CN104759658A - 航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法 - Google Patents

航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种航空叠层材料变参数自适应制孔系统，其特征在于包括：a、可完成钻削加工的末端执行器；b、测力传感器或电流检测装置；c、自适应控制器；d、控制单元；其中，末端执行器的电主轴变频器控制电主轴的旋转；电主轴上安装测力传感器或电流检测装置，用于实时检测电主轴轴向力或电流大小；自适应控制器与测力传感器或电流检测装置以及控制单元通讯，用于接收测力传感器或电流检测装置的反馈信号向控制单元发出指令，控制单元控制末端执行器进行相应动作；末端执行器的驱动电机具有编码器，用于识别和反馈刀具的进给位置，自适应控制器与编码器、控制单元通讯，用于接收编码器的反馈信号向控制单元发出指令，进而控制单元控制末端执行器进行相应动作。

Description

航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法
技术领域
本发明应用于飞机部件自动化装配制孔领域，具体涉及到碳纤维复合材料和金属材料变参数自适应叠层制孔系统及方法。
背景技术
随着材料科学和加工工艺水平的进步，同时为满足新一代先进飞机和大型民用客机结构件轻量化和高疲劳寿命的性能要求，碳纤维复合材料作为一种性能优异的材料在诸如飞机壁板、大型客机机身段和发动机壳体等航空航天产品的生产制造中得到了广泛应用。
复合材料构件成型后，在大量场合下需要与其他金属结构件叠层制孔才能实现飞机部件装配。碳纤维复合材料具有高硬度、各向异性、非匀质性和低热膨胀系数等特性，使得钻削中出现分层、撕裂和毛边等缺陷，金属材料钻削过程面临出口毛刺等困难，而两种材料机械物理性能的不一致性导致叠层制孔面临孔径精度不一致、孔壁表面质量差等问题。而传统的的钻削工艺难以抑制叠层材料钻削缺陷的的产生，难以满足现代飞机的制造要求。
由于碳纤维脆性大、硬度高、表面光滑，与环氧树脂或酚醛树脂的结合力差，因此层间剪切强度低、抗剥离性能差，是典型的难加工材料。钛合金硬度大且化学活性大，在加工过程冷硬现象严重，造成刀具磨损严重，而当切削温度高和切削力较大时，刀具很容易产生粘结磨损，因此钛合金也是典型的难加工材料。碳纤维复合材料较适宜的主轴转速范围较广，一般为3000-12000rpm，为避免出口分层缺陷的产生，进给量一般为0.01-0.03mm/r。钛合金加工中宜采用300-1200rpm的低转速和0.04-0.05mm/r的低进给，铝合金宜采用2000-5000rpm的转速和0.04-0.08mm/r的进给量。
在发明专利《一种碳纤维复合材料和金属材料叠层装配制孔方法与装置》(公开号为CN101670448A)中，采用钻削刀具在碳纤维复合材料/金属材料叠层钻削过程中，根据所加工材料通过进给位置传感器的硬件触发或软件数控编程控制方式，在叠层间过渡区域自动改变刀具制孔转速和进给速度，使刀具在制孔加工不同的材料层时能够处于各自最佳的工艺参数状态。其制孔装置主要由制孔装置本体、刀具和刀柄、电主轴、进给位置传感器组、垂直进给滑台，以及主轴变频调速系统和制孔装置数控系统组成。该专利可以实现一个制孔工序就能完成不同材料的叠层制孔，能够提高叠层材料制孔效率及质量，降低了生产成本和制造周期。但是该专利中制孔方法只涉及到叠层间过渡区域的变参数，而下层材料孔的出口质量难以保证，容易出现出口毛刺高、复合材料分层等缺陷。
