激光铺层定位系统在复合材料零件上的应用

吴静青 任卫安 苏亮 张萃珍 丁小军

摘 要：激光铺层定位技术是复合材料工业生产过程中最先进的技术之一，已广泛应用于复合材料制造。在生产复合材料层压板时，生产过程可以显著节省材料，降低成本，提高生产效率，并提高产品质量。随着社会不断提高复合材料技术要求，要不断增加激光铺层定位系统在复合材料零件上的应用，以满足不断增长的生产需求。

关键词：激光铺层定位系统；复合材料；零件；应用

引言

激光铺层定位技术是制造复合材料零件的首选技术，能够有效促进复合材料工业化的生产，是最现代化的技术，能够有效提升材料的質量和效率，实现社会的可持续发展。激光铺层定位系统应用于复合材料的生产，能为复合材料零件层压板的设计生产节省材料、降低成本、提高质量和效率。目前市场扩大了复合材料型号模式的需求，相应的市场也提高了复合材料产量，能够提高现有产品的质量，满足互换性和协调性的要求。目前，复合材料生产规模处于领先地位，复合构件的设计也越来越受到人们的关注。

一、复合材料零件设计要求

复合材料有多种结构形式，包括层压板（主要包括皮、大梁等）和蜂窝结构（一些二级结构部件的表皮结构等）是最常见的形式。本文给出了层压板结构形式的一些设计标准，描述了复合材料层压板使用通常的四层（0°/ 45°/ -45°/ 90°）的结构形式。

1、层压板的整个结构应与中性表面对称，并应遵循平衡原则，即每个+ 45°层压板对应于-45°层压板。这是为了避免弯曲和扭转耦合并防止加工过程中的翘曲变形，进一步完善复合材料零件的设计施工活动，提高复合材料的质量水平。

2、沿四个方向铺设，以确保在任一方向上至少10%的铺设率（某些文献要求至少8%）。这个准则有多方面考虑，考虑垂直于主要方向的泊松效应和直接作用在基板上的其他载荷。

3、在螺栓连接区域，±45°方向上应至少为40%。

4、尽可能在铺层的整个厚度上均匀分布不同的铺设角度，以避免铺层以相同的角度连续铺设。该标准是为了避免应力集中和内部产生微裂纹。

5、表面铺层应连续±45°层压，这主要是由于±45°层压板具有良好的损伤容限特性。

6、相邻铺层的方向应小于60°。

7、对于二次固化铺层，应避免垂直于力的方向靠近凝固位置的铺层，以提高接头强度。

8、当激光铺层的厚度改变时，应注意，应当在满足倾斜角要求（小于10°）的同时逐层地进行过渡（相邻层之间的交换）。需要特别注意，防止过多的区域在加工过程中容易富集，并且产生应力集中和疲劳问题。

二、研究的目的和依据

哈飞复合材料厂已经从加拿大公司购买了三套激光投影系统，作为我国第一个激光铺层定位系统，之前没有详细的技术描述。引进之后与复合材料工厂中现有的复合材料制造工艺结合起来，提高了定位技术、生产能力和现有的加工条件，经过加拿大VIRTEK制造商和我们的技术程序部门近一年的研究，针对如何正确在复合材料的制造中应用该技术进行了多次讨论，基本上可以实现铺层定位，并应用于生产。其中一些技术可填补国内空白，为复合材料的未来应用奠定坚实的基础。

目前我厂有三套三维激光投影系统，两套单头可移动，投影头高出地面3.7米，双头系统固定，离地面高度4.5米。它们可以进行串联使用两个、三个或四个，并且安装在相对湿度为35-40%，温度为18-24℃的工作环境中。投影直径为0.8-1.0的激光束，颜色为绿色，色泽为50°自动跟踪，自动检测功能，具有前进和后退功能，后向数字化精度≤±1.0，保持激光束与工具法线平面之间的角度≤±30度。而且激光投影头是防尘的，以防止碳纤维和其他带电粒子损坏内部构件。该系统可以接受来自FiberSIM、CATIA Covers和其他软件的3D激光投影文件。投影系统使用Virtek Laseredge4.2.1软件。系统硬件组成：1.计算机控制系统2.激光头支架3.激光发射器头4.定位头5.系统校准激光反射板6.激光数字牵引板7.校准工具。

三、系统的硬件组成及说明

1、计算机：建立铺层数据的信息库，并将生成的铺层文件发送到激光发射头进行投影。

2、激光头支架：分为固定式和可移动式支架。固定式分为单头和双头固定激光发射头支架，可以旋转激光头。

3、激光投影头：我们要从计算机接收信息文件，然后将激光束发射到复合材料的层压工具上。绿色投影头是铺路定位系统中最关键的部分，因此要格外予以重视。

4、工装定位头Target：它被放置在复合工具的边缘，垂直放置在工具切线的表面上，具有30°、45°、0°的定位头文件。在它的顶部是一种特殊的光学材料，可以在辐射方向上反射。工具周边区域的三维信息空间数据通过工具定位头传递到激光反射头，由于反射材料不耐高温，当复合材料固化时，必须移除工具定位头使其可移动。

5、手动校准反射片（Retro-relective）：它是一片反射光，可以用激光头扫描，并在激光定位头上扫描。在初始手动校准之后，激光反射器可以自动控制工具上的定位头并自动校正公差。

