CN110216505A - 用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统，包括：控制系统单元，其由自动制孔设备的总控制系统进行控制，并获得压紧力闭环控制的目标压紧力值；压紧力测量单元，其实时获取压紧力数据，并将压紧力数据作为闭环控制的反馈量反馈给控制系统单元；以及气动执行单元，其由控制系统单元进行控制以执行对气缸动作及气压的调节，从而控制压力脚作用在薄板类部件表面上的压紧力。本发明还提供一种用于自动制孔设备的压紧力闭环控制方法。根据本发明的压紧力闭环控制系统和方法，可以有效提高加工过程的刚性并抑制工件振动，减小叠层板层间毛刺的产生。
Description
技术领域
本发明总的涉及用于飞机部件等薄板类部件的自动制孔设备技术领域，特别是涉及用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统和方法。
背景技术
20世纪50年代以来，得益于自动化技术的迅猛发展，飞机制孔作业从最早的人工制孔到半自动化、自动化制孔，也在不断提高。飞机机身蒙皮、壁板等部件均为薄板类部件，由于工件刚度较差，在钻削过程中，受到钻削力的作用会产生明显的变形效果。这一变形效果不仅会造成工件的振动，影响加工质量，在叠层板钻孔过程中还直接导致了层间毛刺的产生。大量研究表明，在薄板工件的钻削加工过程中，在加工区域附近施加一定的压紧力，可以有效的压紧工件，消除加工过程的振动，提升加工系统的刚度。
在目前常见的飞机部件自动制孔设备中，借助气缸提供压力源，通过环形结构的压力脚对工件表面施加压紧力的方式也已经非常普遍。但是在目前的自动制孔设备中对于施加的压紧力的大小并不加以控制，只是根据经验选取一个大概的值，而在加工过程中，受到钻削力的作用，工件会产生一定的变形，从而对气压造成扰动，使得实际的压紧力发生一定的变化，进一步影响了压紧力的作用效果。所以，在自动制孔设备中，实现整个加工过程中的压紧力闭环控制，使实际作用的压紧力稳定于目标值，可以更好的实现压紧力对自动制孔过程的优化作用。
由于加工过程中，用于压紧工件的压力脚一直紧贴工件，其末端区域无法直接安装传感器，所以无法直接测量作用在工件上的压紧力的大小。只有获得了压紧力的实时测量数据，才可以实现对压紧力的闭环控制。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，由于气缸在调整过程中的加速度有限，故而利用安装于气缸杆末端的力传感器，可以实时的测量作用于气缸杆和设备固定部分之间的作用力；由经典力学的平衡关系，这一作用力与实际作用于工件表面的压紧力近似相等。
基于此，为了解决现有自动制孔设备无法实现在整个制孔过程中对压紧力闭环控制的问题，一方面，本发明提出了一种用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统，包括：控制系统单元，其由自动制孔设备的总控制系统进行控制，并获得压紧力闭环控制的目标压紧力值；压紧力测量单元，其实时获取压紧力数据，并将压紧力数据作为闭环控制的反馈量反馈给控制系统单元；以及气动执行单元，其由控制系统单元进行控制以执行对气缸动作及气压的调节，从而控制压力脚作用在薄板类部件表面上的压紧力。
优选地，压紧力闭环控制是由控制系统单元执行的PID控制。
优选地，压紧力测量单元由压紧力传感器及其放大元件构成，压紧力传感器的测量结果通过放大元件转换后的信号反馈给控制系统单元，其中，压紧力传感器安装于气缸杆的末端与基座之间，以实时测量气缸杆与基座之间的作用力，该作用力与压紧力基本相等，放大元件用于将压紧力传感器微小的测量信号转换为电流模拟量信号，并反馈给控制系统单元。
优选地，气动执行单元由气缸、压紧执行模块及气路系统组成，气缸具有气缸杆和气缸缸体，压紧执行模块包括基座、压紧执行模块主体和压力脚，基座通过连接件安装于移动设备上，气缸缸体和压力脚固定于压紧执行模块主体上，压力脚在气缸的驱动下对薄板类部件表面施加压紧力作用，气缸缸体两侧的气孔通过气管与气路系统相连。
