[發明專利]一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法

在審

• 申請號: 202210236961.7
• 申請日: 2022-03-10
• 公開（公告）號: CN114609906A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 胡俊山;周越;田威;廖文和;張勝平;康瑞浩;彌世青
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王磊

1.一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法，所需設備包括制孔設備、軸向力測量傳感器、數據處理設備和制孔設備控制器，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：在合理的工藝參數范圍內進行一定量的鉆孔試驗，以獲取當前制孔設備、刀具、復合材料的特征數據，并建立相應的特征數據庫；

步驟2：獲取制孔設備的控制反饋周期、軸向力測量傳感器的數據采集周期、數據處理設備的數據處理周期，同時測試制孔設備進給軸與主軸的加減速能力，并將上述獲取的參數輸入數據處理設備中，用于控制周期與變工藝周期的計算；

步驟3：以合理范圍內的一組工藝參數開始制孔過程，在線采集制孔進口階段的軸向力數據，并在制孔穩定階段對軸向力數據進行包括降噪、濾波、分頻在內的數據處理；

步驟4：根據制孔進口階段軸向力數據分頻后的直流分量預測出口階段的軸向力變化率，對軸向力變化率進行峰值提取，并根據步驟1中的特征數據判斷出口階段是否出現分層損傷及損傷程度；

步驟5：根據制孔質量評價標準設定安全閾值，若步驟4中判斷出的損傷程度小于該安全閾值，則按當前工藝參數繼續完成制孔，否則根據步驟1中的特征數據設置出口階段的工藝參數更改目標及更改方式，繼續執行后續步驟；

步驟6：根據工藝參數的調整幅度與制孔設備進給軸與主軸的加減速周期，確定控制周期的時間長度，設置工藝參數調整執行的最遲時間點；

步驟7：由制孔設備控制器根據調整后的工藝參數向進給軸和主軸下達相應的控制指令，降低軸向力變化率，達到變工藝制孔目標，完成制孔過程。

2.如權利要求1所述的一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法，其特征在于，步驟1中所述特征數據包括：

制孔設備的鉆削穩定域；

刀具異常特征：包括刀具出現磨損或崩刃時，軸向力的高頻信號特征；

復合材料中纖維與基體的基本參數，用于初步確認分層臨界軸向力變化率的范圍；

制孔過程中軸向力變化率與工藝參數的關聯模型；

制孔進口階段與出口階段的軸向力數據，用于得到造成分層損傷的臨界軸向力變化率；

制孔出口階段出現分層的軸向力數據，用于建立出口區域軸向力變化率峰值與分層損傷的關聯模型。

3.如權利要求1所述的一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法，其特征在于，步驟3中，分頻后軸向力的高頻分量用于分析刀具狀態：

高頻分量包括與刀具轉速與刃數相關的多個倍頻信號和高頻噪聲信號，若將刀具轉速與刃數的乘積稱作監測頻率，則高頻信號在頻域中主要分布在監測頻率及其二倍頻的區域，通過對監測頻率及其二倍頻進行帶通濾波去除高頻噪聲信號；

將帶通濾波后的監測頻率及其二倍頻的幅值信號與步驟1中獲取的刀具異常特征進行對比匹配，以實時監測刀具異常狀態的出現。

4.如權利要求1所述的一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法，其特征在于，步驟3中，分頻后軸向力的直流分量用于預測制孔出口階段的軸向力變化率：

通過對制孔進口階段的軸向力數據進行直流信號濾波得到直流分量并進行多項式擬合，得到進口階段軸向力F_Zr與出口階段軸向力F_Zc的時域關系式：

F_Zc(t)＝F_Zwmax-F_Zr(t)，

其中F_Zwmax為鉆頭全部參與鉆削時的軸向力，通過對上述時域關系式進行求導，以預測制孔出口階段的軸向力變化率：

F′_Zc(t)＝-F′_Zr(t)，

其中，F′_Zc為F_Zc的一階導數，即制孔出口階段的軸向力變化率。

5.如權利要求4所述的一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法，其特征在于，在對直流分量進行多項式擬合時，根據復合材料制孔進口和出口階段的情況對多項式進行修正：在制孔進口階段，復合材料上端無約束，在進口階段軸向力多項式擬合中添加上端約束系數；在制孔出口階段，復合材料下端無約束，在出口階段軸向力多項式擬合中添加下端約束系數。

6.如權利要求1所述的一種碳纖維增強型復合材料的制孔損傷自適應控制方法，其特征在于，步驟6中，根據工藝參數調整幅度的大小選擇單次直接更改或多次分階段更改，工藝參數由更改到執行的時間周期必須早于工藝參數調整執行的最遲時間點。