Способ регулирования роботизированного процесса перфорации отверстий в изделии, имеющем жесткие внутренние перегородки или скрытые ребра жесткости Российский патент 2023 года по МПК B23B49/00 B25J11/00 

Изобретение относится к области машиностроения и робототехнической техники, используемой при перфорации отверстий осевым сверлильным инструментом изделий и сборочных единиц сэндвичевых конструкций, в том числе из полимерных композиционных материалов, имеющих жесткие внутренние перегородками, и может найти применение в авиастроении и других отраслях техники.

В авиастроении при механической обработке мелкоразмерных отверстий в изделиях и сборочных единицах сэндвичевых звукопоглощающих конструкций, например, из полимерных композиционных материалов (ПКМ), а также при перфорации смешанных пакетов из ПКМ с внутренними перегородками для исключения поломки мелкоразмерного режущего инструмента, повышения надежности режущего инструмента, повышения качества формообразования отверстий, повышения качества продукции, автоматизации процесса перфорации требуется регулирование подачи в процессе перфорации.

Известен способ управления роботом для сверления отверстий (по заявке ЗИ RU 2015127021, опубл. 12.01.2017), согласно которому робот приводит в движение механическую конструкцию, позволяющую располагать сверлильный инструмент в ходе запрограммированного цикла сверления отверстий, и включает этап, на котором определяют ускорение сверлильного инструмента с помощью акселерометра в конце подхода к положению сверления, проверяют условие стабилизации сверлильного инструмента, чтобы в конечном итоге генерировать команду на разрешение сверления. При этом после разрешения сверления продолжается сбор и анализ данных измерения акселерометра, затем используют данные анализа в реальном времени для осуществления на роботе для сверления и /или на сверлильном инструменте корректирующего действия, такого как остановка цикла.

Однако известный способ проверяет логическое условие качества сверления по сравниванию составляющих измеренного ускорения с таблицей предельных ускорений и осуществляет корректирующие воздействия вплоть до остановки цикла сверления, что значительно снижает производительность обработки.

Известен способ регулирования процесса сверления отверстий, использующий агрегатную головку для сверления глубоких отверстий с системой автоматического регулирования подачи (RU 196577, опубл. 05.03.2020).

Однако у известной агрегатной головки датчик силового параметра (гидравлический мотор) контролирует лишь один параметр - момент сопротивления на шпинделе, что недостаточно информативно при управлении сверлением, кроме этого, в качестве датчика измерения силового параметра используется гидравлический мотор, обладающий инерцией и значительным временем срабатывания.

Известен способ регулирования процесса перфорации отверстий в изделии, использующий систему управления двигателями, которые обеспечивают относительное вращательное движение и относительное поступательное перемещение сверлильного инструмента, формирующего отверстие в детали (RU 2570267, опубл. 10.12.2015), согласно которому поэтапно определяется нагрузочный крутящий момент, этап определения момента начала обработки, этап обнаружения обрабатываемого слоя детали, при этом на основании момента начала обработки и изменения нагрузочного крутящего момента определяются области детали в порядке их обработки сверлением, соответствующие обрабатываемым слоям детали, следующим друг за другом в направлении подачи. Далее следуют этапы выбора рабочего режима, на котором задается частота вращения шпинделя и скорость подачи при поступательном перемещении. Параметры рабочего режима устанавливаются с учетом свойств материалов, из которых состоят обрабатываемые слои детали.

Однако, известный способ имеет ряд недостатков, а именно низкое качество регулирования, приводящее к поломке сверлильного инструмента ввиду невозможности постоянного отслеживания осевых усилий при сверлении отверстий в изделиях, содержащих жесткие внутренние перегородки.

Наиболее близким к заявляемому является способ регулирования процесса сверления отверстий по патенту CN 111922786 A, B23Q15/12 от 13.11.2000 Интеллектуальная интегрированная система обработки сложных поверхностей с несколькими степенями свободы. Изобретение обеспечивает интеллектуальную обработку, сложных поверхностей заготовки с множеством степеней свободы с постоянным усилием обработки.

