复合材料是以一种材料为基体,另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料因重量轻、强度高、力学性能优良、耐腐蚀性好等优点,已逐步取代部分金属及金属合金材料,广泛应用于航空、航天、汽车、电子电气等领域[1–5]。在航空航天领域,复合材料应用已由非承力件及次承力件发展到主承力件,并向大型化、整体化发展。由单纯蒙皮、筋、梁、肋结构向组合整体结构发展,因此组合工艺也由二次胶接向共胶接、共固化工艺发展。同时,航空工业对复合材料产品的尺寸精度提出了更高要求,以满足飞行器隐身、高速的要求。但复合材料对其制造过程极为敏感,且大多为热成型,制造过程中出现的外形超差问题越来越突出,制造复杂度也越来越高。
传统的数字化检测技术大多是针对产品终检,而复合材料件到了终检已很难挽救,随着数字化检测技术和设备的不断发展,本文提出将数字化检测手段应用于复合材料制造过程监测的新思路。
数字化检测技术
数字化检测技术是根据高精度、快速、自动化、复杂对象、动态等测量要求而产生和发展起来的一项高新科学技术,其基本内容是利用数字化的检测设备和相应软件对被测对象进行检测,经过数据采集、数据转换、数据处理与分析、数据显示等过程,转化成为直观、可视程度高的数据[6–7]。数字化检测工作就是利用数字化设备实现对被测对象数据采集,通过相应的软件实现采集的数据处理与分析,最终显示直观的数据。
⒉ 数字化检测在复合
材料上的应用工作模式
数字化检测在复合材料制造过程中的应用体现为应用数字化检测设备如激光雷达、激光跟踪仪等对复合材料产品或工艺过程进行数字化测量。获得点云数据,进而利用相关软件(如Geomagic、Polyworks、SA等)对点云数据进行去噪、滤波和平滑、网格化、补小孔等处理得到满意的数据,然后利用3D 对齐技术将点云数据模型与理论模型进行对比,并以可视化彩色浓淡图或数据报表形式显示被测件的对比情况[8]。数字化检测工作流程如图1 所示。
复合材料数字化检测主要应用设备
激光跟踪仪(见图2),被称为移动式三坐标测量机,是基于球坐标系的便携式坐标测量系统,具有测量精度高、实时快速、动态测量、便于移动等优点[9–10]。激光跟踪仪可以测量目标点距离和水平、垂直方向偏转角。该设备可实现单个点测量和型面扫描功能,其基本原理是在目标位置上放置一个反射镜(或是类似部件如T–Probe、T–Scan、T–Mac 等),激光跟踪头发出的激光射到反射镜上并反射回到跟踪头。当目标移动时,跟踪头调整光速方向来对准目标。同时,返回光束被检测系统所接收,用来测算目标的空间位置。该检测方法属于接触式测量,且只能检测人工能够触及的范围,可用于部件型面检测,尺寸、位置误差分析,工装、型架、部件、整机装配精确定位。
激光雷达拥有球形测量系统,利用高精度反射镜和红外激光光束测量方位角、俯仰角和距离[11],其中方位角和俯仰角通过内置于主机中的两个编码器测量。距离利用调频相干激光雷达技术测量,最后通过球形坐标与笛卡尔坐标的转换得到被测点的X、Y、Z坐标。测距的工作原理如图3 所示,雷达主机发射的红外激光被分为两束,一束直接到达被测物表面,并被反射,所用传输时间为目标时间;另一束传入已知长度的光纤内,输出时间为标准时间,两束光纤信号被汇合,并输出一个混频信号。
通过目标时间与标准时间之差计算出激光雷达到目标的距离。通过多根固定长度的光纤,采用比较测量的方式来完成空间距离测量。这种测量方式属于非接触式测量,只要在检测范围内且激光点能射到的地方均可测量。因此激光雷达可用于检测特殊环境的工件(含复材产品或工装),如加热至高温情况下的工件、辐射严重的工件或处于低温环境中的工件等。
数字化检测技术在复合
材料制造过程中的应用
模具几乎伴随复合材料制造的整个过程,在零件成型阶段有成型模,在组合阶段有组装模具。在复合材料制造过程中,金属模具会因为受热膨胀发生形变,且与复材热胀系数存在差异,导致零部件产生外形偏差。因此,模具的精度及高温下的状态直接影响复合材料成型件、组合件的精度。运用激光雷达设备,对模具进行不同环境下的型面检测,查找分析复材件的变形来源,能够保证模具精度。
某翼形件采用一套新的模具成型,由模具生产的第一件产品经过质量检查后发现,产品发生较大变形。此前,由旧模具生产的产品未出现此类变形,由于除模具之外的其他主要因素,如工艺成型方法、工艺设备、工艺材料等未发生变化,因此,初步判断产品出现此类变形的主要因素是模具。
为了验证推测,需要应用数字化检测设备开展模具加热前、后型面检测,分析模具加热前后变形情况。两个状态下模具的数据,需在同一个坐标系下或者能关联到同一个坐标系下,这要求两次检测应用的检测设备相同,且两次检测设备与待测模具之间相对位置不变;需对两次数据进行对比分析,分析使用的数据为同一位置处的数据;得出加热前后模具变形情况。由于模具需要加热至180℃,且需要应用检测设备获取该温度下模具数据,因此检测时模具只能放置于加热设中。加热温度180℃属于高温,操作人员不能接触或近距离靠近加热后的模具,经过对激光跟踪仪和激光雷达的检测原理、检测方法、检测优点进行对比后,最后选用激光雷达设备完成对该模具的检测。
出于整个检测过程中(含加热时间)激光雷达和待测模具的位置不能发生变化的考虑,应用烘箱对模具进行加热。将激光雷达摆放于烘箱门口,综合考虑设备高度和检测距离因素,将设备置于距离烘箱前约1m的位置;模具固定于烘箱中,检测时将烘箱门打开。激光雷达的自动测量功能,可通过具有理论数据的点自动测量出对应的实际位置值;也可通过已经测量的点组合,自动测量出对应的另外一组点组合,此功能可用于该模具加热前后的数据获取。为了每次测量的点相同,用记号笔在模具上按照一定规律画出标识,如图4所示,其中图4(a)为按照规律画出的点示意图;图4(b)为应用激光雷达测量小圆点得到的点阵图,分为5行每行19 个点。实际测量时先用手动测量方式测量这些点——手动调节激光雷达激光调整至测量点,然后采用自动测量方式测量。
应用SA 软件中关系匹配功能,将通过上述方法得到的模具加热前后的点数据组合进行对比,得到加热前后模具受热变形情况,且测量分析得到的受热变形情况与实际产品外形偏差值基本一致。
通过 SA 软件对比得到的数据,然后做成曲线观察变形趋势,如图5 所示,图中A~E分别为图4 中对应于 A1~A19、B1~B19、C1~C19、D1~D19、E1~E19 位置的模具受热前后变形量所绘制的曲线。从图5 中可知,该模具在受热后按一定规律变化,每条曲线从第1 点到第19 点变形量逐渐变小,且变形方向相同;几条曲线的斜率比较接近,因此可推断出模具在受热后变形趋势一致。通过数字化检测技术测量分析得出该类模具在受热后型面变形规律,可作为该类产品工艺改进的依据和为今后该类模具设计制造时补偿模具受热后的变形提供参考。