搅拌摩擦焊机及其控制方法技术领域
本发明涉及一种摩擦焊机，具体涉及一种搅拌摩擦焊机，还涉及这种搅拌摩擦焊
机的控制方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是基于摩擦焊技术的原理，由英国焊
接研究所于1991年发明的一种固相连接技术。高速旋转的搅拌头压入被焊工件，搅拌头的
轴肩和搅拌针与周围的金属材料发生摩擦产生摩擦热，摩擦热使搅拌头附近区域的母材受
热而发生塑性变形，随着搅拌头沿着焊接方向前进，热塑化的金属随着搅拌头的搅动由前
部转移到后部，并且在搅拌头轴肩的锻压作用下实现被焊金属之间的固相连接。在现有技
术中，驱动搅拌头插入待焊工件有两种方式：滚珠丝杠驱动和液压驱动。
文献1“授权公告号是CN202763278U的中国实用新型专利”公开了一种搅拌摩擦焊
机，包括龙门刀架、垂直丝杠、垂直升降变速箱，龙门刀架直立的两边上设有垂直丝杠，垂直
丝杠一端与所述垂直升降变速箱连接。该技术虽然能通过龙门刀架两边的滚珠丝杠调节主
轴箱的轴向高度，控制搅拌头的轴向进给位移，然而滚珠丝杠易磨损，长时间使用精度无法
保证。主轴箱整体质量大，运动过程中惯性大。所以通过驱动电机-垂直升降变速箱-垂直丝
杠-主轴箱来调节搅拌头的位移和压力，系统响应速度慢，难以实现搅拌头的位移、压力的
精确闭环控制。
文献2“授权公告号是CN103273188B的中国发明专利”公开了一种二片式轮毂搅拌
摩擦焊装置，包括螺旋搅拌针、推力球轴承、推板、应变式力传感器、液压油缸、旋转压力轴、
游动花键以及变频调速电机，其中，所述螺旋搅拌针螺纹固定在旋转压力轴的第一端，旋转
压力轴的第二端贯穿液压油缸，第二端端部通过游动花键与变频调速电机相连接；所述旋
转压力轴的第一端设有推力球轴承，所述推力球轴承与液压油缸之间设有用于压力检测和
控制的应变式力传感器；所述推力球轴承外部设有推力球轴承座，所述推力球轴承座与应
变式力传感器之间设有用于传导压力的推板。该技术是针对片式轮毂的特定搅拌摩擦焊设
备，将整个液压系统(液压缸)集成在主轴箱内，主轴做成活塞杆，虽然能够通过液压驱动主
轴实现垂直进给运动，但由于作为活塞杆的主轴在轴向运动的同时又要做旋转运动，缸体
的密封性较差，会有漏油现象，产生泄露，从而难以实现搅拌头的位移、压力精确闭环控制。
发明内容
为了克服现有搅拌摩擦焊机控制精度差的不足，本发明提供一种搅拌摩擦焊机及
其控制方法。本发明将旋转与线性驱动力直接施加于搅拌轴上，带动搅拌头运动。旋转动子
与线性动子均固定于搅拌轴上，旋转定子通电后通过驱动旋转动子带动搅拌轴旋转，线性
定子通电后通过驱动线性动子带动搅拌轴做上下往复运动。利用线性定动子直接控制搅拌
轴的位移和压力，由于搅拌轴的质量和惯性比主轴箱的质量和惯性小得多，控制系统动态
响应速度快。在Z轴位移方向上先通过滚珠丝杠粗调主轴箱高度，在Zˊ轴位移方向上再通过
线性定动子精调搅拌轴高度，从而实现搅拌头位移与压力的精确闭环控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种搅拌摩擦焊机，其特点是：包括
搅拌头10、主轴箱7、横梁20、立柱21和底座28，所述搅拌轴15位于主轴箱7中部，所述搅拌头
10安装在搅拌轴15底部，搅拌轴15上下两端分别设置有线性旋转衬套17及止推轴承16；所
述搅拌轴15外设置有旋转动子铁芯8，旋转动子铁芯8两端设置有旋转动子绕组9；所述旋转
动子铁芯8对应设置有旋转定子铁芯2，旋转定子铁芯2两端设置有旋转定子绕组1；所述搅
拌轴15外还设置有线性动子铁芯12，线性动子铁芯12上开有外槽口，并嵌入铜制线性动子
导条11；所述线性动子铁芯12对应设置有线性定子铁芯5，线性定子铁芯5开有内槽口，内嵌
有线性定子绕组6；所述旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间、线性动子铁芯12与线性定子
铁芯5之间分别留有气隙19；所述旋转定子铁芯2与线性定子铁芯5外设置有冷却管4，冷却
管4两端连接有冷却液进口18与冷却液出口14；在所述搅拌轴15与旋转动子铁芯8之间、搅
