[发明专利]复合铺层切割的自适应控制

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。