CN108759907A - 一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法及系统。用于评价铆接过程质量。首先连续采集铆接部位的铆接力信号。接着识别铆接力信号的峰值信号；记录峰值信号的峰值幅值、峰值位置、峰值信号的瞬时频率。然后将所采集的整个铆接过程的信号按时间顺序依次分为预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段。最后将实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力对比；或者将实际铆接过程的墩头高度与其对应的标准铆接过程的墩头等效高度对比。还提供一种参考铆接过程，以其为参照评价实际铆接过程。本发明公开的方法可为不同的铆接过程提供定量的比较依据，适用性强、可操作性高。可为铆接培训和铆接过程质量控制提供理论指导。

Description

一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法及系统

技术领域

本发明涉及航空航天制造领域，尤其涉及一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法及系统。

背景技术

飞机安全问题主要是装配的可靠性问题，铆接作为飞机零件的主要装配形式，在飞机装配中占有十分重要的地位。

铆接的成型方式是由铆锤冲击铆钉产生弹塑性变形，进而形成墩头。气动铆接系统是由铆枪系统、铆钉和顶铁组成的碰撞系统。在铆接生产实践中通过调节输入气压的大小来改变铆接冲击力和频率，同时，铆接过程中铆枪轴线与铆钉轴线的位置关系对于铆钉成型也有着重要影响。气动铆接中铆枪的输入气压、角度偏斜、轴线偏移均是依靠铆接技能人员进行控制的。因此铆接质量直接取决于铆接技能人员的技能水平。

在实际的生产过程中铆接合格的标准是通过测量成型后铆钉的形貌和尺寸作为评价指标来完成的，但是对于不同的铆接操作方式，成型后墩头的形貌往往比较接近，无法通过形貌测量给出铆接质量判定。对于操作过程的铆接力而言，采用成型操作方法的不同，铆接采集的铆接力曲线有很大的不同，也不便于直接对铆接过程进行评价。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法及系统，将铆接过程分为连续四个特征阶段，建立基于铆接力的量化评价指标。与标准铆接模式相对比，对实际的铆接过程进行定量评价，为铆接技能水平判定提供了理论基础，对于铆接技能工人操作的针对性改进具有较好的实践意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是为铆接质量控制或者铆接培训提供量化的铆接过程质量评价方法，避免传统单纯依靠墩头形貌进行铆接质量判断易出现误判的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法。包括以下步骤：

步骤1：连续采集铆接部位的铆接力信号；

步骤2：识别所述铆接力信号的峰值信号；记录所述峰值信号的峰值幅值、峰值位置、峰值信号的瞬时频率；

步骤3：将所采集的整个铆接过程的信号按时间顺序依次分为预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段；

所述预紧阶段为预紧力出现到第一个所述峰值信号之间的一段；

有效预紧力是第一个所述峰值信号前20-40个测量点的所述预紧力的平均值；

所述过渡阶段为第一个所述峰值信号到所述峰值信号的瞬时频率大于特定值或者所述峰值幅值大于特定值的一段；

所述成型阶段为所述峰值信号的瞬时频率大于特定值或者所述峰值幅值大于特定值的一段；

所述释放阶段为所述成型阶段之后，所有所述峰值信号的瞬时频率均小于特定值、或者所有所述峰值信号均小于特定值之后，到所述峰值信号消失的一段；

步骤4：将实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力对比；或者将实际铆接过程的墩头高度与其对应的所述标准铆接过程的墩头等效高度对比；

所述有效铆接力是所述实际铆接过程中所述峰值幅值减去所述有效预紧力得到的差值；

所述标准预紧力是所述标准铆接过程中所述峰值幅值减去所述有效预紧力得到的差值；

所述有效铆接力与所述标准预紧力由有效频率和标准频率相联系；

所述有效频率为所述有效铆接力对应的所述峰值信号所对应的所述峰值信号的瞬时频率；

所述标准频率为所述标准铆接力对应的所述峰值信号所对应的所述峰值信号的瞬时频率；

步骤5：提供一种参考铆接过程，以其为参照评价所述实际铆接过程。

进一步地，所述步骤4中的所述标准铆接力的确定，包括以下步骤：

步骤4.1)多次测量获取不同的所述标准铆接过程中的所述标准铆接力和所述标准频率；

步骤4.2)将所述标准频率进行中心化和尺度变换得到等效频率；

等效频率为：

其中，mean是所有采集到的所述标准频率的平均值；f是所述标准频率；(f-mean)是将所述标准频率中心化；std是所有所述标准频率的统计标准差，所述std是尺度变换因子；