在发明专利《飞机叠层结构变参数控制制孔方法》(公开号为CN103894657A)中，采用螺旋铣对碳纤维复合材料/钛合金叠层制孔，压紧待制孔区域后，预设开始变工艺参数的位置，刀具以预设的刀具的自转角加速度、公转角加速度和进给加速度在0.2-0.3mm之间进行工艺参数切换，可以动态调整刀具工艺参数，实现连续工艺参数下钻削加工，满足叠层结构不同材料层的切削参数要求，保障制孔质量和制孔效率。该方法通过汽缸带动的压脚实现材料压紧，在加工过程中以吹气或吸气的方式清理切屑，并通过直线光栅反馈刀具进给位置，从而确定参数切换位置。但在该专利采用的螺旋铣孔方法中孔径精度随着刀具磨损的增加变差，孔出口质量难以保证，不能对制孔质量实时监测，且制孔效率不及传统钻削。
发明内容
本发明提供一种航空叠层材料变参数自适应制孔方法，该方法可以在钻削过程中实时监测材料加工状态和加工质量，并针对异常情况进行实时变参数自适应控制，从而从根本上解决叠层材料钻削中遇到的问题和实现不同材料的一体化高效、高质量制孔。
本发明的技术方案是：
一种航空叠层材料变参数自适应制孔系统，其特征在于包括：
a、可完成钻削加工的末端执行器；
b、测力传感器或电流检测装置；
c、自适应控制器；
d、控制单元；
其中，末端执行器的电主轴变频器控制电主轴的旋转；电主轴上安装测力传感器或电流检测装置，用于实时检测电主轴轴向力或电流大小；自适应控制器与测力传感器或电流检测装置以及控制单元通讯，用于接收测力传感器或电流检测装置的反馈信号向控制单元发出指令，进而控制单元控制末端执行器进行相应动作；
末端执行器的驱动电机具有编码器，用于识别和反馈刀具的进给位置，自适应控制器与编码器、控制单元通讯，用于接收编码器的反馈信号向控制单元发出指令，进而控制单元控制末端执行器进行相应动作。
进一步，末端执行器的电主轴由驱动电机驱动，主轴套筒套在电主轴上，钻削刀具装夹在测力传感器上，测力传感器安装在电主轴上，电机座与电主轴通过拖链连接，电主轴可通过导轨在底座平面内运动。
上述航空叠层材料变参数自适应制孔系统的制孔方法，其特征在于包括：
一、设定加工参数：设定每层材料钻削加工的初始参数，设定每层材料的钻削轴向力信号阈值或电流阈值为预设值；对于复合材料，钻削轴向力信号阈值表示开始产生复合材料分层缺陷的临界轴向力值，电流阈值表示开始产生复合材料分层缺陷的临界电流值；对于金属材料，钻削轴向力信号阈值表示产生出口毛刺高度阈值的轴向力值，电流阈值表示产生出口毛刺高度阈值的电流值；
二、单层材料钻削：以初始参数对相对应的单层材料开始钻削加工，同时利用测力传感器或电流检测装置进行在线监测，检测到的力信号值或电流值为监测值，将监测值与预设值进行实时比较获得比较值，利用自适应控制器根据比较值发出相应指令，如果预设值大于监测值则表示加工处于正常状态，反之则表明加工异常，自适应控制器发出变参数指令，加工系统进行变参数操作，使检测值小于预设值继续进行钻削加工；
三、层间过渡控制：利用驱动电机编码器识别刀具进给位置，判断上层材料是否完成钻削，如果上层材料钻削完毕，表明即将对下层材料进行加工，则自适应控制器将上层材料的预设值切换到下层材料的预设值；从上至下依次完成每层材料钻削制孔任务，直至驱动电机编码器通过识别刀具进给位置判断最下层材料钻削完成。
进一步，设定加工参数时，首先选定钻削刀具，然后采用选定的钻削刀具分别对各层材料进行单层钻削试验，得到制孔质量与主轴钻削轴向力或电流的相互关系，优化钻削加工参数作为初始参数；并获取复合材料产生分层缺陷的临界轴向力值或电流值以及金属材料产生出口毛刺高度阈值的轴向力值或电流值，并以此作为自适应控制器中的预设值，然后采用相同钻削刀具进行叠层材料钻削。
进一步，叠层材料钻削过程中，通过安装在电主轴上的测力传感器进行在线监测，测力传感器测得的电信号由上位机软件输出力信号，并和预设值进行比较，自适应控制器根据比较值判断是否需要发出变参数指令，加工系统进行相应操作，钻削过程中驱动电机编码器识别和反馈刀具的进给位置，通过编码器实时得到刀具精确位置，根据各层材料的厚度切换不同材料的预设值和判断加工过程是否结束。
进一步，钻削至最下层材料时，驱动电机编码器继续反馈进给位置，判断钻削过程是否结束，如果进给位移大于叠层材料总厚度与刀尖长度之和，则表明钻削完成，再继续进给一段距离后停止电主轴运动。