拌轴15与线性动子铁芯12之间、旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间、线性动子铁芯12与
线性定子铁芯5之间分别设置有非磁性层13；在所述旋转动子铁芯8与线性动子铁芯12之
间、旋转定子铁芯2与线性定子铁芯5之间、旋转定子铁芯2与冷却管4之间、线性定子铁芯5
与冷却管4之间分别设置有电磁屏蔽层3；所述主轴箱7外设置有第三滚珠丝杠33；第三滚珠
丝杠33通过挂接装置34与横梁20固连；所述横梁20正下方设置有第一滑台25，第一滑台25
对应设置有第一滚珠丝杠24；所述第一滑台25下方设置有第二滑台27，第二滑台27对应设
置有第二滚珠丝杠26。
所述旋转动子铁芯8、旋转动子绕组9、旋转定子铁芯2与旋转定子绕组1分别在搅
拌轴15上下部各设置一组；所述线性动子铁芯12、线性定子铁芯5与线性定子绕组6在搅拌
轴15中部设置一组。
所述第一滚珠丝杠24、第二滚珠丝杠26、第三滚珠丝杠33分别由第一伺服电机35、
第二伺服电机29、第三伺服电机31驱动；所述第三滚珠丝杠33与第三伺服电机31之间还安
装有抱闸装置32。
在所述搅拌头10、搅拌轴15、第一滑台25处分别对应设置有角位移传感器22、线位
移传感器30及压力传感器23。
所述搅拌轴15由第一搅拌轴43和第二搅拌轴44构成，第二搅拌轴44上端固定设置
有游动花键42，游动花键42与游动花键套41相配合，游动花键套41固定设置在第一搅拌轴
43下端；所述第一搅拌轴43通过游动花键套41及游动花键42驱动第二搅拌轴44旋转进而使
搅拌头10旋转；所述第二搅拌轴44在游动花键42与游动花键套41之间留有的滑动空间内做
轴向往复运动，第一搅拌轴43保持轴向静止即第一搅拌轴43只做旋转运动不做轴向直线运
动，第二搅拌轴44既做旋转运动又做轴向直线运动。
一种上述搅拌摩擦焊机的控制方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、将待焊工件固定在第一滑台25上，第三伺服电机31驱动第三滚珠丝杠33
带动整个主轴箱7向下运动，线性动子铁芯12处于线性定子铁芯5的中间位置；
步骤二、给旋转定子绕组1通入三相交流电，旋转定子绕组1产生一个旋转磁场，静
止的旋转动子绕组9相对于旋转磁场开始运动，此时，旋转动子绕组9切割旋转磁场的磁力
线而产生感应电流，该感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转
矩驱动旋转动子铁芯8，及与旋转动子铁芯8固定连接的搅拌轴15一起沿着旋转磁场方向旋
转，旋转磁场的转速就是搅拌轴15的同步转速；变换输入旋转定子绕组1的电流频率及电压
控制搅拌轴15的转速；改变输入旋转动子绕组9交流电的相序改变旋转磁场的方向，从而控
制搅拌轴15的旋转方向；
步骤三、待搅拌头10将要接触待焊工件前，第三滚珠丝杠33停止运动，抱闸装置32
启动，第三滚珠丝杠33自锁并固定主轴箱7的高度位置；给线性定子绕组6通入三相交流电，
在气隙19中产生直线行波磁场，静止的线性动子导条11相对于行波磁场开始运动，此时线
性动子导条11切割行波磁场而产生感应电流，该感应电流与气隙19中的磁场相互作用产生
电磁推力，线性动子铁芯12及与线性动子铁芯12固定连接的搅拌轴15在电磁推力的作用下
一起做直线运动；变换输入线性定子绕组6的电流频率及电压控制搅拌轴15的直线运动速
度；改变输入线性动子绕组交流电的相序改变行波磁场的方向从而控制搅拌轴15的运动速
度；
步骤四、搅拌头10在搅拌轴15的带动下，旋转并向下插入待焊工件；线性旋转衬套
17使搅拌轴15在旋转运动的同时能够线性往复运动，止推轴承16在搅拌轴15轴向受力及间
隙过大时，限制搅拌轴15的运动范围，防止搅拌轴15轴向窜动过大；
步骤五、第一伺服电机35驱动第一滚珠丝杠24并带动第一滑台25做前后运动，实
现待焊工件在X轴方向上的进给运动，调节第一伺服电机35的转速和旋转方向控制待焊工