步骤4.3)建立所述标准铆接力和所述等效频率的一一对应关系；

步骤4.4)由所述实际铆接过程的所述有效频率值按等效频率计算方法计算得到实际等效频率；

步骤4.5)由所述实际等效频率和所述标准铆接力和所述等效频率的一一对应关系计算得到所述实际铆接过程的所述有效铆接力对应的所述标准铆接力F_B。

进一步地，所述步骤4中的所述实际铆接过程的所述有效铆接力与所述标准铆接过程的所述标准铆接力的对比由铆接冲击偏角Φ评定；

所述铆接冲击偏角为：φ＝arccos(F_RZ/F_B)；

其中，F_RZ是所述实际铆接过程的所述有效铆接力在铆钉轴线方向的分量。

进一步地，所述步骤4中的所述墩头等效高度的确定包括以下步骤：

步骤4.a)多次测量获取不同的所述标准铆接过程中的所述标准铆接力和所述标准频率；

步骤4.b)测量各所述标准铆接过程完成后的所述墩头高度；

步骤4.c)建立所述标准铆接力的等效冲击模型；

所述等效冲击模型为：其中m为铆锤的质量；

步骤4.d)将整个所述标准铆接过程内所有的所述标准铆接力的等效冲击累加，获得累积等效冲击能量；

所述累积等效冲击能量为：其中，n为所述标准铆接力数目；

步骤4.e)建立所述标准铆接过程的所述累积等效冲击能量与所述墩头高度的一一对应关系；

步骤4.f)根据所述实际过程的所述有效频率，得到其对应的所述标准铆接力F_B，由所述标准铆接力F_B计算得到所述实际累积等效冲击能量；

步骤4.g)由所述实际累积等效冲击能量和所述标准铆接过程的所述累积等效冲击能量与所述墩头高度的一一对应关系计算得到所述墩头等效高度。

进一步地，所述步骤4中，所述实际铆接过程的所述墩头高度与其对应的所述标准铆接过程的所述墩头等效高度对比，由所述墩头高度和所述墩头等效高度的比值或者差值进行评价。

进一步地，所述步骤4中，所述有效铆接力和所述标准铆接力通过铆接力波动曲线上的第一个波谷的值进行修正；修正公式为：修正后的所述有效铆接力(或所述标准铆接力)＝所对应所述波峰幅值-所述铆接力波动曲线上第一个波谷的值。

进一步地，所述步骤5中，所述参考铆接过程的所述预紧阶段的所述预紧力波动幅度不大于50牛顿，维持时间不低于0.5秒。

进一步地，所述步骤5中，所述参考铆接过程的所述成型阶段的铆接冲击次数为11-15次。

进一步地，所述步骤5中，所述参考铆接过程的所述过渡阶段的铆接冲击次数为4-7次，所述峰值信号的瞬时频率逐渐增高，所述峰值信号的瞬时频率不大于20Hz。

本发明还提供了一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测系统，应用前述的任一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法。

在本发明的较佳实施方式中，包括以下步骤：

步骤1：连续采集铆接部位的铆接力信号。

铆接力信号由三向力传感器或三向加速度传感器测量结果换算得到。一次冲击的铆接力至少采集20个采样点，以能够频率的辨识。三向力传感器或者三向加速度传感器有一个方向沿铆钉轴线方向布置，且标记为Z方向,以方便对信号分析。

