一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法与流程

本发明涉及航空航天飞行器装配中的制孔加工技术领域，具体涉及一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法。

背景技术：

航空航天飞行器装配过程中存在大量的制孔加工需求。制孔加工时的工件材料各式各样，包含复合材料、铝合金、钛合金、高强钢以及两种以上材料组成的不同形式的叠层结构。飞行器装配制孔中大量使用气动加工设备，包括采用气动主轴或气动马达的自动进给钻、便携式螺旋铣孔单元、制孔末端执行器等。气动工具的特点是主轴转速不能精确控制，且主轴转速随外界负载变化而变化。这些加工设备缺少加工材料自识别功能，给装配制孔加工造成了困难。

首先，不同材料适宜的加工参数是不同的。如果针对每种材料采用不同的加工参数，加工设备的程序编写和参数设置将十分繁琐；如果所有的材料都采用相同的加工参数，那只能根据工艺性最差的材料来设置一个进给速度最低的加工参数，保证制孔刀具以该加工参数切入任何材料时切削过程都能顺利进行且加工质量满足要求，此时加工其他适用于高进给速度的材料时就会浪费加工时间，降低生产效率。

其次，不同制孔位置加工材料的厚度是不同的。如果针对每个加工位置分别设置不同的制孔深度，加工设备的程序编写和参数设置将十分繁琐；如果所有的位置都设置相同的制孔深度，那只能根据材料最厚的地方来设置一个最大的制孔深度，保证工件材料每个加工位置都被加工透，此时加工其他厚度小的材料时就会浪费加工时间，降低生产效率。

此外，制孔加工中，材料的实际厚度和理论值是存在误差的，制孔刀具与工件材料的距离与实际值同样存在误差，这些误差带来两方面的影响。一方面增加制孔前轴向对刀的难度；另一方面，为保证每一组工件材料都被加工透，设置的制孔总行程必须额外调大一些，使加工过程中存在较大的进给空程，额外浪费加工时间，降低生产效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，利用刀具驱动装置(气动马达或气动主轴)工作时转速随负载变化而变化的特性，本发明提出了一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法。具体思路为：不同叠层材料的切削性能差异导致切削工具过界面时的加工载荷会发生变化，加工载荷的变化会影响气动工具的转速。通过监测刀具驱动装置转速的变化，判断叠层结构界面、并改变制孔参数，实现叠层结构的高效精密制孔。这里的界面既包括叠层结构不同材料的过渡界面，也包括工件的上表面(既所加工孔的入口)、和工件的下表面(既所加工孔的出口)。本发明采用的技术手段如下：

一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法，具有如下步骤：

s1、启动制孔设备，其上刀具对工件进行制孔加工；

s2、刀具自身高速旋转，并以设定加工参数向前进给；

s3、在刀具向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s4，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s2；

s4、控制器根据刀具驱动装置稳定后的新转速判断加工材料种类，自动调整加工参数使其适应该材料的加工；

s5、刀具继续向前进给进行加工制孔；

s6、在刀具向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s7，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s5；

