一、應(yīng)用概況

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW）是一種固態(tài)連接技術(shù)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊材料接觸產(chǎn)生摩擦熱，使材料局部塑性化并在攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下形成焊縫，無(wú)需填充材料和保護(hù)氣體，是焊接領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)。由主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力）、進(jìn)給系統(tǒng)（控制攪拌頭移動(dòng)軌跡）、工裝夾具（固定工件）等組成，可集成到機(jī)器人或?qū)Ｓ煤附訖C(jī)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

攪拌摩擦焊使用固態(tài)連接技術(shù)，焊縫區(qū)不熔化，避免了傳統(tǒng)熔焊的氣孔、裂紋、元素?zé)龘p等缺陷，接頭力學(xué)性能優(yōu)異（尤其是疲勞強(qiáng)度和韌性）?？珊附愉X合金、鎂合金、銅合金等輕金屬，也可用于鈦合金、鋼等材料的連接，尤其適合傳統(tǒng)熔焊難度大的高強(qiáng)鋁合金。焊接過(guò)程無(wú)弧光、煙塵、飛濺，無(wú)需填充材料和保護(hù)氣體，能耗低，符合環(huán)保要求。焊接過(guò)程可精確控制（如轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、壓力），接頭一致性好，適合批量生產(chǎn)。

攪拌摩擦焊憑借其獨(dú)特的固態(tài)連接優(yōu)勢(shì)，在輕量化制造領(lǐng)域具有不可替代的地位，目前已成為航空、汽車等行業(yè)的關(guān)鍵焊接技術(shù)之一。


二、系統(tǒng)方案

本文是基于邁信EP5S系列伺服主軸驅(qū)動(dòng)器在數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁笝C(jī)床上的應(yīng)用。

EP5S作為主軸驅(qū)動(dòng)單元，配合寶元EtherCAT總線數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)CNC程序控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡和加工參數(shù)，攪拌頭（由攪拌針和軸肩組成）高速旋轉(zhuǎn)（通常轉(zhuǎn)速為500-5000rpm），與被焊工件表面接觸，通過(guò)摩擦和塑性變形產(chǎn)生熱量，使接觸區(qū)域材料溫度升高（一般達(dá)到母材熔點(diǎn)的0.6-0.9倍），處于塑性軟化狀態(tài)。攪拌針插入工件接縫處，帶動(dòng)塑性化材料沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，軸肩則抑制材料溢出并壓實(shí)焊縫，最終使兩側(cè)材料在高溫高壓下擴(kuò)散連接，形成致密的固態(tài)焊縫。

攪拌摩擦焊機(jī)床已廣泛應(yīng)用于汽車制造、航天航空、軌道交通、新能源鋰電等行業(yè)的零部件加工制造。


三、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖片


機(jī)床本體


加工工件


電氣柜


四、機(jī)床工藝要求

攪拌摩擦焊對(duì)主軸的性能有極高要求，其設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足高扭矩輸出、精準(zhǔn)轉(zhuǎn)速控制、軸向力承載能力以及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等核心指標(biāo)，直接影響焊接質(zhì)量和效率。具體要求如下：

1、高扭矩與寬調(diào)速范圍
足夠大的輸出扭矩：攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)需克服材料塑性變形阻力，尤其是焊接厚板或高強(qiáng)度材料（如6系鋁合金、鈦合金）時(shí)，扭矩需求顯著增加（通常需500-5000N?m，視材料和板厚而定）。主軸需在低轉(zhuǎn)速下仍能保持高扭矩，避免焊接過(guò)程中因扭矩不足導(dǎo)致 “悶車” 或焊縫缺陷。
寬轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：不同材料（如鋁、鎂、銅）和焊接工藝參數(shù)（如板厚、接頭形式）對(duì)轉(zhuǎn)速要求差異大，主軸需支持500-10000rpm的無(wú)級(jí)調(diào)速，且轉(zhuǎn)速精度需控制在±1%以內(nèi)，確保摩擦熱量穩(wěn)定。

2、軸向力控制與承載能力
穩(wěn)定的軸向壓力輸出：焊接過(guò)程中，攪拌頭軸肩需對(duì)工件表面施加持續(xù)、均勻的軸向力（通常為5-50kN），以抑制材料溢出并壓實(shí)焊縫。主軸系統(tǒng)需具備精確的軸向力控制能力（精度±500N），并能根據(jù)焊接階段（如插入、焊接、退刀）動(dòng)態(tài)調(diào)整力值。
高軸向剛性：軸向力加載時(shí)，主軸的軸向變形量需極小（通常≤0.01mm/kN），否則會(huì)導(dǎo)致攪拌頭插入深度不穩(wěn)定，影響焊縫成形和接頭強(qiáng)度。