步骤2：识别铆接力信号的峰值信号；记录峰值信号的峰值幅值、峰值位置和峰值信号的瞬时频率。

由于存在干扰，所采集的信号序列存在许多峰值。为识别真正的铆接力峰值信号，设定一个阈值，将采样序列中相邻两个信号的幅值做差，如果前一个信号比后一个信号幅值大，且幅值差超出了所设阈值，则认为前一个信号是峰值。当后一个信号比前一个信号幅值小，且幅值差超出了所设阈值，则认为前一个信号是谷值。当前后两个数据点值相等时，则直接进入下一个判断。若出现峰值或者谷值后连续数个数据点值相同时，取第一个数据点作为铆接的峰值或者谷值。持续对信号进行判断，直到信号序列结束。

对峰值信号所在位置的信号序列进行小波分析或者希尔伯特-黄变换分析，确定峰值信号的瞬时频率。

步骤3：将所采集的整个铆接过程的信号按时间顺序依次分为预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段。

预紧阶段为预紧力出现到第一个峰值信号之间的一段。

有效预紧力是第一个峰值信号前20-40个采样点的数据的平均值。

预紧力是铆枪顶在铆钉上，施加一个压力，尚未进行冲击动作时，力传感器所采集到的信号。有效预紧力的大小、持续时间、波动幅度，都会对后续的铆接过程的稳定性有影响，影响铆接冲击偏角和最终的墩头形貌。

过渡阶段为第一个峰值信号到峰值信号的瞬时频率大于特定值或者峰值幅值大于特定值的一段。

过渡阶段是峰值幅值从小到大、峰值频率从低到高变化的过程。位于预紧阶段和成型阶段之间。过渡阶段的峰值幅值增加的速度、峰值信号的瞬时频率增大的幅度，对成型阶段的铆接稳定性有影响。在峰值信号识别和频率判断时，应当解析出过渡阶段中峰值幅值和峰值信号的瞬时频率的变化规律。

成型阶段为峰值信号的瞬时频率大于特定值或者峰值幅值大于特定值的一段。成型阶段峰值信号的瞬时频率稳定，峰值幅值较大。在有些成型阶段，中间会有1-4个峰值信号的瞬时频率较低、峰值幅值较低的过程，这个过程之后，峰值信号的瞬时频率和峰值幅值又恢复到成型阶段正常水平。

释放阶段为成型阶段之后，所有峰值信号的瞬时频率均小于特定值、或者所有峰值信号均小于特定值之后，到峰值信号消失的一段。释放阶段的特点是峰值幅值和峰值信号的瞬时频率迅速降低。数据采集频率要足够高，以能够采集到这个过程的变化特点。

步骤4：将实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力对比；或者将实际铆接过程的墩头高度与其对应的标准铆接过程的墩头等效高度对比。

有效铆接力是实际铆接过程中峰值幅值减去有效预紧力得到的差值；

标准预紧力是标准铆接过程中峰值幅值减去有效预紧力得到的差值；

有效铆接力与标准预紧力由有效频率和标准频率相联系；

有效频率为有效铆接力对应的峰值信号所对应的峰值信号的瞬时频率；

标准频率为标准铆接力对应的峰值信号所对应的峰值信号的瞬时频率；

实际铆接中，墩头高度或者形貌只是反映了一个最终结果，即使两个铆接过程产生的墩头高度和形貌一致，也可能存在铆接质量不合格的现象。不宜只用墩头高度或者形貌来反映铆接质量。

实际铆接过程的四个阶段从形态上是铆接力随时间变化的函数。四个阶段的铆接力随时间变化函数与最终的铆接质量没有直观的联系。只应用铆接力随时间变化的曲线评价铆接质量效率低、难操作、可比性差。

测量的实质是与标准参照物进行比较。因此，在对铆接过程质量进行评价时，需要一个作为标准参照的标准铆接过程。

由于铆接过程是工人手工操作，不同的工人由于操作习惯不同、体力差异、操作环境不一样等原因，使得测量得到的铆接力随时间变化的曲线差异性大。无法用一个标准铆接过程的铆接力曲线评价铆接质量。

另外，一些铆接过程的铆接力曲线之间存在稍微偏离，比如成型阶段幅值波动、成型阶段冲击次数相差1次，最终的铆接结果可能质量一致，都满足要求。

鉴于上述原因，需要综合量来对铆接过程进行综合评定。

采用实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力进行对比，可以将铆接过程铆接力曲线形态不一致的制约规避开。采用实际铆接过程的墩头高度与标准铆接过程的墩头等效高度进行对比，能够比较不同铆接力曲线形态的铆接过程的综合效果，扩展了评价能力范围。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤4中的标准铆接力的确定，包括以下步骤：

