數(shù)字化測量技術(shù)在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

江 超

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料，既保留了原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能［1］。復(fù)合材料因其高比強(qiáng)、抗腐蝕、隱身性好等優(yōu)越的綜合性能，在社會各個行業(yè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料的制造質(zhì)量和效率是其廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，一批高精度、智能化的數(shù)字化測量設(shè)備相繼涌現(xiàn)。其中，激光雷達(dá)和激光跟蹤儀已成功地應(yīng)用于復(fù)合材料制造的全過程，有效地提高了復(fù)合材料的整體制造質(zhì)量和數(shù)字化水平［2］。

本文從數(shù)字化測量系統(tǒng)入手，主要介紹激光雷達(dá)和激光跟蹤儀系統(tǒng)的工作原理及在復(fù)合材料制造中的聯(lián)合應(yīng)用，總結(jié)了制造應(yīng)用領(lǐng)域的若干關(guān)鍵技術(shù)，為從事相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員提供借鑒。

1 數(shù)字化測量系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 激光測量系統(tǒng)的組成

以激光雷達(dá)測量系統(tǒng)為例介紹激光測量系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)。激光雷達(dá)是新型的大型三坐標(biāo)測量設(shè)備，與傳統(tǒng)非接觸測量設(shè)備相比，其測量范圍廣、精度高，可實(shí)現(xiàn)大尺寸、遠(yuǎn)距離、高精度的自動化測量［3］，具體參數(shù)如表1所示。

表1 激光雷達(dá)主要參數(shù)

激光雷達(dá)測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示。硬件包括雷達(dá)主機(jī)、控制器、UPS電源和移動計算機(jī)工作站；軟件為SA（Spatial Analyzer）。

圖1 激光雷達(dá)測量系統(tǒng)組成

1.2 激光雷達(dá)測量原理

激光雷達(dá)運(yùn)用頻率雷達(dá)測距技術(shù)和紅外線高精度瞄準(zhǔn)鏡，通過角度和距離信息，計算被測點(diǎn)的正確三維位置。激光雷達(dá)使用球坐標(biāo)測量系統(tǒng)，利用高精度反射鏡和紅外激光光束測量3 個物理量：方位角、俯仰角和距離，如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)測量原理

通過2 個編碼器測量方位角和俯仰角，利用調(diào)頻相干激光雷達(dá)技術(shù)測量距離，最后根據(jù)球形坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換得出被測點(diǎn)的坐標(biāo)。激光器發(fā)出兩束激光，一束射到被測工件表面并返回到激光器內(nèi)部；另一束射向內(nèi)部校準(zhǔn)光纖。當(dāng)接收器接收到返回的信號后，混頻器比較出兩束激光的頻率差，進(jìn)而得出兩束激光的時間差，再根據(jù)時間與距離的關(guān)系便可計算出激光測量系統(tǒng)與被測點(diǎn)之間的絕對距離。最終，得到以激光雷達(dá)位置為原點(diǎn)的相對坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)［4］。

2 數(shù)字化測量在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用

2.1 復(fù)合材料成型模具的檢測

復(fù)合材料零件的內(nèi)部質(zhì)量和外部形狀，與成型模具的設(shè)計制造質(zhì)量高度相關(guān)。因此，復(fù)合材料成型模具的檢測是保證復(fù)合材料制造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以檢驗(yàn)樣板和工裝為主的傳統(tǒng)檢測方法精度低、效率低、成本高，且傳統(tǒng)測量設(shè)備的測量范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足檢測要求。新型數(shù)字化測量設(shè)備的出現(xiàn)為復(fù)合材料成型模具的高效數(shù)字化檢測提供了必要的工具。復(fù)合材料成型工裝的檢測內(nèi)容主要包括成型面的輪廓度檢測、鋪疊投影定位孔的中心坐標(biāo)檢測和零件邊界輪廓線檢測等3 個方面，如圖3 所示。正確地使用數(shù)字化測量設(shè)備對復(fù)合材料成型模具進(jìn)行測量，能夠有效地減少檢測環(huán)節(jié)用時，保證零件的制造質(zhì)量。

