力、工件的温度场、从发出指令到顶锻力及工件的温度场达到下一个稳态值的响应时间的如下神经网络模型：初始转速预测模型、顶锻力预测模型、温度场预测模型、响应时间预测模型；构建输入包括顶锻力误差和顶锻力误差变化率，输出分别为下压量变化量和转速变化量的如下模糊控制器：下压量变化量模糊控制器和转速变化量模糊控制器；
[0007]利用镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型进行热力实验和变参数实验，采用实验获得的数据编制对应的训练样本，来训练初始转速预测模型、顶锻力预测模型、温度场预测模型及响应时间预测模型；
[0008]将上述顶锻力预测模型、温度场预测模型、响应时间预测模型组合构建数字孪生预测模型；
[0009]利用镜像运动约束和主动侧搅拌头的焊接轨迹得到从动侧搅拌头的焊接轨迹；将稳定焊接阶段的除转速、顶锻力外的焊接参数及设定的顶锻力输入至初始转速预测模型，得到搅拌头初始焊接转速；
[0010]镜像搅拌摩擦焊机器人根据主动侧及从动侧的搅拌头的焊接轨迹及搅拌头初始转速进行焊接作业，并将当前的焊接参数值反馈至数字孪生预测模型，由数字孪生预测模型预测输出如下数据：顶锻力、工件的温度场、从发出指令到顶锻力及工件的温度场达到下一个稳态值的响应时间；
[0011]镜像搅拌摩擦焊机器人根据数字孪生预测模型输出的上述数据，选择使用下压量变化量模糊控制器或者转速变化量模糊控制器，对应调节控制搅拌头下压量或搅拌头转速，从而控制搅拌头施加的顶锻力及工件的温度场。
[0012]进一步地，将顶锻力预测模型、温度场预测模型，按照焊接过程的如下三个阶段：下压阶段、停留阶段、稳定焊接阶段，均对应分为三个焊接阶段子模型。
[0013]进一步地，镜像搅拌摩擦焊机器人设有：转动平台，固定在转动平台的支架，安装在支架上的激光测距传感器；镜像搅拌摩擦焊机器人将对应不同焊接阶段的如下焊接参数值反馈至数字孪生预测模型：焊接阶段编号k、工件厚度t
h
、搅拌头主轴转速n、倾角q、下压速度v
d
、实际下压量h
s
、停留时间t
s
、焊接速度v
w
、焊接第k焊接阶段已经运行的时间t
rk
；其中：t
h
通过手动或仪器测量得到，t
rk
通过内部计时器得到，v
d
、v
w
通过G代码中设置的进给速度进行确定，n通过主轴转速反馈得到，t
s
为设定值；
[0014]k:表示搅拌摩擦焊接过程中三个不同焊接阶段编号，k取值1、2、3，1表示下压阶段，2表示停留阶段，3表示稳定焊接阶段；
[0015]通过电机带动转台，从而使支架上的激光测距传感器转动，由激光测距传感器测量的数据拟合一个顶部被平面切过的圆锥体，其底部直径和母线倾角已知，利用过轴线的平面切过该物体，切面的二维图形的两个顶点的高之和的50％即为轴线长度c；当轴线长度c等于激光发射点沿刀轴方向到搅拌头顶面的距离H时，k取1，开始下压阶段；
[0016]当轴线长度为H
‑
v时，到达下压量h，其中：v＝l+h/cos(q)，l为搅拌针长度；k取2，开始停留阶段；
[0017]k取2后开始计时，计时到t
s
时，k取3，开始焊接阶段；
[0018]q：倾角，激光测距传感器旋转一周拟合出一个传感器坐标系下的平面，平面法线与传感器坐标系z轴所在直线之间较小的夹角；
[0019]h
s
：通过激光测距传感器获得实际下压量，h
s
＝(H
‑
c
‑
l)*cos(q)。
[0020]进一步地，顶锻力预测模型的各焊接阶段子模型的训练输入数据包括：焊接第k焊接阶段已经运行的时间t
rk
、工件厚度t
h
、搅拌头主轴转速n、倾角q、下压速度v
d
、下压量h、停留时间t
s
、焊接速度v
w
。
[0021]进一步地，温度场预测模型的各焊接阶段子模型的训练输入数据包括：焊接第k焊接阶段已经运行的时间t
rk
、工件厚度t
h
、搅拌头主轴转速n、倾角q、下压速度v
d
、下压量h、停留时间t
s
、焊接速度v
w
，以及镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型中的沿厚度方向的网格层序号i；训练输出数据为对应镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型中，以搅拌头为中心的长宽为
W的正方形区域中，沿厚度方向的第i层网格的温度数据。
