航空疊層材料變參數(shù)自適應(yīng)制孔系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明應(yīng)用于飛機(jī)部件自動(dòng)化裝配制孔領(lǐng)域，具體涉及到碳纖維復(fù)合材料和金屬材料變參數(shù)自適應(yīng)疊層制孔系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著材料科學(xué)和加工工藝水平的進(jìn)步，同時(shí)為滿足新一代先進(jìn)飛機(jī)和大型民用客機(jī)結(jié)構(gòu)件輕量化和高疲勞壽命的性能要求，碳纖維復(fù)合材料作為一種性能優(yōu)異的材料在諸如飛機(jī)壁板、大型客機(jī)機(jī)身段和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等航空航天產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]復(fù)合材料構(gòu)件成型后，在大量場合下需要與其他金屬結(jié)構(gòu)件疊層制孔才能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件裝配。碳纖維復(fù)合材料具有高硬度、各向異性、非勻質(zhì)性和低熱膨脹系數(shù)等特性，使得鉆削中出現(xiàn)分層、撕裂和毛邊等缺陷，金屬材料鉆削過程面臨出口毛刺等困難，而兩種材料機(jī)械物理性能的不一致性導(dǎo)致疊層制孔面臨孔徑精度不一致、孔壁表面質(zhì)量差等問題。而傳統(tǒng)的的鉆削工藝難以抑制疊層材料鉆削缺陷的的產(chǎn)生，難以滿足現(xiàn)代飛機(jī)的制造要求。
[0004]由于碳纖維脆性大、硬度高、表面光滑，與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂的結(jié)合力差，因此層間剪切強(qiáng)度低、抗剝離性能差，是典型的難加工材料。鈦合金硬度大且化學(xué)活性大，在加工過程冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，造成刀具磨損嚴(yán)重，而當(dāng)切削溫度高和切削力較大時(shí)，刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損，因此鈦合金也是典型的難加工材料。碳纖維復(fù)合材料較適宜的主軸轉(zhuǎn)速范圍較廣，一般為3000-12000rpm，為避免出口分層缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)給量一般為0.01-0.03mm/ro鈦合金加工中宜采用300-1200rpm的低轉(zhuǎn)速和0.04-0.05mm/r的低進(jìn)給，鋁合金宜采用2000-5000rpm 的轉(zhuǎn)速和 0.04-0.08mm/r 的進(jìn)給量。
[0005]在發(fā)明專利《一種碳纖維復(fù)合材料和金屬材料疊層裝配制孔方法與裝置》(公開號(hào)為CN101670448A)中，采用鉆削刀具在碳纖維復(fù)合材料/金屬材料疊層鉆削過程中，根據(jù)所加工材料通過進(jìn)給位置傳感器的硬件觸發(fā)或軟件數(shù)控編程控制方式，在疊層間過渡區(qū)域自動(dòng)改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，使刀具在制孔加工不同的材料層時(shí)能夠處于各自最佳的工藝參數(shù)狀態(tài)。其制孔裝置主要由制孔裝置本體、刀具和刀柄、電主軸、進(jìn)給位置傳感器組、垂直進(jìn)給滑臺(tái)，以及主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)和制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)組成。該專利可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)制孔工序就能完成不同材料的疊層制孔，能夠提高疊層材料制孔效率及質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本和制造周期。但是該專利中制孔方法只涉及到疊層間過渡區(qū)域的變參數(shù)，而下層材料孔的出口質(zhì)量難以保證，容易出現(xiàn)出口毛刺高、復(fù)合材料分層等缺陷。
