振動摩擦焊接用電磁振動頭的驅(qū)動控制與實驗研究
李勇，崔友，張曉俊，陸永平
(哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：在設計了一種新型的電磁式振動頭的基礎(chǔ)上，研究了該振動頭的驅(qū)動控制方法，并采用sc0TT變換結(jié)構(gòu)利用三相變頻器實現(xiàn)了兩相對稱驅(qū)動：實驗結(jié)果證明了設計的正確性和控制電路的工程實用性。
關(guān)鍵詞：振動摩擦焊接；振動頭；驅(qū)動；scOTT
中國分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)01—0035—02
0引 言
振動摩擦焊接是一種利用電磁傳動裝置在兩熱塑性塑料零件之間產(chǎn)生相對運動，進而摩擦生熱以形成接頭的焊接方法：振動摩擦焊接速度較快，能用于焊接各式各樣的熱塑性塑料，尤其廣泛用于汽車行業(yè)和家用電器行業(yè)。采用振動摩擦焊接的兩塑料零件結(jié)合面在熔接設備作用下自動對齊，在壓力作用下形成牢固的焊接接頭，其接頭強度可達到母材自身強度。與其他焊接技術(shù)相比，該種焊接技術(shù)不需要另加焊料，而且利用了材料本身的物理特性，因此在異型塑料部件的無縫焊接中正得到越來越廣泛的應用。
振動摩擦焊接設備的核心部件是能夠產(chǎn)生高速往復運動的振動頭。****進的振動頭是采用電磁控制方式，振動頻率和振幅連續(xù)可調(diào)的電磁振動頭。文獻[6]中設計了一種振動摩擦焊接用的新型結(jié)構(gòu)的電磁式振動頭，對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，并進行了仿真分析。
本文采用scOTT變換技術(shù)，用一個三相變頻器實現(xiàn)了二相對稱驅(qū)動。進行了不同頻率、不同供電電壓下的振動控制實驗。實驗證明該振動頭和控制電路能夠滿足振動摩擦焊接的需要，具有廣泛的應用前景。1電磁振動頭工作原理及其對電路的要求電磁振動頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。中間的銜鐵通過剛度很強的彈性機構(gòu)與上蓋相連，同時銜鐵兩側(cè)對稱分布有控制電磁鐵。當電磁鐵線圈中依次通以電流時，銜鐵就被左右的電磁鐵依次吸引，從而帶動工件左右往復運動。當往復運動的頻率正好在沒備的諧振點時，在同樣的功率輸入情況下銜鐵帶動工件可以得到****振幅，獲得****的摩擦生熱效果。
根據(jù)文獻[6]，中間的銜鐵受到的總的電磁作用力為：
式中：f——通電電流的交變頻率；
Fp——單側(cè)產(chǎn)生的電磁力幅值；
Im——通電電流的幅值。
因此，根據(jù)系統(tǒng)設計，該振動頭的驅(qū)動控制電路必須要滿足如下要求：
(1)振動頭兩相繞組中的電流要對稱，即大小相等、相位相差90。
(2)根據(jù)相頻一幅頻控制策略，通電電流的頻率要連續(xù)可調(diào)，以便對振動頭的諧振點進行掃描；
(3)在諧振點處，通電電流幅值要連續(xù)可調(diào)，以便形成不同的振幅。
2 SCOTT變換與驅(qū)動電路設計
根據(jù)上述分析，采用特殊設計的兩相變頻器作驅(qū)動器是最合適的，但這樣的變頻器不是通用產(chǎn)品。如果選用一個通用的三相變頻器供電，則變頻器輸出的三相電壓為：
由于得到的二相電壓幅值相差√3倍，因此需要通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓幅值。供電系統(tǒng)實際接線如圖3所示，其中變頻器調(diào)節(jié)供電電壓的頻率，單相凋壓器為了調(diào)節(jié)線電壓的幅值，下側(cè)的繞組連接是為了取得線電壓的中點，且避免負載直接加在三相調(diào)壓器一相繞組上所造成的中點偏移。
根據(jù)上述控制電路設計了電磁振動頭的實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示，振動信號的測量采用了電渦流傳感器。電磁振動頭的具體參數(shù)為：支撐彈簧彈性系數(shù)k=7 500 000N／m，電磁鐵線圈匝數(shù)N=3(300 T，電磁鐵繞組電阻R=0.72 Ω，單邊****氣隙長度為2 mm。
3振動控制實驗
通過所述控制電路給電磁振動頭兩相繞組供電，在某一頻率下兩相電流及李薩如波形如圖5所示，證明控制系 |
