本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量的装置。
背景技术：
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，它是通过高速旋转的搅拌头与被焊接材料表面产生的摩擦热实现焊接的。搅拌摩擦焊焊接过程中，搅拌头旋转着插入被焊工件，搅拌头与母材之间摩擦生热，使母材热塑化，当搅拌头沿着待焊界面移动时，塑化材料由搅拌头前进侧向后部移动，并在搅拌头的轴向锻造作用下实现固相连接。该技术具有同态连接、成本低、焊接过程无污染的显著特点，已经广泛应用于航空航天、造船、汽车、铁路等工业领域。搅拌摩擦焊接过程主要包括四个阶段：插入、预热、前进和回抽，每个阶段所需的压力和摩擦扭矩也是变化。最大压力和最大扭矩出现在轴肩与被焊材料接触的瞬间，即插入阶段结束预热阶段开始的时候；预热阶段结束时是压力和扭矩降到最低的时刻。前进阶段由于焊接材料表面温度的变化或其他过程变量的变化会导致轴向压力变化较大，从而导致不一致的焊缝显微组织和抗拉强度。因此，如何精确控制和优化焊接工艺参数，合理控制搅拌摩擦焊过程中的压力和摩擦扭矩是决定焊接质量的关键所在。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供了一种能够在焊接过程中对搅拌头作用于焊接材料表面的轴向压力和扭矩进行实时测量，通过调节搅拌头的下压位移量来实现对压力和摩擦扭矩的控制。可测量动态压力、扭矩和静态压力、扭矩，且可以适应长时间，高转速工作要求的用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量的装置。
本发明采取的技术方案是：一种用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量装置，其特征在于：包括在线采集与处理模块、信号显示与通讯模块以及上位机模块，在线采集与处理模块输出端接于信号显示与通讯模块输入端，信号显示与通讯模块输出端接于上位机模块的输入端；
所述的在线采集与处理模块包括机床主轴箱机头法兰、主轴、法兰螺钉、刀柄、固定部分、旋转部分、轴套、第一紧定螺钉、搅拌头、第二紧定螺钉、刀柄螺钉、通讯接口以及黏贴应变片区域；刀柄顶部接于主轴，主轴外为机床主轴箱机头法兰，固定部分通过法兰螺钉固定安装在机床主轴箱机头法兰上；旋转部分在固定部分内侧通过刀柄螺钉固定在刀柄上，随刀柄一起旋转，且固定部分外侧设有通讯接口；内凹的黏贴应变片区域在刀柄下侧一周，刀柄在黏贴应变片区域采用小外径且中间空腔的轴结构，以提高测量的灵敏度和精度，并兼顾刀柄的强度和刚度；搅拌头通过第一紧定螺钉与轴套连接固定，轴套通过第二紧定螺钉与刀柄下端连接固定；
所述的信号显示与通讯模块封装在显示仪内，包括连线端子板、单片机处理单元、压力和扭矩液晶显示屏、压力和扭矩设定阈值液晶显示屏、红色报警显示灯、usb口、高频电缆以及高频线缆；连线端子板输出端接于单片机处理单元的输入端，单片机处理单元的输出端同时接于压力和扭矩液晶显示屏、压力和扭矩设定阈值液晶显示屏、红色报警显示灯和usb口；通讯接口通过高频电缆与连线端子板连接；
所述的上位机模块通过高频线缆与usb口连接，根据传输协议进行通讯，将压力和扭矩测量值传输给上位机进行存储，通讯码为16进制码。
作为一种优选的技术方案：所述的在线采集与处理模块包括两个信号实时传感单元，直接嵌入到连接搅拌头的刀柄上，实时获取检测信号并处理，将检测信号转成压力和扭矩数值信息.
作为一种优选的技术方案：所述的旋转部分包括：稳压电源单元即应变桥、放大器、单片机处理单元；放大器单元即对应变信号进行放大、去毛刺、零点设置，输出与应变相对应的电压；单片机处理单元，将电压信号转换为数字信号，再通过耦合线圈来输出；所述的固定部分包括激磁电源单元，即固定部分电路供电，也通过激励电源驱动耦合线圈为旋转部分提供能量，同时通过耦合线圈接收压力和扭矩数字信号；单片机处理单元为激励电源提供激励信号，将耦合过来的数字信号通过通讯接口输出。
作为一种优选的技术方案：所述的通讯接口为rs485通讯接口；所述的高频电缆12包括供电电缆和rs485通讯电缆。
作为一种优选的技术方案：所述的刀柄与主轴的连接锥面适用于不同型号的机床主轴。
作为一种优选的技术方案：用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量装置的测试方法包括如下步骤：
步骤一装置的连接与预热：在线采集与处理模块通过高频电缆与显示仪连接，显示仪与上位机通过usb口连接，整套装置连接好后通电，显示仪上压力和扭矩显示屏显示当前压力值和扭矩值，在开始测量前，仪器装置预热30分钟；
步骤二调试：显示仪与上位机之间建立通讯，开始传输数据；
步骤三参数设置：预先对扭矩、压力的零点和阈值进行设定；
步骤四开始测定：启动机床，实时监测数据并存储；
步骤五层完成，停止传输数据。
本发明的有益效果是：（1）能够在焊接过程中对搅拌头作用于焊接材料表面的轴向压力和扭矩进行实时测量，通过调节搅拌头的下压位移量来实现对压力和摩擦扭矩的控制；(2)可测量动态压力、扭矩和静态压力、扭矩，测量时与搅拌头是否旋转，转速和转向无关；（3）本测量装置的能源及信号的传递都采用了非接触的方式，可以适应长时间，高转速的工作要求；（4）本发明结构紧凑，安装方便、实用可靠，实现了搅拌摩擦焊过程中压力和扭矩的实时检测和显示，为实现定压力或定扭矩焊接加工提供了检测方法，检测的压力和扭矩数据实时存储于上位机中，完成了全焊接过程的压力和扭矩的可追溯。