[0006]在發(fā)明專利《飛機(jī)疊層結(jié)構(gòu)變參數(shù)控制制孔方法》(公開號(hào)為CN103894657A)中，采用螺旋銑對(duì)碳纖維復(fù)合材料/鈦合金疊層制孔，壓緊待制孔區(qū)域后，預(yù)設(shè)開始變工藝參數(shù)的位置，刀具以預(yù)設(shè)的刀具的自轉(zhuǎn)角加速度、公轉(zhuǎn)角加速度和進(jìn)給加速度在0.2-0.3mm之間進(jìn)行工藝參數(shù)切換，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整刀具工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)工藝參數(shù)下鉆削加工，滿足疊層結(jié)構(gòu)不同材料層的切削參數(shù)要求，保障制孔質(zhì)量和制孔效率。該方法通過汽缸帶動(dòng)的壓腳實(shí)現(xiàn)材料壓緊，在加工過程中以吹氣或吸氣的方式清理切肩，并通過直線光柵反饋刀具進(jìn)給位置，從而確定參數(shù)切換位置。但在該專利采用的螺旋銑孔方法中孔徑精度隨著刀具磨損的增加變差，孔出口質(zhì)量難以保證，不能對(duì)制孔質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，且制孔效率不及傳統(tǒng)鉆削。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種航空疊層材料變參數(shù)自適應(yīng)制孔方法，該方法可以在鉆削過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測材料加工狀態(tài)和加工質(zhì)量，并針對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)變參數(shù)自適應(yīng)控制，從而從根本上解決疊層材料鉆削中遇到的問題和實(shí)現(xiàn)不同材料的一體化高效、高質(zhì)量制孔。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種航空疊層材料變參數(shù)自適應(yīng)制孔系統(tǒng)，其特征在于包括:
[0010]a、可完成鉆削加工的末端執(zhí)行器；
[0011]b、測力傳感器或電流檢測裝置；
[0012]C、自適應(yīng)控制器；
[0013]d、控制單元；
[0014]其中，末端執(zhí)行器的電主軸變頻器控制電主軸的旋轉(zhuǎn)；電主軸上安裝測力傳感器或電流檢測裝置，用于實(shí)時(shí)檢測電主軸軸向力或電流大小；自適應(yīng)控制器與測力傳感器或電流檢測裝置以及控制單元通訊，用于接收測力傳感器或電流檢測裝置的反饋信號(hào)向控制單元發(fā)出指令，進(jìn)而控制單元控制末端執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作；
[0015]末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有編碼器，用于識(shí)別和反饋刀具的進(jìn)給位置，自適應(yīng)控制器與編碼器、控制單元通訊，用于接收編碼器的反饋信號(hào)向控制單元發(fā)出指令，進(jìn)而控制單元控制末端執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。
[0016]進(jìn)一步，末端執(zhí)行器的電主軸由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸套筒套在電主軸上，鉆削刀具裝夾在測力傳感器上，測力傳感器安裝在電主軸上，電機(jī)座與電主軸通過拖鏈連接，電主軸可通過導(dǎo)軌在底座平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0017]上述航空疊層材料變參數(shù)自適應(yīng)制孔系統(tǒng)的制孔方法，其特征在于包括:
[0018]一、設(shè)定加工參數(shù):設(shè)定每層材料鉆削加工的初始參數(shù)，設(shè)定每層材料的鉆削軸向力信號(hào)閾值或電流閾值為預(yù)設(shè)值；對(duì)于復(fù)合材料，鉆削軸向力信號(hào)閾值表示開始產(chǎn)生復(fù)合材料分層缺陷的臨界軸向力值，電流閾值表示開始產(chǎn)生復(fù)合材料分層缺陷的臨界電流值；對(duì)于金屬材料，鉆削軸向力信號(hào)閾值表示產(chǎn)生出口毛刺高度閾值的軸向力值，電流閾值表示產(chǎn)生出口毛刺高度閾值的電流值；
[0019]二、單層材料鉆削:以初始參數(shù)對(duì)相對(duì)應(yīng)的單層材料開始鉆削加工，同時(shí)利用測力傳感器或電流檢測裝置進(jìn)行在線監(jiān)測，檢測到的力信號(hào)值或電流值為監(jiān)測值，將監(jiān)測值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較獲得比較值，利用自適應(yīng)控制器根據(jù)比較值發(fā)出相應(yīng)指令，如果預(yù)設(shè)值大于監(jiān)測值則表示加工處于正常狀態(tài)，反之則表明加工異常，自適應(yīng)控制器發(fā)出變參數(shù)指令，加工系統(tǒng)進(jìn)行變參數(shù)操作，使檢測值小于預(yù)設(shè)值繼續(xù)進(jìn)行鉆削加工；
