飛機壁板大型復材成型模具激光跟蹤儀檢測應用

趙朝雄 賀雷鳴 劉冠群 高凱元

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

關鍵詞：數(shù)字化檢測;激光跟蹤儀;精度;復材成型模具

1 概述

飛行器為了提高性能，降低成本，延長壽命，其零件結構向大型化、整體化方向發(fā)展。近幾十年來，復合材料研究和應用的迅速發(fā)展，輕質、高強的復合材料大型零件和整體構件成為了設計師的首選，復合材料的應用已從最初的次承力結構大幅擴展到機翼、機身等主承力結構。復合材料在飛機結構上的用量和由此帶來的減重效果已成為衡量飛機先進性的重要標志，是世界強國競相發(fā)展的核心技術。[1]

在我國，數(shù)字化設計、數(shù)字化制造等技術正逐步成為復合材料制造的核心技術，而決定復材制造的另一關鍵環(huán)節(jié)就是配套復材成型模具工裝。復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]復合材料構件的成型模具數(shù)字化檢測技術，成為控制復合材料構件精度的關鍵環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的CMM三坐標測量機檢測在進行復材模具工裝檢測時，存在場地制約，無法對大型整體工裝進行檢測。隨著數(shù)字化測量技術的發(fā)展，便攜式坐標測量系統(tǒng)，特別是激光跟蹤儀的出現(xiàn)，為復合材料零件工裝的數(shù)字化檢測提供了必要技術手段。[3]

2 激光跟蹤儀介紹

激光跟蹤儀是二十世紀九十年代發(fā)展起來的一種大尺寸精密測量儀器，可對空間運動目標進行跟蹤并實時測量其空間三維坐標，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，被譽為“便攜式CMM”。激光跟蹤儀主要由跟蹤頭、目標反射鏡（靶球）、控制器和測量軟件構成。

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

3 大型復材成型模具激光跟蹤儀檢測

3.1 完成前期準備工作

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

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償較好完成。設定好基準尺后，經過2次實測驗證滿足公差要求，至此完成所有前期準備工作。

3.2 模型導入

SA軟件可導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入到SA當中。

3.3 模具調平

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

3.4 測量坐標系建立

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

我們按照設計給定的工裝坐標系下的理論值安裝工裝四個角上的工具球支座（保證相對關系，也可用數(shù)控機床確定基準后測出的實際孔位為基準），并測量出其在工裝坐標系下本次實測值，在工裝坐標系下用理論值來調整四個工具球支座，調整到公差范圍內，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行上述工作內容，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。

之后每回調裝工裝時，先測量足夠的ERS點，與ERS參考值進行最佳擬合，就將儀器坐標系轉換到了CATIA工裝數(shù)模坐標系。轉換偏差（dx，dy，dz）越小，實際坐標系與理論坐標系擬合度越高，檢測結果也越準確。

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)模就可以進行測量及調裝監(jiān)視了。采用型面OTS測量方法對零件線以內型面進行測量，曲率大的位置加密測量點。零件外形線的測量采用T-PROBE進行測量。測量結果如下：

3.6 定位卡板裝配關系檢測

定位卡板型面通過測量定位板上OTP點來間接保證，測量結果如下：

4 結語

使用數(shù)字化、自動化的生產工藝裝備已是現(xiàn)代先進飛機復材構件制造的必由之路，而相對應的數(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：

[1]周曉芹.飛機復材構件制造裝備應用現(xiàn)狀[J].航空制造技，2013（17）：53-56.

[2]徐進.民機復材件成形的模具材料選擇與其工藝研究[D].上海交通大學，2013.

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