步骤4.1)多次测量获取不同的标准铆接过程中的标准铆接力和标准频率。

在标准的测试台上，把铆枪的位置限制到设计位置，施加不同的预紧力，给铆枪提供不同压力的驱动空气，完成不少于20次的标准铆接过程。由三向力传感器测试铆接力。获取各标准铆接过程的标准铆接力和标准频率。

步骤4.2)将标准频率进行中心化和尺度变换得到等效频率。

等效频率为：

其中，mean是所有采集到的标准频率的平均值；f是标准频率；(f-mean)是将标准频率中心化；std是所有标准频率的统计标准差，std是尺度变换因子。

标准铆接过程采用不同尺寸的铆钉和铆枪时，标准频率分布是不同的。采用中心化和尺度变换的方法，可将各种标准过程用统一的函数形式表达。

步骤4.3)建立标准铆接力和等效频率的一一对应关系。

采用数据拟合的方法得到标准铆接力和等效频率的一一对应关系。

作为一种优选方式，采用两个指数曲线组合的方式建立标准铆接力和等效频率的一一对应关系。指数曲线组合为：F_B＝a·exp(b·z)+c·exp(d·z)，其中a、b、c、d是拟合系数。

步骤4.4)由实际铆接过程的有效频率值按等效频率计算方法计算得到实际等效频率。

步骤4.5)由实际等效频率和标准铆接力和等效频率的一一对应关系计算得到实际铆接过程的有效铆接力对应的标准铆接力F_B。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤4中的实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力的对比由铆接冲击偏角Φ评定。

铆接冲击偏角为：φ＝arccos(F_RZ/F_B)；

其中，F_RZ是实际铆接过程的有效铆接力在铆钉轴线方向的分量。

作为一种优选方式，对有效铆接力的水平方向的力进行评价，评价方法为：

θ＝arctan(F_RX/F_RY)；

其中θ是水平的X方向的力F_RX与Y方向的力的合力F_H与X方向的夹角。

采用水平力方向的评价，可确定冲击力水平方向的相位。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤4中的墩头等效高度的确定包括以下步骤：

步骤4.a)多次测量获取不同的标准铆接过程中的标准铆接力和标准频率；

步骤4.b)测量各标准铆接过程完成后的墩头高度；

步骤4.c)建立标准铆接力的等效冲击模型：

等效冲击模型用于评价单次铆接冲击的效果。单次铆接过程中，铆接力越大，铆接冲击引起的变形越大。铆接过程中，峰值信号持续的时间很短。可将铆接力的作用等效为用一个具有速度的物体与铆钉进行碰撞。短时间的冲击过程中，碰撞力与速度成正比。

因此，可用作为等效冲击模型，其中m是铆锤的质量。

作为一种优选方式，还可以将铆接力一次冲击中，小幅度的脉冲波动考虑到等效能量模型中。

这种情况的表达式为：

其中，F_iD是单次铆接冲击中，峰值信号之后又出现的低幅脉冲力，ΔH_i是F_iD作用下墩头高度的改变量。由于F_iD力的幅度小，且这个过程中，铆锤与墩头一直接触，没有冲击作用。因此峰值信号后的过程中传递给铆钉的能量，主要是力F_iD与墩头高度改变产生位移的乘积引起的。由于墩头高度改变量较小，F_iD幅度较小，这部分力影响较小。

步骤4.d)将整个标准铆接过程内所有的标准铆接力的等效冲击累加，获得累积等效冲击能量：

其中，n为标准铆接力数目。

累积等效冲击能量是整个铆接过程整体的作用效果。

步骤4.e)建立标准铆接过程的累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系；

采用曲线拟合的方法，建立标准铆接过程的累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系。作为一种优选方式，采用五次多项式进行曲线拟合。

