一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统及其信号的应用方法与流程

1.本发明涉及航空设备机加工技术领域，特别是涉及一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统及其信号的应用方法。


背景技术：

2.自动进给钻具有制孔速度快、效率高等优势，因此广泛应用于cfrp、钛合金、铝合金等航空材料的制孔加工作业，但该设备在实际加工作业中，往往需要设计专用夹具固定测力仪才能实现制孔过程的钻削力和扭矩信号采集。这种采集钻削力和扭矩信号的方法需要使用昂贵的测力仪设备和专用的工装夹具，当被加工工件的几何形状发生改变时，工装夹具也需重新更换，增加了自动进给钻的使用成本，也使作业平台的结构变得复杂。如何在制孔加工作业过程中，更便捷、成本更低的对钻削力和扭矩信号进行采集，以及对采集的数据进行处理分析，调整自动进给钻工作状态是目前亟需要解决的问题。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供一种操作便捷、结构简单、成本低的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统及其信号的应用方法。
4.技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，包括自动进给钻、钻削力传感器；其中，自动进给钻包括进行旋转和进给复合运动的主轴，主轴底端通过反向螺纹连接有钻头，主轴的外部套有鼻管，鼻管的下端通过法兰连接有套在钻头外部的钻套，钻套穿过固定在被加工件上的钻模板的孔位，使钻头对被加工件制孔，在鼻管和钻模板之间安装钻削力传感器用于采集在制孔过程中产生的钻削力信号和扭矩信号。
5.其中，旋转电机和进给电机驱动齿轮箱，从而带动主轴进行旋转和进给复合运动，鼻管上端连接在齿轮箱的下端。
6.其中，齿轮箱的上端连接有轴套，以防止灰尘进入，影响主轴转动。
7.其中，钻削力传感器安装在钻套与鼻管之间，用于采集钻套的钻削力信号和扭矩信号。
8.其中，钻削力传感器安装鼻管上，用于采集鼻管的钻削力信号和扭矩信号。
9.其中，钻削力传感器为石英压力传感器或石英应变传感器。
10.其中，钻套的中部设有凸起，通过止动螺母固定在钻模板上。
11.其中，钻削力传感器采集到的钻削力信号和扭矩信号输送给信号处理模块进行实际钻削力或扭矩值换算，并根据实际钻削力或扭矩值的大小调整旋转电机和进给电机的转速。
12.其中，信号处理模块包括电荷放大器和控制器，钻削力传感器采集到的钻削力信号和扭矩信号先经电荷放大器进行信号放大，再输送给控制器进行实际钻削力或扭矩值换
算。
13.本发明还提供一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号采集系统采集到的信号的应用方法，在制孔过程中，若实际钻削力或扭矩值发生大幅度突变，则停止作业，检查钻头是否发生损坏；若实际钻削力或扭矩值未发生大幅度突变，则设定阈值，当实际钻削力或扭矩值超过阈值，则降低主轴的转速。
14.有益效果：本发明具有如下优点：1、本发明将钻削力传感器安装在鼻管和钻模板之间，直接采集自动进给钻在制孔过程中产生的钻削力信号和扭矩信号，无需额外使用测力仪设备和工装夹具，结构简单、操作方便，也节约了成本；
15.2、信号处理模块根据传感器采集到的实际钻削力和扭矩值的大小调整自动进给钻主轴的转速，对作业情况进行实时监控，既适用于单层航空材料，也适用于多层航空材料的制孔工作；
16.3、当实际钻削力和扭矩值发生大幅度突变，表明钻头发生损坏，控制器发送停止指令并经过电荷放大器放大后停止自动进给钻主轴的进给，提高了作业的安全性。
附图说明
17.图1为本发明系统结构示意图；
18.图2为本发明系统剖面示意图；
19.图3为本发明钻削力传递过程图；
20.图4为本发明扭矩传递过程图；
21.图5为本发明系统在作业过程中采集到的实际钻削力信号图；
22.图6为本发明系统在作业过程中采集到的实际扭矩值信号图。
具体实施方式
23.下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。
24.如图1所示，本发明提供的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，包括自动进给钻、钻削力传感器、信号处理模块。
25.自动进给钻包括进行旋转和进给复合运动的主轴9，主轴9底端通过反向螺纹连接有钻头11，主轴9的外部套有鼻管8，钻头11外部套头钻套12，钻套12的中部设有凸起，通过止动螺母13固定在钻模板4上，钻套12的下部穿过钻模板4的孔位，使钻头11对被加工件14制孔，钻模板4通过螺柱螺母5固定在被加工件14上；主轴9上端套有轴套6，防止粉尘等杂物进入主轴9引起主轴9进给运动时产生误差。
26.本发明钻削力传感器3的安装方式有两种，第一种，如图2所示，钻削力传感器3安装在钻套12与鼻管8之间，用于采集钻套12的钻削力和扭矩信号，钻削力传感器3上端与鼻管8下端通过法兰10连接，钻套12的上端设有带螺纹孔的平台，钻削力传感器3的下端通过螺丝与钻套12的上端平台连接；另一种方式钻削力传感器3直接安装鼻管8上，用于采集鼻管8的钻削力和扭矩信号，鼻管8的下端通过法兰10与钻套12的上端平台连接。其中，钻削力传感器3为石英压力传感器或石英应变传感器，钻削力传感器3的出线方式为侧面出线。
27.主轴9进行旋转和进给复合运动的实现方式为：由旋转电机1和进给电机2驱动齿轮箱7，带动主轴9进行旋转和进给复合运动；或者由旋转式气动马达和进给式气动马达驱