件的X轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤六、第二伺服电机29驱动第二滚珠丝杠26并带动第二滑台27及第一滑台25做
前后运动，实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动，调节第二伺服电机29的转速和旋转方向
控制待焊工件的Y轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤七、线位移传感器30、角位移传感器22和压力传感器23所采集的搅拌头10轴
向位移、转速和压力信息反馈到计算机，由计算机整合寻优后将指令发送到各个控制电机，
形成计算机闭环控制系统。
本发明的有益效果是：本发明将旋转与线性驱动力直接施加于搅拌轴上，带动搅
拌头运动。旋转动子与线性动子均固定于搅拌轴上，旋转定子通电后通过驱动旋转动子带
动搅拌轴旋转，线性定子通电后通过驱动线性动子带动搅拌轴做上下往复运动。利用线性
定动子直接控制搅拌轴的位移和压力，由于搅拌轴的质量和惯性比主轴箱的质量和惯性小
得多，控制系统动态响应速度快。在Z轴位移方向上先通过滚珠丝杠粗调主轴箱高度，在Zˊ
轴位移方向上再通过线性定动子精调搅拌轴高度，解决了搅拌头位移与压力的精确控制问
题。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明实施例1中搅拌摩擦焊机的主视图。
图2是本发明实施例1中搅拌摩擦焊机的右视图。
图3是本发明实施例1中搅拌摩擦焊机的主轴箱结构示意图。
图4是本发明实施例1中主轴箱气隙的局部放大图。
图5本发明实施例2中搅拌摩擦焊机的主轴箱结构示意图。
图6是本发明实施例3中搅拌摩擦焊机的主视图。
图7是本发明实施例3中搅拌摩擦焊机的右视图。
图8是本发明实施例3中搅拌摩擦焊机的主轴箱结构示意图。
图9是本发明实施例3中主轴箱气隙的局部放大图。
图10是本发明实施例4中搅拌摩擦焊机的主轴箱及旋转油缸结构示意图。
图中，1-旋转定子绕组，2-旋转定子铁芯，3-电磁屏蔽层，4-冷却管，5-线性定子铁
芯，6-线性定子绕组，7-主轴箱，8-旋转动子铁芯，9-旋转动子绕组，10-搅拌头，11-线性动
子导条，12-线性动子铁芯，13-非磁性层，14-冷却液出口，15-搅拌轴，16-止推轴承，17-线
性旋转衬套，18-冷却液进口，19-气隙，20-横梁，21-立柱，22-角位移传感器，23-压力传感
器，24-第一滚珠丝杠，25-第一滑台，26-第二滚珠丝杠，27-第二滑台，28-底座，29-第二伺
服电机，30-线位移传感器，31-第三伺服电机，32-抱闸装置，33-第三滚珠丝杠，34-挂接装
置，35-第一伺服电机，36-旋转油缸，37-伺服阀，38-活塞杆，39-旋转油缸固定装置，40-压
差传感器，41-游动花键套，42-游动花键，43-第一搅拌轴，44-第二搅拌轴。
具体实施方式
以下实施例参照图1-10。
实施例1：参照图1-4，本发明搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，包括搅拌头
10、主轴箱7、横梁20、立柱21、底座28，所述搅拌头10安装在搅拌轴15底部，搅拌轴15上下两
端设置有线性旋转衬套17及止推轴承16；所述搅拌轴15外固定设置有旋转动子铁芯8，旋转
动子铁芯8两端设置有旋转动子绕组9；所述旋转动子铁芯8对应设置有旋转定子铁芯2，旋
转定子铁芯2两端设置有旋转定子绕组1；所述搅拌轴15外还固定设置有线性动子铁芯12
(次级铁芯)，线性动子铁芯12上开有外槽口，并嵌入铜制线性动子导条11(次级导条)；所述
线性动子铁芯12对应设置有线性定子铁芯5(初级铁芯)，线性定子铁芯5开有内槽口，内嵌
有线性定子绕组6(初级绕组)；所述旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间、线性动子铁芯12
与线性定子铁芯5之间分别留有气隙19；所述旋转定子铁芯2与线性定子铁芯5外设置有冷
却管4，冷却管4两端连接有冷却液进口18与冷却液出口14；在所述搅拌轴15与旋转动子铁