步骤4.f)根据实际过程的有效频率，得到其对应的标准铆接力F_B，由F_B计算得到实际累积等效冲击能量；

步骤4.g)由实际累积等效冲击能量和标准铆接过程的累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系计算得到墩头等效高度。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤4中，实际铆接过程的墩头高度与其对应的标准铆接过程的墩头等效高度对比，由墩头高度和墩头等效高度的比值或者差值进行评价。

可通过实际铆接过程的墩头高度与墩头等效高度的比值评价铆接过程质量。或者由墩头高度与墩头等效高度的差值评价铆接过程质量。若墩头高度低于等效高度，说明其中有铆接冲击力过大，使铆钉塑性变形超标，降低了铆钉本身的强度和可靠性。若墩头高度高于墩头等效高度，说明其中存在铆接冲击力不足，铆钉塑性变形未达到标准要求，降低了铆钉与周围零件的连接强度。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤4中，有效铆接力和标准铆接力通过铆接力波动曲线上的第一个波谷的值进行修正；修正公式为：修正后的有效铆接力(或标准铆接力)＝所对应波峰幅值-铆接力波动曲线上第一个波谷的值。

在标准铆接过程或者实际铆接过程中，由于传感器安装或者夹具的影响，会使测量到的铆接力峰值大于有效铆接力峰值。这时需要对铆接力进行修正。修正的方法是采用铆接力变化曲线上的第一个波谷值作为修正值。修正扩宽了铆接质量评定方法的适用范围。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤5中，参考铆接过程的预紧阶段的预紧力波动幅度不大于50牛顿，维持时间不低于0.5秒。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤5中，参考铆接过程的成型阶段的铆接冲击次数为11-15次；优选的铆接冲击次数为13。

作为一种替代方案，在成型阶段可有间歇的低频和低幅铆接力峰值信号。低频和低幅峰值信号的持续不能超过3个。幅值不得低于阈值的0.8倍。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤5中，参考铆接过程的过渡阶段的铆接冲击次数为4-7次，峰值信号的瞬时频率逐渐增高，最大频率不大于20Hz。

本发明的一较佳实施方式中，提供一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测系统，包括三向力传感器、数据采集模块、分析软件和数据库和计算机。

三向力传感器用于感受铆接力的变化；数据采集模块将三向力传感器信号采集到计算机中。

计算机的数据库中存有标准铆接过程的标准铆接力和等效频率的一一对应关系，还存有累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系。

分析软件根据所采集到的信号，提取出铆接力的幅值和当地的频率，识别铆接过程的预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段。

分析软件根据采集到的铆接力和频率，查阅数据库，计算铆接力偏角和墩头等效高度。对铆接过程进行在线监测和分析。

也可根据需要，将参考铆接过程的铆接力、铆接力偏角、墩头高度和墩头等效高度存储在数据库中，用于对铆接过程进行检测和分析。

本发明的有益效果是：

(1)将铆接过程分为四个阶段，便于分析各阶段的铆接力信号特征及对其特征的要求。

(2)采用标准铆接过程作为参照，给铆接过程的质量评价提供依据。

(3)建立了标准铆接过程和实际铆接过程铆接力评价的方法。使不同频率和不同次数的铆接过程具有可比性。使实际铆接过程的评价具有可操作性。

(4)提供了基于等效能量的墩头等效高度评价方法。能够评价不同铆接过程的铆接力形成综合效果是否一致。

(5)该方法可为铆接培训和铆接过程质量控制提供理论指导。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的在线监测流程图；

图2是本发明的一个较佳实施例标准铆接力的确定的流程图；

图3是本发明的一个较佳实施例的等墩头等效高度的确定的流程图；

图4是本发明的一个较佳实施例的墩头高度与等效能量的关系曲线；

图5是本发明的一个较佳实施例的参考铆接过程的铆接信号；

图6是本发明的一个较佳实施例的学员操作铆接过程铆接信号；

图7是本发明的一个较佳实施例的铆接力出现波动的示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的铆接力峰值和谷值及位置提取流程图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1

本实施例的基本流程如图1所示，包括以下五个步骤：

步骤1：连续采集铆接部位的铆接力信号；

步骤2：识别铆接力信号的峰值信号；记录峰值信号的峰值幅值、峰值位置、峰值信号的瞬时频率；

步骤3：将所采集的整个铆接过程的信号按时间顺序依次分为预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段。所划分的四个阶段如图6和图7所示。