本发明的有益效果：
1、本发明实现了对叠层材料钻削加工全过程的在线监测，能够对加工全过程的制孔质量进行实时控制，实现变参数自适应控制，控制过程稳定可靠，可以保证制孔加工的连续性，又能保证制孔质量，特别是避免分层缺陷和较大出口毛刺的产生。
2、通过变参数自适应控制，实现叠层材料一体化制孔，显著提高制孔的自动化水平，节约了大量时间，提高了制孔效率，降低了生产周期和制造成本。
3、本方法的通用性较好，对不同厚度、不同材料和不同叠层数的自适应控制只需要调整预设值等一些参数，满足不同条件下的制孔任务。
附图说明
图1是本发明具体实施例中航空叠层材料制孔示意图；
图2和图3分别是基于在线监测轴向力信号和主轴电流信号的变参数自适应控制的末端执行器示意图；
图4是本发明具体实施方式的叠层材料变参数自适应控制流程图。
图中：1-钻削刀具，2-碳纤维复合材料，3-金属材料，4-测力传感器，5-主轴套筒，6-电主轴，7-拖链，8-驱动电机，9-底座，10-导轨，11-刀柄。
图4为叠层材料变参数自适应控制的主要流程。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步详细描述，以碳纤维复合材料2作上层材料，金属材料3作下层材料为例，如图1所示的制孔示意图。
图2、3所示的末端执行器安装在工业机器人上，主要用于机器人自动化装配制孔。图2中的测力传感器4兼有刀柄11的功能，钻削刀具1装夹在测力传感器上4，测力传感器4安装在电主轴6上，主轴套筒5套在电主轴6上，电主轴6由驱动电机8驱动，底座9下面有两个垂直方向的直线导轨10，通过直线导轨10电主轴6可以在底座9平面内进行自由移动。驱动电机8的编码器还可以在线监测刀具进给位置，并实时进行反馈。
图4为叠层材料变参数自适应制孔的主要控制流程。
首先采用某种特定型号钻削刀具1分别对碳纤维复合材料2和金属材料3进行单层钻削试验，得到制孔质量与钻削轴向力的相互联系，并获取产生碳纤维复合材料分层和金属材料出口毛刺高度阈值的轴向力值，并以此作为自适应控制器中的轴向力信号预设值。
然后采用相同钻削刀具进行叠层材料钻削，在钻削过程中通过安装在电主轴上的测力传感器进行在线监测，把测力传感器测得的电信号由上位机软件输出力信号，并和预设值进行比较，自适应控制器根据比较值发出相应指令，如果预设值大于监测力信号则表示加工处于正常状态，反之则表明加工异常，自适应控制器需要发出变参数指令，加工系统进行相应变参数操作。在加工过程中驱动电机编码器识别和反馈刀具的进给位置，通过编码器可以实时得到刀具精确位置，并切换不同材料钻削轴向力预设值和判断加工过程是否结束。
当然还可以通过安装电流检测装置，以电主轴电流阈值作为预设值，实现变参数控制。
具体加工过程，结合图2-4，图4中控制器为自适应控制器，CNC单元作为控制单元，钻削轴向力或主轴电流检测装置选择测力传感器4，驱动电机编码器作为位置检测装置。
电主轴变频器控制电主轴6的旋转、驱动电机8控制电主轴6的进给，从而实现钻削刀具1的钻削加工，电主轴6进给过程中拖链7也随之移动。加工过程中，测力传感器4监测钻削力信号，并把监测钻削力的电信号由上位机软件转化成力信号，并把力信号反馈给自适应控制器并和预设值进行比较，如果监测的钻削力大于阈值，说明钻削力过大，需要调整工艺参数，自适应控制器发出改变工艺参数指令，伺服驱动单元接收CNC单元发出的工艺参数指令进行变参数操作，然后机械传动机构进行相应动作，完成工艺参数的切换。与此同时，驱动电机编码器作为位置检测装置反馈刀具进给位置，确定上层材料是否完成钻削，如果上层材料钻削完毕，表明即将对下层材料进行加工，则将自适应控制器中的钻削力信号阈值切换到下层材料的钻削力阈值。钻削到下层材料后，驱动电机8继续反馈进给位置，判断钻削过程是否结束，如果进给位移大于两层板料厚度与刀尖长度之和，则表明钻削完成，就可以停止电主轴6运动。另外，为了保证下层出口材料钻削质量，钻削刀具1刚好完全钻出时继续进给一段距离。