Однако, известный способ имеет ряд недостатков, а именно - интеллектуальная интегрированная система включает сложный шестимерный датчик сил, собирает сигнал силы, модуль управления силой анализирует и обрабатывает сигнал силы, а система управления предоставляет систему управления на основе результатов обработки модулю управления промышленным роботом. Требуется длительная настройка модуля управления в разных осях, кроме этого не исключена поломка мелкоразмерного сверлильного инструмента при попадании его в перегородки, например, в звукопоглощающих конструкциях для авиационных двигателей, имеющих сэндвичевую внутреннюю структуру с жесткими перегородками.

Технический результат заключается в повышении качества выполнения перфорации в изделии, имеющем пространственную структуру с ребрами жесткости (жесткими перегородками), исключении брака и предотвращении поломки сверлильного инструмента, повышение надежности режущего инструмента при попадании сверлильным инструментом в жесткие перегородки изделия за счет постоянного контроля величины осевого усилия, возникающего в процессе перфорирования, и управления механизмами продольной подачи и вращения инструмента в зависимости от этой величины.

Технический результат достигается в результате того, что в способе регулирования роботизированного процесса перфорации отверстий в изделии, имеющем жесткие внутренние перегородки или скрытые ребра жесткости, включающем использование робота, оснащенного сверлильным инструментом и механизмами его подачи и вращения, предварительно в память робота загружают заданное значение величины нагрузки при подаче инструмента, при этом посредством робота перемещают сверлильный инструмент в положение, соответствующее координатам первого отверстия, и осуществляют осевую подачу вращающегося сверлильного инструмента до касания им поверхности изделия, после чего с помощью тензометрического датчика, установленного на патроне сверлильного инструмента непрерывно замеряют фактическую величину осевого усилия на сверлильный инструмент Р_факт, возникающего в процессе перфорации отверстия, и сравнивают ее с предварительно заданным значением величины осевого усилия Р_зад, а по результатам сравнения осуществляют регулирование скорости рабочей подачи сверлильного инструмента, согласно изобретению когда Р_факт превышает Р_зад на 50% и более, фиксируют обнаружение препятствия для сверла в виде ребра жесткости или внутренней перегородки и посредством упомянутых механизмов осуществляют снижение скорости рабочей подачи сверлильного инструмента минимум в 2 раза, при этом досверливают отверстие до заданной глубины без снижения скорости вращения (частоты вращения), после чего посредством робота перемещают сверлильный инструмент в положение, соответствующее координатам следующего отверстия.

Процесс сверления мелкоразмерных отверстий (до 3 мм) в различных конструкционных материалах трудно поддается автоматизации и роботизации, так как без чувствительного управления подачей инструмента возможна его поломка. Концевой инструмент диаметрами до 3 мм из быстрорежущих и твердых сплавов легко ломается.

При роботизированном процессе перфорация пространственных сэндвичевых звукопоглощающих конструкций происходит в автоматизированном режиме по предварительно составленной программе, поэтому велика вероятность попадания случайным образом сверлильного инструмента в жесткие перегородки сэндвичевых конструкций с последующей поломкой инструмента.

Дело в том, что когда режущие кромки сверла при перфорации попадают не поперек, а вдоль стенок перегородки, особенно со смещением, возникает случай одностороннего сверления, при этом осевая сила изменяется, а величина скручивающего момента, разрушающего стержень сверла инструмента, зависит от глубины проникновения в материал жесткой перегородки, т.е. чем глубже сверло проникло в материал, тем оно больше подвержено поломке.

Поскольку осевая сила при одностороннем сверлении двухперовым сверлом может изменяться во время резания, то изменение сопротивления подачи в процентном отношении на 50%, а в общем случае на к (к - коэффициент определяемый опытным путем), является сигнальным порогом для робота и свидетельствует о попадании сверлом или режущим инструментом в сплошную скрытую стенку или частичное попадание в перегородку со смещением.

