飛機(jī)壁板大型復(fù)材成型模具激光跟蹤儀檢測應(yīng)用

趙朝雄 賀雷鳴 劉冠群 高凱元

摘 要：本文以飛機(jī)壁板大型復(fù)材成型模具為對象，主要論述了超出測量機(jī)測量范圍的大型復(fù)材成型模具的激光跟蹤儀檢測的詳細(xì)過程，為大型模具激光跟蹤儀檢測提出了切實可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化檢測;激光跟蹤儀;精度;復(fù)材成型模具

1 概述

飛行器為了提高性能，降低成本，延長壽命，其零件結(jié)構(gòu)向大型化、整體化方向發(fā)展。近幾十年來，復(fù)合材料研究和應(yīng)用的迅速發(fā)展，輕質(zhì)、高強(qiáng)的復(fù)合材料大型零件和整體構(gòu)件成為了設(shè)計師的首選，復(fù)合材料的應(yīng)用已從最初的次承力結(jié)構(gòu)大幅擴(kuò)展到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量和由此帶來的減重效果已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，是世界強(qiáng)國競相發(fā)展的核心技術(shù)。[1]

在我國，數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造等技術(shù)正逐步成為復(fù)合材料制造的核心技術(shù)，而決定復(fù)材制造的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是配套復(fù)材成型模具工裝。復(fù)合材料成型模具和一般金屬模具不同，它主要要考慮模具的傳熱均勻性、熱膨脹性和材料成形后的回彈。[2]復(fù)合材料構(gòu)件的成型模具數(shù)字化檢測技術(shù)，成為控制復(fù)合材料構(gòu)件精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的CMM三坐標(biāo)測量機(jī)檢測在進(jìn)行復(fù)材模具工裝檢測時，存在場地制約，無法對大型整體工裝進(jìn)行檢測。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，便攜式坐標(biāo)測量系統(tǒng)，特別是激光跟蹤儀的出現(xiàn)，為復(fù)合材料零件工裝的數(shù)字化檢測提供了必要技術(shù)手段。[3]

2 激光跟蹤儀介紹

激光跟蹤儀是二十世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的一種大尺寸精密測量儀器，可對空間運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實時測量其空間三維坐標(biāo)，具有安裝快捷、操作簡便、實時掃描測量、測量精度及效率高等優(yōu)點，被譽(yù)為“便攜式CMM”。激光跟蹤儀主要由跟蹤頭、目標(biāo)反射鏡（靶球）、控制器和測量軟件構(gòu)成。

本次工程應(yīng)用使用的激光跟蹤儀，測量精度在全量程范圍內(nèi)為15μm+6μm/m。

3 大型復(fù)材成型模具激光跟蹤儀檢測

3.1 完成前期準(zhǔn)備工作

首先完成激光跟蹤儀硬件的安裝，按照相關(guān)執(zhí)行文件對激光跟蹤儀進(jìn)行現(xiàn)場校驗，確保各項指標(biāo)無誤、使用的各類反射器均為計量合格工具后進(jìn)行下一步溫度補(bǔ)償。

在恒溫廠房中因為被測模具溫度基本一致，所以工裝整體溫度補(bǔ)償較好完成。設(shè)定好基準(zhǔn)尺后，經(jīng)過2次實測驗證滿足公差要求，至此完成所有前期準(zhǔn)備工作。

3.2 模型導(dǎo)入

SA軟件可導(dǎo)入各種不同格式的三維數(shù)模，如IGES、STEP、或直接的CATIA模型（常用格式為*.STEP，*.CATPART），三維模型中的點、線、面等所有檢測要素均被導(dǎo)入到SA當(dāng)中。

3.3 模具調(diào)平

因在檢測過程中，存在可調(diào)支承高度不一致的問題，導(dǎo)致模具四周應(yīng)力不均，若造成中部凹陷等問題則會影響實際測量結(jié)果?，F(xiàn)將四周任意三點平面建立臨時坐標(biāo)系，定義該平面為z向的法面，通過調(diào)整另外一點的z值至公差來滿足設(shè)計要求，以此類推多次驗證合格后滿足模具調(diào)平。

3.4 測量坐標(biāo)系建立

關(guān)于坐標(biāo)系的統(tǒng)一是測量的最關(guān)鍵的一步，分兩步進(jìn)行。第一步是確定理論數(shù)模坐標(biāo)系與安裝所需的工裝坐標(biāo)系統(tǒng)一，只有這兩者完成統(tǒng)一才能將實際工裝與數(shù)模對應(yīng)起來;下一步是完成激光跟蹤儀的世界坐標(biāo)系到工裝坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，這兩者的統(tǒng)一及擬合誤差決定了安裝的精度。

我們按照設(shè)計給定的工裝坐標(biāo)系下的理論值安裝工裝四個角上的工具球支座（保證相對關(guān)系，也可用數(shù)控機(jī)床確定基準(zhǔn)后測出的實際孔位為基準(zhǔn)），并測量出其在工裝坐標(biāo)系下本次實測值，在工裝坐標(biāo)系下用理論值來調(diào)整四個工具球支座，調(diào)整到公差范圍內(nèi)，實測這四個值，然后再測量其他ERS點，并保存為參考文件。在至少三個不同的位置進(jìn)行上述工作內(nèi)容，測量出的ERS實測值至少三遍，對這三遍值求平均值，對不太合適的值進(jìn)行修正，用這些平均值作為最終的ERS參考值，這樣做的目的是為了消除一些誤差。

之后每回調(diào)裝工裝時，先測量足夠的ERS點，與ERS參考值進(jìn)行最佳擬合，就將儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到了CATIA工裝數(shù)模坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)換偏差（dx，dy，dz）越小，實際坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系擬合度越高，檢測結(jié)果也越準(zhǔn)確。

3.5 型面及零件外形線測量

在上述工作完成后，直接利用三維數(shù)模就可以進(jìn)行測量及調(diào)裝監(jiān)視了。采用型面OTS測量方法對零件線以內(nèi)型面進(jìn)行測量，曲率大的位置加密測量點。零件外形線的測量采用T-PROBE進(jìn)行測量。測量結(jié)果如下：

3.6 定位卡板裝配關(guān)系檢測

定位卡板型面通過測量定位板上OTP點來間接保證，測量結(jié)果如下：

4 結(jié)語

使用數(shù)字化、自動化的生產(chǎn)工藝裝備已是現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造的必由之路，而相對應(yīng)的數(shù)字化檢測手段不僅解決了模擬量傳遞的弊端，同時在質(zhì)量監(jiān)控時通過生成數(shù)字測量報告的形式有效地提高了可視化管理。在后續(xù)的模具工裝驗收工作中依然存在很多難點，如面對更大型的工裝時合理的站位布局、復(fù)雜型面多溫度區(qū)域的統(tǒng)一等因素，都使得無論傳統(tǒng)手段測量還是激光跟蹤儀測量的難度大大增加，還需更多試驗方法嘗試論證。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉芹.飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造裝備應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空制造技，2013（17）：53-56.

[2]徐進(jìn).民機(jī)復(fù)材件成形的模具材料選擇與其工藝研究[D].上海交通大學(xué)，2013.

[3]王衡.激光跟蹤儀在復(fù)合材料零件檢測中的航空制造術(shù)，2014（23-24）：93-94.