芯8之间、搅拌轴15与线性动子铁芯12之间、旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间、线性动
子铁芯12与线性定子铁芯5之间分别设置有非磁性层13；在所述旋转动子铁芯8与线性动子
铁芯12之间、旋转定子铁芯2与线性定子铁芯5之间、旋转定子铁芯2与冷却管4之间、线性定
子铁芯5与冷却管4之间分别设置有电磁屏蔽层3。
所述主轴箱7外设置有第三滚珠丝杠33；第三滚珠丝杠33通过挂接装置34与横梁
20相连；所述横梁20正下方设置有第一滑台25，第一滑台25对应设置有第一滚珠丝杠24；所
述第一滑台25下方设置有第二滑台27，第二滑台27对应设置有第二滚珠丝杠26。
所述旋转动子铁芯8、旋转动子绕组9、旋转定子铁芯2与旋转定子绕组1分别在搅
拌轴15上下部各设置一组；所述线性动子铁芯12、线性定子铁芯5与线性定子绕组6在搅拌
轴15中部设置一组。
所述第一滚珠丝杠24、第二滚珠丝杠26、第三滚珠丝杠33分别由第一伺服电机35、
第二伺服电机29、第三伺服电机31驱动；所述第三滚珠丝杠33与第三伺服电机31之间还安
装有抱闸装置32。
在所述搅拌头10、搅拌轴15、第一滑台25处分别对应设置有角位移传感器22、线位
移传感器30及压力传感器23。
搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，其特点是该控制方法还包括以下步骤：
步骤1.将待焊工件固定在第一滑台25上，第三伺服电机31驱动第三滚珠丝杠33带
动整个主轴箱7向下运动，线性动子铁芯12处于线性定子铁芯5的中间位置；
步骤2.给旋转定子绕组1通入三相交流电，旋转定子绕组1产生一个旋转磁场，静
止的旋转动子绕组9相对于旋转磁场开始运动，此时，旋转动子绕组9将切割旋转磁场的磁
力线而产生感应电流，该感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁
转矩驱动旋转动子铁芯8及与其固定连接的搅拌轴15一起沿着旋转磁场方向旋转，旋转磁
场的转速就是搅拌轴15的同步转速；通过变换输入旋转定子绕组1的电流频率及电压来控
制搅拌轴15的转速；通过改变输入旋转动子绕组9交流电的相序以改变旋转磁场的方向从
而控制搅拌轴15的旋转方向；
步骤3.待搅拌头10将要接触待焊工件前，第三滚珠丝杠33停止运动，抱闸装置32
启动，第三滚珠丝杠33自锁并固定主轴箱7的高度位置；给线性定子绕组6通入三相交流电，
在气隙19中产生直线行波磁场，静止的线性动子导条11相对于行波磁场开始运动，此时线
性动子导条11将切割行波磁场而产生感应电流，该感应电流与气隙19中的磁场相互作用产
生电磁推力，线性动子铁芯12及与其固定连接的搅拌轴15在电磁推力的作用下一起做直线
运动；通过变换输入线性定子绕组6的电流频率及电压来控制搅拌轴15的直线运动速度；通
过改变输入线性动子绕组交流电的相序以改变行波磁场的方向从而控制搅拌轴15的运动
速度；
步骤4.搅拌头10在搅拌轴15的带动下，旋转并向下插入待焊工件；线性旋转衬套
17使搅拌轴15在旋转运动的同时又可以线性往复运动，止推轴承16在搅拌轴15轴向受力及
间隙过大时，限制搅拌轴15的运动范围，防止搅拌轴15轴向窜动过大；
步骤5.第一伺服电机35驱动第一滚珠丝杠24并带动第一滑台25做前后运动，从而
实现待焊工件在X轴方向上的进给运动，通过调节第一伺服电机35的转速和旋转方向即可
控制工件的X轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤6.第二伺服电机29驱动第二滚珠丝杠26并带动第二滑台27及第一滑台25做
前后运动，从而实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动，通过调节第二伺服电机29的转速和
旋转方向即可控制工件的Y轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤7.线位移传感器30、角位移传感器22、压力传感器23所采集的搅拌头10轴向