Снижение скорости подачи инструмента минимум в k раз необходимо для снижения осевого усилия и крутящего момента, чтобы инструмент остался целостным.

По этой причине управление подачей необходимо осуществлять в режиме постоянного отслеживания осевого усилия инструмента при перфорации сэндвичевых панелей, содержащих внутренние перегородки, вызывающие дополнительные сопротивления при перфорации в осевом направлении движения сверлильного инструмента.

Контроль величины осевого усилия может осуществлять следящее устройство системы управления в виде тензометрического датчика с контроллером, который в случае возникновения во время перфорации сопротивления от внутренней перегородки обрабатываемой звукопоглощающей конструкции с превышением заданного порога датчик фиксирует скачок осевого усилия при перфорации и передает сигнал роботу на снижение скорости подачи, снижая или не снижая скорости вращения инструмента, тем самым уменьшая осевое усилие, и досверливает отверстия до заданной глубины, тем самым предотвращая поломку сверлильного инструмента.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.

На фиг.1 показан алгоритм осуществления заявляемого роботизированного способа управления при перфорации.

На фиг.2 показано в разрезе положение сверла в случае его попадания в жесткую перегородку, S - направление осевой подачи сверла.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Согласно фиг.1 способ начинают с поиска координаты первого отверстия и осевой подачи сверлильного инструмента на поверхность изделия до касания. Далее робот считывает величину нагрузки при подаче инструмента, т.е. определяет попало сверло в жесткую перегородку или нет. Если Р _2факт не превышает Р _1зад на 50% и более, то робот осуществляет перфорацию. Если же это условие не выполняется, то есть фактическое значение осевой силы P₂ превышает P₁, по неравенству: P₂ ≥k₁·P₁, где k₁ - коэффициент определяемый опытным путем, для конструкций из ПКМ k₁=1,5, то робот обнаружил жесткую перегородку и поэтому корректирует режим подачи, т.е. устанавливает скорость рабочей подачи, соответствующий уменьшению осевого усилия Р _2факт. Перфорация отверстия осуществляется при этом режиме до получения заданной глубины отверстия. Далее происходит возврат инструмента и переход на следующую координату отверстия или возврат на исходную позицию, если в детали закончились отверстия.

Пример осуществления способа.

В звукопоглощающей конструкции (ЗПК) для авиационного двигателя из ПКМ (стеклопластика СТ-69Н СТ-69Н или углепластика КМУ-11Э), имеющей сэндвичевую внутреннюю структуру с ребрами жесткости, требовалось просверлить множество (200 тыс.) отверстий диаметром 2 мм для поглощения шума. Такую технологическую задачу с монотонным повторением отверстий было нерационально осуществлять с помощью ручного труда, поэтому на реальном производстве для этих целей использовали робота.

Размер промежутков между ребрами жесткости составлял 15-20 мм, а расположение ребер жесткости никак не было связано с расположением отверстий для поглощения шума, имеющих межосевое расстояние 4,5 мм. Перегородки (ребра жесткости) толщиной 0,75…4 мм сэндвичевой панели случайным образом пересекались с отверстиями. На производстве при ручной перфорации сэндвичевых звукопоглощающих конструкций при попадании сверла диаметром 2, мм в направлении подачи (S) в перегородку сверло подвержено поломке из-за возникновения радиальной силы и скручивающего момента (Фиг. 2).