叠层材料变参数自适应制孔方法可以实时控制钻削力，保证叠层材料处于最佳加工状态，最大程度的避免制孔缺陷的产生，提高了制孔质量，同时制孔连续性保证了制孔效率。

Claims (6)

1.一种航空叠层材料变参数自适应制孔系统，其特征在于包括：
a、可完成钻削加工的末端执行器；
b、测力传感器或电流检测装置；
c、自适应控制器；
d、控制单元；
其中，末端执行器的电主轴变频器控制电主轴的旋转；电主轴上安装测力传感器或电流检测装置，用于实时检测电主轴轴向力或电流大小；自适应控制器与测力传感器或电流检测装置以及控制单元通讯，用于接收测力传感器或电流检测装置的反馈信号向控制单元发出指令，进而控制单元控制末端执行器进行相应动作；
末端执行器的驱动电机具有编码器，用于识别和反馈刀具的进给位置，自适应控制器与编码器、控制单元通讯，用于接收编码器的反馈信号向控制单元发出指令，进而控制单元控制末端执行器进行相应动作。
2.根据权利要求1所述的航空叠层材料变参数自适应制孔系统，其特征在于：末端执行器的电主轴由驱动电机驱动，主轴套筒套在电主轴上，钻削刀具装夹在测力传感器上，测力传感器安装在电主轴上，电机座与电主轴通过拖链连接，电主轴可通过导轨在底座平面内运动。
3.一种航空叠层材料变参数自适应制孔方法，其特征在于包括：
一、设定加工参数：设定每层材料钻削加工的初始参数，设定每层材料的钻削轴向力信号阈值或电流阈值为预设值；对于复合材料，钻削轴向力信号阈值表示开始产生复合材料分层缺陷的临界轴向力值，电流阈值表示开始产生复合材料分层缺陷的临界电流值；对于金属材料，钻削轴向力信号阈值表示产生出口毛刺高度阈值的轴向力值，电流阈值表示产生出口毛刺高度阈值的电流值；
二、单层材料钻削：以初始参数对相对应的单层材料开始钻削加工，同时利用测力传感器或电流检测装置进行在线监测，检测到的力信号值或电流值为监测值，将监测值与预设值进行实时比较获得比较值，利用自适应控制器根据比较值发出相应指令，如果预设值大于监测值则表示加工处于正常状态，反之则表明加工异常，自适应控制器发出变参数指令，加工系统进行变参数操作，使检测值小于预设值继续进行钻削加工；
三、层间过渡控制：利用驱动电机编码器识别刀具进给位置，判断上层材料是否完成钻削，如果上层材料钻削完毕，表明即将对下层材料进行加工，则自适应控制器将上层材料的预设值切换到下层材料的预设值；从上至下依次完成每层材料钻削制孔任务，直至驱动电机编码器通过识别刀具进给位置判断最下层材料钻削完成。
4.根据权利要求3所述的航空叠层材料变参数自适应制孔方法，其特征在于：设定加工参数时，首先选定钻削刀具，然后采用选定的钻削刀具分别对各层材料进行单层钻削试验，得到制孔质量与主轴钻削轴向力或电流的相互关系，优化钻削加工参数作为初始参数；并获取复合材料产生分层缺陷的临界轴向力值或电流值以及金属材料产生出口毛刺高度阈值的轴向力值或电流值，并以此作为自适应控制器中的预设值，然后采用相同钻削刀具进行叠层材料钻削。
5.根据权利要求3所述的航空叠层材料变参数自适应制孔方法，其特征在于：叠层材料钻削过程中，通过安装在电主轴上的测力传感器进行在线监测，测力传感器测得的电信号由上位机软件输出力信号，并和预设值进行比较，自适应控制器根据比较值判断是否需要发出变参数指令，加工系统进行相应操作，钻削过程中驱动电机编码器识别和反馈刀具的进给位置，通过编码器实时得到刀具精确位置，根据各层材料的厚度切换不同材料的预设值和判断加工过程是否结束。
6.根据权利要求3-5任一项所述的航空叠层材料变参数自适应制孔方法，其特征在于：钻削至最下层材料时，驱动电机编码器继续反馈进给位置，判断钻削过程是否结束，如果进给位移大于叠层材料总厚度与刀尖长度之和，则表明钻削完成，再继续进给一段距离后停止电主轴运动。
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