优选地，气路系统包括气源、油雾器、减压阀、过滤阀、比例压力阀、电磁阀、节流阀及气管，气路系统由控制系统单元进行控制，执行对气缸内的流量、气压及气缸运动方向的调节。
优选地，压力脚是柔性压力脚。
优选地，基座、压紧力传感器、气缸、压紧执行模块主体及压力脚按顺序依次安装，组成由固定端到薄板类部件表面之间的压紧力测量回路。
另一方面，本发明提出了一种用于自动制孔设备的压紧力闭环控制方法，包括以下步骤：通过自动制孔设备的总控制系统对控制系统单元进行控制，并使其获得压紧力闭环控制的目标压紧力值；利用压紧力测量单元实时获取压紧力数据，并将压紧力数据作为闭环控制的反馈量反馈给控制系统单元；以及通过控制系统单元控制气动执行单元以执行对气缸动作及气压的调节，从而控制压力脚作用在薄板类部件表面上的压紧力。
优选地，压紧力闭环控制是由控制系统单元执行的PID控制。
优选地，压紧力测量单元由压紧力传感器及其放大元件构成，压紧力传感器的测量结果通过放大元件转换后的信号反馈给控制系统单元，其中，压紧力传感器安装于气缸杆的末端与基座之间，以实时测量气缸杆与基座之间的作用力，该作用力与压紧力基本相等，放大元件用于将压紧力传感器微小的测量信号转换为电流模拟量信号，并反馈给控制系统单元。
优选地，气动执行单元由气缸、压紧执行模块及气路系统组成，气缸具有气缸杆和气缸缸体，压紧执行模块包括基座、压紧执行模块主体和压力脚，基座通过连接件安装于移动设备上，气缸缸体和压力脚固定于压紧执行模块主体上，压力脚在气缸的驱动下对薄板类部件表面施加压紧力作用，气缸缸体两侧的气孔通过气管与气路系统相连。
优选地，气路系统包括气源、油雾器、减压阀、过滤阀、比例压力阀、电磁阀、节流阀及气管，气路系统由控制系统单元进行控制，执行对气缸内的流量、气压及气缸运动方向的调节。
优选地，压力脚是柔性压力脚。
优选地，基座、压紧力传感器、气缸、压紧执行模块主体及压力脚按顺序依次安装，组成由固定端到薄板类部件表面之间的压紧力测量回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：传感器安装于气缸杆与基座之间，可以实现传感器的方便安装与拆卸；属于间接测量，避免在压紧端直接安装传感器，对加工过程不引入干扰；实现钻孔过程中的压紧力闭环控制，并根据钻孔工艺经验，确定在特定的工艺参数和工件参数下的最优压紧力，可以有效提高加工过程的刚性并抑制工件振动，减小叠层板层间毛刺的产生；借助控制系统单元内的各种闭环控制算法，可以实现对压紧力的实时、高效和快速的控制。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1为根据本发明的实施方式的用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统的机械结构示意图；
图2为根据本发明的实施方式的用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统的控制系统示意图。
附图中：
1连接法兰
2基座
3压紧力传感器
4气缸杆
5气缸缸体
6制孔设备加工组件
7柔性压力脚
8压紧执行模块主体
9放大元件(压紧力信号)
10控制系统单元
11节流阀
12气路(气管)
13电磁阀
14比例压力阀
15过滤阀
16减压阀
17油雾器
18气源、开关阀
具体实施方式
接下来将参照附图详细描述本发明的用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围内。
本发明的用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统可以针对任何具体型号飞机的任何薄板类飞机部件，也可以针对任何其他机器的任何薄板类部件。
图1为根据本发明的实施方式的用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统的机械结构示意图。如图1所示，用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统主要由压紧力测量单元、气动执行单元和控制系统单元组成。