При осуществлении заявляемого способа инструментальная оправка, выполненная в одном корпусе с четырехкомпонентным ротационным динамометром М30-3-6к производства Белоруссии (аналог 9170A Kistler (Швейцария) в процессе работы один раз зафиксировала превышение фактического осевого усилия (Р_фак =60 Н) на сверлильный инструмент, что на 50% выше заданного (Р_зад = 40 Н). Контроллер тензометрического датчика робота передал команду в управляющую программу на механизм подачи о снижении скорости подачи инструмента с 4000 мм/мин до 2000 мм/мин, т.е. в k=0,5 раз, согласно управляющей программе, используемой роботом. Далее робот продолжил перфорацию с данной скоростью подачи и прежней частотой вращения шпинделя 24000 об/мин.

Кроме того, два раза динамометр (тензометрический датчик) фиксировал превышение осевого усилия по сравнению с заданным на 60%, после чего скорость подачи была снижена в 2 раза с 4000 мм/мин до 2000 мм/мин, а частота вращения шпинделя составляла 24000 об/мин.

Заявляемый способ был использован для перфораций отверстий ЗПК. Качество полученных отверстий соответствовало техническим требованиям конструкторской документации. Сверла не ломались при попадании в перегородку, отрабатывали свой срок службы, смена инструмента производилась только из-за естественного износа и затупления.

Время обработки одного отверстия составило от 0,015 сек до 0,03 сек (на сниженной подаче), общее время всей обработки составило 42 часа. Скорость сверления - 151 м/мин.

Изобретение относится к области сверлильной обработки и может быть использовано для роботизированного процесса перфорации отверстий в сэндвичевых конструкциях, в том числе из полимерных композиционных материалов, имеющих жесткие внутренние перегородки или скрытые ребра жесткости. Способ включает использование робота, оснащенного сверлильным инструментом и механизмами его подачи и вращения, при этом посредством робота перемещают сверлильный инструмент в положение, соответствующее координатам первого отверстия, и осуществляют осевую подачу инструмента до касания им поверхности изделия, после чего с помощью тензометрического датчика, установленного на патроне сверлильного инструмента непрерывно, замеряют фактическую величину осевого усилия на сверлильный инструмент Р_факт, возникающего в процессе перфорации, и сравнивают ее с предварительно заданным значением величины осевого усилия Р_зад, а по результатам сравнения осуществляют регулирование скорости рабочей подачи сверлильного инструмента. При этом, когда Р_факт превышает Р_зад на 50% и более, фиксируют обнаружение препятствия для сверла в виде ребра жесткости или внутренней перегородки и осуществляют снижение скорости рабочей подачи инструмента минимум в 2 раза, при этом отверстие досверливают до заданной глубины без снижения скорости вращения, после чего посредством робота перемещают сверлильный инструмент в положение, соответствующее координатам следующего отверстия. Использование изобретения позволяет повысить надежность и качество перфорирования отверстий. 2 ил.

Способ регулирования роботизированного процесса перфорации отверстий в изделии, имеющем жесткие внутренние перегородки или скрытые ребра жесткости, включающий использование робота, оснащенного сверлильным инструментом и механизмами его подачи и вращения, при этом посредством робота перемещают сверлильный инструмент в положение, соответствующее координатам первого отверстия, и осуществляют осевую подачу вращающегося сверлильного инструмента до касания им поверхности изделия, после чего с помощью тензометрического датчика, установленного на патроне сверлильного инструмента, непрерывно замеряют фактическую величину осевого усилия на сверлильный инструмент Р_факт, возникающего в процессе перфорации отверстия, и сравнивают ее с предварительно заданным значением величины осевого усилия Р_зад, а по результатам сравнения осуществляют регулирование скорости рабочей подачи сверлильного инструмента, отличающийся тем, что, когда Р_факт превышает Р_зад на 50% и более, фиксируют обнаружение препятствия для сверла в виде ребра жесткости или внутренней перегородки и посредством упомянутых механизмов осуществляют снижение скорости рабочей подачи сверлильного инструмента минимум в 2 раза, при этом досверливают отверстие до заданной глубины без снижения скорости вращения, после чего посредством робота перемещают сверлильный инструмент в положение, соответствующее координатам следующего отверстия.