位移、转速、压力信息反馈到计算机，再由计算机整合寻优后将指令发送到各个控制电机，
从而形成计算机闭环控制系统。
实施例2：参照图5，在实施例1的基础上，主轴箱7内部结构及控制方法有所不同，
其余结构及控制方法相同。即将实施例1中的搅拌轴15分割为第一搅拌轴43和第二搅拌轴
44，第一搅拌轴43只做旋转运动不做轴向直线运动，第二搅拌轴44既做旋转运动又做轴向
直线运动。本发明搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，包括搅拌头10、主轴箱7、横梁20、
立柱21、底座28，所述搅拌头10安装在第二搅拌轴44底部，第二搅拌轴44上下两端设置有线
性旋转衬套17及止推轴承16；所述第二搅拌轴44外固定设置有线性动子铁芯12(次级铁
芯)，线性动子铁芯12上开有外槽口，并嵌入铜制线性动子导条11(次级导条)；所述线性动
子铁芯12对应设置有线性定子铁芯5(初级铁芯)，线性定子铁芯5开有内槽口，内嵌有线性
定子绕组6(初级绕组)；所述第二搅拌轴44上端固定设置有游动花键42，游动花键42与游动
花键套41相配合，游动花键套41固定设置在第一搅拌轴43下端；所述游动花键42与游动花
键套41之间留有供第二搅拌轴44轴向移动的滑动空间；所述第一搅拌轴43上下两端设置有
止推轴承16；所述第一搅拌轴43外固定设置有旋转动子铁芯8，旋转动子铁芯8两端设置有
旋转动子绕组9；所述旋转动子铁芯8对应设置有旋转定子铁芯2，旋转定子铁芯2两端设置
有旋转定子绕组1；所述旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间、线性动子铁芯12与线性定子
铁芯5之间分别留有气隙19；所述旋转定子铁芯2与线性定子铁芯5外设置有冷却管4，冷却
管4两端连接有冷却液进口18与冷却液出口14；在所述第一搅拌轴43与旋转动子铁芯8之
间、第二搅拌轴44与线性动子铁芯12之间、旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间、线性动子
铁芯12与线性定子铁芯5之间分别设置有非磁性层13；在所述旋转动子铁芯8与线性动子铁
芯12之间、旋转定子铁芯2与线性定子铁芯5之间、旋转定子铁芯2与冷却管4之间、线性定子
铁芯5与冷却管4之间分别设置有电磁屏蔽层3。
所述主轴箱7外设置有第三滚珠丝杠33；第三滚珠丝杠33通过挂接装置34与横梁
20相连；所述横梁20正下方设置有第一滑台25，第一滑台25对应设置有第一滚珠丝杠24；所
述第一滑台25下方设置有第二滑台27，第二滑台27对应设置有第二滚珠丝杠26。
所述第一滚珠丝杠24、第二滚珠丝杠26、第三滚珠丝杠33分别由第一伺服电机35、
第二伺服电机29、第三伺服电机31驱动；所述第三滚珠丝杠33与第三伺服电机31之间还安
装有抱闸装置32。
在所述搅拌头10、第二搅拌轴44、第一滑台25处分别对应设置有角位移传感器22、
线位移传感器30及压力传感器23。
搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，其特点是该控制方法还包括以下步骤：
步骤1.将待焊工件固定在第一滑台25上，第三伺服电机31驱动第三滚珠丝杠33带
动整个主轴箱7向下运动，线性动子铁芯12处于线性定子铁芯5的中间位置；
步骤2.给旋转定子绕组1通入三相交流电，旋转定子绕组1产生一个旋转磁场，静
止的旋转动子绕组9相对于旋转磁场开始运动，此时，旋转动子绕组9将切割旋转磁场的磁
力线而产生感应电流，该感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁
转矩驱动旋转动子铁芯8及与其固定连接的第一搅拌轴43一起沿着旋转磁场方向旋转，第
一搅拌轴43通过游动花键套41及游动花键42驱动第二搅拌轴44旋转进而使搅拌头10同步
旋转，旋转磁场的转速就是搅拌头10的同步转速；通过变换输入旋转定子绕组1的电流频率
及电压来控制搅拌头10的转速；通过改变输入旋转动子绕组9交流电的相序以改变旋转磁
