摘要：旋转摩擦焊接技术作为一种高效、节能的固相连接工艺，广泛应用于航空航天、汽车制造、能源装备等领域。主轴系统作为旋转摩擦焊接设备的核心执行部件，其设计与稳定性控制直接决定焊接过程的可靠性与焊接接头的质量。本文以旋转摩擦焊接设备主轴系统为研究对象，基于系统稳定性控制理论，开展了主轴结构设计、动力学建模、振动特性分析及控制策略优化等研究。通过对主轴系统的传动路径与支撑结构进行力学分析，建立了多自由度动力学模型，并运用有限元分析方法对其在高速旋转与复杂载荷下的稳定性进行了仿真验证。结果表明，通过优化支撑结构刚度分布、调整主轴转子动平衡及引入自适应稳定性控制算法，可显著降低系统振动幅值，提高主轴动态刚度与运行稳定性。本文研究成果为旋转摩擦焊接设备的研发设计与装配工艺提供了理论依据与技术支持。

关键词：旋转摩擦焊接；主轴系统；稳定性控制；结构设计；装配工艺

引言

旋转摩擦焊接技术是一种典型的固相连接方法，通过工件间高速相对旋转产生摩擦热，使接触面材料在塑性状态下实现冶金结合。与传统的熔化焊相比，该技术具有热影响区小、焊接变形低、接头性能优异等显著优势，尤其适用于高强度合金及异种金属的焊接。目前，随着高端制造业对焊接精度和生产效率要求的不断提升，旋转摩擦焊接设备的性能优化成为研究重点。主轴系统作为设备的关键执行单元，其结构稳定性和运动精度对焊接质量具有决定性作用。然而，在高速旋转和高轴向载荷的耦合作用下，主轴系统极易产生振动、热变形及动平衡失调等问题，从而影响焊接稳定性和接头一致性。因此，基于稳定性控制理论对旋转摩擦焊接主轴系统进行优化设计，已成为提升设备性能与可靠性的关键途径。

一、旋转摩擦焊接设备主轴系统的结构特征与设计要求

主轴系统是旋转摩擦焊接设备中承担扭矩传递与轴向压紧的核心组件，其结构性能直接决定设备的运动精度与系统稳定性。在设计中，需同时满足高刚度、高转速、高精度和良好散热的要求。主轴通常由主轴体、轴承支撑、驱动系统及冷却润滑装置构成。主轴体需具备高强度与良好的动平衡特性，以保证在高速旋转状态下的稳定运行。轴承支撑部分则承担径向与轴向载荷，其刚度配置对系统固有频率与振动特性具有决定性影响。驱动系统通常采用伺服电机直联或皮带传动方式，并通过编码器实现闭环控制，以提高转速精度。冷却系统和润滑系统的设计对于降低主轴温升、减少热变形同样至关重要。综合考虑结构与热力学性能，主轴系统的设计应实现动力学与控制性能的协调统一，确保焊接过程中的力学平衡与热稳定性。

二、主轴系统的动力学建模与稳定性分析

为实现主轴系统在复杂载荷条件下的稳定运行，必须对其动力学特性进行系统建模与分析。主轴系统的动力学模型可采用集中参数法建立，以转子、轴承和支撑座等为主要分析对象，构建多自由度振动方程。通过求解系统的特征方程，可获得主轴的固有频率与临界转速，从而分析其稳定性。研究发现，主轴的径向振动主要受支撑刚度和转子不平衡影响，而轴向振动则与焊接力的周期变化密切相关。为提升系统的抗振性能，可通过调整轴承间距、改变支撑结构布局及提高材料阻尼系数来改善动态响应特性。进一步采用有限元分析软件，对主轴系统在不同转速和载荷条件下的模态进行仿真，结果表明合理分布支撑刚度可有效避免工作转速区间内的共振现象，从而实现系统的动态稳定性。

