吳靜青 任衛(wèi)安 蘇亮 張萃珍 丁小軍

摘 要：激光鋪層定位技術(shù)是復(fù)合材料工業(yè)生產(chǎn)過程中最先進的技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料制造。在生產(chǎn)復(fù)合材料層壓板時，生產(chǎn)過程可以顯著節(jié)省材料，降低成本，提高生產(chǎn)效率，并提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著社會不斷提高復(fù)合材料技術(shù)要求，要不斷增加激光鋪層定位系統(tǒng)在復(fù)合材料零件上的應(yīng)用，以滿足不斷增長的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：激光鋪層定位系統(tǒng)；復(fù)合材料；零件；應(yīng)用

引言

激光鋪層定位技術(shù)是制造復(fù)合材料零件的首選技術(shù)，能夠有效促進復(fù)合材料工業(yè)化的生產(chǎn)，是最現(xiàn)代化的技術(shù)，能夠有效提升材料的質(zhì)量和效率，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。激光鋪層定位系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)合材料的生產(chǎn)，能為復(fù)合材料零件層壓板的設(shè)計生產(chǎn)節(jié)省材料、降低成本、提高質(zhì)量和效率。目前市場擴大了復(fù)合材料型號模式的需求，相應(yīng)的市場也提高了復(fù)合材料產(chǎn)量，能夠提高現(xiàn)有產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足互換性和協(xié)調(diào)性的要求。目前，復(fù)合材料生產(chǎn)規(guī)模處于領(lǐng)先地位，復(fù)合構(gòu)件的設(shè)計也越來越受到人們的關(guān)注。

一、復(fù)合材料零件設(shè)計要求

復(fù)合材料有多種結(jié)構(gòu)形式，包括層壓板（主要包括皮、大梁等）和蜂窩結(jié)構(gòu)（一些二級結(jié)構(gòu)部件的表皮結(jié)構(gòu)等）是最常見的形式。本文給出了層壓板結(jié)構(gòu)形式的一些設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，描述了復(fù)合材料層壓板使用通常的四層（0°/ 45°/ -45°/ 90°）的結(jié)構(gòu)形式。

1、層壓板的整個結(jié)構(gòu)應(yīng)與中性表面對稱，并應(yīng)遵循平衡原則，即每個+ 45°層壓板對應(yīng)于-45°層壓板。這是為了避免彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合并防止加工過程中的翹曲變形，進一步完善復(fù)合材料零件的設(shè)計施工活動，提高復(fù)合材料的質(zhì)量水平。

2、沿四個方向鋪設(shè)，以確保在任一方向上至少10%的鋪設(shè)率（某些文獻要求至少8%）。這個準(zhǔn)則有多方面考慮，考慮垂直于主要方向的泊松效應(yīng)和直接作用在基板上的其他載荷。

3、在螺栓連接區(qū)域，±45°方向上應(yīng)至少為40%。

4、盡可能在鋪層的整個厚度上均勻分布不同的鋪設(shè)角度，以避免鋪層以相同的角度連續(xù)鋪設(shè)。該標(biāo)準(zhǔn)是為了避免應(yīng)力集中和內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。

5、表面鋪層應(yīng)連續(xù)±45°層壓，這主要是由于±45°層壓板具有良好的損傷容限特性。

6、相鄰鋪層的方向應(yīng)小于60°。

7、對于二次固化鋪層，應(yīng)避免垂直于力的方向靠近凝固位置的鋪層，以提高接頭強度。

8、當(dāng)激光鋪層的厚度改變時，應(yīng)注意，應(yīng)當(dāng)在滿足傾斜角要求（小于10°）的同時逐層地進行過渡（相鄰層之間的交換）。需要特別注意，防止過多的區(qū)域在加工過程中容易富集，并且產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞問題。

二、研究的目的和依據(jù)

哈飛復(fù)合材料廠已經(jīng)從加拿大公司購買了三套激光投影系統(tǒng)，作為我國第一個激光鋪層定位系統(tǒng)，之前沒有詳細(xì)的技術(shù)描述。引進之后與復(fù)合材料工廠中現(xiàn)有的復(fù)合材料制造工藝結(jié)合起來，提高了定位技術(shù)、生產(chǎn)能力和現(xiàn)有的加工條件，經(jīng)過加拿大VIRTEK制造商和我們的技術(shù)程序部門近一年的研究，針對如何正確在復(fù)合材料的制造中應(yīng)用該技術(shù)進行了多次討論，基本上可以實現(xiàn)鋪層定位，并應(yīng)用于生產(chǎn)。其中一些技術(shù)可填補國內(nèi)空白，為復(fù)合材料的未來應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