场的方向从而控制搅拌头10的旋转方向；
步骤3.待搅拌头10将要接触待焊工件前，第三滚珠丝杠33停止运动，抱闸装置32
启动，第三滚珠丝杠33自锁并固定主轴箱7的高度位置；给线性定子绕组6通入三相交流电，
在气隙19中产生直线行波磁场，静止的线性动子导条11相对于行波磁场开始运动，此时线
性动子导条11将切割行波磁场而产生感应电流，该感应电流与气隙19中的磁场相互作用产
生电磁推力，线性动子铁芯12及与其固定连接的第二搅拌轴44在电磁推力的作用下一起做
直线运动；通过变换输入线性定子绕组6的电流频率及电压来控制第二搅拌轴44的直线运
动速度；通过改变输入线性动子绕组交流电的相序以改变行波磁场的方向从而控制第二搅
拌轴44的运动速度；
步骤4.搅拌头10在第二搅拌轴44的带动下，旋转并向下插入待焊工件；第二搅拌
轴44在游动花键42与游动花键套41之间留有的滑动空间内做轴向往复运动，从而第一搅拌
轴43保持轴向静止，第二搅拌轴44及线性动子铁芯12做轴向运动；线性旋转衬套17使第二
搅拌轴44在旋转运动的同时又可以线性往复运动，止推轴承16在第二搅拌轴44轴向受力及
间隙过大时，限制第二搅拌轴44的运动范围，防止第二搅拌轴44轴向窜动过大；
步骤5.第一伺服电机35驱动第一滚珠丝杠24并带动第一滑台25做前后运动，从而
实现待焊工件在X轴方向上的进给运动，通过调节第一伺服电机35的转速和旋转方向即可
控制工件的X轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤6.第二伺服电机29驱动第二滚珠丝杠26并带动第二滑台27及第一滑台25做
前后运动，从而实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动，通过调节第二伺服电机29的转速和
旋转方向即可控制工件的Y轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤7.线位移传感器30、角位移传感器22、压力传感器23所采集的搅拌头10轴向
位移、转速、压力信息反馈到计算机，再由计算机整合寻优后将指令发送到各个控制电机，
从而形成计算机闭环控制系统。
实施例3：参照图6-9，本发明搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，包括搅拌头
10、主轴箱7、横梁20、立柱21、底座28，所述搅拌头10安装在搅拌轴15底部，搅拌轴15上下两
端设置有线性旋转衬套17及止推轴承16；所述搅拌轴15外固定设置有旋转动子铁芯8，旋转
动子铁芯8两端设置有旋转动子绕组9；所述旋转动子铁芯8对应设置有旋转定子铁芯2，旋
转定子铁芯2两端设置有旋转定子绕组1；所述旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间留有气
隙19；所述旋转定子铁芯2外设置有冷却管4，冷却管4两端连接有冷却液进口18与冷却液出
口14；在所述搅拌轴15与旋转动子铁芯8之间、旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间分别设
置有非磁性层13；在所述旋转定子铁芯2与冷却管4之间设置有电磁屏蔽层3；所述搅拌轴15
上端通过活塞杆38与旋转油缸36相连，旋转油缸36外壁设置有旋转油缸固定装置39，旋转
油缸固定装置39设置于主轴箱7上。
所述主轴箱7及旋转油缸固定装置39外壁设置有第三滚珠丝杠33；第三滚珠丝杠
33通过挂接装置34与横梁20相连；所述横梁20正下方设置有第一滑台25，第一滑台25对应
设置有第一滚珠丝杠24；所述第一滑台25下方设置有第二滑台27，第二滑台27对应设置有
第二滚珠丝杠26。
所述第一滚珠丝杠24、第二滚珠丝杠26、第三滚珠丝杠33分别由第一伺服电机35、
第二伺服电机29、第三伺服电机31驱动；所述第三滚珠丝杠33与第三伺服电机31之间还安
装有抱闸装置32；所述旋转油缸36由伺服阀37控制。
在所述搅拌头10、搅拌轴15、伺服阀37的进油及回油管路处分别对应设置有角位
