CN101990485A - 复合铺层切割的自适应控制 - Google Patents

Abstract

利用自适应控制优化用于切割复合材料的超声刀的进给速率。感测刀上的诸如超声功率或侧向负荷的一个或更多个参数，并将所述一个或更多个参数用于产生反馈控制信号。反馈控制信号用于优化刀的命令进给速率。

Description

复合铺层切割的自适应控制

技术领域

本发明大体涉及自动控制的机械工具，更具体地涉及自动控制用于切割材料、尤其是多层复合材料的超声刀的进给速率的系统和方法。

背景技术

超声切割机通常利用由超声换能器提供动力的刀切割片材和其他材料。在复合材料领域可找到超声切割机的一种应用，其中可利用超声动力刀将形成叠层的多叠或多层未固化的复合材料同时切割成所需的形状。在有些情况下，可将超声切割机安装在CNC(计算机数控)控制的机床或机械工具上，该机械工具包括能够铺设和切割复合带的多个重叠层的自动铺带头。

与可涂覆带的速率相比较，切割复合材料的过程相对慢。切割过程的速度可部分地由刀通过材料的最大进给速率和切割深度决定。较厚的部分需要多次通过切割机，以便完全切穿材料的所有铺层(ply)，其中切割机的每次通过比上一次通过深。当前，使用需要持续的操作者监视和进给速率修调盘的手工调整的开环铺层切割过程，其可导致未达最佳标准的切割操作、包括未达最佳标准的切割速度。在切割期间，基于观察到的超声功率计中的波动由操作者手工地调整刀进给速率。通过修调编程的进给速率维持感觉“安全”的功率水平，其可导致未达最佳的切割时间。此外，操作者可能不能检测瞬时的或峰值的负荷状态，并且不能足够快速地反应以在出现可能的刀故障之前降低进给速率。在有些情况下，过大的进给速率还可导致未达最佳的切割机操作。

现有技术包括自适应控制设备，其具有在工件的加工操作期间检测作用在切割工具上的负荷的负荷检测器。然而，这样的自适应控制技术没有应用于用于切割复合材料的多个铺层的CNC超声切割机。

因此，需要一种利用CNC控制的超声切割机切割复合材料的多个铺层的方法和系统，该CNC控制的超声切割机采用自适应控制以便优化进给速率和/或减少刀的损坏和切割误差。

发明内容

根据公开的实施例，提供切割复合铺层的方法和系统，其利用自动控制的超声切割机和自适应控制来优化进给速率。基于刀的状态将进给速率调整到最佳水平，以便使生产率最大化。测量与切割相关的参数，诸如刀的负荷，并将所述参数用于产生反馈信号，反馈信号用于在无人为干预的情况下调整进给速率。当刀和/或铺层材料状态，诸如刀的锋利度、铺层数、切割的深度、切割相对于折叠纤维方向的角度、铺层的厚度、材料的粘性、在叠层期间使用的压实力、以及铺层韧性改变时，或者在出现诸如刀的损坏的不可预见的事件时，快速地调整进给速率。进给速率的自动调整导致高的平均进给速率以使生产率最大化，同时不需要操作者持续地监视刀负荷和手动地修调进给速率。最后，由于能对相对高的恒定进给速率进行编程并且然后使该相对高的恒定进给速率自适应地调整到实际的切割状态，所以可减少控制切割机所需的编程量。

根据一个公开的实施例，提供一种用于切割复合铺层的方法，包括：使超声刀进给通过铺层；当刀切割铺层时测量与刀的操作相关的参数；以及基于测量的参数产生优化刀的进给速率的进给速率信号。测量的参数可包括输送至用于驱动刀的超声换能器的功率负荷、刀的偏转和/或刀的温度中的一个。该方法还包括将测量的参数反馈至控制器和利用控制器产生进给速率信号。该方法还可包括将测量的参数的值与预选值相比较，和基于比较的结果产生进给速率信号。

根据另一公开的实施例，提供一种用于控制超声切割机的操作的方法，包括：选择进给超声刀以切割材料的进给速率；当刀切割材料时测量与刀的操作相关的至少一个参数；将测量的参数的值与预选值相比较；以及基于比较的结果确定是否调整选择的进给速率。确定是否调整进给速率可由自动控制器执行，并且该方法还可包括将测量的参数反馈至控制器。测量所述参数可包括测量由刀使用的功率负荷、和/或感测刀的偏转或刀的温度。该方法还可包括利用第一控制器控制刀的运动，并且其中将测量的参数与预选值相比较和调整进给速率由第二控制器执行。