动齿轮箱7，带动主轴9进行旋转和进给复合运动，鼻管8上端连接在齿轮箱7的下端，齿轮箱7的上端连接有轴套6，以防止灰尘等杂物进入主轴9。
28.本发明所述的信号处理模块包括电荷放大器15和控制器16，钻削力传感器3采集到的钻削力信号和扭矩信号先经电荷放大器15进行信号放大，再输送给控制器16。
29.如图3所示，以旋转电机1和进给电机2通过齿轮箱7以差动模式带动主轴9实现进给运动为例，在制孔过程中，一部分钻削力通过钻头11依次传递给主轴9、齿轮箱7外壳、鼻管8；一部分钻削力通过齿轮箱7传递给鼻管8。因此，钻头11与被加工工件14稳定接触后钻削力传递过程为：钻头11
→
主轴9
→
齿轮箱7
→
鼻管8
→
法兰10
→
钻套12
→
止动螺母13
→
钻模板4
→
螺柱螺母5
→
被加工工件14。
30.当钻削力传感器3安装在钻套12与鼻管8之间，采集的是钻套12的钻削力，该钻削力与钻头11受到被加工工件14的钻削力相等，因此，可有效表征制孔加工过程实际的钻削力信号。
31.当钻削力传感器3安装在鼻管8的任意位置，采集的是鼻管8受到的钻削力，钻削力与钻头11受到的钻削力相等，因此，可有效表征制孔加工过程实际的钻削力信号。
32.如图4所示，旋转电机1经过齿轮箱7以转速n1带动主轴9实现旋转运动，这种运动产生的扭矩传递过程为：钻头11
→
主轴9
→
齿轮箱7
→
鼻管8
→
法兰10
→
钻套12
→
止动螺母13
→
钻模板4
→
螺柱螺母5
→
被加工工件14。
33.本发明还提供一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号采集系统采集到的信号的应用方法，上述通过钻削力传感器3采集到的信号通过电荷放大器15处理后，通过数据传输线缆发送至控制器16进行实际钻削力和扭矩值的换算，实际钻削力和扭矩值显示在上位机上，实现钻削力和扭矩值的实时监控。控制器16将电荷放大器15传送过来的信号经过换算获得实际钻削力和扭矩值，具体过程为：设通过电荷放大器15放大后的与钻削力相关的三向力信号为f
x’，f
y’和f
z’，放大后的扭矩信号为m
z’，换算后三向力值fx，fy和fz与f
x’，f
y’和f
z’有如下关系，
34.f
x
＝k1f
x
'+b1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.1)；
35.fy＝k2fy'+b2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.2)；
36.fz＝k3fz'+b3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.3)；
37.换算后的矩值mz与m
z’有如下关系，
38.mz＝k4mz'+b4(1.4)；
39.实施例1，设主轴9以1000rpm转速和0.03mm/r进给率进行制孔加工作业时，钻削力传感器3实时采集稳定的钻削力信号和扭矩信号，当发生刀具崩刃等意外情况时，上位机监视到实际钻削力值产生跳变，及时做出主轴回退等响应；若实际钻削力值未产生跳变，而是随着刀具磨损的加剧缓慢增加，则设定钻削力阈值，假设以95％为安全值，如设定阈值为1000n，则安全值等于950n，当实际钻削力值达到950n时，上位机发送控制指令驱动旋转电机1和进给电机2，经过齿轮箱7带动主轴9，使主轴9的进给率以一定比例降低，本实施例中给定的比例为10％，则主轴9的进给率降低至0.027mm/r，随着主轴9进给率的降低，主轴9承受的钻削力也缓慢下降，因此，能保持实际钻削力在安全值范围内，避免因实际钻削力超过阈值而发生断刀等意外情况，如图5所示，本发明系统在作业过程中采集到的实际钻削力值的信号图。据实际加工经验，钻削力的实际量程最大为3000n，扭矩的实际量程最大为20n
·
m。
40.实施例2，设主轴9以800rpm转速和0.03mm/r进给率进行制孔加工作业时，钻削力传感器3实时采集稳定的钻削力信号和扭矩信号，当发生刀具崩刃等意外情况时，上位机监视到实际扭矩值产生跳变，及时做出主轴回退等响应；若实际扭矩值未产生跳变，而是随着刀具磨损的加剧缓慢增加，则设定扭矩阈值，假设以95％为安全值，如设定扭矩阈值为3.8n
·
m，则安全值等于3.61n
·
m，当实际扭矩信号值达到3.61n
·
m时，上位机发送控制指令驱动旋转电机1和进给电机2，经过齿轮箱7带动主轴9，使主轴9的进给率以一定比例降低，本实施例中给定的比例为10％，则主轴9的进给率降低至0.027mm/r，随着主轴9进给率的降低，主轴9承受的扭矩也缓慢下降，因此，能保持实际扭矩值在安全值范围内，避免因实际扭矩值超过阈值而发生断刀等意外情况。如图6所示，为本发明系统在作业过程中采集到的实际扭矩值信号图。
41.每次加工作业结束后，控制器16会实时记录本次制孔加工的作业时间td，并将该数据存储在flash芯片，若使用同一种刀具进行制孔加工作业，假设第一次加工时间为t
d1
，第二次加工时间为t
d2
，
……
，持续加工直至刀具无法使用，则该刀具的使用寿命l
tc
为:
[0042][0043]
通过这种记录方法可以实现钻头寿命的健康监测。
[0044]
钻削力是一种判断加工状态的重要信号，其既可以在制孔加工过程中实时监控钻削力信号的稳定性，防止刀具崩刃等意外情况发生；也可以根据实际钻削力和扭矩值的大小调整自动进给钻主轴的转速，适用于多种航空材料的制孔工作。本发明提供的系统和方法直接采集自动进给钻在制孔过程中产生的钻削力信号和扭矩信号，无需额外使用测力仪设备和工装夹具，结构简单、操作方便，也节约了成本，对作业情况进行实时监控，遇到突变情况及时做出响应，并为实现航空叠层材料制孔加工时的自适应工艺参数调整作数据准备、以及对钻头寿命进行健康监测。