在飞机部件等薄板类部件的制孔过程中，用于压紧工件的优选为柔性的压力脚一直紧贴工件，以确保加工过程的刚性、抑制工件振动并减小叠层板层间毛刺的产生。如图1所示，自动制孔设备包括基座2、气缸、制孔设备加工组件6、压紧执行模块主体8和柔性压力脚7。基座2通过诸如连接法兰1的连接件安装于机器人或其他移动设备上。气缸由气缸缸体5和气缸杆4构成，柔性压力脚7在气缸的驱动下，对工件表面施加一定的压紧力作用。制孔设备加工组件6用于对飞机部件等薄板类部件进行制孔加工。气缸的气缸缸体5和柔性压力脚7固定于压紧执行模块主体8上，在制孔过程中气缸驱动柔性压力脚7对工件表面施加一定的压紧力。
考虑到自动制孔设备的气缸在位置微调时的加速度非常小，且基座2通过连接法兰1安装于机器人或其他移动设备上而保持固定，由经典力学原理可知，气缸杆4与设备固定部分、即基座2之间的作用力，与柔性压力脚7作用于工件表面的作用力近似相等。因此，为了获得柔性压力脚施加的压紧力的实时测量数据，只要获得气缸杆4与基座2之间的作用力的实时测量数据即可。基于此，提供压紧力测量单元来实时测量气缸杆4与基座2之间的作用力。
根据本发明的一种实施方式，压紧力测量单元包括一对压紧力传感器3及其放大元件9。压紧力传感器3安装于气缸杆4与基座2之间，可以实时测量气缸杆4与基座2之间的作用力。
图2为根据本发明的实施方式的用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统的控制系统示意图。如图2所示，压紧力传感器3微弱的测量信号，经过放大元件9的放大，以电流模拟量信号的形式反馈给控制系统单元10，保证了信号传输过程中的稳定性。
参照图1和图2所示，气动执行单元包括一对双作用气缸(气缸杆4和气缸缸体5)、柔性压力脚7、气管12、节流阀11、电磁阀13、比例压力阀14、气源及附属元件15～18。气源18中的高压气体经过气源附属元件16～18后，沿气管12形成气路，分别通过比例压力阀14、电磁阀13和节流阀11，进入气缸缸体5的两侧；气缸缸体5固定于压紧执行模块主体8上，气缸杆4末端通过压紧力传感器3与基座2相连。在制孔过程中气缸驱动柔性压力脚7对工件表面施加一定的压紧力。
参照图2所示，控制系统单元10由自动制孔设备的总控制系统进行控制，并获得压紧力闭环控制的目标压紧力值。优选地，根据钻孔的实际工艺经验，结合最优压紧力确定方法，针对不同的工件参数和工艺参数，可以确定一个最优压紧力作为控制目标的目标压紧力值。利用控制系统单元10可以实现PID等闭环控制算法程序，将放大元件9反馈的测量数据作为反馈信号，比例压力阀14的开度作为输出信号，总控制系统指定的最优压紧力为控制目标，形成闭环控制回路。特别地，控制系统单元10通过控制电磁阀13，调整气缸的运动方向；通过电流模拟量信号调节比例压力阀14的开度，进而调节气缸缸体5内的气压大小，从而调节柔性压力脚7作用在工件表面上的压紧力；节流阀11用于调节流量，从而调整气缸动作的速度。通过选择合理的闭环控制方法和参数，可以实现压紧力闭环控制的快速、高效和稳定，进而抑制加工过程中工件的振动，减少加工过程中的毛刺。
本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开的方法和结构的替代方法和结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。
Claims (14)
1.一种用于自动制孔设备的压紧力闭环控制系统，包括：
控制系统单元，其由自动制孔设备的总控制系统进行控制，并获得压紧力闭环控制的目标压紧力值；
压紧力测量单元，其实时获取压紧力数据，并将压紧力数据作为闭环控制的反馈量反馈给控制系统单元；以及
气动执行单元，其由控制系统单元进行控制以执行对气缸动作及气压的调节，从而控制压力脚(7)作用在薄板类部件表面上的压紧力。