根据另一的实施例，提供一种用于切割复合材料的系统，包括：用于切割材料的超声动力刀；用于对刀进给通过复合材料的速率进行控制的控制装置；用于感测与刀的操作相关的至少一个参数的感测装置；以及由控制装置使用以基于感测的参数优化刀的进给速率的一组编程指令。感测装置可包括用于将刀上的侧向负荷转换成表示测量的参数的电信号的换能器。感测装置还可包括用于感测输送至刀的超声动力的传感器。控制装置可包括基于刀上的感测侧向负荷和输送至刀的超声功率负荷产生命令进给速率控制信号的控制器。控制装置可包括用于控制刀的运动的第一控制器，以及用于产生由第一控制器使用以优化刀的进给速率的控制信号的第二控制器。

根据又一实施例，提供一种用于切割复合材料的系统，包括：用于切割材料的超声动力刀；用于使刀进给通过复合材料的装置；用于产生与输送至刀的超声功率负荷相关的第一信号的装置；用于产生与复合材料施加在刀上的侧向负荷相关的第二信号的装置；用于利用第一和第二信号产生反馈控制信号的装置；以及与进给装置耦联的控制装置，其基于反馈信号优化刀进给通过复合材料的速率。用于产生第一信号的装置可包括感测用于驱动刀的超声动力的传感器。用于产生反馈控制信号的装置可包括用于组合第一和第二信号的信号调节器，并且用于产生反馈信号的装置可包括运行自适应控制算法的控制器。该系统还可包括由用于产生反馈控制信号的装置使用的一组编程指令和设定值。

公开的实施例满足对这样的方法和系统的需求：其利用自适应控制来切割复合铺层以优化进给速率、减少机器停工时间和使操作者干预和监督减到最低程度。

当根据附图和所附权利要求考虑时，公开的实施例的其它特征、益处和优点将从以下的实施例说明而变得明显。

附图说明

图1是用于切割复合铺层的系统的组合方框示意图。

图2是超声切割机的侧视图。

图3是概括地说明用于切割复合铺层的方法的步骤的方框图。

图4是说明利用自适应控制切割复合铺层的方法的更详细流程图。

图5是飞机生产及维护方法的流程图。

图6是飞机的方框图。

具体实施方式

首先参考图1，其示出利用大体上由标记12指示的自动控制的超声切割机切割复合材料的多个铺层14的系统10。尽管结合公开的实施例示出复合材料的多个铺层14，但应理解的是可切割复合材料的单个铺层以及除复合材料以外的材料。铺层可以是未加工的(未固化的)，其中切割机12用于切割铺层的形状，所述铺层用于在结构的初始制造期间形成叠层。然而，本发明的实施例还可用于在已制造结构之后、如在复合飞机组件或子组件的修理期间切割部分或完全固化的铺层，在修理期间必须切掉组件/子组件的一部分。

超声切割机12安装在刀架(toolhead)16上，刀架16可沿多根机械工具轴线17运动以便沿着预编程切割路径通过铺层14。现在还参考图2，超声切割机12包括由附连至刀架16的超声换能器18驱动的切割刀22。刀22以超声频率沿箭头23的方向往复运动。刀22上的前刀刃25以由附图标记31指示的进给速率Fcurrent沿进给方向27被进给至铺层14中，使得刀22的平面保持大体垂直于铺层14的平面。刀22可由可拆连接50(图2)附连至机臂(horn)20，该机臂20将超声能量集中在刀22上并使刀22往复运动。换能器18通过连接21从超声功率发生器24获得能量。然后，换能器18将该能量转换成振幅非常低的振动。振动的振幅可在传输至机臂20与刀22之前由助推器19放大。闭环控制通过向换能器18输送更多的功率来维持振幅。过高的功率水平可自动地关闭切割单元12。

超声切割机12的运动(进给)与操作由自动控制器26控制，该自动控制器26可包括，例如而不限于采用NC(数字控制或数控)程序28的CNC(计算机数控)控制器。对自动控制器26编程，以控制超声切割机12以预定进给速率31沿通过多个铺层14的路径的运动，预定进给速率31由自动控制器26向超声切割机12发布的命令进给速率信号30表示。

命令进给速率信号30的值以及因此切割机12的实际进给速率31是由NC程序28建立的程序化进给速率与“进给速率修调”值的乘积。例如，如果程序化进给速率为每分钟10英寸，并且进给速率修调值为80％，则切割机12的实际进给速率31将为10×80％＝每分钟8英寸。如以下将更详细地讨论的，本发明的实施例将反馈信号用于调整进给速率修调来优化切割机12的实际进给速率31。如在此所使用的，术语“优化”进给速率可包括提高或降低进给速率，或者如当刀断裂或可能将要断裂时停止刀进给。