附图说明
图1为本发明装置总体结构示意图；
图中：机床主轴箱机头法兰1、主轴2、法兰螺钉3、刀柄4、固定部分5、旋转部分6、轴套7、第一紧定螺钉8、搅拌头9、第二紧定螺钉10、显示仪11、高频电缆12、刀柄螺钉13、上位机14、高频线缆15、通讯接口16、黏贴应变片区域17。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
参考附图，一种用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量装置，包括在线采集与处理模块、信号显示与通讯模块以及上位机模块，在线采集与处理模块输出端接于信号显示与通讯模块输入端，信号显示与通讯模块输出端接于上位机模块的输入端；
所述的在线采集与处理模块包括机床主轴箱机头法兰1、主轴2、法兰螺钉3、刀柄4、固定部分5、旋转部分6、轴套7、第一紧定螺钉8、搅拌头9、第二紧定螺钉10、刀柄螺钉13、通讯接口16以及黏贴应变片区域17；刀柄4顶部接于主轴2，主轴2外为机床主轴箱机头法兰1，固定部分5通过法兰螺钉3固定安装在机床主轴箱机头法兰1)上；旋转部分6在固定部分5内侧通过刀柄螺钉13固定在刀柄4上，随刀柄4一起旋转，且固定部分5外侧设有通讯接口16；内凹的黏贴应变片区域17在刀柄4下侧一周，刀柄4在黏贴应变片区域17采用小外径且中间空腔的轴结构，以提高测量的灵敏度和精度，并兼顾刀柄4的强度和刚度；搅拌头9通过第一紧定螺钉8与轴套7连接固定，轴套7通过第二紧定螺钉10与刀柄4下端连接固定；
所述的信号显示与通讯模块为压力和扭矩信号数字量液晶显示和与上位机的通讯传输，并具有阈值监控报警功能，当压力或者扭矩达到设置阈值时报警提醒；信号显示与通讯模块封装在显示仪11内，包括连线端子板、单片机处理单元、压力和扭矩液晶显示屏、压力和扭矩设定阈值液晶显示屏、红色报警显示灯、usb口、高频电缆12以及高频线缆15；连线端子板输出端接于单片机处理单元的输入端，单片机处理单元的输出端同时接于压力和扭矩液晶显示屏、压力和扭矩设定阈值液晶显示屏、红色报警显示灯和usb口；通讯接口16通过高频电缆12与连线端子板连接；单片机处理单元用于处理通讯接口16获取的压力和扭矩信号，将信号提供给液晶显示屏和阈值输出口；液晶显示屏实时显示测量的压力和扭矩信号数值；阈值输出口，用户根据需要设定阈值，即压力阈值和扭矩阈值，如果其中一种达到设置阈值时，继电器吸合，红色报警显示灯显示提示；压力和扭矩设定阈值液晶显示屏显示设定的压力和扭矩阈值大小；usb口通过高频线缆15与上位机14连接，根据传输协议进行通讯，将压力和扭矩测量值传输给上位机进行存储，通讯码为16进制码。
所述的上位机模块通过高频线缆15与usb口连接，根据传输协议进行通讯，将压力和扭矩测量值传输给上位机进行存储，通讯码为16进制码。
所述的在线采集与处理模块包括两个信号实时传感单元，直接嵌入到连接搅拌头9的刀柄(4)上，实时获取检测信号并处理，将检测信号转成压力和扭矩数值信息.
所述的旋转部分6包括：稳压电源单元即应变桥、放大器、单片机处理单元；放大器单元即对应变信号进行放大、去毛刺、零点设置，输出与应变相对应的电压；单片机处理单元，将电压信号转换为数字信号，再通过耦合线圈来输出；所述的固定部分5包括激磁电源单元，即固定部分电路供电，也通过激励电源驱动耦合线圈为旋转部分6提供能量，同时通过耦合线圈接收压力和扭矩数字信号；单片机处理单元为激励电源提供激励信号，将耦合过来的数字信号通过通讯接口16输出。
所述的通讯接口16为rs485通讯接口；所述的高频电缆12包括供电电缆和rs485通讯电缆。
所述的刀柄4与主轴2的连接锥面适用于不同型号的机床主轴。
参考附图详细数码本发明中用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量装置的测试方法的具体实施步骤
步骤一装置的连接与预热：在线采集与处理模块通过高频电缆12与显示仪11连接，显示仪11与上位机14通过usb口连接，整套装置连接好后通电，显示仪11上压力和扭矩显示屏显示当前压力值和扭矩值，在开始测量前，仪器装置预热30分钟；
步骤二调试：显示仪11与上位机14之间建立通讯，开始传输数据；
步骤三参数设置：扭矩“零点”设置：主轴处于静止和搅拌头不受力状态时，进行校准：设置扭矩“零点”；
压力“零点”设置：主轴处于静止和搅拌头不受力状态时，进行校准：设置压力“零点”；
设置扭矩阈值：进行显示仪扭矩阈值液晶显示屏显示设置数值；
设置压力阈值：进行显示仪压力阈值液晶显示屏显示设置数值；
步骤四开始测定：启动机床，机床主轴2旋转并下移，当搅拌头9与焊接材料接触时，压力和扭矩液晶显示屏分别实时显示压力和扭矩测量数值；根据设计要求，当压力或者扭矩接近设定阈值时，主轴2下降速度减小，到达阈值时，主轴2立刻停止下移，实现定压力或定扭矩焊接加工；并实时传输压力和扭矩测量数值给上位机进行存储，完成全焊接过程的数据存储；
步骤五层完成，停止传输数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。