[0020]三、層間過渡控制:利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器識(shí)別刀具進(jìn)給位置，判斷上層材料是否完成鉆削，如果上層材料鉆削完畢，表明即將對(duì)下層材料進(jìn)行加工，則自適應(yīng)控制器將上層材料的預(yù)設(shè)值切換到下層材料的預(yù)設(shè)值；從上至下依次完成每層材料鉆削制孔任務(wù)，直至驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器通過識(shí)別刀具進(jìn)給位置判斷最下層材料鉆削完成。
[0021]進(jìn)一步，設(shè)定加工參數(shù)時(shí)，首先選定鉆削刀具，然后采用選定的鉆削刀具分別對(duì)各層材料進(jìn)行單層鉆削試驗(yàn)，得到制孔質(zhì)量與主軸鉆削軸向力或電流的相互關(guān)系，優(yōu)化鉆削加工參數(shù)作為初始參數(shù)；并獲取復(fù)合材料產(chǎn)生分層缺陷的臨界軸向力值或電流值以及金屬材料產(chǎn)生出口毛刺高度閾值的軸向力值或電流值，并以此作為自適應(yīng)控制器中的預(yù)設(shè)值，然后采用相同鉆削刀具進(jìn)行疊層材料鉆削。
[0022]進(jìn)一步，疊層材料鉆削過程中，通過安裝在電主軸上的測力傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測，測力傳感器測得的電信號(hào)由上位機(jī)軟件輸出力信號(hào)，并和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，自適應(yīng)控制器根據(jù)比較值判斷是否需要發(fā)出變參數(shù)指令，加工系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作，鉆削過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器識(shí)別和反饋刀具的進(jìn)給位置，通過編碼器實(shí)時(shí)得到刀具精確位置，根據(jù)各層材料的厚度切換不同材料的預(yù)設(shè)值和判斷加工過程是否結(jié)束。
[0023]進(jìn)一步，鉆削至最下層材料時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器繼續(xù)反饋進(jìn)給位置，判斷鉆削過程是否結(jié)束，如果進(jìn)給位移大于疊層材料總厚度與刀尖長度之和，則表明鉆削完成，再繼續(xù)進(jìn)給一段距離后停止電主軸運(yùn)動(dòng)。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025]1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)疊層材料鉆削加工全過程的在線監(jiān)測，能夠?qū)庸と^程的制孔質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)變參數(shù)自適應(yīng)控制，控制過程穩(wěn)定可靠，可以保證制孔加工的連續(xù)性，又能保證制孔質(zhì)量，特別是避免分層缺陷和較大出口毛刺的產(chǎn)生。
[0026]2、通過變參數(shù)自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)疊層材料一體化制孔，顯著提高制孔的自動(dòng)化水平，節(jié)約了大量時(shí)間，提高了制孔效率，降低了生產(chǎn)周期和制造成本。
[0027]3、本方法的通用性較好，對(duì)不同厚度、不同材料和不同疊層數(shù)的自適應(yīng)控制只需要調(diào)整預(yù)設(shè)值等一些參數(shù)，滿足不同條件下的制孔任務(wù)。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中航空疊層材料制孔示意圖；
[0029]圖2和圖3分別是基于在線監(jiān)測軸向力信號(hào)和主軸電流信號(hào)的變參數(shù)自適應(yīng)控制的末端執(zhí)行器示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的疊層材料變參數(shù)自適應(yīng)