CN108723428B - 一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法,该方法所使用的装置包括进给电机、电主轴、驱动器和控制器；首先从驱动器中读取进给电机实时电流并将电流数据上传给控制器,然后使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波，滤除电流信号在采集和传输的过程中受到外界干扰和设备内部噪声,再对经过滤波后的电流数值进行离散积分处理，以积分差与阈值的比较值作为参数，实时判断当前制孔所处阶段,最后根据得到的钻孔阶段控制进给电机速度和电主轴转速。本发明无需预先测量材料厚度尺寸来确定工艺参数切换点，能够在线监测加工过程，实时判断当前所处加工状态，使用各层材料最佳工艺参数进行制孔。

Description

一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法

技术领域

本发明涉及航空航天自动化装配制孔领域，具体涉及到基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法。

背景技术

叠层材料是由物理、化学特性不同的两层及以上材料组合而成的，因其既保留了各层材料原有的优良性能，又得到叠层后新的综合性能，因此在航空航天领域得到广泛应用。但是，新材料的使用必须伴随新的制造技术才能充分发挥其材料的优异性能，制孔加工是叠层材料应用在航空航天领域的一个重要加工环节，由于叠层材料的构成多元，其各层材料钻削加工参数差异性大，给制孔加工带来了很大的困难。据统计，因材料的制孔缺陷造成的损失占飞机装配总损失的60％以上。

在航空航天自动化装配中，为了保证材料整体加工孔质量、保证装配连贯性、提高制孔效率，叠层材料一般是多层整体一次性钻削，不再分层单独加工。但是叠层材料与单层材料制孔相比其制孔机理更复杂，在实际加工过程中受诸多因素的影响。为在保证散热，复合材料的工艺参数一般要求尽量选用较大的转速和较小的进给量，而铝合金钻孔时易形成积屑瘤，不宜采用过大的进给量和切削速度。

由于各层材料具有较大差异的加工特性，在加工过程中同一种加工参数很难保证各层材料都能获得良好的加工质量，所以最合适的加工方式是各层采用各自合适的工艺参数，这就需要对加工过程的过渡区域进行识别从而进行工艺参数的切换。在什么位置切换工艺参数是实现变参数制孔的关键，但是由于航空航天结构件材料质量不统一，无法保证各层材料的厚度一致，因此采用预先测量材料厚度尺寸来确定参数切换点的方式是不符合实际生产的，这就需要对钻削全过程进行实时监测，通过监测信号反馈来判别制孔处于哪个阶段，对叠层材料的制孔过程工艺参数进行实时调整，达到每层材料均在适合自身的参数内加工。

在专利《叠层结构制孔在线监测自适应加工方法》(申请号CN104289738A)中，利用超声波探头测量制孔刀具底端所到达的叠层结构成孔位置与叠层结构中的材料分界面的距离值，然后将距离值信号经过信号处理传输给安装制孔刀具的数控系统。这种方法需要对已有设备进行改造，添加超声波传感器，增加了设备成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷或问题，提出一种基于进给电机电流的在线变参数制孔方法。

本发明分析了进给电机的电流变化，在制孔过程中，进给电机电流与轴向力存在正相关的关系，钻削轴向力增大时，进给电机电流也随之增大，反之亦然，钻削轴向力的变化完全可以通过监测进给电机的电流反映出来。对于典型的双层材料，制孔主要分为以下三个关键点：刀具刚钻入第一层材料，从第一层材料钻入第二层材料，刀具从第二层材料钻出。通过判断当前钻孔阶段实现变工艺参数制孔。

本发明的技术方案如下：

一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法,该方法所使用的装置包括进给电机、电主轴、驱动器和控制器，所述进给电机和滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与电主轴传动连接，所述的进给电机能带动滚珠丝杠转动，使电主轴沿滚珠丝杠轴向滑动，进而使电主轴靠近叠层材料并对其进行钻孔，所述驱动器分别和电主轴、进给电机相连接并控制二者运作，所述控制器通过PLC端子与驱动器连接，所述PLC端子通过通讯协议采集驱动器中的进给电机的实时电流，所述控制器对进给电机的实时电流进行监控，判断当前所在钻孔阶段，并通过驱动器控制进给电机的速度和电主轴的转速；

具体包括如下步骤：

步骤1：从驱动器中读取进给电机实时电流并将电流数据上传给控制器；

步骤2：使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波，滤除电流信号在采集和传输的过程中受到外界干扰和设备内部噪声；