技术特征：
1.一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，该系统包括自动进给钻、钻削力传感器；其中，自动进给钻包括进行旋转和进给复合运动的主轴(9)，主轴(9)底端通过反向螺纹连接有钻头(11)，主轴(9)的外部套有鼻管(8)，鼻管(8)的下端通过法兰(10)连接有套在钻头(11)外部的钻套(12)，钻套(12)穿过固定在被加工件(14)上的钻模板(4)的孔位，使钻头(11)对被加工件(14)制孔，在鼻管(8)和钻模板(4)之间安装钻削力传感器(3)用于采集在制孔过程中产生的钻削力信号和扭矩信号。2.根据权利要求1所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，旋转电机(1)和进给电机(2)驱动齿轮箱(7)，从而带动主轴(9)进行旋转和进给复合运动，鼻管(8)上端连接在齿轮箱(7)的下端。3.根据权利要求1所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统其特征在于，齿轮箱(7)的上端连接有轴套(6)，以防止灰尘进入，影响主轴(9)转动。4.根据权利要求1所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，钻削力传感器(3)安装在钻套(12)与鼻管(8)之间，用于采集钻套(12)的钻削力信号和扭矩信号。5.根据权利要求1所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，钻削力传感器(3)安装鼻管(8)上，用于采集鼻管(8)的钻削力信号和扭矩信号。6.根据权利要求4或5所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，钻削力传感器(3)为石英压力传感器或石英应变传感器。7.根据权利要求1所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，钻套(12)的中部设有凸起，通过止动螺母(13)固定在钻模板(4)上。8.根据权利要求1所述的的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，钻削力传感器(3)采集到的钻削力信号和扭矩信号输送给信号处理模块进行实际钻削力或扭矩值换算，并根据实际钻削力或扭矩值的大小调整旋转电机(1)和进给电机(2)的转速。9.根据权利要求7所述的的自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统，其特征在于，信号处理模块包括电荷放大器(15)和控制器(16)，钻削力传感器(3)采集到的钻削力信号和扭矩信号先经电荷放大器(15)进行信号放大，再输送给控制器(16)进行实际钻削力或扭矩值换算。10.一种如权利要求1所述的自动进给钻制孔过程中钻削力信号采集系统采集到的信号的应用方法，其特征在于，在制孔过程中，若实际钻削力或扭矩值发生大幅度突变，则停止作业，检查钻头(11)是否发生损坏；若实际钻削力或扭矩值未发生大幅度突变，则设定阈值，当实际钻削力或扭矩值超过阈值，则降低主轴(9)的转速。

技术总结
本发明公开了一种自动进给钻制孔过程中钻削力信号的采集系统及其信号的应用方法，该系统包括自动进给钻、钻削力传感器；自动进给钻包括主轴，主轴底端通过反向螺纹连接有钻头，主轴的外部套有鼻管，鼻管的下端通过法兰连接套在钻头外部的钻套，钻套穿过钻模板的孔位，使钻头对被加工件制孔，在鼻管和钻模板之间安装钻削力传感器；该办法为在制孔过程中，若实际钻削力或扭矩值发生大幅度突变，则停止作业，若未发生大幅度突变则设定阈值，当实际钻削力或扭矩值超过阈值，则降低主轴的转速。本发明解决了现有技术中自动进给钻具需要专用夹具固定测力仪，才能实现在航空材料制孔过程中钻削力和扭矩信号的采集，结构复杂、操作不方便、成本高的问题。成本高的问题。成本高的问题。


技术研发人员：杨浩骏 高顺兴 陈玉荣 陈燕 苏宏华
受保护的技术使用者：江苏集萃精密制造研究院有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25