圖3 激光雷達(dá)測量復(fù)合材料工裝

2.2 復(fù)合材料零件的檢測

2.2.1 測量流程

激光測量流程如圖4所示［5］：

選取 A、B、C三個廠家的化成箔（C1、C2、為同一廠家不同化成體系樣片），化成箔規(guī)格均為550VF 0.65uF/cm2。各廠家試樣各取5組，每組取左、中、右三張樣。常態(tài)性能數(shù)據(jù)為1小時常壓水煮的常態(tài)數(shù)據(jù)。將1組試樣在常態(tài)測試皮膜耐壓、升壓時間后用去離子水洗凈，進(jìn)行常壓水煮1小時；其余4組樣進(jìn)行常態(tài)測試皮膜耐壓、升壓時間后用去離子水洗凈，放入高壓鍋中進(jìn)行水煮，時間分別為1、3、5、7小時，煮好后取出用去離子水洗凈，80℃烘干，再進(jìn)行皮膜耐壓、升壓時間測試，測試數(shù)據(jù)見表1、表2。

圖4 數(shù)字化測量流程

1）建立測量基準(zhǔn)；

2）測量設(shè)備布站；

3）測量參數(shù)選擇與路徑規(guī)劃；

4）現(xiàn)場測量；

5）數(shù)據(jù)分析處理；

6）編制測量報告。

復(fù)合材料零件的測量需求主要針對零件的氣動外形面或裝配面的面輪廓度，以及零件外形邊緣的線輪廓度。

2.2.2 復(fù)合材料零件邊緣的檢測方法

壁板的數(shù)學(xué)模型一般標(biāo)注氣動外形面的面輪廓度公差、外形邊緣的線輪廓度公差、裝配面的面輪廓度公差，以及孔中心的位置度和垂直度公差等形位公差項(xiàng)目，并明確了相應(yīng)形位公差的基準(zhǔn)。這些基準(zhǔn)將作為測量基準(zhǔn)，并依據(jù)基準(zhǔn)孔建立測量坐標(biāo)系。壁板的基準(zhǔn)孔一般設(shè)計在壁板的邊緣余量區(qū)，而測量點(diǎn)設(shè)置在壁板的肋線和軸線與邊緣的交點(diǎn)上。長桁主要測量軸線的位置度公差和長桁臥邊的線輪廓度公差。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中的等截面結(jié)構(gòu)主要有梁、長桁和肋等。梁結(jié)構(gòu)主要測量氣動外形面的面輪廓度公差、外形邊緣的線輪廓度公差、裝配面的面輪廓度公差，以及孔中心的位置度和垂直度公差等形位公差項(xiàng)，邊緣測量如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 長桁輪廓度測量布點(diǎn)方式

圖6 梁邊緣線輪廓度測量布點(diǎn)方式

圖7 壁板的外形輪廓測量點(diǎn)

2.2.3 氣動外形面和裝配面的檢測方法

復(fù)合材料零件氣動外形面或裝配面直接影響到飛機(jī)的氣動外形和零件的裝配難易程度。因此，零件的外形測量是十分必要的。氣動外形面和裝配面的測量屬于數(shù)字化測量中的曲面動態(tài)測量，主要步驟如下：

1）CAD數(shù)模處理；

2）依據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)建立坐標(biāo)系；

3）曲面測量；

4）曲面點(diǎn)均方根（RMS）誤差計算。

基準(zhǔn)點(diǎn)依據(jù)零件圖紙的位置精度和基準(zhǔn)面要求制造；測量坐標(biāo)系的建立依據(jù)基準(zhǔn)孔實(shí)際坐標(biāo)值與理論值進(jìn)行擬合得到，以便將測量儀器定位到零件設(shè)計坐標(biāo)系內(nèi)。能否準(zhǔn)確地建立坐標(biāo)系關(guān)系到測量的精度。曲面上點(diǎn)的測量位置和數(shù)量一般依據(jù)具體零件的尺寸和形狀進(jìn)行選取，而曲面的輪廓度誤差是根據(jù)零件曲面上的點(diǎn)在設(shè)計坐標(biāo)系下的最佳擬合結(jié)果得出。