目前我廠有三套三維激光投影系統(tǒng)，兩套單頭可移動，投影頭高出地面3.7米，雙頭系統(tǒng)固定，離地面高度4.5米。它們可以進行串聯(lián)使用兩個、三個或四個，并且安裝在相對濕度為35-40%，溫度為18-24℃的工作環(huán)境中。投影直徑為0.8-1.0的激光束，顏色為綠色，色澤為50°自動跟蹤，自動檢測功能，具有前進和后退功能，后向數(shù)字化精度≤±1.0，保持激光束與工具法線平面之間的角度≤±30度。而且激光投影頭是防塵的，以防止碳纖維和其他帶電粒子損壞內(nèi)部構(gòu)件。該系統(tǒng)可以接受來自FiberSIM、CATIA Covers和其他軟件的3D激光投影文件。投影系統(tǒng)使用Virtek Laseredge4.2.1軟件。系統(tǒng)硬件組成：1.計算機控制系統(tǒng)2.激光頭支架3.激光發(fā)射器頭4.定位頭5.系統(tǒng)校準(zhǔn)激光反射板6.激光數(shù)字牽引板7.校準(zhǔn)工具。

三、系統(tǒng)的硬件組成及說明

1、計算機：建立鋪層數(shù)據(jù)的信息庫，并將生成的鋪層文件發(fā)送到激光發(fā)射頭進行投影。

2、激光頭支架：分為固定式和可移動式支架。固定式分為單頭和雙頭固定激光發(fā)射頭支架，可以旋轉(zhuǎn)激光頭。

3、激光投影頭：我們要從計算機接收信息文件，然后將激光束發(fā)射到復(fù)合材料的層壓工具上。綠色投影頭是鋪路定位系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，因此要格外予以重視。

4、工裝定位頭Target：它被放置在復(fù)合工具的邊緣，垂直放置在工具切線的表面上，具有30°、45°、0°的定位頭文件。在它的頂部是一種特殊的光學(xué)材料，可以在輻射方向上反射。工具周邊區(qū)域的三維信息空間數(shù)據(jù)通過工具定位頭傳遞到激光反射頭，由于反射材料不耐高溫，當(dāng)復(fù)合材料固化時，必須移除工具定位頭使其可移動。

5、手動校準(zhǔn)反射片（Retro-relective）：它是一片反射光，可以用激光頭掃描，并在激光定位頭上掃描。在初始手動校準(zhǔn)之后，激光反射器可以自動控制工具上的定位頭并自動校正公差。

6、檢驗工裝

它是一種用于檢查激光頭精度的特殊工具，能夠提高復(fù)合材料生產(chǎn)的工藝及技術(shù)，實現(xiàn)激光鋪層定位系統(tǒng)在復(fù)合材料生產(chǎn)中良好的應(yīng)用。

四、系統(tǒng)軟件及說明

Windows 2000投影軟件的操作系統(tǒng)平臺在投影時在普通系統(tǒng)下執(zhí)行。

1、工裝校準(zhǔn)文件，格式為：工裝校準(zhǔn)名.cal

ES是在頭部儀器上定位以協(xié)調(diào)自身空間的相對位置，而產(chǎn)生的激光束三維坐標(biāo)文件是數(shù)據(jù)和信息的交換。需要注意的是如果是正向，頭部坐標(biāo)的固有方向是位置離子中的刀具坐標(biāo)。坐標(biāo)工具曲面上的空間坐標(biāo)，而不是坐標(biāo)。

2、鋪層數(shù)據(jù)文件，格式為：鋪層名：ply

當(dāng)激光反射器用于投影掃描時，它是源文件；當(dāng)操作者執(zhí)行每層的投影時，激光發(fā)射頭通過數(shù)據(jù)文件掃描分層工具的表面，該數(shù)據(jù)文件包括諸如文本描述、分層方向和分層形狀的信息。

3、系統(tǒng)配置文件，格式為：系統(tǒng)配置名.Cfg

它是激光頭系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，能夠提高激光鋪層定位系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高。

五、激光鋪層定位系統(tǒng)的要求

1、技術(shù)要求

1）外觀：設(shè)備表面應(yīng)無銹蝕、凹凸不平、漆條無明顯劃痕。

2）計算機軟件：顯示屏顯示正常，軟件應(yīng)具有所需功能。

3）激光線位置精度：不超過±0.76 mm范圍。

4）激光線寬度精度：線寬在0.50 mm～1.93 mm。

5）靶標(biāo)位置精度：不超過±0.76 mm范圍。

在激光鋪層定位系統(tǒng)的技術(shù)要求中，第一和第二項主要通過目視觀察和實際操作進行驗證，其他三個項目將由實際測量進行核實。對于激光鋪層定位系統(tǒng)的技術(shù)要求是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模龅饺f無一失。