超声功率的量，即由超声功率发生器24输送至换能器18的功率负荷由自动控制器26监视。通常，驱动换能器18以便获得令人满意的铺层切割所需的超声功率负荷与由铺层14的切割施加在刀22上的负荷成比例；较大数量铺层14在刀22上形成需要较高的功率水平来驱动换能器18的较大负荷。如先前所声明的，刀22和/或材料状况也可明显地影响功率负荷水平。

根据公开的实施例，可利用由自动装置26用于调整命令进给速率30的反馈信号42来调整和优化超声切割机12进给通过铺层14的速率。利用与刀22的操作相关的一个或更多个测得的参数产生反馈信号42。如以下将描述的，由功率发生器24输送至换能器18的超声功率负荷以及刀22上的侧向负荷可用作测得的参数，以产生反馈信号42。然而，还可能使用其他参数作为反馈信号，诸如无限制的刀22的温度和/或刀22的偏转，而不限于此。

由多个铺层14在它们被切割时施加在刀22上的侧向负荷由传感器32测量，该传感器32可包括，例如而不限于将测得的侧向负荷转换成输送至信号调节器40的传感器信号34的应变仪或类似的应变或力测量装置。还可将与输送至换能器18的电力负荷成比例的超声功率信号38发送至信号调节器40。信号调节器40可包括任何已知的各种电路，包括例如而不限于用于调节信号34、38的放大器(未示出)和光隔离器(未示出)，以便使它们适应于自适应控制计算机44进行的处理。

反馈信号42由计算机44组合和处理。计算机44还与自动控制器26通信，以通过I/O(输入/输出)接口43获得当前进给速率修调设置41。可通过用户接口48建立针对计算机44的存储的设定参数46，以便控制计算机44基于反馈信号42的值调整当前进给速率31的修调设置41的特定方式。基于设定参数46、来自执行的NC程序28的指令47、从自动控制器26获取的当前进给速率修调设置41的值以及反馈信号42，计算机44向自动控制器26发布优化的进给速率修调信号45，该信号导致命令进给速率30的调整，从而优化超声切割机12的进给速率31。

在有些应用中，对于刀22而言在切割过程期间“偏离”可能是普遍的，尤其在刀22具有抗侧向负荷的相对低刚度的情况下。刀偏离可增大刀22上的侧向负荷和/或导致切割机12的更高功率消耗。类似地，当刀22变钝和/或材料铺层14变得更厚或更多时，由换能器18消耗的功率相应地增加。根据公开的实施例，当该功率消耗增加时，自适应控制计算机44降低进给速率修调值，以便维持预定义的功率消耗水平。

如上所述，公开的实施例基于刀22的状态调整超声切割机12的进给速率31，以便使生产率最大。测量施加在刀上的侧向负荷并相应地调整进给速率31，而不需要人为干预。在不可预见的事件的情况下，诸如在刀22处的切割负荷突然增加的情况下，该实施例的自适应控制方法可迅速地终止切割过程，从而减小刀22破坏和/或部件损坏的可能性。

现在考虑广泛地描述一种方法实施例的全部步骤的图3。从步骤50开始，选择初始进给速率Fcurrent 31，这可形成NC控制程序28(图1)的一部分。接下来，在步骤52，以初始进给速率Fcurrent 31将刀22自动地馈送通过多个铺层14。当切割铺层14时，在步骤54处测量与刀22的操作相关的一个或更多个参数。如先前所提及的，在示出的实施例中，测得的参数包括用于驱动刀22的功率Pi以及刀22上由铺层14引起的阻力所产生的侧向负荷Bi。最后，在步骤56，基于测得的参数将初始进给速率31改变成新的进给速率Fnew。

在图4中示出另一方法实施例的细节。在60处，从设定参数文件58取回功率及侧向负荷设定参数，并将它们读入存储器(未示出)。在64处，从NC程序28得到在当前切割序列期间用于控制刀22的要求。如在步骤66处所示，利用在60处存储在存储器中的设定参数和在64处得到的当前切割序列的要求，分别针对当前的切割序列计算功率极限(Pmi)和径向负荷极限(Bmi)。在68处分别接收侧向负荷传感器信号和超声功率信号34、38。在步骤70处，作出Pi是否大于Pmi或Bi是否大于Bmi的判定。如果计算的极限Pi、Bi中的任一超过对应的测得值Pmi、Bmi，则在步骤80处，由两个比率Pi/Pmi与Bi/Bmi之间的最高值确定最大的负荷比Rmi。因此，Rmi可描述如下：

