振動摩擦焊接用電磁振動頭的驅動控制與實驗研究
李勇，崔友，張曉俊，陸永平
(哈爾濱工業大學，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上，研究了該振動頭的驅動控制方法，并采用sc0TT變換結構利用三相變頻器實現了兩相對稱驅動：實驗結果證明了設計的正確性和控制電路的工程實用性。
關鍵詞：振動摩擦焊接；振動頭；驅動；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和家用電器行業。采用振動摩擦焊接的兩塑料零件結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。與其他焊接技術相比，該種焊接技術不需要另加焊料，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可調的電磁振動頭。文獻[6]中設計了一種振動摩擦焊接用的新型結構的電磁式振動頭，對其結構進行了優化設計，并進行了仿真分析。
本文采用scOTT變換技術，用一個三相變頻器實現了二相對稱驅動。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構示意圖如圖1所示。中間的銜鐵通過剛度很強的彈性機構與上蓋相連，同時銜鐵兩側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——單側產生的電磁力幅值；
Im——通電電流的幅值。
因此，根據系統設計，該振動頭的驅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)根據相頻一幅頻控制策略，通電電流的頻率要連續可調，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可調，以便形成不同的振幅。
2 SCOTT變換與驅動電路設計
根據上述分析，采用特殊設計的兩相變頻器作驅動器是最合適的，但這樣的變頻器不是通用產品。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，因此需要通過調壓器調節電壓幅值。供電系統實際接線如圖3所示，其中變頻器調節供電電壓的頻率，單相凋壓器為了調節線電壓的幅值，下側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壓器一相繞組上所造成的中點偏移。
根據上述控制電路設計了電磁振動頭的實驗系統，系統框圖如圖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為：支撐彈簧彈性系數k=7 500 000N／m，電磁鐵線圈匝數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，證明控制系統提供的兩相電壓是正交的，可以滿足電磁振動頭的要求。
外加不同的電壓，調節變頻器的輸出頻率，得到不同頻率點時系統的振動峰峰值曲線，如圖6所示。系統的諧振頻率點經測試在125 8 Hz，而出現峰值點的電流頻率約在125 Hz，對應振動信號的頻率是250 Hz，正好是諧振的兩倍頻，兩者是吻合的。
針對不同的被焊工件，可能要求不同的振動幅值。因此，需要在諧振點附近調節激振力的大小(即調節供電電壓)的方法來來調節振動的幅值。不同頻率下振動峰峰值與外加電壓的關系曲線，如圖7所示，也證明了在諧振點系統的振幅遠遠大于非諧振點。該曲線可以作為振幅控制的依據。
電磁振動頭在運行時，由于銜鐵的振動使氣隙發生變化，從而對電磁鐵繞組電流產生影響，進而影響電磁力特性。很顯然，這種影響在諧振點振幅****時影響****。供電頻率分別為90 Hz、125 Hz、140Hz時的電流波形如圖8所示。可見，由于銜鐵的位移變化引起繞組電流發生畸變的主要成分為三次諧波，而且隨著頻率的變化，三次諧波的幅值和相位關系也發生了變化，產生了不同的畸變電流。  4結語
本文研究了直線式電磁振動頭的驅動控制問題，采用SCCllT變換技術，用一個三相變頻器實現了振動頭兩相繞組的對稱驅動。測試了不同頻率和不同供電電壓下的振動控制特性，得到了振動峰峰與控制電壓的關系曲線。實驗結果證明，在二階諧振點處系統可以獲得足夠的振幅，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。
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