步骤3：对经过步骤2滤波后的电流数值进行离散积分处理，以积分差与阈值的比较值作为参数，实时判断当前制孔所处阶段；

步骤4：根据步骤3得到的钻孔阶段控制进给电机速度和电主轴转速。

优选地，所述进给电机为伺服电机，且由所述驱动器通过矢量方式来控制。

优选地，所述步骤2中使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波具体方法如下：

卡尔曼滤波的预测阶段，预测分为状态预测和协方差预测两部分，其中状态预测方程为：

式(1)中，A是状态转移矩阵；B是可选的控制输入矩阵；

是根据上一个状态预测的结果；

是上一个状态最优的结果；u_k-1控制输入量；w_k-1是系统噪声，其方差阵位Q。

对应于

的协方差预测方程为：

式(2)中，

为

对应的协方差，

为

对应的协方差,A^T为状态转移矩阵A的转置。

式(1)和式(2)是对被观测系统的状态预测，利用前一时刻迭代的结果，即

和

来预测当前时刻的系统状态和误差协方差，得到

和

卡尔曼滤波的更新阶段，系统量测方程为：

式(3)中z_k为量测值；H为量测阵；v_k为噪声序列，其方差阵为R。

通过式(4)计算卡尔曼增益K_k，然后通过被观测系统的实际观测值z_k来修正式(5)中系统状态

和式(6)中协方差

具体过程可表示为：

式(4)中H^T为量测阵H的转置矩阵；

式(6)中I为电流对时间的离散积分值；

卡尔曼滤波迭代过程如图4所示。

优选地，对经过所述步骤2滤波后的电流数值进行离散积分处理，具体过程可表示为：

式中，I为N时间内，电流对时间的离散积分值；k的数值表示N时间内有k个采样周期；I(j)为每个采样周期对应的电流值，此电流是随时间变化的；Δt为采样频率；

由上式得出第一个N时间内的电流积分值，然后将积分时间的上下限，求得第二个N时间内的电流积分值，两者进行比较，如差值大于设定的阈值，则可认为此时为加工参数的切换点，其表示式如下：

式中，ΔI为两个周期内电流对时间积分的差值；I_m为第一个时间段N内电流对时间的积分值；I_m+1为第二个时间段N内电流对时间的积分值。

优选地，根据所述步骤3得到的钻孔阶段控制进给电机速度、电主轴转速，具体控制方法如下：

a.当刀具快进结束，以工进速度前进时，设置阶段符号flag＝0，此时刀具并未接触材料，距离叠层材料一小段距离；

b.以当前时间t_i作为0点，在N时间对经过滤波后的进给电机电流进行时间积分，得到t_i+N时刻的积分值为I_m，再经过N时间到达时间t_i+2N，此时的电流积分计为I_m+1，并对两者进行比较得出差值ΔI＝I_m+1-I_m；

c.当flag＝0且ΔI>阈值1时，此时认为刀具已经接触到叠层并开始复合材料的钻削，设置flag＝1，并记录当前时刻的进给电机位置为s1，继续执行界面识别算法；

当flag＝1且ΔI>阈值2时，此时认为刀具已经开始钻削铝合金材料层，设置阶段符号flag＝2，记录当前时刻进给电机位置为s2；

当flag＝2且ΔI<阈值3时，此时认为刀具已经开始钻出铝合金层，设置flag＝3，并记录当前进给电机位置为s3；

d.当flag＝3，即认为算法成功识别叠层材料的钻入、过渡区的钻削阶段以及钻出的判别，识别算法流程结束。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明使用后能有效地改善制孔质量，提高孔径精度，尤其对材料出口毛刺有明显的抑制作用。

(2)本发明无需预先测量材料厚度尺寸来确定工艺参数切换点，对于厚度不均匀的材料，能够在线监测加工过程，实时判断当前所处加工状态，使用各层材料最佳工艺参数进行制孔。

(3)本发明无需外加传感器，电流数据可直接从驱动器中读取，只需在控制器中添加相关算法，对于已有设备能够快速地进行改造。

附图说明

图1为制孔装置示意图。

图2为进给电机电流滤波前后对比图。

图3为界面识别算法流程图。

图4为卡尔曼滤波迭代过程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1至图4所示为本发明的结构示意图：

