激光鋪層定位系統在復合材料零件上的應用

吳靜青 任衛安 蘇亮 張萃珍 丁小軍

摘 要：激光鋪層定位技術是復合材料工業生產過程中最先進的技術之一，已廣泛應用于復合材料制造。在生產復合材料層壓板時，生產過程可以顯著節省材料，降低成本，提高生產效率，并提高產品質量。隨著社會不斷提高復合材料技術要求，要不斷增加激光鋪層定位系統在復合材料零件上的應用，以滿足不斷增長的生產需求。

關鍵詞：激光鋪層定位系統；復合材料；零件；應用

引言

激光鋪層定位技術是制造復合材料零件的首選技術，能夠有效促進復合材料工業化的生產，是最現代化的技術，能夠有效提升材料的質量和效率，實現社會的可持續發展。激光鋪層定位系統應用于復合材料的生產，能為復合材料零件層壓板的設計生產節省材料、降低成本、提高質量和效率。目前市場擴大了復合材料型號模式的需求，相應的市場也提高了復合材料產量，能夠提高現有產品的質量，滿足互換性和協調性的要求。目前，復合材料生產規模處于領先地位，復合構件的設計也越來越受到人們的關注。

一、復合材料零件設計要求

復合材料有多種結構形式，包括層壓板（主要包括皮、大梁等）和蜂窩結構（一些二級結構部件的表皮結構等）是最常見的形式。本文給出了層壓板結構形式的一些設計標準，描述了復合材料層壓板使用通常的四層（0°/ 45°/ -45°/ 90°）的結構形式。

1、層壓板的整個結構應與中性表面對稱，并應遵循平衡原則，即每個+ 45°層壓板對應于-45°層壓板。這是為了避免彎曲和扭轉耦合并防止加工過程中的翹曲變形，進一步完善復合材料零件的設計施工活動，提高復合材料的質量水平。

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

3、在螺栓連接區域，±45°方向上應至少為40%。

4、盡可能在鋪層的整個厚度上均勻分布不同的鋪設角度，以避免鋪層以相同的角度連續鋪設。該標準是為了避免應力集中和內部產生微裂紋。

5、表面鋪層應連續±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、相鄰鋪層的方向應小于60°。

7、對于二次固化鋪層，應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、當激光鋪層的厚度改變時，應注意，應當在滿足傾斜角要求（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，防止過多的區域在加工過程中容易富集，并且產生應力集中和疲勞問題。

二、研究的目的和依據

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

目前我廠有三套三維激光投影系統，兩套單頭可移動，投影頭高出地面3.7米，雙頭系統固定，離地面高度4.5米。它們可以進行串聯使用兩個、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部構件。該系統可以接受來自FiberSIM、CATIA Covers和其他軟件的3D激光投影文件。投影系統使用Virtek Laseredge4.2.1軟件。系統硬件組成：1.計算機控制系統2.激光頭支架3.激光發射器頭4.定位頭5.系統校準激光反射板6.激光數字牽引板7.校準工具。

三、系統的硬件組成及說明

1、計算機：建立鋪層數據的信息庫，并將生成的鋪層文件發送到激光發射頭進行投影。

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射頭支架，可以旋轉激光頭。

3、激光投影頭：我們要從計算機接收信息文件，然后將激光束發射到復合材料的層壓工具上。綠色投影頭是鋪路定位系統中最關鍵的部分，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材料，可以在輻射方向上反射。工具周邊區域的三維信息空間數據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，當復合材料固化時，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，能夠提高復合材料生產的工藝及技術，實現激光鋪層定位系統在復合材料生產中良好的應用。

四、系統軟件及說明

Windows 2000投影軟件的操作系統平臺在投影時在普通系統下執行。

1、工裝校準文件，格式為：工裝校準名.cal

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

2、鋪層數據文件，格式為：鋪層名：ply

當激光反射器用于投影掃描時，它是源文件；當操作者執行每層的投影時，激光發射頭通過數據文件掃描分層工具的表面，該數據文件包括諸如文本描述、分層方向和分層形狀的信息。

3、系統配置文件，格式為：系統配置名.Cfg

它是激光頭系統的參數設置，能夠提高激光鋪層定位系統的精度，實現復合材料生產效率和質量的提高。

五、激光鋪層定位系統的要求

1、技術要求

1）外觀：設備表面應無銹蝕、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）靶標位置精度：不超過±0.76 mm范圍。

在激光鋪層定位系統的技術要求中，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的技術要求是非常嚴謹的，要做到萬無一失。

2、激光鋪層定位系統的檢定

激光鋪層定位系統的檢定主要由標準工具CDS進行。標準工具CDS由一系列以規則圖案分布的目標和圓形、方形雕刻凹槽組成。因此，首先需要確定標準工具的正確性。

啟動激光鋪層定位系統應用程序，調用CDS工具模型，激光器將CDS模型線投影到標準工具。

激光線位和線寬投影測試：標準儀器和在圓內投影的正方形、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要求。

靶標位置的檢定：將標準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，軟件會自動比較內部理論值以獲取錯誤值，然后生成結果報告。如果誤差值在技術要求的精度要求范圍內，則認為其符合要求。如果超過誤差值，就要重新進行調試，以滿足設計要求，促進復合材料的高質量生產。

六、激光鋪層定位系統的使用

該套系統的virtek laseredge4.2.1簡單易學。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。

單擊標有OLT的圖標顯示用戶操作密碼權限，輸入密碼，一般設置為system，進入laseredge軟件界面。

系統分制三個操作級別，管理員有三個級別來操作不同權限的執行系統。操作者通常只需打開設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，可以階段化層次結構進行投影鋪層。

經過近兩年的研究和實踐，復合材料的生產取得了長足的發展和進步，復合材料生產系統中的激光鋪層定位系統的應用，也更加精確，技術也更加嫻熟，能夠起到有效的定位，實現保障復合材料生產的目的，提高復合材料的質量。

復合投影是一種產品設計數字化設計，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三維坐標系下定位頭部中心。根據設計師數字模型的介紹，MIT的產品設計軟件Catai包含三個文件，1后綴。2 Cal，3 格式，來自車間的數控機床進行充分的應用。隨著投影圖形層的介紹、數據、工作校驗文件，查找系統中的CFG文件，在系統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涂層系統用良好的材料覆蓋照明層的過程，進行噴射涂層愈合。

結論

綜上所述，目前激光鋪層定位系統在復合材料生產中的應用已取得積極進展，有效促進了復合材料的生產質量和效率的提升，在實際生產中，我們要積極研究，加強對激光鋪層定位系統的應用，使其在復合材料的生產中起到積極的促進作用。同時要加強激光鋪層定位系統的改進，使其能夠適應實際生產條件下的技術要求，在產品外觀、性能和質量方面達到規定的要求，促進復合材料的生產與進步，促進社會的和諧發展與進步。

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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，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：復合材料零件制造及相關生產設備的應用

郵編：330022