6、检验工装

它是一种用于检查激光头精度的特殊工具，能够提高复合材料生产的工艺及技术，实现激光铺层定位系统在复合材料生产中良好的应用。

四、系统软件及说明

Windows 2000投影软件的操作系统平台在投影时在普通系统下执行。

1、工装校准文件，格式为：工装校准名.cal

ES是在头部仪器上定位以协调自身空间的相对位置，而产生的激光束三维坐标文件是数据和信息的交换。需要注意的是如果是正向，头部坐标的固有方向是位置离子中的刀具坐标。坐标工具曲面上的空间坐标，而不是坐标。

2、铺层数据文件，格式为：铺层名：ply

当激光反射器用于投影扫描时，它是源文件；当操作者执行每层的投影时，激光发射头通过数据文件扫描分层工具的表面，该数据文件包括诸如文本描述、分层方向和分层形状的信息。

3、系统配置文件，格式为：系统配置名.Cfg

它是激光头系统的参数设置，能够提高激光铺层定位系统的精度，实现复合材料生产效率和质量的提高。

五、激光铺层定位系统的要求

1、技术要求

1）外觀：设备表面应无锈蚀、凹凸不平、漆条无明显划痕。

2）计算机软件：显示屏显示正常，软件应具有所需功能。

3）激光线位置精度：不超过±0.76 mm范围。

4）激光线宽度精度：线宽在0.50 mm～1.93 mm。

5）靶标位置精度：不超过±0.76 mm范围。

在激光铺层定位系统的技术要求中，第一和第二项主要通过目视观察和实际操作进行验证，其他三个项目将由实际测量进行核实。对于激光铺层定位系统的技术要求是非常严谨的，要做到万无一失。

2、激光铺层定位系统的检定

激光铺层定位系统的检定主要由标准工具CDS进行。标准工具CDS由一系列以规则图案分布的目标和圆形、方形雕刻凹槽组成。因此，首先需要确定标准工具的正确性。

启动激光铺层定位系统应用程序，调用CDS工具模型，激光器将CDS模型线投影到标准工具。

激光线位和线宽投影测试：标准仪器和在圆内投影的正方形、圆形和正方形。通过对键盘槽中心位置和线宽的直线观察，对其精度的控制要满足技术要求。

靶标位置的检定：将标准装置放置在激光头下方约4.8米的位置，并运行扫描程序。扫描完成后，软件会自动比较内部理论值以获取错误值，然后生成结果报告。如果误差值在技术要求的精度要求范围内，则认为其符合要求。如果超过误差值，就要重新进行调试，以满足设计要求，促进复合材料的高质量生产。

六、激光铺层定位系统的使用

该套系统的virtek laseredge4.2.1简单易学。以下是该软件的操作简介：

首先打开UPS不间断电源启动计算机。

输入开机密码。

单击标有OLT的图标显示用户操作密码权限，输入密码，一般设置为system，进入laseredge软件界面。

系统分制三个操作级别，管理员有三个级别来操作不同权限的执行系统。操作者通常只需打开设计程序直接投影铺层，操作员可以配置成任何投影文件。如果文件提到cfg文件，管理员可以更改它。cfg文件如果在ply文件之后，可以阶段化层次结构进行投影铺层。

经过近两年的研究和实践，复合材料的生产取得了长足的发展和进步，复合材料生产系统中的激光铺层定位系统的应用，也更加精确，技术也更加娴熟，能够起到有效的定位，实现保障复合材料生产的目的，提高复合材料的质量。

复合投影是一种产品设计数字化设计，它覆盖了图案的层次和空隙。在制造过程中，WERKZEUGE切削位于内径边缘，包括六个布置的头套。至少在工具上，头部的定位位于套筒中。通过激光测量装置，在X、Y和Z三维坐标系下定位头部中心。根据设计师数字模型的介绍，MIT的产品设计软件Catai包含三个文件，1后缀。2 Cal，3 格式，来自车间的数控机床进行充分的应用。随着投影图形层的介绍、数据、工作校验文件，查找系统中的CFG文件，在系统运行后布局工程图投影，然后在CNC中隐藏文件mit后缀-masc，将其隐藏在其中并进行操作，mit涂层系统用良好的材料覆盖照明层的过程，进行喷射涂层愈合。

结论

综上所述，目前激光铺层定位系统在复合材料生产中的应用已取得积极进展，有效促进了复合材料的生产质量和效率的提升，在实际生产中，我们要积极研究，加强对激光铺层定位系统的应用，使其在复合材料的生产中起到积极的促进作用。同时要加强激光铺层定位系统的改进，使其能够适应实际生产条件下的技术要求，在产品外观、性能和质量方面达到规定的要求，促进复合材料的生产与进步，促进社会的和谐发展与进步。

参考文献：

[1]庞秀枝，余净，鲁浩.大速率光纤惯性测量装置全温测试系统设计[J].中国惯性技术学报，2006（03）.

[2]孙谦，谢玲，陈家斌，刘星桥.精密温控对惯性导航平台系统性能的影响[J].北京理工大学学报，2002（03）.

[3]邹向阳，孙谦，陈家斌，徐建华.连续旋转式寻北仪的寻北算法及信号处理[J].北京理工大学学报，2004（09）

作者简介：

吴静青 出生于1987年9月 性别女，籍贯：江西南昌，学历：本科，职称：工程师，研究方向：复合材料零件制造及相关生产设备的应用

邮编：330022