迈信EP5S伺服主轴在数控搅拌摩擦焊机床上的应用

搅拌摩擦焊使用固态连接技术，焊缝区不熔化，避免了传统熔焊的气孔、裂纹、元素烧损等缺陷，接头力学性能优异（尤其是疲劳强度和韧性）。可焊接铝合金、镁合金、铜合金等轻金属，也可用于钛合金、钢等材料的连接，尤其适合传统熔焊难度大的高强铝合金。焊接过程无弧光、烟尘、飞溅，无需填充材料和保护气体，能耗低，符合环保要求。焊接过程可精确控制（如转速、进给速度、压力），接头一致性好，适合批量生产。

搅拌摩擦焊凭借其独特的固态连接优势，在轻量化制造领域具有不可替代的地位，目前已成为航空、汽车等行业的关键焊接技术之一。

一、系统方案

本文是基于迈信EP5S系列伺服主轴驱动器在数控搅拌摩擦焊机床上的应用。

EP5S作为主轴驱动单元，配合宝元EtherCAT总线数控系统，通过CNC程序控制机床的运动轨迹和加工参数，搅拌头（由搅拌针和轴肩组成）高速旋转（通常转速为500-5000rpm），与被焊工件表面接触，通过摩擦和塑性变形产生热量，使接触区域材料温度升高（一般达到母材熔点的0.6-0.9倍），处于塑性软化状态。搅拌针插入工件接缝处，带动塑性化材料沿搅拌头旋转方向流动，轴肩则抑制材料溢出并压实焊缝，最终使两侧材料在高温高压下扩散连接，形成致密的固态焊缝。

搅拌摩擦焊机床已广泛应用于汽车制造、航天航空、轨道交通、新能源锂电等行业的零部件加工制造。

二、应用现场图片

机床本体

加工工件

电气柜

三、机床工艺要求

搅拌摩擦焊对主轴的性能有极高要求，其设计需同时满足高扭矩输出、精准转速控制、轴向力承载能力以及动态稳定性等核心指标，直接影响焊接质量和效率。具体要求如下：

高扭矩与宽调速范围

足够大的输出扭矩：搅拌头高速旋转时需克服材料塑性变形阻力，尤其是焊接厚板或高强度材料（如6系铝合金、钛合金）时，扭矩需求显著增加（通常需500-5000N・m，视材料和板厚而定）。主轴需在低转速下仍能保持高扭矩，避免焊接过程中因扭矩不足导致 “闷车” 或焊缝缺陷。

宽转速调节范围：不同材料（如铝、镁、铜）和焊接工艺参数（如板厚、接头形式）对转速要求差异大，主轴需支持500-10000rpm的无级调速，且转速精度需控制在±1%以内，确保摩擦热量稳定。

轴向力控制与承载能力

稳定的轴向压力输出：焊接过程中，搅拌头轴肩需对工件表面施加持续、均匀的轴向力（通常为5-50kN），以抑制材料溢出并压实焊缝。主轴系统需具备精确的轴向力控制能力（精度±500N），并能根据焊接阶段（如插入、焊接、退刀）动态调整力值。

高轴向刚性：轴向力加载时，主轴的轴向变形量需极小（通常≤0.01mm/kN），否则会导致搅拌头插入深度不稳定，影响焊缝成形和接头强度。

动态响应与稳定性

快速启停与换向能力：针对复杂轨迹焊接（如曲线焊缝），主轴需能快速响应转速和转向变化（启停时间≤0.5 秒），避免焊缝过渡区出现缺陷。

低振动与高刚性：主轴旋转时的径向跳动需控制在0.01mm以内，否则会导致搅拌头偏摆，引发焊缝两侧受力不均、飞边过大等问题。整体结构需具备高刚性，抑制焊接过程中的颤振（尤其是高速旋转时）。

热管理与散热能力

高效散热设计：搅拌摩擦焊过程中，摩擦热会通过搅拌头传导至主轴，若热量积聚可能导致主轴轴承过热、精度下降甚至损坏。主轴系统需集成水冷或油冷散热装置，确保工作温度稳定在60℃以下。

集成化与智能化接口

与控制系统联动：主轴需支持实时反馈转速、扭矩、轴向力等参数，并能接收外部控制系统（如 PLC、机器人控制器）的指令，实现与进给轴的同步运动（如焊接速度与转速的匹配）。

故障诊断功能：具备过载保护、温度监测、振动报警等功能，在扭矩异常、轴承过热等情况时自动停机，避免设备损坏和焊接缺陷。

耐用性与维护性

高耐磨性部件：主轴轴承需采用高精度角接触球轴承或圆锥滚子轴承，耐受高转速和轴向力的长期作用，使用寿命需满足至少1000小时连续焊接（针对批量生产场景）。

易维护设计：关键部件（如轴承、密封件）需便于更换，减少停机维护时间。

四、调试步骤

第一步：安装EP5S主轴驱动器及主轴电机，并确保接线正确。系统上电，确定EtherCAT通讯网络正常。

第二步：主轴电机适配。搭配迈信成套主轴电机时，正确设置主轴电机代码；搭配第三方电机时，使用EP5S自学习功能，自动识别主轴电机参数及惯量。

先通过Fn-2进入单机模式，然后通过Fn6功能触发异步电机离线参数辨识功能，完成对定子电阻，转子电阻，互感，漏感的辨识。运行Fn6功能后，使能灯亮，当屏幕显示DONE且使能灯灭时，辨识结束，辨识过程大概需要花费半分钟左右。辨识结束后，按后退键退出Fn6功能，此时可以通过P菜单査询辨识的参数结果P702~P705，通过E-set保存该结果。

第三步：根据编码器类型及安装方式，确定电机与编码器传动比例，正确设置编码器线数及电子齿轮比相关参数。

第四步：旋转主轴电机，确定电机旋转方向及编码器旋转方向，如反向可通过EP5S相关参数进行修改。

第五步：测试加工效果，可通过EP5S环路增益参数调整，以配合机床机械达到最优的加工效果。

五、EP5S伺服主轴产品特点

· 功率型号：3.7kW、5.5kW、7.5kW、11kW、15kW

· 电压等级：AC380V -15%~+10% 50/60Hz

· 控制方式：EtherCAT总线控制，支持位置、速度、扭矩控制模式

· 双编码器接口，全闭环控制。支持方波、正余弦、串口通信、旋变等形式编码器信号输入

· 支持同步/异步主轴电机控制

· 支持主轴电机参数及惯量自学习

· 窄体结构设计，节省安装空间

· 直插自锁式电源接线端子，接线简便快捷