s7、控制器根据刀具驱动装置稳定后的新转速判断制孔加工是否完成，若制孔加工完成，则执行步骤s8，若制孔加工未完成，则执行步骤s4；

s8、刀具以设定加工参数退刀，制孔完成。

所述工件为单层材料结构或为不同材料组成的叠层材料结构，如碳纤维增强树脂基复合材料、铝合金、钛合金、高强钢材料单层或两种以上材料构成的叠层结构。

所述刀具包括但不限于钻头、铣刀、铰刀、扩孔钻、锪窝钻、套料钻等。

所述刀具驱动装置为气动主轴或气动马达，所述制孔设备包括多台气动马达或气动主轴。

所述制孔设备包括但不限于采用气动主轴为所述刀具驱动装置的自动进给钻、便携式螺旋铣孔单元、制孔末端执行器等。

所述气动马达上设有与所述刀具连接的制孔设备主轴；

所述气动主轴上设有所述刀具。

所述气动马达和所述气动主轴为叶片式、涡轮式或其他形式，通过压缩空气驱动。

所述气动马达和所述气动主轴在供给压缩空气压力不变时，输出转速随负载增大而减小。

所述刀具的进给速度可适时调整，并可由所述控制器控制。

所述制孔设备上集成了用于检测所述刀具驱动装置实时转速的传感器，并将转速信息传输给所述控制器。

所述传感器包括但不限于编码器、圆光栅、磁栅、霍尔元件等。

所述传感器可以是所述制孔设备自带的，也可以是为实现本发明额外安装的。

所述加工参数包括但不限于轴向进给速度、公转转速、气动马达进气压力、是否使用中心冷却、是否使用啄钻等。

所述控制器为但不限于plc、工控机、cnc、单片机等。

所述步骤s2中加工参数的具体设定方法为：通过试验和操作人员经验，设定一组进给速度较低的加工参数，保证刀具以该加工参数切入任何材料时切削过程都能顺利进行且加工质量满足要求。

所述步骤s3和步骤s6中，刀具驱动装置转速发生变化指稳定且较大幅度的变化，不包含由于供给压缩空气气压波动或加工状态不稳定造成的刀具驱动装置转速小幅度波动变化。

所述步骤s4中根据刀具驱动装置稳定后的新转速判断加工材料种类的具体方法为：首先检测刀具驱动装置在空载情况的输出转速，然后通过试验或计算获得刀具驱动装置在不同加工参数下加工不同材料时的稳定转速，由于刀具驱动装置的自身特性，其空载转速、不同加工参数下加工不同材料时的稳定转速都是不同的，将这些数值记录下来并输入控制器，控制器将采集到的刀具驱动装置实时稳定后的新转速与上述数值进行对比并自动查找最接近的数据，进而判断此时的加工材料种类。

所述步骤s7中根据刀具驱动装置稳定后的新转速判断制孔加工是否完成的具体方法为：若制孔加工已完成，刀具与工件不再接触，刀具驱动装置重新回到空载状态，输出转速应为空载转速，将控制器接收到的气动马达实时转速与空载转速进行对比，判断制孔加工是否已完成。

所述步骤s8中加工参数的具体设定方法为：通过试验和操作人员经验，设定一组进给速度较高的加工参数，尽量缩短退刀时间并保证退刀过程中已加工表面加工质量不产生严重的下降。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.简化制孔操作过程。操作人员使用本发明进行制孔时，首先无需事先了解每个加工孔工件材料的种类，无需针对每种材料分别设定加工参数；其次无需进行轴向的对刀，刀具接触工件后自动进行加工参数改变；再次无需事先了解每个加工孔的材料总厚度并分别进行进给行程设定，刀具切透工件后自动识别并开始退刀。

2.缩短加工时间。使用本发明进行制孔加工时，每种材料都能在适宜的最大进给速度下被加工，缩短了加工时间；刀具切入工件后自动变参数，切透工件后自动退刀，避免了空行程，提高了生产效率。

基于上述理由本发明可在航空航天飞行器装配中的制孔加工技术等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提到的方向用语上、下、左、右等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。适用于气动工具的加工材料自动识别方法，适用于单层材料的自动识别制孔加工，同时也适用于不同材料组成的叠层结构自动识别制孔加工，如碳纤维增强树脂基复合材料、铝合金、钛合金、高强钢材料单层或两种以上材料构成的叠层结构。

本发明主要利用刀具驱动装置(气动马达或气动主轴)本身，在供给压缩空气压力一定时输出转速随负载增大而变小的特性。制孔加工时，刀具未接触工件前或切透工件后，刀具驱动装置处于空载状态，输出转速最高；制孔加工时，加工材料不同时，切削力大小不同，刀具驱动装置所受负载大小不同，转速必然有所不同，且都必然低于空载转速。根据刀具驱动装置稳定后的转速，可以判断出当前是否为空载状态、正在加工何种材料。