预紧阶段为预紧力出现到第一个峰值信号之间的一段；

预紧力是第一个峰值信号前20-40个测量点的预紧力的平均值；

过渡阶段为第一个峰值信号到峰值信号的瞬时频率大于特定值或者峰值幅值大于特定值的一段；

成型阶段为峰值信号的瞬时频率大于特定值或者峰值幅值大于特定值的一段；

释放阶段为成型阶段之后，所有峰值信号的瞬时频率均小于特定值、或者所有峰值信号均小于特定值之后，到峰值信号消失的一段；

步骤4：将实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力对比；或者将实际铆接过程的墩头高度与其对应的标准铆接过程的墩头等效高度对比；

有效铆接力是实际铆接过程中峰值幅值减去有效预紧力得到的差值；

标准预紧力是标准铆接过程中峰值幅值减去预紧力得到的差值；

有效铆接力与标准预紧力由有效频率和标准频率相联系；

有效频率为有效铆接力对应的峰值信号所对应的峰值信号的瞬时频率；

标准频率为标准铆接力对应的峰值信号所对应的峰值信号的瞬时频率；

步骤5：提供一种参考铆接过程，以其为参照评价实际铆接过程。

本实施例的步骤4中标准铆接过程的标准铆接力的确定流程如图2所示。包括以下步骤：

步骤4.1)多次测量获取不同的标准铆接过程中的标准铆接力和标准频率。

在标准的测试台上，把铆枪的位置限制到设计位置，施加不同的预紧力，给铆枪提供不同压力的驱动空气，完成不少于20次的标准铆接过程。由三向力传感器测试铆接力。获取各标准铆接过程的标准铆接力和标准频率。

步骤4.2)将标准频率进行中心化和尺度变换得到等效频率。

等效频率为：

其中，mean是所有采集到的标准频率的平均值；f是标准频率；(f-mean)是将标准频率中心化；std是所有标准频率的统计标准差，std是尺度变换因子。

本实施例中，mean＝28.2876,std＝1.1516。

步骤4.3)建立标准铆接力和等效频率的一一对应关系。

采用两个指数曲线组合的方式建立标准铆接力和等效频率的一一对应关系。指数曲线组合为：F_B＝a·exp(b·z)+c·exp(d·z)，其中a、b、c、d是拟合系数。本实施例中a＝37.15,b＝0.1029,c＝-0.04489,d＝-2.613。

步骤4.4)由实际铆接过程的有效频率值按等效频率计算方法计算得到实际等效频率。

步骤4.5)由实际等效频率和标准铆接力和等效频率的一一对应关系计算得到实际铆接过程的有效铆接力对应的标准铆接力F_B。

本实施例的步骤4中，实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力对比由铆接冲击偏角Φ评定。

铆接冲击偏角为：φ＝arccos(F_RZ/F_B)；

其中，F_RZ是实际铆接过程的有效铆接力在铆钉轴线方向的分量。

本实施例的步骤4中的墩头等效高度的确定的流程如图3所示。包括以下步骤：

步骤4.a)多次测量获取不同的标准铆接过程中的标准铆接力和标准频率；

步骤4.b)测量各标准铆接过程完成后的墩头高度；

步骤4.c)建立标准铆接力的等效冲击模型：

步骤4.d)将整个标准铆接过程内所有的标准铆接力的等效冲击累加；获得累积等效冲击能量：

其中，n为标准铆接力数目。

步骤4.e)建立标准铆接过程的累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系；

采用五次多项式建立墩头高度与累积等效能量之间的关系。所建立的多项式为：H＝P₁E⁵+P₂E⁴+P₃E³+P₄E²+P₅E+P₆。其中，H为铆接后墩头高度，单位为mm，E为铆接的等效能量单位为10⁴J。P₁＝-828.27，P₂＝50232，P₃＝-12130，P₄＝14582，P₅＝-8730，P₆＝2085.6。

