复合铺层切割的自适应控制制造技术

利用自适应控制优化用于切割复合材料的超声刀的进给速率。感测刀上的诸如超声功率或侧向负荷的一个或更多个参数，并将所述一个或更多个参数用于产生反馈控制信号。反馈控制信号用于优化刀的命令进给速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体涉及自动控制的机械工具，更具体地涉及自动控制用于切割材料、尤其是多层复合材料的超声刀的进给速率的系统和方法。
技术介绍
超声切割机通常利用由超声换能器提供动力的刀切割片材和其他材料。在复合材 料领域可找到超声切割机的一种应用，其中可利用超声动力刀将形成叠层的多叠或多层未 固化的复合材料同时切割成所需的形状。在有些情况下，可将超声切割机安装在CNC(计算 机数控)控制的机床或机械工具上，该机械工具包括能够铺设和切割复合带的多个重叠层 的自动铺带头。与可涂覆带的速率相比较，切割复合材料的过程相对慢。切割过程的速度可部分 地由刀通过材料的最大进给速率和切割深度决定。较厚的部分需要多次通过切割机，以便 完全切穿材料的所有铺层(ply)，其中切割机的每次通过比上一次通过深。当前，使用需要 持续的操作者监视和进给速率修调盘的手工调整的开环铺层切割过程，其可导致未达最佳 标准的切割操作、包括未达最佳标准的切割速度。在切割期间，基于观察到的超声功率计中 的波动由操作者手工地调整刀进给速率。通过修调编程的进给速率维持感觉“安全”的功 率水平，其可导致未达最佳的切割时间。此外，操作者可能不能检测瞬时的或峰值的负荷状 态，并且不能足够快速地反应以在出现可能的刀故障之前降低进给速率。在有些情况下，过 大的进给速率还可导致未达最佳的切割机操作。现有技术包括自适应控制设备，其具有在工件的加工操作期间检测作用在切割工 具上的负荷的负荷检测器。然而，这样的自适应控制技术没有应用于用于切割复合材料的 多个铺层的CNC超声切割机。因此，需要一种利用CNC控制的超声切割机切割复合材料的多个铺层的方法和系 统，该CNC控制的超声切割机采用自适应控制以便优化进给速率和/或减少刀的损坏和切割误差。
技术实现思路
根据公开的实施例，提供切割复合铺层的方法和系统，其利用自动控制的超声切 割机和自适应控制来优化进给速率。基于刀的状态将进给速率调整到最佳水平，以便使生 产率最大化。测量与切割相关的参数，诸如刀的负荷，并将所述参数用于产生反馈信号，反 馈信号用于在无人为干预的情况下调整进给速率。当刀和/或铺层材料状态，诸如刀的锋 利度、铺层数、切割的深度、切割相对于折叠纤维方向的角度、铺层的厚度、材料的粘性、在 叠层期间使用的压实力、以及铺层韧性改变时，或者在出现诸如刀的损坏的不可预见的事 件时，快速地调整进给速率。进给速率的自动调整导致高的平均进给速率以使生产率最大 化，同时不需要操作者持续地监视刀负荷和手动地修调进给速率。最后，由于能对相对高的 恒定进给速率进行编程并且然后使该相对高的恒定进给速率自适应地调整到实际的切割状态，所以可减少控制切割机所需的编程量。根据一个公开的实施例，提供一种用于切割复合铺层的方法，包括使超声刀进给 通过铺层；当刀切割铺层时测量与刀的操作相关的参数；以及基于测量的参数产生优化刀 的进给速率的进给速率信号。测量的参数可包括输送至用于驱动刀的超声换能器的功率负 荷、刀的偏转和/或刀的温度中的一个。该方法还包括将测量的参数反馈至控制器和利用 控制器产生进给速率信号。该方法还可包括将测量的参数的值与预选值相比较，和基于比 较的结果产生进给速率信号。根据另一公开的实施例，提供一种用于控制超声切割机的操作的方法，包括选择 进给超声刀以切割材料的进给速率；当刀切割材料时测量与刀的操作相关的至少一个参 数；将测量的参数的值与预选值相比较；以及基于比较的结果确定是否调整选择的进给速 率。确定是否调整进给速率可由自动控制器执行，并且该方法还可包括将测量的参数反馈 至控制器。测量所述参数可包括测量由刀使用的功率负荷、和/或感测刀的偏转或刀的温 度。