如图1所示，一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法，其特征在于具有如下步骤：

s1、启动制孔设备，其上刀具对工件进行制孔加工；

s2、刀具自身高速旋转，并以设定加工参数向前进给；

s3、在刀具向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s4，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s2；

s4、控制器根据刀具驱动装置稳定后的新转速判断加工材料种类，自动调整加工参数使其适应该材料的加工；

s5、刀具继续向前进给进行加工制孔；

s6、在刀具向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s7，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s5；

s7、控制器根据刀具驱动装置稳定后的新转速判断制孔加工是否完成，若制孔加工完成，则执行步骤s8，若制孔加工未完成，则执行步骤s4；

s8、刀具以设定加工参数退刀，制孔完成。

实施例1

一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法，工件为碳纤维增强树脂基复合材料与钛合金材料的叠层结构，制孔设备为便携式螺旋铣孔单元，刀具为螺旋铣刀，所述方法具有如下步骤：

s1、通过操作人员经验，设定一组进给速度作为空载转速，通过试验测量出刀具驱动装置在设定的加工参数下，分别加工碳纤维增强树脂基复合材料与钛合金材料时的稳定转速，将气动马达在其两种状态下的稳定转速记录下来并输入控制器；

s2、启动便携式螺旋铣孔单元，其上螺旋铣刀对叠层结构工件进行制孔加工；

s3、螺旋铣刀自身高速旋转，并以设定加工参数向前进给；

s4、在螺旋铣刀向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s5，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s3；

s5、控制器根据采集到的刀具驱动装置稳定后的新转速与步骤s1中的数值进行对比，并自动查找最接近的数据，进而判断此时加工材料种类为碳纤维增强树脂基复合材料，并自动调整加工参数使其适应该材料的加工；

s6、螺旋铣刀继续向前进给进行加工制孔；

s7、在螺旋铣刀向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s8，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s6；

s8、控制器根据采集到的刀具驱动装置稳定后的新转速与步骤s1中的数值进行对比，并自动查找最接近的数据，进而判断此时加工材料种类为钛合金材料，并自动调整加工参数使其适应该材料的加工；

s9、螺旋铣刀继续向前进给进行加工制孔；

s10、在螺旋铣刀向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s11，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s9；

s11、控制器根据刀具驱动装置转速变化差值，判断制孔加工是否完成，若此时刀具驱动装置输出转速为空载转速，则制孔加工完成，控制器控制螺旋铣刀以设定加工参数退刀，制孔完成。

实施例2

一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法，工件为碳纤维增强树脂基复合材料与钛合金材料的叠层结构，制孔设备为adu，制孔刀具为麻花钻，所述方法具有如下步骤：

s1、通过操作人员经验，设定一组进给速度作为空载转速，通过试验测量出刀具驱动装置在设定的加工参数下，分别加工碳纤维增强树脂基复合材料与钛合金材料时的稳定转速，将气动马达在其两种状态下的稳定转速记录下来并输入控制器；

s2、启动adu，其上麻花钻对叠层结构工件进行制孔加工；

s3、麻花钻自身高速旋转，并以设定加工参数向前进给；

s4、在麻花钻向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s5，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s3；

s5、控制器根据采集到的刀具驱动装置稳定后的新转速与步骤s1中的数值进行对比，并自动查找最接近的数据，进而判断此时加工材料种类为碳纤维增强树脂基复合材料，并自动调整加工参数使其适应该材料的加工；

s6、麻花钻继续向前进给进行加工制孔；

s7、在麻花钻向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s8，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s6；

s8、控制器根据采集到的刀具驱动装置稳定后的新转速与步骤s1中的数值进行对比，并自动查找最接近的数据，进而判断此时加工材料种类为钛合金材料，并自动调整加工参数使其适应该材料的加工；

s9、麻花钻继续向前进给进行加工制孔；

s10、在麻花钻向前进给的同时利用传感器监测刀具驱动装置转速变化，若刀具驱动装置转速发生变化，则执行步骤s11，若刀具驱动装置转速未发生变化，则执行步骤s9；

s11、控制器根据刀具驱动装置转速变化差值，判断制孔加工是否完成，若此时刀具驱动装置输出转速为空载转速，则制孔加工完成，控制器控制麻花钻以设定加工参数退刀，制孔完成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。