一种恒力进给制孔装置及其控制方法

1.本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种恒力进给制孔装置及其控制方法。


背景技术：

2.碳纤维增强复合材料(cfrp)基于其特殊的性能在航空航天领域应用越来越广，由于cfrp属于难加工材料，常用的制孔装置，一般都是设置恒定进给率，容易产生过大的进给轴向力，导致cfrp产生分层缺陷。因此在加工过程中，轴向力的控制至关重要，保持加工过程中恒定的轴向力能够有效地减少工件的损伤。
3.常用的载荷施加系统有重物块、弹簧和伺服等进给系统，重物块进给系统对不同加工状况下的阻力不敏感；弹簧进给系统结构紧凑、对于阻力变化敏感，但随着加工的进行，载荷不能维持一个恒定值；伺服进给系统对于阻力变化反应灵敏，但是系统复杂而且价格昂贵。
4.本发明提出一种恒力进给制孔装置及其控制方法，该恒力进给制孔装置结构新颖、系统经济实惠、误差小、省时省力，可以精准调整进给力的大小，使最终要求的进给轴向力始终处于一个最优状态，有效地减少cfrp工件的制孔损伤。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种恒力进给制孔装置及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术中载荷施加系统对不同加工状况下的阻力不敏感、载荷不能维持一个恒定值或系统复杂而且价格昂贵等问题。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
7.一种恒力进给制孔装置，包括钻头、电主轴、液压马达、直线导轨、滚珠丝杠、底板；所述钻头安装在电主轴上，所述电主轴通过抱座与力传感器连接板连接，所述力传感器连接板固定连接在力传感器上方，所述力传感器安装在台板上；
8.所述底板上方安装直线导轨和滚珠丝杠，所述台板下方中部与滚珠丝杠连接，且下方两侧与直线导轨连接；所述底板上安装有液压马达，所述液压马达用于驱动滚珠丝杠上台板移动进行进给；
9.还包括比例溢流阀、电磁阀、上位机和plc控制器；
10.所述plc控制器用于传递信号控制比例溢流阀和电磁阀；
11.所述电磁阀用于控制油路的方向实现液压马达的正反转的变化；
12.所述比例溢流阀用于对油路内压力进行调整从而调整液压马达输出扭矩实现恒力进给制孔。
13.优选地，所述滚珠丝杠的两端通过固定轴承座和支撑轴承座安装在底板上，所述滚珠丝杠两侧均安装有直线导轨；
14.所述滚珠丝杠上螺纹连接有螺母座，所述直线导轨上滑动连接有滑块，所述台板与直线导轨上滑块和滚珠丝杠上螺母座进行螺栓连接形成平稳的直线滑台形式。
15.优选地，所述底板上安装有马达支架，所述液压马达安装在马达支架上，所述液压马达通过联轴器和滚珠丝杠的一端连接。
16.优选地，所述滚珠丝杠远离联轴器的一端固定连接有旋转编码器；
17.通过检测旋转编码器的转数，得到滚珠丝杠所转圈数，根据滚珠丝杠螺距、圈数得到进给距离。
18.优选地，在上位机界面预设基本参数值传送给plc控制器，此参数通过触摸屏或是二进制编码直接设置实现。通过plc控制器处理生成的最优指令值经比例放大器放大后生成指令值为模拟量电压信号传送给电磁阀控制油路方向，通过液压源提供动力输入到液压马达，实现液压马达正反转的变化。
19.优选地，所述液压马达进行驱动且当钻头接触到加工工件，此时力传感器检测到力的大小经显示变送器处理反馈给plc控制器，在plc控制器的指令和力传感器的反馈这一闭环环节，力传感器始终处于不断的反馈、plc控制器指令不断的发出，一直处于不间断的调整过程中，直到满足设定的误差，即plc控制器到达指令值时输出停止信号。
20.一种恒力进给制孔装置的控制方法，包括如下步骤：