Rmi＝Max(Pi/Pmi：Bi/Bmi)

如果在步骤70处判定Pi与Bi中的任一个都不超过计算的极限，则过程移至步骤72，在该步骤72处，判定是否允许比当前进给速率Fi大的新进给速率修调值FROV Fi。如果在72处判定为否，则在步骤74处将新进给速率修调值FROVFj设定成等于当前进给速率修调Fi，并将得到的值输送至求和点84。然而，如果在72处确定新的进给速率修调Fj可超过当前进给速率Fi，则过程进入步骤80，在此如前所述那样计算最大负荷比Rmi。在步骤82处，新的进给速率修调值Fj计算如下：

Fj＝Fi/Rmi

从形成自动控制器26的一部分的定位进给速率修调开关76接收在74和82处所使用的Fi值，该进给速率修调开关76在78处载入进给速率修调Fi的当前值。将在步骤74或步骤82处获得的新进给速率修调Fj输送至求和点84。如果已建立新的进给速率修调Fj，则如在步骤88处所示的，将新的进给速率修调Fj的值发送至自动控制器26，并且在86处读取下一组传感器输入。

本发明的实施例可在各种潜在应用、尤其在运输业中获得引用，例如包括航空、航海和汽车应用。因此，现在参考图5和6，本发明的实施例可用于如图5所示的飞机制造和维护方法90以及如图6所示的飞机92的背景中。公开的实施例的飞机应用例如可包括但不限于复合加强构件，仅举几个例子诸如机身蒙皮、机翼蒙皮、控制面、舱口、地板面板、门面板、检查孔盖板和尾翼。在试生产期间，示例性方法90可包括飞机92的规格和设计94以及材料采购96。在生产期间，进行飞机92的部件和子组件制造98和系统集成100。其后，飞机92可经历认证和交付102以便付诸使用104。尽管由客户付诸使用，但飞机92预定进行例行维修和维护106(其还可包括改进、重构、整修等)。

方法90的过程中的每一过程可由系统集成商、第三方和/或运营者(例如客户)执行或实现。对该说明书来说，系统集成商可包括但不限于许多飞机制造商及主要系统分包者；第三方可包括但不限于许多卖主、分包者和供应商；而运营者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图6所示，通过示例性方法90生产的飞机92可包括具有多个系统110的机身108和内部112。高级系统110的示例包括推进系统114、电气系统116、液压系统118和环境系统120中的一个或更多个。可包括许多其他的系统。尽管示出了航空示例，但本发明的原理可适用于其他行业，诸如航海和汽车行业。

可在生产和维护方法90中的任何一个或更多个阶段期间采用在此实现的系统和方法。例如，在飞机92付诸使用的同时可以以类似生产部件或子组件的方式制作或制造与生产过程90对应的部件或子组件。此外，例如通过大致地加快飞机92的组装或降低飞机92的成本，可在生产阶段98和100期间利用一种或更多种设备实施例、方法实施例或它们的组合。类似地，在飞机92付诸使用的同时，可利用一种或更多种设备实施例、方法实施例或它们的组合，例如但不限于维修与维护106。

尽管已相对于某些示例性实施例描述了本发明的实施例，但应理解的是，由于本领域的技术人员将想到其他的变体，所以特定的实施例是为了说明而非限制。

Claims (25)

1.一种切割复合铺层的方法，包括：

进给超声刀通过所述铺层；

当所述刀切割所述铺层时测量与所述刀的操作相关的至少一个参数；以及

基于测量的参数产生进给速率信号，以优化所述刀的进给速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

进给所述刀包括利用自动控制器控制所述刀的运动，以及，

利用所述自动控制器执行产生所述进给速率信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述参数包括感测如下参数中的至少一个：

用于驱动所述刀的超声换能器上的功率负荷，

所述刀的偏转，以及

所述刀的温度。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

向控制器反馈所测量的参数，并且

其中由所述控制器执行产生所述进给速率信号。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将所测量的参数的值与预选值相比较，并且