由于壁板類零件為弱剛度件，氣動外形面的測量一般需固定在型架上，與裝配的姿態(tài)保持一致。而梁肋等大剛度零件可放置在支撐架上進(jìn)行測量。

圖8 壁板類零件的測量姿態(tài)

2.3 壁板長桁共固化組合中的應(yīng)用

壁板長桁共固化中，需要將長桁和蒙皮進(jìn)行組合，一般采用多機(jī)器人聯(lián)合的方式進(jìn)行長桁組合。為提高機(jī)器人的絕對定位精度，要利用先進(jìn)的測量手段，基于模型的參數(shù)識別方法，辨識出機(jī)器人模型的準(zhǔn)確參數(shù)，從而提高機(jī)器人絕對精度。圖9 為利用激光跟蹤儀和機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)長桁和蒙皮共固化組合。

圖9 利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)長桁與蒙皮定位

對于具有六自由度的機(jī)器人來說，六維測量監(jiān)控對于確定空間位置是必須的。利用激光跟蹤儀T-Mac 配合機(jī)器人能夠同時獲取點(diǎn)的三維坐標(biāo)與空間方位信息［6］。這意味著機(jī)器人頭部的位置可以監(jiān)控，包括其方位。在實(shí)際操作過程中，可根據(jù)零件尺寸，組合使用多個機(jī)器人，分兩側(cè)夾持桁條。機(jī)器人與跟蹤儀獨(dú)立開展工作。這種方式靈活高效，具有很高的柔性能力，適應(yīng)大范圍的壁板尺寸，不需要專門的翻轉(zhuǎn)工裝和相應(yīng)的土建規(guī)劃，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 復(fù)合材料壁板數(shù)控銑切中的過程監(jiān)測

復(fù)材數(shù)控銑切的過程監(jiān)測是指將測量儀器放置到加工現(xiàn)場，監(jiān)控生產(chǎn)過程，隨機(jī)床加工進(jìn)行同步測量，預(yù)判加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。在機(jī)測量可以及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的問題，通過調(diào)整加工參數(shù)和誤差補(bǔ)償?shù)却胧┘皶r修正問題，并將信息反饋到上游設(shè)計。在某公司承擔(dān)的C 系列中央翼梁數(shù)控加工過程中，將激光雷達(dá)放在加工現(xiàn)場，邊切割邊測量，形成在線監(jiān)測，可明顯提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率，如圖10所示。

圖10 大尺寸壁板切邊設(shè)備在線測量

3 復(fù)合材料數(shù)字化測量應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 制造現(xiàn)場快速構(gòu)建測量場技術(shù)

依托復(fù)合材料制造現(xiàn)場環(huán)境，快速構(gòu)建測量場是實(shí)現(xiàn)制造過程測量規(guī)劃與數(shù)據(jù)提取能力的技術(shù)關(guān)鍵。快速構(gòu)件測量場要根據(jù)現(xiàn)場測量目標(biāo)、測量精度以及現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行分析，充分考慮環(huán)境、部件特點(diǎn)、測量姿態(tài)、測光連續(xù)、儀器狀態(tài)和系統(tǒng)誤差等因素。對于大尺寸測量，需要同時對多個測量儀器系統(tǒng)按照不同站位進(jìn)行布局，預(yù)先通過軟件仿真形成最優(yōu)測量場布局模型，在現(xiàn)場測量實(shí)施之前制定可行的測量方案，評價測量系統(tǒng)的規(guī)劃質(zhì)量，保證以最小的代價實(shí)現(xiàn)測量目標(biāo)。

3.2 多站測量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置與優(yōu)化技術(shù)

針對大尺寸復(fù)合材料部件和部段的現(xiàn)場測量需求，經(jīng)常需要采用多臺激光雷達(dá)和激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)聯(lián)合測量。利用現(xiàn)有的SA 軟件和USMN（Uni‐fied Spatial Metrology Network），對測量結(jié)果進(jìn)行精確且快速地優(yōu)化配置的算法，是構(gòu)建多站測量網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。在實(shí)際測量規(guī)劃中要盡量以低成本獲得更多的信息，在優(yōu)化測量場布局的同時，合理制定多臺相同或不同測量儀器的組合方式的技術(shù)稱為測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置與優(yōu)化技術(shù)，這是解決大尺寸復(fù)合材料裝配部件測量中的關(guān)鍵技術(shù)［7］。