2、激光鋪層定位系統(tǒng)的檢定

激光鋪層定位系統(tǒng)的檢定主要由標(biāo)準(zhǔn)工具CDS進行。標(biāo)準(zhǔn)工具CDS由一系列以規(guī)則圖案分布的目標(biāo)和圓形、方形雕刻凹槽組成。因此，首先需要確定標(biāo)準(zhǔn)工具的正確性。

啟動激光鋪層定位系統(tǒng)應(yīng)用程序，調(diào)用CDS工具模型，激光器將CDS模型線投影到標(biāo)準(zhǔn)工具。

激光線位和線寬投影測試：標(biāo)準(zhǔn)儀器和在圓內(nèi)投影的正方形、圓形和正方形。通過對鍵盤槽中心位置和線寬的直線觀察，對其精度的控制要滿足技術(shù)要求。

靶標(biāo)位置的檢定：將標(biāo)準(zhǔn)裝置放置在激光頭下方約4.8米的位置，并運行掃描程序。掃描完成后，軟件會自動比較內(nèi)部理論值以獲取錯誤值，然后生成結(jié)果報告。如果誤差值在技術(shù)要求的精度要求范圍內(nèi)，則認(rèn)為其符合要求。如果超過誤差值，就要重新進行調(diào)試，以滿足設(shè)計要求，促進復(fù)合材料的高質(zhì)量生產(chǎn)。

六、激光鋪層定位系統(tǒng)的使用

該套系統(tǒng)的virtek laseredge4.2.1簡單易學(xué)。以下是該軟件的操作簡介：

首先打開UPS不間斷電源啟動計算機。

輸入開機密碼。

單擊標(biāo)有OLT的圖標(biāo)顯示用戶操作密碼權(quán)限，輸入密碼，一般設(shè)置為system，進入laseredge軟件界面。

系統(tǒng)分制三個操作級別，管理員有三個級別來操作不同權(quán)限的執(zhí)行系統(tǒng)。操作者通常只需打開設(shè)計程序直接投影鋪層，操作員可以配置成任何投影文件。如果文件提到cfg文件，管理員可以更改它。cfg文件如果在ply文件之后，可以階段化層次結(jié)構(gòu)進行投影鋪層。

經(jīng)過近兩年的研究和實踐，復(fù)合材料的生產(chǎn)取得了長足的發(fā)展和進步，復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)中的激光鋪層定位系統(tǒng)的應(yīng)用，也更加精確，技術(shù)也更加嫻熟，能夠起到有效的定位，實現(xiàn)保障復(fù)合材料生產(chǎn)的目的，提高復(fù)合材料的質(zhì)量。

復(fù)合投影是一種產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字化設(shè)計，它覆蓋了圖案的層次和空隙。在制造過程中，WERKZEUGE切削位于內(nèi)徑邊緣，包括六個布置的頭套。至少在工具上，頭部的定位位于套筒中。通過激光測量裝置，在X、Y和Z三維坐標(biāo)系下定位頭部中心。根據(jù)設(shè)計師數(shù)字模型的介紹，MIT的產(chǎn)品設(shè)計軟件Catai包含三個文件，1后綴。2 Cal，3 格式，來自車間的數(shù)控機床進行充分的應(yīng)用。隨著投影圖形層的介紹、數(shù)據(jù)、工作校驗文件，查找系統(tǒng)中的CFG文件，在系統(tǒng)運行后布局工程圖投影，然后在CNC中隱藏文件mit后綴-masc，將其隱藏在其中并進行操作，mit涂層系統(tǒng)用良好的材料覆蓋照明層的過程，進行噴射涂層愈合。

結(jié)論

綜上所述，目前激光鋪層定位系統(tǒng)在復(fù)合材料生產(chǎn)中的應(yīng)用已取得積極進展，有效促進了復(fù)合材料的生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提升，在實際生產(chǎn)中，我們要積極研究，加強對激光鋪層定位系統(tǒng)的應(yīng)用，使其在復(fù)合材料的生產(chǎn)中起到積極的促進作用。同時要加強激光鋪層定位系統(tǒng)的改進，使其能夠適應(yīng)實際生產(chǎn)條件下的技術(shù)要求，在產(chǎn)品外觀、性能和質(zhì)量方面達到規(guī)定的要求，促進復(fù)合材料的生產(chǎn)與進步，促進社會的和諧發(fā)展與進步。

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作者簡介：

吳靜青 出生于1987年9月 性別女，籍貫：江西南昌，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向：復(fù)合材料零件制造及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用

郵編：330022