其中产生所述进给速率信号是基于所述比较的结果。

6.通过权利要求1所述的方法切割的用于飞机子组件的复合铺层。

7.一种控制超声切割机的操作的方法，包括：

选择进给超声刀以切割材料的进给速率；

当所述刀切割所述材料时测量与所述刀的操作相关的至少一个参数；

将测量的参数的值与预选值相比较；以及，

基于所述比较的结果确定是否改变选择的进给速率。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

当基于所述比较的结果确定应改变所述进给速率时，改变所述进给速率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，由自动控制器执行改变所述进给速率，并且所述方法还包括：

向所述自动控制器反馈所述测量的参数。

10.由复合铺层形成的飞机子组件，所述复合铺层由通过权利要求7所述的方法控制的超声切割机切割。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，测量所述参数包括感测如下参数中的至少一个：

所述刀上的超声功率负荷，

所述刀的偏转，以及

所述刀的温度。

12.根据权利要求7所述的方法，还包括：

利用第一控制器控制所述刀的运动，并且其中

由第二控制器执行将所述测量的参数与所述预选值相比较和改变所述进给速率。

13.根据权利要求7所述的方法，还包括：

当所述刀切割所述材料时测量与所述刀的操作相关的第二参数；并且

其中确定是否改变选择的进给速率包括利用测量的所述第一和第二参数产生进给速率控制信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

测量所述第一参数包括感测所述刀上的由使所述刀进给至所述材料中所产生的侧向负荷，以及

测量所述第二参数包括感测用于驱动所述刀的超声功率。

15.一种用于切割材料的系统，包括：

用于切割所述材料的超声动力刀；

用于对所述刀进给通过所述材料的速率进行控制的控制装置；

用于感测与所述刀的操作相关的至少一个参数的感测装置；以及

由所述控制装置使用以基于所感测的参数优化所述刀的进给速率的一组编程指令。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述感测装置包括：

第一传感器，其用于感测输送至所述刀的超声功率负荷，以及

第二传感器，其用于感测所述刀上的侧向负荷。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述控制装置包括控制器，所述控制器基于所述刀上感测的侧向负荷和输送至所述刀的超声功率产生命令进给速率控制信号。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制装置包括：

第一控制器，其用于控制所述刀的运动，以及

第二控制器，其产生控制信号，该控制信号由所述第一控制器使用，以优化所述刀的进给速率。

19.一种用于切割复合材料铺层的系统，包括：

用于切割所述材料的超声动力刀；

用于自动地使所述刀进给通过所述复合材料的装置；

用于产生第一反馈信号的装置，所述第一反馈信号与输送至所述刀的超声功率负荷相关；

用于产生第二反馈信号的装置，所述第二反馈信号与所述复合材料施加在所述刀上的侧向负荷相关；

用于调节所述第一和第二反馈信号的装置；以及

与所述进给装置耦联的控制装置，其基于所述第一和第二反馈信号优化使所述刀进给通过所述复合材料的速率。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，用于产生所述第一反馈信号的装置包括用于感测输送至所述刀的超声功率负荷的传感器。

21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制装置包括计算机，所述计算机由实现自适应控制算法的编程指令操作。

22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述自动进给装置包括与所述刀进给装置和所述控制装置耦联的计算机数控控制器。

23.根据权利要求19所述的系统，还包括用户接口，其允许用户输入由所述控制装置使用以优化所述刀的进给速率的设定值。

24.一种用于切割复合材料的铺层的系统，包括：

用于切割所述铺层的超声动力刀；

用于沿通过所述铺层的编程路径进给所述刀的机械工具；

数控控制器，其用于控制所述机械工具的操作和所述刀的操作；

第一传感器，其用于感测输送至所述刀的功率负荷；

第二传感器，其用于感测由所述复合材料施加在所述刀上的侧向负荷；

信号调节器，其用于调节由所述第一和第二传感器产生的信号；以及

计算机，其与所述数控控制器和所述信号调节器耦联，以基于输送至所述刀的感测的功率和所述刀上感测的侧向负荷产生用于优化所述刀的进给速率的进给速率调整信号。

25.一种对用于切割复合材料的铺层的超声切割机的操作进行控制的方法，包括：

产生对用于切割所述铺层的超声刀的操作进行控制的一组编程指令，包括进给所述刀所沿着的路径和使所述刀进给通过所述铺层的速率；

使所述刀沿所述编程指令确定的路径并以所述编程指令确定的进给速率进给通过所述铺层；

当所述刀切割所述铺层时测量由所述铺层施加在所述刀上的侧向负荷；

测量所述刀切割所述铺层所需的功率负荷；

将测量的侧向负荷和测量的功率负荷与参考值相比较；

基于与所述参考值的比较的结果产生进给速率信号；以及

利用所述进给速率信号优化所述刀的所述进给速率。

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