3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性
快速啟停與換向能力：針對(duì)復(fù)雜軌跡焊接（如曲線焊縫），主軸需能快速響應(yīng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向變化（啟停時(shí)間≤0.5 秒），避免焊縫過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)缺陷。
低振動(dòng)與高剛性：主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向跳動(dòng)需控制在0.01mm以內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致攪拌頭偏擺，引發(fā)焊縫兩側(cè)受力不均、飛邊過(guò)大等問(wèn)題。整體結(jié)構(gòu)需具備高剛性，抑制焊接過(guò)程中的顫振（尤其是高速旋轉(zhuǎn)時(shí)）。

4、熱管理與散熱能力
高效散熱設(shè)計(jì)：攪拌摩擦焊過(guò)程中，摩擦熱會(huì)通過(guò)攪拌頭傳導(dǎo)至主軸，若熱量積聚可能導(dǎo)致主軸軸承過(guò)熱、精度下降甚至損壞。主軸系統(tǒng)需集成水冷或油冷散熱裝置，確保工作溫度穩(wěn)定在60℃以下。

5、集成化與智能化接口
與控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)：主軸需支持實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速、扭矩、軸向力等參數(shù)，并能接收外部控制系統(tǒng)（如 PLC、機(jī)器人控制器）的指令，實(shí)現(xiàn)與進(jìn)給軸的同步運(yùn)動(dòng)（如焊接速度與轉(zhuǎn)速的匹配）。
故障診斷功能：具備過(guò)載保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)報(bào)警等功能，在扭矩異常、軸承過(guò)熱等情況時(shí)自動(dòng)停機(jī)，避免設(shè)備損壞和焊接缺陷。

6、耐用性與維護(hù)性
高耐磨性部件：主軸軸承需采用高精度角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，耐受高轉(zhuǎn)速和軸向力的長(zhǎng)期作用，使用壽命需滿足至少1000小時(shí)連續(xù)焊接（針對(duì)批量生產(chǎn)場(chǎng)景）。
易維護(hù)設(shè)計(jì)：關(guān)鍵部件（如軸承、密封件）需便于更換，減少停機(jī)維護(hù)時(shí)間。


五、調(diào)試步驟

第一步：安裝EP5S主軸驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī)，并確保接線正確。系統(tǒng)上電，確定EtherCAT通訊網(wǎng)絡(luò)正常。




第二步：主軸電機(jī)適配。搭配邁信成套主軸電機(jī)時(shí)，正確設(shè)置主軸電機(jī)代碼；搭配第三方電機(jī)時(shí)，使用EP5S自學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)識(shí)別主軸電機(jī)參數(shù)及慣量。

先通過(guò)Fn-2進(jìn)入單機(jī)模式，然后通過(guò)Fn6功能觸發(fā)異步電機(jī)離線參數(shù)辨識(shí)功能，完成對(duì)定子電阻，轉(zhuǎn)子電阻，互感，漏感的辨識(shí)。運(yùn)行Fn6功能后，使能燈亮，當(dāng)屏幕顯示DONE且使能燈滅時(shí)，辨識(shí)結(jié)束，辨識(shí)過(guò)程大概需要花費(fèi)半分鐘左右。辨識(shí)結(jié)束后，按后退鍵退出Fn6功能，此時(shí)可以通過(guò)P菜單査詢辨識(shí)的參數(shù)結(jié)果P702~P705，通過(guò)E-set保存該結(jié)果。



第三步：根據(jù)編碼器類型及安裝方式，確定電機(jī)與編碼器傳動(dòng)比例，正確設(shè)置編碼器線數(shù)及電子齒輪比相關(guān)參數(shù)。



第四步：旋轉(zhuǎn)主軸電機(jī)，確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向及編碼器旋轉(zhuǎn)方向，如反向可通過(guò)EP5S相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。



第五步：測(cè)試加工效果，可通過(guò)EP5S環(huán)路增益參數(shù)調(diào)整，以配合機(jī)床機(jī)械達(dá)到最優(yōu)的加工效果。




六、EP5S伺服主軸產(chǎn)品特點(diǎn)

1、功率型號(hào)：3.7kW、5.5kW、7.5kW、11kW、15kW
2、電壓等級(jí)：AC380V -15%~+10% 50/60Hz
3、控制方式：EtherCAT總線控制，支持位置、速度、扭矩控制模式
4、雙編碼器接口，全閉環(huán)控制。支持方波、正余弦、串口通信、旋變等形式編碼器信號(hào)輸入
5、支持同步/異步主軸電機(jī)控制
6、支持主軸電機(jī)參數(shù)及慣量自學(xué)習(xí)
7、窄體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)省安裝空間

8、直插自鎖式電源接線端子，接線簡(jiǎn)便快捷