所得到的墩头高度与等效能量的曲线如图4所示。随着等效能量的增加，墩头高度减小，在累计等效能量为1.015×10⁴J附近，墩头高度随等效能量的变化率最小。适于用此位置作为墩头高度。

步骤4.f)根据实际过程的有效频率，得到其对应的标准铆接力F_B，由F_B计算得到实际累积等效冲击能量；

步骤4.g)由实际累积等效冲击能量和标准铆接过程的累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系计算得到墩头等效高度。

步骤5中，参考铆接过程采集到的铆接力信号图5所示。沿时间增加方向，将铆接过程分为了预紧阶段、过度阶段、成型阶段和释放阶段。

此参考铆接过程中，在进行铆接时，保持铆枪轴线与铆钉的轴线平行，角度偏斜小于正负1度。同时铆钉轴线与铆枪的轴线的偏移量小于1mm。预紧阶段的预紧力不低于8kg。关键成型阶段铆接次数为13次，铆接力幅值为44kg。在过渡阶段，低频的冲击次数为4次。预紧阶段和成型阶段的分界频率为25Hz。

图6是学员铆接的铆接力曲线。对比两个过程的铆接力曲线，可分辨出学员铆接过程与标准铆接过程的差异。

实施例2

若在铆接力测试过程中出现了波动，如图7所示。此时需要对有效铆接力和标准铆接力进行修正。修正方法是由铆接力波动曲线上的第一个波谷的值进行修正；修正公式为：修正后的有效铆接力(或标准铆接力)＝所对应波峰幅值-铆接力波动曲线上第一个波谷的值。

此时，需要同时判断波峰和波谷的位置。峰值和谷值幅值及位置的算法流程如图8所示。

为识别峰值和谷值，设定一个阈值，将采样序列中相邻两个信号的幅值做差，如果前一个信号比后一个信号幅值大，且幅值差超出了所设阈值，则认为前一个信号是峰值。当后一个信号比前一个信号幅值小，且幅值差超出了所设阈值，则认为前一个信号是谷值。当前后两个数据点值相等时，则直接进入下一个判断。若出现峰值或者谷值后连续数个数据点值相同时，取第一个数据点作为铆接的峰值或者谷值。持续对信号进行判断，直到信号序列结束。判断过程中把峰值和谷值的及其位置保存下来。

实施例3

提供一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测系统，包括三向力传感器、数据采集模块、分析软件和数据库和计算机。

三向力传感器用于感受铆接力的变化；数据采集模块将三向力传感器信号采集到计算机中。

计算机的数据库中存有标准铆接过程的标准铆接力和等效频率的一一对应关系，还存有累积等效冲击能量与墩头高度的一一对应关系。

分析软件根据所采集到的信号，提取出铆接力的幅值和当地的频率，识别铆接过程的预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段。

分析软件根据采集到的铆接力和频率，查阅数据库，计算铆接力偏角和墩头等效高度。对铆接过程进行在线监测。

也可根据需要，将参考铆接过程的铆接力、铆接力偏角、墩头高度和墩头等效高度存储在数据库中，用于对铆接过程进行检测和分析。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：连续采集铆接部位的铆接力信号；