该方法还可包括利用第一控制器控制刀的运动，并且其中将测量的参数与预选值相比 较和调整进给速率由第二控制器执行。根据另一的实施例，提供一种用于切割复合材料的系统，包括用于切割材料的超 声动力刀；用于对刀进给通过复合材料的速率进行控制的控制装置；用于感测与刀的操作 相关的至少一个参数的感测装置；以及由控制装置使用以基于感测的参数优化刀的进给速 率的一组编程指令。感测装置可包括用于将刀上的侧向负荷转换成表示测量的参数的电信 号的换能器。感测装置还可包括用于感测输送至刀的超声动力的传感器。控制装置可包括 基于刀上的感测侧向负荷和输送至刀的超声功率负荷产生命令进给速率控制信号的控制 器。控制装置可包括用于控制刀的运动的第一控制器，以及用于产生由第一控制器使用以 优化刀的进给速率的控制信号的第二控制器。根据又一实施例，提供一种用于切割复合材料的系统，包括用于切割材料的超声 动力刀；用于使刀进给通过复合材料的装置；用于产生与输送至刀的超声功率负荷相关的 第一信号的装置；用于产生与复合材料施加在刀上的侧向负荷相关的第二信号的装置；用 于利用第一和第二信号产生反馈控制信号的装置；以及与进给装置耦联的控制装置，其基 于反馈信号优化刀进给通过复合材料的速率。用于产生第一信号的装置可包括感测用于驱 动刀的超声动力的传感器。用于产生反馈控制信号的装置可包括用于组合第一和第二信号 的信号调节器，并且用于产生反馈信号的装置可包括运行自适应控制算法的控制器。该系 统还可包括由用于产生反馈控制信号的装置使用的一组编程指令和设定值。公开的实施例满足对这样的方法和系统的需求其利用自适应控制来切割复合铺 层以优化进给速率、减少机器停工时间和使操作者干预和监督减到最低程度。当根据附图和所附权利要求考虑时，公开的实施例的其它特征、益处和优点将从 以下的实施例说明而变得明显。附图说明图1是用于切割复合铺层的系统的组合方框示意图。图2是超声切割机的侧视图。图3是概括地说明用于切割复合铺层的方法的步骤的方框图。图4是说明利用自适应控制切割复合铺层的方法的更详细流程图。图5是飞机生产及维护方法的流程图。图6是飞机的方框图。具体实施例方式首先参考图1，其示出利用大体上由标记12指示的自动控制的超声切割机切割复 合材料的多个铺层14的系统10。尽管结合公开的实施例示出复合材料的多个铺层14，但 应理解的是可切割复合材料的单个铺层以及除复合材料以外的材料。铺层可以是未加工的 (未固化的)，其中切割机12用于切割铺层的形状，所述铺层用于在结构的初始制造期间形 成叠层。然而，本专利技术的实施例还可用于在已制造结构之后、如在复合飞机组件或子组件的 修理期间切割部分或完全固化的铺层，在修理期间必须切掉组件/子组件的一部分。超声切割机12安装在刀架(toolhead) 16上，刀架16可沿多根机械工具轴线17 运动以便沿着预编程切割路径通过铺层14。现在还参考图2，超声切割机12包括由附连至 刀架16的超声换能器18驱动的切割刀22。刀22以超声频率沿箭头23的方向往复运动。 刀22上的前刀刃25以由附图标记31指示的进给速率Fcurrent沿进给方向27被进给至 铺层14中，使得刀22的平面保持大体垂直于铺层14的平面。刀22可由可拆连接50 (图 2)附连至机臂(horn) 20，该机臂20将超声能量集中在刀22上并使刀22往复运动。换能 器18通过连接21从超声功率发生器24获得能量。然后，换能器18将该能量转换成振幅 非常低的振动。振动的振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切割复合铺层的方法，包括：进给超声刀通过所述铺层；当所述刀切割所述铺层时测量与所述刀的操作相关的至少一个参数；以及基于测量的参数产生进给速率信号，以优化所述刀的进给速率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐良基，SK霍勒丁，RA克兰普，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]