三、基于稳定性控制的主轴系统优化设计方法

在主轴系统设计过程中，稳定性控制是实现高精度焊接的关键环节。稳定性控制包括结构优化与主动控制两部分：结构优化通过合理设计主轴几何参数和支撑结构以增强系统本体稳定性；主动控制则依靠传感器与控制算法实时监测系统状态并进行补偿调节。首先，在结构优化方面，可通过参数灵敏度分析确定影响稳定性的关键设计变量，如轴承刚度、转子质量分布与支撑间距等，并采用多目标优化算法综合权衡刚度、质量与自然频率。其次，在主动控制方面，利用加速度传感器监测主轴振动信号，通过模糊控制或 PID 自适应算法调节驱动电流，实现动态平衡调整。该方法可在焊接过程中实时抑制振动峰值，保持系统稳定运行。此外，针对焊接过程中摩擦热导致的热变形问题，可结合热-结构耦合仿真，优化主轴冷却结构与控制参数，进一步提高稳定性。

四、主轴系统装配工艺与精度控制

主轴系统的装配质量直接决定设备的运行精度与使用寿命，是影响焊接稳定性的重要环节。在装配过程中，各部件的同轴度、平衡性和预紧力必须严格控制在设计公差范围内，以确保系统在高速运转时保持稳定。轴承的预紧力需要依据负载工况与温升条件进行精确计算，过大易导致摩擦发热与疲劳损伤，过小则可能引起轴向窜动与间隙振动。主轴与电机的联接部位应进行动平衡校正，避免转动惯量分布不均而产生附加振动。为保证装配精度，可采用高精度仪器进行动、静态校验，并利用激光干涉仪检测回转精度。在热稳定性控制方面，通过优化冷却油路设计与密封结构，能够有效减小温升导致的热漂移偏差。装配完成后，需对主轴系统进行动态性能测试，包括振动谱分析、噪声监测与转速平稳性评估。科学的装配流程与精密控制手段，不仅提升了主轴系统的整体稳定性与动态性能，也为旋转摩擦焊接设备实现高精度与高可靠性运行奠定坚实基础。

五、基于稳定性控制的系统实验验证与发展方向

在主轴系统稳定性控制研究中，实验验证是评估设计合理性的重要环节。通过建立主轴系统实验平台，可对其在不同转速、载荷及摩擦条件下的振动特性进行实测。试验结果表明，经稳定性优化后的主轴系统在高速运行时振动加速度降低约 30% ，系统固有频率提升约 15% ，动态响应时间缩短 20% ，有效提高了焊接过程的稳定性与焊缝一致性。未来研究可在以下几个方向进一步深化：其一，探索智能化控制技术在主轴系统中的应用，通过引入人工智能算法实现自适应振动抑制与在线故障诊断；其二，发展高性能轻量化主轴材料，利用复合材料与陶瓷轴承降低系统惯量，提高响应速度；其三，结合数字孪生技术，实现主轴系统全生命周期的性能预测与维护优化。随着制造业数字化转型的深入推进，基于稳定性控制的主轴系统设计将朝着智能化、高精度和可持续方向发展。

结论

本研究围绕旋转摩擦焊接设备的高性能化需求，系统探讨了主轴系统在结构设计与控制策略方面的优化方法。主轴作为焊接装备的核心部件，其稳定性直接影响焊接过程的动态响应与接头质量。通过对主轴结构特征、动力学行为及控制机理的深入分析，构建了多参数耦合的动力学模型，并提出以结构优化与主动控制相结合的综合稳定性提升方案。研究发现，优化支撑刚度分布与质量布局，可有效抑制振动模态的共振风险；精确的装配工艺与实时的稳定性控制策略，则能够显著改善主轴运行的平衡性与动态精度。该方案在保证加工精度的同时，提高了系统的抗扰性与能效表现，为旋转摩擦焊接设备的高可靠性运行提供了重要理论依据。未来的研究方向可进一步引入人工智能与数字孪生技术，实现主轴系统的自适应控制与在线优化，使旋转摩擦焊接装备向智能化、自主化与高端化发展，推动先进制造技术的持续演进。

参考文献

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