其中附图标记为：进给电机1、驱动器2、电主轴3、控制器4、滚珠丝杠5、PLC端子6、叠层材料7。

一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法,该方法所使用的装置包括进给电机1、电主轴3、驱动器2和控制器4，进给电机1和滚珠丝杠5连接，滚珠丝杠5与电主轴3传动连接，进给电机1能带动滚珠丝杠5转动，使电主轴3沿滚珠丝杠5轴向滑动，进而使电主轴3靠近叠层材料7并对其进行钻孔，驱动器2分别和电主轴3、进给电机1相连接并控制二者运作，控制器4通过PLC端子6与驱动器2连接，PLC端子6通过通讯协议(Profibus、Profinet和EtherCAT)采集驱动器3中的进给电机1的实时电流，控制器4对进给电机1的实时电流进行监控，判断当前所在钻孔阶段，并通过驱动器2控制进给电机1的速度和电主轴3的转速；

具体包括如下步骤：

步骤1：从驱动器2中读取进给电机1实时电流并将电流数据上传给控制器4；

步骤2：使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波，滤除电流信号在采集和传输的过程中受到外界干扰和设备内部噪声；

步骤3：对经过步骤2滤波后的电流数值进行离散积分处理，以积分差与阈值的比较值作为参数，实时判断当前制孔所处阶段；

步骤4：根据步骤3得到的钻孔阶段控制进给电机1速度和电主轴3转速。

实施例中，进给电机1为伺服电机，且由驱动器2通过矢量方式来控制。

实施例中，步骤2中使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波具体方法如下：

卡尔曼滤波的预测阶段，预测分为状态预测和协方差预测两部分，其中状态预测方程为：

式(1)中，A是状态转移矩阵；B是可选的控制输矩阵；

是根据上一个状态预测的结果；

是上一个状态最优的结果；u_k-1控制输入量；w_k-1是系统噪声，其方差阵为Q。

对应于

的协方差预测方程为：

式(2)中，

为

对应的协方差，

为

对应的协方差，

式(1)和式(2)是对被观测系统的状态预测，利用前一时刻迭代的结果，即

和

来预测当前时刻的系统状态和误差协方差，得到

和

卡尔曼滤波的更新阶段，系统量测方程为：

式(3)中z_k为量测值；H为量测阵；v_k为噪声序列，其方差阵为R。

通过式(4)计算卡尔曼增益K_k，然后通过被观测系统的实际观测值z_k来修正式(5)中系统状态

和式(6)中协方差

具体过程可表示为：

式(4)中H^T为量测阵H的转置矩阵；

式(6)中I为电流对时间的离散积分值；

卡尔曼滤波迭代过程如图4所示。

实施例中，对经过所述步骤2滤波后的电流数值进行离散积分处理，具体过程可表示为：

式中，I为N时间内，电流对时间的离散积分值；k的数值表示N时间内有k个采样周期；I(j)为每个采样周期对应的电流值，此电流是随时间变化的；Δt为采样频率；

由上式得出第一个N时间内的电流积分值，然后将积分时间的上下限，求得第二个N时间内的电流积分值，两者进行比较，如差值大于设定的阈值，则可认为此时为加工参数的切换点，其表示式如下：

式中，ΔI为两个周期内电流对时间积分的差值；I_m为第一个时间段N内电流对时间的积分值；I_m+1为第二个时间段N内电流对时间的积分值。

实施例中，根据步骤3得到的钻孔阶段控制进给电机速度、电主轴转速，具体控制方法如下：

a.当刀具快进结束，以工进速度前进时，设置阶段符号flag＝0，此时刀具并未接触材料，距离叠层材料一小段距离；

b.以当前时间t_i作为0点，在N时间对经过滤波后的进给电机电流进行时间积分，得到t_i+N时刻的积分值为I_m，再经过N时间到达时间t_i+2N，此时的电流积分计为I_m+1，并对两者进行比较得出差值ΔI＝I_m+1-I_m；