21.s1、在上位机界面预设基本参数值传送给plc控制器，通过液压源提供动力输入到液压马达，液压马达旋转带动滚珠丝杠进给，测得旋转编码器转数，得到滚珠丝杠所转圈数，得到进给距离；
22.s2、没有接触到加工工件时，此时力传感器测得的信号归零，进给接触到加工工件时，力传感器测得的信号通过显示变送器处理反馈到plc控制器与上位机预设基本参数值进行对比计算，通过比例放大器放大后生成指令值为模拟量电压信号传送给比例溢流阀，循环这一过程；
23.s3、制孔过程结束plc控制器传送信号给电磁阀控制油路方向使液压马达反转驱动钻头退出加工工件完成制孔。
24.优选地，所述s2中循环这一过程中，力传感器测得的信号通过显示变送器处理反馈到plc控制器与上位机预设基本参数值进行对比计算时：
25.当测得力超过目标值时，说明油路压力过大，比例溢流阀打开阀口溢流，向油箱排油降低油路压力，液压马达减小输出扭矩从而减小进给力；
26.未能达到目标值时，说明油路内压力过小，比例溢流阀关闭阀口，通过油路进油增加油路压力，液压马达输出力增加；
27.达到目标值时，液压马达输出扭矩经比例溢流阀控制处于平衡状态，使得制孔进给力保持恒定。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本发明结构新颖、系统经济实惠、误差小、省时省力，可以精准调整进给力的大小，使最终要求的进给力始终处于一个最优状态，有效地减少工件的损伤。
附图说明
30.图1为本发明中的一种恒力进给制孔装置的结构示意图；
31.图2是本发明中滚珠丝杠和直线导轨的结构示意图；
32.图3为本发明中的上位机、plc控制器、电磁阀、比例溢流阀连接的结构示意图；
33.图4为本发明中的一种恒力进给制孔装置的恒力进给控制原理图。
34.图中：1、钻头；2、电主轴；3、抱座；4、力传感器连接板；5、固定轴承座；6、液压马达；7、联轴器；8、马达支架；9、直线导轨；10、滑块；11、台板；12、力传感器；13、滚珠丝杠；14、支撑轴承座；15、旋转编码器；16、底板；17、螺母座；18、上位机；19、plc控制器；20、液压源；21、比例溢流阀；22、电磁阀；23、显示变送器；24、比例放大器。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1：
37.如图1、2所示，恒力进给制孔装置，包括钻头1、电主轴2、抱座3、力传感器连接板4、固定轴承座5、液压马达6、联轴器7、马达支架8、直线导轨9、滑块10、台板11、力传感器12、滚珠丝杠13、支撑轴承座14、旋转编码器15、底板16、螺母座17；
38.钻头1安装在电主轴2上，电主轴2通过抱座3与力传感器连接板4固定在力传感器12上，力传感器12安装在台板11上；采用液压马达6进行驱动滚珠丝杠13、直线导轨9上滑块10的滑台形式进行进给。
39.设有上位机18、plc控制器19，通过plc控制器19传递信号控制比例溢流阀21和电磁阀22。比例溢流阀21用于对油路压力进行调整从而调整液压马达6输出扭矩实现恒力进给制孔，电磁阀22用于调整油路方向实现液压马达6的正反转。
40.在本实施例中，底板16上安装有马达支架8，液压马达6安装在马达支架8上通过联轴器7和滚珠丝杠13连接；滚珠丝杠13通过固定轴承座5和支撑轴承座14安装在底板16上，底板16上两侧安装直线导轨9，台板11与直线导轨9上滑块10和滚珠丝杠13上螺母座17进行螺栓连接；可以实现稳定的传动和进给功能。
41.在本实施例中，在滚珠丝杠13连接支撑轴承座14的一端固定有旋转编码器15与滚珠丝杠13连接；旋转编码器15用于测得滚珠丝杠13所转圈数从而精确得到进给距离，方便控制和实现加工要求。