2.根据权利要求1所述的压紧力闭环控制系统，其特征在于，压紧力闭环控制是由控制系统单元执行的PID控制。
3.根据权利要求1或2所述的压紧力闭环控制系统，其特征在于，压紧力测量单元由压紧力传感器(3)及其放大元件(9)构成，压紧力传感器(3)的测量结果通过放大元件(9)转换后的信号反馈给控制系统单元，其中，压紧力传感器(3)安装于气缸杆(4)的末端与基座(2)之间，以实时测量气缸杆(4)与基座(2)之间的作用力，该作用力与压紧力基本相等，放大元件(9)用于将压紧力传感器(3)微小的测量信号转换为电流模拟量信号，并反馈给控制系统单元。
4.根据权利要求1或2所述的压紧力闭环控制系统，其特征在于，气动执行单元由气缸、压紧执行模块及气路系统组成，气缸具有气缸杆(4)和气缸缸体(5)，压紧执行模块包括基座(2)、压紧执行模块主体(8)和压力脚(7)，基座(2)通过连接件(1)安装于移动设备上，气缸缸体(5)和压力脚(7)固定于压紧执行模块主体(8)上，压力脚(7)在气缸的驱动下对薄板类部件表面施加压紧力作用，气缸缸体(5)两侧的气孔通过气管与气路系统相连。
5.根据权利要求4所述的压紧力闭环控制系统，其特征在于，气路系统包括气源、油雾器、减压阀、过滤阀、比例压力阀、电磁阀、节流阀及气管，气路系统由控制系统单元进行控制，执行对气缸内的流量、气压及气缸运动方向的调节。
6.根据权利要求1所述的压紧力闭环控制系统，其特征在于，压力脚(7)是柔性压力脚。
7.根据权利要求4所述的压紧力闭环控制系统，其特征在于，基座(2)、压紧力传感器(3)、气缸、压紧执行模块主体(8)及压力脚(7)按顺序依次安装，组成由固定端到薄板类部件表面之间的压紧力测量回路。
8.一种用于自动制孔设备的压紧力闭环控制方法，包括以下步骤：
通过自动制孔设备的总控制系统对控制系统单元进行控制，并使其获得压紧力闭环控制的目标压紧力值；
利用压紧力测量单元实时获取压紧力数据，并将压紧力数据作为闭环控制的反馈量反馈给控制系统单元；以及
通过控制系统单元控制气动执行单元以执行对气缸动作及气压的调节，从而控制压力脚(7)作用在薄板类部件表面上的压紧力。
9.根据权利要求9所述的压紧力闭环控制方法，其特征在于，压紧力闭环控制是由控制系统单元执行的PID控制。
10.根据权利要求8或9所述的压紧力闭环控制方法，其特征在于，压紧力测量单元由压紧力传感器(3)及其放大元件(9)构成，压紧力传感器(3)的测量结果通过放大元件(9)转换后的信号反馈给控制系统单元，其中，压紧力传感器(3)安装于气缸杆(4)的末端与基座(2)之间，以实时测量气缸杆(4)与基座(2)之间的作用力，该作用力与压紧力基本相等，放大元件(9)用于将压紧力传感器(3)微小的测量信号转换为电流模拟量信号，并反馈给控制系统单元。
11.根据权利要求8或9所述的压紧力闭环控制方法，其特征在于，气动执行单元由气缸、压紧执行模块及气路系统组成，气缸具有气缸杆(4)和气缸缸体(5)，压紧执行模块包括基座(2)、压紧执行模块主体(8)和压力脚(7)，基座(2)通过连接件(1)安装于移动设备上，气缸缸体(5)和压力脚(7)固定于压紧执行模块主体(8)上，压力脚(7)在气缸的驱动下对薄板类部件表面施加压紧力作用，气缸缸体(5)两侧的气孔通过气管与气路系统相连。
12.根据权利要求11所述的压紧力闭环控制方法，其特征在于，气路系统包括气源、油雾器、减压阀、过滤阀、比例压力阀、电磁阀、节流阀及气管，气路系统由控制系统单元进行控制，执行对气缸内的流量、气压及气缸运动方向的调节。
13.根据权利要求8所述的压紧力闭环控制方法，其特征在于，压力脚(7)是柔性压力脚。
14.根据权利要求11所述的压紧力闭环控制方法，其特征在于，基座(2)、压紧力传感器(3)、气缸、压紧执行模块主体(8)及压力脚(7)按顺序依次安装，组成由固定端到薄板类部件表面之间的压紧力测量回路。
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