移传感器22、线位移传感器30及压差传感器40。
搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，其特点是该控制方法还包括以下步骤：
步骤1.将待焊工件固定在第一滑台25上，第三伺服电机31驱动第三滚珠丝杠33带
动整个主轴箱7向下运动，活塞杆38处于旋转油缸36的中间位置；
步骤2.给旋转定子绕组1通入三相交流电，旋转定子绕组1产生一个旋转磁场，静
止的旋转动子绕组9相对于旋转磁场开始运动，此时，旋转动子绕组9将切割旋转磁场的磁
力线而产生感应电流，该感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁
转矩驱动旋转动子铁芯8及与其固定连接的搅拌轴15一起沿着旋转磁场方向旋转(旋转油
缸36的活塞杆38也跟着转动)，旋转磁场的转速就是搅拌轴15的同步转速；通过变换输入旋
转定子绕组1的电流频率及电压来控制搅拌轴15的转速；通过改变输入旋转动子绕组9交流
电的相序以改变旋转磁场的方向从而控制搅拌轴15的旋转方向；
步骤3.待搅拌头10将要接触待焊工件前，第三滚珠丝杠33停止运动，抱闸装置32
启动，第三滚珠丝杠33自锁并固定主轴箱7的高度位置；液压油经伺服阀37进入旋转油缸36
内，驱动活塞杆38并带动搅拌轴15做直线运动；通过控制进入旋转油缸36内液压油流量控
制活塞杆38的进给速度进而达到控制搅拌头10插入被焊工件速度；通过伺服阀37调节搅拌
轴15的Zˊ轴进给方向，实现后退与前进；
步骤4.搅拌头10在搅拌轴15的带动下，旋转并向下插入待焊工件；线性旋转衬套
17使搅拌轴15在旋转运动的同时又可以线性往复运动(旋转油缸36的活塞杆38可以同时实
现旋转及线性运动)，止推轴承16在搅拌轴15轴向受力及间隙过大时，限制搅拌轴15的运动
范围，防止搅拌轴15轴向窜动过大；
步骤5.第一伺服电机35驱动第一滚珠丝杠24并带动第一滑台25做前后运动，从而
实现待焊工件在X轴方向上的进给运动，通过调节第一伺服电机35的转速和旋转方向即可
控制工件的X轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤6.第二伺服电机29驱动第二滚珠丝杠26并带动第二滑台27及第一滑台25做
前后运动，从而实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动，通过调节第二伺服电机29的转速和
旋转方向即可控制工件的Y轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤7.线位移传感器30、角位移传感器22、压差传感器40所采集的搅拌头10轴向
位移、转速、压力信息反馈到计算机，再由计算机整合寻优后将指令发送到各个控制电机，
从而形成计算机闭环控制系统。
实施例4：参照图10，在实施例3的基础上，主轴箱7内部结构及控制方法有所不同，
其余结构及控制方法相同。即将实施例3中的搅拌轴15分割为第一搅拌轴43和第二搅拌轴
44，第一搅拌轴43只做旋转运动不做轴向直线运动，第二搅拌轴44既做旋转运动又做轴向
直线运动。本发明搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，包括搅拌头10、主轴箱7、横梁20、
立柱21、底座28，所述搅拌头10安装在第二搅拌轴44底部，第二搅拌轴44上设置有线性旋转
衬套17；所述第一搅拌轴43外固定设置有旋转动子铁芯8，旋转动子铁芯8两端设置有旋转
动子绕组9；所述旋转动子铁芯8对应设置有旋转定子铁芯2，旋转定子铁芯2两端设置有旋
转定子绕组1；所述旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间留有气隙19；所述旋转定子铁芯2
外设置有冷却管4，冷却管4两端连接有冷却液进口18与冷却液出口14；在所述第一搅拌轴
43与旋转动子铁芯8之间、旋转动子铁芯8与旋转定子铁芯2之间分别设置有非磁性层13；在