c.当flag＝0且ΔI>阈值1时，此时认为刀具已经接触到叠层并开始复合材料的钻削，设置flag＝1，并记录当前时刻的进给电机位置为s1，继续执行界面识别算法；

当flag＝1且ΔI>阈值2时，此时认为刀具已经开始钻削铝合金材料层，设置阶段符号flag＝2，记录当前时刻进给电机位置为s2；

当flag＝2且ΔI<阈值3时，此时认为刀具已经开始钻出铝合金层，设置flag＝3，并记录当前进给电机位置为s3；

d.当flag＝3，即认为算法成功识别叠层材料的钻入、过渡区的钻削阶段以及钻出的判别，识别算法流程结束。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法,该方法所使用的装置包括进给电机、电主轴、驱动器和控制器，其特征在于，所述进给电机和滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与电主轴传动连接，所述的进给电机能带动滚珠丝杠转动，使电主轴沿滚珠丝杠轴向滑动，进而使电主轴靠近叠层材料并对其进行钻孔，所述驱动器分别和电主轴、进给电机相连接并控制二者运作，所述控制器通过PLC端子与驱动器连接，所述PLC端子通过通讯协议采集驱动器中的进给电机的实时电流，所述控制器对进给电机的实时电流进行监控，判断当前所在钻孔阶段，并通过驱动器控制进给电机的速度和电主轴的转速；

具体包括如下步骤：

步骤1：从驱动器中读取进给电机实时电流并将电流数据上传给控制器；

步骤2：使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波，滤除电流信号在采集和传输的过程中受到外界干扰和设备内部噪声；

步骤3：对经过步骤2滤波后的电流数值进行离散积分处理，以积分差与阈值的比较值作为参数，实时判断当前制孔所处阶段；

步骤4：根据步骤3得到的钻孔阶段控制进给电机速度和电主轴转速；

根据所述步骤3得到的钻孔阶段控制进给电机速度、电主轴转速，具体控制方法如下：

a.当刀具快进结束，以工进速度前进时，设置阶段符号flag＝0，此时刀具并未接触材料，距离叠层材料一小段距离；

b.以当前时间t_i作为0点，在N时间对经过滤波后的进给电机电流进行时间积分，得到t_i+N时刻的积分值为I_m，再经过N时间到达时间t_i+2N，此时的电流积分计为I_m+1，并对两者进行比较得出差值ΔI＝I_m+1-I_m；

c.当flag＝0且ΔI>阈值1时，此时认为刀具已经接触到叠层并开始复合材料的钻削，设置flag＝1，并记录当前时刻的主轴进给电机位置为s1，继续执行界面识别算法；

当flag＝1且ΔI>阈值2时，此时认为刀具已经开始钻削铝合金材料层，设置阶段符号flag＝2，记录当前时刻主轴进给电机位置为s2；

当flag＝2且ΔI<阈值3时，此时认为刀具已经开始钻出铝合金层，设置flag＝3，并记录当前主轴进给电机位置为s3；

d.当flag＝3，即认为算法成功识别叠层材料的钻入、过渡区的钻削阶段以及钻出的判别，识别算法流程结束；

所述进给电机为伺服电机，且由所述驱动器通过矢量方式来控制；

所述步骤2中使用卡尔曼滤波对提取电流进行滤波具体方法如下：

S31，卡尔曼滤波的预测阶段，预测分为状态预测和协方差预测两部分，其中状态预测方程为：

式(1)中，A是状态转移矩阵；B是可选的控制输入矩阵；

是根据上一个状态预测的结果；

是上一个状态最优的结果；u_k-1是控制输入量；w_k-1是系统噪声，其方差阵为Q；

对应于

的协方差预测方程为：

式(2)中，

为

对应的协方差，

为

对应的协方差，A^T为状态转移矩阵A的转置。

式(1)和式(2)是对被观测系统的状态预测，利用前一时刻迭代的结果，即

和

来预测当前时刻的系统状态和误差协方差，得到

和

S32，卡尔曼滤波的更新阶段，系统量测方程为：

式(3)中z_k为量测值；H为量测阵；v_k为噪声序列，其方差阵为R；

通过式(4)计算卡尔曼增益K_k，然后通过被观测系统的实际观测值z_k来修正式(5)中系统状态

和式(6)中协方差

具体过程可表示为：

式(4)中H^T为量测阵H的转置矩阵；

式(6)中I为电流对时间的离散积分值；

对经过所述步骤2滤波后的电流数值进行离散积分处理，具体过程可表示为：

式中，I为N时间内，电流对时间的离散积分值；k的数值表示N时间内有k个采样周期；I(j)为每个采样周期对应的电流值，此电流是随时间变化的；Δt为采样频率；

由上式得出第一个N时间内的电流积分值，然后将积分时间的上下限，求得第二个N时间内的电流积分值，两者进行比较，如差值大于设定的阈值，则可认为此时为加工参数的切换点，其表示式如下：

式中，ΔI为两个周期内电流对时间积分的差值；I_m为第一个时间段N内电流对时间的积分值；I_m+1为第二个时间段N内电流对时间的积分值。

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