[0022]进一步地，响应时间预测模型的训练输入数据包括：工件厚度t
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：基于修正的单侧搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型构建镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型；构建输入包括焊接参数，输出分别为搅拌头初始转速、顶锻力、工件的温度场、从发出指令到顶锻力及工件的温度场达到下一个稳态值的响应时间的如下神经网络模型：初始转速预测模型、顶锻力预测模型、温度场预测模型、响应时间预测模型；构建输入包括顶锻力误差和顶锻力误差变化率，输出分别为下压量变化量和转速变化量的如下模糊控制器：下压量变化量模糊控制器和转速变化量模糊控制器；利用镜像搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型进行热力实验和变参数实验，采用实验获得的数据编制对应的训练样本，来训练初始转速预测模型、顶锻力预测模型、温度场预测模型及响应时间预测模型；将上述顶锻力预测模型、温度场预测模型、响应时间预测模型组合构建数字孪生预测模型；利用镜像运动约束和主动侧搅拌头的焊接轨迹得到从动侧搅拌头的焊接轨迹；将稳定焊接阶段的除转速、顶锻力外的焊接参数及设定的顶锻力输入至初始转速预测模型，得到搅拌头初始焊接转速；镜像搅拌摩擦焊机器人根据主动侧及从动侧的搅拌头的焊接轨迹及搅拌头初始转速进行焊接作业，并将当前的焊接参数值反馈至数字孪生预测模型，由数字孪生预测模型预测输出如下数据：顶锻力、工件的温度场、从发出指令到顶锻力及工件的温度场达到下一个稳态值的响应时间；镜像搅拌摩擦焊机器人根据数字孪生预测模型输出的上述数据，选择使用下压量变化量模糊控制器或者转速变化量模糊控制器，对应调节控制搅拌头下压量或搅拌头转速，从而控制搅拌头施加的顶锻力及工件的温度场。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法，其特征在于，将顶锻力预测模型、温度场预测模型，按照焊接过程的如下三个阶段：下压阶段、停留阶段、稳定焊接阶段，均对应分为三个焊接阶段子模型。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的镜像搅拌摩擦焊温度及顶锻力控制方法，其特征在于，镜像搅拌摩擦焊机器人设有：转动平台，固定在转动平台的支架，安装在支架上的激光测距传感器；镜像搅拌摩擦焊机器人将对应不同焊接阶段的如下焊接参数值反馈至数字孪生预测模型：焊接阶段编号k、工件厚度t
h
、搅拌头主轴转速n、倾角q、下压速度v
d
、实际下压量h
s
、停留时间t
s
、焊接速度v
w
、焊接第k焊接阶段已经运行的时间t
rk
；其中：t
h
通过手动或仪器测量得到，t
rk
通过内部计时器得到，v
d
、v
w
通过G代码中设置的进给速度进行确定，n通过主轴转速反馈得到，t
s
为设定值；k:表示搅拌摩擦焊接过程中三个不同焊接阶段编号，k取值1、2、3，1表示下压阶段，2表示停留阶段，3表示稳定焊接阶段；通过电机带动转台，从而使支架上的激光测距传感器转动，由激光测距传感器测量的数据拟合一个顶部被平面切过的圆锥体，其底部直径和母线倾角已知，利用过轴线的平面切过该物体，切面的二维图形的两个顶点的高之和的50％即为轴线长度c；当轴线长度c等于激光发射点沿刀轴方向到搅拌头顶面的距离H时，k取1，开始下压阶段；
当轴线长度为H
‑
v时，到达下压量h，其中：v＝l+h/cos(q)，l为搅拌针长度；k取2，开始停留阶段；k取2后开始计时，计时到t
s
时，k取3，开始焊接阶段；q：倾角，激光测距传感器旋转一周拟合出一个传感器坐标系下的平面，平面法线与传感器坐标系z轴所在直线之间较小的夹角；h
s
：通过激光测距传感器获得实际下压量，h
s
＝(H
‑
c
‑
l)*cos(q)。4.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖聚亮，王能，王铭礼，马世骏，牛一凡，朱林，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：