3.3 基于SA軟件的自動化測量技術(shù)

與激光跟蹤儀采用的手持靶球測量方式相比，激光雷達(dá)的反射測量方式是完全的非接觸式測量，完全可實(shí)現(xiàn)高效地自動測量。激光雷達(dá)自動測量的基本步驟如下：

1）基于零部件的三維數(shù)模布置測量點(diǎn)；

2）通過儀器和軟件實(shí)現(xiàn)對理論測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，獲取實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)的集合；

3）擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)；

4）通過程序自動控制測量要素并采集測量信息，依據(jù)規(guī)范形成測量報告。

基于SA軟件的MP功能模塊和SDK的自動測量技術(shù)適合于大批量生產(chǎn)線作業(yè)，可大幅提高測量效率，完全實(shí)現(xiàn)高效自動化測量。

3.4 基于模型（MBD）的集成測量技術(shù)

基于模型（MBD）的集成測量技術(shù)是飛機(jī)設(shè)計中單一數(shù)據(jù)源技術(shù)的具體體現(xiàn)。設(shè)計單位在結(jié)構(gòu)設(shè)計中融入產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）理論，并按規(guī)范要求設(shè)計零件，保證了測量工藝人員貫徹“面向設(shè)計的制造”理念。該技術(shù)在零件設(shè)計之初就聯(lián)合測量工藝實(shí)現(xiàn)測量規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)零件模型的測量工藝，達(dá)到設(shè)計制造信息交互，打通產(chǎn)品的制造信息流，逐漸成為數(shù)字化航空制造的關(guān)鍵技術(shù)［8］?；贛BD技術(shù)建模是在模型中標(biāo)注了零件尺寸信息和定位基準(zhǔn)，直接利用零件三維模型，將全部測量信息以三維標(biāo)注的形式形成測量數(shù)據(jù)集，將整個測量數(shù)據(jù)集集成在CATIA 三維模型文件中，如圖11所示。這樣就通過SA軟件的自動測量信息識別模塊實(shí)現(xiàn)測量的自動規(guī)劃，提高了測量的自動化程度，保證了測量的質(zhì)量和效率。

圖11 基于MBD技術(shù)的數(shù)字特征標(biāo)注

3.5 基于測量數(shù)據(jù)的部件預(yù)裝配分析技術(shù)

數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)是在實(shí)物形式的預(yù)裝配過程前，利用零件的實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬裝配，可在一定程度上提前發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對因制造不當(dāng)引起的裝配干涉做出預(yù)測分析［9］?；趯?shí)際測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)是針對傳統(tǒng)裝配中無法預(yù)測的，由于制造原因引起的零件干涉和裝配質(zhì)量預(yù)評估等問題而提出的解決方法，是根據(jù)提取零件裝配關(guān)系的實(shí)際數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上通過軟件虛擬仿真實(shí)現(xiàn)預(yù)裝配的技術(shù)。制造誤差經(jīng)常會帶來強(qiáng)迫裝配和裝配應(yīng)力問題，基于測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)是目前有效解決該問題的主要手段，也是“面向裝配的制造”思想的集中體現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文以復(fù)合材料為研究對象，深入介紹了數(shù)字化測量系統(tǒng)的組成和工作原理，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)歸納了復(fù)合材料零件的關(guān)鍵特征的檢測方法，以及在壁板長桁定位和數(shù)控銑切中的實(shí)際應(yīng)用。通過總結(jié)數(shù)字化測量技術(shù)在復(fù)合材料零部件應(yīng)用中的若干關(guān)鍵技術(shù)，區(qū)分了數(shù)字化測量技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的不同，充分展現(xiàn)了激光雷達(dá)和激光跟蹤儀在復(fù)合材料制造全過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。這表明復(fù)合材料數(shù)字化測量是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要手段，為后續(xù)應(yīng)用技術(shù)的研究指明了方向。