所述旋转定子铁芯2与冷却管4之间设置有电磁屏蔽层3；所述第二搅拌轴44上端固定设置
有游动花键42，游动花键42与游动花键套41相配合，游动花键套41固定设置在第一搅拌轴
43下端；所述游动花键42与游动花键套41之间留有供第二搅拌轴44轴向移动的滑动空间；
所述游动花键42与活塞杆38固定连接，活塞杆38从具有中空结构的第一搅拌轴43内部穿过
与旋转油缸36相连，活塞杆38上设置有线性旋转衬套17；所述旋转油缸36外壁设置有旋转
油缸固定装置39，旋转油缸固定装置39设置于主轴箱7上。
所述主轴箱7及旋转油缸固定装置39外壁设置有第三滚珠丝杠33；第三滚珠丝杠
33通过挂接装置34与横梁20相连；所述横梁20正下方设置有第一滑台25，第一滑台25对应
设置有第一滚珠丝杠24；所述第一滑台25下方设置有第二滑台27，第二滑台27对应设置有
第二滚珠丝杠26。
所述第一滚珠丝杠24、第二滚珠丝杠26、第三滚珠丝杠33分别由第一伺服电机35、
第二伺服电机29、第三伺服电机31驱动；所述第三滚珠丝杠33与第三伺服电机31之间还安
装有抱闸装置32；所述旋转油缸36由伺服阀37控制。
在所述搅拌头10、第二搅拌轴44、伺服阀37的进油及回油管路处分别对应设置有
角位移传感器22、线位移传感器30及压差传感器40。
搅拌摩擦焊机及其位移、压力控制方法，其特点是该控制方法还包括以下步骤：
步骤1.将待焊工件固定在第一滑台25上，第三伺服电机31驱动第三滚珠丝杠33带
动整个主轴箱7向下运动，活塞杆38处于旋转油缸36的中间位置；
步骤2.给旋转定子绕组1通入三相交流电，旋转定子绕组1产生一个旋转磁场，静
止的旋转动子绕组9相对于旋转磁场开始运动，此时，旋转动子绕组9将切割旋转磁场的磁
力线而产生感应电流，该感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁
转矩驱动旋转动子铁芯8及与其固定连接的第一搅拌轴43一起沿着旋转磁场方向旋转(旋
转油缸36的活塞杆38也跟着转动)，第一搅拌轴43通过游动花键套41及游动花键42驱动第
二搅拌轴44旋转进而使搅拌头10同步旋转(旋转油缸36的活塞杆38也同时被游动花键42驱
动旋转)，旋转磁场的转速就是搅拌头10的同步转速；通过变换输入旋转定子绕组1的电流
频率及电压来控制搅拌头10的转速；通过改变输入旋转动子绕组9交流电的相序以改变旋
转磁场的方向从而控制搅拌头10的旋转方向；
步骤3.待搅拌头10将要接触待焊工件前，第三滚珠丝杠33停止运动，抱闸装置32
启动，第三滚珠丝杠33自锁并固定主轴箱7的高度位置；液压油经伺服阀37进入旋转油缸36
内，驱动活塞杆38并通过游动花键42带动第二搅拌轴44做直线运动；通过控制进入旋转油
缸36内液压油流量控制活塞杆38的进给速度进而达到控制搅拌头10插入被焊工件速度；通
过伺服阀37调节第一搅拌轴43的Zˊ轴进给方向，实现后退与前进；
步骤4.搅拌头10在第二搅拌轴44的带动下，旋转并向下插入待焊工件；线性旋转
衬套17使第二搅拌轴44在旋转运动的同时又可以线性往复运动(旋转油缸36的活塞杆38可
以同时实现旋转及线性运动)，止推轴承16在第一搅拌轴43轴向受力及间隙过大时，限制第
一搅拌轴43的运动范围，防止第一搅拌轴43轴向窜动过大；
步骤5.第一伺服电机35驱动第一滚珠丝杠24并带动第一滑台25做前后运动，从而
实现待焊工件在X轴方向上的进给运动，通过调节第一伺服电机35的转速和旋转方向即可
控制工件的X轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤6.第二伺服电机29驱动第二滚珠丝杠26并带动第二滑台27及第一滑台25做
前后运动，从而实现待焊工件在Y轴方向上的进给运动，通过调节第二伺服电机29的转速和
旋转方向即可控制工件的Y轴进给速度与方向，实现后退与前进；
步骤7.线位移传感器30、角位移传感器22、压差传感器40所采集的搅拌头10轴向
位移、转速、压力信息反馈到计算机，再由计算机整合寻优后将指令发送到各个控制电机，
从而形成计算机闭环控制系统。