步骤2：识别所述铆接力信号的峰值信号；记录所述峰值信号的峰值幅值、峰值位置、峰值信号的瞬时频率；

步骤3：将所采集的整个铆接过程的信号按时间顺序依次分为预紧阶段、过渡阶段、成型阶段和释放阶段；

所述预紧阶段为预紧力出现到第一个所述峰值信号之间的一段；

有效预紧力是第一个所述峰值信号前20-40个测量点的所述预紧力的平均值；

所述过渡阶段为第一个所述峰值信号到所述峰值信号的瞬时频率大于特定值或者所述峰值幅值大于特定值的一段；

所述成型阶段为所述峰值信号的瞬时频率大于特定值或者所述峰值幅值大于特定值的一段；

所述释放阶段为所述成型阶段之后，所有所述峰值信号的瞬时频率均小于特定值、或者所有所述峰值信号均小于特定值之后，到所述峰值信号消失的一段；

步骤4：将实际铆接过程的有效铆接力与标准铆接过程的标准铆接力对比；或者将实际铆接过程的墩头高度与其对应的所述标准铆接过程的墩头等效高度对比；

所述有效铆接力是所述实际铆接过程中所述峰值幅值减去所述有效预紧力得到的差值；

所述标准预紧力是所述标准铆接过程中所述峰值幅值减去所述有效预紧力得到的差值；

所述有效铆接力与所述标准预紧力由有效频率和标准频率相联系；

所述有效频率为所述有效铆接力对应的所述峰值信号所对应的所述峰值信号的瞬时频率；

所述标准频率为所述标准铆接力对应的所述峰值信号所对应的所述峰值信号的瞬时频率；

步骤5：提供一种参考铆接过程，以其为参照评价所述实际铆接过程。

2.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤4中的所述标准铆接力的确定，包括以下步骤：

步骤4.1)多次测量获取不同的所述标准铆接过程中的所述标准铆接力和所述标准频率；

步骤4.2)将所述标准频率进行中心化和尺度变换得到等效频率；

等效频率为：

其中，mean是所有采集到的所述标准频率的平均值；f是所述标准频率；(f-mean)是将所述标准频率中心化；std是所有所述标准频率的统计标准差，所述std是尺度变换因子；

步骤4.3)建立所述标准铆接力和所述等效频率的一一对应关系；

步骤4.4)由所述实际铆接过程的所述有效频率值按等效频率计算方法计算得到实际等效频率；

步骤4.5)由所述实际等效频率和所述标准铆接力和所述等效频率的一一对应关系计算得到所述实际铆接过程的所述有效铆接力对应的所述标准铆接力F_B。

3.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤4中的所述实际铆接过程的所述有效铆接力与所述标准铆接过程的所述标准铆接力的对比由铆接冲击偏角Φ评定；

所述铆接冲击偏角为：φ＝arccos(F_RZ/F_B)；

其中，F_RZ是所述实际铆接过程的所述有效铆接力在铆钉轴线方向的分量。

4.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤4中的所述墩头等效高度的确定包括以下步骤：

步骤4.a)多次测量获取不同的所述标准铆接过程中的所述标准铆接力和所述标准频率；

步骤4.b)测量各所述标准铆接过程完成后的所述墩头高度；

步骤4.c)建立所述标准铆接力的等效冲击模型；

所述等效冲击模型为：其中m为铆锤的质量；

步骤4.d)将整个所述标准铆接过程内所有的所述标准铆接力的等效冲击累加，获得累积等效冲击能量；

所述累积等效冲击能量为：其中，n为所述标准铆接力数目；

步骤4.e)建立所述标准铆接过程的所述累积等效冲击能量与所述墩头高度的一一对应关系；

步骤4.f)根据所述实际过程的所述有效频率，得到其对应的所述标准铆接力F_B，由所述标准铆接力F_B计算得到所述实际累积等效冲击能量；

步骤4.g)由所述实际累积等效冲击能量和所述标准铆接过程的所述累积等效冲击能量与所述墩头高度的一一对应关系计算得到所述墩头等效高度。

5.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤4中，所述实际铆接过程的所述墩头高度与其对应的所述标准铆接过程的所述墩头等效高度对比，由所述墩头高度和所述墩头等效高度的比值或者差值进行评价。

6.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤4中，所述有效铆接力和所述标准铆接力通过铆接力波动曲线上的第一个波谷的值进行修正；修正公式为：修正后的所述有效铆接力(或所述标准铆接力)＝所对应所述波峰幅值-所述铆接力波动曲线上第一个波谷的值。

7.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤5中，所述参考铆接过程的所述预紧阶段的所述预紧力波动幅度不大于50牛顿，维持时间不低于0.5秒。

8.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤5中，所述参考铆接过程的所述成型阶段的铆接冲击次数为11-15次。

9.如权利要求1所述的基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法，其特征在于，所述步骤5中，所述参考铆接过程的所述过渡阶段的铆接冲击次数为4-7次，所述峰值信号的瞬时频率逐渐增高，所述峰值信号的瞬时频率不大于20Hz。

10.一种基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测系统，其特征在于，应用权利要求1到9中任一项所述基于铆接力的飞机气动铆接过程在线监测方法。