42.在本实施例中，如图3所示，在上位机18界面预设基本参数值传送给plc控制器19，此参数可以通过触摸屏或是二进制编码直接设置实现。通过plc控制器19处理生成的最优指令值经比例放大器24放大后生成指令值为模拟量电压信号传送给电磁阀22控制油路方向，实现液压马达6正反转的变化。
43.在本实施例中，液压马达6进行驱动且当钻头1接触到加工工件，此时力传感器12检测到力的大小经显示变送器23处理反馈给plc控制器19，在plc控制器19的指令和力传感器12的反馈这一闭环环节，力传感器12始终处于不断的反馈、plc控制器19指令不断的发出，一直处于不间断的调整过程中，直到满足设定的误差，即plc控制器19到达指令值时输出停止信号。
44.实施例2：
45.如图4所示，对于实施例1中恒力进给制孔装置的控制方法，包括如下步骤：
46.步骤一、在上位机18界面预设基本参数值传送给plc控制器19，通过液压源20提供动力输入到液压马达6，液压马达6旋转带动滚珠丝杠13进给，通过测得旋转编码器15转数，可以得到滚珠丝杠13所转圈数，得到进给距离；
47.步骤二、没有接触到加工工件时，此时力传感器12测得的信号归零，进给接触到加工工件时，力传感器12测得的信号通过显示变送器23处理反馈到plc控制器19与上位机18预设基本参数值进行对比计算，通过比例放大器24放大后生成指令值为模拟量电压信号传送给比例溢流阀21，循环这一过程；
48.当测得力超过目标值时，说明油路有压力过大，比例溢流阀21打开阀口溢流，向油箱排油降低油路压力，液压马达6减小输出扭矩从而减小进给力；未能达到目标值时，说明油路内压力过小，比例溢流阀21关闭阀口，通过油路进油增加油路压力，液压马达6输出力增加；达到目标值时，液压马达6输出扭矩经比例溢流阀21控制处于平衡状态，使得进给力保持恒定；
49.步骤三、制孔过程结束plc控制器19传送信号给电磁阀22控制油路方向使液压马达6反转驱动钻头1退出工件完成制孔。
50.以上所述，仅用于帮助理解本发明的方法及其核心要义，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的一般技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种恒力进给制孔装置，包括钻头(1)、电主轴(2)、液压马达(6)、直线导轨(9)、滚珠丝杠(13)、底板(16)；其特征在于，所述钻头(1)安装在电主轴(2)上，所述电主轴(2)通过抱座(3)与力传感器连接板(4)连接，所述力传感器连接板(4)固定连接在力传感器(12)上方，所述力传感器(12)安装在台板(11)上；所述底板(16)上方安装直线导轨(9)和滚珠丝杠(13)，所述台板(11)下方中部与滚珠丝杠(13)连接，且下方两侧与直线导轨(9)连接；所述底板(16)上安装有液压马达(6)，所述液压马达(6)用于驱动滚珠丝杠(13)上台板(11)移动进行进给；还包括比例溢流阀(21)、电磁阀(22)、上位机(18)和plc控制器(19)；所述plc控制器(19)用于传递信号控制比例溢流阀(21)和电磁阀(22)；所述电磁阀(22)用于控制油路的方向实现液压马达(6)的正反转的变化；所述比例溢流阀(21)用于对油路内压力进行调整从而调整液压马达(6)输出扭矩实现恒力进给制孔。2.根据权利要求1所述的一种恒力进给制孔装置，其特征在于，所述滚珠丝杠(13)的两端通过固定轴承座(5)和支撑轴承座(14)安装在底板(16)上，所述滚珠丝杠(13)两侧均安装有直线导轨(9)；所述滚珠丝杠(13)上螺纹连接有螺母座(17)，所述直线导轨(9)上滑动连接有滑块(10)，所述台板(11)与直线导轨(9)上滑块(10)和滚珠丝杠(13)上螺母座(17)进行螺栓连接形成平稳的直线滑台形式。3.根据权利要求1所述的一种恒力进给制孔装置，其特征在于，所述底板(16)上安装有马达支架(8)，所述液压马达(6)安装在马达支架(8)上，所述液压马达(6)通过联轴器(7)和滚珠丝杠(13)的一端连接。4.根据权利要求2所述的一种恒力进给制孔装置，其特征在于，所述滚珠丝杠(13)远离联轴器(7)的一端固定连接有旋转编码器(15)；通过检测旋转编码器(15)的转数，得到滚珠丝杠(13)所转圈数，根据滚珠丝杠(13)螺距、圈数得到进给距离。5.根据权利要求1所述的一种恒力进给制孔装置，其特征在于，在上位机(18)界面预设基本参数值传送给plc控制器(19)，通过plc控制器(19)处理生成的最优指令值经比例放大器(24)放大后生成指令值为模拟量电压信号传送给电磁阀(22)控制油路方向，通过液压源(20)提供动力输入到液压马达(6)，实现液压马达(6)正反转的变化。6.根据权利要求1所述的一种恒力进给制孔装置，其特征在于，所述液压马达(6)进行驱动且当钻头(1)接触到加工工件，此时力传感器(12)检测到力的大小经显示变送器(23)处理反馈给plc控制器(19)，在plc控制器(19)的指令和力传感器(12)的反馈这一闭环环节，力传感器(12)始终处于不断的反馈、plc控制器(19)指令不断的发出，一直处于不间断的调整过程中，直到满足设定的误差，即plc控制器(19)到达指令值时输出停止信号。7.一种如权利要求1-6任一所述的恒力进给制孔装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、在上位机(18)界面预设基本参数值传送给plc控制器(19)，通过液压源(20)提供动力输入到液压马达(6)，液压马达(6)旋转带动滚珠丝杠(13)进给，测得旋转编码器(15)转数，得到滚珠丝杠(13)所转圈数，得到进给距离；
s2、没有接触到加工工件时，此时力传感器(12)测得的信号归零，进给接触到加工工件时，力传感器(12)测得的信号通过显示变送器(23)处理反馈到plc控制器(19)与上位机(18)预设基本参数值进行对比计算，通过比例放大器(24)放大后生成指令值为模拟量电压信号传送给比例溢流阀(21)，循环这一过程；s3、制孔过程结束plc控制器(19)传送信号给电磁阀(22)控制油路方向使液压马达(6)反转驱动钻头(1)退出加工工件完成制孔。8.根据权利要求7所述的一种恒力进给制孔装置的控制方法，其特征在于，所述s2中循环这一过程中，力传感器(12)测得的信号通过显示变送器(23)处理反馈到plc控制器(19)与上位机(18)预设基本参数值进行对比计算时：当测得力超过目标值时，说明油路压力过大，比例溢流阀(21)打开阀口溢流，向油箱排油降低油路压力，液压马达(6)减小输出扭矩从而减小进给力；未能达到目标值时，说明油路内压力过小，比例溢流阀(21)关闭阀口，通过油路进油增加油路压力，液压马达(6)输出力增加；达到目标值时，液压马达(6)输出扭矩经比例溢流阀(21)控制处于平衡状态，使得制孔进给力保持恒定。

技术总结
本发明公开了一种恒力进给制孔装置及其控制方法，涉及精密加工技术领域；该恒力进给制孔装置，包括钻头、电主轴、液压马达、直线导轨、滚珠丝杠、底板；钻头安装在电主轴上；底板上方安装直线导轨和滚珠丝杠，台板下方与滚珠丝杠、直线导轨连接；底板上安装有液压马达，液压马达用于驱动滚珠丝杠上台板移动进行进给；还包括比例溢流阀、电磁阀、上位机和plc控制器；电磁阀用于控制油路的方向实现液压马达的正反转的变化；比例溢流阀用于对油路内压力进行调整从而调整液压马达输出扭矩实现恒力进给制孔。本发明可以加工多种工件材料、精准调整制孔过程进给力的大小，使最终要求的进给力始终处于一个最优状态，有效地减少加工工件的损伤。损伤。损伤。


技术研发人员：焦锋 李真真 牛赢 李远霄 王晓博 王雪 钟昊 吕鲲 崔峰
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/16